CN102570480B

CN102570480B - 一种无功补偿装置蒸发冷却系统

Info

Publication number: CN102570480B
Application number: CN201210023105.XA
Authority: CN
Inventors: 王海峰; 国建鸿; 顾国彪; 傅德平
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2012-02-02
Filing date: 2012-02-02
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-02-02
Also published as: CN102570480A

Abstract

一种无功补偿装置蒸发冷却系统，包括多个冷却组件(13)和一个冷凝器(14)。所述的冷凝器(14)置于多个冷却组件(13)的上部，多个冷却组件(13)共用一个冷凝器(14)。每一冷却组件(13)包括多个冷板(21)、至少一个蒸发冷却散热器(24)，一个热流体集管(22)和一个冷流体集管(23)。每两个冷板(21)之间夹有一个晶闸管，多个夹有晶闸管的冷板(21)串联为一组，由紧固件紧固。每个蒸发冷却散热器(24)内部装有至少一个阻尼电阻。所述的冷板(21)和蒸发冷却散热器(24)、冷凝器(14)、热流体集管(22)、冷流体集管(23)、引流管(25)共同形成工作流体自循环流通通路。

Description

一种无功补偿装置蒸发冷却系统

技术领域

本发明涉及蒸发冷却装置，特别涉及一种无功补偿装置(svc)的蒸发冷却装置。

背景技术

随着高压交流输电技术、交流变频调速技术等方面日益广泛应用，电力电子装置的紧凑型和可靠性问题越来越受到广大电力技术人员的关注。在影响电力电子装置可靠性的多种因素中，散热是至关重要的一个。大功率半导体器件(亦称电力电子器件)工作时所产生的热量，将导致芯片温度的升高，如果没有适当的散热措施，可能使芯片的温度超过所允许的最高结温，从而导致器件性能的恶化以致损坏。所以在电路设计中，选择适当的散热方式，并进行合理的设计，是使器件的潜力得到充分发挥，提高电路可靠性不可缺少的重要环节之一。

现代电力电子装置一般采用空气冷却或者水冷。应该说，从散热的角度来说，水冷是非常理想的。但是，水循环系统工艺要求高，安装复杂，维护工作量大，而且一旦漏水，会带来安全隐患。所以，能够用空气冷却解决问题的场合，就不要采用水冷。采用水冷必须解决冷却水的纯度和长期运行时系统的可靠性及腐蚀两大问题。总之，开发和选择新型高效散热技术对电力电子装置进行冷却，是保证装置可靠性和缩小设备体积的一个重要措施。

目前，蒸发冷却技术是一种高效冷却技术，它依据冷却介质蒸发时气化潜热带走发热体的热量，使发热元件降温。由于无功补偿装置(SVC)等FACTS控制器中发热元件较多且密集，例如SVC整个装置有几十几甚至上百只晶闸管，数量之多且热流密度很高。若采用蒸发冷却技术，将众多晶闸管、电阻等发热元件的散热系统集成设计，可实现控制器结构更加紧凑，体积更小，无噪声，维护减少。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对多个功率半导体器件，以及电阻、电抗等电力电子器件进行自循环的蒸发冷却系统。本发明结构简单、提高可靠性、体积小。可以在某种特殊条件下作用。

一台无功补偿装置的电路输入输出回路中包含有多个阀组件，阀组件由若干晶闸管、阻尼电阻及其触发、保护和阀电抗器等组成的部件。每个阀组件中的所有晶闸管串联，每两个冷板之间夹有一个晶闸管，冷板和晶闸管之间通过紧固件夹紧，晶闸管由冷板冷却。阀组件中的阻尼电阻置于蒸发冷却散热器内部，由蒸发冷却散热器冷却。因此每个阀组件中的晶闸管、阻尼电阻、冷板、蒸发冷却散热器、热流体集管，冷流体集管组成一个冷却组件，所述冷却组件中的冷板通过引流管与蒸发冷却散热器连通，蒸发冷却散热器的进口接头位置高于冷板的出口接头。蒸发冷却散热器通过热流体集管与冷凝器连接，冷板通过冷流体集管与冷凝器连通。多个冷却组件与冷凝器连通，形成密闭自循环回路，循环回路内充有绝缘的蒸发冷却介质，组成无功补偿装置的蒸发冷却系统。冷凝器的位置高于所有冷却组件的最高部位。

所述冷板为方形的空腔体，冷板表面与晶闸管的发热面紧密接触，冷却介质在空腔体内流动，通过热传导吸收晶闸管产生的热量，达到使晶闸管降温的目的。冷板的材质可选铜、铝等导热性能好的金属。

