CN110785048A - 轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统及轨道交通牵引设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，包括水冷腔、风冷腔和液冷回路，主进水管和主出水管设置于水冷腔的中部并与变流器中各功率模块的水冷板相连；主进水管和主出水管的一端则通过变压器散热组件相连通，主进水管的另一端与驱动件相连，主出水管的另一端与热交换器相连，驱动件与热交换器相连；热交换器位于风冷腔的散热风道内，用于将液冷回路吸收到的热量散发至空气中。本发明还公开了一种轨道交通牵引设备，包括变流器、变压器和如上所述的蒸发冷却系统，变流器中的各功率模块分别位于水冷腔的两侧，变压器位于所述水冷腔的一端。本发明的冷却系统及牵引设备具有集成度高、结构简单紧凑、散热效果好等优点。

Description

轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统及轨道交通牵引设备

技术领域

本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统及轨道交通牵引设备。

背景技术

随着轨道交通运力和速度的不断提升，牵引设备的减重减体积的需求日益增长。车辆上的电气设备，都有散热需求，随着减重的需求增长，功率密度也在不断提高，同时，冷却设备本身的减重要求也在不断提高。其中车上设备包括变压器、变流器和开关等部件，由于各部件特点不同，一般是采用不同的冷却方式，如变压器采用循环硅油冷却，变流器一般采用水冷，开关器件采用自然冷却或者强迫风冷。在原有系统的冷却方式中，由于变压器需要采用绝缘油进行冷却，变流器采用水冷，因此需要两套冷却装置，即变流器的水冷装置和变压器的油冷装置，大大增加了散热系统的复杂程度。另外由于绝缘油的粘度特性，在低温下粘度极高，因此低温启动时油泵是无法直接驱动油路进行循环的，需要先加热，将其变成纯液态，再启泵循环，而加热只能针对局部，油路分布比较广，无法全面加热，因此效率非常低。而且在变压器内部，原系统的油冷是通过自然对流产生油的循环动力，会存在一些死角，由于循环不足而导致局部温度偏高，严重影响了绝缘层的寿命，导致故障发生。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种集成度高、结构简单紧凑、散热效果好的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统及轨道交通牵引设备。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，包括水冷腔、风冷腔和液冷回路，所述液冷回路包括依次串联形成循环的驱动件、主进水管、主出水管和热交换器，所述主进水管和主出水管设置于所述水冷腔的中部，将水冷腔分隔成两部分用于安装轨道交通牵引设备中的变流器，并与变流器中各功率模块的水冷板相连，以对各功率模块进行蒸发散热；所述主进水管和主出水管的一端则通过轨道交通牵引设备中的变压器散热组件相连通，所述主进水管的另一端与驱动件相连，所述主出水管的另一端与热交换器相连，所述驱动件与所述热交换器相连；所述风冷腔内设有散热风道，所述热交换器位于所述风冷腔的散热风道内，用于将液冷回路吸收到的热量经散热风道散发至空气中。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述风冷腔位于车体的底部，所述风冷腔内的散热风道包括位于风冷腔于车体两侧的进风口、以及位于所述风冷腔底部的出风口，所述出风口处设置有散热风机。

所述热交换器的数量为两个，分别位于散热风道的进风口。

所述热交换器为铝材质的板翅式冷凝器。

所述冷凝器的进口位于上部，出口位于底部，所述冷凝器的底部设有储液腔体。

所述驱动件为自冷却的屏蔽泵，屏蔽泵中的氟化液进入屏蔽泵的定子，冷却后从辅助出口排出。

所述屏蔽泵的输出轴端设置有检测装置，用于对滑动轴承的磨损状况进行监测。

所述变压器的散热组件的冷却形式为浸没式或冷板或喷淋式。

所述水冷板为翅片型或扰流片型水冷板。

所述水冷板上设有多个出口，用于避免气堵。

所述主进水管或/和主出水管与各功率模块的水冷板之间设置有开关组件，用于控制冷却介质的流量。

所述主进水管和主出水管均采用聚四氟乙烯或PVDF材质的水管。

本发明还公开了一种轨道交通牵引设备，包括变流器、变压器和如上所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，所述变流器中的各功率模块分别位于水冷腔的两侧，所述变压器位于所述水冷腔的一端。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，将冷却系统分成液冷和风冷两种，通过蒸发冷却将变流器和变压器的冷却需求结合起来，包括变压器的高绝缘等级和高低温，变流器的多支路分布式，通过蒸发冷却均可以满足；由于将各部件的冷却方式可以统一起来，冷却装置可以集中安装，减少了管路布置，以及重复的部件，外冷的风路也可以统一考虑，大大减少了设备体积和重量，同时，由于蒸发冷却利用潜热而非显热，本身的流量也降低，水泵的选型也较水冷更小，管路可以选择更小口径，便于布局，使得设备更加紧凑；除此之外，由于沸腾换热本身的特性，在热流密度提升时，其换热系数也会有相应提升，这对于解决大功率器件的高热流密度散热，是一个有效的解决手段，比如碳化硅器件，或者IGCT等器件，这就使得电气设备的应用不再收到散热的局限。

