CN112449548A - 水冷系统的缓压装置及水冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水冷系统的缓压装置及水冷系统，该缓压装置包括：箱体，与水冷系统的循环泵相距预定高度H设置，箱体根据水冷系统的温度变化吸收或者释放水冷系统内的冷却介质；调压装置，设置于箱体上，用于自适应地调整箱体的内部压力；液位检测装置，设置于箱体上，用于检测进入箱体内的冷却介质的液面高度，以确定水冷系统是否处于预定压力范围内。该缓压装置通过在水冷系统的预定高度处设置具有调压装置的箱体，并在箱体上设置液位检测装置以检测箱体内的液面高度，使得缓压装置可以依靠冷却介质的自身重力为水冷系统提供稳定的压力，可靠性较高，显著降低了水冷系统的故障率。

Description

水冷系统的缓压装置及水冷系统

技术领域

本发明涉及冷却技术领域，具体涉及一种水冷系统的缓压装置及水冷系统。

背景技术

风力发电机组的功率达到1.5MW及以上时，其配置的变流器大多采用水冷系统进行散热。水冷系统一般为闭式循环系统。闭式循环系统运行时，为保证系统压力可以控制在一定范围内，会在系统内设计缓压装置，目前缓压装置主要选用膨胀罐。

随着水冷系统的运行，膨胀罐内预充的气体会通过膨胀罐顶部的法兰，底部的气嘴及气囊等位置泄漏，降低了膨胀罐的缓压能力，导致系统压力无法控制在合理的范围内，水冷系统因而报出压力故障，机组停机无法运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种水冷系统的缓压装置及水冷系统，该缓压装置可以为水冷系统提供稳定、可靠的压力，降低水冷系统的故障率。

一方面，本发明实施例还提出了一种水冷系统的缓压装置，该缓压装置包括：箱体，与水冷系统的循环泵相距预定高度H设置，箱体根据水冷系统的温度变化吸收或者释放水冷系统内的冷却介质；调压装置，设置于箱体上，用于自适应地调整箱体的内部压力；液位检测装置，设置于箱体上，用于检测进入箱体内的冷却介质的液面高度，以确定水冷系统是否处于预定压力范围内。

根据本发明实施例的一个方面，箱体为筒状结构，其包括相对设置的顶部和底部，顶部为弧形面结构，调压装置设置于顶部。

根据本发明实施例的一个方面，调压装置为呼吸阀，调压装置的进气口处设置有过滤装置。

根据本发明实施例的一个方面，箱体允许的冷却介质的液面高度的变化量Δh＝0～10cm，且箱体的高度h>Δh。

根据本发明实施例的一个方面，箱体的体积Va满足如下条件：

其中，V为水冷系统的容积，ρ1为冷却介质在冷却系统运行的温度上限T1时的密度，ρ0为冷却介质在冷却系统运行的温度下限T0时的密度。

根据本发明实施例的一个方面，箱体的底部设置有连接头，连接头与循环泵之间设置有输送管路，箱体通过输送管路吸收或者释放水冷系统内的冷却介质。

根据本发明实施例的一个方面，箱体的底部还设置有底座，底座的高度大于连接头的高度。

另一方面，本发明实施例还提供了一种水冷系统，用于冷却风力发电机组的变流器，水冷系统包括循环泵和与循环泵连通的冷却介质输出口，还包括如前所述的任一种缓压装置，缓压装置与冷却介质输出口连通，并与循环泵相距预定高度设置。

根据本发明实施例的一个方面，箱体与循环泵之间的预定高度H满足如下条件：

H>(NPSH+Hv-(P1-P2)×10.2)/ρg×10.2)

其中，NPSH为循环泵P的汽蚀余量，Hv为冷却介质在预定温度下的饱和蒸汽压力，P1为大气压力，P2为调压装置的吸气值，ρ为冷却介质在预定温度下的密度。

根据本发明实施例的一个方面，水冷系统还包括固定支架和与固定支架连接的磁块，固定支架与缓压装置连接，磁块将缓压装置固定于与循环泵相距预定高度的位置。

本发明提供的水冷系统的缓压装置，通过在水冷系统的预定高度处设置具有调压装置的箱体，并在箱体上设置液位检测装置以检测箱体内的液面高度，使得缓压装置可以依靠冷却介质的自身重力为水冷系统提供稳定的压力，可靠性较高，显著降低了水冷系统的故障率。另外，本发明提供的水冷系统，用于冷却风力发电机组的变流器，其采用如前所述的缓压装置，节约水冷系统的内部空间，维护简单，显著降低了风力发电机组因停机造成的发电量损失，具有较高的经济效益。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例提供的一种水冷系统的缓压装置的结构示意图；

