CN103490597B - 一种变流器的冷却系统 - Google Patents

Abstract

一种变流器的冷却系统，所述变流器包括发热元件，所述冷却系统用于对所述发热元件进行散热，所述冷却系统包括进液管道（401）、出液管道（402）、第一液冷装置（20）、以及第二液冷装置（10）；所述第一液冷装置（20）包括液冷散热器（201）；所述第二液冷装置（10）包括冷凝器（103）、蒸发器（101）和压缩机（102）；所述冷凝器（103）、所述蒸发器（101）和所述压缩机（102）通过管路连接成第一封闭回路；该第一封闭回路中设有制冷剂；本发明通过在变流器内部设置第一液冷装置和第二液冷装置，大大地降低了变流器机柜内的空气温度，从而提高了机柜内元器件的使用寿命和可靠性。

Description

一种变流器的冷却系统

技术领域

本发明涉及电力设备领域，尤其涉及一种变流器的冷却系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，大功率变流器（包括风电变流器、光伏逆变器）的结构设计越来越紧凑，这样，一方面造成热量越来越集中，另一方面造成散热更加困难。过去解决之道通常是将变流器中的发热元件（如IGBT，整流桥）等安装在铜（铝）制的散热器上，并在该散热器的柜（壳）体上加装风扇，配合设计的风道让热量散到外部。但是随着功率密度的提高，变流器发热量的增大，风冷已经不能满足散热的要求。近年来，水冷散热技术有了飞速的发展，它不但在散热效果上超过了如风冷、热管等散热方式，在噪音控制，应用环境适应性等方面也达到了良好的效果。因此，在大功率，高功率密度的电力电子产品的散热上，水冷散热技术得到广泛的运用。

在采用水冷散热以后，为了使变流器机柜的密封IP等级可以做得更高，同时也为了满足各种恶劣环境的使用要求，除了高热流密度的IGBT采用直接水冷的散热方式以外（通过液冷散热器将IGBT的热量散发到机柜外），变流器机柜内部的其它发热元件（包括电感、铜排、接触器、断路器、电容模块、熔丝等等）通常采用先将热量传递给变流器机柜内部的空气，被加热后的空气在风机的驱动下进入变流器柜内的气液热交换器，由于温差的作用，空气的热量将传递给气液热交换器，气液热交换器的热量将进一步地传递给气液热交换器的冷却液，流动的冷却液将该热量带出变流器机柜，进入外部的热交换器中（通常为风冷式的热交换器），最终由该外部的热交换器将热量传递到大气中，从而达到冷却的目的，如图1所示。

根据热力学第一定律，热量只能从高温物体传递到低温物体。上述所叙述的热量传递过程中，由于热阻的存在，变流器机柜内发热元件的温度必须大于机柜内的空气温度，机柜内的空气温度必须大于气液热交换器的温度，气液热交换器的温度必须大于冷却液的温度；同样的，变流器机柜内的冷却液温度必须大于外界的环境温度，才能满足热量从柜内的发热元件传递到变流器外界空气的过程。

因此，机柜内的空气温度一般会比外界环境温度高10度～30度，局部区域甚至会更高。例如当外界环境温度为45度的时候，机柜内的空气温度将达到70度甚至更高。

众所周知，影响器件使用寿命和可靠性的主要因素之一是其所使用的环境温度。采用水冷散热的变流器，其柜内空气温度比外界环境温度要高很多，为了保证器件的使用寿命和可靠性，一般需要使用非标耐高温的器件来解决，而采用非标耐高温的器件的成本将成倍增加。但是如果不使用耐高温器件，变流器将会频繁的出现各种故障，器件的定期更换和定期维护成本将更高。

发明内容

本发明针对现有使用水冷散热的变流器，其柜内空气温度比外界环境温度要高很多，降低了机柜内元器件的使用寿命和可靠性，增加了变流器的制造成本以及维护成本的问题，提供一种变流器的冷却系统。

本发明就其技术目的所提供的解决方案如下：

本发明提供了一种变流器的冷却系统，所述变流器包括发热元件，所述冷却系统用于对所述发热元件进行散热，所述冷却系统包括进液管道、出液管道、第一液冷装置、以及第二液冷装置；

所述第一液冷装置包括液冷散热器；该液冷散热器具有液冷散热器进液口和液冷散热器出液口；所述第二液冷装置包括冷凝器、蒸发器和压缩机；所述冷凝器、所述蒸发器和所述压缩机通过管路连接成第一封闭回路；该第一封闭回路中设有制冷剂；所述冷凝器具有冷凝器进液口和冷凝器出液口；