本发明的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，采用屏蔽泵，液膜自润滑，提高屏蔽泵的寿命，同时监测屏蔽泵的振动，以预测其寿命以保证及时维护。

本发明的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，在冷凝液的下方设有储液腔体，以保证在负载急剧变化时，有足够的供液量，而不会导致系统过热，同时系统的压力不会波动太大。

本发明的轨道交通牵引设备同样具有如上蒸发冷却系统所述的优点，而且结构简单紧凑。

附图说明

图1为本发明的冷却系统的具体应用时的实施例图。

图2为本发明的冷却系统具体安装结构示意图。

图中标号表示：1、水冷腔；2、风冷腔；3、主进水管；4、主出水管；5、冷凝器；6、屏蔽泵；7、散热风机；8、功率模块；9、变压器；10、车体。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，包括水冷腔1、风冷腔2和液冷回路，液冷回路包括依次串联形成循环的驱动件（如水泵）、主进水管3、主出水管4和热交换器，主进水管3和主出水管4位于水冷腔1的中部并沿水冷腔1长度方向布置，将水冷腔1分隔成左右两部分，用于安装轨道交通牵引设备中变流器的各功率模块8，其中主进水管3和主出水管4均与各功率模块8的水冷板相连，以对各功率模块8进行蒸发散热（如将冷却介质通过喷射孔喷射至水冷板内，通过水冷板与各功率模块8进行热量交换，冷却介质吸收热量后变为气液两相）；主进水管3和主出水管4的一端则通过轨道交通牵引设备中的变压器9散热组件相连通，主进水管3的另一端与驱动件相连，主出水管4的另一端与热交换器相连，驱动件与热交换器相连，通过驱动件的驱动，将冷却介质经主进水管3泵送至各功率模块8的水冷板内以及变压器9的散热组件内进行沸腾换热，再由主出水管4回流至热交换器将热量散发出去，然后再经驱动件泵送至主进水管3，形成液冷循环；其中风冷腔2内设有散热风道，热交换器位于风冷腔2的散热风道内，用于将液冷回路吸收到的热量经散热风道散发至空气中。本发明的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，将冷却系统分成液冷和风冷两种，通过蒸发冷却将变流器和变压器9的冷却需求结合起来，包括变压器9的高绝缘等级和高低温，变流器的多支路分布式，通过蒸发冷却均可以满足；由于将各部件的冷却方式可以统一起来，冷却装置可以集中安装，减少了管路布置，以及重复的部件，外冷的风路也可以统一考虑，大大减少了设备体积和重量，同时，由于蒸发冷却利用潜热而非显热，本身的流量也降低，水泵的选型也较水冷更小，管路可以选择更小口径，便于布局，使得设备更加紧凑；除此之外，由于沸腾换热本身的特性，在热流密度提升时，其换热系数也会有相应提升，这对于解决大功率器件的高热流密度散热，是一个有效的解决手段，比如碳化硅器件，或者IGCT等器件，这就使得电气设备的应用不再收到散热的局限。另外，蒸发冷却的换热能力，与流速相关性不大，而与干度关系较大，而气泡产生之后会因为浮力而迅速脱离，使得器件表面保持液体接触，从而换热系数一直维持在较高的水平，而且整个器件都比较均匀，不会有很大温差。

如图2所示，本实施例中，风冷腔2位于车体10的底部，风冷腔2内的散热风道包括位于风冷腔2于车体10两侧的进风口、以及位于风冷腔2底部的出风口，出风口处设置有散热风机7。另外，热交换器的数量为两个，分别位于散热风道的进风口。空气作为外部冷源，从车体10外部经过滤器后，从车体10的两侧经进风口进入至风冷腔2内，与热交换器交换热量后进入至风冷腔2内部，冷却部分装在风冷腔2内的电气组件，再进入至双面进风的散热风机7（如离心风机）内部，最后从风冷腔2的底部排出。当然，在其它实施例中，也可以采用其它方向的进风，如可以采用走行风，可以省去散热风机7。

本实施例中，驱动件为自冷却的屏蔽泵6，屏蔽泵6中的氟化液进入屏蔽泵6的定子，冷却后从辅助出口排出，进入至冷凝器5内冷却。屏蔽泵6的输出轴端设置有检测装置，用于对滑动轴承的磨损状况进行监测，提供预警和更换信号。当然，在其它实施例中，也可以采用磁力泵或普通离心泵等。

