CN1083140C - 液体介质的过滤装置及装有这类装置的电力电子设备 - Google Patents

Abstract

一种过滤有电绝缘性和导热性介质的装置，包括至少一个浸于液体介质中的加热器和至少一个可透过液体介质并浸于其中的固体颗粒过滤器。该浸没的过滤器位于液体介质的自然对流中。所述装置的特征在于，它包括一个至少部分浸于所述液体介质中并含有所述浸没的加热器的封罩，所述封罩至少部分由过滤液体介质中固体颗粒的所述浸没过滤器和出口孔口构成。

Description

液体介质的过滤装置及装有这类装置的电力电子设备

本发明总的来说涉及在电力电子设备罐中所含的载有固体颗粒的有电绝缘性和导热性的液体介质的闭路过滤方法，具体来讲涉及有电绝缘性和导热性的液体介质的过滤装置及装有这类装置的电力电子设备。

在许多电工技术应用中设备必须尽可能的紧凑，以利于其运输或在装配它的系统中占据最小的空间。例如这一原则适用于高速列车上的电力电子设备。

电工设备包括各种类型的组件和子系统，这其中包括无源元件和半导体元件，其目的是要尽可能紧密地将它们装配在一起以减小设备的总尺寸。在一些情况下，元件必须封闭在一起以减少发射电磁干挠，有利于屏蔽并因而将产生的干挠减至最小。

而另一方面，处于不同电压下的电子元件紧密结合(它们在操作中会升温)的情况下会出现各种问题：除公知的单纯机械问题和实现紧密装配的问题以外，存在两种主要类型的问题。

设备越紧密则越难以冷却其组件：在一个较小的空间内产生了需要排出的热能，在组件之间的狭小通道阻碍了热传导。

处于不同电位下的部件之间的电场与它们之间的距离成反比。更有甚者，小的尺寸常导致更小半径的曲线，因而导致电场的局部增犬。

所有这些因素均趋向于增加介质击穿的危险，即电弧破坏。

增加介电强度并因而消除击穿危险的现有技术的解决该问题的方法是将组件浸入有电绝缘性的液体池中。这种类型的解决方法应用于高压变压器的情况，例如，将其线圈浸入油池中。

使其液体经热交换器闭路循环来将油池冷却，由此将热量传导至外部。这种冷却方法适用于不产生过量热流的组件。

如果设备包括需经很大幅度冷却的组件时，则这种方法就不适用了。在速种情况下，另一种公知的方法是使用″池沸腾法″。将组件浸入有电绝缘性的液体中，受热的作用该液体可发生沸腾。将产生的蒸气从该液体中分离并在顶部圆周区域冷凝，从所述区域将热量排出至外部。冷凝的液体返回至该池中。

上述池沸腾法具有两种优点：

—第一，该冷却过程是高效的，且组件之间不需要有大的距离。

—第二，液体浴的介质强度既使在沸腾时也比空气大的多，这种液体池可使组件紧密组合。这一优点与操作电压成正比。

根据所述池和冷凝器的形状，可以按许多不同的变化方式来实现池沸腾原理。再有，热设计规则是常规的。

池沸腾法已在一些工业应用中被采用。

高速列车是其中的一例。它们装有可用体积有限且具有高设计功率密度的电力电子罐。

在这些罐中的有源和无源元件浸入一种液体中，该液体传统的CFC型，目前被在沸腾时具有基本相同电绝缘性和导热性的替代物所取代。

由于通电元件浸入具有适当尺寸的液体池中，所以一般实际上没有介电击穿的危险。

但是，由于所述液体的介电性能缓慢退化，电绝缘故障易于导致电弧引起的击穿。这种老化的特征是该液体中颗粒的浓度缓慢上升。这些颗粒是浸于绝缘性液体池中的各种材料表面发生很轻微的机械、化学和电化学破损所产生的。公知，绝缘性液体的介电质量取决于其中所含的颗粒的浓度。消除颗粒以使其残余浓度处于低值不是一个简单问题，解决它是复杂且耗资大的。

在通过池沸腾法冷却电力组件的情况下，其稳定性就电绝缘而言，由于随着设备老化释放出颗粒而逐渐变坏，一种解决方法是截留这些颗粒。

在电力电子罐用于高速牵引用途的情况下，强制对流来过滤的通用方法是不可行的：流体回路、泵和过滤器是不方便的、耗费大且不可靠的。

对应的，本发明的过滤有电绝缘性和导热性的液体介质的装置的一个目的是截获在该液体中悬浮的颗粒使得颗粒浓度更慢地增加或将其保持恒定，以便延长设备的使用寿命并甚至将电绝缘的可靠性保持恒定。

