CN102426902B

CN102426902B - 一种防爆变压器磁流体自循环散热装置

Info

Publication number: CN102426902B
Application number: CN201110384141.4A
Authority: CN
Inventors: 苏成勇; 武佩刚; 徐龙霞; 季中勇
Original assignee: JIANGSU ZHONGLIAN ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: Jiangsu bait Polytron Technologies Inc.; JIANGSU ZHONGLIAN ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2031-11-17
Also published as: CN102426902A

Abstract

本发明提供了一种基于磁流体自循环技术的新型防爆变压器磁流体自循环散热装置，其主要部件包括：热汇管1，永磁体2，固定件3，第一管道4，第二管道5，外部散热部分6，石墨片7，循环管道8，磁流体9，变压器铁芯10。该装置能克服传统防爆变压器散热器散热效率低，噪声大，维护工作量大、需要外加能量驱动等缺陷，而且能够很好的解决变压器的散热问题，达到快速、有效降低变压器温度的目的，确保大容量防爆变压器在满负荷运行情况安全运行；同时，进一步提高冷却的效果。

Description

一种防爆变压器磁流体自循环散热装置

技术领域

本发明一种防爆变压器的散热装置，尤其涉及一种利用磁流体的自循环散热装置。

背景技术

防爆变压器在正常工作过程中会在铁芯和绕组等部件中产生损耗，然后不可逆转地产生大量的热量，需要尽快进行散热。特别是随着变压器容量的增大，漏磁通增大，相应杂散损耗增加；变压器的尺寸和容量增加并不成比例造成局部杂散损耗增加；大容量变压器电流大，特别是低压绕组和各并联导线间有循环电流通过，也相应增加附加损耗。因此，变压器产生热量的散发难度随体积和容量的增大而增大，需要采取附加散热措施来降低温升，而采取附加散热措施来降低温度，而采取附加措施就会相应的增加了变压器的附加损耗。但是，防爆变压器内部由于没有旋转运动带动气流，它的冷却要比旋转电机更为困难。

目前对防爆变压器的散热主要采用自然散热和风冷方式两种方式。已有技术是在变压器线圈浇注体中设置轴向风道，使变压器内部气体流通，热量散发。但其存在的缺点是只有轴向风道散热不够快，特别对于大体积大容量的变压器，散热效果不明显，而且在轴向风道的两头出口中设置有垫块与夹件相连接，垫块会堵塞部分风道。这种散热方式只能在通风比较好的室外应用，对于一些密闭的室内变压器，由于通风不好，往往会处在高温运行的状态，在室温达到37℃以上时，变压器温度可达到100℃以上，逼近变压器报警温度，给生产带来极大地安全隐患。

风冷方式是利用风机进行吹风达到散热的目的。现有的防爆变压器风冷散热大都是利用普通的引风机，其有一个蜗壳状的风机壳体，其侧面为轴向进风口，壳体的切线方向有一个排风口，壳内装有板状叶片与电机轴相接，叶片轴承支撑在壳体上，这种散热方式噪声非常大，工作时震动剧烈，散热效果差，使用寿命也相对较短。

除以上两种散热方式以外，还有采用水冷的方式为变压器散热，这种散热方式虽然与前两种相比，效果有所改进。但是，由于其仅仅是利用水的热对流原理进行散热，效率不高，所以散热效果仍然不明显。同时，由于采用了水做散热介质，这也为防爆变压器的安全运行带来的隐患。

以上几种防爆变压器散热方式，除自然散热方式之外，均需要外加电源，这种方案对于变压器来说，一是增加了系统的复杂度，同时也不够环保。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种新型防爆变压器磁流体自循环散热装置，能克服传统防爆变压器散热器散热效率低，噪声大，维护工作量大、需要外加能量驱动等缺陷，而且能够很好的解决变压器的散热问题，达到快速、有效降低变压器温度的目的，确保大容量防爆变压器在满负荷运行情况安全运行；同时，进一步提高冷却的效果。

磁流体自循环的机理在于利用磁流体的温度特性、热磁效应、热磁对流等性质，将变压器顶端产生的热能直接转化为机械能。

热磁对流：当在较高的磁场强度下，对磁流体提供热量，磁流体的磁矩减少。因此，把磁流体从高温和高磁场强度区喷出所需要的功小于磁流体从低温、低磁场强度区进入所做的功。

温度特性：磁流体的饱和磁化强度随温度的升高而减小，至居里点时，磁性完全消失。温度下降后，磁性可重新恢复。

磁热效应：当磁场强度改变时，磁流体的温度也改变。即当磁流体进入较高磁场强度区域时，磁流体被加热；当离开磁场区域时，磁流体被冷却。同样原理，磁场强度的升高可加热磁流体。

