智能温度调节系统及其应用

摘要

本发明公开了一种智能温度调节系统，由密集型大功率半导体温度调节块模组、内循环散温片、内循环散温风机、相变换热均温板、热导管、外循环微型化翅片格栅管群相变散热器、外循环散热器风机和智能管理电路组成。内循环散温片与内循环散温风机连接为内循环大温差温度调节系统；相变换热均温板与热导管和外循环微型化翅片格栅管群相变散热器连接为外循环微型化分布式相变循环高效散热系统。本发明还提供了一种智能温度调节系统在智能变电站保护及智能控制柜温度控制中的应用。本发明系统的安装规格与重量可适于变电站内的各种电气柜体安装与应用要求；在恶劣极限气温环境下在变电站各类电气柜体内的封闭环境中实现了大温差调节，能准确的控制柜内温度范围；大幅提升温度调节性能的同时还能缩小设备体积与重量。

权利要求

1.一种智能温度调节系统，其特征在于：包括至少一个密集型大功率半导体温度调节块模组(1)、内循环散温片(2)、内散温风机(3)、至少一个相变换热均温板(4)、多个密封后内部抽为负压状态的热导管(5)、至少一个外循环微型化翅片格栅管群相变散热器(6)、设置在外循环微型化翅片格栅管群相变散热器(6)上的外循环散热器风机(7)和智能管理电路；

还设有内外循环密封隔热层(8)；所述每个密集型大功率半导体温度调节块模组(1)与每个外循环微型化翅片格栅管群相变散热器(6)通过两根热导管(5)连接形成封闭内循环回路；

所述内循环散温风机(3)设置在内循环散温片(2)上，内循环散温风机(3)通过强制排风模式来对内循环散温片(2)进行强制散温，所述内循环散温片(2)与密集型大功率半导体温度调节块模组(1)的内循环面无缝隙贴合；所述每个相变换热均温板(4)分别与每个密集型大功率半导体温度调节块模组(1)的外循环面无缝隙贴合，每个相变换热均温板(4)内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质；

所述相变换热均温板(4)为铜制直接传导吸收式的密封箱体式结构，所述密封箱体式结构内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质，用以快速吸收密集型大功率半导体温度调节块模组(1)释放的高热流密度热源；

所述外循环微型化翅片格栅管群相变散热器(6)包括强制空冷翅片群(6.1)、相变格栅管群(6.2)；所述相变格栅管群(6.2)内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质；所述相变格栅管群(6.2)横向穿插在强制空冷翅片群(6.1)中并与强制空冷翅片群(6.1)的翅片紧密接触，形成外循环微型化翅片格栅管群相变散热器；

所述外循环散热器风机(7)通过风冷模式对强制空冷翅片群(6.1)与相变格栅管群(6.2)进行强制散热；

所述热导管(5)内部还充填液汽相变工质；热导管(5)穿过相变换热均温板(4)内部与外循环微型化翅片格栅管群相变散热器(6)连接，热导管(5)横向穿插于强制空冷翅片群(6.1)中并与强制空冷翅片群(6.1)的翅片形成紧密接触；形成外循环微型化分布式相变循环高效散热系统。

2.根据权利要求1所述的智能温度调节系统，其特征在于：所述密集型大功率半导体温度调节块模组(1)设有三个。

3.根据权利要求1或2所述的智能温度调节系统，其特征在于：所述相变换热均温板(4)设有三个。

4.根据权利要求1或2所述的智能温度调节系统，其特征在于：所述内循环散温风机(3)为向内强排式工业级大功率轴流风机。

5.根据权利要求1或2所述的智能温度调节系统，其特征在于：所述外循环散热器风机(7)为向内强排式工业级大功率耐高温轴流防水风机。

说明书

智能温度调节系统及其应用

【技术领域】

[0001] 本发明涉及变电站技术领域，特别涉及一种智能温度调节系统及其应用。【背景技术】

[0002] 随着智能电网的快速发展，近年来越来越多的户内开发式转向户外封闭式安装。户外控制柜在无遮挡的情况下，受到太阳辐射以及设备本身耗散的热量作用使得密封机柜内部的温度有可能超出设备允许的范围，装置长时间在超负荷高温下运行，会降低元器件的性能以及寿命，进而导致装置故障，降低整个系统的稳定性甚至造成重大安全事故。一般元器件的环境温度升高10℃，元器件的失效率会增加一个数量级。机柜作为电力系统设备的主要载体、安全性和可靠性是必不可少的。因此，在密封的户外控制柜中如何控制好内部的温度，给设备提供良好的运行环境，是户外控制柜设计及系统稳定运行的关键所在。

