CN109862752A - 冷却*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及热交换技术领域，具体公开了一种冷却***，该***包括吸热装置，具有与散热装置连接的第一管路；冷却介质为包括相变材料的相变流体；散热装置用于对所述冷却介质进行散热，并将散热后的冷却介质通过第二管路循环至吸热装置中；相变材料再生装置，设置于第一管路或第二管路上。在常规热负荷时，相变流体中的相变材料不发生相变，通过显热将待冷冷却装置产生的热量带走；在峰值热负荷时，待冷却装置释放的热量以显热加潜热的方式储存，能够有效防止局部过热；同时随着使用时间的增加，形成相变流体的相变材料微粒可能发生聚结，采用相变材料再生装置对相变流体进行在线分散，使得相变微粒的分散更加均匀，实现了更佳的冷却效果。

Description

冷却***

技术领域

本发明涉及热交换技术领域，具体涉及冷却***。

背景技术

一般对于一些电器设备而言，由于电器设备的长时间运行会产生热量，而所产生的热量会对电器设备的正常运行造成一定程度的影响，因此，对于电器设备而言，会设置有相应的冷却***，用以对电器设备进行降温。

以换流阀为例，换流阀冷却***是保障换流阀安全运行的重要组成部分，传统的换流阀冷却方式包括自然空冷、强制空冷、水冷、油冷等。与空气冷却***相比，液体冷却***由于其冷却均匀，结构紧凑，运行噪音低等优点，在换流阀冷却中得到了广泛应用。去离子水、导热油等液体具有高比热、低电导率等特性，被广泛用作常规冷却流体。

具体地，在冷却过程中，冷却液在功率器件发热端吸热，通过循环将热量携带至散热端散热。由于该过程依靠冷却液的升温显热携带热量，当功率器件发生散热功率波动时，液体温度变化大。因此在***出现峰值热负荷时，该冷却方式抗热冲击能力差，容易造成局部过热，影响器件的正常运行，甚至产生安全隐患。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种冷却***，以解决局部过热导致器件的正常运行的问题。

本发明实施例提供了一种冷却***，包括：

吸热装置，具有与散热装置连接的第一管路，所述第一管路内循环的冷却介质吸收待冷却装置所产生的热量后流入所述散热装置；其中，所述冷却介质为包括相变材料的相变流体；

所述散热装置，用于对所述冷却介质进行散热，并将散热后的所述冷却介质通过第二管路循环至所述吸热装置中；

相变材料再生装置，设置于所述第一管路或所述第二管路上，用于对所述相变材料进行在线分散。

本发明实施例提供的冷却***，在常规热负荷时，相变流体中的相变材料不发生相变，通过显热将待冷区装置产生的热量带走；在峰值热负荷时，待冷却装置释放的热量以显热加潜热的方式储存，由于相变流体的潜热很大，所以在冷却介质流速相同的情况下，冷却介质的温升比使用去离子水降低，能够有效防止局部过热；同时随使用时间的增加，形成相变流体的相变材料微粒可能发生聚结，采用相变材料再生装置中对相变流体进行在线分散，再一次提高其稳定性，减小相变微粒粒径，使得相变微粒的分散更加均匀，实现了更佳的冷却效果。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述吸热装置包括：

至少两个并联的吸热单元；其中，两个所述吸热单元之间形成所述待冷却装置的安装空间，每个所述吸热单元的进料口与所述第二管路连接，所述吸热单元的出料口与所述第一管路连接。

本发明实施例提供的冷却***，通过采用吸热单元并联布置方式，可以确保每个待冷却装置散热能力均衡，防止局部过热。

结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述待冷却装置包括至少一个待冷却单元，其中，所述吸热单元包括：

至少两个串联的吸热片；其中，两个所述吸热片之间形成所述待冷却单元的安装空间。

本发明实施例提供的冷却***，通过将吸热片的设置方式与待冷却装置中待冷却单元的布置方式对应，能够确保每个待冷却单元散热能力均衡，进一步防止局部过热。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述相变材料再生装置为包含液力驱动式剪切头的在线分散装置。

本发明实施例提供的冷却***，利用在线分散装置实现冷却介质中相变微粒的分散，实现了在不引入外界装置的情况下，保证冷却介质内相变微粒的均匀分布，提高了该冷却***的冷却能力。

