CN107390739B - 带有压力调节的冷却系统 - Google Patents

带有压力调节的冷却系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及带有压力调节的冷却系统。具体而言，提供了用于冷却功率变换器的系统和方法。例如，提供了编程成通过调节冷却系统中的冷却剂的压力来控制布置在冷却系统中的冷却剂和联接至其的功率变换器之间的热传输率的控制器。

Description

带有压力调节的冷却系统
技术领域
本公开涉及冷却系统。更具体而言，本公开涉及带有压力调节的冷却系统。
背景技术
在风力涡轮系统中，作为系统中固有存在的温度差异的结果，功率变换器和冷却剂之间的热传递典型地通过平流发生。特别地，来自功率变换器的热量传递至循环冷却剂，将其转化成其蒸汽相。该热量然后从冷却剂蒸汽获取，这引起冷却剂蒸汽冷凝且返回到其液相。选择具有等于或低于功率变换器的操作温度的沸点的冷却剂，以便允许上文描述的热交换循环发生。
发明内容
本文描述的实施例有助于解决或减轻典型冷却系统的缺点。
一个实施例包括一种用于冷却功率变换器的方法。该方法可包括通过调节冷却剂的压力来控制功率变换器和冷却剂之间的热传输率。另一实施例包括一种用于冷却功率变换器的系统。该系统可包括编程成通过调节冷却剂的压力来控制冷却剂和功率变换器之间的热传输率的控制器。
技术方案1. 一种用于冷却功率变换器的方法，包括：
通过调节冷却剂的压力来控制所述功率变换器和所述冷却剂之间的热传输率。
技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其中，调节所述冷却剂的压力包括在闭合的控制环中改变所述压力。
技术方案3. 根据技术方案1所述的方法，其中，调节所述压力包括改变联接至所述功率变换器的冷却系统中的在蒸汽相中的所述冷却剂的压力。
技术方案4. 根据技术方案3所述的方法，其中，改变在蒸汽相中的所述冷却剂的压力包括控制(i)所述冷却剂的体积膨胀、(ii)所述冷却剂的体积收缩和(iii)所述冷却系统的压力释放端口中的一者。
技术方案5. 根据技术方案4所述的方法，其中，控制所述体积膨胀和所述体积收缩包括使用包括在所述冷却系统中的波纹管来改变所述压力。
技术方案6. 根据技术方案3所述的方法，其中，改变在蒸汽相中的所述冷却剂的压力包括在所述冷却系统中加入惰性蒸汽以调整所述冷却系统的冷凝器暴露于在蒸汽相中的所述冷却剂的区域。
技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其中，所述惰性蒸汽包括氦和氩中的至少一者。
技术方案8. 根据技术方案1所述的方法，其中，调节所述压力包括改变所述压力直到达到预定热传输率。
技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其中，控制所述热传输率机械地达到。
技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其中，机械地控制所述热传输率包括使用(i)弹簧加载的压力控制阀和(ii)弹簧加载的体积膨胀装置中的一者来调节所述压力。
技术方案11. 根据技术方案1所述的方法，其中，调节所述压力包括改变所述压力直到达到预定热阻。
技术方案12. 一种用于冷却功率变换器的系统，包括：
控制器，其编程成通过调节冷却剂的压力来控制所述冷却剂和所述功率变换器之间的热传输率。
技术方案13. 根据技术方案12所述的系统，其中，所述控制器编程成根据闭合的控制环调节所述压力。
技术方案14. 根据技术方案12所述的系统，其中，所述控制器编程成(i)从布置在所述系统中的传感器接收信号和(ii)基于所述信号调节所述压力。
技术方案15. 根据技术方案12所述的系统，其中，所述控制器编程成控制在蒸汽相中的所述冷却剂的体积膨胀和体积收缩中的至少一者。
技术方案16. 根据技术方案12所述的系统，其中，所述控制器编程成控制到所述系统中的惰性蒸汽的流。
技术方案17. 根据技术方案16所述的系统，其中，所述惰性蒸汽包括氦和氩中的至少一者。
技术方案18. 根据技术方案12所述的系统，其中，所述控制器编程成调节所述压力直到达到预定热传输率。
技术方案19. 根据技术方案12所述的系统，其中，所述控制器编程成调节所述压力直到达到预定热阻。
