CN108375241A - 一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，由一级冷却回路和二级冷却回路组成，所述一级冷却回路包括压缩机、冷媒和冷却介质，二级冷却回路包括抽吸泵、冷却腔和冷却介质腔体，所述抽吸泵的入口连接到冷却腔的出口，抽吸泵的出口连接到冷却介质腔体，冷却介质通过负压吸引方式进入冷却腔体，所述二级冷却回路为封闭循环回路。本发明实现了较低温度（零下20℃）的冷却介质对高功率元器件的散热。此外，一级回路可以选用通用产品，降低成本；二级回路冷却介质绝缘强度和热容量高、流动性和化学稳定性较好，该循环冷却系统适用于多种散热需求。
Description
技术领域
本发明属于工业应用领域，具体涉及到适用于高绝缘强度要求精确控温冷却系统的设计和制作。
背景技术
近年来，在高新装备和物理研究需求的推动下，脉冲功率技术受到广泛关注，各主要技术强国均投入大量人力物力开展相关研究工作，取得了多项里程碑式的技术进步，其应用领域也获得迅速拓展。目前，脉冲功率技术的发展呈现两大趋势：一方面向单次运行、高峰值功率的方向发展。大型脉冲功率源可为负载提供很高的峰值功率，创造高功率密度、高能量密度的极端环境，推动了核爆模拟、材料物性等极端条件物理研究，此类装置通常为单次运行，如美国的ZR装置；另一方面朝着高重复频率、高平均功率的方向发展。高新装备的发展对系统核心部件脉冲功率源提出了更高的要求，即小型化、模块化、高重复频率运行和长使用寿命。工业应用也要求脉冲功率源具备较高重复频率和高平均功率，以获得工业化生产的产量要求。固态器件具有重复运行频率高、易于维护、使用寿命长等优点，是重复频率脉冲功率技术研究领域的主流方向。目前，高重复频率、高平均功率固态脉冲功率源技术研究已经成为脉冲功率技术研究领域的热点，列入美国多个重点国家科技计划。高重复频率、高平均功率、高能量密度的固态脉冲功率装置对储能和开关器件的散热提出了极高要求，散热设计对装置的稳定可靠运行至关重要。现有冷却系统温度和流速均无法精确控制，气泡的存在严重降低了储能和开关器件的绝缘强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用封闭、循环、冷却的电子氟化液作为工作介质，以负压吸引的方式对高功率元器件进行有效散热的装置,大幅度提升了高功率元器件的散热效率，延长了其寿命。
为了实现上述目的，采用如下技术方案：
一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，由一级冷却回路和二级冷却回路组成，所述一级冷却回路包括压缩机、冷媒和冷却介质，二级冷却回路包括抽吸泵、冷却腔和冷却介质腔体，所述抽吸泵的入口连接到冷却腔的出口，抽吸泵的出口连接到冷却介质腔体，冷却介质通过负压吸引方式进入冷却腔体，所述二级冷却回路为封闭循环回路。
在上述技术方案中，所述冷却腔体的输出和输入端口处分别设置有限流阀、温度传感器和控制单元。
在上述技术方案中，所述冷却腔体的输入端口的控制单元控制压缩机的转速及启停，实现冷却介质温度的调节。
在上述技术方案中，所述冷却腔体的输出端口的控制单元控制抽吸泵的转速实现冷却介质流速的控制。
在上述技术方案中，一级冷却回路中的冷媒为氟利昂，二级冷却回路中的冷却介质为绝缘介质。
在上述技术方案中，所述绝缘介质为电子氟化液。
在上述技术方案中，所述冷却腔体内用于放置高功率元器件，所述高功率元器件浸没在冷却介质中。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明实现了较低温度（零下20℃）的冷却介质对高功率元器件的散热。此外，一级回路可以选用通用产品，降低成本；二级回路冷却介质绝缘强度和热容量高、流动性和化学稳定性较好，该循环冷却系统适用于多种散热需求。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1 精确控温冷却系统示意图；
图2光导开关测试电路图；
图3光导开关1kHz重频输出电压和电流部分测试波形。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
