一種用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，包括冷卻塔、蒸發(fā)器和內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)，冷卻塔與電力機(jī)車牽引變流器的變流器柜連成一體，蒸發(fā)器和內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)安裝于變流器柜中；冷卻塔安裝有壓縮機(jī)和冷凝器，壓縮機(jī)通過管路與冷凝器相連并將管路內(nèi)的制冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽經(jīng)冷凝器將熱量散到環(huán)境中；制冷劑變成常溫高壓液體后分成兩路：一路進(jìn)入到變流器柜內(nèi)功率器件的散熱裝置內(nèi)，變成低溫低壓氣液混合態(tài)吸收熱量；另一路進(jìn)入到蒸發(fā)器中，內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)朝向蒸發(fā)器以對變流器柜內(nèi)吹冷風(fēng)。本發(fā)明具有提高變流器整體換熱效率、工作溫度得到降低且穩(wěn)定、不易受外界環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】—種用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及到軌道交通的車輛領(lǐng)域，特指一種適用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代化大功率電力機(jī)車應(yīng)用中，隨著牽引電機(jī)功率越來越大,牽引變流器的散熱問題日益凸顯，這其中包括有IGBT和二極管等大功率半導(dǎo)體器件，也包括變壓器、電抗器、電容等器件。上述器件發(fā)熱大，實際散熱的熱流密度也越來越大，但是最高耐受溫度有限，而工作溫度及其波動對電力電子器件的壽命和可靠性有非常大的影響；另外，工作溫度對某些器件的通過電流也有直接關(guān)系。在這個領(lǐng)域，各種散熱技術(shù)層出不窮，各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是現(xiàn)有的設(shè)計中已經(jīng)存在一些瓶頸。
[0003]雖然現(xiàn)有的風(fēng)冷、水冷、熱管技術(shù)，已經(jīng)非常成熟，但是由于其最終換熱形式還是由空氣帶走熱量，且變流器的工作溫度是在環(huán)溫基礎(chǔ)上的正疊加，溫差只能為正數(shù)，且決定于每個環(huán)節(jié)的效率，因此在環(huán)溫達(dá)到某一個值時，工作溫度會達(dá)到并超過允許值。換言之，其換熱效率和能提供的器件工作溫度已經(jīng)到了極限，在環(huán)溫較高的時候無法滿足要求。對于應(yīng)用而言，隨著鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，電力機(jī)車的使用范圍越來越廣，因此也面臨著越來越惡劣的外界環(huán)境，在某些炎熱的地區(qū)，環(huán)境溫度甚至?xí)哂?0°C。同時，上述結(jié)構(gòu)冷卻形式和結(jié)構(gòu)，還需要巨大的外部散熱器將其熱量帶走。采用對流換熱的形式，依靠氣體和液體的熱容帶走熱量，已經(jīng)無法滿足一些特定情況下的散熱需求。另外，現(xiàn)有的冷卻形式中，被冷卻器件的工作溫度會受到不同工況的發(fā)熱功率以及環(huán)溫波動的影響，實際上是不穩(wěn)定的，在長期溫度波動下，器件會因為熱應(yīng)力產(chǎn)生疲勞老化。而且，由于其換熱面積與溫差和換熱效率有關(guān)，而溫差又不宜過大，換熱效率也有極限，因此導(dǎo)致風(fēng)冷或水冷換熱器的體積較大。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于:針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種提高變流器整體換熱效率、工作溫度得到降低且穩(wěn)定、不易受外界環(huán)境影響的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，包括冷卻塔、蒸發(fā)器和內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)，所述冷卻塔與電力機(jī)車牽引變流器的變流器柜連成一體，所述蒸發(fā)器和內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)安裝于變流器柜中；所述冷卻塔安裝有壓縮機(jī)和冷凝器，所述壓縮機(jī)通過管路與冷凝器相連并將管路內(nèi)的制冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽經(jīng)冷凝器將熱量散到環(huán)境中；所述制冷劑變成常溫高壓液體后分成兩路:一路進(jìn)入到變流器柜內(nèi)功率器件的散熱裝置內(nèi)，變成低溫低壓氣液混合態(tài)吸收熱量；另一路進(jìn)入到蒸發(fā)器中，所述內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)朝向蒸發(fā)器以對變流器柜內(nèi)吹冷風(fēng)。