CN115485522A - 电气装置、面板和热交换器 - Google Patents

Abstract

一种电气装置(10)，包括：外壳(14)；热量生成电气部件(18)，该热量生成电气部件布置在所述外壳(14)内部；以及热交换器(12)，该热交换器包括三维网格单元结构(22)，三维网格单元结构(22)被布置成在外壳(14)的外侧处从外壳(14)导引介电冷却流体(16)以便与环境流体(20)进行热交换，并且朝向外壳(14)返回以冷却电气部件(18)。还提供了一种用于热交换器(12)的面板(60)和一种包括多个面板(60)的热交换器(12)。

Description

电气装置、面板和热交换器

技术领域

本公开总体上涉及用于电气装置的热交换器。特别地，提供了一种包括热交换器的电气装置、一种用于热交换器的面板以及一种包括多个面板的热交换器。

背景技术

电力变压器中使用的变压器油通常通过冷却装置(诸如散热器或冷却器)进行冷却。这些冷却装置通常构成变压器的占地面积的重要部分。

US2020033070A1公开了一种热交换器，该热交换器包括壳体和壳体内的最小表面结构。壳体包括第一入口、第一出口、第二入口和第二出口。最小表面结构将壳体内的第一容积和第二容积分离。第一入口和第一出口与第一容积流体连通，并且第二入口和第二出口与第二容积流体连通。第一和第二容积被分离以免彼此混合。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种包括热量生成电气部件和热交换器的电气装置，该电气装置能够改进电气部件的冷却。

本公开的另外的目的是提供一种包括热交换器的电气装置，该电气装置能够实现简单的维护。

本公开的再另外的目的是提供一种包括热交换器的电气装置，该电气装置具有紧凑型设计。

本公开的再另外的目的是提供一种包括热交换器的电气装置，该电气装置具有较轻的重量。

本公开的再另外的目的是提供一种包括热交换器的电气装置，该电气装置需要少量的介电冷却流体。

本公开的再另外的目的是提供一种包括热交换器的电气装置，该电气装置以组合的方式解决了前述目的中的多个或全部。

本公开的再另外的目的是提供一种用于热交换器的面板，该面板解决了前述目的中的一个、多个或全部。

本公开的再另外的目的是提供一种用于电气装置的热交换器，该热交换器解决了前述目的中的一个、多个或全部。

根据一个方面，提供了一种电气装置，该电气装置包括：外壳；热量生成电气部件，该热量生成电气部件布置在外壳内部；以及热交换器，该热交换器包括三维网格单元结构(lattice cell structure)，该三维网格单元结构被布置成在外壳的外侧处从外壳导引介电冷却流体以便与环境流体进行热交换，并且朝向外壳返回以便冷却电气部件。

三维网格单元结构增加了被暴露用于热传递的表面积。因此，通过三维网格单元结构提高了热传递效率。因此，也提高了电气部件的冷却效率。由于热交换器的高热传递效率，冷却流体的量也可以相对较低。三维网格单元结构还提供了良好的混合环境和压降的较低增加。

三维网格单元结构进一步实现了热交换器的紧凑设计。因此，电气装置也可以制造得更紧凑。替代性地，在相同的占地面积下，电气装置可以制造得更强大。

此外，借助于三维网格单元结构，可以将电气装置制造得更轻。这反过来降低了运输成本。三维网格单元结构还使得更容易生产电气装置。

三维网格单元结构可以包括在三个不同方向中的每个方向上的周期性模式。每个周期性模式可以包括至少三个周期。这些方向可以是基本正交的，或者是正交的。三维网格单元结构包括多个单元。这些单元可以在两个或三个方向上基本正交地或正交地布置。

三维网格单元结构可以限定内部网格单元结构容积。内部网格单元结构容积可以是连续的或不连续的。因此，内部网格单元结构容积可以为冷却流体形成连续的迷宫式网络，或者可以针对冷却流体形成多个平行的迷宫式网络。在任何情况下，内部网格单元结构容积可以与外壳的内部流体连通。