技术方案20. 根据技术方案12所述的系统，其中，所述控制器构造成调节所述冷却剂的绝对压力。
各种实施例的额外的特征、操作的模式、优点以及其它方面在下文参照附图描述。要注意的是，本公开不限于本文描述的特定实施例。这些实施例为了示范性目的而展示。公开的实施例的修改或额外的实施例基于提供的教导对于一个或多个相关领域的技术人员将容易地显而易见。
附图说明
示范性实施例可具体化为各种构件和构件的配置。示范性实施例在附图中示出，贯穿附图相似的参考标号可指示各个附图中的相应或类似的部分。附图是为了说明实施例的目的且不应理解为限制本公开。给出附图的以下充分的描述，本公开的新颖方面将对一个或多个相关领域的普通技术人员变得显而易见。
图1是根据实施例的冷却系统的图示。
图2是根据实施例的方法的图示。
图3是根据实施例的控制器的框图。
零件清单
图1
100 冷却系统
102 风扇
104 聚集器
106 冷凝器
108 流量计
110 蒸发器
112 压力释放端口
114 进料端口
116 管道
118 管道
120 端口
图2
200 方法
202 框
204 框
206 判定框
208 框
图3
300 控制器
302 处理器
304 存储器
306 存储块
308 存储块
310 存储块
312 存储块
314 I/O模块
316 通信接口
318 存储介质
320 指令。
具体实施方式
虽然示范性实施例对于具体应用在本文中描述，但应当理解的是，本公开不限于其。获得本文提供的教导且本领域的技术人员将认识到其范围内的额外应用、修改和实施例以及本公开在其中将具有显著实用性的额外领域。
图1示出了根据实施例的冷却系统100。冷却系统100包括联接至冷凝器106的风扇102以及经由一组管道(即，管道116和管道118)与冷凝器106串联布置的蒸发器110，冷却剂穿过该组管道流动。例如，在操作期间，冷却剂经由进料端口114聚集在聚集器104中。聚集器104可具有水平指示器和水平传感器以提供涉及包括在系统中的冷却剂的量的信息。
在操作期间，冷却剂以液相流过管道118，管道118配备有流量计108。管道118和聚集器104中的压力可经由压力释放端口112调整。冷却剂然后通过蒸发器110，这引起冷却剂沸腾且进入其蒸汽相。因此，冷却剂以其蒸汽相流过管道116，在该点处其进入冷凝器106。热量可经由风扇102从冷却剂蒸汽获取，在该点处其返回至其液相且再次进入管道118。冷却系统100可增加冷却剂的压力，其有效地增加冷却剂的沸点且导致较低潜热和在蒸发器110处的较高出口质量。
蒸发器110可为联接至风力涡轮系统的功率变换器线路的热沉。冷却剂可选择成使得功率变换器线路的操作温度引起冷却剂一旦通过蒸发器110就沸腾。蒸发器110(其是热的)和冷凝器106(其相对较冷)处的温度的差异引起冷却剂在没有使用泵的情况下连续地流过管道116和管道118。
在一个实施例中，冷却系统100中的冷却剂的压力可通过调整压力释放端口112来改变。该压力可使用沿系统的任何一个管道布置的压力传感器且使用闭环反馈控制器来控制。例如，目标压力可对于给定冷却剂设置，且该压力可在闭环中改变，其持续地感测管道中的压力且在压力释放端口112处调整压力。特别地，冷却系统100中的绝对压力可通过控制联接至压力释放端口112和聚集器104的波纹管的体积膨胀和/或体积收缩来调整。
压力释放端口112可为改变冷却系统100中的绝对压力的手段。特别地，当冷却剂具有超过环境的正压力且冷却系统中存在不可冷凝的气体时，压力释放端口112可用于将不需要的不可冷凝的气体排出冷却系统100，允许接近冷凝器的更多表面区域以用于通过冷却剂蒸汽的热传递。
取决于排出的不可冷凝的气体的量，剩余的不可冷凝的气体的相应的局部压力降低，这导致冷却剂的沸点降低。较低沸点将在非常低温度启动的情况下有用且将避免冷却系统或功率电子器件的温度的突然增加(其可对功率电子器件稳定性有害)。
本领域技术人员将容易地认识到在本公开的情境中可如何使用促动器和传感器以基于系统中测得的压力和/或冷却剂流或流率适应性地调整压力。在一些实施例中，可测量冷却剂的绝对压力。
在另一实施例中，惰性蒸汽可加进冷却系统100以增加暴露于冷却剂的蒸汽相的冷凝器106的区域，从而从冷却剂获取甚至更多热量。惰性蒸汽可因此用作调整冷却剂的压力的备选(或作为额外手段)。惰性蒸汽可为氦或氩或其组合。大体上来说，任何惰性气体可用于有效地调整冷却系统100中的压力。
