CN104935184A - 一种大功率整流装置的蒸发冷却系统 - Google Patents

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宋福川
陈彪
连广坤
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Abstract

一种大功率整流装置的蒸发冷却系统，其冷凝器(1)通过集气管(2)和回液管(12)与整流臂(4)、快熔母排(9)以及冷却盒(6)连接，形成冷却循环回路。整流元件(5)采用双面冷却，一面与冷却盒(6)紧贴，另一面与整流臂(4)紧固，整流臂(4)和快熔母排(9)均为空心母排，冷却盒(6)与空心母排内部填充蒸发冷却介质(11)。大功率整流装置工作时，整流元件(5)和快速熔断器(8)以及母排因损耗产生的热量传递给蒸发冷却介质(11)，使其温度升高并发生相变吸热过程，气液两相流经集气管(2)进入到冷凝器(1)，气体冷凝后变为液体，然后通过回液管(12)流回空心母排及冷却盒(6)内部，形成无泵自循环蒸发冷却系统。

Description

一种大功率整流装置的蒸发冷却系统
技术领域
本发明涉及一种大功率整流装置的蒸发冷却系统。
背景技术
大功率整流装置是为铝电解和食盐电解等行业提供大功率直流电流的装置。随着电解槽电流的日益增大,整流装置的单机容量相应增大,功率损耗增大,高效可靠的冷却技术对大功率整流装置的安全可靠运行至关重要。大功率整流装置是电解铝等行业供电的核心设备，一旦发生严重故障不仅直接影响整个系统的正常生产，产生的直接和间接损失更是无法估计。同时电解过程需耗用大量电能，对于企业而言大功率整流装置的节能降耗同样具有非常重要的意义。
目前大功率整流装置所采用的冷却方式通常有三种：风冷、油冷和水冷。在电解用大功率整流装置中最为普遍使用的是水冷方式。风冷方式存在散热器体积大、风机噪音大等缺点，因此在大功率整流装置上多不采用，仅适用于小容量整流装置和缺水地区。油的热传导系数比水小10倍，冷却效果差，为了增大散热面积，需要在冷却体上加油翅；另外由于整流器件全部密封于油中，不利于检修和更换整流器件，维修困难。水冷冷却一般选用去离子循环水对整流装置进行冷却，高电压大容量整流机组除对水温、水压、流量有要求外，对水质的要求也格外严格。由于整流柜水冷母线和汇流管道结构和材质的特点，整流柜冷却系统存在运行一段时期后水质下降，使得整流柜内水冷母线进、出口管接头及整流器件冷却水包的管接头产生电化学腐蚀现象，尽管设备制造厂家在材料选型和结构上已采取了一些减缓腐蚀的措施，但仍不能彻底解决。此外，由于腐蚀，水管连接处出现松动，造成冷却水管脱落，引起密闭循环的冷却水泄漏、喷溅，造成水系统水压异常，引起机组跳闸。同时，因水管脱落冷却水喷溅在整流器件、整流母线排等导电部位，极易引起整流柜内部短路故障，导致整流器件爆炸、快速熔断器爆炸，进而导致主电路中绝大多数元器件烧毁、爆炸引起主电路相间拉弧而导致大型水冷铜排烧损等严重事故。另外，整流装置水冷系统中冷却水管抗高温、抗老化能力差，水管接头在运行过程中易发生腐蚀使水管脱落，因此需要定期维护或更换。为保持水冷系统水质在允许运行的范围内，需要定期更换冷却装置离子交换罐中的树脂。
蒸发冷却即所谓的相变冷却，它是利用介质的相变来吸收和释放热量，其机理与传统上的靠介质的比热来传递热量完全不同。蒸发冷却技术冷却效率高，冷却效果均匀；冷却介质的冰点低于环境温度，无防冻问题，且具有强绝缘性，不燃不爆，安全性高；整个冷却系统自循环冷却，不需要循环水泵、去离子水装置等附加设备，运行压力很低，稳定性好，基本免维护。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种大功率整流装置的蒸发冷却系统。
本发明大功率整流装置的蒸发冷却系统由冷凝器、集气管、整流臂、冷却盒、快熔母排、蒸发冷却介质以及回液管等组成。所述的冷凝器通过集气管和回液管与整流臂、快熔母排、冷却盒连接，形成冷却循环回路。集气管位于所述整流装置的上方，集气管的一端与冷凝器进气口连接，另一端密封。集气管沿程分布有多个进气口，多个进气口通过软管分别与快熔母排出气口、整流臂出气口和冷却盒出气口连接。回液管位于所述整流装置的下方，回液管的一端与冷凝器回液口连接，回液管的另一端通过软管与回液管连通，回液管沿程分布有多个分液口，多个分液口分别与快熔母排进液口、整流臂进液口和冷却盒进液口连接。集气管或回液管可以根据装置结构采用一根或多根并联。大功率整流装置的整流元件采用双面冷却，整流元件的一面与冷却盒紧贴,另一面与整流臂紧固。整流臂和快熔母排均为空心母排，整流臂与快熔母排并排布置。快速熔断器的一面与快熔母排紧固，另一面与冷却盒之间通过连接母排连接。冷却盒与空心母排内部填充蒸发冷却介质。