三维网格单元结构可以限定外部网格单元结构容积。外部网格单元结构容积可以是连续的或不连续的。因此，外部网格单元结构容积可以为环境流体形成连续的迷宫式网络，或者可以针对环境流体形成多个平行的迷宫式网络。在任何情况下，外部网格单元结构容积可以与环境流体流体连通。

冷却流体可以是介电液体，诸如介电油。环境流体可以是环境空气或水。

外壳和三维网格单元结构可以限定用于冷却流体的回路。热交换器可以包括一个或多个入口和一个或多个出口。在这种情况下，三维网格单元结构可以流体地(fluidly)布置在一个或多个入口和一个或多个出口之间。每个入口和每个出口可以流体地布置在外壳和三维网格单元结构之间。入口可以按大地测量被布置成高于出口。

外壳可以包括多个壁。三维网格单元结构可以嵌入该多个壁的其中一个壁中。替代性地或附加地，三维网格单元结构可以焊接或螺栓连接到多个壁中的一个壁上。

热交换器可以包括多个主体，每个主体包括三维网格单元结构或二维网格结构。每个主体可以一体形成。例如，每个主体可以以增材的方式制造。增材制造的一个示例是3D打印。

每个主体可以可拆卸地连接到外壳。这减少了装配时间并便于维修。例如，可以更换主体中的一个主体而不更换其余的主体。需要更换的一个原因可能是泄漏。

每个主体可以是包括二维网格单元结构的面板。二维网格单元结构可以包括在两个不同方向中的每个方向上的周期性模式。每个周期性模式可以包括至少三个周期。这些方向可以是基本正交的，或者是正交的。

面板可以以堆叠的方式布置以形成三维网格单元结构。在这种情况下，相邻面板的单元可以对齐或偏移。替代性地，每个主体可以是细长的，诸如管状。

三维网格单元结构可以包括三重周期性基本最小表面，诸如三重周期性最小表面TPMS。TPMS可以例如包括施瓦兹P表面(Schwarz P surface)。三重周期性基本最小表面可以是与TPMS类似但不满足被命名为TPMS的要求的表面。

三维网格单元结构可以包括非平坦的和促进流动的端部。例如，端部可以是圆锥形或半球形。每个端部可以封闭三维网格单元结构的相应单元。

热交换器可以包括平行布置的两个三维网格单元结构，并且每个三维网格单元结构可以被布置成在外壳的外侧处从外壳导引冷却流体以便与环境流体进行热交换，并且朝向外壳返回以便冷却电气部件。在这种情况下，热交换器可以包括多个入口和多个出口。每对入口和出口可以与一个三维网格单元结构相关联。每个三维网格单元结构可以流体地布置在相关联的入口和出口之间。

热交换器进一步可以包括用于导引环境流体通过三维网格单元结构的管道。在这种情况下，环境流体可以在管道的内部和外部两者流过三维网格单元结构。也就是说，环境流体可以在管道内部和外部网格单元结构容积内部两者流动。这进一步增加了冷却流体和环境流体之间的热传递。管道可以延伸穿过三维网格单元结构的单元。

作为替代性方案，管道可以是包含两相冷却剂的热管。在这种情况下，热管的内表面可以包括毛细结构。三维网格单元结构外部的热管的各区段可以构成冷凝器区域，并且三维网格单元结构内部的热管的各区段可以构成蒸发器区域。在邻近冷却流体的热管的蒸发器区域中，两相冷却剂从冷却流体吸收热量并蒸发。蒸汽在热管内部但在毛细管结构外部行进，到达三维网格单元结构外部的热管的低温冷凝器区域，在该冷凝器区域蒸汽冷凝回液体并被毛细管结构吸收。然后，液体在毛细管结构内部从冷凝器区域行进回到蒸发器区域。