结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，还包括：

脱气装置，所述脱气装置的进料口与所述吸热装置的出料口连接，所述脱气装置的出料口与所述散热装置的进料口连接。

本发明实施例提供的冷却***，利用脱气装置去除冷却***内可能产生的气体，防止气体的存在造成散热效果降低。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，还包括：

循环泵，所述循环泵的进料口与所述脱气装置的出料口连接，所述循环泵的出料口与所述散热装置的进料口连接；

去离子支路，所述去离子支路的进料口与所述循环泵的出料口连接，所述去离子支路的出料口与所述脱气装置的出料口连接；

其中，所述去离子支路包括去离子装置。

结合第一方面第五实施方式，在第一方面第六实施方式中，所述去离子装置的进料口还连接有所述冷却介质的添加及排除管路。

结合第一方面，在第一方面第七实施方式中，所述第二管路上还设置有过滤器，所述过滤器的进料口与所述散热装置的出料口连接，所述过滤器的出料口与所述散热装置的进料口连接。

本发明实施例提供的冷却***，在工作过程中，可以及时去除***中产生的气体、离子及杂质，保证***的长期安全运行。

结合第一方面，或第一方面第一实施方式至第七实施方式中任一项所述的实施方式，在第一方面第八实施方式中，所述待冷却装置为换流阀。

结合第一方面，在第一方面第八实施方式中，所述相变材料为有机相变材料。

本发明实施例提供的冷却***，选取的酯类、石蜡等有机相变材料无毒、可自然降解、对环境无害。其电导率低于换流阀冷却***对纯水的电导率的要求(0.3μS/cm)，因此不会导致冷却介质导电性上升，确保了冷却介质抗高电压的能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的冷却***的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的冷却介质内相变微粒相变示意图；

图3是根据本发明实施例的吸热单元的结构示意图；

图4是根据本发明实施例吸热装置的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的冷却***的结构示意图；

附图标记：

10-吸热装置；11-吸热单元；111-吸热片；20-散热装置；30-相变材料再生装置；31-第一阀门；32-第二阀门；40-脱气装置；50-循环泵；61-去离子装置；62-第一过滤器；70-冷却介质的添加及排除管路；80-第二过滤器；90-待冷却装置；91-待冷却单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的冷却***，用于对电子电气设备进行冷却，例如换流阀等等。该冷却***通过在冷却介质中添加相变材料，利用相变材料的相变潜热增加冷却介质的有效热容，根据相变流体的特性进行合理的循环管路设计，可以在不增加冷却介质用量的基础上提高单位体积冷却介质所能携带的热量，从而提升***的冷却能力。同时，在冷却***中设置有相变材料再生装置对相变流体进行在线分散，再一次提高其稳定性，减小微粒粒径，使得相变微粒的分散更加均匀，实现了更佳的冷却效果。其中，冷却介质在实际运行中，依据待冷却装置的工作温度自发改变换热能力，从而在未调节循环流速的基础上实现了冷却能力的自动调节，简化了控制方案，提高了***的可靠性。

本发明实施例提供一种冷却***，如图1所示，该***包括有吸热装置10、散热装置20以及相变材料再生装置30。

具体地，吸热装置10具有与散热装置20连接的第一管路，在第一管路内循环有冷却介质，该冷却介质用于吸收待冷却装置所产生的热量，以使得自身的热量增加；然后，吸收热量后的冷却介质通过第一管路流入散热装置中。

冷却介质为包括相变材料的相变流体，进一步地，冷却介质包括相变微粒以及冷却液，冷却介质的特性要符合待冷却装置的特定要求，以便于替换以去离子水为代表的常规冷却介质。例如，以待冷却装置为换流阀为例，在工作温度范围内，冷却介质的表观比热容Cp要达到水的两倍，相变温度要求在51℃至53.5℃(ΔT＝2.5K)的范围内，电导率低于0.3μS/cm，导热系数大于0.2W/m/℃，冷却介质要具有长期稳定性，相变微粒不发生沉淀、上浮、聚结等。

