包括熱交換器組件的風力渦輪機機艙的製作方法
2023-06-15 07:12:56
專利名稱：包括熱交換器組件的風力渦輪機機艙的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及風カ渦輪機機艙內的產熱部件的冷卻。
背景技術：
在風カ渦輪機內，機艙容納有用於將機械能轉換為電能所需的部件與系統。所述部件的範圍可以由大型發電機、齒輪箱、制動器與變壓器延伸至小型電子元件。這些系統與部件在機艙內產生大量熱量。為了機艙部件的高效率運行，這種熱量必須被消散到外部環境空氣中。用於將熱量由電氣電子設備和重型部件中移除的現有系統包括用於使水或空氣在被冷卻部件或系統的內部、表面或附近的相對高溫區域與相對低溫區域之間循環流通的 泵或風扇，在所述相對低溫區域，熱量通常是通過散熱片或管束被消散到環境空氣中。來自電氣電子設備中的熱量通常通過水冷系統被消散到外部環境空氣中。在所述水冷系統中，水在相對較冷的平板和電氣電子設備單元的表面之間被循環流通。應注意到的是，上文中的空氣對空氣熱交換器和空氣對水熱交換器既需要泵或風扇，又需要管路布置，用以使水循環流通。因此所述冷卻系統是十分龐大的，同時受到風カ渦輪機機艙內部有限的可用空間所限制，所述冷卻系統的安裝是ー項複雜而昂貴工作。而且，包括泵和風扇的系統是易磨損的，並且最終會因此而損壞。所述的磨損與損壞不僅可以導致風カ渦輪機運行的中斷，而且可以導致重型部件或電子元件因由此帶來的過熱而損壞。此外，從風カ渦輪機機艙內產熱部件中被移除的熱量的量既依賴於外部條件(例如外界溫度)而變化，又依賴於風カ渦輪機在運行中所受的負載而變化。例如，當風カ渦輪機在高負載下運行時，發電機內電氣電子設備中產生的熱量的量高於風カ潤輪機在低負載下運行時發電機內電氣電子設備中產生的熱量的量。在所述低負載運行狀態下，更少的動力被送入發電機。空氣對空氣或空氣對水熱交換器並非在所有情況下都是準確地可控的，並且，儘管它們一般被設計為可提供足夠的加熱程度，但所述熱交換器的能耗也往往是過高的，這是由於，作為ー種安全措施，所述熱交換器往往適合於提供不必要的高冷卻程度。然而，電子模塊，特別是印刷線路板(PCBs)，受到來自通常被容納於密閉空間中的發電機、變壓器和類似部件等的高功率耗散影響而顯著升溫。在不同的運行條件下，印刷線路板可在一段時間內被迅速地加熱或冷卻，並且由於印刷線路板中熱膨脹係數的不匹配，焊點失效現象會隨著印刷線路板中材料的反覆膨脹與收縮而發生。
發明內容
本發明的實施例的目的是提供具有熱交換器組件的風カ渦輪機機艙，所述熱交換器的組件是易於可控的。本發明的實施例的另ー個目的是提供熱交換器組件，所述熱交換器組件提供了額外的冷卻能力。此外，本發明的實施例適用於冷卻風カ渦輪機發電機中的電氣電子設備，並且所述實施例可以與其他類型的冷卻系統組合。此外，本發明的目的是提供適合於高效準確地對有限區域或特定部件(例如電氣電子模塊或其表面)進行冷卻以保持所述區域或部件處於相對恆溫或相對低溫的熱交換器組件。通常地，本發明提供了ー種風カ渦輪機機艙，所述機艙包括-容納在所述機艙內的至少ー個產熱部件；-用於冷卻所述至少一個產熱部件的至少ー個熱交換器組件；其中，所述至少ー個熱交換器組件包括第一冷卻組件，所述第一冷卻組件包括-至少ー個熱電元件，所述熱電元件具有第一區段，所述第一區段被安放在相對高溫的第一區域內與所述產熱部件接觸或在所述產熱部件附近，所述熱電元件還具有第二區段，所述第二區段被安放在相對低溫的第二區域內，所述熱電元件被配置成通過消耗電能將熱量從相對高溫的所述第一區域轉移到相對低溫的所述第二區域；以及 其中，所述第一冷卻組件還包括與所述熱電元件相連的電源。