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述功率器件的散熱裝置上設(shè)置有冷板，所述制冷劑通入冷板內(nèi)；或者，所述功率器件的散熱裝置上設(shè)有供制冷劑通過的通道。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述冷卻塔的內(nèi)設(shè)有冷凝風(fēng)機(jī)，所述冷卻塔內(nèi)還設(shè)置有用來對變壓器進(jìn)行冷卻的油冷換熱器，所述油冷換熱器與冷卻油泵相連。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述冷凝器與每個功率器件之間分別設(shè)置有制冷劑支路，所述制冷劑支路上設(shè)置有電子膨脹閥，通過電子膨脹閥對制冷劑進(jìn)行節(jié)流。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):每一個所述制冷劑支路上均設(shè)有快換接頭。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):每個所述功率器件中散熱裝置的出口端處進(jìn)行匯流，匯流后經(jīng)過一氣液分離器將氣液分離，其中氣態(tài)通過管路導(dǎo)入背壓閥，液態(tài)通過管路導(dǎo)入蒸發(fā)器內(nèi)。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):每個所述功率器件中散熱裝置的出口端處進(jìn)行匯流，匯流后經(jīng)過一氣液分離器將氣液分離，其中液態(tài)通過管路導(dǎo)入蒸發(fā)器內(nèi)。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn):所述變流器柜內(nèi)設(shè)置有副冷凝器，用來與內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)配合。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1、本發(fā)明的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，為一獨(dú)立溫控系統(tǒng)，能夠提高變流器整體換熱效率，主要用來完成制冷；其可使用較小功率的制冷系統(tǒng)，成本較低，節(jié)能，且響應(yīng)迅速；且制冷系統(tǒng)能應(yīng)用的最高環(huán)溫較高，使得變流器的環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)。由于制冷系統(tǒng)可通過提高冷凝溫差來增大換熱效率，因此必要時可設(shè)計出更小型的變流器散熱系統(tǒng)。
[0014]2、本發(fā)明的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，散熱器所貼大功率器件發(fā)熱量迅速變化時，可通過電子膨脹閥的控制迅速增大制冷劑流量，從而提高散熱容量。
[0015]3、本發(fā)明的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，還可以通過蒸發(fā)器出口和散熱器表面溫度的采集，由控制單元完成相應(yīng)閥門的調(diào)節(jié)，從而起到穩(wěn)定各個器件工作溫度的作用，可大大提高器件壽命和可靠性。
[0016]4、本發(fā)明的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，通過蒸發(fā)器除濕，并通過附屬冷凝器支路對吹風(fēng)加熱，大大降低柜內(nèi)空氣相對濕度，可大大提高器件壽命，降低故障率；
5、本發(fā)明的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，集成了冷暖空調(diào)功能，簡化了車上的系統(tǒng)，提高可靠性，降低了總能耗。