在散热装置的磁流体循环回路中，由于温度的分布不同，所以循环通路中各部分存在一定的温差，因此磁流体受到的磁力也存在一个差值。温度低处，磁流体的磁化强度大，受到的磁场力也较大，温度高处，磁流体的磁场强度小，受到的磁场驱动力也较小，这样在磁场区域内，磁性粒子受力就会不平衡。温度较低的磁流体被吸入磁力场内部，在磁场内，由外部提供的热源加热，随着温度的升高，其磁化强度减小，所产生的磁场力驱动磁流体流动。因此不需要任何外加能量的驱动，磁流体也可以在磁力的推动下而流动，从而实现能量的直接转化或传递。

在磁场分布不均因素的影响下，热汇管和循环管道中会出现局部涡流，涡流的循环方向为顺时针。由于涡流的存在，整个通道中流动循环的流动速度增加，从而传递更多的热量。涡流的作用如同泵，可吸取流体，使流体更快循环。当磁场强度增加时，传热率也相应的增加。

除热磁对流现象促进磁流体散热之外，液体的自然对流也会使磁流体流动，这使磁流体传递的热能显著增加。由于推动磁流体流动的磁力远大于磁流体的浮升力，因此，在外加磁场作用下，用磁流体可以很容易控制自然对流，加快磁流体的流动速度。

有数据表明，当给磁流体悬浮液加入少量的磁场(10毫特斯拉)，热传导性可增强了300％。

本发明提供一种防爆变压器磁流体的循环散热装置，包括热汇管，永磁体，固定件，第一管道，第二管道，外部散热部分，石墨片，循环管道，磁流体和变压器铁芯。其中，热汇管安装在变压器铁芯的顶端，其一端与循环管道连通，另一端与第一管道连通。循环管道围绕在变压器铁芯的两侧和底部，其一端连通热汇管，另一端与第二管道连通。外部散热部分的管道连通第一管道和第二管道，石墨片粘附在外部散热部分的外表面。永磁体通过固定件安装在热汇管的内部靠近两侧循环管道的其中一端。磁流体在热汇管，循环管道，第一管道，第二管道和外部散热部分组成的通道中循环流动。

所述磁流体的溶液包括磁性颗粒和作为载液的变压器油。

所述磁性颗粒占整个磁流体溶液中的体积分数的3％-10％。

磁性颗粒的材料为兼具磁性和导电性能的Mn-Zn铁氧体粒子温度敏感性磁流体作为流动介质，其居里温度为443K。

所述磁流体的制备过程为：将磁性颗粒用去离水清洗，烘烤，除去杂质；将所述磁性颗粒加入表面活化剂中搅拌，恒温反应，再用有机溶剂清洗掉多余的表面活化剂；将上述磁性颗粒在搅拌条件下均匀分散到过渡液中，加入一定量的载液并加热，恒温反应至过渡液完全挥发；在搅拌条件下冷却，即制得所述磁流体。

所述永磁体为烧结钕铁硼磁。

所述热汇管，循环管道，第一和第二管道均采用铝合金材料加工。

所述永磁体安装在热汇管连通第一管道的一端，则第一管道形成为输入管道，第二管道形成为输出管道，磁流体沿第一管道至热汇管，循环管道，第二管道，外部散热部分的方向流动。

当磁流体的表面活化剂作用下降时，利用1000瓦，28kHz的超声波的对磁流体进行作用，使其恢复活性。

本发明的实现方法：在防爆变压器铁芯壁外围安装一套磁流体循环冷却设备，主要利用磁流体的热对流特性，在不附加任何外在动力的前提下，利用变压器铁芯本身的热量和外加的永久磁场，促使磁流体在磁力的推动下流动，将铁芯的热量向变压器外部传递，由此实现了一种防爆变压器磁流体冷却循环散热装置。

在本发明中：在防爆变压器铁芯壁顶端安置一个热汇管与铁芯上沿附着在一起，变压器铁芯和绕组产生的热量直接传递到热汇管，在热汇管顶端一侧安装有永磁体，永磁体为热汇管中的磁流体提供一个恒定的磁场，永磁体通过固定件和热绝缘材料与热汇管连接在一起。

在本发明中：防爆变压器铁芯两侧及底部安装有循环管道，循环管道直接与热汇管相连，形成一个循环通路。

在本发明中：磁流体通过输出管道被引到变压器外部，磁流体在外部散热部分中自然冷却，通过输入管道，被冷却的磁流体再次回到热汇管中。

在本发明中：为了提高外部散热部分的散热效率，在外部散热部分的外壁粘附有石墨片。石墨片为已知最薄的高导热炭材料，系有具六角晶格结构的碳原子所组成，是目前物理及材料科学领域中最热门的研究对象之一。石墨片不仅具有优良的导电、导热性能，低膨胀系数小，价格低廉、易生产，而且由于其独特的二维纳米结构，具有作为高分子复合材料中导热材料的独特优势。

