蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法及系統的製作方法
2023-10-26 09:22:52 2
專利名稱：蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及隔爆型臥式電機技術領域，具體涉及蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法及系統。
背景技術：
浸泡式蒸發冷卻技術，是目前較為先進的一種新型冷卻技術，廣泛應用在臥式電機、大型功率器件、大型計算機工作站等耗能、發熱比較突出的電器設備上。實施浸泡式蒸發冷卻技術，需要將被冷卻的器件密封在一個密封腔體內，並灌入足量的蒸發冷卻介質(蒸發冷卻介質是一種常溫下為液態，且密度大、無色、無味的絕緣物質，在密封腔體內，液態蒸發冷卻介質的液面應該沒過被冷卻的器件)。電器設備運行時產生的大量熱量，使蒸發冷卻介質溫度升高並沸騰汽化，汽化的冷卻介質與外部冷凝設備進行熱交換後再液化流回到密封腔體內，通過上述蒸發冷卻過程可以將器件產生的熱量及時散發到電器設備的外部，從而保證電器設備正常運行。為了保證電器設備的工作安全，在上述蒸發冷卻過程中，密封腔體內的壓力應當保持為常壓，因此，密封腔體內必須留出一定的空間，以緩衝蒸發冷卻介質蒸發時的體積膨脹；再者，目前蒸發冷卻介質的價格比較昂貴。據此，灌入到密封腔體內的蒸發冷卻介質並不是越多越好，而是應當控制在一個合理的液位上。目前主要的作法是在密封腔體的外壁上開設一個透明的觀察窗結構，利用這個視窗結構來觀察蒸發冷卻介質在密封腔體內灌注時的液面高度情況。這種作法，一方面是由於人為的因素，誤差較大；另一方面，對於隔爆式電器設備，由於要求隔爆機殼必須是完整的，不能有任何開口，因此，不能採用觀察窗結構來觀察蒸發冷卻介質在密封腔體的液面，從而無法控制蒸發冷卻介質在密封腔體內的灌注情況。有鑑於此，亟需針對現有技術進行改進，以有效控制隔爆式電器設備蒸發冷卻時密封腔體內冷卻介質的灌液面。
發明內容
針對上述缺陷，本發明解決的技術問題在於，提供一種蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，用於準確地控制隔爆式電器設備蒸發冷卻時密封腔體內冷卻介質的灌液面。在此基礎上，本發明同時還提供了上述蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統的控制方法。本發明提供的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，包括壓電元件和控制器，所述壓電元件固定在蒸發冷卻密封腔體內，所述壓電元件的兩側極板豎向設置在設定灌液面處，且所述壓電元件根據其相對側面上的兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小，產生相應的電信號；所述控制器根據所述電信號的大小獲得冷卻介質的頂面是否到達設定灌液面的判斷結果，並根據所述判斷結果輸出驅動相應執行元件的控制信號。優選地，所述執行元件為指示燈或揚聲器，所述控制信號打開或者關閉所述指示燈或揚聲器。優選地，所述控制器為絕緣柵雙極型電晶體，串接在所述指示燈或揚聲器的供電電路中，所述壓電元件的兩個極板分別連接到一個電容的正、負極上，所述電容將所述電信號轉換為電壓信號形成所述控制信號，驅動所述絕緣柵雙極型電晶體接通或斷開所述供電電路。優選地，所述絕緣柵雙極型電晶體的控制極連接到所述電容的正極、源極連接到所述供電電路中的直流電源的負極、漏極串聯所述指示燈或揚聲器後連接到所述供電電路中的直流電源的正極。優選地，所述控制器為單片機。所述控制器，所述執行元件為設置在冷卻介質灌注管路中的控制閥，所述控制信號打開或者關閉所述控制閥。本發明提供的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法，包括以下步驟步驟10、在蒸發冷卻密封腔體內固定設置壓電元件，所述壓電元件根據其相對側面上的兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小，產生相應的電信號，其中所述壓電元件的兩側極板豎向設置在設定灌液面處；步驟20、根據所述電信號的大小獲得當前灌注的冷卻介質的頂面位置，並輸出相應的控制信號，驅動相應的執行元件控制冷卻介質的頂面與設定灌液面平齊。