一种感应加热设备的冷却装置

技术领域

本发明涉及感应加热设备冷却技术领域，尤其是一种感应加热设备的冷却装置。

背景技术

感应加热技术是基于电磁感应定律和焦耳热效应发展而来的一种加热方式，相较于传统加热方式具有绿色清洁、安全高效的特点，且随着电力电子技术及芯片的快速发展不断更新换代，目前已在冶金、机械制造、电子工业等领域中得到了广泛应用。

感应加热设备由感应加热电源与感应线圈构成，前者将三相工频交流电转变成单相高频交变电流提供给感应线圈，并在感应线圈周围产生交变磁场，而置于感应线圈中的工件内部产生涡流，在焦耳热效应作用下实现工件的加热。在设备运行过程中，感应线圈、整流电路、可控硅(IGBT或MOSFET)和电容器等功率元件会产生巨大的热量，若不能做到及时散热，会严重影响设备的安全稳定运行。

目前针对感应加热设备的冷却均采用水冷方式实现，通常以感应加热设备的瞬时最大发热量作为设计依据设计冷却系统，而感应加热设备在实际运行中并非一直维持高负荷的工作状态，具有明显的间歇工作特点，工频运行的冷却装置一直处于负荷高位不能实现与感应加热设备热负荷的实时匹配，导致能耗过度浪费，而大功率冷却装置也存在体积庞大的问题，此外在感应加热设备感应加热的启停阶段功率发生陡变时，会对功率元件造成热冲击，影响设备工作寿命和稳定运行。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种感应加热设备的冷却装置，目的是提高感应加热设备换热性能并减小功率元件热冲击。

本发明采用的技术方案如下：

本申请提供一种感应加热设备的冷却装置，包括储热模块、风冷换热器、与风冷换热器配套的冷却风机、工质泵、控制器和温度传感器，感应加热设备的冷却工质出口、所述储热模块、所述风冷换热器、所述工质泵、感应加热设备的冷却工质入口依次连接形成工质回路，所述储热模块中设有相变储能材料，所述温度传感器用于测量感应加热设备中各功率元件的实时表面温度T1、以及风冷换热器出口的实时工质温度T2，所述控制器与所述冷却风机、所述工质泵及所述温度传感器相连，并根据T1调节工质泵的转速以控制工质回路的工质流量、根据T2调节冷却风机的转速，实现冷却装置的换热量与感应加热设备热负荷的动态匹配；

所述储热模块的结构包括导热壳体，其内设有仿生微流道、仿生导热肋片和相变储能材料；

所述仿生微流道由上下平行布置的两层具有相同结构的流道构成，每层流道包括至少一组并联设置的流道单元，所述流道单元由一级流道及与之垂直相连的二级流道构成，工质从储热模块的入口端进入被均匀分配至上下两层流道，分别先后流经所述一级流道及所述二级流道，最后汇合于所述一级流道，从储热模块的出口端流出；

所述仿生导热肋片具有六面柱网格结构，均匀分布于相邻的流道单元之间以及每个流道单元的一级流道与二级流道之间，与各级流道外壁紧密连接；

所述相变储能材料填充于所述导热壳体、所述仿生微流道及所述仿生导热肋片构成的密闭空间内。

进一步技术方案为：

二级流道沿与之相连的一级流道的长度方向均匀间隔分别有多根，且以一级流道为中心左右对称设置，一级流道和二级流道的水力直径满足d

所述风冷换热器由多个单元堆叠而成，每个单元包括直管微通道层和歧管通道层，歧管通道层的底部和顶部分别设有百叶窗翅片板；

所述直管微通道层包括多个横截面为矩形的平直微通道，供冷却工质流通，所述歧管通道层的结构包括沿所述平直微通道长度方向呈蛇形折弯的歧管通道，所述歧管通道的一侧为迎风通道，另一侧为出风通道，所述歧管通道底部和顶部分别设有与上下相邻的直管微通道层连接的百叶窗翅片板，所述迎风通道内设有导流器，用于将流入的气流分为上下支流分别进入所述密集百叶窗翅片阵列，气流进入百叶窗翅片板后与直管微通道层换热后，再汇流至邻近的所述出风通道，沿出风通道流出。

