CN2561099Y

CN2561099Y - 密闭式循环水冷却装置

Info

Publication number: CN2561099Y
Application number: CN 02242732
Authority: CN
Inventors: 陈建业; 李琦; 吴文伟
Original assignee: Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Goaland Energy Conservation Tech Co Ltd
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2003-07-16
Anticipated expiration: 2012-08-05

Abstract

一种密闭式循环水冷却装置，包括冷却水主回路，辅助回路和控制及报警单元，其中所述的冷却水主回路是由主循环水泵，被冷却器件，风水换热器和三通球阀组成；其中主循环水泵提供动力，使冷却循环水在被冷却电子器件和风水换热器中快速循环，从而把发热电子元件的热量迅速带走；所述的辅助回路是由调节阀，混床和除氧床组成的离子交换柱，缓冲罐组成；辅助回路主要完成循环水的纯化和补充作用。该装置克服常规直流式冷却装置所存在的浪费水的缺点，除了具有极高的散热效率从而可以满足不同设备冷却的要求外，与其他冷却方式相比还具有节水，节能，和没有污染的优点。

Description

密闭式循环水冷却装置

技术领域

本实用新型涉及大功率设备的冷却装置，尤其是涉及采用密闭式循环水的大功率设备冷却装置。

背景技术

在工业生产和科学实验中，经常需要对设备在运行过程中产生的热量进行散发，以保证设备的安全运行和性能的正常发挥。目前常用的冷却装置包括风冷，油冷，和水冷三种方式，其中水冷方式由于水的对流换热系数为空气自然换热系数的150倍以上，散热效率极高；同时它又没有因采用油冷方式可能带来的污染和易燃，和采用强迫风冷会产生的噪声等问题，所以得到了越来越广泛的关注。但早期的直流式冷却装置，冷却水流过被冷却物体后即被直接排放，造成了水资源的大量浪费；而用过的冷却水中所含的杂质排入地下又会对水质造成污染。为了节约用水近年来直流式正逐渐被敞开式的循环水冷装置所替代，即利用喷淋，鼓风等方式，通过将水蒸发和与空气换能把热量散发到空气中去。与直流式冷却装置相比，该方式能耗较小，同时水的消耗可降低30～50倍。但由于采用敞开的结构，喷淋过程中水的蒸发，将引起冷却水的浓缩，所形成的高含盐量及含氧量的水易造成管路及设备的腐蚀；其次冷却水易被空气污染，并寄生微生物，以致堵塞管路，所以需要经常投放化学除垢剂和杀虫剂，并排除过分浓缩的水，这又可能导致对地下水的污染。

近年推出的密闭式循环水冷却装置，冷却水不与大气直接接触，而通过风—水或水—水换能装置完成与大气的热交换，具有高效和节水的优点，得到日益广泛的应用。

表1比较了不同形式的冷却装置对电力电子装置冷却效果，从中可以看出，密闭式循环水冷却装置在冷却效率、体积以及环境保护方面均比油冷及风冷有明显的优势。

表1 冷却装置散热效率比较

冷却形式	冷却效率：装置功耗/装置功率(kW/MVA)	紧凑性：模块体积/模块功率(m³/MVA)	环境：污染与噪音
冷却形式	冷却效率：装置功耗/装置功率(kW/MVA)	紧凑性：模块体积/模块功率(m³/MVA)	环境：污染与噪音	水冷(密闭循环)	0.055	0.11	均小
油冷	0.135	0.18	污染	水冷(密闭循环)	0.055	0.11	均小
油冷	0.135	0.18	污染	风冷	0.21	0.36	噪音大

而热管等制冷方式虽然在使用上有诸多优点，但由于造价太高，限制了其应用范围。

目前所使用的密闭式循环水冷却装置在长期运行过程中，特别是在高电压大功率电力电子装置的使用中仍存在必须解决的循环水的纯度，设备腐蚀，长期运行时装置的可靠性以及不能适应被冷却对象对多种工作温度的要求等问题。