热交换器可以包括三维网格单元结构内部的引导结构，该引导结构被布置成沿着三维网格单元结构内部的所限定的路径引导冷却流体。该路径可以穿过基本上整个或全部三维网格单元结构。该路径可以是蛇形路径。引导结构可以包括多个板。

电气装置还可以包括泵装置，该泵装置被布置成产生穿过三维网格单元结构的冷却流体的流动。这进一步改善了热交换。泵装置可以包括一个或多个泵。替代性地，电气装置可以被配置成仅借助于自然对流循环冷却流体，即，没有用于循环冷却流体的任何机械辅助。

电气装置还可以包括风扇装置，该风扇装置被布置成在三维网格单元结构中产生环境流体的流动。这进一步改善了热交换。风扇装置可以被布置成产生穿过三维网格单元结构的环境流体的流动。风扇装置可以包括一个或多个风扇。

风扇装置可以被布置成在三维网格单元结构中在至少两个不同的方向上，诸如在至少三个不同的方向上生成环境流体的流量。这些方向可以是基本正交的，或者是正交的。

电气装置可以是高压静电感应系统，诸如电力变压器或并联电抗器。如本文所用，高电压可以是至少30kV，诸如至少100kV。尽管电气装置主要被描述为电力变压器，但是电气装置不限于电力变压器。

根据另外的方面，提供了一种用于热交换器的面板，该面板包括入口、出口和流体地位于入口和出口之间的二维网格单元结构。根据本公开，面板可以是任何类型。

根据另外的方面，提供了一种用于电气装置的热交换器，该热交换器包括根据本发明的多个面板，这些面板以堆叠的形式布置以形成三维网格单元结构。相邻面板的单元可以对齐或偏移。

每个面板可以包括二维网格单元结构。二维网格单元结构可以包括在两个不同方向中的每个方向上的周期性模式。每个周期性模式可以包括至少三个周期。这些方向可以是基本正交的，或者是正交的。

附图说明

从结合附图的以下实施例中，本公开进一步的细节、优点和各方面将变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了包括热交换器的电气装置的侧视图；

图2示意性地示出了图1中的热交换器的三维网格单元结构的局部透视图；

图3示意性地示出了包括热交换器的进一步示例的电气装置的侧视图；

图4示意性地示出了图3中的热交换器的局部透视图；

图5示意性地示出了包括热交换器的进一步示例的电气装置的侧视图；

图6示意性地示出了包括热交换器的进一步示例的电气装置的侧视图；

图7示意性地示出了包括热交换器的进一步示例的电气装置的侧视图；

图8示意性地示出了图7中的热交换器的面板的透视图；

图9示意性地示出了图8中的面板的正视图；

图10示意性地示出了包括热交换器的进一步示例的电气装置的侧视图；以及

图11示意性地示出了图10中的电气装置的正视图。

具体实施方式

在下文中，将描述包括热交换器的电气装置、用于热交换器的面板以及包括多个面板的热交换器。相同或相似的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。

图1示意性地示出了包括热交换器12的电力变压器10的侧视图。电力变压器10是电气装置的一个示例。电力变压器10包括外壳14。外壳14包含介电油16。介电油16是介电冷却流体的一个示例。

电力变压器10还包括电气部件18。电气部件18布置在外壳14内部。电气部件18浸没在油16中。在电力变压器10的运行期间电气部件18产生热量。电气部件18可以例如是电力变压器10的绕组。

图1进一步示出了外壳14外部的环境空气20。空气20可以是大气。空气20是环境流体的一个示例。

热交换器12包括三维网格单元结构22。三维网格单元结构22包括多个单元24。这个示例的三维网格单元结构22包括具有细长施瓦茨P表面的三重周期性基本最小表面。三维网格单元结构22可以例如是3D打印的。

三维网格单元结构22限定了内部网格单元结构容积26和外部网格单元结构容积28。内部网格单元结构容积26和外部网格单元结构容积28构成两个分离的网络。来自外壳14内部的油16可以流入和流出内部网格单元结构容积26。空气20可以流入和流出外部网格单元结构容积28。在这个示例中，内部网格单元结构容积26和外部网格单元结构容积28中的每个网格单元结构容积是连续的。

