CN115512912A - 一种大功率制动电阻浸没式冷却装置及其冷却方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种大功率制动电阻浸没式冷却装置及其冷却方法，该冷却装置包括制动电阻组件、冷凝器组件和液冷箱，制动电阻组件和冷凝器组件置于液冷箱中，制动电阻组件位于液冷箱的下部，冷凝器组件置于冷箱的中上部，且冷凝器组件底部高于制动电阻组件顶部；液冷箱中加有绝缘工质液体，其完全浸没冷凝器组件；还包括液冷箱盖板，其与液冷箱匹配密封。和现有技术相比，本发明电阻热交换效率高，体积小，成本低。

Description

一种大功率制动电阻浸没式冷却装置及其冷却方法
技术领域
本发明涉及一种大功率制动电阻浸没式冷却装置及其冷却方法。
背景技术
在舰载电磁弹射、电磁武器等变频器放电或制动领域，制动电阻在运行过程中，瞬时产生大量热量(兆焦级)，常规风冷散热很难将此高功耗和高热流密度的热量吸收并散失掉，这会对相应电器元件使用安全和寿命产生巨大的隐患。所以现有舰载设备散热多以水冷散热为主。
由于舰载应用环境的特殊性，常规舰载设备水冷散热器多以净化海水做水冷散热器的冷却介质，以现有的一舰载3MJ大功率制动电阻水冷散热方案为例，其主要结构分为功能组件、水冷组件和结构组件，功能组件包括：电阻片、电极、电极板、矽胶片；水冷组件由水冷板、汇流管、分流管、管接头、液冷快换接头等组成；结构组件包括：绝缘板、底座、上盖板及锁合螺柱等组成；功能组件由8并12串电阻片连接和电极板、矽胶片、电极集成而成，电组片分成12层，每层由8个分两排排列而成，并在电阻片上、下两侧紧贴电极板内侧，电极板外侧贴矽胶片，矽胶片包裹在水冷板上，起热绝缘作用(水电分离)。13块水冷板将12层电阻片夹在中间，以将电阻片产生的热量通过水冷介质带走。水冷组件由13块水冷板和与之连接的分流管、汇流管及管接头和液冷快换接头密封连接而成，水冷板流道以深孔加工工艺制作如图四，由于冷却介质为海水，水冷组件材料与工质的相容性和防腐性要求非常高，均采用钛或钛合金材料。
由于钛或钛合金材料导热系数低：7.8W/m.K～15.0W/m.K，水冷板的深孔流道结构简单，所以水冷板与电阻片间的热交换性能较差，在电阻片与冷板之间生成形成较高的温度梯度和热阻，不利于电阻的温度控制和散热性能提升。所以散热需要更大的体积空间，这与舰载设备更小体积要求背道而驰；且大量钛或钛合金材料的应用使散热成本大幅提升；且结构复杂，装配难度高都大大提升了制作成本。
发明内容
为了解决以上问题，提升电阻热交换效率，减小散热体积，降低装配难度和制作成本，本发明提出一种大功率制动电阻浸没式冷却装置及其冷却方法。
本发明可通过以下技术方案予以实现：
一种大功率制动电阻浸没式冷却装置，包括制动电阻组件、冷凝器组件和液冷箱，所述制动电阻组件和冷凝器组件置于液冷箱中，所述制动电阻组件位于液冷箱的下部，所述冷凝器组件置于冷箱的中上部，且所述冷凝器组件底部高于制动电阻组件顶部；所述液冷箱中加有绝缘工质液体，其完全浸没所述冷凝器组件；还包括液冷箱盖板，其与所述液冷箱匹配密封。
进一步地，冷凝器组件底部与制动电阻组件顶部的高度差≥200mm。
进一步地，所述液冷箱中绝缘工质液体的高度比冷凝器顶部高≥100mm。
进一步地，所述冷凝器组件包括净化海水出入口、进出水管、总分流管、总汇流管、分流管、汇流管、冷凝管和冷凝翅片组成，净化海水由净化海水入口进入，流经所述总分流管，将流入的净化海水均匀分配流进每层分流管，再分配流入每层的各冷凝管，流经冷凝管的海水与冷凝管外部的冷凝翅片进行热交换后注入各层汇流管，之后流入总汇流管，再经出水管流出系统外。
进一步地，所述冷凝器组件结构从上到下多层排列，每层均布压制冷凝翅片的冷凝管，冷凝翅片间隙b为1.0mm～25.0mm，每层冷凝管的数量3～15条，通过TIG、大功率激光或电子束焊接工艺将压制冷凝翅片的冷凝管与每层的分流管和汇流管密封焊接为单层冷凝器。