在对高压大功率电力电子装置中各发热元件，如半导体器件，电阻，电感线圈等进行水冷时，冷却水管路的两端可能跨越几千伏的高电压，如果此时水中含有某些可溶性杂质，其离子的存在将通过冷却水路形成元器件之间的漏电流通道。此电流除引起不必要的发热外，还可能破坏电路的正常工作。

由于冷却循环水不可能达到绝对纯净，其中阴阳离子的存在，再加上金属散热器不同部分的电位不同，将在管路中引起漏电流和电解现象，造成腐蚀。而水中氯离子、硫酸根及氧气的存在，以及质量不好的离子交换树脂在运行中所释放的有害离子，均会加剧上述腐蚀过程。

影响运行时装置的可靠性的因素包括水泵的寿命，管件及接头的质量，电器仪表的可靠性等。

目前的冷却循环装置不能满足不同的被冷却对象或同一被冷却对象在不同的气温条件下对多种工作温度的要求，很难达到提高生产效率和节水的双重效率。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述常规冷却装置所存在的浪费水的缺点，开发用于不同类型的工业装置的密闭式循环水冷却装置。此类装置除了具有极高的散热效率可以满足不同设备冷却的要求外还具有节水，节能，和没有污染的优点。

根据本实用新型的第一方面，本实用新型的密闭式循环水冷却装置包括冷却水主回路，辅助回路和控制及报警单元；其中冷却水主回路是由主循环水泵，被冷却器件，风水换热器，三通球阀和主循环水泵组成；其中主循环水泵提供动力，使冷却循环水在被冷却电子器件和风水换热器中快速循环，从而把发热电子元件的热量迅速带走。所述的辅助回路是由调节阀，混床和除氧床组成的离子交换柱，缓冲罐组成；辅助回路主要完成循环水的纯化和补充作用。

根据本实用新型的第二方面，冷却水主回路和辅助回路之间安装的调节阀，通过控制及报警单元控制通过辅助回路与主回路之间流量的比例。

根据本实用新型的第三方面，所述的三通球阀在控制及报警单元的控制下调整其工作角度，以便在水温过低时，使一部分从被冷却器件中过来的热水不经过风水换热器降温，直接回到主循环泵的入口，从而使循环水温回升。

根据本实用新型的第四方面，在循环水路中还包括补水装置，其由缓冲罐和氮气瓶组成，氮气瓶通到缓冲罐的上部，向缓冲罐提供一定压力的氮气，当循环水由于极少量的蒸发和电离而损失时，缓冲罐中的水会自动补充到循环回路中去。

根据本实用新型的第五方面，在辅助回路的循环水路中还包括补水装置，其由补水泵，单向阀和补水槽组成，当循环水路中的总水量过低时，可以用补水泵从补水槽中把补充水注入循环水路中去，其中单向阀8可防止装置中的水倒流出来。

根据本实用新型的第六方面，所述的控制及保警单元14由PLC智能型电导率和温度控制电路及温度、压力、流量、电导率测量仪表构成，除完成上述循环水电导率和温度的调节和控制作用外，还监视水温的上限、水流量的变化、工作压力及循环水的电导率等参数，当这些参数达到危险值时，自动发出报警信号。上述控制单元还具有与上位机的通讯功能，可以随时向上位机提供冷却系统的状态信号，并接受上位机发出的控制指令。

根据本实用新型的第七方面，本实用新型的密闭式循环水冷却装置还包括有辅助喷淋装置，其由集水槽，循环水泵和喷淋器所组成，当单纯的风水换能不能满足散热要求时，此时，经循环水泵15，将集水槽中的去离子水或软化水均匀地喷在风水换热器的表面上，在风机作用下被气化，从风水换热器表面带走了大量的气化热。

根据本实用新型的第八方面，本实用新型的密闭式循环水冷却装置还包括有制冷装置，其由制冷机组，半密封式储水罐和换热器组成，半密封式储水罐代替缓冲补水罐，使从半密封式储水罐出来经过被冷却器件的热水利用换热器先冷却，再经过风水换热器进一步降温，利用控制装置自动调整制冷机组的投入时间和风水换热器的启停从而达到精确控温的目的。