本發明進ー步提供ー種冷卻方法，用於冷卻容納在風カ渦輪機機艙內的至少ー個產熱部件，所述方法包括-提供用於冷卻所述至少一個產熱部件的至少ー個熱交換器組件，其中，所述至少ー個熱交換器組件包括具有至少ー個熱電元件的第一冷卻組件，所述方法進ー步包括-將所述至少ー個熱電元件的第一區段布置在相對高溫的第一區域內，與所述產熱部件相接觸或在其附近；以及-將所述至少ー個熱電元件的第二區段布置在相對低溫的第二區域內；-將電能供應給所述熱電元件，從而導致所述熱電元件將熱量從所述相對高溫的第一區域轉移到所述相對低溫的第二區段。熱電元件的熱量泵送能力是通過電能(電流)的供應而可控制的，從而允許部件或表面區域被保持在與整個產熱部件被用於冷卻整個部件或其外罩的常見系統所冷卻的情況下相比更低的和/或更恆定的溫度，所述部件或表面區域位於熱電元件的附近。優選地通過使用珀耳帖效應，熱電元件產生了在兩種不同類型材料的接合處之間的熱量流動。所述熱電元件可以是固態的有源熱泵，所述熱泵將能量(熱量)依照溫度梯度從所述接合處的ー側轉移到另ー側。在這種情況下，所述熱電元件消耗電能。因此所述熱電元件可以構成冷卻ニ極管或所謂的固態冷凍器。 為了精確控制所述第一冷卻組件的熱量泵送能力，可以提供被配置成對熱電元件的電能供應進行控制的控制系統。因此，熱電元件可以被控制以保持被所述第一冷卻組件所冷卻的區域或部件處於恆定溫度。或者，所述熱電元件的溫度和/或冷卻能力可以通過響應變化的外部狀態，例如風カ渦輪機的運行狀態，而被加以控制。在這種情形下，所述控制系統可以包括用於確定風カ渦輪機運行狀態的單元，並且在這種情況下，所述控制系統被配置成響應所述運行狀態而對熱電元件的電能供應進行控制。所述運行狀態可以是作用在風カ渦輪機葉輪上的空氣動カ負載或者葉輪的轉速、外部風速、外部溫度、機艙內溫度或者機艙內部件溫度等。在本發明的一個實施例中，即使是在由於風速變化而導致負載變化吋，印刷線路板(PCBs)的溫度也可以通過改變對熱電元件的供應電流而被保持恆定。根據本發明的一個實施例，至少ー個產熱部件包括用於將風カ渦輪機機艙旋轉軸的機械能轉化為電能的發電機(或被稱為變流器)。風カ渦輪機機艙內部的發電機通常需要冷卻，儘管在上下文通常應用基於水和/或空氣泵的熱交換器，而所述熱電元件主要在被限制的或者狹窄的區域內諸如相對於電子電路的冷卻提供了附加的冷卻效果。例如，所述發電機可以包括具有至少ー塊印刷電路板的控制模塊，在這種情況下，所述熱電元件和/或所述熱交換器組件的其他冷卻元件可以被安放成用於將熱量從至少ー塊印刷電路板轉移走。對熱電元件的電能供應可以是可控的，以維持印刷電路板表面溫度低於50攝氏度。到目前為止，在風カ渦輪機運行過程中，印刷線路板的表面溫度已經可以達到95攝氏度，因此將印刷電路板表面溫度降低至50攝氏度或更低可以通過降低印刷電路板峰值溫度的方式降低焊點失效的可能性。應理解的是，所述熱電元件可以作為ー種冷卻裝置被應用於風カ渦輪機機艙內的其他類型電子元件上，或者通常地被應用於機艙內任何種類的產熱部件。可以提供多於ー個的熱電元件。例如，多個熱電元件中的每ー個都可以被安放並被配置成用於冷卻風カ渦輪機機艙內的特定部件或特定區域，例如發電機內，以及功率控 制單元或印刷電路板等。熱電元件可以方便地與其他類型的熱交換器元件組合，例如與包括容納裝置的第ニ冷卻組件組合，所述容納裝置容納有工作流體。其中，所述容納裝置被安放以使所述容納裝置的第一區段處於相對高溫的第三區域內與產熱部件接觸或在產熱部件附近，並且，使得所述容納裝置的第二區段處於遠離產熱部件的相對低溫的第四區域內；以及-所述工作流體通過所述容納裝置的第一區段的第一壁與高溫區域進行熱交換從而在容納裝置的第一區段處蒸發；-所述被蒸發的工作流體能夠在所述容納裝置內從第一區域被輸送到第二區域，並且通過所述容納裝置的第二區段的第二壁與低溫區域進行熱交換從而在所述容納裝置的第二區段處冷凝；-所述第二冷卻組件進一歩包括允許所述冷凝工作流體從容納裝置的第二區段被輸送回容納裝置的第一區段的結構。