冷却系统100可包括控制器(图3中所示)，其可与它的各种传感器和促动器相互作用以提供闭合的控制环。例如，控制器可与电-机械促动器相互作用，电-机械促动器可促动压力释放端口112和端口120。此外，控制器可与贯穿系统布置的流量计108和/或压力传感器相互作用以调节冷却剂压力。
在一些实施例中，压力调节可通过简单的机械弹簧加载的压力控制阀或弹簧加载的体积膨胀装置(诸如气缸)被动地完成。在此机械压力控制系统中，当蒸汽压力增大时，系统的总体压力增大，因此推上弹簧以增大聚集器104中的压力。
较高压力将导致较高蒸发点，这意味着更多液态冷却剂将参与热传递，从而增大热传递率。在使用体积膨胀装置的实施例中，膨胀体积构造成存储不可冷凝的空气以允许较好的冷凝效果且因此对于整个系统达到较好热传递率。
此外，在一些实施例中，控制可包括在冷却系统100中以将其操作在使热传递最大化的水平(即，流率、压力和温度)处，从而使功率变换器线路和冷却系统之间的热阻最小化。在这些实施例中，压力和温度传感器可将输入提供至控制器，控制器在如上文描述的闭合的控制环中调整压力。可达到的最大热传输率可适应性地找到(即，利用控制器找到其中热传输率的变化率为零的一组压力)。备选地，可达到的最大热传输率可基于用于冷却系统100的预定压力与热传输率校准曲线找到，且可相应地调整该压力。
图2绘出了根据实施例的方法200的流程图。方法200在框202处开始，且包括改变冷却系统(诸如图1中描述的那个)中的冷却剂的压力。方法200可用于冷却例如包括在风力涡轮系统中的功率变换器。方法200可包括通过调节(即，通过改变)冷却剂的压力来控制功率变换器和冷却剂之间的热传输率(见框204)。
如图2中所示，调节冷却剂的压力包括在闭合的控制环中改变压力。闭合的控制环包括测量冷却剂的压力且检查测得的压力是否在预定的压力阀值内(判定框206)。如果测得的压力在预定阀值内(例如，通过从标称值的预定误差百分比)，方法200在框208处结束。否则，方法200还包括在框204处改变压力直到测得的压力在预定阀值内。构思了其它阀值方法。特别地，其它参数可用于控制，且方法200可包括例如简单地检查测得的参数是否超过预定阀值。
在一些实施例中，方法200可包括通过改变在其蒸汽相或在其液相中的冷却剂的压力来调节压力。改变在蒸汽相中的冷却剂的压力可包括控制(i)冷却剂的体积膨胀和(ii)冷却剂的体积收缩中的一者。如之前论述的那样，这可通过促动波纹管(见图1)来达到。
在还有其它实施例中，改变压力可通过在冷却系统中加入惰性蒸汽以有效地调整暴露于冷却剂的蒸汽相的冷凝器的区域来达到。惰性蒸汽可包括氦或氩。大体上来说，惰性蒸汽可为惰性气体。此外，在一些实施例中，惰性蒸汽可为氦和氩中的至少一者。
虽然方法200示出了作为用于控制环的控制参数的压力阀值，但本领域普通技术人员将容易地认识到可使用任何控制参数。例如，跨过热沉(像图1中的蒸发器110)的预定的/期望的热传输率可用作用于控制器的参数。温度传感器可因此用于提供温度数据至控制器，控制器然后估计热传输率且调整压力以达到预定热传输率。大体上来说，调节压力可包括改变压力直到达到预定热传输率。用于闭合的控制环的其它控制参数可例如是在蒸发器110处的预定热阻。
在还有其它实施例中，通过改变压力来控制热传输率可机械地达到。特别地，方法200可包括机械地调整弹簧加载的压力控制系统来调节压力。
已经阐述各种示例性实施例，现在描述与它们的操作一致的控制器300(或系统)。图3示出了控制器300的框图，其可包括具有特定结构的处理器302。该特定结构通过存储在包括于其中的储存器304中的指令且/或通过可由处理器302从存储介质318取得的指令320给予处理器302。存储介质318可与如所示的控制器300位于共同位置，或其可位于其它位置且通信地联接至控制器300。
控制器300可为独立的可编程系统，或其可为位于大得多的系统中的可编程模块。例如，控制器300可为像图1中所示的那个的冷却系统的一部分。
控制器300可包括取得、解码、执行、存储、分析、分配、评价和/或分类信息的一个或多个硬件和/或软件构件。此外，控制器300可包括构造成与多个传感器(像压力传感器、流量传感器和温度传感器)相互作用的输入/输出(I/O)模块314。此外，控制器300可与包括在冷却系统中或与它相关联的多个促动器相互作用。这种促动器可为例如用于控制惰性蒸汽传送和/或达到预定流率的质量流控制器、阀。