[0003] 针对智能变电站保护及智能控制柜温度调节系统研发，调研国内外企业研发的散热装置的研究情况，大致可分为风机温度调节、热交换器温度调节、空调温度调节等几种形式。

[0004] 1、风机温度调节

[0005] 风机温度调节的优点是成本低，安装简便，能耗较少。缺点是由于通风，户外的灰尘较容易进入柜内，需要定期更换过滤棉。

[0006] 2、热交换器温度调节

[0007] 热交换器在运行过程中，柜内与柜外的空气在完全隔离状况下通过换热器芯体进行热交换，避免柜外灰尘对柜内精密通信设备的污染。能耗较低，仅是风机散热的1.5～2倍。缺点是由于柜内温差通常高于环境温度10℃，当环境温度较高时，柜内温度往往会超过55℃，甚至60℃，即使每年此种情况出现1～2次，仍然可能造成隐患。热交换器在使用2～3年后由于连续工作，换热器表面会结垢，严重影响传热k值，通常视不同使用情况每年衰减
7％左右，故之前较多使用热交换器的机柜在暑天最热的时候出现了许多故障。

[0008] 热交换器对于平均环境温度较低，峰值温度不高于35℃的地区较为适用。

[0009] 3、空调温度调节

[0010] 由于采用冷媒压缩的制冷系统，使用机柜空调可获得比环境更低的温度，装有机柜空调的控制柜可有效将柜内温度对比户外气温下降10～15℃，散热效果明显。但机柜空调采用压缩机设计，针对智能变电站保护及智能控制柜温控应用来说，存在震动大，体积大、凝水、维护复杂、运行寿命短、冬季无法进行加热等一系列弊端。其中震动大与凝水的问题将可能影响到智能控制柜内电子器件的工作状态，引发身故，是该应用不可接受的，维护复杂、运行寿命短还将造成运维成本过高的问题。

[0011] 4、现有温度调节散热技术缺陷总结与新装置采用大功率半导体温度调节技术的技术瓶颈

[0012] 综上所述，目前应用于现有智能变电站保护及智能控制柜温度调节的风机温度调节技术、热交换温度调节技术都存在着无法实现封闭运行，柜内空气中的热量及水份无法有效向柜外转移，外部环境中的高温、粉尘、油污、腐蚀性气体会进入到机柜内部等一系列弊病。电路板表面如果静电吸附粉尘油污与腐蚀性气体颗粒，日积月累，对元器件、印刷线路等具有严重的腐蚀性，同时也影响其散热性。积聚的灰尘受潮后还会引发电路板高压部分的短路。再者目前现有在智能变电站内可用的温度调节技术都无法实现大温差制冷制热调节，不能达到国家电网企业标准Q/GDW 734-2012《智能高压设备组件柜技术规范》所要求的智能控制柜内保护装置在户外正常工作的极限温度范围为-5℃～45℃的标准要求。如果采用冷媒压缩制冷系统，可以实现大温差制冷，但冷媒压缩制冷系统不但容易发生制冷剂泄漏事故，引起空气污染。还由于冷媒压缩制冷系统是采用压缩机作为冷媒循环的主机，即使可以实现大温差制冷也会存在震动大，体积大、凝水、维护复杂、运行寿命短、冬季无法进行加热等一系列弊端，是智能变电站保护及智能控制柜环境应用要求不可接受的。

[0013] 半导体温度调节技术的出现，有效的解决了现有智能变电站保护及智能控制柜温控调节技术所面临的一些列弊端，但新型半导体温度调节材料由于制冷与制热两端能效比的不平衡，导致设备工作时聚集了大量潜热无法释放。目前已有的风冷散热技术仅限于小功率半导体制冷装置散热的应用。而要完成智能变电站保护及智能控制柜温控调节的大温差温度调节技术要求，就必须使用密集型大功率的半导体温度调节装置。密集型大功率半导体温度调节装置要解决散热问题有效的方案就是采用的是水冷散热方案，使用水冷散热方案必然会使温度调节装置体积硕大，且笨重，无法应用于智能变电站保护及智能控制柜。且水冷散热方案需要使用水泵进行循环，水泵属于震动装置，容易发生故障，也不适于在该应用领域的使用。所以，如何在密集型大功率的半导体温度调节装置上实现高效散热成为新型应用技术的主要瓶颈。
【发明内容】

