一種用於電力設備的換熱裝置的製作方法

2023-07-20 09:49:52

本發明屬於電氣設備冷卻技術，具體涉及一種用於電力設備密封櫃體的換熱裝置。

背景技術：

當前高壓變頻器、整流櫃、開關櫃等大功率電力設備(以下稱電力設備)的功率越來越高，伴隨的是電力設備櫃體內部的發熱量越來越大，如果不能夠及時將櫃體內部的熱量散發，會導致櫃體內的電力器件出現故障，因此需要依靠散熱性能優良、安全可靠、節能降耗的高性能散熱系統，保障電力設備的正常運行。

以高壓變頻櫃為例，現有電力設備的冷卻方式主要採取如下的技術方案：在變頻櫃的主要發熱器件(如IGBT元件)上安裝散熱片，在散熱片周圍安裝高轉速的離心風扇，通過空氣的強制對流冷卻，用於將IGBT的發熱量釋放到變頻櫃周圍的環境中去。另外，變頻櫃中其他的一些熱耗散功率較小的電子元器件也是通過這種空冷的方式將熱量釋放到周圍的環境中。而高壓變頻櫃對空氣的潔淨度有一定的要求，因此高壓變頻櫃需放置於密閉性良好的設備機房中，這就造成機房內的空氣無法與機房外的空氣進行熱對流散熱，為了降低機房的溫度，只能採用空調等輔助降溫設備來對機房進行控溫，空調必須隨電力設備的運行長時間運轉，這種方式造成了機房的巨大的能耗。這就導致變頻器在實現電氣節能的同時，還需要消耗大量的電能用於給變頻器降溫，導致變頻器的節能效果大打折扣。

申請號為201010148032.8的中國專利文件中公開的新型逆變器中包含一種散熱器，其通過蒸管中的氟利昂等冷卻介質對逆變器箱體內的熱量進行蒸發、冷凝，實現熱量的散發，該種散熱裝置能夠有效地將逆變器(電力設備)中的熱量帶走，但是不能夠對櫃體內部複雜分布的電力器件進行均衡散熱，同時通過冷卻液對蒸管內的冷卻介質進行冷卻，容易因冷卻液洩露造成電力設備故障。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是：針對現有的電力設備換熱裝置存在的技術缺陷，提供一種新型的用於電力設備的換熱裝置。

本發明採用如下技術方案實現：

一種用於電力設備的換熱裝置，包括設置在電力設備櫃體內部的空氣流動組件和換熱組件，所述空氣流動組件包括櫃體內部的風道，所述風道與櫃體內的發熱器件串聯分布；所述換熱組件包括封裝有工質的熱管換熱器，所述熱管換熱器的低端伸入櫃體內形成蒸發端，所述蒸發端位於風道的流通路徑上；所述熱管換熱器的高端伸出櫃體外形成冷凝端，所述冷凝端與冷卻部件連接。

進一步的，所述空氣流動組件還包括設置在風道中的第一風扇，將風道中的空氣驅動至熱管換熱器的蒸發端。

進一步的，所述第一風扇的出風端正對熱管換熱器的蒸發端設置。

進一步的，若干平行的所述熱管換熱器平行陣列排布，所有熱管換熱器的底部蒸發端通過一根母管並聯成一體。

進一步的，所述熱管換熱器的外徑為3-20mm，管壁厚度為0.1-2mm，長度是櫃體高度的30％-100％。

進一步的，所述熱管換熱器的外壁設有翅片。

優選的，所述熱管內封裝的工質為氟利昂、丙酮、乙醇、水中的至少一種。

在本發明中，所述冷卻部件為風冷部件。

本發明的換熱組件採用翅片式的熱管換熱器陣列，熱管換熱器按照櫃體內外分布區分為蒸發端和冷凝端，蒸發端與電力設備的櫃體內部直接接觸，用於吸收櫃體內部發熱器件所釋放的熱量，熱管換熱器的冷凝端伸出至櫃體的外部，用於將熱量釋放給櫃體外部的空氣。