所述平直微通道与所述出风通道及迎风通道的方向相垂直。

所述迎风通道沿流动方向呈渐缩状，所述出风通道沿流动方向呈渐扩状。

所述百叶窗翅片板呈连续折弯板状，每个折弯板表面设有微形窗口，所述微形窗口沿百叶窗翅片板表面呈阵列状排列。

其中，n≥2，m≥6。

本申请的感应加热设备的冷却装置，还包括储液罐串联在和排液阀，所述储液罐串联连接在储热模块和风冷换热器相连的管路上，所述排液阀设置在风冷换热器与工质泵相连的管路上。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明冷却装置的闭式冷却回路可通过控制器进行变频控制，分别通过跟踪感应加热设备功率元件表面温度及风冷换热器出口工质温度，调控变频工质泵及变频风机对应转速，实现冷却装置换热量与感应加热设备热负荷间的实时匹配，较传统冷却方案在换热性能及体积紧凑度上有显著的提升，具有低能耗、节能环保的优势。

(2)本发明冷却装置的蝶脉仿生结构储热模块，利用模块内部固液相变材料融化或凝固产生的大量潜热，有效缓解在感应加热设备功率波动条件下功率元件出现的热冲击现象；而参照自然界中蝶脉结构制成的微流道及导热内肋片具有结构稳定、易于能量利用和强化物质充分接触的特点，大幅增强了储热模块的传热性能。

(3)本发明冷却装置的风冷换热器，利用歧管通道和百叶窗翅片及分流器组合而成的风测流道，可减小流动阻力损失，合理组织气流与传热部件充分接触，有效地强化了风侧的传热特性，较传统风冷具有高传热系数结构紧凑的特点。

(4)本发明结构紧凑，易于安装，便于清洗和维护。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的储热模块的结构示意图。

图3为图中2中储热模块隐藏导热壳体后的俯视图。

图4为本发明实施例的储热模块所参照的蝶脉结构示意图。

图5为本发明实施例的风冷换热器的结构示意图。

图6为本发明实施例的风冷换热器中一个单元及与之相邻的直管微通道层的安装结构的分解示意图。

图7为本发明实施例的歧管通道层与位于及顶部和顶部的百叶窗翅片板的安装结构的分解示意图。

图中：1、冷却工质出口；2、储热模块；3、储液罐；4、风冷换热器；5、冷却风机；6、排液阀；7、工质泵；8、冷却工质入口；9、控制器；10、第二温度传感器；11、第一温度传感器；12、感应加热设备；21、导热壳体；22、一级流道；23、仿生导热肋片；24、相变储能材料；25、二级流道；41、直管微通道层；42、歧管通道层；43、百叶窗翅片板；201、入口端；411、平直微通道；421、出风通道；422、导流器；423、迎风通道；431、微形窗口；701、出口端。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的具体实施方式。

参见图1，本申请实施例提供一种感应加热设备的冷却装置，包括储热模块2、风冷换热器4、与风冷换热器4配套的冷却风机5、工质泵7、控制器9和温度传感器，感应加热设备12的冷却工质出口1、储热模块2、风冷换热器4、工质泵7、感应加热设备12的冷却工质入口8依次连接形成工质回路，储热模块2中设有相变储能材料，所述温度传感器包括第一温度传感器11，用于测量感应加热设备12中各功率元件的实时表面温度T1、以及第二温度传感器10，用于测量风冷换热器4出口的实时工质温度T2，控制器9与冷却风机5、工质泵7及温度传感器相连，并根据T1调节工质泵7的转速以控制工质回路的工质流量、根据T2调节冷却风机5的转速，实现冷却装置的换热量与感应加热设备12热负荷的动态匹配。

在感应加热设备12正常运行过程中，冷却工质被感应加热设备12的功率元件加热升温，自冷却工质出口1进入储热模块2的入口端201，流经储热模块2，然后经风冷换热器4冷却降温，由工质泵7泵送，经工质泵7的出口端701、冷却工质入口8返回至感应加热设备12内继续冷却各功率元件。控制器9经过监控两处温度实现功率元件温度的跟踪控制。当感应加热设备12中功率元件因功率变化而温度超限或陡变时，储热模块2可通过其中的相变储能材料吸收或释放大量潜热，从而起到缓解热冲击的作用。

图1中虚线及其箭头所示为电信号连接，实线及其箭头所示为工质流动方向。

其中，风冷换热器4与冷却风机5并列布置，实现侧向送风冷却。

其中，冷却风机5与工质泵7均连有变频器以实现转速调控。

上述实施例的感应加热设备的冷却装置，还包括储液罐3和排液阀6，储液罐3串联连接在储热模块2和风冷换热器4相连的管路上，排液阀6设置在风冷换热器4与工质泵7相连的管路上。