優選地，在步驟20中，首先使冷卻介質的頂面位置超過所述壓電元件的底面一定高度，然後再降至與所述壓電元件的底面平齊。優選地，在步驟20中，當冷卻介質的頂面位置超過所述壓電元件的頂面時，點亮指示燈或打開揚聲器提示操作人員手動停止灌注，並手動排放冷卻介質；排放冷卻介質的過程中，當冷卻介質的頂面與所述壓電元件的底面平齊時，關閉指示燈或揚聲器並提示操作人員手動停止排放冷卻介質。優選地，在步驟20中，當冷卻介質的頂面位置超過所述壓電元件的頂面時，點亮指示燈或打開揚聲器並通過控制閥停止灌注，同時開始排放冷卻介質；排放冷卻介質的過程中，當冷卻介質的頂面與所述壓電元件的底面平齊時，關閉指示燈或揚聲器並通過控制閥停止排放冷卻介質。本發明提供的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，在蒸發冷卻密封腔體內固定設置一個壓電元件，並且使壓電元件的兩側極板豎向設置在設定灌液面處，壓電元件根據其兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小就會產生相應的電信號，然後通過控制器根據所述電信號的大小獲得冷卻介質的頂面是否到達設定灌液面的判斷結果，並根據所述判斷結果輸出驅動相應執行元件的控制信號，從而實現冷卻介質灌注液面的精確控制。 與現有技術相比，本發明提供的技術方案，大大減少了人為因素產生的誤差，並且結構簡單；另外，本發明提供的技術方案，無須在設備殼體上設置觀察窗，解決了浸泡式蒸發冷卻技術在隔爆式電器設備上應用的難題。在上述控制系統的優選方案中，控制器採用的是絕緣柵雙極型電晶體，串接在指示燈或揚聲器的供電電路中，壓電元件的兩個極板分別連接到一個電容的正、負極上，電容將所述電信號轉換為電壓信號形成所述控制信號，驅動所述絕緣柵雙極型電晶體接通或斷開所述供電電路。這種設計方案，在低成本的基礎上，反應迅速。
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在上述控制系統的另一種優選方案中，所述執行元件為設置在冷卻介質灌注管路中的控制閥，所述控制信號打開或者關閉所述控制閥，該方案通過設置在冷卻介質灌注管路中的控制閥和單片機實現了灌注過程的自動控制，提高了控制精度，同時節省了人工成本。本發明提供的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法，通過壓電元件兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小所產生的相應電信號，獲得冷卻介質的頂面是否到達設定灌液面的判斷結果，大大減少了人為因素產生的誤差，並且無須在設備殼體上設置觀察窗，解決了浸泡式蒸發冷卻技術在隔爆式電器設備上應用的難題。在上述控制方法的一種優選方案中，首先使冷卻介質的頂面位置超過所述壓電元件的頂面，然後再降至與所述壓電元件的底面平齊。這樣，可以避免由於冷卻介質波動所產生的誤差。
圖I是浸泡式蒸發冷卻隔爆型臥式異步電動機結構示意圖；圖2是具體實施方式
所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統中壓電元件輸出信號採集示意圖；圖3是具體實施方式
所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統中控制電路不意圖。機殼10、定子11、轉子12、定子密封腔體20、設定灌液面13 ；壓電元件P、電容Cl、絕緣柵雙極型電晶體IGBT、控制極G、源極S、漏極D、指示燈 L、直流電源V。