在例如毛細結構中的毛細效應的作用下和/或重力作用，可以發生所述工作流體從所述容納裝置的第二區段到所述容納裝置的第一區段的輸送。熱交換器因此可以是無源部件，所述無源部件無需從外部電源供電，並且不依賴於泵或風扇。所述產熱部件可以包括齒輪箱、發電機、變壓器、制動器、油泵、振動抑制裝置、軸承、電氣或電子元件(包括控制電子器件)中的ー個或多個。相對高溫的區域是優選地在被冷卻的產熱部件的外部部分上，或緊靠被冷卻的產熱部件的外部部分。然而，所述高溫區域也可以是在被冷卻的部件內部的區域，例如齒輪箱或發電機外罩內的空間。關於電子元件的冷卻，例如電氣電子設備的冷卻，如果所述容納裝置被安放成使其外表面與被冷卻電子元件的外表面部分重疊搭接的話，那麼基於工作流體蒸發與冷凝的熱交換器的原理被發現是特別有利的。更具體地，所述熱交換器可以被用於在所述熱交換器的容納裝置的表面各處高效率地傳播熱量，並且因此可以避免所謂的「熱點」，否則所述「熱點」是設備失效的常見原因。所述容納裝置可以被包括在外罩內，所述外罩具有-被安放在相對高溫區域內的第一外表面部分，和被安放在相對低溫區域內的第ニ外表面部分；所述容納裝置被安放在處於所述第一和第二外表面部分之間的外罩內；
並且，其中，允許被冷凝工作流體從所述容納裝置的第二區段被輸送到所述容納裝置的第一區段的結構包括裝襯到所述容納裝置的內壁的至少一部分的毛細結構。在ー個特定實施例中，所述容納裝置呈細長管狀零件形式，並且其中，所述第一和第二區段分別位於細長管狀零件的相應兩端。所述毛細結構可以被裝襯到所述細長管狀零件的內壁上，以便封裝工作流體可以在其中被蒸發的內腔。例如包括上文所述管狀零件的所述第二冷卻組件可以被配置成對所述第一冷卻組件進行冷卻，所述第一冷卻組件包括所述熱電元件。替代地，所述熱電元件可以也可以被用來冷卻所述第一冷卻組件，或者，所述第一與第二冷卻元件可以被提供用於直接對單獨的部件或部件的不同區域進行冷卻。因此，容納有所述工作流體的所述容納裝置可以被安放用以將熱量從所述熱電元件轉移走，使所述容納裝置的第一區段被安放成與所述熱電元件的第二區段相接觸或位於其附近。在另ー實施例中，所述熱電元件被安放用以將熱量從容納有所述工作流體的所述容納裝置轉移走，使所述熱電元件的第一區 段被安放成與容納有所述工作流體的所述容納裝置的第二區段相接觸或在其附近。為了實現從所述第一和/或第二冷卻組件中高效地將熱量泵送帶走的效果，所述熱交換器組件可以進一歩包括熱連接到所述第一冷卻組件(即熱電元件)和/或第二冷卻組件(容納有工作流體的容納裝置)上的吸熱裝置。吸熱裝置可以優選地被安放通過熱對流和/或熱輻射的方式將熱量轉移到其周圍的環境中。例如，可以提供散熱器組件，散熱器組件被布置成用以將所述第一和/或第二冷卻組件與所述吸熱裝置相連接。所述散熱器組件可以包括將第一和/或第二冷卻組件與所述吸熱裝置互連的ー個或多個導熱元件。在一個實施例中，所述熱交換器組件被安放在外罩或底架內，例如發電機的外罩或底架內。在這樣的情形下，所述風カ渦輪機機艙可以進ー步包括通過封閉冷卻迴路對所述外罩或底架進行冷卻的冷卻系統，所述封閉冷卻迴路包括用於使在所述冷卻迴路中的冷卻介質沿著或穿越外罩或底架進行循環流通的泵，和用於將熱量從所述迴路內的冷卻介質轉移走的熱交換器。為了達到從所述吸熱裝置中通過熱傳導效應高效率地轉移熱量的目的，所述吸熱裝置可以被安放在靠近外罩壁或底架壁處，所述外罩壁或底架壁可以被用作所述封閉冷卻迴路的導管或導管支持部。在所述第二冷卻組件內，所述低溫區域可以處於機艙的朝向其外側的外表面部分，以便增強由於所述外表面部分各處環境空氣的流動所引起的熱量從所述熱交換器到所述低溫區域的轉移。