CN112420342B - 基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子变压器散热技术领域，具体涉及基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，解决了现有技术中存在泵驱相变的冷却性能较差，系统内模块集成度不高，无法实现负载损耗的分级利用的问题；系统包括依次连接形成回路的冷却装置、供液装置、负载装置和回汽装置；先由冷却装置将过冷液态工质输出给供液装置，再由供液装置将过冷液态工质分流输出给负载装置，负载装置将所述过冷液态工质相变为气液两相工质，实现对负载装置的冷却，再通过回汽装置返回气液两相工质到冷却装置，进行冷凝并进入下一次循坏，实现了对负载的高效循环冷却；本发明具有较高的模块阵列拓展性能以及泵驱相变冷却性能。

Description

基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统

技术领域

本发明涉及电力电子变压器散热技术领域，特别地涉及一种基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统。

背景技术

电力电子变压器是利用电力电子变换技术和电磁感应原理进行电能传输的电力设备，随着轻量化和小型化的需求，电力电子变压器的功耗密度大大增加。传统的电力电子变压器的单相液冷方式，比如硅油冷却、水冷等，越来越难以满足其应用需求。单相液冷方式中，由于硅油和去离子水的黏度较大，在流经变压器线圈时，流动阻力也较大，需要选用大功率的循环泵以使冷却系统能正常运行；同时，由于电力电子变压器的高绝缘性的要求，需要采用去离子装置以降低冷却水的电导率，因此，传统的电力电子变压器的单相液冷方式存在容易造成冷却系统的体积、重量和能耗增加，以及冷却性能较差的问题。

目前，泵驱相变冷却系统利用相变工质蒸发和冷凝产生的潜热，使纯液态工质在循环泵的驱动下，进入负载系统吸热后转变为气液两相态，然后两相态工质进入冷凝器放热后回到单相液体状态，如此往复循环，可提供更高效、更稳定、更均匀的换热效果。对比硅油冷却和水冷的单相液冷方式，泵驱相变冷却系统的相变工质具有黏度小和电导率低的特点，在流经变压器线圈时，流动阻力小，且能满足电力电子变压器的高绝缘性的要求，不需要选用大功率循环泵和去离子装置，具有运行更安全、尺寸更小、灵活性更高等优势。

对于泵驱相变冷却系统，在相变工质从纯液态转变为气液两相态的相态变化过程中，由于重力因素和分支结构对制冷剂流量分配的影响，导致换热效率较差，一些现有技术中，通过在负载前端增加相应阻力元件来控制流量分配，以提升换热效率。但这种方式会导致负载系统中各模块的集成度不高，无法进行拓展，也无法确定具体的负载分级利用方式。

因此，本发明针对上述问题，提出了一种可实现负载损耗的分级利用，可提升泵驱相变的冷却性能的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述问题，本发明提供了一种基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，通过采用集成度高的模块化设计和负载分级利用方式，解决了现有技术中存在泵驱相变的冷却性能较差，系统内模块集成度不高，无法实现负载损耗的分级利用的问题，达到对系统内的负载进行高效循环冷却的目的。

本发明采用的技术方案如下：

为实现上述目的，本发明提供一种基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，所述系统包括依次连接形成回路的冷却装置、供液装置、负载装置和回汽装置；

所述冷却装置，用于接收常温液态工质或气液两相工质，将其冷凝为过冷液态工质后输出给供液装置；

所述供液装置，用于对接收到的过冷液态工质进行分流，并将分流之后的过冷液态工质输出给对应的负载装置；

所述负载装置，利用接收到的过冷液态工质进行散热，并将所述过冷液态工质相变为气液两相工质后输出给回汽装置；

所述回汽装置，用于将接收到的气液两相工质输出给所述冷却装置，以进行下一次循环。

根据本发明的实施例，可选的，上述基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中，所述负载装置包括不同类型的负载模块；所述供液装置设置成，按照所述类型对接收到的过冷液态工质进行分流，并将分流之后的过冷液态工质分别输出给不同类型的负载模块。

根据本发明的实施例，可选的，上述基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中，所述负载装置包括高压负载模块和低压负载模块，所述供液装置包括高压供液管路和低压供液管路；

所述高压供液管路，用于输出过冷液态工质到负载装置的高压负载模块；

所述低压供液管路，用于输出过冷液态工质到负载装置的低压负载模块。

根据本发明的实施例，可选的，上述基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中，所述供液装置还包括设置在所述高压供液管路上的高压阀门和设置在所述低压供液管路上的低压阀门；