[0014] 有鉴于此，为克服现有技术的不足，本发明提供一种智能温度调节系统及其应用，该系统在柜内循环中能实现大温差调节，且能够准确的控制柜内的温度范围。

[0015] 为实现上述目的，本发明提供的智能温度调节系统，其特征在于：包括至少一个密集型大功率半导体温度调节块模组、内循环散温片、内散温风机、至少一个相变换热均温板、多个密封后内部抽为负压状态的热导管、至少一个外循环微型化翅片格栅管群相变散热器、设置在外循环微型化翅片格栅管群相变散热器上的外循环散热器风机和智能管理电路；

[0016] 所述密集型大功率半导体温度调节块模组、内循环散温片、内循环散温风机和相变换热均温板位于控制柜柜体内；所述外循环微型化翅片格栅管群相变散热器、外循环散热器风机位于控制柜柜体外；所述控制柜柜体内和控制柜柜体外之间设有内外循环密封隔热层；所述每个密集型大功率半导体温度调节块模组与每个外循环微型化翅片格栅管群相变散热器通过两根热导管连接形成封闭内循环回路；

[0017] 所述内循环散温风机设置在内循环散温片上，内循环散温风机通过强制排风模式来对内循环散温片进行强制散温，所述内循环散温片与密集型大功率半导体温度调节块模组的内循环面无缝隙贴合；所述每个相变换热均温板分别与每个密集型大功率半导体温度调节块模组的外循环面无缝隙贴合，每个相变换热均温板内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质；

[0018] 所述相变换热均温板为铜制直接传导吸收式的密封箱体式结构，所述密封箱体式结构内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质，用以快速吸收密集型大功率半导体温度调节块模组释放的高热流密度热源；

[0019] 所述外循环微型化翅片格栅管群相变散热器包括强制空冷翅片群、相变格栅管群；所述相变格栅管群内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质；所述相变格栅管群横向穿插在强制空冷翅片群中并与强制空冷翅片群的翅片紧密接触，形成外循环微型化翅片格栅管群相变散热器；

[0020] 所述外循环散热器风机通过风冷模式对强制空冷翅片群与相变格栅管群进行强制散热；

[0021] 所述热导管内部还充填液汽相变工质；热导管穿过相变换热均温板内部与外循环微型化翅片格栅管群相变散热器连接，热导管横向穿插于强制空冷翅片群中并与强制空冷翅片群的翅片形成紧密接触；形成外循环微型化分布式相变循环高效散热系统。

[0022] 作为优选方案，所述密集型大功率半导体温度调节块模组设有三个。

[0023] 进一步地，所述相变换热均温板设有三个。

[0024] 进一步地，所述内循环散温风机为向内强排式工业级大功率轴流风机。

[0025] 进一步地，所述外循环散热器风机为向内强排式工业级大功率耐高温轴流防水风机。

[0026] 本发明还提供了一种智能温度调节系统在智能变电站保护及智能控制柜温度控制中的应用。

[0027] 进一步地，所述智能温度调节系统包括至少一个密集型大功率半导体温度调节块模组、内循环散温片、内散温风机、至少一个相变换热均温板、多个密封后内部抽为负压状态的热导管、至少一个外循环微型化翅片格栅管群相变散热器、设置在外循环微型化翅片格栅管群相变散热器上的外循环散热器风机和智能管理电路；

[0028] 还设有内外循环密封隔热层；所述每个密集型大功率半导体温度调节块模组与每个外循环微型化翅片格栅管群相变散热器通过两根热导管连接形成封闭内循环回路；

[0029] 所述内循环散温风机设置在内循环散温片上，内循环散温风机通过强制排风模式来对内循环散温片进行强制散温，所述内循环散温片与密集型大功率半导体温度调节块模组的内循环面无缝隙贴合；所述每个相变换热均温板分别与每个密集型大功率半导体温度调节块模组的外循环面无缝隙贴合，每个相变换热均温板内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质；

[0030] 所述相变换热均温板为铜制直接传导吸收式的密封箱体式结构，所述密封箱体式结构内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质，用以快速吸收密集型大功率半导体温度调节块模组释放的高热流密度热源；