櫃體內設置與熱管換熱器的蒸發端上對接的第一風扇，通過風道收集櫃體內發熱器件的熱量並輸送到熱管換熱器的蒸發端，熱管換熱器內部的工質吸收熱量後發生氣液相變，由液相轉變為氣相，氣相的工質通過蒸騰作用無動力地輸送到熱管的冷凝端，在冷凝端凝結成液相後通過重力的作用重新回流到蒸發端，冷凝的過程中將工質的熱量通過冷凝端散發到櫃體外部。

本發明還在熱管換熱器的冷凝端外側安裝有第二風扇，將工質冷凝釋放的熱量高效的排放到櫃體外部的空氣中。由於熱管換熱器內部工質發生相變的換熱係數遠高於熱管換熱器外部空氣的對流換熱係數，因此在熱管換熱器蒸發端和冷凝端的外表面加工有散熱翅片，用於擴展熱管外表面的換熱面積。

本發明將若干根熱管換熱器陣列的底部設置一根母管，將每根熱管換熱器連接在一起，由此方便熱管的充裝，在換熱過程中，熱管換熱器陣列僅將櫃體內部產生的熱量傳遞給櫃體外側的空氣，櫃體內外並沒有發生空氣的質量交換，在控制電力設備櫃體內部電子元器件溫度的同時，從根本上避免了由於電力設備櫃體內外空氣發生交換而帶來的電子器件汙染問題。

由上所述，本發明結構簡單，能夠將電力設備櫃體內部的熱量高效的傳遞到櫃體外部，在不產生櫃體內外空氣交換的條件下，降低電力設備內部電子元器件溫度。由於櫃體內外的空氣不產生流動交換，可以有效保證變頻櫃內部的潔淨度，更重要的是可以關閉電力設備所在機房空調的運行，節省空調的耗電及初投資，尤其是對於潔淨度要求較高的機房，採用本發明的方案可將機櫃可以直接放置於戶外，節省了機房的建設和運營成本。

以下結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步說明。

附圖說明

圖1為實施例中的櫃體內部的空氣流動組件和換熱組件的位置關係示意圖。

圖2為實施例中的熱管換熱器示意圖。

圖中標號：1-高壓變頻櫃，11-發熱器件，2-空氣流動組件，21-第一風扇，22-風道，3-換熱組件，301-蒸發端，302-冷凝端，31-第二風扇，32-熱管換熱器，33-母管，34-翅片。

具體實施方式

實施例

參見圖1，圖示中的高壓變頻櫃1採用了本發明的優選實施方案，包括設置在櫃體內的空氣流動組件2和換熱組件3。

具體的，空氣流動組件2包括設置在高壓變頻櫃1的櫃體內部的風道22和第一風扇21，風道22按照高壓變頻櫃1的櫃體內部設置的發熱器件11進行布置，將所有發熱器件11串聯22在一個風道路徑(圖示中的箭頭路徑)上，風道的進風口位於櫃體1內部發熱器件11的外表面處，風道22的出風口對準換熱組件3的蒸發端，風道22中流通的空氣能夠將所有發熱器件11表面產生的熱量進行傳遞至換熱組件3進行散熱，風道22的出風端正對換熱組件3的蒸發端301，熱空氣沿風道22的路徑流動到此，熱量與熱管換熱器內部的工質發生熱交換後，冷卻的空氣從風道22的出風口繼續在櫃體內循環流動。風道22能夠高效地組織櫃體1內的空氣流動，確保櫃體內部的每個元器件都能夠獲得有效的溫度控制，並且有效地將熱空氣組織輸送至熱管換熱器進行熱交換。

風道22中設置第一風扇21作為空氣流動的動力器件，驅動櫃體內部的空氣沿風道22循環流動，實現熱空氣的循環流動。如圖1所示，本實施例中的第一風扇21採用軸流風扇，第一風扇21的出風端正對熱管換熱器的蒸發端301。

如圖2所示，本實施例中的換熱組件3採用包括一根母管33和若干根熱管換熱器32，其中熱管換熱器32採用傳熱良好的管道，如銅管，在熱管換熱器32內填裝一定容量的工質，工質可根據變頻櫃的功率大小採用氟利昂、丙酮、乙醇、水中的至少一種，熱管換熱器32的兩端封閉，將工質封裝在熱管換熱器32內，熱管換熱器32非水平的布置在變頻櫃的櫃體1內，其中熱管換熱器32的低端位於櫃體1內，形成換熱組件3的蒸發端301，蒸發端301位於櫃體內風道22中，正對第一風扇21設置，保證風道22中的流動熱空氣能夠與熱管換熱器接觸；熱管換熱器32的高端伸出櫃體1外部，形成換熱組件3的冷凝端302，在冷凝端302設置冷卻部件，輔助加速熱管換熱器32內的工質快速冷凝。