所述高压阀门，用于根据接收到的流量控制指令对进入所述高压供液管路的过冷液态工质的流量进行控制；

所述低压阀门，用于根据接收到的流量控制指令对进入所述低压供液管路的过冷液态工质的流量进行控制。

根据本发明的实施例，可选的，上述基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中，所述负载装置的高压负载模块包括高压封装单元和高压充电单元；

所述高压封装单元，其内部封装有高压负载器件；

所述高压充电单元，其内部设置有高压充电器件。

根据本发明的实施例，可选的，上述基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中，所述高压封装单元包括依次连接的高频变压器、高压高频子单元和散热子单元；其中，

所述高频变压器，利用接收到的过冷液态工质进行散热，以减小所述过冷液态工质的过冷度或使相变工质达到过冷沸腾状态；

所述高压高频子单元，利用减小过冷度后的过冷液态工质或达到过冷沸腾状态的相变工质进行散热，以使相变工质达到饱和沸腾状态，相变为气液两相工质；

所述散热子单元，用于对所述高压封装单元内的其他负载器件进行散热，以提高所述气液两相工质的干度，并将提高干度后的所述气液两相工质输出给回汽装置。

根据本发明的实施例，可选的，上述基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中，所述散热子单元包括散热器和风机；其中，

所述风机，用于使所述高压封装单元内的气体流动；

所述换热器，用于使所述高压封装单元内流动的气体与所述气液两相工质进行强迫对流换热，以提高所述气液两相工质的干度。

根据本发明的实施例，可选的，上述基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中，所述负载装置的低压负载模块包括低压高频单元，其利用接收到的过冷液态工质进行散热，以使相变工质由过冷液态工质相变为气液两相工质，并将所述气液两相工质输出给回汽装置。

根据本发明的实施例，可选的，上述基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中，所述负载装置还包括设置在高压负载模块和低压负载模块的输入端和输出端的自封式快速接头。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

1.本发明提供的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，采用集成度高的模块化设计和负载分级利用方式，包括依次连接形成回路的冷却装置、供液装置、负载装置和回汽装置，通过上述设置，先由冷却装置将过冷液态工质输出给供液装置，再由供液装置将过冷液态工质分流输出给负载装置，负载装置将所述过冷液态工质相变为气液两相工质，实现对负载装置的冷却，再通过回汽装置返回气液两相工质到冷却装置，进行冷凝并进入下一次循坏，实现了对负载的高效循环冷却；具有高度集成化和模块化的结构特点，不仅满足轻量化和小型化需求，且方便后续进行维护和更换，提升了系统的模块阵列拓展性能以及泵驱相变冷却性能，解决了现有技术中存在泵驱相变的冷却性能较差，系统内模块集成度不高，无法实现负载损耗的分级利用的问题。

2.本发明中，所述负载装置的高压负载模块包括高压封装单元和高压充电单元，所述负载装置的低压负载模块包括低压高频单元，通过各模块的负载换热功率配置相应的散热器件，无需在各个模块前端增加相应阻力元件去控制进入各个模块的流量，模块紧凑性更高且替换性更强，方便后续进行模块阵列拓展。

3.本发明中，所述高压封装单元包括依次连接的高频变压器、高压高频子单元和散热子单元，充分考虑到各个负载的换热功率的影响，对负载进行分级冷却，通过这种负载分级利用方式控制相变工质从过冷液态工质变为气液两相工质的转变过程中，提升了相变工质的换热效率，从而提升了系统的泵驱相变冷却性能。

4.本发明中，所述负载装置还包括设置在高压负载模块和低压负载模块的输入端和输出端的自封式快速接头，可防止泄露，具有高度安全、环保、快速的优点，方便后续对单个模块进行维护和更换。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1为本发明实施例一提供的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统的连接示意图。

图2为本发明实施例一提供的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统中高压封装单元的连接示意图。

图3为本发明实施例一提供的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统的结构示意图。

图中，1.冷却装置、2.回汽管路、3.低压阀门、4.高压阀门、5.低压供液管路、6.高压供液管路、7.高压充电单元、8.高压封装单元、9.低压高频单元。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本发明实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例一

请参阅图1至图3，本实施例提供了一种基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，如图1所示的连接示意图，所述系统包括依次连接形成回路的冷却装置1、供液装置、负载装置和回汽装置；

所述冷却装置1，用于接收常温液态工质或气液两相工质，将其冷凝为过冷液态工质后输出给供液装置；

所述供液装置，用于对接收到的过冷液态工质进行分流，并将分流之后的过冷液态工质输出给对应的负载装置；

所述负载装置，利用接收到的过冷液态工质进行散热，并将所述过冷液态工质相变为气液两相工质后输出给回汽装置；

所述回汽装置，用于将接收到的气液两相工质输出给所述冷却装置1，以进行下一次循环；所述回汽装置为回汽管路2；

所述系统具有高度集成化和模块化的结构特点，不仅满足轻量化和小型化需求，且方便后续进行维护和更换，具有较高的模块阵列拓展性能以及泵驱相变冷却性能。

进一步地，所述负载装置包括不同类型的负载模块，根据负载损耗或负载换热功率进行分类；所述供液装置设置成，按照所述类型对接收到的过冷液态工质进行分流，并将分流之后的过冷液态工质分别输出给不同类型的负载模块。