所述機艙外表面部分可以被選擇為局部風速相對較高的區域，以便進一步增強熱對流效應。或者，所述低溫區域可以被提供在所述機艙的朝向其內部的內表面處。在這兩種情況中，風扇可以被提供用於增強熱量從所述熱交換器到所述低溫區域的轉移。所述容納裝置或所述外罩的至少一部分可以被嵌入在金屬外殼中，所述金屬外殼優選地由具有良好導熱性能的金屬例如銅(Cu)製成。在所述第二冷卻組件的實施例中，所述工作流體可以在包括以下物質中選擇氫(H2),氛(Ne),氧(O2),氣(N2),甲燒(CH4),氣-21 (F-21),氣-11 (F-11),苯(C6H6),こ酸基((CH3) CO),甲醇((CH3)OH)),氨(NH3),水(H2O),銫(Cs)，鉀(K)，汞(Hg)，鈉(Na)，鋰(Li)和銀(Ag)。前述的工作流體一般適用於下列應用-超低溫熱交換器氫(H2)，氖(Ne)，氧(02)，氮(N2),甲烷(CH4)；
-低溫熱交換器氧(02)，氮(N2),甲烷(CH4),氟-21(F-21)，氟-11 (F-11)，苯(C6H6),こ醯基((CH3) CO),甲醇((CH3)OH),氨(NH3),水(H2O),銫(Cs)，鉀(K)，汞(Hg)，鈉(Na)；-高溫熱交換器銫(Cs)，鉀(K)，汞(Hg)，鈉(Na)，鋰(Li)，銀(Ag)。用於從所述容納裝置的第二區段將所述冷凝工作流體輸送回所述容納裝置第一區段的毛細結構可以包括，例如，粉末燒結金屬絲網。為了改善熱量在所述熱交換器的低溫區域的轉移，所述區域的外表面可以設置有多個例如壓鑄式、插片式、粘合式或摺疊式的散熱片。所述散熱片可 以具有任何合適的形狀與配置，例如橢圓形，橫切形，直板形等。本發明進一歩提供了包括如上文所討論的機艙的風カ渦輪機。
本發明將參照附圖被進一步解釋，在所述附圖中圖I和圖2大體地展示了用於風カ渦輪機機艙內的例如風カ渦輪機發電機的液體冷卻底架的熱交換器組件的實施例；圖3和圖4展示了例如包括熱交換器組件的風カ渦輪機發電機的液體冷卻底架的實施例；圖5展示了根據本發明第二冷卻組件的一個實施例的管狀冷卻組件；圖6和圖7展示了根據本發明第二冷卻組件的另ー實施例的管狀冷卻組件的另ー實施例；圖8展示了包括若干根據本發明的熱交換器的風カ渦輪機機艙；圖9是模塊化熱交換器的簡圖；圖10展示了熱交換器上的熱阻對於冷卻風的風速的依賴關係；圖11是根據本發明的熱交換器的簡圖，所述熱交換器被安放在機艙壁內並且包括用於提高局部風速的遮罩；以及圖12至圖16展示了根據本發明第二冷卻組件的實施例的各種基於導熱管的冷卻組件。
具體實施例方式圖I和圖2展示了包括在風カ渦輪機機艙內的液體冷卻底架中的熱交換器組件的兩個實施例。圖2中的實施例中包括了用於達到增強冷卻效果的熱電元件，而圖I中的實施例中不包括熱電元件。所述底架自身可以容納重型部件，例如發電機。又或者，所述底架可以被安放在所述重型部件附近。電氣電子設備模塊被安放在底架壁的內表面上。印刷電路板(PCB)被安放在電氣電子設備模塊的朝向所述底架內部的表面上。所述印刷電路板包括產熱部件。在圖I中，所述產熱部件被由呈導熱管和散熱器組件形式的第二冷卻組件所冷卻，所述第二冷卻組件被熱連接至吸熱裝置。熱量從所述吸熱裝置通過液體冷卻底架壁以熱傳導的方式消散，並且以熱對流和熱輻射的方式消散到所述底架內部。外部泵將液體，例如水，通過所述底架壁循環流通。所述液體在外部熱交換器處被冷卻。在圖2中，包括熱電元件的第一冷卻組件被安放在印刷電路板上的產熱部件與第ニ冷卻組件(導熱管與散熱器的組件)之間，以便達到增強的冷卻效果。所述第二冷卻組件被布置成用來冷卻熱電元件。圖3展示了按照圖2中展示的原理的變頻器(發電機)底架50的整體視圖。