所述液冷散热器进液口和所述冷凝器进液口分别与所述进液管道连通；所述液冷散热器出液口和所述冷凝器出液口分别与所述出液管道连通。

本发明上述的变流器的冷却系统中，所述第二液冷装置还包括蒸发器风机，该蒸发器风机通过风腔与所述蒸发器连接。

本发明上述的变流器的冷却系统中，所述第二液冷装置还包括第一液冷热交换器，所述第一液冷热交换器具有第一液冷热交换器进液口和第一液冷热交换器出液口，所述蒸发器具有蒸发器进液口和蒸发器出液口；

所述蒸发器进液口与所述进液管道连通，所述蒸发器出液口与所述第一液冷热交换器进液口连通，所述第一液冷热交换器出液口与所述出液管道连通。

本发明上述的变流器的冷却系统中，所述第二液冷装置还包括第一泵、第二液冷热交换器；该第二液冷热交换器具有第二液冷热交换器进液口和第二液冷热交换器出液口，所述蒸发器具有蒸发器进液口和蒸发器出液口；

所述蒸发器出液口与所述第一泵的泵进液口连通，所述第一泵的泵出液口与所述第二液冷热交换器进液口连通，所述第二液冷热交换器出液口与所述蒸发器进液口连通，从而构成第二封闭回路；所述第二封闭回路中设有第二冷却液。

本发明上述的变流器的冷却系统中，所述第二冷却液为水、乙二醇、丙二醇、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中任意一种。

本发明上述的变流器的冷却系统中，所述冷却系统还包括设置在所述变流器外部的外部热交换器以及冷却液供应装置；所述外部热交换器具有外部热交换器进液口和外部热交换器出液口，所述冷却液供应装置具有冷却液供应装置进液口和冷却液供应装置出液口；

所述出液管道与所述外部热交换器进液口连通，所述外部热交换器出液口与所述冷却液供应装置进液口连通，所述冷却液供应装置出液口与所述进液管道连通；

所述出液管道、所述进液管道、所述外部热交换器、所述冷却液供应装置及其相互连通的通道中设有第一冷却液。

本发明上述的变流器的冷却系统中，所述第一冷却液为水、乙二醇、丙二醇、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中任意一种。

本发明上述的变流器的冷却系统中，所述冷却液供应装置包括用于为所述第一冷却液运动提供动力的第二泵。

本发明上述的变流器的冷却系统中，所述发热元件包括IGBT发热元件、电感器、电容器、铜排、接触器、断路器、熔丝。

本发明通过在变流器内部设置第一液冷装置和第二液冷装置，大大地降低了变流器机柜内的空气温度，从而提高了机柜内元器件的使用寿命和可靠性；另一方面，本发明的第一液冷装置和第二液冷装置共用进液和出液管道，其管路结构布局紧凑、简单实用，成本较低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为现有的变流器的冷却系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明第一实施例的变流器的冷却系统的示意图；

图3为本发明第二实施例的变流器的冷却系统的示意图；

图4为本发明第三实施例的变流器的冷却系统的示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的变流器的冷却系统进行详细说明。

第一实施例

参照图2，图2示出了本发明第一实施例的变流器的冷却系统。变流器包括发热元件，该发热元件主要包括IGBT发热元件（绝缘栅双极型晶体管）、电感器、电容器、铜排、接触器、断路器、熔丝等。

该变流器的冷却系统主要用于对发热元件进行散热。具体地，该冷却系统包括进液管道401、出液管道402、第一液冷装置20以及第二液冷装置10；其中，第一液冷装置20可主要用于对IGBT发热元件进行散热。第二液冷装置10可主要用于对变流器中其他发热元件进行散热。

第一液冷装置20包括液冷散热器201，该液冷散热器201具有液冷散热器进液口和液冷散热器出液口，发热元件设置在液冷散热器201上。液冷散热器201一般由金属导热体或其它非金属导热体制成，发热元件工作时散发的热量，通过热传导传递给由该导热体制成的液冷散热器201，该液冷散热器201上的热量则通过该液冷散热器201中的冷却液带走。

本实施例中，第一液冷装置20可包括多个液冷散热器201，该多个液冷散热器201均设置于变流器内部。且该多个液冷散热器进液口均与进液管道401连通；该多个液冷散热器出液口均与出液管道402连通。

本实施例中，参照图2，冷却系统还包括设置在变流器外部的外部热交换器30以及冷却液供应装置40；外部热交换器30具有外部热交换器进液口和外部热交换器出液口，冷却液供应装置40具有冷却液供应装置进液口和冷却液供应装置出液口；