三维网格单元结构22因此被配置成将油16从外壳14导引至外壳14的外侧，并朝向外壳14返回。三维网格单元结构22包括用于油16和空气20之间热交换的大表面积。测试表明，热交换器12具有非常高的传热系数。由此可以减少散热器的数量。尽管包括用于热交换的大表面积，三维网格单元结构22也是紧凑的。

热交换器12包括入口30和出口32。入口30和出口32中的每个口都流体地布置在外壳14和三维网格单元结构22之间。入口30被布置成按大地测量高于出口32。

如图1所示，外壳14和三维网格单元结构22限定了用于油16的回路，该回路包括外壳14、入口30、三维网格单元结构22和出口32。在图1中，在电力变压器10的运行期间，油16以顺时针方向在该回路中流动，如箭头所示。也就是说，油16被电气部件18加热。然后，热油16通过入口30进入三维网格单元结构22。然后，内部网格结构容积26中的热油16通过与外部网格结构容积28中的空气20进行热交换而被冷却。然后，冷油16通过出口32离开三维网格单元结构22。然后，电气部件18被冷油16冷却。

外壳14包括四个侧壁34和顶壁36。在图1的示例中，三维网格单元结构22嵌入在侧壁34中的一个侧壁中。三维网格单元结构22可以例如焊接或螺栓连接到侧壁34上。

电力变压器10进一步包括风扇装置。风扇装置包括前部风扇38和底部风扇40。前部风扇38被配置成将空气20水平吹送到三维网格单元结构22中。底部风扇40被配置成将空气20从下方竖直吹送到三维网格单元结构22中。通过调节风扇38、40的速度，可以容易地调整电力变压器10的冷却效率。风扇装置还可以包括另外的风扇(未示出)，该另外的风扇在垂直于前部风扇38的吹送方向的另外的水平方向上吹送空气20。

三维网格单元结构22进一步包括非平坦的和促进流动的端部42。每个端部42封闭三维网格单元结构22的相应单元24。

图2示意性地示出了图1中的热交换器12的三维网格单元结构22的局部透视图。如图2所示，三维网格单元结构22在三个正交方向中的每个方向上包括周期性模式。每个周期性模式包括多个周期。单元24在三个方向上正交布置。如图2所示，该示例的每个非平坦的促进流动的端部42具有圆锥形状。

图3示意性地示出了包括热交换器12的另一示例的电力变压器10的侧视图，以及图4示意性地示出了图3中的热交换器12的局部透视图。共同参照图3和图4，将描述相对于图1和图2的主要差异。

图3和图4中的热交换器12包括多个管道44。在这个示例中，每个管道44是直的并且竖直定向。管道44被配置成引导空气20穿过三维网格单元结构22。

每个管道44延伸穿过整个三维网格单元结构22。在这个示例中，每个管道44延伸穿过三维网格单元结构22的单元24。

图3中的热交换器12进一步包括歧管46。歧管46分支进入管道44中。底部风扇40被布置成经由歧管46将空气20吹送通过管道44。前部风扇38被布置成以与图1中相同的方式将空气20吹送到三维网格单元结构22中。因此，在图3中，油16和空气20之间的热交换发生在内部网格结构容积26和外部网格结构容积28之间以及内部网格结构容积26和管道44之间两者。以这样的方式，油16和空气20之间的热传递效率进一步增加。图3中的热交换器12也具有简单的结构。

图3和图4中的管道44可以替代性地被配置为包含两相冷却剂的热管，并设置有内部毛细管结构。在这种情况下，管道44可以进一步延伸到三维网格单元结构22外部。

图5示意性地示出了包括热交换器12的另外的示例的电力变压器10的侧视图。将描述相对于图1和2的主要差异。

图5中的热交换器12进一步包括多个板48。板48限定了内部网格单元结构容积26内部的路径50。如图5所示，路径50是蛇形的。板48是在三维网格单元结构22内部用于引导油16的引导结构的一个示例。