圖4展示了圖3的細節部分。在圖3和圖4的展示中，為清楚起見，壁被隱藏起來。底架壁52設置有用於冷卻液流動的通道。多個電氣電子元件，例如絕緣柵雙極電晶體(IGBT) 62，被沿所述底架50的內壁設置。包括熱電元件56的第一冷卻組件被設置在所述絕緣柵雙極電晶體62的表面上或其附近，例如在所述絕緣柵雙極電晶體的印刷線路板上的產熱部件的表面上或其附近。應注意到的是，可以設置多個所述熱電元件。包括在下文中被進ー步詳細說明的導熱管的第二冷卻組件100被進ー步設置用於冷卻所述熱電元件。所述第二冷卻組件100通過導熱元件58被連接到吸熱裝置60。圖5展示了根據本發明第二冷卻組件100的工作原理和實施例。所述冷卻組件100包括容納有工作流體的密封容納裝置101。所述容納裝置的第一部分或區段102被安放在高溫區域103內，所述高溫區域接近或毗鄰被冷卻的產熱部件或零件(圖中未顯示)，而所述容納裝置的第二區域104被安放在低溫區域105內。在所述高溫區域103內通過所述 容納裝置的壁進行的熱交換使得所述工作流體在所述容納裝置的第一區域或蒸發區域106內蒸發，正如箭頭107所展示。由於此處較高的蒸氣壓力，一部分蒸發的工作流體隨即從所述容納裝置的第一或蒸發區域106內擴散或被輸送105到所謂的第二或冷凝區域108內。在所述第二或冷凝區域內，所述工作流體冷凝109將其通過容納裝置的壁與周圍的低溫區域105進行熱交換得到的汽化潛熱釋放。所述冷凝工作流體隨即在結構111中被輸送回110所述容納裝置的第一區段102。在圖I中的熱交換器實施例中，所述流體輸送通過被連接到所述容納裝置101的內壁112的至少一部分上的毛細結構111來達成，並且其中流體由於毛細作用被輸送。毛細結構108可以由燒結的粉末金屬網(篩網)、燒結金屬粉末、燒結金屬粉末槽和/或燒結板等構成。毛細材料可以由銅和銅合金製成。在另ー個熱交換器的實施例中，冷凝工作流體也可以通過重力被運輸或輸送回所述容納裝置的第一區域106，在這種情況下，所述第一區域在如圖6中展示的冷卻組件內。容納有工作流體的所述容納裝置101可以被做成如圖I中展示的細長管狀，並且所述細長管狀可以是管狀、環形、彎曲、扁平、環路等形狀，從而可以符合由熱交換器將要被放置的區域的實際幾何約束中產生的特定需求。所述管狀零件可以被製作成直徑2毫米及2毫米以上，並且可以由銅及銅合金材料等製成。在一個實施例中，所述毛細結構111覆蓋著整個內部管壁表面(但不一定覆蓋到端壁)，因此，如果以橫截面視圖觀察，所述毛細結構將內腔完全包圍或封閉。所述容納裝置的第一(蒸發)和第二(冷凝)區段102，104優選地採用可增強周圍環境與工作流體之間熱交換的導熱材料製成。這是通過將容納裝置的第一和/或第二區段用軟焊、焊接、釺焊或熱接ロ材料壓入配合等方式整合或內嵌入由例如銅、鋁、或一些導熱高分子材料等製成的外殼或區塊中而獲得的。容納裝置區域中的不同部分的大小和尺寸必須基於實際負載和負載能力狀況來進行選擇。在所述蒸發和冷凝區域之間的所述容納裝置的中心區段是有利地絕熱的，或是在某種程度上隔熱的，這是為了確保所述產熱部件中的熱量一直或儘量多地被傳導到低溫的
第二區域。
多種在不同溫度區間下分別處於最佳工作狀態的不同工作流體可以被使用在熱交換器中，例如水(301-473K)，甲醇(283-403K)，こ醇(273-403K)，氨(213-373K)，或丙酮。根據不同負載和運行狀況，所述的不同工作流體的組合也可能被使用在熱交換器中。此外，所述工作流體的選擇可以在考慮風狀況或局部氣候區域的情況下來完成。在圖6和圖7以立體圖所示的冷卻組件實施例中，所述容納裝置101被安放在外罩201內，在所述外罩內，包括工作流體的所述容納裝置獲得室202的形狀。