所述阻尼电阻固定于蒸发冷却散热器内部。蒸发冷却散热器内部的冷却介质与阻尼电阻直接接触，并吸收阻尼电阻产生的热量，达到阻尼电阻降温的目的。蒸发冷却散热器的材质可选用任何与冷却介质相容的材料，例如铜、铝、环氧树脂、聚四氟乙烯等。

所述的冷板和蒸发冷却散热器的上部均有一个进口接头，下部均有一个出口接头，冷板的出口接头通过引流管与蒸发冷却散热器进口接头连通，蒸发冷却散热器的出口接头与热流体集管相通，热流体集管与冷凝器的入口连通，冷板的底部有一个进口接头，此进口接头与冷流体集管相连通，冷流体集管与冷凝器出口连通，所述的冷凝器出口接头位于冷凝器的最低处，冷凝器的进口接头垂直位置高于所述的出口接头。所述冷凝器位置高于蒸发冷却散热器。所述蒸发冷却散热器的进口接头位置高于冷板的出口接头。

本发明的特点之一，所述冷板和蒸发冷却散热器、热流体集管、蒸发冷凝器、冷流体集管、冷凝器形成一个密闭的环流系统。

本发明的特点之二，蒸发冷凝换热效率高，根据沸腾换热机理，蒸发冷却介质吸收从功率器件表面传递过来的热量，介质相变吸热，沸腾换热时热传导率是风冷的100倍、油冷的10倍，冷却效果与水冷相当，非常适于高热密度发热体的冷却。为装置的小型化创造了有利条件。

本发明的特点之三，可靠性提高，冷却介质为高绝缘的惰性液体，耐击穿电压大于35kV/2.5mm，ph值约为7，可防火灭弧，介质的高绝缘性提高了在高压环境下运行的可靠性。无目前采用的水冷发式的弊病，即无水冷的结露、水路堵塞等带来的故障以及水处理设备的投资，经济性较好。

本发明的特点之四，冷却循环系统运行压力低，而且冷却介质沸点温度可以通过调节系统压力而改变，这样发热元件表面温度也随之线性改变，发热元件可以在恒温环境下工作，延长使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例之一结构示意图；

图2为本发明的另一个实施例；

图3a、图3b为冷板21剖面图；

图4为蒸发冷却散热24剖面图；

图中：11晶闸管、12阻尼电阻、13冷却组件、14水冷凝器或空气冷却器；21冷板、22热流体集管、23冷流体集管；24蒸发冷却散热器、25引流管；31冷板进口接头、32冷板出口接头、35蒸发冷却散热器出口接头、36蒸发冷却散热器进口接头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1所示为本发明的一个实施例，此实施例的冷凝器置于所有蒸发冷却散热器24的上部，多个冷却组件13共用一个冷凝器14。如图1所示，无功补偿装置机柜内安装有多个阀组件，每个阀组件由若干晶闸管11、阻尼电阻12及其触发、保护和阀电抗器等组成。其中需要冷却的元件有晶闸管11和阻尼电阻12。所述的蒸发冷却系统包括多个冷却组件13和一个冷凝器1。冷凝器14置于多个冷却组件13的上部，多个冷却组件13共用一个冷凝器14。每一冷却组件13包括一个阀组件中的多个晶闸管11、阻尼电阻12、冷板21、蒸发冷却散热器24及一个热流体集管22，冷流体集管23。每两个冷板21之间夹有一个晶闸管11，冷板21和晶闸管11之间通过紧固件夹紧，使它们之间紧密接触。每个蒸发冷却散热器24内装有一个阻尼电阻12。

所述冷板21包含有一个进口接头31，一个出口接头32。进口接头31位于冷板21的底部，出口接头32位于冷板21的顶部，出口接头通过引流管25与蒸发冷却散热器进口接头36连通。

所述蒸发冷却散热器24有一个进口接头36和一个出口接头35。蒸发冷却散热器24的进口接头36通过引流管25与冷板21出口接头32连通，蒸发冷却散热器24的出口接头35与热流体集管22的进口接头相连通。所述热流体集管22包括多个进口接头，一个出口接头。热流体集管22的出口接头与冷凝器进口接头通过管路连通。热流体集管22的位置高于蒸发冷却散热器24的出口接头位置。

所述的冷凝器14包含有一个出口接头，此出口接头位于冷凝器底部，此出口接头通过管路与冷流体集管23相连通；冷凝器14上还包含有进口接头，此进口接头通过管路与热流体集管22出口接头相连通。冷凝器14内部有冷凝管，冷凝器14的外部有进水口接头和出水口接头，便于连接用户水管。所述的冷凝管内通冷却水。所述冷板21和蒸发冷却散热器24、热流体集管22，冷凝器14、冷流体集管23、引流管25共同形成工作流体自循环流通通路。冷凝器14位置高于热流体集管22。