石墨片具有以下这些特性：

优秀的导热系数：150～1200W/m.k，比金属的导热还好。

质轻，比重只有1.0～1.3柔软，容易操作。

厚度：0.012-1.0mm黏胶：0.03mm超薄0.012mm

热传导系数平面传导300-1200W/m.k垂直传导20-30W/m.k

耐温400℃

低热阻：热阻比铝低40％，比铜低20％

重量轻：重量比铝轻25％，比铜轻75％

本发明有益的技术效果在于：

磁流体的循环运动不需要任何外加能量驱动，仅仅利用防爆变压器绕组和铁芯损耗产生的热能，即可在磁力的推动下流动，将变压器中的热能直接转化为机械能，使得散热装置内的磁流体做自循环运动。磁流体的自循环将变压器铁芯顶部的热量带到了变压器的铁芯的两侧及底部和变压器的外部，相应的增加了变压器的散热面积。本发明结构简单，体积小巧，易于实现，只需要对原有变压器的结构进行小幅度的改造，能够极大的改善变压器的散热性能。

附图说明

图1是防爆变压器磁流体自循环散热装置的结构示意图；

图1中，热汇管1，永磁体2，固定件3，第一管道4，第二管道5，外部散热部分6，石墨片7，循环管道8，磁流体9，变压器铁芯10。

具体实施方式

本发明提供了一种磁流体自循环冷却的变压器散热设备，其包括：

热汇管1，安置在变压器铁芯10的顶端，一端与循环管道8相连通，另一端与第一管道4相连通，利用变压器顶端的热量加热热汇管1中磁流体9，为磁流体9循环运动提供能量；

永磁体2，为热汇管中的磁流体9提供一个恒定磁场，将磁流体9中的磁性粒子磁化；

循环管道8，磁流体9的循环通道，一端与热汇管1相连通，另一端与第二管道5相连通，在磁力的推动下，磁流体9从热汇管1进入循环管道，8，同时，将变压器顶端铁芯10的热量输送到变压器铁芯10的中部、底部和外部，循环管道8本身起到一定的散热作用；

外部散热部分6，连通第一管道4和第二管道5，置于变压器铁芯10的外部，磁流体9在外部散热部分6中自然冷却；

石墨片7，利用石墨片7本身的粘附特性，粘附在外部散热部分6的外表面，增强外部散热部分6的热辐射效率。

磁流体溶液为磁性颗粒和作为载液的变压器油。

磁性颗粒占整个磁流体溶液中的体积分数为3％-10％，其材料为兼具磁性和导电性能的Mn-Zn铁氧体粒子。温度敏感性磁流体作为流动介质，其居里温度为443K。

磁流体的制备：

将磁性颗粒经过去离子水清洗，烘烤处理，除去杂质。将其加入表面活化剂溶液中并进行搅拌，让其与表面活化剂恒温反应一段时间。包裹反应完成之后，使用有机溶剂清洗掉多余的表面活化剂。最后可由红外光谱分析仪等设备测定其包裹情况。

将包覆好的磁性颗粒在搅拌条件下均匀分散到过渡液中，再加入一定量的载液并加热，然后在适当温度下恒温反应一段时间直至过渡液完全挥发出去。此后在搅拌条件下将所制磁流体冷却，即可制得磁流体样品。本发明所用的磁流体以变压器油做载液。

其中，所述永磁体优选江西金立永磁科技有限公司45SH型烧结钕铁硼磁，Br＝1.32～1.38T，H_cj(min)＝1592kA/m，H_cb(min)＝995kA/m，BH_max＝342～366kJ/m³。

其中，所述石墨片采用海门市曙光碳业有限公司生产的尺寸为180*40*4mm的石墨片。

其中，热汇管，循环管道，第一管道和第二管道均采用铝合金材料加工而成，具体尺寸根据变压器的实际大小来确定。

本发明防爆变压器磁流体自循环散热装置的具体工作过程如下：

如图1所示。热汇管1被安置在变压器铁芯10的上方，变压器铁芯10和绕组等部件产生的热量聚积在变压器的上部，这部分热量对热汇管1中的磁流体9进行加热，但由于变压器铁芯10各部分散热不同，其温度从热汇管的中部开始，向两边逐渐降低，这也就导致了热汇管1中的磁流体9各部分受热的不均，从而形成磁热对流。