產熱部件(圖中未顯示)的熱量在此被通過基板205與容納裝置的ー個(圖7)或兩個(圖6)不同的第一蒸發區域106進行熱交換，在所述第一蒸發區域內，所述工作流體蒸發後隨即在較冷的第ニ或冷凝區域108內冷凝。這裡，第二或冷凝區域108的冷卻通過布置在熱交換器100的外表面203上的多個散熱片204增強。與熱部件中的熱量通過龐大金屬區塊被引導至散熱片204的傳統熱交換器相比，此處公開使用的所述工作流體極大地提高了熱交換效率和熱傳導係數，因為具有工作流體的蒸發室能夠將熱量更加均勻地分配到第二或冷凝區域108的整個表面。換言之，熱量流量變得更加均勻。散熱片204可以是多種類型的，例如插片形、橢圓形、橫切形或直板形並且可以採用模壓式、粘合式或摺疊式配置等。圖8展示了風カ渦輪機機艙400，所述機艙內包括多個產熱部件401。由於根據本發明的熱交換器的結構，它們可以有利地被廣泛應用於各種產熱部件的冷卻，所述產熱部件可以是例如大型元件發電機410、齒輪箱402、或變壓器；也可以是小型電氣電子元件403。根據本發明，通過將包括多個熱交換器的冷凝區域的部分放置在靠近機艙外表面處或在外表面上，在機艙外表面上的自然氣流404可以被用於將熱量從不同產熱部件401消散。例如，所述散熱片204可以被放置到伸出所述機艙外、在所述機艙側面、或在所述機艙頂部等適合的地點。由於形成根據本發明的第二冷卻組件的管狀零件可以是相當大的長度，因此可以通過使用環境空氣對被放置在所述機艙內部一定距離處的部件進行冷卻。此外，所述熱交換器的可用空間上的幾何約束可以通過使用如前文所述的管狀零件被更容易地避開，所述管狀零件不必是直的。為了更進ー步增強熱交換器的效率，所述熱交換器100在本發明的一個實施例中可以由兩個或兩個以上的互相連接或組合的附屬熱交換器501的模塊所建立，如圖9中所示，所述附屬熱交換器501以平行或連續方式被建立。在此情況下，所述冷卻組件100包括多個被安放在低溫區域內的外表面上的散熱片204。所述散熱片204被連接到與圖2和圖3中展示的實施例類似的第一附屬熱交換器502上。所述附屬熱交換器502包括具有內部容納裝置和工作流體(圖中未顯示)的外罩503。然而，代替將(通過不同箱體503所展示的)產熱部件直接連接到所述第一附屬熱交換器502的蒸發區段上，產熱部件503被連接到模塊面板，所述模塊面板包括多個管狀形狀的第二附屬熱交換器504，所述模塊面板的冷凝區域104隨後又被連接到第一附屬熱交換器501上。可以得知的是，與在圖6和圖7中展示的實施例相比，所述熱交換器系統100的總體效率或熱傳導係數被部分地提升，這是由於所述管狀零件可以更均衡地將熱量分配在所述第一附屬熱交換器502的更大蒸發區段。在圖6和圖7中展示的實施例中，所述被冷卻的部件的熱量將通過具有較小區域的基板205。 在這種情況下，在傳統的熱交換器中往往會成為問題的被稱為「熱點」溫度會被降低或者甚至被消除。
在圖10中，根據本發明的熱交換器的熱阻600被展示為在低溫區域內的風速601的函數。圖表中展示了所述熱阻如何隨著風速的提高而降低，這意味著所述熱交換器的熱傳導係數以及因而也是熱傳導能力會隨著風速提高而上升。所述熱阻同時也是散熱片排布方式的函數，並且，這種依賴關係在三種不同類型的圖中被展示；所述三種圖分別是橢圓式散熱片排布604、橫切式散熱片排布603、以及直板式散熱片排布602。所述效果通過如圖11中展示的具有熱交換器的機艙的實施例而被體現。在所述實施例中，所述熱交換器100被安放在所述機艙壁405之外的部分可以通過掩蔽物406被進ー步部分地覆蓋或遮蔽，所述掩蔽物具有可以增強並提高穿過熱交換器的冷卻表面(散熱片204)的氣流404的形狀，從而提高所述熱交換器的熱傳導係數。圖12至圖16展示了根據本發明的熱交換器的不同實施例。