具體實施例方式本發明的核心在於提供一種蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法及系統， 其主要目的是對於採用浸泡式蒸發冷卻技術的設備，在向密封腔體內灌注冷卻介質的過程中，減少由於人為觀察確定灌注液面是否到達設定位置產生的誤差，並且由於本發明提供的技術方案，無須在設備的殼體上設置觀察窗，因此還同時解決了浸泡式蒸發冷卻技術在隔爆式電器設備上應用的難題。下面結合說明書附圖具體說明本實施方式。不失一般性，本實施方式以浸泡式蒸發冷卻隔爆型臥式異步電動機作為主體進行詳細說明。應當理解，根據本領域技術人員的認知能力，本發明提供的技術方案同樣適用於其他的浸泡式蒸發冷卻電器設備，例如大型計算機工作站等。本具體實施例並非構成對技術方案的限制。請參見圖1，該圖為浸泡式蒸發冷卻隔爆型臥式異步電動機的結構示意圖，包括設置在機殼10內的定子11和轉子12，其中定子11密封在一個定子密封腔體20內，該定子密封腔體20內灌注有冷卻介質，且冷卻介質將定子11完全浸泡以實現對定子的冷卻(圖 I中，標記13所指的是冷卻介質的設定灌液面位置)。該異步電動機使用了本發明提供的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，以減少冷卻介質在灌注過程中，由於人為觀察確定灌注液面是否到達設定位置而產生的誤差。蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統包括壓電元件和控制器，該壓電元件固定在蒸發冷卻密封腔體內，且該壓電元件的兩側極板豎向設置在設定灌液面處，工作過程中，壓電元件根據其相對側面上的兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小，產生相應的電信號；控制器根據該電信號的大小獲得冷卻介質的頂面是否到達設定灌液面的判斷結果，並根據該判斷結果輸出驅動相應執行元件的控制信號。本發明提供的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法，包括以下步驟步驟10、在蒸發冷卻密封腔體內固定設置壓電元件，該壓電元件根據其相對側面上的兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小，產生相應的電信號，其中，壓電元件的兩側極板豎向設置在設定灌液面處；步驟20、根據所述電信號的大小獲得當前灌注的冷卻介質的頂面位置，並輸出相應的控制信號，驅動相應的執行元件控制冷卻介質的頂面與設定灌液面平齊。其中，壓電元件指由具備壓電效應的電介質材料(壓電介質)在其兩相對側面上分別設置正、負極板而構成的檢測元件。電介質材料平時不帶電而顯示電中性，當其沿一定方向受到外力的作用時，內部會產生類極化現象，同時產生大量自由電子(負電性)，失去電子的原子核為正電性，從而形成內部微弱電場，在這個內部微弱電場的推動下，電介質材料的受力表面會積累出足以被正、負極板檢測出來的電荷數量。當外力消失時，由於原子核的吸引，自由電子將被重新拉回核結構中，此時壓電介質又恢復為不帶電的電中性狀態。壓電介質可分為三類(I)石英晶體類，屬於天然的單晶體；(2)壓電陶瓷，屬於人工合成的多晶體；(3)高分子壓電材料。本領域技術人員可以根據具體應用場合選擇不同類型的壓電元件。再參見圖2和圖3，圖2和圖3示出了蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統的一個具體實施例，在該具體實施例中，執行元件為指示燈(也可以採用揚聲器)，由於壓電元件上積累的電荷所產生的電壓信號一般是很小的，不足以驅動指示燈發亮，因此，控制器採用了絕緣柵雙極型電晶體IGBT，串接在指示燈L(揚聲器)的供電電路中。絕緣柵雙極型電晶體IGBT是一種全控型場效應電晶體，可以作為全控型開關來使用，壓電元件上積累的電荷所產生的電壓信號完全可以驅動IGBT的控制極。具體連接方式為壓電元件 P的兩個極板(正、負極極板)分別連接到一個電容Cl的正、負極上，絕緣柵雙極型電晶體 IGBT的控制極G連接到電容Cl的正極、源極S連接到供電電路中的直流電源V的負極、漏極D串聯指示燈L(揚聲器)後連接到供電電路中的直流電源V的正極，電容Cl將壓電元件P受冷卻介質靜壓力而產生的電信號轉換為電壓信號形成相應的控制信號，驅動絕緣柵雙極型電晶體IGBT接通或斷開供電電路，以提醒相關操作人員。如果G極上有電壓信號， 則IGBT導通，於是供電電路是通路，有電流流過而使指示燈L發亮；如果G極上無電壓信號，則IGBT截止，於是供電電路是斷開的，指示燈L熄滅。上述具體實施例的實施過程如下首先，在液態的蒸發冷卻介質灌入定子密封腔體之前，設定好冷卻介質的預定灌液面位置，並在該灌液面位置上方的定子密封腔體內壁上或者定子密封腔體內其他的固體支撐物上固定一個壓電元件P，壓電元件P的兩側極板豎向設置在設定灌液面處，壓電元件 P兩相對側面上的極板與預定灌液面垂直。