一种半开放式大功率设备冷却系统及冷却方法
阅读说明：本技术 一种半开放式大功率设备冷却系统及冷却方法 (Semi-open type high-power equipment cooling system and cooling method ) 是由 吴努斌 陈雄 杨健 徐荣 杨恒辉 谭林川 苏宝焕 尹露 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及冷却系统技术领域,提出一种半开放式大功率设备冷却系统及方法。该系统包括半开放式大功率设备结构、半开放式大功率设备、内散热器、内散热器风扇以及管路连接冷却系统。本发明可以同时满足半开放式大功率设备和封闭环境的冷却需求,使冷却系统的总成本大量下降；本发明可以增强半开放式大功率设备结构外壁的对流换热5-10kW,从而显著降低了冷却系统的自耗电；以及本发明通过取消冷却背包并将多个内散热器布置于半开放式大功率设备下方的方式,有效缓解了大功率设备在封闭环境内布局中的尺寸限制压力；并且采用双侧通风相比于单侧通风有效减少发热元件的局部热点。(The invention relates to the technical field of cooling systems, and provides a semi-open type high-power equipment cooling system and a method. The system comprises a semi-open type high-power equipment structure, semi-open type high-power equipment, an inner radiator fan and a pipeline connecting cooling system. The invention can simultaneously meet the cooling requirements of semi-open type high-power equipment and closed environment, so that the total cost of the cooling system is greatly reduced; the invention can enhance the convection heat transfer of the outer wall of the semi-open type high-power equipment structure by 5-10kW, thereby obviously reducing the self-power consumption of a cooling system; the invention effectively relieves the size limitation pressure of the high-power equipment in the layout in a closed environment by eliminating the cooling backpack and arranging the plurality of inner radiators below the semi-open high-power equipment; and the adoption of double-sided ventilation effectively reduces local hot spots of the heating element compared with single-sided ventilation.)
技术领域
本发明总的来说涉及冷却系统技术领域。具体而言，本发明涉及一种半开放式大功率设备冷却系统及方法。
背景技术
对于布置于封闭环境中的大功率设备，其配套的冷却系统是很重要的一环。以海上风力发电机组为例，海上风力发电机组中的大功率设备例如可以是风机变压器，风机变压器布置在风机塔筒中，其发热元件主要是变压器绕组。
如图2所示，现有技术中风机变压器通常采用封闭式水冷干式变压器，其中通过布置在风机变压器侧面的冷却背包203来实现变压器绕组201的冷却。但是由于采用了封闭式水冷干式变压器，风机塔筒内部空气与风机变压器内部空气相互隔离，因此需要通过在风机塔筒上单独布置塔筒冷却器212来实现塔筒环境的冷却。这样一来，由于风机变压机和风机塔筒环境均需配置独立的冷却设备，这使得冷却系统的总成本高昂并且海上风力发电机组的自耗电也大大增加。而且，由于冷却背包203通常需要布置在风机变压器的侧面，这使得风机变压器的周向尺寸较大，不利于将风机变压器内置于风机塔筒中。另外，由于冷却背包只在冷却背包的这一侧单侧地通风，因此其通风均流性较差，这会使得变压器绕组201的背风侧产生局部区域温升热点。
发明内容
为至少部分解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种半开放式大功率设备冷却系统，包括：
半开放式大功率设备结构，所述半开放式大功率设备结构包括：
