一种基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统
技术领域
本发明涉及轨道交通装备散热技术领域，具体涉及一种基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统。
背景技术
牵引变流器通常由大功率电力电子器件构成，传统的牵引变流器冷却方式包括：强迫液体循环+风冷方式、重力热管相变+风冷方式或强迫通风直冷方式。一般较大功率等级的牵引变流器通常采用强迫液体循环+风冷方式，可以满足热流密度在10～20W/cm2范围内牵引变流器电力电子器件的冷却需求。随着牵引装备功率等级的不断提高，受空间体积、重量限制，牵引变流器功率密度、热流密度不断提高，散热问题已成为限制更大功率、更高热流密度电力电子器件使用的主要瓶颈。
发明内容
本发明针对以上问题提出了一种基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统，可以实现对大功率，高热流密度电力电子器件的散热。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统，包括泵、通过冷板进口主管路与泵的出口连通的冷板、设置在所述冷板进口主管路上的过滤器、设置在所述泵与所述过滤器之间的主回路流量调节装置、通过冷板出口主管路与所述冷板的出口连通的稳压箱、通过冷凝器进口管路与所述稳压箱连通的冷凝器、设置在所述冷凝器进口管路上的冷凝器流量调节装置、连通所述冷凝器的出口与所述泵的进口的冷凝器出口管路、连通所述泵的出口与进口的旁通管路、连通所述稳压箱和所述泵进口的分回管路、设置在所述分回管路上的分回路流量调节装置以及监控系统；
所述监控系统包括监测单元和控制单元；
所述监测单元包括设置在所述冷板进口主管路上的第一温度监测装置和第一压力监测装置；
所述监测单元，用于采集所述冷板进口主管路的温度信号T1和压力信号P1，并将所述温度信号T1和所述压力信号P1传输至所述控制单元；
所述控制单元，用于接收所述压力信号P1，根据所述压力信号P1计算所述压力下的工质沸点Tf，计算预冷裕度△T＝Tf-T1，并判断所述预冷裕度△T是否在设定值范围内，若否，所述控制单元调节所述主回路流量调节装置的开度、冷凝器流量调节装置的开度、分回路流量调节装置的开度和冷凝器的风机的转速中的至少一项，以使所述预冷裕度△T在所述设定值范围内，若是，进行下一次的采集。
进一步地，所述主回路流量调节装置为三通调节阀，所述三通调节阀的进口与所述泵的出口通过管路连通，所述三通调节阀的第一出口与所述过滤器连通，所述旁通管路连通所述三通调节阀的第二出口与所述泵的进口。
进一步地，所述主回路流量调节装置为二通调节阀，所述旁通管路连通所述泵的出口与所述泵的进口，所述二通调节阀设置在所述旁通管路上。
进一步地，所述冷板出口主管路与所述稳压箱连接的一端设置在所述稳压箱的中下部，所述冷凝器进口管路与所述稳压箱连接的一端设置在所述稳压箱的中上部，所述分回管路与所述稳压箱连接的一端设置在所述稳压箱的底部。
进一步地，所述冷板具有多组，多组所述冷板的进口分别通过冷板进口支管路与所述冷板进口主管路连通，多组所述冷板的出口分别通过冷板出口支管路与所述冷板出口主管路连通。
进一步地，所述稳压箱上还设有安全阀，所述监测单元还包括设置在所述稳压箱上的第三压力监测装置，所述第三压力监测装置采集所述稳压箱上的压力信号Px并将所述压力信号Px传输至所述控制单元，所述控制单元判断接收的所述压力信号Px是否大于预先设定的压力极限值时，若是，所述控制单元控制所述安全阀开启。
进一步地，所述冷凝器出口管路上还设有用于采集泵进口温度信号T3的第三温度监测装置。
进一步地，所述冷板出口主管路上还设置有用于采集所述冷板出口主管路上压力信号P2的第二压力监测装置和用于采集所述冷板出口主管路上温度信号T2的第二温度监测装置。
