CN107230538A - 一种工业用自循环流动并冷却的水电阻 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自循环流动并冷却的水电阻，本发明以蒸馏水及其他液体电阻液作为电阻，利用温度场、气体压力和重力的作用，在无需水泵的前提下，使电阻液在系统内循环流动，工作过程中所产生的热量被电阻液及时带走，并经外部冷凝管冷却，提高了散热性能，同时由于整个体系为敞开体系，受电阻液在大气压下饱和蒸汽压的限制，水电阻内部温度最高仅为电阻液沸点，压强为环境压力，这种敞开体系的设计避免了传统封闭式水电阻由于散热不足引起内部高温高压从而破坏水电阻结构，使之无法长时间连续使用的问题，保证了水电阻的性能和使用寿命，也保证了高功率脉冲设备在高频、长时间条件下的正常运行。

Description

一种工业用自循环流动并冷却的水电阻

技术领域

本发明涉及重复高功率脉冲领域，具体为一种自循环流动并冷却的水电阻。本发明利用温度场、重力及气压的协同作用，保障电阻液稳定的在系统内流动，通过冷凝管能够有效提高水电阻的散热性能，使其维持在一个特定的小温度区间，保证其性能和使用寿命，有效满足高功率脉冲设备在高频、长时间条件下的正常运行，具有较好的应用前景。

背景技术

水电阻具有功率耐受性好、频率响应快的优点，适于制作成各种形状，且阻值可调，能够用作电路匹配或是测量部件等，能够满足各种高压、大电流、瞬态工作场合的需要。基于水电阻自身的优点，其已经被广泛应用于高功率脉冲领域。

水电阻在工作过程中，其电极和电阻液温度会升高，并电解电阻液中的可电解成分，产生气体，进而形成内部高温高压环境。随着温度的升高，电阻液中的离子浓度受到影响发生变化，进而影响水电阻的阻值。水电阻长时间通过大电流高压脉冲，也会改变水电阻的阻值。

目前，现有的水电阻通常包括如下几种类型。

第一类是直接将水电阻加工成阻值可调的，但其没有直接降低水电阻温度的措施，长时间连续工作时，水电阻的温度和压力均会过高，进而导致阻值变化和水电阻胀裂。

第二类是直接在水电阻管体外加散热器组，散热器组不与电解液直接接触，通过热交换达到降温的目的，散热器组要求水电阻管外壁散热效果良好。然而，散热器组对对电阻液散热较缓慢；在连续工作时，水电阻内部仍会出现温度和压力过高的现象。

第三类是用管道将水电阻与水箱连接，水箱上带有水泵，通过水泵保证水电阻中的电阻液连续流动，并通过增加管道长度来实现电解液的散热。但这种方式散热速度慢，连续工作时，水电阻温度会过高，且要求水泵具有极高的绝缘性能。

综上，现有水电阻通常采用在管体外直接加散热器组进行热交换散热，或是将水电阻与水箱相连，通过水泵引入循环水，保证水电阻中的电解液连续流动，并通过增加管道长度来实现电阻液散热的方式；这两种方式对电阻液的散热速度都较缓慢，其工作时，仍可能会出现水电阻温度或气压过高的现象，且对水泵的绝缘提出了很高的要求。因此，现有水电阻不能长时间连续工作，降低了各类高压脉冲装置的运行效率。