第一平台，其被配置为承载半开放式大功率设备，并且所述第一平台具有通风孔；以及
半开放式大功率设备结构外壁，其被配置为包围半开放式大功率设备并且与大气环境接触；
半开放式大功率设备，所述半开放式大功率设备包括：
一个或者多个发热元件；以及
半开放式大功率设备外壳，其包围所述一个或者多个发热元件，并且所述半开放式大功率设备外壳包括：
多个半开放式大功率设备进风口，其布置于所述半开放式大功率设备外壳的侧壁的上部处；以及
半开放式大功率设备出风口，其布置于所述半开放式大功率设备外壳的底部处；
内散热器，其连接所述半开放式大功率设备出风口并且在所述风机内散热器下方布置有内散热器风扇；
内散热器风扇，其连接所述内散热器；以及
管路连接冷却系统，其连接所述内散热器。
在本发明一个实施例中规定：所述内散热器布置于所述半开放式大功率设备下方，并且在所述内散热器下方布置所述内散热器风扇。
在本发明一个实施例中规定：所述管路连接冷却系统包括管路连接空调系统或者管路连接水冷系统。
在本发明一个实施例中规定，所述管路连接水冷系统包括：
水泵；
水冷管道；以及
外散热器，所述外散热器布置于所述半开放式大功率设备结构外，并且所述外散热器与所述内散热器连接。
在本发明一个实施例中规定：所述通风孔包括连续\间隔布置的多个格栅孔或者环绕布置的格栅环。
在本发明一个实施例中规定：多个半开放式大功率设备进风口连续\间隔布置于所述半开放式大功率设备外壳的侧壁的上部处。
在本发明一个实施例中规定：多个半开放式大功率设备出风口以所述半开放式大功率设备外壳底部的中心为对称中心呈对称布置或者近似中心对称布置；
所述多个半开放式大功率设备出风口分别与多个内散热器其中之一连接；以及
所述多个内散热器分别与多个内散热器风扇其中之一连接。
在本发明一个实施例中规定：所述多个内散热器通过所述水冷管道相互并联或者相互串联。
在本发明一个实施例中规定：所述发热元件上布置有温度传感器。
在本发明一个实施例中规定：所述半开放式大功率设备结构还包括一个或者多个第二平台，所述一个或者多个第二平台布置为至少在半开放式大功率设备的上方遮盖所述半开放式大功率设备。
在本发明一个实施例中规定：所述半开放式大功率设备结构包括风机塔筒以及集装箱。
在本发明一个实施例中规定：所述半开放式大功率设备包括变压器以及变频器。
本发明还提出一种利用所述半开放式大功率设备冷却系统冷却半开放式大功率设备的方法，包括下列步骤：
通过第一冷却循环冷却半开放式大功率设备，其中包括下列步骤：
由第一冷气流经过一个或者多个发热元件的外表面和气隙后带走热量并且形成第一热气流；
由所述第一热气流在内散热器风扇驱动下穿过内散热器并且冷却形成第二冷气流；
由所述第二冷气流进入半开放式大功率设备结构内，并且通过通风孔与半开放式大功率设备结构内上层空气混合以及与半开放式大功率设备结构外壁通过对流换热形成第三冷气流；以及
由所述第三冷气流通过多个半开放式大功率设备进风口回流进入半开放式大功率设备中以形成所述第一冷却循环；以及
通过第二冷却循环冷却半开放式大功率设备，其中在所述第二冷却循环中通过外接冷却系统换热冷却内散热器。
在本发明一个实施例中规定，通过第二冷却循环冷却半开放式大功率设备包括下列步骤：
由内散热器吸收所述第一热气流的热量，并且形成第一热水流；
由水泵驱动所述第一热水流通过水冷管道运送至外散热器；
由外散热器将所述第一热水流的热量排放至大气热沉中，并且形成冷却后的第二冷水流；以及
由水泵驱动所述第二冷水流通过水冷管道运送至内散热器以形成所述第二冷却循环。
本发明还提出一种风力发电机，其具有所述半开放式大功率设备冷却系统。
本发明一种储能系统，其具有所述半开放式大功率设备冷却系统。
本发明至少具有如下有益效果：本发明采用了半开放式大功率设备，其与外部封闭环境结合满足冷却需求，使冷却系统的总成本大量下降；本发明可以通过半开放式大功率设备结构外壁增强对流换热5-10kW，从而显著降低了冷却系统的自耗电；以及本发明通过取消冷却背包并将多个内散热器对称或近似对称的方式布置于半开放式大功率设备下方的方式，有效缓解了大功率设备在外部封闭环境中的尺寸限制压力，提高了内置大功率变压器以及大功率变频器等设备的可行性，并且采用双侧通风相比于单侧通风有效提升了被冷却部件内的均流性，减少发热元件的局部热点。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例中具有的及其它的优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出了本发明所应用于的风力发电机的示意图。
图2示出了现有技术中一个半开放式大功率设备冷却系统的结构示意图。
图3示出了本发明一个实施例中半开放式大功率设备冷却系统的结构示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
本发明可以应用于风力发电机或者储能系统中。图1示出了本发明所应用于的风力发电机100的示意图。如图1所示，风力发电机100包括风机塔筒101、可旋转地连接到风机塔筒101并且支承轮毂103的机舱102。在轮毂103上布置有两个或更多个叶片104，其中叶片104在风力作用下带动布置在轮毂108中的转子(未示出)绕轴线(未示出)旋转，其中发电机的转子相对于定子的旋转将生成电能。