进一步地，由1～20层单层冷凝器排列组装成冷凝器，上一层与下层错距排列，错距距离t一般为两冷凝管间距的一半p/2，上层与下层冷凝翅片相切间隙l为1.0mm～25.0mm。
本发明还提出根据以上所述的一种大功率制动电阻浸没式冷却装置实现的冷却方法，其特征在于，具体包括：将所述制动电阻组件浸没在液冷箱中的绝缘工质液体中，所述制动电阻组件产生的热量直接传递给所述绝缘工质液体，绝缘工质液体吸收所述制动电阻组件产生的热量，致使绝缘工质液体局部沸腾，并形成汽泡或相变为蒸汽；该汽泡或蒸汽在绝缘工质液体中上升至所述冷凝器组件区域，与冷凝器组件内的净化海水进行热交换，将热量传递至该冷却装置外；绝缘工质液体与海水交换热量后由汽态相变为液态液滴，并通过重力回流至电阻模块区域工质液体，从而形成往复循环。
有益效果
本发明的一种大功率制动电阻浸没式冷却装置可以大大提升电阻热交换效率，减小散热体积，降低装配难度和制作成本。
附图说明
图1为本发明的大功率制动电阻浸没式冷却装置结构示意图。
图2为本发明中制动电阻组件结构示意图。
图3为本发明中冷凝器组件结构示意图。
图4为本发明中每根冷凝管外壁压制铝或铝合金冷凝翅片结构示意图。
图5为本发明中单层冷凝器结构示意图。
图6为本发明中单层冷凝器排列组装冷凝器结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
如图1所示，大功率制动电阻浸没式冷却装置，由制动电阻组件1、冷凝器组件2、浸没式液冷箱3组成；先将制动电阻组件1和冷凝器组件2放入液冷箱3中，制动电阻组件1位于液冷箱3的下部，冷凝器组件2置于液冷箱3的中上部，冷凝器组件2底部高于制动电阻组件1顶部，冷凝器组件2底部与制动电阻组件1顶部的高度差≥200mm；之后将绝缘工质液体加入液冷箱3，至完全浸没冷凝器组件3，液体高度比冷凝器顶部高≥100mm，最后将液冷箱盖板4加盖到液冷箱3上，实现液冷箱的密封。
如图2所示，制动电阻组件包括：电阻片1-4、电极1-1、安装支架1-3、底座1-2、锁合螺柱1-5；电阻片为箔式电阻片，采用的材料为Cr20Ni80(镍铬合金)，阻值：0.30Ω±5％@25℃～0.70Ω±5％@25℃；电极采用紫铜或黄铜，安装支架由云母板加工而成，起电阻片固定和绝缘作用。
如图3所示，冷凝器组件，包括：由净化海水入口2-1和出口2-2、进水管2-3和出水管2-4、总分流管2-6、总汇流管2-10、分流管2-5、汇流管2-7、冷凝管2-8、冷凝翅片2-9组成，净化海水由净化海水入口2-1进入，流经总分流管2-6，将流入的冷凝工质均匀分配流进每层分流管2-5，再分配流入每层的各冷凝管2-8，流经冷凝管2-8的海水与冷凝管2-8外部的冷凝翅片2-9进行热交换，后注入各层汇流管2-7，之后流入总汇流管2-10，再经出水管2-4流出系统外。由于冷凝工质采用的是净化海水，所以进出水管、总分流管、总汇流管、分流管、汇流管、冷凝管所用材料为钛或钛合金。
冷凝器组件结构从上到下多层排列，根据冷凝交换热量需求设计冷凝器组件结构，根据热交换面积设计单根冷凝管结构和冷凝翅片结构和数量。通过薄翅片压制工艺，在每根冷凝管2-8外壁压制铝或铝合金冷凝翅片如图4所示。冷凝管2-8直径为￠5.0mm～￠20.0mm，壁厚0.3mm～2.0mm；冷凝翅片2-9材料：铝、3系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金，紫铜、黄铜；厚度为0.1mm～2.0mm，间距0.3mm～15.0mm,翅片外径为10.0～120.0mm。