本发明过滤绝缘性液体介质的方法的另一目的是提供一种解决方法，它简单、费用低、总尺寸紧凑且有很高可靠性，以避免引起造成损坏的任何新的危险。

根据本发明，过滤装置包括至少一个浸于液体介质中的加热设备和至少一个液体介质可透过的过滤固体颗粒的浸没设备，所述浸没的过滤器设备位于液体介质的自然对流中，所述装置的特征在于它包括一个至少部分浸于液体介质中并含有浸没的加热设备的封罩；该封罩至少部分由过滤液体介质中固体颗粒的浸没设备和至少由一个出口孔口构成。

本发明过滤器装置还具有至少一个以下的特征：

—出口孔口露出于液体介质之上，

—出口孔口浸没于液体介质中，

—出口孔口被可透过液体介质或气体的过滤固体颗粒的设备所封闭。

按照本发明，电力电子组合体包括一个密封罐，该罐中设置有浸没于有电绝缘性和导热性的液体介质中的电力电子组件，其中该电力电子组合体包括至少一个设置于所述罐内部的过滤器装置以捕获至少一些在液体介质中所含的不需要的固体颗粒。

按照电力电子组合体的一个附属特征，加热设备包括所述组合体的一个或多个电力电子组件。

本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的装置的一个优点是它不使用任何机电附件装置如电动机或泵。

本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的装置的另一优点是它不具有转动部件，且仅具有最少数量的静态组件，保证了其可靠性且其费用极微。

换句话说，在有许多可行构型的条件下，由两相自然对流来就地过滤所构成的解决方法是简单、耗费低且适宜于罐的构型。

本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的装置的另一优点是两个必要组件可为在池中已存在的组件。

通过阅读参照附图给出的关于过滤有电绝缘性和导热性液体介质的方法和装置的说明，可看出本发明的其它目的、特点和优点。

图1所示为本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的方法的原理。

图2至12所示为实现本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的方法的过滤器装置的各种实施例。

图1所示为过滤有电绝缘性和导热性液体介质的装置的第一个实施例，其中示出了本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的方法的原理。

本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的装置包括加热液体介质2的设备1和过滤在液体介质中所含的固体颗粒4的设备3。

加热设备1和过滤设备3的组合浸入罐6所含的液体介质中。

加热设备1的功能是使与其接触的液体加热沸腾。

加热设备包括例如一个简单的电阻加热器元件，其额定功率与要使之更可靠的设备相比是很小的。

过滤液体介质中固体颗粒的设备的功能是持留所述颗粒。

过滤液体介质中固体颗粒的设备包括一个或多个如下构件，例如chicane、格栅、蜂窝状或多孔材料、过滤材料。

过滤液体介质中固体颗粒的设备优选是很小尺寸的。

加热设备与过滤液体介质中固体颗粒的设备的相对位置为使得：

—沸腾液体介质转化为气体5。该气体自发膨胀进入罐6的顶部部分，在该处它与在所述设备正常操作中存在于此处的更大数量的同种气体混合。它冷凝并返回池中，而不需要除该设备正常操作所已存在的那些以外的任何附加设备。

—因而在加热器元件周围的沸腾液体由于转化成气态而运渐消失。通过自然对流的简单过程它被所述液体的一部分7替代。

—经由一或多个管路14通过自然对流由该浴引入的液体流经过滤固体颗粒的设备。

在本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的方法和装置中，含有给定浓度颗粒的所述池中流出的某一液流流过滞留固体颗粒的过滤器设备。