如图5所示，板48迫使油16到达三维网格单元结构22的远侧(相对于外壳14)区域。由此，板48进一步改善了三维网格单元结构22中的油16和空气20之间的热传递。

图6示意性地示出了包括热交换器12的另外的示例的电力变压器10的侧视图。将描述相对于图1和2的主要差异。

图6中的热交换器12包括多个主体52。每个主体52包括三维网格单元结构22。主体52因此形成用于油16的多个平行网络。每个三维网格单元结构22被配置成在外壳14的外侧处从外壳14导引油16以便与空气20进行热交换，并且朝向外壳14返回以便冷却电气部件18。

每个主体52可拆卸地连接到外壳14。即使当主体52中的一个主体被移除以进行更换时，电力变压器10也可以起作用。在这种情况下，需要关闭进入待移除以进行更换的主体52的开口。仅更换一个主体52更简单且更便宜。

然而，主体52不需要直接连接到外壳14。如图6所示，热交换器12包括上部歧管54和下部歧管56。上部歧管54分支进入每个主体52的入口30中。每个主体52的出口32由下部歧管56联接。每个主体52可拆卸地连接到上部歧管54和下部歧管56。

图6中的电力变压器10还包括泵58。泵58构成泵装置的一个示例。泵58被配置成选择性地增强油16通过三维网格单元结构22的流动。通过调节泵58的速度，可以容易地调节电力变压器10的冷却效率。在图6的示例中，泵58被布置在下部歧管56中，即主体52的下游。

图6中的电力变压器10进一步包括多个底部风扇40。每个底部风扇40被布置在三维网格单元结构22中的一个三维网格单元结构的下方。一个底部风扇40与每个三维网格单元结构22相关联。

图7示意性地示出了包括热交换器12的另外的示例的电力变压器10的侧视图。热交换器12包括多个面板60。图8示意性地示出了图7中的热交换器12的面板60中的一个面板的透视图，以及图9示意性地示出了图8中的面板60的正视图。共同参照图7至图9，将描述相对于图6的主要差异。

面板60是根据本公开的主体的另外的示例。每个面板60可拆卸地连接到外壳14。每个面板60包括二维网格单元结构62。另外，该示例中的每个面板60包括多个孔64。孔64布置在单元24之间。

面板60以堆叠的方式被布置。以这样的方式，面板60共同形成三维网格单元结构22。面板60之间的距离可以变化，例如被优化以获得改善的热传递。如图7所示，每个面板60是水平定向的。在图7至图9的示例中，内部网格单元结构容积26是不连续的。因此，三维网格单元结构22形成用于油16的多个平行的迷宫式网络，即每个面板60中一个网络。

借助于孔64，外部网格单元结构容积28是连续的。然而，例如如果面板60由金属片制成，面板60不需要包括孔64。在这种情况下，外部网格单元结构容积28在面板60之间是不连续的。

面板60以密集的构型布置。在这个示例中，面板60是重叠的。也就是说，一个面板60的单元24进入相邻面板60的单元24之间的相应空间。因此，相邻面板60的单元24是偏移的。

作为替代性方案，面板60的非平坦端42可以利用平坦端代替。在这种情况下，面板60可以紧凑地彼此面对面布置，并且相邻面板60的单元24不需要是偏移的。

热交换器12进一步包括导管66。每个面板60的出口32连接到导管66。在连接到外壳14之前，导管66从竖直过渡到水平(如在油16的流动方向上所见)。泵58布置在导管66中，在此是在其竖直区段中。底部风扇40竖直布置在三维网格单元结构22和导管66的水平区段之间。

根据图8和图9的面板60仅仅是一个具体的示例。特别地，入口30和出口32的设计可以被修改。

图10示意性地示出了包括热交换器12的另外的示例的电力变压器10的侧视图，以及图11示意性地示出了图10中的电力变压器10的正视图。共同参照图10和图11，将描述相对于图7的主要差异。