[0031] 所述外循环微型化翅片格栅管群相变散热器包括强制空冷翅片群、相变格栅管群；所述相变格栅管群内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质；所述相变格栅管群横向穿插在强制空冷翅片群中并与强制空冷翅片群的翅片紧密接触，形成外循环微型化翅片格栅管群相变散热器；所述外循环散热器风机通过风冷模式对强制空冷翅片群与相变格栅管群进行强制散热；

[0032] 所述热导管内部还充填液汽相变工质；热导管穿过相变换热均温板内部与外循环微型化翅片格栅管群相变散热器连接，热导管横向穿插于强制空冷翅片群中并与强制空冷翅片群的翅片形成紧密接触；形成外循环微型化分布式相变循环高效散热系统。

[0033] 本发明的优点在于：本发明通过分布式相变循环高效散热技术来实现对密集型大功率半导体温度调节块模组进行高热流密度热源的快速散热，达到对智能变电站保护及智能控制柜实现大温差的温度调节；智能温度调节系统使用了密集型大功率半导体温度调节技术，没有制冷剂也没有复杂的管路结构，所以不存在制冷剂泄漏而引起的空气污染问题。密集型大功率半导体温度调节块模组体积小，没有滑动部件，并具有无摩擦、无震动、无噪声、无凝水，能精确控制和平稳调节温度工况与制冷量。可根据柜内温度变化，智能调控，实现制冷/热的自动切换。使用寿命达到20万小时。具有不用经常维修，管理方便等一系列技术优势。安装方式也极为简单，可直接在控制柜后门上嵌入式封闭安装。内外制冷制热采用独立封闭循环结构，使机柜在密闭的情况下，能够将柜内空气中的热量及水份向柜外转移。
外部环境中的高温、粉尘、油污、腐蚀性气体不会进入到机柜内部，具体优点如下：

[0034] 1、针对智能变电站保护及智能控制柜进行温度调节采用密集型大功率半导体电子器件实现温度调节的实用技术。密集型大功率半导体温度调节装置应用在智能变电站保护及智能控制柜内，可实现大温差的温度调节。冷热双制能够智能切换，并且无震动、无凝水。

[0035] 2、智能变电站保护及智能控制柜采用了智能温度调节系统，模块化的设计能够根据不同柜体的不同制冷量要求灵活搭配，可根据实际需要进行有效投资，避免资金浪费和重复投资。且模块化设计能有效的进行工作备份，单模块故障不会影响整体运行，有效的保障了智能变电站供电系统不间断稳定运行。可以大大降低运行维护成本；

[0036] 3、针对采用密集型大功率半导体温度调节块模组进行制冷所造成的高温面散热问题所研发的外循环微型化分布式相变循环高效散热实用技术。密集型大功率半导体温度调节部件外循环微型化分布式相变循环高效散热实用技术，是采用以整体热导管技术、可连接热导管技术与复杂热导管技术为主的新一代热导管散热技术，实现对高热流密度的热源的散热，同时采用相变蓄热材料对密集型大功率半导体温度调节电子器件进行散热的技术。解决了在智能变电站保护及智能控制柜内微型化散热装置上采用密集型大功率半导体温度调节电子器件时的散热面高温快速散热问题。【附图说明】

[0037] 图1是本发明智能温度调节系统双机现场柜体(柜门外侧)安装布置图。

[0038] 图2是本发明智能温度调节系统双机现场柜体(柜门内侧)安装布置图。

[0039] 图1～2中：柜门外侧1a，装置外侧两侧出风口1b，散热导风板1c，装置外侧进风口1d，密集型大功率半导体温度调节块单模组1e，柜门内侧1f，装置内侧出风口1g，装置内侧进风口1h，装置内侧温控单元1i。

[0040] 图3是本发明温度调节装置内循环工作模式示意图。

[0041] 图4是本发明温度调节装置外循环工作模式示意图。

[0042] 图3～4中：A：内循环出风口，B：内循环进风口，C：外循环出口，D：外循环进风口；装置内循环2a，装置外循环2b。

[0043] 图5是本发明智能温度调节系统双机柜体门装示意图。

[0044] 图5中：保护及智能控制柜3a，装置内循环右侧进风口3b，装置外循环进风口3c，单半导体温度调节功率模块3d，装置外循环出风口3e，M6孔径螺母安装位3f。

