[发明专利]一种分布式脉冲功率源电抗器冷却方法及其系统

说明书

技术领域

本发明属于电抗器散热冷却技术领域，特别是一种分布式脉冲功率源电抗器冷却方法及其系统。

背景技术

功率源电抗器是电磁发射、电子激光器及脉冲强磁场应用领域中的关键部件，为获得脉冲强磁场或瞬间的脉冲能量，向功率源电抗器中通入脉冲宽度为几毫秒甚至几微秒的脉冲强电流，即脉冲波。在脉冲功率源电抗器的制作中，为保证层间的绝缘及强度，通常采用铜绕组、绝缘层和加固层相间绕制的结构，构成分布式脉冲功率源电抗器，分布式脉冲功率源电抗器为在空间和时间上不连续分布的一类电抗器，具有间歇周期性、瞬时性和非均匀性等特点。分布式脉冲功率源电抗器工作时，脉冲电流施加于铜绕组的电极，因脉冲电流在铜绕组的电阻发热效应及电抗器内磁场涡流致热效应，电抗器会在极短的脉冲时间内积累大量的能量，使电抗器温度迅速上升，如电抗器得不到及时有效的冷却，会导致脉冲功率源电抗器的能量转换效率降低，并在电抗器温度达到极限温度后可能导致电抗器烧毁而失效。因分布式脉冲功率源电抗器为铜绕组、绝缘层、加固层相间结构的缠绕体，结构紧凑、体积小，在脉冲时间内发热量大，且热量集中于铜绕组层，故在脉冲电流结束后电抗器内温度为层间非均匀分布，在温度梯度下，累积于铜带绕组的热量会在层间扩散传导。而因电抗器紧凑结构，使得电抗器的冷却比表面积小，且电抗器层间的绝缘层导热性能差，进一步恶化电抗器的冷却条件。因此，在周期性脉冲电流作用下如何有效控制电抗器温度不超限是分布式脉冲功率源电抗器可靠工作的关键。为解决电抗器的散热冷却问题，目前国内外对电抗器的散热冷却开展了相应的研究工作，并取得了一定的研究成果。如中国专利200820021053.1中公开了一种绕组内冷媒冷却式变压器或电抗器（李晓雨，王春龙.绕组内冷媒冷却式变压器或电抗器，实用新型专利，申请号200820021053.1，申请日：2008.4.17），该电抗器线圈绕组导线采用中空导线，利用冷媒在中空导线内流动换热对电抗器进行冷却。采用该中空结构电抗器冷却效果好，但仅适于几何尺度较大或结构简单的电抗器冷却，而对结构紧凑、体积小且为多层相间的分布式电抗器冷却系统而言，在保证电抗器功能前提下难以实现电抗器结构的小型化及电抗器结构的稳定性。2006年华中科技大学硕士学位论文公开了一种70T脉冲强磁场电抗器低温冷却方案（黄志峰，70T脉冲强磁场磁体低温冷却模型与实验研究，华中科技大学，硕士学位论文，2006），该冷却方案针对在强脉冲负荷期间电抗器内大量热量瞬间累积特点，采用液氮浴冷却方式对电抗器进行冷却并取得了良好的冷却效果，但因液氮标准沸点温度低，采用液氮浴冷却方式对电抗器的承压、密封、材料的耐温、隔热防护及电抗器的结构设计提出更高要求，且液氮浴冷却系统的成本过高，不利于系统运行的经济性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式脉冲功率源电抗器冷却方法及其系统，以解决现有技术中对电抗器承压、密封要求高或难以实现电抗器结构紧凑与小型化的问题，以达到在保证电抗器技术指标条件下对电抗器的经济有效冷却，使其安全可靠运行，并实现电抗器结构设计的紧凑与小型化。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种分布式脉冲功率源电抗器冷却方法，将相变冷媒通过节流降压后通入电抗器的冷却端面，利用相变冷媒节流后的低温特性及液态冷媒汽化吸热对脉冲功率源电抗器进行冷却。

一种分布式脉冲功率源电抗器冷却系统，包括电抗器、内电极、外电极、冷却空腔、环氧筒、气态冷媒出口、供液口、外接相变冷媒供液系统，电抗器由铜带、绝缘层、加固层叠加后紧密绕制而成的多匝缠绕体，多匝缠绕体中，铜带在内层，绝缘层在中间，加固层在外层；电抗器设置在环氧筒内并由该环氧筒包裹紧固，电抗器的一个轴向端面与环氧筒的底端面填充紧固，该环氧筒的开口端设置密封盖，该密封盖与电抗器的另一个轴向端面形成封闭的冷却腔体，用作相变冷媒对电抗器进行冷却的传热面并容纳供入的液体相变冷媒；在环氧筒或密封盖上设置与冷却空腔上部连通的气态冷媒出口，用于排放吸热汽化后的气态冷媒；所述的电抗器中的铜带位于多匝缠绕体外缘侧的端头连接外电极，并伸出环氧筒的底端面，铜带位于多匝缠绕体中心侧的端头连接内电极，该内电极伸出冷却空腔外的一端设置供液口，内电极为两端封闭的中空铜轴，供液口与内电极中心的空心通道联通，该供液口与外接相变冷媒供液系统连接。