为此，迫切需要一种新的装置，以解决上述问题。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有水电阻通常采用在管体外直接加散热器组进行热交换散热，或将水电阻与水箱相连，通过水泵引入循环水，并通过增加管道长度来实现电阻液散热，对电阻液的散热速度都较缓慢，其工作时，仍可能会出现水电阻温度、气压过高阻值变动加大的现象，无法满足长时间、连续工作的需要，降低了相应高压脉冲装置运行效率的问题，提供一种工业用自循环流动并冷却的水电阻。本发明以蒸馏水或其他液体电阻液，利用温度场、重力、气压的作用，在无需水泵的前提下，使电阻液在系统内循环流动，工作过程中所产生的热量被电阻液输运，并通过冷凝管及电阻液挥发及时带走，提高了散热性能，保证了水电阻的性能稳定并延长其使用寿命，也保证了高功率脉冲设备在高频、长时长条件下的正常运行。本发明构思巧妙，设计合理，结构简单，运行稳定、可靠，能有效提高高功率脉冲设备的效率，具有较好的市场应用前景和应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种工业用自循环流动并冷却的水电阻，包括电极、水电阻主体管道、高温连接端管、低温连接端管、连接管、水箱、冷却管、与冷却管相配合的冷却装置，所述电极为一组，所述电极、高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管、电极依次相连构成电阻主体，所述电极、高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管之间形成设置容纳电阻液的第一容纳腔；

所述高温连接端管上设置有用于与连接管相连的第一管接头，所述高温连接端管通过连接管与水箱相连，将连接管与水箱相连的接口记为高压端接口；

所述低温连接端管上设置有用于与连接管相连的第二管接头，所述水箱通过冷却管与低温连接端管相连，将冷却管与水箱相连的接口记为低压端接口；

所述高压端接口所在水平面位于低压端接口所在水平面上面。

所述水电阻主体管道为玻璃管，所述电阻液为蒸馏水，所述冷却管呈螺旋形。

所述连接管、水电阻主体管道采用绝缘材料制备而成。

所述连接管、水电阻主体管道采用玻璃、有机玻璃、尼龙、聚四氟乙烯或绝缘陶瓷制备而成。

所述高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管可以为不同材质通过粘结剂粘结，所述高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管可以为一根整体的管道。

所述水箱上方设置有与大气连通的开口。

所述水箱采用绝缘材料制成。

所述冷却装置为循环风冷却装置。

还包括设置在第一容纳腔、连接管、水箱、冷却管内的蒸馏水且蒸馏水能在第一容纳腔、连接管、水箱、冷却管中移动。

所述水电阻主体管道与高温连接端管之间、水电阻主体管道与低温连接端管之间采用粘结相连。

所述电极为铜电极。

所述电极采用无氧铜材料制备而成。

所述电极朝向水电阻主体管道的侧面呈台阶状。

所述电极的端面呈弧形。

所述高温连接端管与电极之间、低温连接端管与电极之间分别设置有密封圈。

所述密封圈为O型圈。

所述水电阻主体管道倾斜设置，所述高温连接端管顶端所在水平面高于低温连接端管顶端所在水平面。

所述连接管包括低温进水管、冷热水连接管、热水补偿管，所述第一管接头、低温进水管、冷却装置、冷热水连接管、水箱、热水补偿管与第二管接头依次相连；

或所述冷却装置设置在水箱内，所述冷却装置内的冷却管采用冷气冷却，所述冷却管的两端分别与冷气进口、冷气出口相连。

所述水电阻主体管道沿竖直方向设置，还包括与高温连接端管相连的泄压排气接头、排气连接管、与水箱相连的水汽管出口连接头，所述泄压排气接头、排气连接管、水汽管出口连接头依次相连且水电阻主体管道内的气体能依次经泄压排气接头、排气连接管、水汽管出口连接头通过水箱排出。

针对前述问题，本发明提供一种工业用自循环流动并冷却的水电阻。该水电阻包括电极、第一玻璃管、第一有机玻璃端管、第二有机玻璃端管、连接管、水箱、螺旋冷却管、设置螺旋冷却管上的冷却装置，电极为一组。其中，电极、第一有机玻璃端管、第一玻璃管、第二有机玻璃端管、电极依次相连构成电阻主体。

所述高温连接端管、低温连接端管、水电阻主体管道其材质可以为玻璃、有机玻璃、尼龙、聚四氟乙烯、绝缘陶瓷等绝缘材料。

所述高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管可以为不同材质通过粘结剂粘结，所述高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管可以为一根整体的管道。