如图1 所示，精确控温冷却系统由一台大功率自吸式循环泵，冷却介质腔体，高功率元器件冷却腔体、压缩机和控制系统组成。针对强电场条件下气泡导致绝缘强度降低问题，提出采用负压吸引循环方式有效消除元器件腔体内的气泡，保证高绝缘强度；针对冷媒流动性及化学兼容性、温度与流速相互牵制等问题，提出采用双回路、双冷媒冷却系统设计实现对冷却介质的优选及其温度、流速的解耦；针对散热量精确控制问题，提出采用冷却介质温度、流速双参量控制，保证器件与冷却介质之间热交换速率的连续、即时控制，避免冷却介质对器件的温度冲击和热交换速率过度波动。
1）负压吸引循环
将循环泵的入口连接到高功率元器件腔体，出口连接到冷却介质腔体，制冷后的介质通过负压吸引方式进入高功率元器件冷却腔体。
该设计避免了由于循环泵叶片两侧存在压强差产生的气泡进入高功率元器件冷却腔体，有效实现了储能、开关等关键器件的绝缘强度。通过控制循环泵转速实现冷却腔体出、入液阀门处的压力差恒定，还可以实现冷却介质流量的准确控制。
2）双回路系统
一级回路：压缩机+冷媒+冷却介质；二级回路：抽吸泵+流速控制阀+冷却介质+高功率元器件冷却腔。
通过控制一级回路中压缩机的启停实现对二级回路中的冷却介质温度的精确控制；控制二级回路中循环泵的转速实现冷却介质流速的控制。解决了单回路冷却系统中存在的冷却介质温度与流速相互牵制的问题。
为精确控制冷却系统的温度和流量，设计中将冷却腔体前后端均加装限流阀和温度传感器，可以精确调节冷却介质流量并通过控制压缩机转速及启停，实现冷却介质温度的调节。
系统中冷却介质液流平稳且温度可调，避免了高压液流和流速不稳定对元器件的冲击振动，抑制了冷却液流引起的元器件机械损伤。
3）冷却介质选择
一级回路冷媒选择氟利昂；二级回路冷却介质采用电子氟化液或其它绝缘介质。该设计实现了较低温度（零下20℃）的冷却介质对高功率元器件的散热。此外，一级回路可以选用通用产品，降低成本；二级回路冷却介质绝缘强度、热容量高、流动性、化学稳定性较好。该循环冷却系统适用于多种散热需求。
图2是光导开关测试电路图。采用固态脉冲形成线对光导开关进行测试，图中使用的固态脉冲形成线材料为ANb2O6-NaNbO3-SiO2玻璃陶瓷，介电常数为340，固态脉冲形成线厚度为5mm，阻抗约为8.1 Ω，输出脉宽为50 ns。使用Pearson线圈测量光导开关的导通电流，线圈灵敏度为0.1 V/A；光导开关加载电压以及输出电压通过Tek P6015A高压探头测量。
图3是光导开关1kHz重频输出电压和电流部分测试波形。光导开关在工作电压11kV、工作电流560A、重频1kHz条件下寿命测试波形。光导开关寿命大于100万次。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，由一级冷却回路和二级冷却回路组成，所述一级冷却回路包括压缩机、冷媒和冷却介质，二级冷却回路包括抽吸泵、冷却腔和冷却介质腔体，其特征在于所述抽吸泵的入口连接到冷却腔的出口，抽吸泵的出口连接到冷却介质腔体，冷却介质通过负压吸引方式进入冷却腔体，所述二级冷却回路为封闭循环回路。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，其特征在于所述冷却腔体的输出和输入端口处分别设置有限流阀、温度传感器和控制单元。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，其特征在于所述冷却腔体的输入端口的控制单元控制压缩机的转速及启停，实现冷却介质温度的调节。
4.根据权利要求2所述的一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，其特征在于所述冷却腔体的输出端口的控制单元控制抽吸泵的转速实现冷却介质流速的控制。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，其特征在于一级冷却回路中的冷媒为氟利昂，二级冷却回路中的冷却介质为绝缘介质。
6.根据权利要求5所述的一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，其特征在于所述绝缘介质为电子氟化液。
7.根据权利要求1-4任一所述的一种适用于高绝缘强度要求的精确控温冷却系统，其特征在于所述冷却腔体内用于放置高功率元器件，所述高功率元器件浸没在冷却介质中。
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