[0045] 图6是本发明智能温度调节系统系统工作示意图。

[0046] 图6中：密集型大功率半导体温度调节块模组1，内循环散温片2，内循环散温风机3，相变换热均温板4，密封隔热层4.1，热导管5，外循环微型化翅片格管群相变散热器6，强制空冷翅片群6.1，相变格栅管群6.2，外循环散热器风机7，内外循环密封隔热层8，高温气体通道4a，冷凝液回路4b。

[0047] 图7是本发明智能温度调节系统密集型大功率半导体温度调节块单模组内循环主视结构图。

[0048] 图8是本发明智能温度调节系统密集型大功率半导体温度调节块单模组内循环右视结构图。

[0049] 图9是本发明智能温度调节系统密集型大功率半导体温度调节块单模组内循环俯视结构图。

[0050] 图7～9中：密集型大功率半导体温度调节块模组1，内循环散温片2，内循环散温风机3，相变换热均温板4，密封隔热层4.1，热导管5，内外循环密封隔热层8，供电端子与保护端子5a，内循环风道倒流罩外壳5b。

[0051] 图10是本发明新型外循环微型化分布式相变循环高效散热系统结构示意图。

[0052] 图10中：密集型大功率半导体温度调节块模组1，相变换热均温板4(内部充填相变工质)，热导管5，热导管相变循环绝热段5.1，热导管相变循环蒸发段5.2，热导管相变循环冷凝段5.3，外循环微型化翅片格栅管群相变散热器6，强制空冷翅片群6.1，相变格栅管群6.2，相变换热均温板开放内部结构10a，相变换热均温板半封闭结构10b，相变换热均温板全封闭结构10c。
【具体实施方式】

[0053] 为了更好地理解本发明，以下将结合附图和具体实例对本发明进行详细的说明。

[0054] 如图所示，本发明提供的智能温度调节系统，其特征在于：包括至少一个密集型大功率半导体温度调节块模组1、内循环散温片2、内散温风机3、至少一个相变换热均温板4、多个密封后内部抽为负压状态的热导管5、至少一个外循环微型化翅片格栅管群相变散热器6、设置在外循环微型化翅片格栅管群相变散热器6上的外循环散热器风机7和智能管理电路；

[0055] 密集型大功率半导体温度调节块模组1、内循环散温片2、内循环散温风机3和相变换热均温板4位于控制柜柜体内；外循环微型化翅片格栅管群相变散热器6、外循环散热器风机7位于控制柜柜体外；控制柜柜体内和控制柜柜体外之间设有内外循环密封隔热层8；每个密集型大功率半导体温度调节块模组1与每个外循环微型化翅片格栅管群相变散热器
6通过两根热导管5连接形成封闭内循环回路；

[0056] 内循环散温风机3设置在内循环散温片2上，内循环散温风机3通过强制排风模式来对内循环散温片2进行强制散温，内循环散温片2与密集型大功率半导体温度调节块模组1的内循环面无缝隙贴合；每个相变换热均温板4分别与每个密集型大功率半导体温度调节块模组1的外循环面无缝隙贴合，每个相变换热均温板4内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质；

[0057] 相变换热均温板4为铜制直接传导吸收式的密封箱体式结构，密封箱体式结构内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质，用以快速吸收密集型大功率半导体温度调节块模组1释放的高热流密度热源；

[0058] 外循环微型化翅片格栅管群相变散热器6包括强制空冷翅片群6.1、相变格栅管群6.2；相变格栅管群6.2内部充填由无机水合盐材料合成的复合相变工质；相变格栅管群6.2横向穿插在强制空冷翅片群6.1中并与强制空冷翅片群6.1的翅片紧密接触，形成外循环微型化翅片格栅管群相变散热器；

[0059] 外循环散热器风机7通过风冷模式对强制空冷翅片群6.1与相变格栅管群6.2进行强制散热；

[0060] 热导管5内部还充填液汽相变工质；热导管5穿过相变换热均温板4内部与外循环微型化翅片格栅管群相变散热器6连接，热导管5横向穿插于强制空冷翅片群6.1中并与强制空冷翅片群6.1的翅片形成紧密接触；形成外循环微型化分布式相变循环高效散热系统。

[0061] 作为一种优选的实施方式，每单台装置中密集型大功率半导体温度调节块模组1设有三个，相变换热均温板4对应的也设有三个。内循环散温风机3为向内强排式工业级大功率轴流风机，外循环散热器风机7为向内强排式工业级大功率耐高温轴流防水风机。