永磁体2被安置在热汇管1内部靠近左右循环管道8一侧的位置，通过固定件3与热汇管连接在一起。磁流体9在永磁体2产生的磁场中被磁化，由于热汇管1中各部分磁流体9存在温度差，根据磁热对流原理，冷端的磁流体9会向热端移动，从而带动整个装置内的磁流体循环流动。由于本发明将永磁体2安置在热汇管1的右侧，磁流体9冷端在永磁体2的右边，磁流体9热端在永磁体2的左边，所以磁流体9会逆时针流动，如图1箭头方向所示。同理，也可将永磁体2安置在热汇管1左端，相应的，循环装置内的磁流体9会顺时针流动。

热汇管1中被加热过的磁流体9进入循环管道8，循环管道8在作为磁流体9循环通道的同时，还起到一定的散热作用。磁流体9从变压器铁芯10的上部开始流动，依次通过变压器铁芯10的左侧，底部，右侧的循环管道8，将变压器铁芯10顶部的热量传送至变压器铁芯10的各个部分，使得热量在变压器中均匀分布。

当磁流体9逆时针流动时，第二管道5作为输出管道，第一管道4作为输入管道。通过第二管道5，磁流体9输送至变压器外部，同时，磁流体携带的热量也传送至变压器外部。在变压器外部的外部散热部分6中，磁流体9自然冷却降温。

为了增强外部散热部分6的散热性能，在外部散热部分6外壁粘附有石墨片7，加快外部散热部分6中的磁流体9通过热辐射的形式释放能量，即磁流体9自然冷却，被冷却的磁流体9经过第一管道4，通过永磁体2磁场的冷端被再次吸入热汇管1。

磁流体冷却循环过程结束。

若磁流体9顺时针流动时，第一管道4作为输出管道，第二管道5作为输入管道，磁流体9冷却循环过程与逆时针循环过程类似。

针对同一个的变压器，使用不同的制冷方式进行对比实验。当变压器表面温度达到90℃，散热装置开始运行，运行三小时，变压器的温度如表一所示。

表一

通过以上数据的对比可以看出，磁流体散热器有着较为明显的由点，其中最为突出的是磁流体散热器能够无动力运行。本发明最大的贡献是开拓了一种散热器解决方案的新思路并且推广了一种前沿技术的应用。现如今，磁流体技术在各行各业正日新月异的发展，特别是在散热领域的发展也日臻完善。

磁流体需每年维护一次，磁流体之中纳米颗粒在表面活性剂的作用下能保持其独特的纳米作用，而在连续运行几个月之后，表面活性剂的作用将会下降，纳米颗粒会发生团聚现象。届时，利用1000瓦，28kHz的超声波的对磁流体进行作用，使其恢复活性。

Claims

1.一种防爆变压器磁流体的循环散热装置，其特征在于，包括热汇管（1），永磁体（2），固定件（3），第一管道（4），第二管道（5），外部散热部分（6），石墨片（7），循环管道（8），磁流体（9）和变压器铁芯（10），其中，热汇管（1）安装在变压器铁芯（10）的顶端，其一端与循环管道（8）连通，另一端与第一管道（4）连通；循环管道（8）围绕在变压器铁芯（10）的两侧和底部，其一端连通热汇管（1），另一端与第二管道（5）连通；外部散热部分（6）的管道连通第一管道（4）和第二管道（5），石墨片（7）粘附在外部散热部分（6）的外表面；永磁体（2）被安置在热汇管（1）内部靠近左右循环管道（8）一侧的位置，通过固定件（3）与热汇管连接在一起；磁流体（9）在热汇管（1），循环管道（8），第一管道（4），第二管道（5）和外部散热部分（6）组成的通道中循环流动，其中，所述磁流体（9）的溶液包括磁性颗粒和作为载液的变压器油，所述磁性颗粒占整个磁流体溶液中的体积分数的3％-10％，所述磁性颗粒的材料为兼具磁性和导电性能的Mn-Zn铁氧体粒子温度敏感性磁流体作为流动介质，其居里温度为443K，所述磁流体（9）的制备过程为，将磁性颗粒用去离水清洗，烘烤，除去杂质；将所述磁性颗粒加入表面活化剂中搅拌，恒温反应，再用有机溶剂清洗掉多余的表面活化剂；将上述磁性颗粒在搅拌条件下均匀分散到过渡液中，加入一定量的载液并加热，恒温反应至过渡液完全挥发；在搅拌条件下冷却，即制得所述磁流体（9），所述永磁体（2）为烧结钕铁硼磁，所述热汇管（1），循环管道（8），第一和第二管道（4，5）均采用铝合金材料加工，所述永磁体（2）安装在热汇管（1）连通第一管道（4）的一端，则第一管道（4）形成为输入管道，第二管道（5）形成为输出管道，磁流体（9）沿第一管道（4）至热汇管（1），循环管道（8），第二管道（5），外部散热部分（6）的方向流动，当磁流体（9）的表面活化剂作用下降时，利用1000瓦、28kHz的超声波的对磁流体进行作用，使其恢复活性。