CN112360706B - 一种浸没式液态相变冷却介质及其在风力发电机组中的应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种浸没式液态相变冷却介质及其在风力发电机组中的应用，所述冷却介质为冷却组分与齿轮润滑油组成的混合物，所述冷却组分为六氟丙烯二聚体、全氟‑4‑甲基‑2‑戊烯、全氟戊烷、全氟己酮、全氟‑2‑甲基‑2,3‑环氧戊烷、全氟庚烷、全氟辛烷、六氟丙烯三聚体、全氟三丙胺和全氟三正丁胺中的一种、两种、三种或四种混合物。本发明将冷却组分与齿轮润滑油复配，冷却组分具有高电绝缘性能、低粘度、较低沸点、高气化潜热、良好的兼容性和稳定性、不可燃且可抑制燃烧、低全球变暖潜能值、零臭氧消耗潜能值等特点，冷却组分与齿轮润滑油复配既可发挥散热的功能，又能降低机械齿轮摩擦和噪音，提高机械转速和能量转换效率。

Description

一种浸没式液态相变冷却介质及其在风力发电机组中的应用

技术领域

本发明属于液态冷却介质领域，特别涉及一种浸没式低沸点、低粘度、高安全性相变冷却介质及其在风力发电的冷却系统中的应用。

背景技术

风力发电技术的不断成熟，使得风力发电机组越来越趋于大型化，风机单机容量不断增大，随之而来的风力发电设备散热冷却问题逐渐成为制约风机技术进一步发展的瓶颈之一。风发电机组的发电机在运转时产生热量，电机产生的热量应该被及时疏散。如果热量在电机内部积累，会造成电机内部温度升高，从而导致电机线圈绝缘部分被破坏以致高故障率及停机。另外，对于永磁发电机来说，温度升高会影响电机内部磁钢磁矫顽力特性，降低发电机效率。小功率电机产生的热量较少，空冷就能够满足散热要求而可以不必安装散热器，但是大功率电机产生的热量较多，空冷就不能够满足散热需求。从而带来巨大的隐患及经济损失，因此，如何有效地解决风力发电设备散热冷却问题，成为发展新一代风电技术的一大主题。

目前风电设备常用的冷却技术主要有风冷、液冷等方式。风冷方式利用空气流动及其热容量带走各部件的损耗所产生的热量。风冷方式由于技术简单，冷却方便，因此最为常用。然而，随着风力发电机的功率逐步增大，自然通风已经无法满足机组的冷却需求。

浸没式冷却技术是一种以液体作为传热介质，将发热器件完全或部分浸没在液体中，发热器件与液体直接接触并进行热交换的冷却技术。液体浸没式冷却技术直接从热源(齿轮，发电机)中吸收热量，降低了噪音，同时能降低能耗与节省空间。浸没冷却按照热交换过程中传热介质是否存在相变，可分为单相浸没和相变浸没。

浸没式冷却介质按性质分类主要可分为三种：水、矿物油、氟碳介质。由于水容易引入杂质离子使其电绝缘性下降，从而容易造成设备短路。矿物油具有较高的电绝缘性能，但矿物油具有可燃性，一旦轮毂结构产生电火花或有外来火源、静电等都容易发生燃烧爆炸。氟碳介质冷却液具有高绝缘性、低粘度、低/无毒、良好的兼容性和稳定性、不可燃性、低全球变暖潜能值(GWP)、零臭氧消耗潜能值(ODP)等特点，得到了普遍认可并广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色环保、安全、高效的浸没式相变氟碳冷却介质，其能够应用于风力发电机组的冷却系统中。

所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质为冷却组分与齿轮润滑油组成的混合物，所述冷却组分为六氟丙烯二聚体、全氟-4-甲基-2-戊烯、全氟戊烷、全氟己酮、全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷、全氟庚烷、全氟辛烷、六氟丙烯三聚体、全氟三丙胺和全氟三正丁胺中的一种、两种、三种或四种混合物。

所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质是由四种组分与齿轮润滑油混合而成的混合物，所述四种组分的组成配比为质量占比20％-60％的第一组分、质量占比10％-60％的第二组分、质量占比10％-50％的第三组分，质量占比10％-60％的第四组分，齿轮油的用量占所述四种组分总质量的6-12％；其中，所述第一组分为六氟丙烯二聚体，所述第二组分为全氟-4-甲基-2-戊烯、全氟戊烷、全氟己酮中的任意一种，所述第三组分为全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷、全氟庚烷中的任意一种，所述第四组分为全氟辛烷、六氟丙烯三聚体、全氟三丙胺、全氟三正丁胺中的任意一种。