[0017]6、本發(fā)明的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，冷凝器和變壓器油的換熱器共同裝進(jìn)冷卻塔，可降低風(fēng)機(jī)功率，縮小冷卻塔體積，提高電力機(jī)車允許運(yùn)行的最高環(huán)境溫度，可為變流器柜內(nèi)的所有器件散熱，同時可以對柜內(nèi)除濕。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0020]圖例說明:
1、電抗器；2、接觸器；3、電容；4、電阻；5、冷凝風(fēng)機(jī)；6、變壓器；7、油冷換熱器；8、冷卻油泵；9、壓縮機(jī)；10、冷凝器；11、輔變模塊；12、斬波模塊；13、蒸發(fā)器；14、逆變模塊；15、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)；16、整流模塊；17、電子膨脹閥；18、副冷凝器；19、氣液分離器；20、背壓閥；21、快換接頭；22、冷卻塔。

【具體實施方式】
[0021]以下將結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]實施例1:如圖1所示，本發(fā)明的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，包括一冷卻塔22以及安裝于冷卻塔22內(nèi)的壓縮機(jī)9、冷凝器10，該冷卻塔22與電力機(jī)車牽引變流器的變流器柜共同組成一個完整系統(tǒng)。變流器柜內(nèi)安裝有電抗器1、接觸器2、電容3、電阻4、輔變模塊11、斬波模塊12、蒸發(fā)器13、逆變模塊14、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)15、整流模塊16。壓縮機(jī)9將系統(tǒng)中的制冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽，通過冷凝器10將系統(tǒng)熱量散到環(huán)境中；制冷劑變成常溫高壓液體后，分成兩路:一路進(jìn)入到變流器柜內(nèi)功率器件的散熱裝置內(nèi)，例如:輔變模塊11、斬波模塊12、逆變模塊14、整流模塊16中所安裝的散熱裝置內(nèi)，變成低溫低壓氣液混合態(tài)吸收IGBT的熱量；另一路制冷劑還進(jìn)入到蒸發(fā)器13內(nèi)，利用內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)15對柜體內(nèi)吹冷風(fēng)，以帶走其他未通制冷劑部件的熱量，例如:電抗器1、接觸器2、電容3、電阻4等。這些部件是完成一個循環(huán)的關(guān)鍵部件，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的其他附屬部件并未體現(xiàn)。制冷劑經(jīng)過上述過程后變成低壓過熱氣體，回到壓縮機(jī)9，完成一次循環(huán)。
[0023]在具體應(yīng)用時，對于直接接觸散熱的發(fā)熱器件(上述各功率器件)，可以采用冷板內(nèi)通制冷劑，功率器件貼合冷板并通過冷板對制冷劑傳熱；也可采用發(fā)熱器件內(nèi)部直接通制冷劑，使其在功率器件內(nèi)部蒸發(fā)換熱并帶走熱量。
[0024]本實施例中，在每個功率器件中散熱裝置的出口端處進(jìn)行匯流，匯流后經(jīng)過氣液分離器19將氣液分離，其中液態(tài)通過管路導(dǎo)入蒸發(fā)器13內(nèi)，由內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)15對其吹風(fēng)進(jìn)行熱交換，使得制冷劑進(jìn)一步蒸發(fā)，同時壓力繼續(xù)降低，直到降至壓縮機(jī)9可接受的吸氣壓力。
[0025]本實施例中，冷卻塔22的內(nèi)設(shè)有冷凝風(fēng)機(jī)5，本實例中位于冷卻塔22的頂端。冷卻塔22內(nèi)還設(shè)置有用來對變壓器6進(jìn)行冷卻的油冷換熱器7，油冷換熱器7與冷卻油泵8相連。這樣，制冷系統(tǒng)的冷凝器10與變壓器6的油冷換熱器7共用一個冷凝風(fēng)機(jī)5，并安裝在同一個腔體內(nèi)部。
[0026]壓縮機(jī)9可以根據(jù)實際需要采用變頻壓縮機(jī)。