进一步地，所述冷凝器为板翅式散热器、管片式散热器、管带式散热器和管翅式散热器当中的任意一种。
与现有技术比较，本发明所述的基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统具有以下优点，由于采用基于两相沸腾传热的沸腾冷却系统代替既有的基于单相对流换热的液冷系统，由于工质的汽化潜热(潜热)是比热(显热)的十几倍甚至数十倍，同等质量的液体，蒸发时带走的热量是对流换热带走热量的数倍甚至十几倍。因此，冷却系统蒸发端即冷板的吸热能力更强。当电力电子器件热流密度超过20-30W/cm2，由于牵引变流器冷却系统体积和重量受限，传统的单相液冷系统已不能满足上述散热要求，本方案提供的牵引变流器冷却系统可以为大功率、高热流密度牵引变流器提供高效的冷却系统。
采用基于两相沸腾传热的沸腾冷却系统代替既有的基于单相对流换热的液冷系统，由于工质蒸发过程中过热度仅需要高出饱和压力下的沸点温度3-5℃，因此保证冷板板面温度不超过80℃时对应的工质沸点较高(可达75℃)，比基于对流换热的单相冷却系统冷板出口液体温度(通常为60～64℃)高，也就是说到达冷凝器内部的工质温度较高，在冷却空气温度、流量相同的条件下，冷凝器的放热能力更强。因此，在同样散热量要求的前提下，可以减小冷却系统冷凝端冷却装置体积，降低冷却装置重量，提高结构紧凑性。
同样，由于保证冷板板面温度不超过80℃时对应的工质沸点比基于单相对流换热的冷却系统冷板出口液体温度高，也就是说到达冷凝器内部的工质温度较高，在同样散热量要求、同样冷却空气进气温度的条件下，所需风机的风量较小。即在同样散热量要求的前提下，可以减小冷却系统风机通风量，降低噪音，同时降低驱动风机的电机功率消耗。因此本方案冷却系统能耗更低，更节能，环境友好性更好。
附图说明
图1为本发明实施例1公开的基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统的结构图。
图中：1、泵，2、主回路流量调节装置，3、控制单元，4、过滤器，5、冷板进口主管路，6、冷板进口支管路；7、电力电子元器件，8、冷板，9、冷板出口支管路，10、冷板出口主管路，11、稳压箱，12、冷凝器流量调节装置，13、冷凝器进口管路，14、冷凝器，15、风机，16、冷凝器出口管路(泵进口管路)，17、分回路系统连接管路，18、分回路流量调节装置，19、旁通管路，20、第一温度监测装置，21、第一压力监测装置，22、第二温度监测装置，23、第二压力监测装置，24、第三温度监测装置，25、第三压力监测装置，26、第四温度监测装置。
具体实施方式
如图1所示为本发明公开的基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统，包括泵1、通过冷板进口主管路5与泵1的出口连通的冷板8、设置在所述冷板进口主管路5上的过滤器4、设置在所述泵1与所述过滤器4之间的主回路流量调节装置2、通过冷板出口主管路10与所述冷板8的出口连通的稳压箱11、通过冷凝器进口管路13与所述稳压箱11连通的冷凝器14、设置在所述冷凝器进口管路13上的冷凝器流量调节装置12、连通所述冷凝器14的出口与所述泵1的进口的冷凝器出口管路16、连通所述泵1的出口与进口的旁通管路19、连通所述稳压箱11和所述泵1进口的分回管路17、设置在所述分回管路17上的分回路流量调节装置18以及监控系统；
