CN110636738B - 一种主动式相变冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式相变冷却系统，包括发热组件、流体工质、上分支管、集气管、上主管、外冷却系统、气液分离器、气态工质回流管、储液罐、下主管、循环泵、集液管、下分支管；其中，发热组件的上部出口通过上分支管与集气管入口连通，集气管出口通过所述上主管与外冷却系统、气液分离器依次连通，气液分离器通过气态工质回流管与外冷却系统连通、同时通过上主管与储液罐入口连通，储液罐出口通过下主管依次与循环泵和集液管连通，集液管通过下分支管与发热组件的下部入口连通，整个系统是密闭的循环回路，内部充注流体工质。本发明的主动式相变冷却系统绝缘性好、换热效率高、节约能源，并且使热源表面温度分布更加均匀。

Description

一种主动式相变冷却系统

技术领域

本发明涉及冷却散热系统，尤其涉及一种主动式相变冷却系统。

背景技术

在电网和轨道交通等领域，大功率电力电子器件具有重要性、复杂性、脆弱性等特点。试验研究表明，当这些器件表面温度超过80℃以后，每升高1℃，可靠性就会下降5％，因此为了使电力电子器件能够长期稳定的实现整流、逆变等功能，需要严格控制其表面温度，避免局部高温导致器件的损坏。

目前大功率器件的主要冷却方式是通过水－水双重循环冷却，存在如下问题：内循环管道长期被浸泡在水中，与水发生电离等反应，导致绝缘性变差；同时可能会出现结垢堵塞管道，因此需要在系统中添加去离子装置和过滤装置等，使得系统复杂、运维难度较高；另外由于水的散热效率已接近其极限，再通过增加流速的方式增强散热效率已不太现实，系统本身的承压能力有限。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种适用于大功率电力电子器件的主动式相变冷却系统，使该系统绝缘性好、换热效率高、节约能源，并且使热源表面温度分布更加均匀。

为实现上述目的，本发明提供了一种主动式相变冷却系统，包括发热组件、流体工质、上分支管、集气管、上主管、外冷却系统、气液分离器、气态工质回流管、储液罐、下主管、循环泵、集液管、下分支管；其中，

所述发热组件的上部出口通过所述上分支管与所述集气管入口连通，所述集气管出口通过所述上主管与所述外冷却系统、所述气液分离器依次连通，所述气液分离器通过所述气态工质回流管与所述外冷却系统连通、同时所述气液分离器通过所述上主管与所述储液罐入口连通，所述储液罐出口通过所述下主管依次与所述循环泵和所述集液管连通，所述集液管通过所述下分支管与所述发热组件的下部入口连通，整个系统形成一个密闭的循环回路，内部充注流体工质。

优选的，所述发热组件包括发热元件和散热器，所述发热元件和所述散热器采用并联或交替串联的阀组结构。

优选的，所述系统包括PLC控制器，所述散热器的进、出口都安装压力传感器及热电阻，同时所述散热器表面中心位置安装热电偶，压力传感器、热电阻、热电偶都与PLC控制器相连。

优选的，所述集气管出口安装视镜。

优选的，所述储液罐上部安装真空管及液位计，液位计与所述PLC控制器相连。

优选的，所述循环泵在所述储液罐的下方，所述循环泵与所述集液管之间安装流量计，循环泵、流量计与所述PLC控制器相连。

优选的，所述上主管直径大于所述上分支管直径，所述下主管直径大于所述下分支管直径。

优选的，所述外冷却系统为风扇或水循环冷却装置。

优选的，所述储液罐的体积至少是所述发热组件所需的流体工质体积的3倍。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：主动式相变冷却系统，其流体工质为高绝缘、低沸点的化合物，利用工质沸腾时液－气相之间的转换吸收热量，绝缘性好、换热效率高，同时可以使被冷却器件表面温度分布更均匀、可靠性更好；冷却系统运行之前，通过真空管将系统抽成真空状态后再注入适量流体工质，内部运行压强比外部大气压低，一方面避免了系统中残留的空气对工质沸腾产生影响，另一方面可防止工质的泄漏、安全性好；循环泵可通过调节工质流速灵活调节散热效率，节约能源、应用范围广、满足用户不同的温度冷却需求；该冷却系统可以建立在旧的水冷系统基础上，只需将内循环冷却更换成相变冷却方式，外冷却部分保持不变，节约成本。同时PLC控制中心监测系统的温度、压力、流量、液位，根据实际情况进行适时调控。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种主动式相变冷却系统的结构示意图；

图2是图1中所示散热器的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种主动式相变冷却系统的示意图。

其中：1.发热元件，2.散热器，3.上分支管，4.集气管，5.视镜，6.上主管，7.气态工质回流管，8.外冷却系统，9.气液分离器，10.真空管，11.储液罐，12.液位计，13.下主管，14.循环泵，15.流量计，16.集液管，17.下分支管，18.第一热电阻，19第一压力传感器，20.第一热电偶，21.第二压力传感器，22.第二热电阻。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有作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。