[0062] 热导管5穿过密封好的相变换热均温板4内部，相变换热均温板4内的复合相变工质吸收了密集型大功率半导体温度调节块模组1释放的潜热后直接传递给热导管5，密封后热导管5内部抽为负压状态，内部液汽相变工质吸热后蒸发将潜热传导至连接的外循环微型化翅片格栅管群相变散热器6，外循环微型化翅片格栅管群相变散热器6内部的强制空冷翅片群6.1与相变格栅管群6.2同步快速吸热，并通过外循环散热器风机7进行强制散热，达到对热导管5内的相变工质的冷凝效果，冷凝后形成的冷凝液通过热导管5的毛细泵吸工作原理进行内部循环，将冷凝后的液体工质回流到相变换热均温板4内部的热导管5中继续吸热，从而实现对相变换热均温板4内部复合相变工质的循环散热，形成一套完善的外循环微型化分布式相变循环高效散热系统。

[0063] 如图1～2所示，智能变电站保护及智能控制柜规格为1800mm*800mm*800mm，本发明的温度调节装置适用于智能变电站内的各种柜体类型，采用模块化搭建，可以根据不用柜体的安装规格与温度调节需求进行灵活的组建，可以节约投入与维护成本，有效避免资源浪费与重复投资。本发明根据智能变电站保护及智能控制柜的安装规格与温度调节需求采用的是门装单机三模块组合的双机结构，单机规格为600mm*500mm*260mm，双机规格为1200mm*500mm*260mm。

[0064] 如图5所示，智能温度调节系统分为内外独立循环系统，采用在控制柜后门上嵌入式封闭安装方案。内外制冷制热的独立封闭循环结构使机柜在密闭的情况下，能够将柜内空气中的热量及水份向柜外转移。外部环境中的高温、粉尘、油污、腐蚀性气体不会进入到机柜内部。该新型装置在实际应用中可大幅超越国家电网企业标准Q/GDW 734-2012《智能高压设备组件柜技术规范》中的技术要求，该技术规范中要求户外智能控制柜内的工作温度范围应为-5℃～45℃。而现今夏季气温可达到40℃左右，空旷变电站阳光直射不锈钢柜体，里面的保护装置与电缆还有近300W的发热量，使柜内温度已接近和超过45℃极限范围，加剧了供电安全隐患。使用新装置可在夏季与冬季极限天气气温环境下将户外智能控制柜内的工作温度范围有效控制在为15℃～40℃。关键在于在密集型大功率半导体温度调节块模组上搭配了新开发的微型化分布式相变循环高效散热器，所以新型密集型大功率半导体温度调节装置得以实现外形尺寸的小型化装配，外形尺寸符合在智能变电站保护及智能控制柜门壁上安装的条件，特别适用于智能变电站保护及智能控制柜这一特殊应用现场的温度调节需求。

[0065] 如图7～9所示，智能温度调节系统由密集型大功率半导体温度调节块单模组由内循环散温风机、内循环散温片、密集型大功率半导体温度调节块模组、相变换热均温板与热导管蒸发段及相变工质组成。其内循环散温片与密集型大功率半导体温度调节块模组内循环面无缝隙紧密贴合，用于吸收密集型大功率半导体温度调节块模组内循环面的低温冷源。内循环风机采用工业级大功率轴流风机，安装在内循环散温片上，用于对控制柜内进行大温差温度调节的强制循环。相变换热均温板采用金属铜材质，中空箱体式密封结构，内部充填由无机水合盐材料合成的相变工质，与密集型大功率半导体温度调节块模组外循环面无缝隙紧密贴合。可快速吸收密集型大功率半导体温度调节块模组外循环面所释放的高热流密度热源的潜热。热导管蒸发段密封于相变换热均温板内部，穿过内外循环密封隔热层后连接外循环微型化翅片格栅管群相变散热器。热导管整体密封，内部抽为负压状态，并填充循环相变工质，用于将相变换热均温板内部所吸收的潜热到带外循环微型化翅片格栅管群相变散热器中的冷凝回流循环。