选择相变材料要综合考虑相变材料的相变温度、电导率、过冷度、黏度、价格等因素。可选地，相变材料可以选用酯类、石蜡等非离子型有机相变材料。确定相变材料后，还需筛选与之相匹配的乳化剂，确保相变材料分散后的稳定性。此外，一般选取去离子水作为冷却液。相变材料在冷却液中的分散处理，也是决定相变流体物理特性的关键步骤，一般采用高速剪切分散机对相变流体进行分散处理。

请参见图1，该冷却***中的散热装置20与吸热装置10连接，即吸热装置10中的冷却介质吸收待冷却装置产生的热量后，通过第一管路流入散热装置20中，散热装置20用于对冷却介质进行散热，并将散热后的冷却介质通过第二管路循环至吸热装置中。其中，散热装置20的冷却方式可以是利用风冷，也可以是利用换热器进行散热，对于散热装置20的散热方式以及散热装置20的具体结构在此并不做任何限制，只需保证该散热装置20能够对冷却介质进行散热，并将散热后的冷却介质循环至吸热装置10中即可。

采用包括相变材料的冷却介质对待冷却装置进行冷却的原理如下：待冷却装置释放的热量首先使冷却介质升温，在常规热负荷下，冷却介质的温度低于分散在其中的相变微粒的相变温度，相变微粒不发生相变，仅依靠显热进行热量携带；在有瞬间峰值热负荷时，如附图2所示，冷却介质温度进一步升高，达到相变微粒的相变温度，冷却介质内分散的相变微粒开始发生相变，从固相转变为液相，利用其相变潜热，可以吸收峰值热负荷短时间内产生的大量热量，使相变介质温度不会过高，保护了待冷却装置。在附图1所示的4冷却液散热装置内，冷却介质温度降低，液态的相变微粒恢复为固态相变微粒，释放出了相变潜热。

请再次结合图1，该冷却***还包括有相变材料再生装置30，用于对相变材料进行在线分散。所述的相变材料再生装置30即可以设置于第一管路上，即沿冷却流体的流动方向上，相变材料再生装置30设置于吸热装置10与散热装置20之间；或者，相变材料再生装置30设置于第二管路上，即沿冷却流体的流动方向上，相变再生装置30设置于散热装置20与吸热装置10之间。

具体地，发明人在对该冷却***进行研究的过程中发现，随着使用时间的增加，冷却***的冷却性能逐渐下降。发明人在付出创造性劳动之后，发现随使用时间的增加，相变微粒可能发生聚结，或者在冷却介质中分布不均匀，正是上述两种情况影响该冷却***的冷却效果。因此，发明人在冷却***中同时设置有相变材料再生装置30，对相变材料进行在线分散，即对相变微粒进行分散处理，以减小相变微粒的粒径，并使得相变微粒在冷却介质中均匀分布。

其中，该相变材料再生装置30可以是具有剪切分散功能的装置，冷却介质流入该相变材料再生装置30，相变材料再生装置30对相变微粒进行搅拌以及剪切分散；相变材料再生装置30也可以是特殊形状的管路结构，利用管路结构使得冷却介质在管路内产生剪切分散作用，从而实现对相变微粒的在线分散及破碎。或者，相变材料再生装置30也可以为其他装置，只需保证该装置能够实现相变微粒的分散即可。在下文中将对相变材料再生装置30的具体结构进行详细描述。

在本实施例的一些可选实施方式中，如图1所示，可以通过阀门控制相变流体流入相变材料再生装置30的流量。在该冷却***刚开始运行时，第一阀门31打开，第二阀门32关闭，在该冷却***运行一段时间之后，调整第一阀门31以及第二阀门32的开度，以驱动相变材料再生装置30的工作。例如，第二阀门32的开度是逐渐变大，第一阀门31的开度是逐渐变小。即利用第一阀门31以及第二阀门32的开度的相互配合，实现对相变流体中相变微粒的分散。

本实施例提供的冷却***，在常规热负荷时，相变流体中的相变材料不发生相变，通过显热将待冷区装置产生的热量带走；在峰值热负荷时，待冷却装置释放的热量以显热加潜热的方式储存，由于相变流体的潜热很大，所以在冷却介质流速相同的情况下，冷却介质的温升比使用去离子水降低，能够有效防止局部过热；同时随使用时间的增加，形成相变流体的相变材料微粒可能发生聚结，采用相变材料再生装置中对相变流体进行在线分散，再一次提高其稳定性，减小相变微粒粒径，使得相变微粒的分散更加均匀，实现了更佳的冷却效果。