如图1所示，本发明提供了一种主动式相变冷却系统，包括发热组件、流体工质、上分支管3、集气管4、上主管6、外冷却系统8、气液分离器9、气态工质回流管7、储液罐11、下主管13、循环泵14、集液管16、下分支管17；其中，

所述发热组件的上部出口通过所述上分支管3与所述集气管4入口连通，所述集气管4出口通过所述上主管6与所述外冷却系统8、所述气液分离器9依次连通，所述气液分离器9通过所述气态工质回流管7与所述外冷却系统8连通、同时所述气液分离器9通过所述上主管6与所述储液罐11入口连通，所述储液罐11出口通过所述下主管13依次与所述循环泵14和所述集液管16连通，所述集液管16通过所述下分支管17与所述发热组件的下部入口连通，整个系统形成一个密闭的循环回路，内部充注流体工质。

所述流体工质为高绝缘、低沸点的化合物，实际应用中可根据具体的冷却温度要求，选择饱和温度相接近的流体工质。

所述主动式相变冷却系统内部填充有液态的流体工质，发热组件中的流体工质吸收热量后，部分工质发生相变被汽化；汽化的工质经过外冷却系统8冷却放热转化成液态，其中未被转化成液态的气体工质，经过气态工质回流管7到外冷却系统8重新冷却，已被液化的工质通过上主管6到储液罐11；循环泵14根据冷却系统的需求将储液罐11中的液体工质适量地循环到发热组件中。气液分离器9保证所有进入储液罐11的工质为液态；储液罐11，储存和缓冲系统中的液态工质，确保系统中始终有足够的液态工质，防止发热组件中的工质被蒸干，导致整个冷却系统崩溃，同时又能防止循环泵14处于空转的不良状态；所述主动式相变冷却系统能够在安全运转情况下，实现高效散热。

在一种可选的实施例中，所述发热组件包括发热元件1和散热器2，所述发热元件1和所述散热器2采用并联或交替串联的阀组结构。发热元件1可以为晶闸管或IGBT等功率半导体器件；散热器2可以采用与传统水冷散热器2相似的管道结构，如直通型结构；发热元件1和散热器2交替串联的组装形式包括压接型的IGBT器件，并联的组装形式包括焊接型的IGBT器件。

在一种可选的实施例中，所述系统包括PLC控制器，所述散热器2的进、出口都安装压力传感器及热电阻，同时所述散热器2表面中心位置安装热电偶，压力传感器、热电阻、热电偶都与PLC控制器相连。如图2所示，热电阻及压力传感器，安装在散热器2进、出口附近的上分支管3和下分支管17接口上，测试散热器2进、出口处的温度和压力。根据流体工质已知的饱和温度随压力的变化关系曲线以及实际测量的进、出口压力，可以推算出流体工质在散热器2进、出口的实际饱和温度。散热器2进、出口处热电阻测量的温度与通过压力推算出的温度可以相互验证，同时如果散热器2出口处热电阻测量的温度与通过压力推算出的温度有一定的差距，则需要考虑散热器2中液体工质是否足够或已超出实际需求，是否需要调节循环泵14的转速。热电偶安装在散热器2表面中心位置刻蚀的微型槽中，测试散热器2和发热元件1接触面的温度大小，测试相变冷却方式的散热效果。

在一种可选的实施例中，所述集气管4出口安装视镜5。如图1所示，集气管4收集汇总各个散热器2中汽化的工质，在上分支管3和上主管6之间起重要的转承作用；视镜5安装在集气管4出口附件，监测集气管4出口处流体工质的气液混合状态。通过观察集气管4出口处气态工质的占比大小，推测散热器2内流体工质发生相变的程度，以避免出现散热器2内部液态工质被蒸干的不良状况。

在一种可选的实施例中，所述储液罐11上部安装真空管10及液位计12，液位计12与所述PLC控制器相连。如图1所示，液位计12安装在储液罐11内，监测储液罐11中液态工质体积，防止储液罐11中无液体工质导致循环泵14空转。

在一种可选的实施例中，所述循环泵14在所述储液罐11的下方，所述循环泵14与所述集液管16之间安装流量计15，循环泵14、流量计15与所述PLC控制器相连。如图1所示，流量计15安装在循环泵14与集液管16之间的下主管13上，监测由循环泵14循环到集液管16的液态工质流量。

在一种可选的实施例中，所述上主管6直径D大于所述上支管直径d，所述下主管13直径D大于所述下支管直径d。具体需满足关系式其中n为分支路数。

在一种可选的实施例中，所述外冷却系统8为风扇或水循环冷却装置。由于能量守恒，外冷却系统8系统无论是风扇还是水循环冷却装置，功率至少大于发热元件1的功率总和。

在一种可选的实施例中，所述储液罐11的体积至少是所述发热组件所需的流体工质体积的3倍。根据能量守恒定律，首先根据待冷却器件的功率推算出单位时间内发热元件1的总发热量，再根据总发热量计算出所需冷却工质的体积V。由于储液罐11需为整个系统提供充足的液态工质，一方面为了防止储液罐11中无液态工质而导致循环泵14空转，同时为了防止散热器2中的液体工质全部沸腾汽化，而未能被及时补充；考虑到外冷却系统8具有一定的冷却延时性，储液罐11的体积至少为3V；