本实施例中，热交换器为铝材质的板翅式冷凝器5；当然，在其它实施例中，也可以采用平行流或者微通道的冷凝器5。根据需要，冷凝器5可以延伸到变流器的柜体部分，由铰链连接安装，可以方便模块维护，同时又增加了冷凝器5的迎风面积，减小风机功率和噪声；冷凝器5的进口位于上部，出口位于底部，冷凝器5的底部设有储液腔体，冷却介质从冷凝器5上部进入，冷凝后在下部汇集，确保无气体后再进入至屏蔽泵6内；其中储液腔体足够大，可以替代储液罐的作用，一方面稳定压力，另一方面防止气体进入至屏蔽泵6内。

本实施例中，水冷板可以采用翅片型和扰流片型，根据水冷板的尺寸，出口可以有一个或者多个，多个出口能够避免气堵而产生的不均流导致散热恶化，其中水冷板采用扰流片形式，以减少内部的不均流和不均压情况，同时也可以减少水冷板本身的阻力，降低屏蔽泵6的功率。另外根据散热需求以及结构需求，变压器9可以有浸没式，冷板串，冷板并，喷淋式等冷却形式；另外，为了满足绝缘要求和高低温要求，各管路应采用聚四氟乙烯、PVDF等材质。另外，冷却介质可以采用多种工质，如氟利昂、烷类或醚类等，且液冷回路为正压，防止吸入空气而影响换热性能。

本实施例中，主进水管3或/和主出水管4与各功率模块8的水冷板之间设置有开关组件（如阀门），用于控制冷却介质的流量，确保流量分配均匀而不浪费，同时保证各部分散热能够满足要求。另外各水冷板的出口的干度应保证在0.3至0.7之间，确保沸腾的稳定性，具体的取值，根据需求的换热系数以及优化流量共同决定。

如图1和图2所示，本发明还公开了一种轨道交通牵引设备，包括变流器、变压器9和如上所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其中变流器中的各功率模块8分别位于水冷腔1的两侧，变压器9位于水冷腔1的一端；其中水冷腔1和风冷腔2可以位于同一柜体内，也可以分别位于不同的独立柜体内。本发明的轨道交通牵引设备不仅具有如上蒸发冷却系统所述的优点，而且结构简单紧凑。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (13)

1.一种轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，包括水冷腔（1）、风冷腔（2）和液冷回路，所述液冷回路包括依次串联形成循环的驱动件、主进水管（3）、主出水管（4）和热交换器，所述主进水管（3）和主出水管（4）设置于所述水冷腔（1）的中部，将水冷腔（1）分隔成两部分用于安装轨道交通牵引设备中的变流器，并与变流器中各功率模块（8）的水冷板相连，以对各功率模块（8）进行蒸发散热；所述主进水管（3）和主出水管（4）的一端则通过轨道交通牵引设备中的变压器（9）散热组件相连通，所述主进水管（3）的另一端与驱动件相连，所述主出水管（4）的另一端与热交换器相连，所述驱动件与所述热交换器相连；所述风冷腔（2）内设有散热风道，所述热交换器位于所述风冷腔（2）的散热风道内，用于将液冷回路吸收到的热量经散热风道散发至空气中。

2.根据权利要求1所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述风冷腔（2）位于车体（10）的底部，所述风冷腔（2）内的散热风道包括位于风冷腔（2）于车体（10）两侧的进风口、以及位于所述风冷腔（2）底部的出风口，所述出风口处设置有散热风机（7）。

3.根据权利要求2所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述热交换器的数量为两个，分别位于散热风道的进风口。

4.根据权利要求3所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述热交换器为铝材质的板翅式冷凝器（5）。

5.根据权利要求4所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述冷凝器（5）的进口位于上部，出口位于底部，所述冷凝器（5）的底部设有储液腔体。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述驱动件为自冷却的屏蔽泵（6），屏蔽泵（6）中的氟化液进入屏蔽泵（6）的定子，冷却后从辅助出口排出。

7.根据权利要求6所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述屏蔽泵（6）的输出轴端设置有检测装置，用于对滑动轴承的磨损状况进行监测。

8.根据权利要求1至5中任意一项所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述变压器（9）的散热组件的冷却形式为浸没式或冷板或喷淋式。

9.根据权利要求1至5中任意一项所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述水冷板为翅片型或扰流片型水冷板。

10.根据权利要求1至5中任意一项所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述水冷板上设有多个出口，用于避免气堵。

11.根据权利要求1至5中任意一项所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述主进水管（3）或/和主出水管（4）与各功率模块（8）的水冷板之间设置有开关组件，用于控制冷却介质的流量。

12.根据权利要求1至5中任意一项所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，其特征在于，所述主进水管（3）和主出水管（4）均采用聚四氟乙烯或PVDF材质的水管。

13.一种轨道交通牵引设备，包括变流器和变压器（9），其特征在于，还包括如权利要求1至12中任意一项所述的轨道交通牵引设备的蒸发冷却系统，所述变流器中的各功率模块（8）分别位于水冷腔（1）的两侧，所述变压器（9）位于所述水冷腔（1）的一端。

Images