在圖12中，所述熱交換器包括容納工作流體的多個管狀零件801和如前面所述的毛細結構。所述管狀零件801的自由端可以被安放在風カ渦輪機機艙內處於或靠近產熱部件處。所述管狀零件801的相反端被內嵌入外殼中，所述外殼與多個散熱片204形成整體或被連接到多個散熱片204上， 所述外殼被安放在所述機艙內部或所述機艙外表面處的相對低溫的區域。在圖13的實施例中，所述熱交換器包括多個管狀零件901。所述管狀零件901的將會被安放在相對高溫區域內的一端被嵌入熱傳導共用支撐元件902中，所述管狀零件901的相反端被單獨內嵌入具有散熱片204的外殼中。圖14展示了一個實施例，在所述實施例中，所述管狀零件在相對高溫區域內和相對低溫區域內均被嵌入在散熱片支持元件中。在圖15中進ー步展示的實施例中，所述管狀零件1101的一端被連接到第一平板1102上並且其第二端被連接到第二平板1103上。所述平板1102與1103的其中一個預計會位於相對高溫的區域內，而另ー個預計會位於相對低溫的區域內。圖16展示了實施例的又一示例，在所述示例中，所述管狀零件1201被內嵌於散熱片支持元件1202與1203中，其中，一套片式支持元件位於相對高溫區域內，而另ー套片式支持元件位於相對低溫區域內。
權利要求
1.ー種風カ渦輪機機艙，所述機艙包括 -容納在所述機艙內的至少ー個產熱部件； -用於冷卻所述至少一個產熱部件的至少ー個熱交換器組件； 其中，所述至少ー個熱交換器組件包括第一冷卻組件，所述第一冷卻組件包括 -至少ー個熱電元件，所述熱電元件具有第一區段，所述第一區段被安放在相對高溫的第一區域內與所述產熱部件接觸或在所述產熱部件附近，所述熱電元件還具有第二區段，所述第二區段被安放在相對低溫的第二區域內，所述熱電元件被配置成通過消耗電能將熱量從相對高溫的所述第一區域轉移到相對低溫的所述第二區域；以及 其中，所述第一冷卻組件還包括與所述熱電元件相連的電源。
2.如權利要求I所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述至少ー個熱交換器組件還包括第二冷卻組件，所述第二冷卻組件包括容納裝置，所述容納裝置容納有工作流體，所述容納裝置被安放成使得所述容納裝置的第一區段處於相對高溫的第三區域內與所述產熱部件相接觸處或在其附近，並且使得所述容納裝置的第二區段處於相對低溫的第四區域內遠離所述產熱部件；以及 -由幹與所述高溫區域通過所述容納裝置的所述第一區段的第一壁進行熱交換，所述工作流體能夠在所述容納裝置的所述第一區段蒸發； -所述被蒸發的工作流體能夠在所述容納裝置內從其第一區域被輸送到所述第二區域，並且由幹與所述低溫區域通過所述容納裝置的所述第二區段的第二壁進行熱交換而在所述容納裝置的所述第二區段冷凝； -所述第二冷卻組件還包括允許冷凝的工作流體從所述容納裝置的所述第二區段輸送回所述容納裝置的所述第一區段的結構。
3.如權利要求2所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，容納所述工作流體的所述容納裝置被安放成將熱量從所述熱電元件轉移走，所述容納裝置的所述第一區段被安放成在與所述熱電元件的第二區段相接觸處或在其附近。
4.如前述權利要求任一所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述第一冷卻組件還包括被配置成控制給所述熱電元件的電能供應的控制系統，從而控制其熱量泵送能力。
5.如權利要求4所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述控制系統包括用於確定所述風カ渦輪機的運行狀態的單元，所述控制系統被配置成響應所述運行狀態以控制給所述熱電元件的電能供應。