图2是图1所示的缓压装置的前视结构示意图；

图3是图2所示的缓压装置的侧视结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种水冷系统的结构示意图。

其中：

1-缓压装置；2-柜体；3a-固定支架；3b-磁块；P-循环泵；T-塔筒；

10-箱体；11-顶部；12-底部；

20-调压装置；21-过滤装置；30-液位检测装置；40-连接头；50-输送管路；60-底座。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本发明造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本发明的具体结构进行限定。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸式连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合图1至图4对本发明实施例提供的水冷系统的缓压装置及水冷系统进行详细描述。

参阅图1，本发明实施例提供的一种水冷系统的缓压装置，其包括：箱体10、调压装置20和液位检测装置30。

箱体10与水冷系统的循环泵P相距预定高度H设置，箱体10根据水冷系统的温度变化吸收或者释放水冷系统内的冷却介质。冷却介质例如可以为水、冷却液等。

调压装置20设置于箱体10上，用于自适应地调整箱体10的内部压力。调压装置20能够随箱体10内的正、负压变化而自动启闭，保证箱体10在一定压力范围内与大气隔绝，又能在超过或者低于此压力范围内时与大气相通，以使箱体10内、外气压差保持在允许值范围内，防止箱体10因处于超压或者真空状态被破坏，同时也可以减少冷却介质的蒸发损失。

液位检测装置30设置于箱体10上，用于检测进入箱体10内的冷却介质的液面高度，以确定水冷系统是否处于预定压力范围内。液位检测装置30可以设置于箱体10的侧部，也可以设置于箱体10的内部。水冷系统首次调试时，需要根据液位检测装置30的液位面判断水冷系统内的冷却介质的输入量等各参数是否满足使用要求。

缓压装置1的工作原理如下：当水冷系统的冷却介质的温度升高时，冷却介质膨胀进入箱体10；当水冷系统的冷却介质的温度降低时，冷却介质收缩，箱体10内的冷却介质释放回水冷系统。由于箱体10相对于水冷系统的循环泵P高位设置，导致冷却介质膨胀或者收缩过程中吸收入箱体10内的冷却介质的液位面变化较小，故缓压装置1可以为水冷系统提供稳定的静压。

本发明提供的水冷系统的缓压装置1，通过在水冷系统的预定高度H处设置具有调压装置20的箱体10，并在箱体10上设置液位检测装置30以检测箱体10内的液面高度，使得缓压装置1可以依靠冷却介质的自身重力为水冷系统提供稳定的压力，可靠性较高，显著降低了水冷系统的故障率。

下面结合附图进一步详细描述本发明实施例提供的缓压装置1的具体结构。

请一并参阅图2和图3，箱体10为筒状结构，其材质可以为不锈钢或者工程塑料，防腐能力较强。箱体10包括相对设置的顶部11和底部12，顶部11为弧形面结构，调压装置20设置于该顶部12，以有效提高箱体10的抗压能力。

水冷系统运行时，其内部的冷却介质因热胀冷缩导致体积有所变化，通过调压装置20和箱体10的自身安装高度可以自动调节并稳定水冷系统的压力。当箱体10内的压力高于一定值时，气体经由调压装置20向外部环境排出，当箱体10内的压力低于一定值时，外部环境中的气体经由调压装置20进入箱体10内。

进一步地，调压装置20可以为呼吸阀，其进气口处设置有过滤装置21，过滤装置21的安装精度≤50μm，用于过滤空气中的粉尘颗粒或者盐雾，防止调压装置20在吸气过程中吸入外界环境中的粉尘或者盐雾，进而污染箱体10内的冷却介质。

本发明中的箱体10因设置调压装置20成为半开放式结构，相较于开放式的箱体结构，可以避免水冷系统与空气长时间接触，防止外界环境中的粉尘等杂质进入箱体10而污染冷却介质，相较于封闭式的箱体结构，具有结构简单、价格低廉的优势。

进一步地，如前所述，箱体10与循环泵P相距预定高度H设置，该预定高度H能够为水冷系统的运行提供稳定的压力。为了保证压力的稳定性，箱体10允许的冷却介质的液面高度变化量应越小越好。可选地，箱体10允许的冷却介质的液面高度变化量Δh＝0～10cm。箱体10的高度h至少应大于液面高度变化量，即h>Δh。