该液流由加热设备转化成气体。该气体在所述池之上冷凝，所产生的不含固体颗粒的液体返回至该池中。

产生这一液流的加热设备的尺寸应足以使在给定操作时间内截留的颗粒的数量至少等于在对应的时间内由老化产生的新的颗粒的数量。

由于产生的颗粒数量少，甚至考虑了该设备的总的使用寿命时，过滤固体颗粒的设备的尺寸可以很小，既使留出了大的安全余量也是如此。

当然对加热设备和过滤固体颗粒的设备的相对位置没有限制，两者各具有多种形状，且它们可以多种方式相互连接。

图2至12示出了实现本发明过滤有电绝缘性和导热性液体介质的方法的过滤器装置的各种实施例。

在对图2至12的说明中，″管″一词应理解成在其中或其附近电绝缘性和导热性液体介质沸腾的任何封闭物或任何设备的含义。

图2所示为过滤固体颗粒的设备置于竖管8内的构型。

所述管的顶部包括一个气体出口孔口12。

所述管的底部由多孔材料9制成，且它构成过滤固体颗粒的设备。

加热设备包括设置在该管中的电阻加热器元件10。

图3所示为过滤固体颗粒的设备设置在竖管8中的构型，所述竖管8具有侧面设置的液体进口孔口11。

所述管的顶部包括一个气体出口孔口12。

过滤固体颗粒的设备4包括面向进口孔口、衬于穿孔管的内部的部分或其全部的多孔材料9。

电阻加热器元件10设置在所述管内。

图4所示为过滤固体颗粒的设备设置在格栅形竖管8内的构型。

所述管的顶部包括一气体出口孔口12。

所述管的内部衬以多孔材料9，该材料构成过滤固体颗粒的设备。

电阻加热器元件10设置在该管内。

图5所示为过滤固体颗粒的设备设置在竖管8中的构型，所述竖管呈有两层8A、8B的格栅的形式。

所述管的顶部包括一气体出口孔口12。

过滤固体颗粒的设备4包括设置在两层格栅之间的多孔材料9。

电阻加热器元件10设置在该管内。

图6所示为过滤固体颗粒的设备4包括由多孔材料9制成的竖管8的构型，所述竖管含有电阻加热器元件10。

图7所示为与图2相似的构型，其不同之处有两点：第一，过滤器装置全部浸没；第二，过滤固体颗粒的设备包括处于管8的顶部和底部的多孔材料9。

在这种实施例中，产生的气体由管顶部的多孔材料9逸出。

图2至6中所示的所有实施例也可以是全部浸没的。

图8所示为全部浸没的水平过滤器装置。电阻加热器元件10被多孔材料管9环绕。经由所述管的底部或侧面进入的液体被多孔材料过滤，而气体经管的顶部逸出。

这一实施例可按多种不同的变形方式来实现，即：完全的多孔管、带有多孔衬层的穿孔管，包括至少一层格栅的管。

图9和10所示为水平态的实施例，其中管8不完全围绕电阻加热器元件10。

设置在加热设备之上的过滤固体颗粒的设备的顶部部分包括一个出口孔口12。

在这些实施中，并非全部液流流过过滤固体颗粒的设备。因而需要更大的加热功率以使过滤的液流部分持续足够的数量。所需的加热功率与液体的直流通道的尺寸和经过过滤器的通道的尺寸的比值成正比。

图11与图9和10相似。该直流通道大于图9和10中所示的通道。

所以，在这一实施例中加热功率必须比前述实施例大10至100倍。这时代之电阻加热器元件，则优选使用已浸于池中的一或多个组件13，在任何情况下它都必须是被冷却的，且它蒸发相当大的液流。

因而这一简单的实施例在于在存在于池中的电子组件的下面放置至少一个过滤固体颗粒的设备。这些设备包括一或多层材料：chicanes、格栅、多孔材料。由这些存在的组件将自然对流中这一液流加热沸腾产生的强烈液流多半围绕过滤固体颗粒的设备流动。然而这种类型的实施例足以造成适当小的但却足够的经过过滤固体颗粒设备的流动。

图12所示为相似于圈2所示实施例的另一布置。

过滤固体颗粒4的设备3设置在与含有加热器10的管8有一定的距离处。过滤固体颗粒的设备与加热设备通过至少一个管路14相连接。

下面的表1和2给出了分别示于图2和11中的过滤器设备的主要尺寸的一个实例。

表    1

管直径	20mm
		管高度	100mm
过滤器直径	20mm
		过滤器厚度	2mm
标称型(nominal type)	5微米
		加热器直径	6-mm
加热器高度	20mm
		加热器功率	20W
理论液流速度	450cm3/h
		最小达标流速	150cm3/h

存在组件：GTO产生1000W的热量
		组件与过滤器之间的距离	5mm
过滤器组成：两个格栅之闸的一个多孔层
		表面积	100cm2
厚度	1mm
		总的液流速度	22dm3/h
可利用的部分流速	0.5dm3/h
		最小达标流速	0.15dm3/h

Claims (6)

1.过滤器装置，包括至少一个浸于液体介质(2)中的加热设备(10)和至少一个可透过所述液体介质的用于过滤固体颗粒(4)的浸没的设备(3，9)，所述浸没的过滤器设备(3，9)位于所述液体介质的自然对流中，所述装置的特征在于它包括一个至少部分浸于所述液体介质中并含有所述浸没的加热设备(10)的封罩(8)，所述封罩(8)至少部分由过滤液体介质中固体颗粒的所述浸没设备(3)和出口孔口(12)所构成。

2.如权利要求1的装置，其中所述出口孔口(12)露出于所述液体介质。

3.如权利要求1的装置，其中所述出口孔口(12)浸没于所述液体介质中。

4.如权利要求2或3的装置，其中所述出口孔口(12)由可透过液体介质或气体的过滤固体颗粒的设备(3)封闭。

5.电力电子设备，包括一个密封的罐(6)，在该罐中设置有浸于有电绝缘性和导热性液体介质中的电力电子组件(13)，其特征在于它包括设置在罐(8)内的至少一个如权利要求1至4任一项所述的过滤器装置(3)以截获至少一些在液体介质中所含的不需要的固体颗粒(4)。

6.如权利要求5的设备，其中加热设备(10)包括所述设备的一或多个电力电子组件(13)。

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