6.如前述權利要求任一所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述至少一個產熱部件包括用於將所述風カ渦輪機機艙的旋轉軸的機械能轉化為電能的發電機。
7.如權利要求6所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述發電機包括具有至少ー塊印 刷電路板(PCB)的控制模塊，並且所述至少ー個熱交換器組件被安放成將熱量從所述至少ー塊印刷電路板轉移走。
8.如權利要求4至7中任一所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，給所述熱電元件的電能供應是可控的，以維持所述印刷電路板的表面溫度低於50攝氏度。
9.如權利要求2和權利要求3至8中任一所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述熱交換器組件還包括熱連接到所述熱電元件和/或容納有所述工作流體的所述容納裝置上的吸熱裝置，所述吸熱裝置被安放成通過熱對流和/或熱輻射將熱量轉移到其周圍環境。
10.如前述權利要求任一所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述熱交換器組件被安放在外罩或底架內，並且所述風カ渦輪機機艙進一歩包括用於冷卻所述外罩或底架的冷卻系統。
11.如權利要求10所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述冷卻系統包括封閉冷卻迴路，所述迴路包括 -泵，所述泵用於將冷卻介質在所述冷卻迴路中沿著或穿過所述外罩或底架循環流通；以及 -熱交換器，所述熱交換器用於在所述迴路中從所述冷卻介質將熱量轉移走。
12.如權利要求9和11所述的風カ渦輪機機艙，其特徵在於，所述吸熱裝置被安放成與所述封閉冷卻迴路的管道相接觸或在其附近，從而允許熱量通過熱傳導從所述吸熱裝置被轉移到所述冷卻介質。
13.—種包括如前述權利要求任一所述的風力渦輪機機艙的風カ渦輪機。
14.ー種冷卻方法，用於冷卻容納在風カ渦輪機機艙內的至少ー個產熱部件，所述方法包括 -提供用於冷卻所述至少一個產熱部件的至少ー個熱交換器組件，其中，所述至少ー個熱交換器組件包括具有至少ー個熱電元件的第一冷卻組件，所述方法進ー步包括 -將所述至少ー個熱電元件的第一區段布置在相對高溫的第一區域內，與所述產熱部件相接觸或在其附近；以及 -將所述至少ー個熱電元件的第二區段布置在相對低溫的第二區域內； -將電能供應給所述熱電元件，從而導致所述熱電元件將熱量從所述相對高溫的第一區域轉移到所述相對低溫的第二區段。
全文摘要
用於冷卻風力渦輪機機艙內部的諸如發電機或電氣電子設備模塊等的產熱部件的熱交換器組件包括熱電元件，例如帕爾貼元件。所述熱電元件的第一區段被安放在相對高溫的第一區域內與產熱部件接觸或在產熱部件附近，所述熱電元件的第二區段被安放在相對低溫的第二區域內。所述熱電元件被配置成通過消耗電能將熱量從相對高溫的第一區域轉移到相對低溫的第二區域。電源被提供給所述熱電元件，並且控制單元可以被提供用於控制能源供應，從而控制被熱電元件冷卻的部件溫度或表面區域溫度。可以提供包括稱為「導熱管」的另外冷卻元件用以增強冷卻效率。
文檔編號F03D11/00GK102686878SQ201080060541
公開日2012年9月19日 申請日期2010年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者G·拉森, P·C·克努森, R·坎達薩米, S·那拉希馬盧, T·阿貝賽克拉, V·H·王 申請人:維斯塔斯風力系統集團公司