[0027]實施例2:如圖2所示，本發(fā)明的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，包括一冷卻塔22以及安裝于冷卻塔22內(nèi)的壓縮機(jī)9、冷凝器10，該冷卻塔22與電力機(jī)車牽引變流器的變流器柜共同組成一個完整系統(tǒng)。變流器柜內(nèi)安裝有電抗器1、接觸器2、電容3、電阻4、輔變模塊11、斬波模塊12、蒸發(fā)器13、氣液分離器19、逆變模塊14、內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)15、整流模塊16。壓縮機(jī)9將系統(tǒng)中的制冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽，通過冷凝器10將系統(tǒng)熱量散到環(huán)境中；制冷劑變成常溫高壓液體后，分成兩路:一路進(jìn)入到變流器柜內(nèi)功率器件的散熱裝置內(nèi)，例如:輔變模塊11、斬波模塊12、逆變模塊14、整流模塊16中所安裝的散熱裝置內(nèi)，變成低溫低壓氣液混合態(tài)吸收IGBT的熱量；另一路制冷劑還進(jìn)入到蒸發(fā)器13內(nèi)，利用內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)15對柜體內(nèi)吹冷風(fēng)，以帶走其他未通制冷劑部件的熱量，例如:電抗器1、接觸器2、電容3、電阻4等。這些部件是完成一個循環(huán)的關(guān)鍵部件，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的其他附屬部件并未體現(xiàn)。制冷劑經(jīng)過上述過程后變成低壓過熱氣體，回到壓縮機(jī)9，完成一次循環(huán)。
[0028]在具體應(yīng)用時，對于直接接觸散熱的發(fā)熱器件(上述各功率器件)，可以采用冷板內(nèi)通制冷劑，功率器件貼合冷板并通過冷板對制冷劑傳熱；也可采用發(fā)熱器件內(nèi)部直接通制冷劑，使其在功率器件內(nèi)部蒸發(fā)換熱并帶走熱量。
[0029]本實施例中，冷卻塔22的內(nèi)設(shè)有冷凝風(fēng)機(jī)5，本實例中位于冷卻塔22的頂端。冷卻塔22內(nèi)還設(shè)置有用來對變壓器6進(jìn)行冷卻的油冷換熱器7，油冷換熱器7與冷卻油泵8相連。這樣，制冷系統(tǒng)的冷凝器10與變壓器6的油冷換熱器7共用一個冷凝風(fēng)機(jī)5，并安裝在同一個腔體內(nèi)部。
[0030]本實施例中，冷凝器10與每個功率器件之間分別設(shè)置有制冷劑支路，該制冷劑支路上設(shè)置有電子膨脹閥17，利用電子膨脹閥17對制冷劑進(jìn)行節(jié)流，使得壓力降到合適的值，變成低溫低壓液體，以確保蒸發(fā)溫度為器件所需要的，同時也保證了節(jié)能。由于經(jīng)過電子膨脹閥17后進(jìn)入數(shù)個電力電子模塊，在其安裝了發(fā)熱元件的冷板內(nèi)蒸發(fā)吸熱，其蒸發(fā)溫度可根據(jù)柜內(nèi)的溫濕度調(diào)整，以確保不會在冷板上發(fā)生凝露現(xiàn)象。
[0031]本實施例中，在每一個制冷劑支路上均設(shè)有快換接頭21，例如可以采用扣壓軟管來安裝快換接頭21，方便其在柜內(nèi)布局，同時維護(hù)和更換時可帶壓拆開。
[0032]本實施例中，在每個功率器件中散熱裝置的出口端處進(jìn)行匯流，匯流后經(jīng)過氣液分離器19將氣液分離，其中氣態(tài)通過管路導(dǎo)入背壓閥20，液態(tài)通過管路導(dǎo)入蒸發(fā)器13內(nèi)，由內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)15對其吹風(fēng)進(jìn)行熱交換，使得制冷劑進(jìn)一步蒸發(fā)，同時壓力繼續(xù)降低，直到降至壓縮機(jī)9可接受的吸氣壓力，以保證壓縮機(jī)9的運(yùn)行安全。
[0033]壓縮機(jī)9可以根據(jù)實際需要采用變頻壓縮機(jī)。
[0034]本實施例中，在柜內(nèi)還設(shè)置有副冷凝器18，用來與內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)15配合，提高風(fēng)冷的效率和風(fēng)冷的質(zhì)量。
[0035]在較佳的實施例中，還可以根據(jù)系統(tǒng)的實際負(fù)荷，可設(shè)置相關(guān)傳感器采集溫度壓力參數(shù)提供給控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對節(jié)流裝置和壓縮機(jī)9進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和節(jié)能。進(jìn)一步還可以通過采集各制冷劑支路的溫度信號，根據(jù)各個制冷劑支路的散熱容量，迅速調(diào)節(jié)制冷劑流量和蒸發(fā)壓力，從而起到穩(wěn)定吹風(fēng)溫度和散熱器表面溫度的作用，使器件工作溫度波動較小。