如图1所示，泵1、过滤器4、冷板8、稳压箱11、冷凝器14、各流量调节装置和管路构成了工质回路系统，工质回路系统中加注工质，工质的沸点为：常压下不高于80℃，工质回路系统加注工质后密闭，内部压力低于1个标准大气压，电力电子元器件7安装在冷板上，优选的，所述冷板为多组并列安装，图中冷板的数量为两组，多组所述冷板8的进口分别通过冷板进口支管路6与所述冷板进口主管路5连通，多组所述冷板8的出口分别通过冷板出口支管路9与所述冷板出口主管路10连通，冷板板面上设有第四温度监测装置26，第四温度监测装置安装在冷板表面上与电力电子元器件有一定距离的典型位置点，第四温度监测装置可设置在多块并列布置的每块冷板上，也可经过试验验证设置在典型冷板上，第四温度监测装置用于监测冷板板面温度Tb1、Tb1、……Tbn，并将获取的冷板板面温度信号传输至控制单元，所述冷凝器为板翅式散热器、管片式散热器、管带式散热器和管翅式散热器当中的任意一种。工质在泵的作用下在工质回路系统中循环流动，当电力电子元器件工作时，因热损耗产生热量，热量通过冷板外壁传导到其内壁，加热流经冷板内腔的工质，工质受热发生沸腾，由液体变成蒸汽，在此过程中吸收大量的热量，上述蒸发后成为气相的工质与少部分未蒸发的液相工质形成混合相工质，从冷板出口管路流出的混合相工质在冷板出口主管路内汇集并流向稳压箱，气液混合相工质流经稳压箱后通过冷凝器流量调节装置后进入冷凝器，在冷凝器中的蒸汽热量被冷却空气带走，蒸汽液化，液化后的工质沿冷凝器出口管路流向泵的进口。
所述主回路流量调节装置2为三通调节阀或二通调节阀，当主回路流量调节装置2为三通调节阀时，所述三通调节阀的进口与所述泵1的出口通过管路连通，所述三通调节阀的第一出口与所述过滤器4连通，所述旁通管路19连通所述三通调节阀的第二出口与所述泵1的进口(冷凝器出口管路)。当主回路流量调节装置2为二通调节阀时，所述旁通管路19连通所述泵1的出口与所述泵1的进口(冷凝器出口管路)，所述二通调节阀设置在所述旁通管路19上。通过旁通管路19和主回路流量调节装置2，可以调节流经冷板的工质流量，保证冷板内工质可以有效的进行工作。
所述分回管路17连通所述稳压箱11和所述泵1的进口(冷凝器出口管路)，所述分回路流量调节装置18设置在所述分回管路17上。通过设置分回路系统，并通过温度监测装置和压力监测装置采集的温度数据和压力数据，可以实时的调节经过冷板和冷凝器的工质流量，以保证经过冷板的工质可以快速地进入饱和核态沸腾，保证冷板的散热能力。
所述冷凝器进口管路13上设置冷凝器流量调节装置12，可以实时的调节经过冷凝器的工质流量，以保证经过冷板的工质可以快速地进入饱和核态沸腾，保证冷板的散热能力。
所述监控系统包括监测单元和控制单元3；
所述监测单元包括设置在所述冷板进口主管路5上的第一温度监测装置20和第一压力监测装置21；
所述监测单元，用于采集所述冷板进口主管路的温度信号T1和压力信号P1，并将所述温度信号T1和所述压力信号P1传输至所述控制单元；
所述控制单元3，用于接收所述压力信号P1，根据所述压力信号P1计算所述压力下的工质沸点Tf，计算预冷裕度△T＝Tf-T1，并判断所述预冷裕度△T是否在设定值范围内，若否，所述控制单元调节所述主回路流量调节装置的开度、冷凝器流量调节装置的开度、分回路流量调节装置的开度和冷凝器的风机的转速中的至少一项，以使所述预冷裕度△T在所述设定值范围内，若是，进行下一次的采集。
该系统还包括第二温度监测装置22、第二压力监测装置23、第三温度监测装置24以及第三压力监测装置25，所述第二温度监测装置22和第二压力监测装置23设置在所述冷板出口主管路10上，所述第三温度监测装置24设置在所述冷凝器出口管路16上，所述第三压力监测装置25设置在所述稳压箱11上，第二温度监测装置22用于采集冷板出口主管路内工质温度T2，第二压力监测装置23用于采集冷板出口主管路内工质压力P2，第三温度监测装置24用于采集泵进口工质温度T3，第三压力监测装置25用于采集稳压箱内部工质压力Px。温度监测装置和压力监测装置均与控制单元连接，控制单元可独立设置，称为述牵引变流器冷却系统控制箱，也可将所述控制单元设置在牵引变流器控制单元内，控制单元采集冷却系统中各监测位置的温度值和压力值，并根据获取的温度值和压力值控制风机、流量调节装置等执行机构，实现冷却系统散热能力即冷板表面温度控制，同时保证系统安全。