处理器302可包括一个或多个处理装置或核心(未示出)。在一些实施例中，处理器302可为多个处理器，各自具有一个或多个核心。处理器302可构造成执行从存储器304(即，从存储块312、存储块310、存储块308或存储块306中的一者)取得的指令，或指令可从存储介质318或经由通信接口316从连接至控制器300的远程装置取得。
此外，不失一般性，存储介质318和/或存储器304可包括易失或非易失性、磁的、半导体、带、光学的、可移除的、非可移除的、只读、随机存取或任何类型的非暂时计算机可读介质。存储介质318和/或存储器304可包括可由处理器302使用的程序和/或其它信息。此外，存储介质318可构造成记录在控制器300的操作期间处理、记录或收集的数据。该数据可为时间标记、位置标记、编目、索引或以与数据存储实践一致的多种方式组织。
在一个实施例中，存储块306可包括当由处理器302执行时引起处理器302完成某些操作的指令。该操作可包括通过调节冷却剂的压力来控制冷却剂和功率变换器之间的热传输率。该压力可为冷却剂的绝对压力。
调节压力可根据闭合的控制环完成，如上文描述的那样。该操作可包括(i)从布置在冷却系统中的压力和温度传感器接收信号(ii)引起处理器基于接收的传感器信号发出调节压力的控制信号。
例如，该操作可包括通过发出引起波纹管的促动的控制信号来控制在蒸汽相中的冷却剂的体积膨胀和体积收缩中的至少一者。在还有其它实施例中，该操作可包括发出控制到冷却系统中的惰性蒸汽的流的控制信号。惰性蒸汽可包括氦或氩。大体上来说，惰性蒸汽可为惰性气体。
一个或多个相关领域中的技术人员将了解的是，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可构造上文描述的实施例的各种改型和修改。因此，将理解的是，在所附权利要求的范围内，本公开可除了如本文特别描述的那样之外实践。

Claims (9)

1.一种用于冷却功率变换器的系统，包括：
风扇，其联接于位于所述系统的第一端部处的冷凝器，所述冷凝器经由第一管道串联联接于蒸发器，冷却剂流动穿过所述第一管道，所述冷却剂处于蒸汽形式；
所述蒸发器，其联接于第二管道，所述冷却剂流动穿过第二管道，所述冷却剂处于液体形式，所述第二管道将所述蒸发器联接于位于所述系统的第二端部处的聚集器；
所述聚集器，其联接于压力释放端口，所述压力释放端口构造成调节系统中的所述冷却剂的压力；以及
控制器，其操作性地联接于所述压力释放端口并且构造成控制所述压力释放端口；
其中所述控制器编程成通过调节所述冷却剂的所述压力来控制所述冷却剂和所述功率变换器之间的热传输率。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器编程成根据闭合的控制环调节所述压力。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器编程成(i)从布置在所述系统中的传感器接收信号和(ii)基于所述信号调节所述压力。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器编程成控制在蒸汽相中的所述冷却剂的体积膨胀和体积收缩中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器编程成控制到所述系统中的惰性蒸汽的流。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述惰性蒸汽包括氦和氩中的至少一者。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器编程成调节所述压力直到达到预定热传输率。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器编程成调节所述压力直到达到预定热阻。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成调节所述冷却剂的绝对压力。
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