根据本实用新型的第九方面，本实用新型的密闭式循环水冷却装置的主循环水路中还可以包括两台主循环泵，采用一备一用的方式，保证装置的可靠性要求。

根据本实用新型的第十方面，本实用新型的密闭式循环水冷却装置的辅助回路的离子交换柱是由离子交换树脂混合床和脱氧树脂脱氧床构成的，所述的离子交换柱把辅助回路中的水流纯化，吸收其中主要是从管路装置中溶出的各种离子，以保证循环水的电阻率不低于规定水平。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例利用纯水的密闭式循环水冷却装置结构图；

图2是本实用新型另一个实施例的混合式冷却装置结构图；

图3是本实用新型另一个实施例的风冷与制冷结合的冷却装置结构示意图；

图4是静止无功补偿器(SVC)主电路原理图；

图5是晶闸管阀体的结构图。图中：

1 风水换热器 11. 混床

2. 三通球阀 12. 缓冲罐

3. 主循环泵 13. 氮气瓶

4. 调节阀 14. 控制及报警单元

5. 被冷却器件 15. 循环水泵

6. 补水槽 16. 积水槽

7. 补水阀 17. 喷淋塔

8. 单向阀 18. 制冷机组

9. 调节阀 19. 换热器

10. 除氧床 20. 半封闭储水罐

21. 晶闸管 22. 散热器板

23. 进水口 24. 出水口

具体实施方式

图1是本实用新型一个实施例利用纯水的密闭式循环水冷却装置结构图；如图1所示，本实施例的冷却装置其主回路是主循环水泵3→被冷却器件5→风水换热器1→三通球阀2→主循环水泵3。其中主循环水泵3提供动力，使冷却循环水在被冷却电子器件5和风水换热器1中快速循环，从而把发热电子元件的热量迅速带走。风水换热器1通过一组具有巨大表面积的铝制水管散热器在大马力风机作用下把热量送到大气中去，使循环水降温。为了保证被冷却器件5的温度在规定温度之下，要求本装置的风水换热器1有足够的散热能力，但也不能使循环水温过低，否则可能使被冷却器件5表面结露，降低元件表面绝缘电阻。图1中的三通球阀2在控制及报警单元14的控制下，可以根据循环水温的高低自动调整其工作角度，以便在水温过低时，使一部分从被冷却器件5中过来的热水不经过风水换热器1降温，直接回到主循环泵3的入口，从而使循环水温回升。在冬季，如果室外气温过低，除通过三通球阀2的上述调节作用外，还可以在控制及报警单元14作用下，关闭风水换热器1中运转风机的台数，以减少循环水热量的散失。同时为了保证在冬季时纯水不会发生结冰，根据运行地点的温度条件，在水中添加了适量的乙二醇作为防冻剂。在夏季最热时循环水温可能偏高，这时所有风机都可被启动，三通球阀2也可能强迫全部循环水都通过风水换热器1的换热器。

除了循环水的主回路之外，还有一个辅助回路，它由调节阀9→由混床10和除氧床11组成的离子交换柱→缓冲罐12组成。辅助回路主要完成循环水的纯化和补充作用。调节阀9控制通过辅助回路与主回路之间流量的比例。离子交换树脂混合床10和脱氧树脂脱氧床11构成的离子交换柱把辅助回路中的水流纯化，吸收其中主要是从管路装置中溶出的各种离子，以保证循环水的电阻率不低于规定水平。缓冲罐12上部充满氮气，氮气由氮气瓶13提供，并保持一定压力。当循环水路中的循环水由于极少量的蒸发和电离而损失时，缓冲罐12中的水会自动补充到循环水中去。当其总水量过低时，可以用补水泵7从补水槽6中把补充水注入循环水路中去。其中单向阀8可防止装置中的水倒流出来。控制及报警单元14除完成上述循环水温度的调节和控制作用外，还监视水温的上限、水流量的下降、工作压力及循环水的电导率等参数。当这些参数达到危险值时，自动发出报警信号，其核心部分由PLC智能型温度控制电路及温度、压力、流量、电导率测量仪表等构成。