参照图2，出液管道402与外部热交换器进液口连通，外部热交换器出液口与冷却液供应装置进液口连通，冷却液供应装置出液口与进液管道401连通；

这样，第一液冷装置20、出液管道402、进液管道401、外部热交换器30、冷却液供应装置40及其相互连通的通道构成第三封闭回路；

冷却液供应装置40用于向进液管道401中输入第一冷却液。该第一冷却液可在第三封闭回路中循环。

进一步地，第一冷却液可为水、乙二醇、丙二醇中的任意一种，或者其中两者的混合液等（例如乙二醇水溶液、丙二醇水溶液）。本实施例中，该冷却液为水、乙二醇的混合液。

本实施例中，冷却液供应装置40包括用于为第一冷却液运动提供动力的第二泵（图中未示）。具体地，该第二泵用于给第一冷却液提供在第三封闭回路中循环的动力。

该第一液冷装置20的散热过程如下：IGBT发热元件在工作时发出热量，该热量通过热传导传递到由导热体制成的液冷散热器201，该液冷散热器201中的第一冷却液通过与液冷散热器201进行热交换，获得液冷散热器201的热量，然后该第一冷却液将热量带出变流器，再通过外部热交换器30将热量散发到变流器外部的空气中，最后重新回到冷却液供应装置40中，从而实现了第一冷却液的循环使用。

当然可以理解，外部热交换器30并不是必要装置，变流器内部的热量传递给第一冷却液后，该第一冷却液可通过出液管道402直接排出，或与其他系统（如锅炉系统）相连。

进一步地，参照图2，第二液冷装置10包括冷凝器103、蒸发器101和压缩机102；冷凝器103、蒸发器101和压缩机102通过管路连接成第一封闭回路，该管路包括膨胀阀等管路组件；该第一封闭回路中设有制冷剂；本实施例中，蒸发器101设置于变流器内部，冷凝器103具有冷凝器进液口和冷凝器出液口。

同时，参照图2，冷凝器进液口也与进液管道401连通；冷凝器出液口也与出液管道402连通。这样，冷却液供应装置40向进液管道401中输入的第一冷却液可经冷凝器从流到出液管道402中，从而流出变流器。

该第二液冷装置10的散热过程如下：变流器内部的发热元件将其发出的热量散发给变流器内部的空气，蒸发器101将变流器内部的空气所携带的热量吸收，并通过该热量将蒸发器中的制冷剂蒸发；该蒸发的制冷剂在压缩机102的作用下进入冷凝器103，并在该冷凝器103中与同样处于该冷凝器103中的第一冷却液进行热交换，从而将制冷剂所携带的热量传递给第一冷却液，并由第一冷却液带出变流器。

本实施例中，为了提高蒸发器101吸收变流器内部的空气所携带的热量的效率，蒸发器101可以设置多个。

同时，为了加快蒸发器101与变流器内部的空气之间的热交换，第二液冷装置10还包括蒸发器风机，该蒸发器风机通过风腔与蒸发器101连接。通过该蒸发器风机可以加快变流器内部的空气的流动速度。

本发明通过在变流器内部设置第一液冷装置和第二液冷装置，大大地降低了变流器机柜内的空气温度，从而提高了机柜内元器件的使用寿命和可靠性；另一方面，本发明的第一液冷装置和第二液冷装置共用进液和出液管道，其管路结构布局紧凑、简单实用，成本较低。

第二实施例

本发明的第二实施例与第一实施例的不同在于第二液冷装置10的结构。

本实施例中，参照图3，第二液冷装置10还包括第一液冷热交换器105，第一液冷热交换器105具有第一液冷热交换器进液口和第一液冷热交换器出液口，蒸发器101具有蒸发器进液口和蒸发器出液口；

参照图3，蒸发器进液口与进液管道401连通，蒸发器出液口与第一液冷热交换器进液口连通，第一液冷热交换器出液口与出液管道402连通。这样，第一冷却液可以依次通过蒸发器101和第一液冷热交换器105而流出变流器。

其中，第一冷却液从蒸发器进液口进入蒸发器101，被蒸发器101吸收热量而降温，然后从蒸发器出液口流出，进入第一液冷热交换器105，与变流器内部的空气进行热交换，从而吸收变流器空气中的热量，然后流出变流器。

为了使变流器内部的空气与第一冷却液之间的热交换更有效率，第一液冷热交换器105可以设置多个。

第三实施例

本发明的第三实施例与第一实施例的不同也在于第二液冷装置10的结构。

参照图4，第二液冷装置10还包括第一泵104、第二液冷热交换器106；该第二液冷热交换器106具有第二液冷热交换器进液口和第二液冷热交换器出液口，蒸发器101具有蒸发器进液口和蒸发器出液口；