进一步地，所述负载装置包括高压负载模块和低压负载模块，如图3所示的结构示意图，所述供液装置包括高压供液管路6和低压供液管路5，以及设置在所述高压供液管路6上的高压阀门4和设置在所述低压供液管路5上的低压阀门3；

所述高压供液管路6，用于输出过冷液态工质到负载装置的高压负载模块；

所述低压供液管路5，用于输出过冷液态工质到负载装置的低压负载模块；

所述高压阀门4，用于根据接收到的流量控制指令对进入所述高压供液管路6的过冷液态工质的流量进行控制；

所述低压阀门3，用于根据接收到的流量控制指令对进入所述低压供液管路5的过冷液态工质的流量进行控制；

所述高压阀门4和所述低压阀门3对各自管路内的过冷液态工质的流量进行控制时，根据负载装置的负载损耗和负载换热效率来进行控制。

进一步地，所述负载装置的高压负载模块包括高压封装单元8和高压充电单元7，分别连接所述供液装置；所述负载装置的低压负载模块包括低压高频单元9，连接所述供液装置，还可通过各模块中负载的换热功率配置相应的散热器件，无需在负载装置的各个模块前端增加相应阻力元件去控制进入各个模块的流量，模块紧凑性更高且替换性更强，方便后续进行模块阵列拓展；

所述负载装置还包括设置在高压负载模块和低压负载模块的输入端和输出端的自封式快速接头，图中未示出，可防止泄露，具有高度安全、环保、快速的优点，方便后续对单个模块进行维护和更换；

所述高压封装单元8，输入端通过自封式快速接头与所述高压供液管路6连接，输出端通过自封式快速接头与所述回汽管路2连接，其内部封装有高压负载器件，利用所述过冷液态工质对内部的高压负载器件进行冷却；

所述高压充电单元7，输入端通过自封式快速接头与所述高压供液管路6连接，输出端通过自封式快速接头与所述回汽管路2连接，其内部设置有高压充电器件，利用所述过冷液态工质对内部的高压充电器件进行冷却；

所述低压高频单元9，输入端通过自封式快速接头与所述低压供液管路5连接，输出端通过自封式快速接头与所述回汽管路2连接，其利用接收到的过冷液态工质进行散热，以使相变工质由过冷液态工质相变为气液两相工质，并将所述气液两相工质输出给回汽管路2。

更进一步地，如图2所示的高压封装单元8连接示意图，所述高压封装单元8包括依次连接的高频变压器、高压高频子单元和散热子单元，充分考虑到各个负载的换热功率的影响，对负载进行分级冷却；其中，

所述高频变压器，利用接收到的过冷液态工质进行散热，以减小所述过冷液态工质的过冷度或使相变工质达到过冷沸腾状态；

所述高压高频子单元，利用减小过冷度后的过冷液态工质或达到过冷沸腾状态的相变工质进行散热，以使相变工质达到饱和沸腾状态，相变为气液两相工质；

所述散热子单元，用于对所述高压封装单元8内的其他负载器件进行散热，以提高所述气液两相工质的干度，并将提高干度后的所述气液两相工质输出给回汽管路2；所述散热子单元包括散热器和风机，其中，所述风机用于使所述高压封装单元8内的气体流动，以对高压封装单元8内的其他负载器件进行散热；所述换热器，用于使所述高压封装单元内流动的气体与所述气液两相工质进行强迫对流换热，以提高所述气液两相工质的干度，进一步提高了系统的换热性能；

具体地，过冷液态的相变工质依次流过高频变压单元、高压高频单元和散热单元，先通过高频变压单元的负载散热，使得过冷液态工质的过冷度减小或使过冷液态工质达到过冷沸腾状态；输出给高压高频单元进行饱和沸腾换热，提高换热性能；再输出饱和的气液两相工质到换热器，提高所述气液两相工质的干度和对高压封装单元8内的其他负载器件进行冷却散热，最后输出气液两相工质给回汽管路2；通过这种负载分级利用方式控制相变工质从过冷液态工质变为气液两相工质的转变过程中，提升了相变工质的换热效率，从而提升了系统的泵驱相变冷却性能。