[0066] 如图10所示，外循环微型化翅片格栅管群相变散热器包括外循环散热风机、强制空冷翅片、相变格栅管群、热导管冷凝段与相变工质。强制空冷翅片为纵向密集分布结构。相变格栅管群内部充填相变工质，垂直于强制空冷翅片横向穿过，并与强制空冷翅片紧密连接。热导管冷凝段平行于相变格栅管群横向穿过强制空冷翅片，并与强制空冷翅片紧密连接。热导管冷凝段吸收内循环热导管蒸发段带来的热源后，快速将热源传导给密集纵向分布的强制空冷翅片。强制空冷翅片同时将热源分散给相变格栅管群内的相变工质。外循环散热风机采用工业级大功率防水型轴流风机，安装在外循环微型化翅片格栅管群相变散热器上，通过向散热器上进行强排风，能够同时对强制空冷翅片、相变格栅管群的内的相变工质及热导管冷凝段进行风冷散热。由于热源的快速分散与吸收，通过热导管冷凝段内的吸热汽化相变工质可以进行快速冷凝，冷凝后的液态相变工质通过热导管的毛细泵吸工作原理，穿过内外循环密封隔热层回流至内循环相变换热均温板内的热导管蒸发段再次进行吸热蒸发循环，从而实现对相变换热均温板内部复合相变工质的循环散热。形成一套完善的外循环微型化分布式相变循环高效散热系统。通过多层的外循环微型化分布式相变循环高效散热，本装置采用的全风冷结构达到了水冷散热的效果。极佳的散热性能可有效将密集型大功率半导体温度调节块模组在工作中产生的大量无用潜热释放出去。确实保障了智能温度调节系统在柜内循环中实现大温差调节，能够准确的控制柜内的温度范围，保护电气装置的正常运行，提高电气设备的使用寿命。

[0067] 本发明系统构建体系与基本工作原理：

[0068] 1、系统是由相变均温板与热导管所组成连通的多层次分布式相变传热体系；

[0069] 2、其基本工作原理是相变均温板吸热时，工质吸收热量，相变为液态，吸收热量后的液态工质与铜质相变均温板将所吸收的热量传导至封闭于相变均温板内部的每根热导管管道，管道内的工质吸收热量后由液态相变为汽态，汽态工质沿密闭的热导管内部蒸汽通道向冷凝段移动，并将热量传递至远端，冷凝后的汽态工质由汽态相变为液态，通过毛细泵吸原理，冷却后的液态工质通过热导管内的冷凝液回流通道回到封闭于相变均温板内的蒸发段再次吸热进行循环。

[0070] 技术特点：

[0071] 1、由于与热源接触区域(相变均温板)采用了相变技术，可有效地控制与降低接触热阻；

[0072] 2、同时由于相变均温板与热导管共同组成的工质相变传递通道，有效降低了从热源接触区域(相变均温板)至热导管的热阻，并提高了热导管与外循环微型化翅片格栅管群相变散热器内部翅片的热交换效率；

[0073] 3、本项目装置所使用的外循环微型化分布式相变循环高效散热技术具有更高的传热性能、散热效果及更优化的外形结构。

[0074] 本发明智能温度调节系统研发所采用的核心技术为半导体温度调节技术与外循环微型化分布式相变循环高效散热技术，下面针对两种技术的工作原理、部件功能与功能效果作相关技术方案说明：

[0075] 1、半导体温度调节技术

[0076] 1)半导体温度调节技术的工作原理：

[0077] 半导体温度调节技术(TEC)也叫热电致冷器，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无致冷剂污染的场合。

[0078] 半导体致冷器的工作运转是用直流电流，它既可致冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一致冷器上实现致冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，一个单片的致冷器，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料(碲化铋)，这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成.

[0079] 半导体温度调节技术的工作原理是：当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端，由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定

[0080] 2)半导体温度调节技术的优势：半导体致冷器作为特种冷源，在技术应用上具有以下的优势：

[0081] (1)不需要任何致冷剂，可连续工作，没有污染源没有旋转部件，不会产生回转效应，没有滑动部件是一种固体器件，工作时没有震动、噪音、寿命长、安装容易。

[0082] (2)半导体致冷器具有两种功能，既能致冷，又能加热，致冷效率一般不高，但致热效率很高，永远大于1。因此使用一个器件就可以代替分立的加热系统和致冷系统，如何有效的解决散热问题，一直是该技术领域的应用瓶颈。

[0083] (3)半导体致冷器是电流换能型器件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，很容易实现遥控、程控、计算机控制，便于组成自动控制系统。

[0084] (4)半导体致冷器热惯性非常小，致冷致热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，致冷器就能达到最大温差。