在本发明的一个实施例中提出一个半开放式大功率设备冷却系统，包括半开放式大功率设备结构、半开放式大功率设备、内散热器以及管路连接冷却系统。半开放式大功率设备结构可以包围所述半开放式大功率设备，例如可以是风机塔筒或者集装箱。半开放式大功率设备中具有发热元件，所述半开放式大功率设备例如可以是变压器或者变频器。以风机塔筒中的风机变压器为例，在风机变压器中，发热元件包括变压器绕组。管路连接冷却系统与所述风机内散热器相连接，可以是水冷系统或者空调系统。然而本领域技术人员应当理解，上述半开放式大功率设备结构、半开放式大功率设备以及管路连接冷却系统均不限于所给出的示例，本领域技术人员可以根据实际需要做出适应性的选择。
如图3所示，在本发明的一个实施例中半开放式大功率设备冷却系统300可以包括风机塔筒、风机变压器、塔内散热器以及塔外散热器，其中塔内散热器与塔外散热器通过水冷管道和水泵连接形成外接冷却系统。
风机塔筒可以包括第一塔筒平台313、第二塔筒平台317、塔筒外壁316以及塔基318。
第一塔筒平台313布置于风机变压器下方以用于承载风机变压器，并且第一塔筒平台313具有通风孔314-315。通风孔314-315例如可以是连续\间隔布置的多个格栅孔或者环绕布置的格栅环。
塔筒外壁316被布置为至少在风机变压器侧面包围风机变压器，并且连接至塔基318。
第二塔筒平台317可以布置有一个或者多个，所述一个或者多个第二塔筒平台317被布置为至少在风机变压器的上方遮盖风机变压器，并且与塔筒外壁316连接。
风机变压器包括一个或者多个变压器绕组301以及变压器外壳304。
变压器绕组301上可以布置多个温度传感器326，所述多个温度传感器326可以分布在变压器绕组301的各处，并且可以检测变压器绕组301的不同位置处的温度变化。
变压器外壳304包围变压器绕组，并且变压器外壳304包括多个变压器进风口303以及变压器出风口305-306。
多个变压器进风口303可以连续\间隔布置于所述变压器外壳304的侧壁处、尤其是侧壁的上部。在此，术语“上部”是指与顶面相距的距离小于与底面相距的距离，术语“下部”是指与底面相距的距离小于与顶面相距的距离。
变压器出风口305-306布置于所述变压器外壳底部，多个变压器出风口305-306可以所述变压器外壳底部的中心为对称中心呈对称布置或者近似中心对称布置，从而实现所述变压器绕组301的双侧通风。多个变压器出风口305-306采用双侧对称布置的方式，可以提升变压器绕组301的冷却空气的均流性，获得更好的冷却效果并且有效避免局部的温升热点。
通过变压器进风口303以及变压器出风口305-306，可以将半开放式变压器内部冷却和塔筒环境冷却耦合在一起，利用塔内散热器307-308同时满足变压器绕组301以及塔内空气环境的换热需求。
塔内散热器307-308布置于风机变压器的下方，多个变压器出风口305-306分别与对应的多个塔内散热器307-308其中之一连接，多个塔内散热器307-308分别与多个塔内散热器风扇309-310其中之一连接。塔内散热器307-308由于布置于风机变压器的底部下方，相比于传统冷却背包，更适合放置在有限半径的塔筒中。
在塔内散热器风扇309-310的驱动下，塔内空气可以穿过通风孔314-315，并与塔筒外壁316进行对流换热，可以有效降低塔外散热器312的自耗电。
塔外散热器312布置于风机塔筒外，并且塔外散热器312通过水泵311以及水冷管道319-325与塔内散热器307-308相连接。其中多个塔内散热器307-308通过水冷管道相互并联。其中，塔外散热器312与多个塔内散热器307-30通过上述方式连接构造了本实施例的外接冷却系统。
上述冷却系统的布置方式可以构成半开放式大功率设备冷却系统的第一冷却循环和第二冷却循环。
第一冷却循环包括：变压器绕组301的功耗导致其温度升高，冷风经过变压器绕组301的外表面和气隙后带走热量，热空气在塔内散热器风扇309-310驱动下穿过塔内散热器307-308，将热量传递至塔内散热器307-308，冷却后的空气进入塔筒环境，并通过通风孔314-315与第一塔筒平台上方的塔筒上层空气混合，在此过程中塔内空气可以增强与塔筒外壁316的对流换热，最终冷空气通过变压器外壳304的侧壁上方的多个变压器进风口303回流至变压器中，以此形成整个风冷回路。
水第二冷却循环包括：多个塔内散热器307-308采用并联的方式通过水冷管道319-325与水泵311、塔外散热器312以及其他功率设备进行连接。塔内换热器307-308冷却热空气后，其出水温度升高，在水泵311驱动下，热水流经塔外散散热器312，通过主动风冷或被动风冷的形式排放至大气热沉中，冷却后的水将继续循环换热。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
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