本实施例提供的一种基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，采用集成度高的模块化设计和负载分级利用方式，具有高度集成化和模块化的结构特点，不仅满足轻量化和小型化需求，且方便后续进行维护和更换，提升了系统的模块阵列拓展性能以及泵驱相变冷却性能，解决了现有技术中存在泵驱相变的冷却性能较差，系统内模块集成度不高，无法实现负载损耗的分级利用的问题。

综上，本发明提供的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，包括依次连接形成回路的冷却装置、供液装置、负载装置和回汽装置，先由冷却装置将过冷液态工质输出给供液装置，再由供液装置将过冷液态工质分流输出给负载装置，负载装置将所述过冷液态工质相变为气液两相工质，实现对负载装置的冷却，再通过回汽装置返回气液两相工质到冷却装置，进行冷凝并进入下一次循坏，实现了对负载的高效循环冷却；具有高度集成化和模块化的结构特点，不仅满足轻量化和小型化需求，且方便后续进行维护和更换，提升了系统的模块阵列拓展性能以及泵驱相变冷却性能；通过各模块的负载换热功率配置相应的散热器件，无需在各个模块前端增加相应阻力元件去控制进入各个模块的流量，模块紧凑性更高且替换性更强，方便后续进行模块阵列拓展；通过负载分级利用方式控制相变工质从过冷液态工质变为气液两相工质的转变过程中，提升了相变工质的换热效率，从而提升了系统的泵驱相变冷却性能；且采用了自封式快速接头，防止泄露，具有高度安全、环保、快速的优点，方便后续对单个模块进行维护和更换。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统和方法实施例仅仅是示例性的。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，其特征在于，所述系统包括依次连接形成回路的冷却装置、供液装置、负载装置和回汽装置；

所述冷却装置，用于接收常温液态工质或气液两相工质，将其冷凝为过冷液态工质后输出给供液装置；

所述供液装置，用于对接收到的过冷液态工质进行分流，并将分流之后的过冷液态工质输出给对应的负载装置；

所述负载装置，利用接收到的过冷液态工质进行散热，并将所述过冷液态工质相变为气液两相工质后输出给回汽装置；

所述回汽装置，用于将接收到的气液两相工质输出给所述冷却装置，以进行下一次循环；

其中，所述负载装置包括不同类型的负载模块；所述供液装置设置成，按照所述类型对接收到的过冷液态工质进行分流，并将分流之后的过冷液态工质分别输出给不同类型的负载模块；

所述负载装置包括高压负载模块和低压负载模块，所述供液装置包括高压供液管路和低压供液管路；

所述高压供液管路，用于输出过冷液态工质到负载装置的高压负载模块；

所述低压供液管路，用于输出过冷液态工质到负载装置的低压负载模块。

2.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，其特征在于，所述供液装置还包括设置在所述高压供液管路上的高压阀门和设置在所述低压供液管路上的低压阀门；

所述高压阀门，用于根据接收到的流量控制指令对进入所述高压供液管路的过冷液态工质的流量进行控制；

所述低压阀门，用于根据接收到的流量控制指令对进入所述低压供液管路的过冷液态工质的流量进行控制。

3.根据权利要求2所述的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，其特征在于，所述负载装置的高压负载模块包括高压封装单元和高压充电单元；

所述高压封装单元，其内部封装有高压负载器件；

所述高压充电单元，其内部设置有高压充电器件。

4.根据权利要求3所述的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，其特征在于，所述高压封装单元包括依次连接的高频变压器、高压高频子单元和散热子单元；其中，所述高频变压器，利用接收到的过冷液态工质进行散热，以减小所述过冷液态工质的过冷度或使相变工质达到过冷沸腾状态；

所述高压高频子单元，利用减小过冷度后的过冷液态工质或达到过冷沸腾状态的相变工质进行散热，以使相变工质达到饱和沸腾状态，相变为气液两相工质；

所述散热子单元，用于对所述高压封装单元内的其他负载器件进行散热，以提高所述气液两相工质的干度，并将提高干度后的所述气液两相工质输出给回汽装置。

5.根据权利要求4所述的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，其特征在于，所述散热子单元包括换热器和风机；其中，所述风机，用于使所述高压封装单元内的气体流动；

所述换热器，用于使所述高压封装单元内流动的气体与所述气液两相工质进行强迫对流换热，以提高所述气液两相工质的干度。

6.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，其特征在于，所述负载装置的低压负载模块包括低压高频单元，其利用接收到的过冷液态工质进行散热，以使相变工质由过冷液态工质相变为气液两相工质，并将所述气液两相工质输出给回汽装置。

7.根据权利要求1所述的基于电力电子变压器的泵驱相变冷却负载系统，其特征在于，所述负载装置还包括设置在高压负载模块和低压负载模块的输入端和输出端的自封式快速接头。

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