图10和图11中使用的面板60与图8和图9中的类型相同。如图10和图11所示，每个面板60是竖直定向的。面板60以堆叠的方式布置，以共同形成三维网格单元结构22。

图11进一步示出了风扇装置包括另外两个风扇68。每个风扇68被布置成在垂直于前部风扇38的吹送方向的水平方向上将空气20吹送到三维网格单元结构22中。

虽然已经参照示例性实施例描述了本公开，但是应当理解的是，本发明不限于上面已经描述的内容。例如，应当理解的是，零件的尺寸可以根据需要变化。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (16)

1.一种电气装置(10)，包括：

-外壳(14)；

-热量生成电气部件(18)，所述热量生成电气部件被布置在所述外壳(14)内部；以及

-热交换器(12)，所述热交换器包括三维网格单元结构(22)，所述三维网格单元结构(22)被布置成在所述外壳(14)的外侧从所述外壳(14)导引介电冷却流体(16)以便与环境流体(20)进行热交换，并且朝向所述外壳(14)返回以冷却所述电气部件(18)。

2.根据权利要求1所述的电气装置(10)，其中，所述热交换器(12)包括多个主体(52，60)，每个主体(52，60)包括三维网格单元结构(22)或二维网格结构(62)。

3.根据权利要求2所述的电气装置(10)，其中，每个主体(52，60)可拆卸地连接到所述外壳(14)。

4.根据权利要求2或3所述的电气装置(10)，其中，每个主体是包括二维网格单元结构(62)的面板(60)。

5.根据权利要求4所述的电气装置(10)，其中，所述面板(60)以堆叠的方式布置，以形成所述三维网格单元结构(22)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的电气装置(10)，其中，所述三维网格单元结构(22)包括三重周期性基本最小表面。

7.根据前述权利要求中任一项所述的电气装置(10)，其中，所述三维网格单元结构(22)包括非平坦且促进流动的端部(42)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的电气装置(10)，其中，所述热交换器(12)包括平行布置的两个三维网格单元结构(22)，并且其中，每个三维网格单元结构(22)被布置成在所述外壳(14)的外侧从所述外壳(14)导引所述冷却流体(16)以便与环境流体(20)进行热交换，并且朝向所述外壳(14)返回以便冷却所述电气部件(18)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的电气装置(10)，其中，所述热交换器(12)进一步包括用于将所述环境流体(20)导引通过所述三维网格单元结构(22)的管道(44)。

10.根据前述权利要求中任一项所述的电气装置(10)，其中，所述热交换器(12)包括在所述三维网格单元结构(22)内部的引导结构(48)，所述引导结构(48)被布置成沿着所述三维网格单元结构(22)内部的所限定的路径(50)引导所述冷却流体(16)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的电气装置(10)，还包括泵装置(58)，所述泵装置被布置成产生穿过所述三维网格单元结构(22)的所述冷却流体(16)的流动。

12.根据前述权利要求中任一项所述的电气装置(10)，还包括风扇装置(38，40，68)，所述风扇装置被布置成在所述三维网格单元结构(22)中产生所述环境流体(20)的流动。

13.根据权利要求12所述的电气装置(10)，其中，所述风扇装置(38，40，68)被布置成在所述三维网格单元结构(22)中在至少两个不同的方向上产生所述环境流体(20)的流动。

14.根据前述权利要求中任一项所述的电气装置(10)，其中，所述电气装置是高压静电感应系统，诸如电力变压器或并联电抗器。

15.一种用于热交换器(12)的面板(60)，所述面板(60)包括入口(30)、出口(32)以及流体地位于所述入口(30)和所述出口(32)之间的二维网格单元结构(62)。

16.一种用于电气装置(10)的热交换器(12)，所述热交换器(12)包括多个根据权利要求15所述的面板(60)，所述面板(60)以堆叠的方式布置以形成三维网格单元结构(22)。

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