如图3所示，上述散热器2的第一热电偶20到第N热电偶，第一热电阻18、第二热电阻22到第N热电阻、第一压力传感器19、第二压力传感器21到第N压力传感器，液位计12及流量计15将测试数据上传给PLC控制中心。在冷却系统实验室测试阶段，拟合散热器2出口的压力和流体工质中气态工质的占比的关系曲线，并作为校准曲线输入到PLC控制中心，通过监测出口的压力变化就能实时监测散热器2内流体工质发生相变的程度。当气态工质占比达到设定的上限时，PLC控制中心就会自动调节循环泵14的转速来调节循环到散热器2中液态工质的流量，从而实现对相变过程的控制。

下面对本发明实施例提出的一种主动式相变冷却系统的工作流程进行详细介绍。

S1.在冷却系统运行之前，首先通过真空管10将整个系统抽成真空状态，然后将系统静置一天后，通过系统中任意一个压力传感器观察系统内部压力的变化。

如果内部压力变化量不大于0.01MPa，说明整个系统密封性良好。抽成真空的系统，一方面避免系统中残留的空气对工质沸腾产生影响，另一方面由于内部压强比外界环境大气压低，可防止工质的泄漏。

S2.确定系统密封性良好后，将系统注入适量流体工质。

S3.启动冷却系统后，导通功率发热元件1。

发热元件1通电后由于自身的功耗而发热，热量通过热传导的方式传递给紧邻的散热器2，散热器2再将热量传递给流体工质。流体工质吸热达到沸点后发生相变，由液态转化成气态，在浮力的作用下，各个散热器2中的气态工质通过上分支管3汇集到集气管4，再进入外冷却系统8进行冷却液化。经过外冷却系统8冷却的流体工质可能有部分气态工质未转化为液态，气液分离器9将未完全液化的气态工质分离出来，再经过气态工质回流管7再次循环回外冷却系统8进行冷却液化，以此保证流入储液罐11的流体工质全为液态。循环泵14根据散热器2中流体工质的具体情况将储液罐11中的液态工质再次循环至散热器2，确保散热器2中有足够液态工质不被蒸干，实现循环散热。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：主动式相变冷却系统，其流体工质为高绝缘、低沸点的化合物，利用工质沸腾时液－气相之间的转换吸收热量，绝缘性好、换热效率高，同时可以使被冷却器件表面温度分布更均匀、可靠性更好；冷却系统运行之前，通过真空管10将系统抽成真空状态后再注入适量流体工质，内部运行压强比外部大气压低，一方面避免了系统中残留的空气对工质沸腾产生影响，另一方面可防止工质的泄漏、安全性好；循环泵14可通过调节工质流速灵活调节散热效率，节约能源、应用范围广、满足用户不同的温度冷却需求；该冷却系统可以建立在旧的水冷系统基础上，只需将内循环冷却更换成相变冷却方式，外冷却部分保持不变，节约成本。同时PLC控制中心监测系统的温度、压力、流量、液位，根据实际情况进行适时调控。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种主动式相变冷却系统，其特征在于，包括发热组件、流体工质、上分支管、集气管、上主管、外冷却系统、气液分离器、气态工质回流管、储液罐、下主管、循环泵、集液管、下分支管；

所述发热组件的出口通过所述上分支管与所述集气管入口连通，所述集气管出口通过所述上主管与所述外冷却系统、所述气液分离器依次连通，所述气液分离器通过所述气态工质回流管与所述外冷却系统连通、同时所述气液分离器通过所述上主管与所述储液罐入口连通，所述储液罐出口通过所述下主管依次与所述循环泵和所述集液管连通，所述集液管通过所述下分支管与所述发热组件的入口连通，整个系统形成一个密闭的循环回路，内部充注流体工质；

所述发热组件包括发热元件和散热器，所述发热元件和所述散热器采用并联或交替串联的阀组结构；

包括PLC控制器，所述散热器的进、出口都安装压力传感器及热电阻，同时所述散热器表面中心位置安装热电偶，压力传感器、热电阻、热电偶都与PLC控制器相连；

所述储液罐上部安装有真空管及液位计，液位计与所述PLC控制器相连；

所述循环泵在所述储液罐的下方，所述循环泵与所述集液管之间安装流量计，循环泵、流量计与所述PLC控制器相连。

2.如权利要求1所述的主动式相变冷却系统，其特征在于，所述集气管出口安装有视镜。

3.如权利要求1所述的主动式相变冷却系统，其特征在于，所述上主管直径大于所述上分支管直径，所述下主管直径大于所述下分支管直径。

4.如权利要求1所述的主动式相变冷却系统，其特征在于，所述外冷却系统为风扇或水循环冷却装置。

5.如权利要求1所述的主动式相变冷却系统，其特征在于，所述储液罐的体积至少是所述发热组件所需的流体工质体积的3倍。