第一有机玻璃端管上设置有用于与连接管相连的第一管接头，第一有机玻璃端管通过连接管与水箱相连，将连接管与水箱相连的接口记为高压端接口；第二有机玻璃端管上设置有用于与连接管相连的第二管接头，水箱通过螺旋冷却管与第二有机玻璃端管相连，将螺旋冷却管与水箱相连的接口记为低压端接口；高压端接口所在水平面位于低压端接口所在水平面上面。

电极、第一有机玻璃端管、第一玻璃管、第二有机玻璃端管之间形成设置蒸馏水的第一容纳腔。第一容纳腔、连接管、水箱、螺旋冷却管依次连通，构成循环通道，蒸馏水能在循环通道内流动。本发明中，还包括蒸馏水，蒸馏水中正负离子较少，阻值较大，且通过大电流高压脉冲后，阻值改变相对较少。

进一步，第一玻璃管与第一有机玻璃端管之间、第一玻璃管与第二有机玻璃端管之间采用粘结相连。本发明中，第一玻璃管两端分别与第一有机玻璃端管、第二有机玻璃端管相连，第一有机玻璃端管上设置有用于与连接管相连的第一管接头，第二有机玻璃端管上设置有用于与连接管相连的第二管接头，第一有机玻璃端管通过连接管与水箱相连，将连接管与水箱相连的接口记为高压端接口；水箱通过螺旋冷却管与第二有机玻璃端管相连，将螺旋冷却管与水箱相连的接口记为低压端接口；高压端接口所在水平面位于低压端接口所在水平面上面。

本发明工作时，在温度场和重力的作用下，螺旋冷却管内的冷却蒸馏水自动流入第一容纳腔内，带走电极的热量，热水和气泡则从与第一有机玻璃端管相连的第一管接头流出并进入水箱，水箱中的水再由较低接口位置的低压端接口流入螺旋冷却管进行冷却，由此，形成自循环流动并冷却的水电阻。

由于玻璃管的散热性能比有机玻璃好，因此，本发明以第一玻璃管作为容纳蒸馏水的主体；但是玻璃管不能加工螺纹与电极连接，且与电极用密封圈压紧时容易漏水，因此，在第一玻璃管两端分别粘接第一有机玻璃端管、第二有机玻璃端管，再将电极与第一有机玻璃端管、第二有机玻璃端管连接，从而保证本发明具有较好的主体散热效果和密封性能。

综上，在水电阻经过大电流高压脉冲后，电极和电阻主体内的蒸馏水温度都会升高，从而与螺旋冷却管内的冷却水形成温度梯度，在重力的共同作用下，冷却水自动流入第一容纳腔内，冷却水经过电极，带走电极的热量，热水则从另一端排出并流入水箱，水箱中的水再由较低位置的出水口（即低压端接口）流入螺旋冷却管进行冷却。因此，本发明在长时间、连续工作时，也不会出现水电阻内气压和温度过高的现象，有效保证水电阻能长时间工作，提高了高功率脉冲设备的效率。

进一步，水箱采用绝缘材料制成，水箱上方设置有与大气连通的开口。蒸馏水中的气泡经连接管后，进入水箱中，由于水箱为敞开体系，因此，气泡能够直接排入到大气中，保证本发明的正常运行。

进一步，冷却装置为系统循环风冷却装置。电极为铜电极，其采用无氧铜材料制备而成；电极朝向第一玻璃管的侧面呈台阶状，采用该结构，有利于提高电极的散热性能。电极的端面呈弧形，使得第二管接头、第一管接头能正对电极，方便流动水带走电极的热量。

进一步，第一有机玻璃端管与电极之间、第二有机玻璃端管与电极之间分别设置有密封圈，密封圈优选为O型圈。通过O型密封圈，能够增加电极与第一有机玻璃端管、第二有机玻璃端管的密封性能，保证装置的密封性。本发明使用时，第一玻璃管倾斜放置，第一有机玻璃端管顶端所在水平面高于第二有机玻璃端管顶端所在水平面，使得高压端在上。