然後，在該壓電元件P的附近再固定一個與之匹配的電容Cl，壓電元件P的兩個極板(正、負極極板)分別連接到電容Cl的正、負極上，當壓電元件P因為受到外力作用而在其兩個極板上積累出電荷時，該電荷Q量經過導線傳導到電容Cl上，相當於給電容充電，設充電電容的電容量為C，則該電容Cl產生並輸出電壓U = Q/C，電壓U再經過特定的無衰減的屏蔽導線沿著臥式電機內部其他引出線的路徑，與其他引出線一起由防爆機殼上的接線盒引出到隔爆型電機的外部，作為控制信號。當然，與壓電元件P相匹配的電容Cl也可以設置在定子密封腔體外部，只要能夠滿足信號傳遞的基本功能均可。液態的蒸發冷卻介質由定子密封腔體底部的閥門緩緩灌入，隨著冷卻介質的不斷緩慢進入，灌液面慢慢升高，在這期間，壓電元件P是不帶電的，電荷Q量等於0，與之相連的電容Cl的輸出電壓U等於0，因此，絕緣柵雙極型電晶體IGBT截止，供電電路是斷開的，指示燈L不亮。當進入定子密封腔體內的蒸發冷卻介質液體沒過整個定子，其灌液面剛好抵達指定位置時，此時壓電元件P仍露在冷卻介質外，只是其下端與灌液面接觸，其兩個相對側面還沒有受到冷卻介質流體靜壓力的作用，隨著冷卻介質液體繼續灌入，灌液面開始接觸壓電元件P，此時壓電元件P的側面開始承受介質液體的流體靜壓力F，於是開始出現壓電效應，產生一定量的電荷Q，該電荷Q給電容Cl充電,從而輸出電壓信號。開始時電荷Q量很小，電壓信號U亦很小，不足以驅動IGBT，隨著灌液面的繼續升高，電荷Q量逐漸增大，電壓信號U也逐漸增大，當蒸發冷卻介質液體完全沒過壓電元件P 後，輸出電壓U足夠驅動絕緣柵雙極型電晶體IGBT，於是供電電路由開路變為通路，指示燈 L被點亮，操作人員見到指示燈L發亮則停止灌液。隨後，灌液人員開始通過定子密封腔體下底部的閥門向外排出冷卻介質液體，定子密封腔體內的冷卻介質液面開始下降，當壓電元件P開始露出冷卻介質液面時，其受到的流體靜壓力F開始減小，壓電元件P電極上的電荷Q開始減小，則輸出電壓U減小，但只要還有電壓信號，則絕緣柵雙極型電晶體IGBT仍然是導通的，指示燈L依然是發光狀態。當冷卻介質從定子密封腔體排出一定量，使得其液面與壓電元件P的底面平齊 (到達預設灌液面位置)時，壓電元件P完全露出冷卻介質，不再受到流體靜壓力F，即F = O,因此，壓電元件P的兩個極板上的電荷Q量也等於0，輸出電壓信號U為0，此時絕緣柵雙極型電晶體IGBT因為沒有電壓驅動信號而截止，供電電路斷開，指示燈L熄滅，灌液人員看到指示燈L熄滅則停止排放冷卻介質，從而使定子密封腔體內的冷卻介質的液面停留在預設的灌液面位置上，以保證定子完全浸沒在冷卻介質中。在上述方案中，也可以使用單片機作為控制器，並進一步地通過設置在冷卻介質灌注管路中的控制閥實現蒸發冷卻介質自動灌注。具體方案是單片機檢測壓電元件輸出電壓大小，並根據輸出電壓大小輸出相應的控制信號，打開或者關閉所述控制閥。另外，上述方案均採用的是當冷卻介質沒過壓電元件後再放出至與其底面平齊的方式，這是因為，一方面當冷卻介質剛剛與壓電元件的底面接觸時，此時雖然可以產生電壓信號U，但是U很小，不足以驅動絕緣柵雙極型電晶體IGBT ;雖然也可以設定冷卻介質液面到達壓電元件的一定高度(例如壓電元件高度的三分之一或一半，但是，這種方案容易受到液面波動的影響)，總之，當冷卻介質沒過壓電元件後，即使繼續灌注，電壓信號U也不再改變，這樣可以避免冷卻介質液面波動的影響，而且冷卻介質沒過壓電元件後電壓信號U 也不再改變，是一個穩定的信號，可以減少誤差。在上述方案中，絕緣柵雙極型電晶體IGBT也可以採用門極可關斷晶閘(GTO)、電力電晶體(GTR)、電力場效應管(EFT)等全控型功率器件。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，其特徵在於，包括壓電元件，固定在蒸發冷卻密封腔體內，所述壓電元件的兩側極板豎向設置在設定灌液面處，且所述壓電元件根據其相對側面上的兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小， 產生相應的電信號；控制器，根據所述電信號的大小獲得冷卻介質的頂面是否到達設定灌液面的判斷結果，並根據所述判斷結果輸出驅動相應執行元件的控制信號。