图2是本实用新型另一个实施例的混合式冷却装置结构图；如图2所示，该实施例为具有辅助喷淋装置的半密闭型循环水冷装置。作为常规工业设备的水冷，往往对循环水的纯度没有很高的要求，所以可以取消水纯化装置。如采用传统的自来水直流的方法对常规工业设备进行水冷却，不仅耗水量大，且管路及设备锈蚀严重，经常造成堵塞；在高温潮湿季节，还常常发生水温超标。本实用新型采用密闭式水冷循环装置，因为该装置使用在没有电绝缘要求的设备中，所以采用一般去离子水作为冷却液。由于设备对水温要求较严，我们增加了一套由集水槽16，循环水泵15和喷淋器17所组成的辅助的淋水装置。当气候湿热以致单纯的风水换能不能满足散热要求时将其投入，此时集水槽16中的去离子水或软化水，经循环水泵15均匀地喷在风水换热器1的表面上，在风机作用下被气化，从风水换热器1表面带走了大量的气化热。喷淋的投入时间是根据循环水温自动控制的。由于未被蒸发的水被集水槽16回收继续使用，大大减少了消耗。使用这套密闭式冷却循环设备被冷却设备不会出现过因管路腐蚀及微生物寄生造成的堵塞，并且即使经过长时间运行后水仍很清澈。此类装置喷淋水的消耗量仅为循环水量的0.3％，大大低于敞开式循环装置2-5％的消耗量，达到了提高生产效率和节水的双重目的。

图3是本实用新型另一个实施例的风冷与制冷结合的冷却装置结构示意图；如图3所示，在本实用新型的混合型密闭循环水冷装置中，当被冷却对象所要求的工作温度较低时，可采用风水换热器1和制冷机组18结合的方式实现密闭式循环水冷却。在气温低时，可主要依靠风水换热器1降温，气温较高时，则主要依靠制冷机组18利用换热器19，使从被冷却器件5来的热水冷却，再经过风水换热器1进一步降温。装置中用一个半密封式储水罐20来代替缓冲补水罐12，利用控制装置14，自动调整制冷机组18的投入时间，和风水换热器1的启停从而达到精确控温的目的。冷却循环水采用去离子水，以保证水路不锈蚀、不结垢、不堵塞。

本实用新型在对高压大功率电力电子装置中各发热元件，如半导体器件，电阻，电感线圈等进行水冷时解决了以下的问题：

1.保证循环水的高纯度

在本实用新型的采用去离子水的密闭式水循环系统中，其解决方案为如下几个方面：

·被冷却元件的水管应由绝缘性良好的高分子材料或橡胶制成；

·与水接触的材料表面均应耐腐蚀并具有低的溶解度；

·在水的循环过程中应能不断的清除溶入水中的离子及氧气。

以图1的典型系统为例，工作过程中溶入循环水中的离子浓度可以由下式给出：C(t)＝C₀exp[k(R_IP-R_IR)t]

其中：C₀位循环水中离子含量(g/m³)(混床进口处)的初值；R_IP为离子溶出速率(g/s)；R_IR为离子交换拄的离子消除速率(g/s)，该值取决于树脂的性能和辅助水路的流量；k则为系统常数；t为时间。