优选地，所述冷板出口主管路与所述稳压箱连接的一端设置在所述稳压箱的中下部，所述冷凝器进口管路与所述稳压箱连接的一端设置在所述稳压箱是中上部，所述分回管路与所述稳压箱连接的一端设置在所述稳压箱的底部。这种设计，保证通过分回管路17直接流回泵1的是液态工质，而气态工质则流向冷凝器。有效保证了冷板进口主管路内为液态工质，即保证冷却的散热能力。
本发明的牵引变流器冷却系统，在冷板出口管路与冷凝器进口管路之间直接设置容积相对较大的稳压箱，利用气体具有较大的可压缩性，抑制冷板出口压力的瞬间脉动，保证冷板出口主管路内的压力相对稳定；配合管路设计，可将并列布置的各冷板因电力电子元器件瞬时发热功率的不同引起的板间流量和压力的相互影响控制在允许的范围内。上述设计为冷却系统安全可靠正常运行提供了保障。当多组冷板表面热负荷不同时，热负荷大的冷板内工质汽化量大，通过该冷板进口支管，可及时将冷板进口主管路内的工质吸进该冷板，对工质进行补充，保证多块冷板内工质流量的自动分配，从而保证不同负荷下各冷板的安全工作。
所述稳压箱上还设有安全阀，所述监测单元还包括设置在所述稳压箱11上的第三压力监测装置25，所述第三压力监测装置25采集所述稳压箱上的压力信号Px并将所述压力信号Px传输至所述控制单元，所述控制单元将接收的所述压力信号Px大于预先设定的压力极限值时，所述控制单元控制所述安全阀开启保证冷却系统中压力的稳定。
所述冷却系统的过滤器，用于保证进入冷板内工质的清洁，不会发生因杂质堵塞冷板内部通道造成冷板局部过热现象，保证冷板表面安装的电力电子元器件的安全。
本发明公开的基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统的工作过程如下：
该冷却回路系统中加注工质，工质的沸点为：常压下不高于80℃，该冷却系统加注工质后密闭，内部压力低于1个标准大气压，电力电子元器件7安装在冷板上，监控系统的控制单元与各温度监测装置、压力监测装置以及风机连接，所述监控系统的监测单元监测冷却系统的参数测点设置如下，主要包括：
设置在冷板进口主管路上的第一温度监测装置，测量冷板进口主管路内工质温度T1；
设置在冷板出口主管路上的第二温度监测装置，测量冷板出口主管路内工质温度T2；
设置在泵进口主管路上的第三温度监测装置，测量泵进口工质温度T3；
设置在冷板表面、与安装在冷板表面的电力电子元器件有一定距离的典型位置点的第四温度监测装置，测量冷板板面温度Tb1、Tb1、……Tbn；
设置在冷板进口主管路上的第一压力监测装置，测量冷板进口主管路内工质压力P1；
设置在冷板出口主管路上的第二压力监测装置，测量冷板出口主管路内工质压力P2；
设置在的稳压箱上端的第三压力监测装置，测量稳压箱内部工质压力Px。
上述温度监测装置、压力监测装置按设定时间间隔测量监测点温度和压力，并将数据传输至监控系统控制单元。
本发明公开的基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统可以通过控制工质温度和流量两个方面对其进行控制，以保证冷板的散热性能，具体地，控制过程如下：
a)当所述监测装置测量的所述冷板典型位置点的温度Tbn高于预先设定的预警值Tb-1，但小于预先设定的报警值Tb-2，且预冷裕度△T小于设定的下限值时，所述控制单元发出信号，以进行以下中的一项或多项控制：(1)按预先设定的值调大主回路流量调节装置开度，增大冷板进口工质流量；(2)按预先设定的值调小分回路流量调节装置开度，减小流入泵进口未经冷凝器冷却的工质流量，降低泵入口工质温度T3；(3)按预先设定的值调大冷凝器流量调节装置开度，增大流经冷凝器的工质流量，降低泵进口工质温度T3，从而降低冷板进口工质温度T1；(4)增加冷凝器端风机的转速，降低泵进口工质温度T3；进而降低冷板进口工质温度T1，提高冷板的预冷裕度△T。