在本實施例中，熱管換熱器32安裝於高壓變頻櫃1的櫃體的某一側面，為保證變頻櫃內部空氣的潔淨度，要求將熱管換熱器32和櫃體1之間密封固連，隔絕櫃體內部空氣和外部空氣之間的交互，保持變頻櫃櫃體的密封性的同時，有效隔絕櫃體外部空氣中的粉塵雜質進入到櫃體1內。兩根以上的熱管換熱器32平行陣列排布，並在低端與母管33一體並聯連接，將所有的熱管換熱器32及母管33形成一個整體部件，便於換熱組件的安裝檢修。母管33採用與熱管換熱器32相同的傳熱效果良好的材質管道，如銅管，母管33和熱管換熱器32之間可焊接固連。

熱管換熱器32的數量需要根據變頻櫃的功率確定，可以由一根到多根組成，多根熱管通過底部的母管33並聯在一起封裝，熱管換熱器32採用頂端封口的管道，底端直接與母管焊接封閉，實現熱管換熱器封裝的便利性，減少封裝成本，也可形成多排熱管陣列，增加系統的傳熱量。熱管換熱器32的管道外徑在3-20mm，管道壁厚0.1-2mm，長度根據變頻櫃的高度和功率確定，長度是櫃體高度的30％-100％，這種尺寸的熱管有利於實現最佳的傳熱性能。

換熱組件3還包括設置在櫃體外部的冷卻部件，本實施例的冷卻部件採用風冷部件，如圖2中所示的第二風扇31，第二風扇31的出風口正對熱管換熱器32，對熱管內部形成氣相的工質進行快速冷凝。第二風扇31和第一風扇的不同之處在於，第一風扇是將櫃體內的熱空氣推動至換熱組件3的蒸發端301，輔助熱管內的工質快速吸熱進行氣相相變，而第二風扇31則是將櫃體外的冷空氣與換熱組件3的冷凝端302進行換熱，輔助熱管內的工質快速冷凝液相相變。

為了提高換熱組件的換熱效率，在熱管換熱器32的外表面分別設有翅片34，翅片34通過焊接或其他固定方式將所有的熱管換熱器32外表面連接，提高熱管換熱器32的換熱面積的同時，還可提高多根熱管換熱器32之間一體連接的可靠性。翅片按照櫃體內外的位置分為兩個區域，其作用也相反，其中，靠近蒸發端的翅片的作用是為了加快櫃體內部的熱空氣向熱管內部工質傳遞熱量，而靠近冷凝端的翅片作用是為了加快熱管內部的氣相工質向外部傳遞熱量。

熱管表面的翅片34的數量和翅片尺寸也是根據變頻櫃的功率確定，在實際應用中，第一風扇和第二風扇的風量及風壓的選擇亦需要根據變頻櫃的實際工作情況確定。

在應用本實施例的變頻櫃進入工作狀態後，櫃體內部的IGBT等元器件開始發熱，第一風扇驅動變頻櫃內的空氣在IGBT等元器件表面流動，沿風道帶走IGBT等元器件產生的熱量，此時風道中流動的空氣溫度升高，高溫空氣在流經熱管換熱器32的蒸發端301後將熱量釋放給熱管內部的工質，溫度降低並重新循環流動到變頻櫃的櫃體內部其他區域。熱管換熱器32的蒸發端301吸收熱量後，其內部的工質發生氣液相變，將吸收熱量氣相後的工質無動力的蒸騰到熱管換熱器32的冷凝端302，在冷凝端的氣相工質冷凝後變成液體在自身重力的作用下重新回流到熱管換熱器23的蒸發端。在冷凝端的外側安裝的第二風扇31，將冷凝端302的熱量及時傳遞到周圍的空氣中。

以上實施例描述了本發明的基本原理和主要特徵及本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的具體工作原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內，本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。