即水中离子含量取决于离子溶出速率与离子消除速率的关系，当离子消除速率大于离子消除速率时即可以使循环水的离子浓度，从而使相应的电导率维持在预定的范围。

2.解决了腐蚀问题

本实用新型正确设计其装置的内表面通常用不锈钢、经钝化处理的铝材，或其他耐腐蚀材料制成，此时腐蚀将很轻微，不会对装置的工作寿命产生过大的影响。

3.解决了影响冷却装置可靠性的因素

考虑到影响可靠性的因素包括水泵的寿命，管件及接头的质量，电器仪表的可靠性等。在可靠性要求较高的场合，可采用一备一用两台水泵，以及选用高可靠元件，以保证运行。

下面结合本实用新型用于35KV/50MVA静止无功补偿器(SVC)的纯水冷却装置的结构和原理，进一步说明本实用新型冷却装置的作用和效果。

图4是50MVA SVC的主电路原理图；图5是晶闸管阀体的结构图，如图4和图5所示，该主电路是由一对反并联的晶闸管阀组成的电力电子开关和与其串联的电抗器所构成的晶闸管21控制的电抗器(TCR)和与之并联的固定电容器(FC)构成，用于向系统提供无功功率。为了能承受系统施加与阀体的50KV的高压(峰值)，阀体由48只额定电压为4.2KV的晶闸管21串联而成。为了维修，上述48只晶闸管21进一步分为4个半层阀。上述半层阀采用了如图4所示的结构，其中，显示无氧铜制成的散热器板22。每块板上分别有一个进水口23和一个出水口24，每个模块中散热器板22间的冷却水路通过连结在相应的进水口23和出水口24间的聚四氟乙烯软管相连，形成串联的冷却水路。模块中晶闸管21采用双边散热，即其阳极和阴极分别与一个散热器板22相连，所以每个晶闸管21的两块散热器22之间连接的塑料软管所形成的水路将承受施加于该晶闸管22阳极和阴极间的全部电压。此外通常由不锈钢制成的冷却水的主管路和大地相连，而由于上述阀体相对于大地是绝缘的，故散热器与大地之间的电压将由相应的水路承受。因此对于冷却水系统的电气要求可以归结为两条，即位于同一模块中连接阳极和阴极两个散热器的冷却水路的漏电流，和散热器板与水冷系统的主管路之间的冷却水路的漏电流，即电导电流，应尽可能小，也即其绝缘电阻应尽可能大。由于后者的长度包括由主管路连接到各个半层阀的由绝缘软管构成的进出水管远大于前者，所以保证冷却系统电气性能的关键在于提高阀体中每个晶闸管阳极和阴极间冷却水路的绝缘电阻。

由于所使用的冷却水本身和塑料软管均不是理想的绝缘材料，所以在连接两个散热器的冷却水路中将会产生漏电流。假定忽略塑料软管的绝缘电阻对漏电流的影响，GTO阳极和阴极之间水路的漏电流可以由下式给出：

I＝σUA/L

其中，I为水路的漏电流，单位为mA；

σ为水的电导率，单位为μS/cm；

U为施加在晶闸管阳极和阴极上的直流中间电压，单位为KV；

A为冷却水的截面积，单位为cm²；

L为晶闸管阳极和阴极散热器板间水路的长度，单位为cm。

也可以用下式来估计晶闸管阳极和阴极之间冷却水路的绝缘电阻：

R＝L/(σA)

其中，R的单位为MΩ。

因此，可以通过降低水的电导率σ，增大水路的长度L和减小水路的截面积A来增加GTO阳极和阴极之间的绝缘电阻，和减小水路的漏电流。但是过分降低水的电导率将会增加水处理的难度，从而增加水处理系统的复杂性和费用；通常大功率变流器所采用的电导率大约为0.1～0.5μS/cm(对应的电阻率为2～10MΩ·cm)。而由于散热器的冷却效果取决于冷却水的流量，减小水路的截面积和增加水路的长度将会导致水路阻力的增大，从而要求加大水泵的压力和增大功率消耗。

为了验证所述水冷装置的工作性能和可靠性，对上述阀体先后进行了由模拟阀体热损耗的电热装置作为假负荷的冷却效果试验；在两个散热器板之间的连接水路上施加50KV(有效值)的交流电压的耐压试验；和电磁兼容(EMC)试验。上述试验证明上述冷却系统完全可以满足包括酷暑和严寒在内的各种气候条件下大功率变流器对水冷系统所提出的电气方面的要求。并且具有水质保持期长，即便在长期停机后，冷却水仍保持很高的电阻率，从而装置可以迅速起动，而不需重新纯化；以及由于密闭性好，基本不需添加水的优点。实践证明纯水冷却装置完全可以满足大功率变流器的要求。