所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质的制备方法为：按照原料配方比，将所述四种组分在常温常压液相状态下与齿轮润滑油进行物理混合而成。

所述的浸没式液态相变冷却介质在风力发电机组中的应用，所述风力发电机组包括齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂、变桨机构和热交换管。

所述的浸没式相变冷却介质在风力发电机组中的应用，其特征在于风力发电机组的齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂和变桨机构均置于机舱密闭空间内，机舱密闭空间内还装有冷却介质及热交换管，热交换管设置在机舱上方，风力发电机组的齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂和变桨机构均浸没于所述冷却介质中，冷却组分遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管时被冷凝下来，实现通过冷却组分的蒸发-冷凝循环进行冷却；其中热交换管网通过外界空气进行冷却降温。

其中热交换管可采用10CrMoAL材质，10CrMoAL材质的热交换管可通入自然空气进行冷却降温。

本发明可通过改变冷却组分的组成，改变冷却组分的沸点，从而控制浸没于其中的发电机组温度恒定在50-100℃。通过改变冷却组分的组成，可以将冷却组分介电常数控制在2.0以下，从而增强内部发电机的电绝缘能力，提高发电机的工作效率。

与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：

1)本发明提供的浸没式相变冷却介质中，冷却组分具有高电绝缘性能、低粘度、较低沸点、低介电常数(低极性)、高热传导率、高气化潜热、良好的兼容性和稳定性、不可燃且可抑制燃烧、低全球变暖潜能值(GWP)、零臭氧消耗潜能值(ODP)等特点。与传统的空气冷却技术相比，能耗可节约90％左右。

2)本发明冷却组分与齿轮润滑油复配，既可发挥散热的功能，又能降低机械齿轮摩擦和噪音，提高机械转速和能量转换效率。

3)本发明液(即冷却介质)应用范围广，可用于-110℃～170℃的环境中，冷却液不会凝固和气化，并保持良好的热导率和流动性。

本发明提供的几种浸没式相变冷却介质的主要成分的化学特性如下表1所示：

表1浸没式相变冷却液组合物中各组分物质的基本参数

从表1可以看出，本发明提供的浸没式相变冷却介质的冷却组分，有着足够的安全性能，不可燃、不爆、不无毒及对环境友好。

4)与现有技术常用的水和矿物油冷却介质相比，本发明的冷却组分具有更好的安全效果及冷却性能。与现有技术已有的氟碳冷却介质相比，本发明的冷却组分具有材料相容性更好，粘度较低，不会对设备中的芯片、线路造成溶胀腐蚀，不会对轮毂传动装置形成较大阻力，使用中不会漏液。

5)本发明冷却介质具有不导电特性，长时间运行条件下，不对电子设备造成短路危害。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例：

实施例1-8分别确定了四种组分混配而成的冷却液，各个实施例中四种组分混配的配比如表2所示。

表2

实施例：

实施例1-8四种组分混配而成的冷却液，分别进行质量检测，相应的检测方法及检测结果见表3-1、3-2、3-3和3-4所示。

表3-1实施例1-4中冷却液的质量检测结果

表3-2实施例1-4中冷却液的质量检测结果

表3-3实施例5-8中冷却液的质量检测结果

表3-4实施例5-8中冷却液的质量检测结果

应用实施例1：

将实施例1-8分别确定的由四种组分混配而成的冷却液，分别标记为无润滑油冷却液。

在实施例1-8分别确定的由四种组分混配而成的冷却液中，分别加入齿轮润滑油(L-CKD极压型)，在常温常压液相状态下进行物理混合，分别形成四种组分与齿轮润滑油混合而成的混合物；其中齿轮润滑油的添加浓度均为10wt％。由实施例1-8的冷却液中加入齿轮润滑油形成的混合物，分别标记为有润滑油冷却液。