所述冷流体集管22包括多个液体出口接头，所述的出口接头与引流管25与冷板21进口接头相连通，冷流体集管22的出口接头位置低于冷板21进口接头位置。

本发明另一实施例如图2所示，将冷却组件13中的多个蒸发冷却散热器24合并为一个蒸发冷却散热器，蒸发冷却散热器内部装有多个阻尼电阻。合并后的蒸发冷却散热器包含有与冷板21出口接头数量相等的进口接头，及一个出口接头。此方案的蒸发冷却散热器24同时起到热流体集管22均流均压的作用，省去热流体集管22，简化冷却系统回路的管路接头，减少密封结构设计，使系统结构简化。

图3为冷板21的剖面图，冷板21与晶闸管接触的表面开有一凹槽，凹槽外边缘设有两个定位销，此结构起到定位和多元件同心的作用。

图4为蒸发冷却散热器24剖面图，散热器内腔中焊接有挡板，挡板位置接近进出口位置，并留有一定间隙，使介质流过，对介质起扰动作用，可以增加对流换热系数。

Claims

1.一种无功补偿装置蒸发冷却系统，其特征在于，所述的蒸发冷却系统包括多个冷却组件（13）和一个冷凝器（14）；所述的冷凝器（14）置于多个冷却组件（13）的上部，多个冷却组件（13）共用一个冷凝器（14）；每一冷却组件（13）包括多个冷板（21）、蒸发冷却散热器（24）、一个热流体集管（22）和一个冷流体集管（23）；每两个冷板（21）之间夹有一个晶闸管，多个夹有晶闸管的冷板（21）串联为一组，由紧固件紧固；每个蒸发冷却散热器（24）内部装有至少一个阻尼电阻；所述的冷板（21）和蒸发冷却散热器（24）、冷凝器（14）、热流体集管（22）、冷流体集管（23）、引流管（25）共同形成工作流体自循环流通通路；多个所述的蒸发冷却散热器（24）合并为一个，合并的蒸发冷却散热器包含有与冷板（21）出口接头数量相等的进口接头，还包含一个出口接头；合并的蒸发冷却散热器同时起到所述的热流体集管（22）均流均压的作用。

2.根据权利要求1所述的无功补偿装置蒸发冷却系统，其特征在于，所述冷板（21）为空心体，所述冷板（21）有一个进口接头，一个出口接头；所述的冷板(21)的进口接头位于冷板（21）的底部，所述的冷板（21）的出口接头位于冷板（21）的顶部；冷板（21）的出口接头通过引流管（25）与蒸发冷却散热器（24）的进口接头连通；冷板（21）的出口接头位置低于蒸发冷却散热器（24）的进口接头位置，冷板（21）的出口接头通过引流管与蒸发冷却散热器（24）的进口接头连通，蒸发冷却散热器（24）的出口接头与热流体集管（22）相通，热流体集管（22）与冷凝器（14）的入口连通；冷板（21）的进口接头与冷流体集管（23）相连通，冷流体集管（23）与冷凝器（14）的出口连通；冷凝器（14）的出口接头位于冷凝器（14）的最低处，冷凝器（14）的进口接头垂直位置高于冷凝器（14）的出口接头；冷凝器（14）的位置高于蒸发冷却散热器（24）；蒸发冷却散热器（24）的进口接头位置高于冷板（21）的出口接头位置。

3.根据权利要求2所述的无功补偿装置蒸发冷却系统，其特征在于，所述的冷板（21）的散热表面开有凹槽，凹槽外边缘设有两个定位销。

4.根据权利要求1所述的无功补偿装置蒸发冷却系统，其特征在于，所述的蒸发冷却散热器（24）为空心体；蒸发冷却散热器（24）的进口接头通过引流管（25）与冷板（21）连通，蒸发冷却散热器（24）的出口接头与热流体集管（22）的进口相连通。

5.根据权利要求2所述的无功补偿装置蒸发冷却系统，其特征在于，所述的热流体集管（22）的位置高于蒸发冷却散热器（24）的出口接头位置。

6.根据权利要求2所述的无功补偿装置蒸发冷却系统，其特征在于，所述的冷凝器（14）的出口接头位于冷凝器底部，冷凝器（14）的出口接头通过管路与冷流体集管（23）相连通；冷凝器（14）的进口接头与热流体集管（22）的进口相连通；冷凝器（14）中有冷凝管；冷凝器（14）的外部有进水口和出水口，冷凝管内通二次冷却水；冷凝器（14）位置高于热流体集管（22）的位置。

7.根据权利要求1所述的无功补偿装置蒸发冷却系统，其特征在于，所述的冷流体集管（22）包括多个液体出口接头，冷流体集管（22）的液体出口接头与引流管（25）相连通，冷流体集管（22）的液体出口接头位置低于冷板（21）的进口接头位置。