另外，箱体10的体积Va满足如下条件：

其中，V为水冷系统的容积，ρ1为冷却介质在冷却系统运行的温度上限T1时的密度，ρ0为冷却介质在冷却系统运行的温度下限T1时的密度。由于冷却介质一般随温度升高密度减小，故ρ0>ρ1。以冷却介质为水为例，由于水在零下温度时具有热缩冷胀的特性，而在4℃以上时具有热胀冷缩的特性，故此处温度下限至少大于4℃。

由此，根据箱体10的体积Va、高度h可以设计箱体10的形状与结构。可选地，箱体10为圆柱筒状结构，也可以为圆锥筒状结构，优选为圆柱筒状结构，以便于加工制作。

进一步地，箱体10的底部12设置有连接头40，连接头40与循环泵P之间设置有输送管路50，箱体10通过输送管路50吸收或者释放水冷系统内的冷却介质。连接头40采用24°锥形外螺纹接口，通过焊接或者螺纹连接的方式固定于箱体10的底部。

另外，箱体10的底部12还设置有底座60，底座60可以采用槽钢结构，通过焊接或者螺纹连接的方式固定于箱体10的底部，底座60的高度大于连接头的高度，以便于通过底座60支撑箱体10，防止连接头40被碰伤或损坏。

参阅图4，本发明实施例还提供了一种水冷系统，用于冷却风力发电机组的变流器，变流器作为风力发电机组的重要组成部件，在风力发电机组的运行过程中的作用至关重要。在变流器的正常工作中，变流器的功率模块包括绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT)模块、二极管等半导器件会产生一定的热量，如果这些热量不能及时有效地散发出去，就会使功率模块的效率大大降低，甚至导致变流器不能正常工作。

该水冷系统包括循环泵P和与循环泵P连通的冷却介质输出口。其中，水冷系统还包括如前所述的任一种缓压装置1，缓压装置1与冷却介质输出口连通，并与循环泵P相距预定高度H设置。

可选地，水冷系统包括柜体2，循环泵P容纳于柜体2中，循环泵P驱动冷却介质在发热器件的周围空间流动，以带走发热器件产生的热量。缓压装置1设置于柜体2的外部预定高度H处，不占用柜体2的内部空间，同时也便于安装和维护缓压装置1。

现有技术中的水冷系统在其内部安装膨胀罐，漏气问题严重，维护困难，水冷系统因膨胀罐的漏气问题导致的压力故障高达70％左右。本发明中的缓压装置1采用高位安装的方式，依靠冷却介质自身的重力为水冷系统提供稳定的静压力，相较于在水冷系统内部安装膨胀罐的方式，可以节约水冷系统的内部空间，便于维护，降低了水冷系统的故障率。

另外，由于循环泵P入口处的压强下降至冷却介质在工作温度下的饱和蒸汽压时，冷却介质将会发生部分汽化，生成的气泡将随冷却介质从低压区进入高压区，在高压区气泡会急剧收缩、凝结，其周围的冷却介质以极高的速度冲向原气泡所占空间，产生高强度的冲击波，冲击水冷系统的内部空间，发生噪音引起震动。

为了提高水冷系统的可靠性，防止水冷系统的循环泵P发生汽蚀现象，箱体10与循环泵P之间的预定高度H需要满足一定的要求，以保证循环泵P入口侧的入口压力达到最小值。

具体来说，循环泵P的吸程L需要大于0。即：

L＝(P1+ρgH)×10.2-NPSH-Hv>0

其中，NPSH为循环泵P的汽蚀余量，可以根据循环泵P的流量扬程曲线确定，Hv为冷却介质在预定高温下的饱和蒸汽压力，P1为大气压力，ρ为冷却介质在预定高温下的密度。预定高温根据具体的应用场合而定。

由此可以得出，箱体10与循环泵P之间的预定高度H的计算公式：

H>(NPSH+Hv-P1×10.2)/ρg×10.2)

另外，考虑到箱体10的顶部设置有调压装置20，需要考虑调压装置20的调压影响，以调压装置20为呼吸阀为例，假设呼吸阀的吸气值为P2，则箱体10与循环泵P之间的预定高度H满足如下条件：

H>(NPSH+Hv-(P1-P2)×10.2)/ρg×10.2)