当所述监测装置测量的所述冷板典型位置点的温度Tbn高于预先设定的预警值Tb-1，但小于预先设定的报警值Tb-2，且预冷裕度△T高于设定的上限值时，所述控制单元发出信号，以进行以下中的一项或多项控制：(1)按预先设定的值调大主回路流量调节装置开度，增大冷板进口工质流量；(2)按预先设定的值调大分回路流量调节装置开度，增加流入泵进口未经冷凝器冷却的工质流量，提高泵入口工质温度T3；(3)按预先设定的值调小冷凝器流量调节装置开度，减小流经冷凝器的工质流量，增加泵进口工质温度T3，从而增加冷板进口工质温度T1；(4)降低冷凝器的风机的转速，增加泵进口工质温度T3；进而增加冷板进口工质温度T1，以降低冷板的预冷裕度△T。在本实施例中，预冷裕度△T的设定范围为2～10℃，即预冷裕度△T的下限值设定为2℃，上限值为10℃，预冷裕度△T的具体范围可以根据需求进行设定。预冷裕度△T维持在设定值范围内，可以保证冷板的换热效率和散热能力。
当所述监测装置测量的所述冷板典型位置点的温度Tbn高于预先设定的预警值Tb-1，但小于预先设定的报警值Tb-2，且预冷裕度△T处于设定范围内，所述控制单元发出信号，以进行如下控制：按预先设定的值调大主回路流量调节装置开度，增大冷板进口工质流量，提高冷板散热能力。
b)当所述监测装置测量的所述冷板典型位置点的温度Tbn高于预先设定的报警值Tb-2，但小于预先设定的极限值Tb-3时，所述控制单元发出信号，变流器降低功率运行。
c)当所述监测装置测量的所述冷板典型位置点的温度Tbn高于预先设定极限值Tb-3时，所述控制单元发出信号切断变流器使其停止工作，保护安装在冷板表面的元器件不因过热而损坏。
d)所述控制单元根据监测装置测量的压力P1，根据工质物性参数表，计算该压力下工质的沸点Tf，再计算预冷裕度△T＝Tf-T1。
e)所述控制单元将监测装置测量的压力P2与预先设定的压力极限值比较，当P2超过预先设定的压力极限值时，所述控制单元根据预先设定的逻辑发出预警信号或使变流器降低功率运行或切断变流器使其停止工作。
f)所述控制单元将监测装置测量的压力Px与预先设定的压力极限值比较，当Px超过预先设定的压力极限值时，所述稳压箱顶部安全阀开启，所述控制单元发出信号，切断变流器使其停止工作。
本发明公开的基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统实现预冷裕度△T调控，预冷裕度△T调控是由设置在冷板进口主管路上的温度测量装置、主回路流量调节装置、冷凝器流量调节装置、分回路流量调节装置和风机转速控制系统实现，预冷裕度调控为本发明公开的沸腾传热冷却系统散热能力提供了有效的保障。预冷裕度太大，工质进入冷板后不能尽快进入饱和核态沸腾，而是要经过较长一段单相对流传热过程，但工质的单相对流传热能力比常规的冷却液单相对流传热能力还低很多，这样就不能发挥沸腾传热的优势。本发明公开的基于沸腾传热的牵引变流器冷却系统保证所述工质沸点温度(对应冷板进口主管路上的压力P1条件下的沸点)与冷板进口主管路内工质温度T1的差值满足预设值△T的要求，使冷板进口温度处于微过冷状态。这样，部分工质进入冷板后很快进入核态沸腾状态，工质流经冷板过程中持续核态沸腾。这种设计，既保证了冷板的高效吸热能力，又保证了冷板从进口到出口整个板面温度的均匀性，可减小安装在冷板表面的电力电子元器件所受到的热应力，提高电力电子元器件使用可靠性，延长其寿命。
本发明的牵引变流器冷却系统的监控系统，还具有当环境温度、海拔高度、运用工况(电力电子元器件发热功率)变化导致冷板典型位置点的温度高于预先设定值时，冷却系统能根据冷板表面温度自动调节冷却系统散热能力，保证冷却系统以最低噪音、最节能工况正常运行，满足散热需求；同时提高冷却系统复杂条件和工况下的运行可靠性。并具有传热效率高、传热能力强，结构紧凑，噪音和功率消耗低，可靠性和安全性更高，可以很好地解决大功率、高热流密度牵引变流器发展的主要瓶颈问题—散热问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