大功率整流装置工作时,整流元件和快速熔断器以及快熔母排因损耗产生的热量传递给冷却盒与空心母排内部的蒸发冷却介质,使蒸发冷却介质的温度升高并汽化，产生相变吸热，经集气管进入到冷凝器冷却后变成液体，再通过回液管流回空心母排及冷却盒内部，形成无外力驱动的自循环蒸发冷却系统。
所述的整流臂上根据装置容量可以布置一个整流元件或并联多个整流元件，同一整流臂上的多个并联整流元件的冷却盒可以串联或分组并联，然后连接到集气管和回液管中。
所述的整流臂和快熔母排均为为空心母排，空心母排可以采用单孔或多孔结构，孔的形状可以为方形或圆形，空心母排可以多根共用一根集气管和回液管。
所述的冷凝器采用水冷式冷凝器或风冷式冷凝器，冷凝器可以根据结构需要采用一台冷凝器或多台冷凝器并联。
为满足整流元件结温需要，本发明的大功率整流装置所用的蒸发冷却介质的沸点位于30℃～60℃之间，蒸发冷却介质具有高绝缘、物化性能稳定、满足环保要求等优良特性。
本发明结构紧凑，利用蒸发冷却技术实现大功率整流装置的冷却，具有以下优点：
1.冷却效果好。采用低沸点、高绝缘、环保的蒸发冷却介质，使得整流元件的温升低、温度分布均匀、无局部过热点。
2.噪音小、可靠性高。本发明采用自循环蒸发冷却结构，不需要外部动力，降低了系统的噪音；同时，利用蒸发冷却介质的高绝缘性，提高系统的绝缘性和可靠性。
3.系统维护量少，运维成本低。本发明去掉了水冷系统所需要的去离子水装置等附加设备，运行过程中冷却系统压力很低，稳定性好，基本免维护。
4.冷却系统节能环保。本发明采用无泵自循环蒸发冷却系统结构，去掉循环水泵，系统基本运行在零压状态，系统节能效果显著，蒸发冷却介质不燃不爆，满足国家规定的人身安全和环境保护要求。
本发明的上述优点，使其在大功率电力电子设备领域尤其是在大功率整流装置中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明大功率整流装置实施方式之一的结构示意图。
图2是本发明大功率整流装置的实施方式之一的侧视图。
图3是本发明大功率整流装置的实施方式之一的三维结构图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的大功率整流装置由冷凝器1、集气管2、直流输出母排3、整流臂4、整流元件5、冷却盒6、连接母排7、快速熔断器8、快熔母排9、交流输入母排10、蒸发冷却介质11、回液管12等组成。冷凝器1通过集气管2和回液管12与整流臂4、快熔母排9、冷却盒6连接，形成冷却循环回路。集气管2位于所述整流装置的上方，集气管2的一端与冷凝器1进气口连接，另一端密封。集气管2沿程分布有多个进气口，多个进气口通过软管分别与快熔母排9出气口、整流臂4出气口和冷却盒6出气口连接。回液管12位于所述整流装置的下方，回液管12的一端与冷凝器1回液口连接，回液管12的另一端通过软管与回液管连通，回液管12沿程分布有多个分液口，多个分液口分别与快熔母排9进液口、整流臂4进液口和冷却盒6进液口连接。集气管2或回液管12可以根据装置结构采用一根或多根并联。
大功率整流装置的整流元件5采用双面冷却，整流元件5的一面与冷却盒6紧贴,另一面与整流臂4紧固。整流臂4和快熔母排9均为空心母排，整流臂4与快熔母排9并排放置，快速熔断器8的一面与快熔母排9紧固，另一面与冷却盒6之间通过连接母排7连接，冷却盒6与空心母排内部填充蒸发冷却介质。大功率整流装置工作时,整流元件5和快速熔断器8以及母排因损耗产生的热量传递给蒸发冷却介质11,使其温度升高并汽化，产生相变吸热，经集气管2进入到冷凝器1冷却后变成液体，通过回液管12流回空心母排及冷却盒6内部，形成无外力驱动的自循环蒸发冷却系统。
大功率整流装置整流臂4上根据装置容量可以布置一个整流元件5或多个整流元件5并联，同一整流臂4上的多个并联整流元件5的冷却盒6可以全部串联或分组并联后连接到集气管2和回液管12中。整流臂4和快熔母排9均为为空心母排，空心母排可以采用单孔或多孔结构，孔的形状可以为方形或圆形，空心母排可以多根共用一根集气管2和回液管12。本发明采用无泵自循环蒸发冷却系统结构，去除水泵，系统基本运行在零压状态，整个系统节能，蒸发冷却介质具有低沸点、高绝缘、物化性能稳定、满足环保要求等优良特性，整个冷却系统绿色节能环保，运维成本低，经济性好，在铝电解和食盐电解等行业用大功率整流装置领域中具有广泛的应用前景。