进一步地，水冷系统还包括固定支架3a和与固定支架3a连接的磁块3b，固定支架3a与缓压装置1连接，磁块3b将缓压装置1固定于与循环泵P相距预定高度的位置。

对于风力发电机组来说，变流器及水冷系统通常设置于塔筒T内，通过设置固定支架3a和磁块3b，缓压装置1可以吸附于塔筒T的壁部的多个位置。磁块3b的磁吸力起到承重作用，可以保证缓压装置1稳定地固定于塔筒T的壁部而不脱落。

另外，这种磁吸力的固定方式可以根据使用需求任意调整缓压装置1在塔筒T内的高度，满足风力发电机组的变流器及电控柜体的特殊布局要求，且结构简单，成本低廉。

可以理解的是，缓压装置1还可以通过其它方式固定于塔筒T的壁部，例如在缓压装置1与水冷系统之间设置桥架结构等。

本发明实施例提供的水冷系统，用于冷却风力发电机组的变流器，其采用如前所述的缓压装置，可以节约水冷系统的内部空间，维护简单，显著降低了风力发电机组因停机造成的发电量损失，具有较高的经济效益。

需要说明的是，本发明实施例提供的水冷系统，还可以应用于变流器以外的其它需要进行散热的设备或者系统中，不再赘述。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (10)

1.一种水冷系统的缓压装置(1)，其特征在于，包括：

箱体(10)，与所述水冷系统的循环泵(P)相距预定高度H设置，所述箱体(10)根据所述水冷系统的温度变化吸收或者释放所述水冷系统内的冷却介质；

调压装置(20)，设置于所述箱体(10)上，用于自适应地调整所述箱体(10)的内部压力；

液位检测装置(30)，设置于所述箱体(10)上，用于检测进入所述箱体(10)内的所述冷却介质的液面高度，以确定所述水冷系统是否处于预定压力范围内。

2.根据权利要求1所述的缓压装置(1)，其特征在于，所述箱体(10)为筒状结构，其包括相对设置的顶部(11)和底部(12)，所述顶部(11)为弧形面结构，所述调压装置(20)设置于所述顶部(11)。

3.根据权利要求1所述的缓压装置(1)，其特征在于，所述调压装置(20)为呼吸阀，所述调压装置(20)的进气口处设置有过滤装置(21)。

4.根据权利要求1所述的缓压装置(1)，其特征在于，所述箱体(10)允许的所述冷却介质的液面高度的变化量Δh＝0～10cm，且所述箱体的高度h>Δh。

5.根据权利要求1所述的缓压装置(1)，其特征在于，所述箱体(10)的体积Va满足如下条件：

其中，V为所述水冷系统的容积，ρ₁为所述冷却介质在所述冷却系统运行的温度上限T1时的密度，ρ₀为所述冷却介质在所述冷却系统运行的温度下限T0时的密度。

6.根据权利要求2所述的缓压装置(1)，其特征在于，所述箱体(10)的所述底部(12)设置有连接头(40)，所述连接头(40)与所述循环泵(P)之间设置有输送管路(50)，所述箱体(10)通过所述输送管路(50)吸收或者释放所述水冷系统内的冷却介质。

7.根据权利要求6所述的缓压装置(1)，其特征在于，所述箱体(10)的底部(12)还设置有底座(60)，所述底座(60)的高度大于所述连接头的高度。

8.一种水冷系统，用于冷却风力发电机组的变流器，所述水冷系统包括循环泵(P)和与所述循环泵(P)连通的冷却介质输出口，其特征在于，还包括：

如权利要求1-7任一项所述的水冷系统的缓压装置(1)，所述缓压装置(1)与所述冷却介质输出口连通，并与所述循环泵(P)相距预定高度H设置。

9.根据权利要求8所述的水冷系统，其特征在于，所述缓压装置(1)与所述循环泵(P)之间的所述预定高度H满足如下条件：

H>(NPSH+Hv-(P1-P2)×10.2)/ρg×10.2)

其中，NPSH为所述循环泵(P)的汽蚀余量，Hv为所述冷却介质在预定温度下的饱和蒸汽压力，P1为大气压力，P2为所述调压装置(20)的吸气值，ρ为所述冷却介质在预定温度下的密度。

10.根据权利要求8所述的水冷系统，其特征在于，还包括固定支架(3a)和与所述固定支架(3a)连接的磁块(3b)，所述固定支架(3a)与所述缓压装置(1)连接，所述磁块(3b)将所述缓压装置(1)固定于与所述循环泵(P)相距预定高度H的位置。

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