作为本实施例的一种可选实施方式，如图3所示，图3示出了吸热装置10的可选结构。具体地，如图3所示，该吸热装置10包括两个并联的吸热单元11，每个吸热单元11的进料口与第二管路连接，每个吸热单元11的出料口与第一管路连接；即，从第二管路流入的冷却介质经过两条支路流入两个并联的吸热单元11，在经过两个吸热单元11之后汇合至第一管路。

其中，两个并联的吸热单元11之间形成待冷却装置90的安装空间，又可以理解为，两个吸热单元11分别位于待冷却装置90的两侧。通过采用吸热单元11并联布置方式，可以确保每个待冷却装置90散热能力均衡，防止局部过热。

需要说明的是，吸热单元11的数量可以根据待冷却装置90的数量进行具体设置，只需保证各个吸热单元11为并联结构，且吸热单元11分别位于待冷却装置90的两侧即可。

进一步可选地，当待冷却装置90包括至少一个待冷却单元91时，如图4所示，吸热单元11包括两个串联的吸热片111，两个吸热片111之间形成待冷却单元91的安装空间。通过将吸热片111的设置方式与待冷却装置90中待冷却单元91的布置方式对应，能够确保每个待冷却单元91散热能力均衡，进一步防止局部过热。

以换流阀为例，由于晶闸管是换流阀中的核心元件，那么对换流阀的冷却就可以理解为对晶闸管的冷却。请结合图4，晶闸管及其散热部件交替层叠布置，每个晶闸管的两侧均被吸热片111包围，以每两个吸热片111为一个最小冷却单元，最小冷却单元内部冷却介质串联流动，不同最小冷却单元之间冷却介质并联流动。该设计方式确保每组最小冷却单元得到从第二管路流入相同温度的冷却介质，实现冷却能力的均衡分配。从各最小冷却单元流出的冷却介质汇总到第一管路。

作为本实施例的另一种可选实施方式，相变材料再生装置30为包含液力驱动式剪切头的在线分散装置。具体地，相变材料再生装置30内包含两个腔体，一个腔体内装有叶轮，另外一个腔体内装有剪切头，叶轮与剪切头同轴相连，来流流体分为两条支路，流入装有叶轮腔体内的流体驱动叶轮旋转，叶轮通过连接轴带动另一个腔体内的剪切头高速旋转，实现对流入该腔体的相变流体的在线分散。

利用在线分散装置实现冷却介质中相变微粒的分散，利用来流流体的动力驱动叶轮旋转，再带动剪切头的旋转，从而实现了在不引入外界能源及装置的情况下，保证冷却介质内相变微粒的均匀分布，提高了该冷却***的冷却能力。

本发明实施例还提供了一种冷却***，如图5所示，该冷却***包括吸热装置10、散热装置20、相变材料再生装置30以及脱气装置40。其中，关于吸热装置10、散热装置20以及相变材料再生装置30的具体结构细节，请参见上文所述的冷却***中各装置的结构，在此不再赘述。

具体地，脱气装置40的进料口与吸热装置10的出料口连接，脱气装置40的出料口与散热装置20的进料口连接。即，从吸热装置10流出的冷却介质经过脱气装置40之后，才流入散热装置20。该脱气装置的作用为去除冷却介质内可能产生的气体，防止气体的存在造成散热效果降低。

在本实施例的一些可选实施方式中，如图5所示，该冷却***还包括有循环泵50以及去离子支路。

其中，循环泵50的进料口与脱气装置的出料口连接，循环泵50的出料口与散热装置20的进料口连接，循环泵50的作用为给冷却介质提供动力。

去离子支路的进料口与循环泵50的出料口连接，去离子支路的出料口与脱气装置40的出料口连接。即，从循环泵50流出的冷却介质一部分流入去离子支路，一部分流入散热装置20中。具体的流入量可以根据实际情况调整阀门的开度。

其中，所述的去离子支路包括去离子装置61，用于进行离子脱除。进一步地，该去离子支路还包括有第一过滤器62，用于对离子脱除后的冷却介质进行进一步的过滤净化。可选地，在经过去离子支路后，低于0.3μS/cm电导率的冷却介质被送回第一管路。