综上所述，本发明采用蒸馏水作为电阻，采用循环风冷却装置风冷却螺旋冷却管内的蒸馏水，利用温度场和重力的作用，蒸馏水在系统内循环流动，工作过程中所产生的热量被蒸馏水及时带走，提高了散热性能，保证了水电阻的性能和使用寿命，也保证了高功率脉冲设备在高频、长时长条件下的正常运行。本发明采用现有循环风冷却装置对螺旋冷却管进行冷却，无额外添加的大型冷却设备，合理利用了现有设备，能节约大量能源；同时，本发明内对电解液为自循环流动，无需水泵，既节约能源，又增加了水电阻的安全性；本发明的散热效果良好，长时间连续工作也不会出现水电阻内气压和温度过高的现象。本发明结构简单，制造成本低，性能可靠，能有效提高高功率脉冲设备的效率，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例2的结构示意图。

图3为实施例3的结构示意图。

图4为图3中高温连接端管处的结构示意图。

图中标记：1为电极，2为水电阻主体管道，3为高温连接端管，4为低温连接端管，5为连接管，6为水箱，7为螺旋冷却管，8为冷却装置，9为第一管接头，10为第二管接头，11为密封圈，14为泄压排气接头，15为水汽管出口连接头，16为排气连接管，22为冷气进口，23为冷气出口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图所示，本发明的水电阻包括电极、水电阻主体管道、高温连接端管、低温连接端管、连接管、水箱、螺旋冷却管、设置螺旋冷却管上的冷却装置，电极为一组。

电极、高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管、电极依次相连构成电阻主体，电极、高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管之间形成设置蒸馏水的第一容纳腔。水电阻主体管道与高温连接端管之间、水电阻主体管道与低温连接端管之间采用粘结相连。高温连接端管与电极之间、低温连接端管与电极之间分别设置有密封圈。本实施例中，密封圈采用O型圈。

高温连接端管上设置有用于与连接管相连的第一管接头，高温连接端管通过连接管与水箱相连，将连接管与水箱相连的接口记为高压端接口。低温连接端管上设置有用于与连接管相连的第二管接头，水箱通过螺旋冷却管与低温连接端管相连，将螺旋冷却管与水箱相连的接口记为低压端接口。高压端接口所在水平面位于低压端接口所在水平面上面。

本实施例中，水箱上方设置有与大气连通的开口，其采用绝缘材料制成；电极采用无氧铜材料制备而成，电极的端面呈弧形，电极朝向水电阻主体管道的侧面呈台阶状。冷却装置采用循环风冷却装置。

本发明使用时，水电阻主体管道倾斜设置，高温连接端管顶端所在水平面高于低温连接端管顶端所在水平面，蒸馏水能在第一容纳腔、连接管、水箱、螺旋冷却管中移动。

本发明工作过程如下。

水电阻正常工作时，在连续、高频率给脉冲功率系统的电容组充电时，电极和电阻内的电阻液会因焦耳热使得其温度急剧升高，并在充电过程中伴随着电解水产生氢气和氧气的过程，使得水电阻内产生气体，由于冷却管的低温电阻液的密度比水电阻内的高温电阻液密度大，因为低温电阻液会在重力的作用下向水电阻内流动，高温电阻液会因为低密度产生的浮力以及温度梯度向水箱运动，由于电极散热片的存在，以及低温电极靠近冷却管，这使得低温电极的温度远低于高温电极，进而加速了热电阻液的流动，由于电解水产生气体，气体将会积聚在气体缓存仓，而后经由水气管排入大气，此时水电阻内部将形成一定的负压，内外的压差将使得水箱内的水经冷却管流入水电阻，当流经冷却管的水量不足以平衡压差带来的负压时，水箱内的热水将经过热水补偿管流入水电阻，以保证高低温电极弧形断面之间始终充满电阻液，进而杜绝出现水电阻内部击穿的现象，当整个体系稳定时，电阻液的温度将维持在一个较窄的区间内，进而保障水电阻的阻值不会有较大的浮动，并且可以更具冷却管内媒介的温度调节水电阻体系的温度，进而达到在不改变电阻液成分的情况下改变水电阻阻值的效果。