[0036]在具體應(yīng)用時，在牽引變流器低溫啟動時，還可以通過四通閥的轉(zhuǎn)換，可起到加熱變流器的作用，提高其溫度到適合范圍，然后起機(jī)，制冷系統(tǒng)轉(zhuǎn)換回制冷狀態(tài)。
[0037]綜上所述，本發(fā)明針對電力機(jī)車牽引變流器中不同的電力電子器件，在同一個柜體內(nèi)采用不同的散熱模式，分為直接接觸散熱和風(fēng)冷散熱，各種功率器件的模塊內(nèi)部采用與冷板直接接觸散熱的方式，使用快換接頭21連接，在冷板內(nèi)通入制冷劑，其他的器件通過內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)15和蒸發(fā)器13共同實現(xiàn)供冷風(fēng)實現(xiàn)散熱。
[0038]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，包括冷卻塔(22)、蒸發(fā)器(13)和內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)(15)，所述冷卻塔(22)與電力機(jī)車牽引變流器的變流器柜連成一體，所述蒸發(fā)器(13)和內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)(15)安裝于變流器柜中；所述冷卻塔(22)安裝有壓縮機(jī)(9)和冷凝器(10)，所述壓縮機(jī)(9)通過管路與冷凝器(10)相連并將管路內(nèi)的制冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽經(jīng)冷凝器(10)將熱量散到環(huán)境中；所述制冷劑變成常溫高壓液體后分成兩路:一路進(jìn)入到變流器柜內(nèi)功率器件的散熱裝置內(nèi)，變成低溫低壓氣液混合態(tài)吸收熱量；另一路進(jìn)入到蒸發(fā)器(13)中，所述內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)(15)朝向蒸發(fā)器(13)以對變流器柜內(nèi)吹冷風(fēng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述功率器件的散熱裝置上設(shè)置有冷板，所述制冷劑通入冷板內(nèi)；或者，所述功率器件的散熱裝置上設(shè)有供制冷劑通過的通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻塔(22)的內(nèi)設(shè)有冷凝風(fēng)機(jī)(5)，所述冷卻塔(22)內(nèi)還設(shè)置有用來對變壓器(6)進(jìn)行冷卻的油冷換熱器(7)，所述油冷換熱器(7)與冷卻油泵(8)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述冷凝器(10)與每個功率器件之間分別設(shè)置有制冷劑支路，所述制冷劑支路上設(shè)置有電子膨脹閥(17 )，通過電子膨脹閥(17 )對制冷劑進(jìn)行節(jié)流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，每一個所述制冷劑支路上均設(shè)有快換接頭(21)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，每個所述功率器件中散熱裝置的出口端處進(jìn)行匯流，匯流后經(jīng)過一氣液分離器(19)將氣液分離，其中氣態(tài)通過管路導(dǎo)入背壓閥(20)，液態(tài)通過管路導(dǎo)入蒸發(fā)器(13)內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，每個所述功率器件中散熱裝置的出口端處進(jìn)行匯流，匯流后經(jīng)過一氣液分離器(19)將氣液分離，其中液態(tài)通過管路導(dǎo)入蒸發(fā)器(13)內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于電力機(jī)車牽引變流器的熱管理系統(tǒng)，其特征在于，所述變流器柜內(nèi)設(shè)置有副冷凝器(18 )，用來與內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)(15 )配合。
【文檔編號】H05K7/20GK104362836SQ201410683688
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月25日
【發(fā)明者】馮江華, 胡家喜, 姚磊, 尚敬, 李彥涌, 黃華坤, 王翱岸 申請人:南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司