参照图4，蒸发器出液口与第一泵104的泵进液口连通，第一泵104的泵出液口与第二液冷热交换器进液口连通，第二液冷热交换器出液口与蒸发器进液口连通，从而构成第二封闭回路；第二封闭回路中设有第二冷却液。

所述第二冷却液可为水、乙二醇、丙二醇中的任意一种，或者其中两者的混合液等。本实施例中，该第二冷却液为水、乙二醇的混合液。

其中，第一泵104用于提供该第二冷却液在该第二封闭回路中循环的动力。第二冷却液在该第一泵104的驱动下，通过第二液冷热交换器进液口进入第二液冷热交换器106中，与变流器内部的空气进行热交换，吸收变流器内部的空气所携带的热量，然后从第二液冷热交换器出液口流出，在通过蒸发器进液口进入蒸发器101，并在蒸发器101中与同样在该蒸发器101中的制冷剂进行热交换，从而将该第二冷却液所携带的热量传递给制冷剂；最后，通过在冷凝器103中所进行的制冷剂与第一冷却液之间的热交换将变流器内部空气的热量传递到变流器外部。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种变流器的冷却系统，所述变流器包括发热元件，所述冷却系统用于对所述发热元件进行散热，其特征在于，所述冷却系统包括进液管道(401)、出液管道(402)、第一液冷装置(20)以及第二液冷装置(10)；

所述第一液冷装置(20)包括液冷散热器(201)；该液冷散热器(201)具有液冷散热器进液口和液冷散热器出液口；所述第二液冷装置(10)包括冷凝器(103)、蒸发器(101)和压缩机(102)；所述冷凝器(103)、所述蒸发器(101)和所述压缩机(102)通过管路连接成第一封闭回路；该第一封闭回路中设有制冷剂；所述冷凝器(103)具有冷凝器进液口和冷凝器出液口；

所述液冷散热器进液口和所述冷凝器进液口分别与所述进液管道(401)连通；所述液冷散热器出液口和所述冷凝器出液口分别与所述出液管道(402)连通。

2.根据权利要求1所述的变流器的冷却系统，其特征在于，所述第二液冷装置(10)还包括蒸发器风机，该蒸发器风机通过风腔与所述蒸发器(101)连接。

3.根据权利要求1所述的变流器的冷却系统，其特征在于，所述第二液冷装置(10)还包括第一液冷热交换器(105)，所述第一液冷热交换器(105)具有第一液冷热交换器进液口和第一液冷热交换器出液口，所述蒸发器(101)具有蒸发器进液口和蒸发器出液口；

所述蒸发器进液口与所述进液管道(401)连通，所述蒸发器出液口与所述第一液冷热交换器进液口连通，所述第一液冷热交换器出液口与所述出液管道(402)连通。

4.根据权利要求1所述的变流器的冷却系统，其特征在于，所述第二液冷装置(10)还包括第一泵(104)、第二液冷热交换器(106)；该第二液冷热交换器(106)具有第二液冷热交换器进液口和第二液冷热交换器出液口，所述蒸发器(101)具有蒸发器进液口和蒸发器出液口；

所述蒸发器出液口与所述第一泵(104)的泵进液口连通，所述第一泵(104)的泵出液口与所述第二液冷热交换器进液口连通，所述第二液冷热交换器出液口与所述蒸发器进液口连通，从而构成第二封闭回路；所述第二封闭回路中设有第二冷却液。

5.根据权利要求4所述的变流器的冷却系统，其特征在于，所述第二冷却液为水、乙二醇、丙二醇、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中任意一种。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的变流器的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统还包括设置在所述变流器外部的外部热交换器(30)以及冷却液供应装置(40)；所述外部热交换器(30)具有外部热交换器进液口和外部热交换器出液口，所述冷却液供应装置(40)具有冷却液供应装置进液口和冷却液供应装置出液口；

所述出液管道(402)与所述外部热交换器进液口连通，所述外部热交换器出液口与所述冷却液供应装置进液口连通，所述冷却液供应装置出液口与所述进液管道(401)连通；

所述出液管道(402)、所述进液管道(401)、所述外部热交换器(30)、所述冷却液供应装置(40)及其相互连通的通道中设有第一冷却液。

7.根据权利要求6所述的变流器的冷却系统，其特征在于，所述第一冷却液为水、乙二醇、丙二醇、乙二醇水溶液、丙二醇水溶液中任意一种。

8.根据权利要求7所述的变流器的冷却系统，其特征在于，所述冷却液供应装置(40)包括用于为所述第一冷却液运动提供动力的第二泵。

9.根据权利要求1-5任意一项所述的变流器的冷却系统，其特征在于，所述发热元件包括IGBT发热元件、电感器、电容器、铜排、接触器、断路器、熔丝。