将上述配制的无润滑油冷却液和有润滑油冷却液均应用于风力发电机组中：

所述风力发电机组包括齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂、变桨机构和热交换管。将风力发电机组的齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂和变桨机构均置于机舱的密闭空间内，机舱的密闭空间内还装有冷却介质及热交换管，热交换管设置在机舱上方，风力发电机组的齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂和变桨机构均浸没于所述无润滑油冷却液或有润滑油冷却液中，冷却组分遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管时被冷凝下来，实现通过冷却组分的蒸发-冷凝循环进行冷却；其中热交换管网通过外界空气进行冷却降温。

上述配制的无润滑油冷却液和有润滑油冷却液均应用于风力发电机组中时，风力发电机组在2000W的额定功率下运行，分别测试在运行过程中的转速、噪音，以及连续运行1000h后齿轮的磨损情况，测试结果如表4所示。

表4冷却液应用在2000W的风力发电机额定功率下的检测结果

注：噪音测试参考GB/T 22516-2008风力发电机组噪声测量方法。

齿轮公法线长度变化代表齿轮磨损状况的程度，齿轮磨损状况及分类见表5所示。

表5齿轮磨损状况及分类

齿轮分类	磨损状况(mm)
		新齿轮	无故障，齿向中凹<0.02
正常磨损	公法线缩短0.05，中凹<0.03，基本无点蚀
		中度磨损	公法线缩短<0.1，中凹0.05-0.08，部分齿点蚀
严重磨损	公法线缩短0.1-0.2，中凹0.1-0.2，点蚀严重

从表3-1～3-4可以看出，实施例1-8配制的冷却液均表现出粘度低，良好的电绝缘性，无泄漏危害；沸点在50℃左右，凝点在-100℃以下，能够在广域的温度范围内使用；经过相容性测试后，与橡胶和金属的相容性均表现良好，无需担心冷却液在发电机组内对材料产生腐蚀或其他不良影响。

从表4可以看出，加入润滑油后，实施例1-8的风力发电机叶片转速明显比未加入润滑油的转速更快，噪音更小。同时，加入润滑油的实施例1-8发电机组的齿轮公法线长度缩短小于0.05mm，未加入润滑油的齿轮公法线长度变化更大，达到中等磨损的程度。

根据以上结果和分析，通过不同的配比改变冷却液的沸点，能够控制浸没于其中的发电机组温度恒定在50-100℃。通过改变冷却液组成，可以将冷却液介电常数控制在2.0以下，从而增强内部发电机的电绝缘能力。通过冷却液(即冷却介质)中加入齿轮润滑油复配，既可发挥散热的功能，又能降低机械齿轮摩擦和噪音，提高了机械转速和能量转换效率。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims (4)

1.一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质是由四种组分与齿轮润滑油混合而成的混合物，所述四种组分的组成配比为质量占比20%-60%的第一组分、质量占比10%-60%的第二组分、质量占比10%-50%的第三组分，质量占比10%-60%的第四组分，齿轮油的用量占所述四种组分总质量的6-12%；其中，所述第一组分为六氟丙烯二聚体，所述第二组分为全氟-4-甲基-2-戊烯、全氟戊烷、全氟己酮中的任意一种，所述第三组分为全氟-2-甲基-2,3-环氧戊烷、全氟庚烷中的任意一种，所述第四组分为全氟辛烷、六氟丙烯三聚体、全氟三丙胺、全氟三正丁胺中的任意一种；

所述的浸没式液态相变冷却介质应用在风力发电机组中。

2.如权利要求1所述的一种浸没式液态相变冷却介质，其特征在于所述冷却介质的制备方法为：按照原料配方比，将所述四种组分在常温常压液相状态下与齿轮润滑油进行物理混合而成。

3.如权利要求1-2任意一项所述的浸没式液态相变冷却介质在风力发电机组中的应用，所述风力发电机组包括齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂、变桨机构和热交换管。

4.如权利要求3所述的浸没式液态 相变冷却介质在风力发电机组中的应用，其特征在于风力发电机组的齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂和变桨机构均置于机舱密闭空间内，机舱密闭空间内还装有冷却介质及热交换管，热交换管设置在机舱上方，风力发电机组的齿轮机构、发电机定子、转子、轮毂和变桨机构均浸没于所述冷却介质中，冷却组分遇热汽化形成的气体，向上流动接触到热交换管时被冷凝下来，实现通过冷却组分的蒸发-冷凝循环进行冷却；其中热交换管网通过外界空气进行冷却降温。