实际验证表明，本发明的水电阻在长时间连续工作时，不会出现水电阻内气压和温度过高的现象，能够有效保证水电阻能长时间工作，提高高功率脉冲设备的效率，具有较高的应用价值和应用前景。

实施例2

如图2所示，本实施例中，连接管包括低温进水管、冷热水连接管、热水补偿管，第一管接头、低温进水管、冷却装置、冷热水连接管、水箱、热水补偿管与第二管接头依次相连。水电阻主体管道沿竖直方向设置，该装置还包括与高温连接端管相连的泄压排气接头、排气连接管、与水箱相连的水汽管出口连接头，泄压排气接头、排气连接管、水汽管出口连接头依次相连且水电阻主体管道内的气体能依次经泄压排气接头、排气连接管、水汽管出口连接头通过水箱排出。

其他与实施例1相同。

实施例3

如图3、4所示，本实施例中，冷却装置设置在水箱内，冷却装置内的冷却管采用冷气冷却，冷却管的两端分别与冷气进口、冷气出口相连。水电阻主体管道沿竖直方向设置，该装置还包括与高温连接端管相连的泄压排气接头、排气连接管、与水箱相连的水汽管出口连接头，泄压排气接头、排气连接管、水汽管出口连接头依次相连且水电阻主体管道内的气体能依次经泄压排气接头、排气连接管、水汽管出口连接头通过水箱排出。

其他与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，包括电极、水电阻主体管道、高温连接端管、低温连接端管、连接管、水箱、冷却管、与冷却管相配合的冷却装置，所述电极为一组，所述电极、高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管、电极依次相连构成电阻主体，所述电极、高温连接端管、水电阻主体管道、低温连接端管之间形成设置容纳电阻液的第一容纳腔；

所述高温连接端管上设置有用于与连接管相连的第一管接头，所述高温连接端管通过连接管与水箱相连，将连接管与水箱相连的接口记为高压端接口；

所述低温连接端管上设置有用于与连接管相连的第二管接头，所述水箱通过冷却管与低温连接端管相连，将冷却管与水箱相连的接口记为低压端接口；

所述高压端接口所在水平面位于低压端接口所在水平面上面。

2.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，所述水电阻主体管道为玻璃管，所述电阻液为蒸馏水，所述冷却管呈螺旋形。

3.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，所述水箱上方设置有与大气连通的开口。

4.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，所述冷却装置为循环风冷却装置。

5.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，还包括设置在第一容纳腔、连接管、水箱、冷却管内的蒸馏水且蒸馏水能在第一容纳腔、连接管、水箱、冷却管中移动。

6.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，所述电极朝向水电阻主体管道的侧面呈台阶状。

7.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，所述高温连接端管与电极之间、低温连接端管与电极之间分别设置有密封圈。

8.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，所述水电阻主体管道倾斜设置，所述高温连接端管顶端所在水平面高于低温连接端管顶端所在水平面。

9.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，所述连接管包括低温进水管、冷热水连接管、热水补偿管，所述第一管接头、低温进水管、冷却装置、冷热水连接管、水箱、热水补偿管与第二管接头依次相连；

或所述冷却装置设置在水箱内，所述冷却装置内的冷却管采用冷气冷却，所述冷却管的两端分别与冷气进口、冷气出口相连。

10.根据权利要求1所述工业用自循环流动并冷却的水电阻，其特征在于，所述水电阻主体管道沿竖直方向设置，还包括与高温连接端管相连的泄压排气接头、排气连接管、与水箱相连的水汽管出口连接头，所述泄压排气接头、排气连接管、水汽管出口连接头依次相连且水电阻主体管道内的气体能依次经泄压排气接头、排气连接管、水汽管出口连接头通过水箱排出。