具体的，储液罐3位于冷却装置的最高处，液罐罐体上部设置有充液口，在冷却装置启动前用于工质充注，而在冷却装置运行过程中所述充液口仍处于常开状态，通过与大气连通，可避免工质回路中工质因受热膨胀对管路造成的危险。储液罐侧壁下部设置有透明液位计。

具体的，排液阀6位于冷却装置的最底端，用于设备停运时排液。

参见图2，储热模块2的结构包括导热壳体21，其内设有仿生微流道、仿生导热肋片23和相变储能材料24；

所述仿生微流道由上下平行布置的两层具有相同结构的流道构成，每层流道包括至少一组并联设置的流道单元，参见图3，流道单元由一级流道22及与之垂直相连的二级流道25构成，工质从储热模块2的入口端201进入被均匀分配至上下两层流道，分别先后流经一级流道22及二级流道25，最后汇合于一级流道，从储热模块2的出口端流出；

仿生导热肋片23具有六面柱网格结构，均匀分布于相邻的流道单元之间以及每个流道单元的一级流道22与二级流道25之间，与各级流道外壁紧密连接；

相变储能材料24填充于导热壳体21、仿生微流道及仿生导热肋片23构成的密闭空间内。

具体的，二级流道25沿与之相连的一级流道22的长度方向均匀间隔分别有多根，且以一级流道22为中心左右对称设置，一级流道22和二级流道25的水力直径满足d

具体的，储热模块2是参照蝶脉进行仿生设计，仿生微流道及仿生导热肋片23构成如图4所示的蝶脉结构，具有易于能量利用和强化传热传质的特点。

参见图5，风冷换热器4由n个单元堆叠而成，每个单元包括直管微通道层41和歧管通道层42，歧管通道层42的底部和顶部分别设有百叶窗翅片板43。图中实心箭头所示为风冷换热器4中冷却工质的流动方向，虚心箭头所示为风冷换热器4中空气的流动方向。

参见图6，所述直管微通道层41包括m个横截面为矩形的平直微通道411，供冷却工质流通，工质沿平直微通道411流动方向如图中直线箭头所示。所述歧管通道层42的结构包括沿所述平直微通道411长度方向呈蛇形折弯的歧管通道，所述歧管通道的结构为：一侧为迎风通道423，另一侧为出风通道421，所述歧管通道底部和顶部分别设有与上下相邻的直管微通道层41连接的百叶窗翅片板43，所述迎风通道423内设有导流器422，用于将流入的气流分为上下支流分别进入所述密集百叶窗翅片阵列43，气流进入百叶窗翅片板43后与直管微通道层41换热后，再汇流至邻近的出风通道421，沿出风通道421流出，气流流动方向如图中弧线箭头方向所示。其中，平直微通道411与出风通道421及迎风通道423的方向相垂直。

参见图7，迎风通道423沿流动方向呈渐缩状，出风通道421沿流动方向呈渐扩状。使通道内的气流组织更为合理，减小了气流的局部阻力。

参见图7，百叶窗翅片板43呈连续折弯板状，每个折弯板表面设有微形窗口431，所述微形窗口431沿百叶窗翅片板43表面呈阵列状排列。通过横、纵分布的微形窗口431可实现气流在迎风通道423与百叶窗翅片板43之间、以及百叶窗翅片板43与出风通道421之间的流通。

优选的，n≥2，m≥6。

优选的，导热壳体21、所述仿生微流道及仿生导热肋片23均由导热性能良好的金属制成，其中导热壳体21为中空的长方体。

本实施例的风冷换热器4的歧管结构可显著增强工质在流道中的湍流扰动，实现换热器的高效换热，使冷却装置体积更为紧凑。

本申请实施例还提供一种感应加热设备的冷却装置的控制方法，包括：

设定T1的最佳工作点值，当T1大于最佳工作点值时，减小工质泵7转速，当T1小于最佳工作点值时，增大工质泵7转速；设定T2的最佳工作点值，当T2大于最佳工作点值时，减小冷却风机5转速，当T2小于最佳工作点值时，增大冷却风机5转速。

通过上述的控制方法可实现冷却装置的换热量与感应加热设备热负荷的动态匹配。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。