由于水冷具有低热阻的特性，利用对循环水进行部分纯化时可以长期保持循环水的高纯度，因而特别适用于对高压变流装置进行冷却。它不仅体积小，可以更充分地利用大功率电力电子元件的容量，还可以提高变流器的效率，是一个十分经济且有效的方法。而由于它还具有节水和不会污染环境的优点，所以应当在我国得到大力推广。实际上，此类封闭式循环冷却系统还可以推广应用到其他采用传统方式，如直流式或喷淋式，进行冷却的系统中，从而达到节水和消除污染的双重目的。对于我们这样一个严重缺水的国家推广上述技术就更有重要的意义。

本实用新型的密闭式循环水冷却装置由于具有冷却效率高，体积小，没有污染和节约水资源的优点，作为对传统的冷却方式的一个重要改进，在国际上得到了越来越广泛的应用。在外国虽然目前由于一次性投资较大，其推广应用受到一定的限制。但随着用水价格的提高，再考虑到环保等因素，其综合效益将远远高于其他的冷却方式，特别是对于我们这样一个水资源严重缺乏的国家，这种节水的冷却方式应当得到大力推广。

Claims

1.一种密闭式循环水冷却装置，其特征在于包括：冷却水主回路，辅助回路和控制及报警单元，其中所述的冷却水主回路是由主循环水泵，被冷却器件，风水换热器和三通球阀组成；其中主循环水泵提供动力，使冷却循环水在被冷却电子器件和风水换热器中快速循环，从而把发热电子元件的热量迅速带走；所述的辅助回路是由调节阀，混床和除氧床组成的离子交换柱，缓冲罐组成；辅助回路主要完成循环水的纯化和补充作用。

2.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的冷却水主回路和辅助回路之间安装的调节阀，通过控制及报警单元控制通过辅助回路与主回路之间流量的比例。

3.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的三通球阀在控制及报警单元的控制下调整其工作角度，当水温过低时，使一部分从被冷却器件中过来的热水不经过风水换热器降温，直接回到主循环泵的入口，从而使循环水温回升。

4.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的循环水路中还包括补水装置，其由缓冲罐和氮气瓶组成，氮气瓶通到缓冲罐的上部，向缓冲罐提供一定压力的氮气，当循环水由于极少量的蒸发和电离而损失时，缓冲罐中的水自动补充到循环回路中去。

5.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的辅助回路的循环水路中还包括补水装置，其由补水泵，单向阀和补水槽组成，当循环水路中的总水量过低时，可以用补水泵从补水槽中把补充水注入循环水路中去，其中单向阀可防止装置中的水倒流出来。

6.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的控制及保警单元由PLC智能型电导率和温度控制电路及温度、压力、流量、电导率测量仪表构成，该控制及保警单元除完成上述循环水电导率和温度的调节和控制作用外，还监视水温的上限、水流量的变化、工作压力及循环水的电导率等参数，自动发出报警信号，与上位机通讯。

7.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的风水换热器还包括有辅助喷淋装置，其由集水槽，循环水泵和喷淋器所组成，当单纯的风水换能不能满足散热要求时，经循环水泵15，将集水槽中的去离子水或软化水均匀地喷在风水换热器的表面上，在风机作用下被气化，从风水换热器表面带走了大量的气化热。

8.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的风水换热器还包括有制冷装置，其由制冷机组，半密封式储水罐和换热器组成，从半密封式储水罐出来水经过被冷却器件加热，被加热的热水利用换热器先冷却，再经过风水换热器进一步降温，利用控制装置自动调整制冷机组的投入时间和风水换热器的启停从而达到精确控温的目的。

9.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的主循环水路中还可以包括两台主循环泵，采用一备一用的方式，保证装置的可靠性要求。

10.根据权利要求1的密闭式循环水冷却装置，其特征在于所述的辅助回路中的离子交换柱是由离子交换树脂混合床和脱氧树脂脱氧床构成的，所述的离子交换柱把辅助回路中的水流纯化，吸收其中主要是从管路装置中溶出的各种离子，以保证循环水的电阻率不低于规定水平。