Claims (9)

1.一种大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于，所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统由冷凝器(1)、集气管(2)、直流输出母排(3)、整流臂(4)、整流元件(5)、冷却盒(6)、连接母排(7)、快速熔断器(8)、快熔母排(9)、交流输入母排(10)、蒸发冷却介质(11)、回液管(12)组成；冷凝器(1)通过集气管(2)和回液管(12)与整流臂(4)、快熔母排(9)、冷却盒(6)连接，形成冷却循环回路；集气管(2)位于所述整流装置的上方，集气管(2)的一端与冷凝器(1)进气口连接，另一端密封；集气管(2)沿程分布有多个进气口，多个进气口通过软管分别与快熔母排(9)出气口、整流臂(4)出气口和冷却盒(6)出气口连接；回液管(12)位于所述整流装置的下方，回液管(12)的一端与冷凝器(1)回液口连接，回液管(12)的另一端通过软管与回液管(12)连通，回液管(12)沿程分布有多个分液口，多个分液口分别与快熔母排(9)的进液口、整流臂(4)的进液口和冷却盒(6)的进液口连接；整流元件(5)的一面与冷却盒(6)紧贴，另一面与整流臂(4)紧固；整流臂(4)和快熔母排(9)均为空心母排，整流臂(4)与快熔母排(9)并排布置；快速熔断器(8)的一面与快熔母排(9)紧固，另一面与冷却盒(6)之间通过连接母排(7)连接；冷却盒(6)与空心母排内部填充蒸发冷却介质(11)。
2.按照权利要求1所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于：所述的整流臂(4)上布置一个或多个整流元件(5)。
3.按照权利要求1所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于：所述的整流臂(4)和快熔母排(9)为空心母排，空心母排采用单孔或多孔结构。
4.按照权利要求1所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于：所述的整流臂(4)和快熔母排(9)的材质为铜或铝。
5.按照权利要求1所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于：所述的同一整流臂(4)上冷却盒(6)串联或分组并联，连接到集气管(2)和回液管(12)上。
6.按照权利要求1所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于：所述的多根空心母排共用一根集气管(2)和回液管(12)。
7.按照权利要求1所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于：所述的集气管(2)位于装置的上方，回液管(12)位于装置的下方，集气管(2)或回液管(12)采用一根或多根并联。
8.按照权利要求1所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于：所述的蒸发冷却介质(11)的沸点位于30℃～60℃之间。
9.按照权利要求1所述的大功率整流装置的蒸发冷却系统，其特征在于：所述的冷凝器(1)采用水冷式冷凝器或风冷式冷凝器，冷凝器(1)为一台或多台并联。
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