根据冷凝翅片外径及散热需求，每层均布压制翅片的冷凝管2-8，冷凝翅片2-9间隙b为1.0mm～25.0mm图6所示，根据热交换需求和液冷箱的结构，每层冷凝管2-8的数量3～15条，通过TIG、大功率激光、电子束等焊接工艺将压制冷凝翅片的冷凝管与每层的分流管和汇流管密封焊接为单层冷凝器图5所示。
根据制动电阻组件发热量和液冷箱结构要求，由1～20层单层冷凝器排列组装冷凝器如图6所示，上一层与下层错距排列，错距距离t一般为两冷凝管间距的一半p/2，上层与下层冷凝翅片相切间隙l为1.0mm～25.0mm。
之后将排列好的每层冷凝器与总分流管和总汇流管组装，通过通过TIG、大功率激光、电子束等焊接工艺密封焊接，再焊接进出水管，制作如图3冷凝器组件。浸没式液冷箱组件：由浸没式液冷箱壳体和浸没式液冷箱盖板组成，材料SUS304或SUS316不锈钢板密封焊接而成，板材厚度5.0mm～15.0mm。
大功率制动电阻浸没式冷却液冷箱采用的浸没工质：要求具有适宜应用环境的相变温度(常用相变温度一般在-50℃～120℃)、较高的蒸发潜热(80J/g～2260J/g)、化学稳定的性和与壳体材料和制动电阻组件及冷凝器组件材料的相容性、并具有良好的绝缘耐压性能，满足ODP和GWP环境要求。包括氟化烷烃、氟化醚、环烷烃及氟里昂替代物等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大功率制动电阻浸没式冷却装置，其特征在于，包括制动电阻组件、冷凝器组件和液冷箱，所述制动电阻组件和冷凝器组件置于液冷箱中，所述制动电阻组件位于液冷箱的下部，所述冷凝器组件置于冷箱的中上部，且所述冷凝器组件底部高于制动电阻组件顶部；所述液冷箱中加有绝缘工质液体，其完全浸没所述冷凝器组件；还包括液冷箱盖板，其与所述液冷箱匹配密封。
2.根据权利要求1所述的一种大功率制动电阻浸没式冷却装置，其特征在于，冷凝器组件底部与制动电阻组件顶部的高度差≥200mm。
3.根据权利要求1所述的一种大功率制动电阻浸没式冷却装置，其特征在于，所述液冷箱中绝缘工质液体的高度比冷凝器顶部高≥100mm。
4.根据权利要求1所述的一种大功率制动电阻浸没式冷却装置，其特征在于，所述冷凝器组件包括净化海水出入口、进出水管、总分流管、总汇流管、分流管、汇流管、冷凝管和冷凝翅片组成，净化海水由净化海水入口进入，流经所述总分流管，将流入的净化海水均匀分配流进每层分流管，再分配流入每层的各冷凝管，流经冷凝管的海水与冷凝管外部的冷凝翅片进行热交换后注入各层汇流管，之后流入总汇流管，再经出水管流出系统外。
5.根据权利要求4所述的一种大功率制动电阻浸没式冷却装置，其特征在于，所述冷凝器组件结构从上到下多层排列，每层均布压制冷凝翅片的冷凝管，冷凝翅片间隙b为1.0mm～25.0mm，每层冷凝管的数量3～15条，通过TIG、大功率激光或电子束焊接工艺将压制冷凝翅片的冷凝管与每层的分流管和汇流管密封焊接为单层冷凝器。
6.根据权利要求5所述的一种大功率制动电阻浸没式冷却装置，其特征在于，由1～20层单层冷凝器排列组装成冷凝器，上一层与下层错距排列，错距距离t一般为两冷凝管间距的一半p/2，上层与下层冷凝翅片相切间隙l为1.0mm～25.0mm。
7.根据以上权利要求1-6中任一项所述的一种大功率制动电阻浸没式冷却装置实现的冷却方法，其特征在于，具体包括：将所述制动电阻组件浸没在液冷箱中的绝缘工质液体中，所述制动电阻组件产生的热量直接传递给所述绝缘工质液体，绝缘工质液体吸收所述制动电阻组件产生的热量，致使绝缘工质液体局部沸腾，并形成汽泡或相变为蒸汽；该汽泡或蒸汽在绝缘工质液体中上升至所述冷凝器组件区域，与冷凝器组件内的净化海水进行热交换，将热量传递至该冷却装置外；绝缘工质液体与海水交换热量后由汽态相变为液态液滴，并通过重力回流至电阻模块区域工质液体，从而形成往复循环。
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