2.根據權利要求I所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，其特徵在於， 所述執行元件為指示燈或揚聲器，所述控制信號打開或者關閉所述指示燈或揚聲器。
3.根據權利要求2所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，其特徵在於， 所述控制器為絕緣柵雙極型電晶體，串接在所述指示燈或揚聲器的供電電路中，所述壓電元件的兩個極板分別連接到一個電容的正、負極上，所述電容將所述電信號轉換為電壓信號形成所述控制信號，驅動所述絕緣柵雙極型電晶體接通或斷開所述供電電路。
4.根據權利要求3所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，其特徵在於， 所述絕緣柵雙極型電晶體的控制極連接到所述電容的正極、源極連接到所述供電電路中的直流電源的負極、漏極串聯所述指示燈或揚聲器後連接到所述供電電路中的直流電源的正極。
5.根據權利要求I所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，其特徵在於， 所述控制器為單片機。
6.根據權利要求5所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，其特徵在於， 所述執行元件為設置在冷卻介質灌注管路中的控制閥，所述控制信號打開或者關閉所述控制閥。
7.蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟10、在蒸發冷卻密封腔體內固定設置壓電元件，所述壓電元件根據其相對側面上的兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小，產生相應的電信號，其中所述壓電元件的兩側極板豎向設置在設定灌液面處；步驟20、根據所述電信號的大小獲得當前灌注的冷卻介質的頂面位置，並輸出相應的控制信號，驅動相應的執行元件控制冷卻介質的頂面與設定灌液面平齊。
8.根據權利要求7所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法，其特徵在於， 在步驟20中，首先使冷卻介質的頂面位置超過所述壓電元件的底面一定高度，然後再降至與所述壓電元件的底面平齊。
9.根據權利要求8所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法，其特徵在於， 在步驟20中，當冷卻介質的頂面位置超過所述壓電元件的頂面時，點亮指示燈或打開揚聲器提示操作人員手動停止灌注，並手動排放冷卻介質；排放冷卻介質的過程中，當冷卻介質的頂面與所述壓電元件的底面平齊時，關閉指示燈或揚聲器並提示操作人員手動停止排放冷卻介質。
10.根據權利要求8所述的蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法，其特徵在於， 在步驟20中，當冷卻介質的頂面位置超過所述壓電元件的頂面時，點亮指示燈或打開揚聲器並通過控制閥停止灌注，同時開始排放冷卻介質；排放冷卻介質的過程中，當冷卻介質的頂面與所述壓電元件的底面平齊時，關閉指示燈或揚聲器並通過控制閥停止排放冷卻介質。
全文摘要
本發明公開一種蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制系統，包括壓電元件和控制器，所述壓電元件固定在蒸發冷卻密封腔體內，所述壓電元件的兩側極板豎向設置在設定灌液面處，且所述壓電元件根據其相對側面上的兩個極板所受冷卻介質的流體靜壓力大小，產生相應的電信號；所述控制器根據所述電信號的大小獲得冷卻介質的頂面是否到達設定灌液面的判斷結果，並根據所述判斷結果輸出驅動相應執行元件的控制信號。同現有技術相比，本發明結構簡單，大大減少了人為因素產生的誤差；另外，無須在設備殼體上設置觀察窗，解決了浸泡式蒸發冷卻技術在隔爆式電器設備上應用的難題。在此基礎上，本發明還提供了一種蒸發冷卻密封腔體內冷卻介質液面控制方法。
文檔編號H02K9/20GK102594025SQ20121004779
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優先權日2012年2月28日
發明者欒茹, 肖富凱 申請人:中冶京誠(湘潭)重工設備有限公司, 欒茹, 肖富凱