作为本实施例的一种可选实施方式，如图5所示，去离子装置61的进料口还连接有冷却介质的添加及排除管路。当该冷却***需要添加冷却介质时，冷却介质首先经过去离子支路进行去离子处理以及过滤后再流入第一管路。

作为本实施例的另一种可选实施方式，如图5所示，第二管路上还设置有过滤器，为了与上文中的过滤器区分开，将此处的过滤器称之为第二过滤器80。第二过滤器80的进料口与散热装置20的出料口连接，第二过滤器80的出料口与散热装置20的进料口连接。

在本实施例的一些可选实施方式中，待冷却装置可以为换流阀。对应于换流阀而言，针对不同型号的换流阀以及在不同的气候条件下，可以通过选择不同的相变材料来调节相变温度，也可以通过改变相变材料的质量分数来调节相变流体的表观比热，以调节相变材料的冷却能力，实现了同一设备在不同工况下的灵活切换，提高了换流阀设备的适用性。

作为本实施例提供的冷却***的一个具体应用实例，某特高压直流输电换流站采用本发明提供的冷却***对换流阀进行冷却。

根据换流阀的工作情况，当采用去离子水对其进行冷却时，冷却液在散热器入口处温度为43.7℃，出口处温度为53℃。

采用相变流体作为冷却介质替代冷却水，相变流体中包含质量分数为16％的相变温度为53℃的十六酸十六酯的相变材料，同时添加4％的硬脂醇聚醚作为乳化剂，以及少量的成核剂，其余成分主要为去离子水。该相变流体的主要性能参数见表1。

表1相变流体的性能参数

将上述相变流体应用于该换流阀冷却***中，在工作温度范围内(43.7-53℃)，单位质量的相变流体吸热能力与去离子水相比提升77％，即如果换流阀峰值产热量相对于常规产热量增加77％，冷却介质流经换流阀散热片后的出口温度不会提高。可以看出，该方法保证了在不同发热功率下，换流阀温度的平稳性，同时在不增加***冷却装置负荷的基础上，极大的提升了换流阀冷却***的峰值冷却能力。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种冷却***，其特征在于，包括：

吸热装置，具有与散热装置连接的第一管路，所述第一管路内循环的冷却介质吸收待冷却装置所产生的热量后流入所述散热装置；其中，所述冷却介质为包括相变材料的相变流体；

所述散热装置，用于对所述冷却介质进行散热，并将散热后的所述冷却介质通过第二管路循环至所述吸热装置中；

相变材料再生装置，设置于所述第一管路或所述第二管路上，用于对所述相变材料进行在线分散。

2.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于，所述吸热装置包括：

至少两个并联的吸热单元；其中，两个所述吸热单元之间形成所述待冷却装置的安装空间，每个所述吸热单元的进料口与所述第二管路连接，所述吸热单元的出料口与所述第一管路连接。

3.根据权利要求2所述的冷却***，其特征在于，所述待冷却装置包括至少一个待冷却单元，其中，所述吸热单元包括：

至少两个串联的吸热片；其中，两个所述吸热片之间形成所述待冷却单元的安装空间。

4.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于，所述相变材料再生装置为包含液力驱动式剪切头的在线分散装置。

5.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于，还包括：

脱气装置，所述脱气装置的进料口与所述吸热装置的出料口连接，所述脱气装置的出料口与所述散热装置的进料口连接。

6.根据权利要求5所述的冷却***，其特征在于，还包括：

循环泵，所述循环泵的进料口与所述脱气装置的出料口连接，所述循环泵的出料口与所述散热装置的进料口连接；

去离子支路，所述去离子支路的进料口与所述循环泵的出料口连接，所述去离子支路的出料口与所述脱气装置的出料口连接；

其中，所述去离子支路包括去离子装置。

7.根据权利要求6所述的冷却***，其特征在于，所述去离子装置的进料口还连接有所述冷却介质的添加及排除管路。

8.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于，所述第二管路上还设置有过滤器，所述过滤器的进料口与所述散热装置的出料口连接，所述过滤器的出料口与所述散热装置的进料口连接。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的冷却***，其特征在于，所述待冷却装置为换流阀。

10.根据权利要求1所述的冷却***，其特征在于，所述相变材料为有机相变材料。