[0085] (5)半导体致冷器的单个致冷元件对的功率很小，但组合成电堆，用同类型的电堆串、并联的方法组合成致冷系统的话，功率就可以做的很大，因此致冷功率可以做到几毫瓦到上万瓦的范围。

[0086] (6)半导体致冷器的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。

[0087] 3)智能温度调节系统技术部件功能：

[0088] 智能温度调节系统由密集型大功率半导体温度调节块模组(由多组密集排列的大功率半导体制冷片、环氧树脂密封材料与聚氨酯泡沫隔热材料组成)、内循环散温片、内循环散温风机、相变均温板、外循环翅片格栅型相变散热器、外循环散热器风机和智能管理电路组成七部分组成。当密集型大功率半导体温度调节块模组供电时，半导制冷片一侧制冷，另一侧制热，所产生的冷(热)量分别通过内循环散温片、外循环翅片格栅型相变散热器和内循环散温风机、外循环散热器风机扩散到周围环境。

[0089] (1)外循环微型化分布式相变循环高效散热技术原理：

[0090] 外循环微型化分布式相变循环高效散热技术原理是采用物质的相变，包括从固相到液相或从液相到气相等过程，都会吸收大量的热量。外循环微型化分布式相变循环高效散热器就是利用物质的相变多层吸收大量的热量，从而起到冷却发热器件的目的。

[0091] 热导管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热导管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。

[0092] 外循环微型化分布式相变循环高效散热器的结构如图10所示。由相变换热均温板、热导管、外循环翅片格栅型相变散热器和相变材料组成。该散热器综合利用了物质相变和热导管的特性，适合工作在真空环境下，不能进行空气对流散热的情况。半导体器件产生的热量传到相变换热均温板上，再通过热导管把热量传给外循环翅片格栅型相变散热器。

[0093] 内循环散温片温度升高后，加热相变材料，相变均温板内相变材料在常温下为固相，受热后温度升高，当达到相变材料的熔点时，相变材料发生相变，可以吸收大量的热量，最终起到冷却半导体电子器件的目的。

[0094] (2)外循环微型化分布式相变循环高效散热器模型的简化：

[0095] 外循环微型化分布式相变循环高效散热器模型非常复杂，包括的内容较多，必须进行适当的简化，才能利用分析软件进行热分析，模型的简化分为以下几个步骤进行：

[0096] a.根据热导管的特性进行简化

[0097] 热导管可以看做一个轴向导热系数非常高的导热器件，轴向热阻可忽略不计。并且热导管的冷端和热端温差很小。所以，可以把模型中的相变换热均温板和热导管的热端简化，假设热导管的冷端温度为固定值。

[0098] b.根据一般性进行简化相变

[0099] 散热器中有很多个散热片，并且每个散热片之间的距离为定制，而热导管轴向导热系数非常高，温差很小，可忽略不计。在分析中可以针对一个散热片进行分析，每个散热片两边有散热片之间距离一半厚度的相变材料。

[0100] c.根据对称性进行简化

[0101] 由相变散热器的结构特点可知，散热器是上下对称的，可以根据对称条件进行简化，只分析一半模型。

[0102] (3)模型分析

[0103] 分析目的：设计该散热器的最终目的是保证半导体发热电子器件在高温环境下能长时间工作，并且散热器的体积最小。散热器的长度和高度已经确定，可以改变的只有散热器的宽度。通过改变散热片的数量和散热片之间的距离来改变散热器的散热能力。如果要使散热器的体积最小，就必须使散热器工作20分钟后，所有的相变材料刚好比较均匀的完全发生相变。如果要达到此目的，只有改变散热片之间的距离。

[0104] 材料参数及边界条件：热导管和散热片的材料为铜，在相变过程中会发生焓变，焓值如表1所示，材料的其它热特性参数如表2所示。

[0105] 表1 相变材料的焓

[0106]温度(℃) 0 80 85 100
焓(J/cm3) 0 800 1 122 1 272

[0107] 表2 材料热特性参数

[0108]材料名称 铜 相变材料
3
密度（g/cm) 8.93 1.03
导热系数(W/(m K)) 398 0.6
比热(J/(kg K)) 386 4

[0109] 假设模型中的热导管为恒温90℃，相变材料和散热片的初始温度为20℃。模型的边界上与外界绝热。

[0110] 分析步骤

[0111] a.利用Pro/E三维软件建立的模型，在Pro/E中运行Ansys Geom命令，把模型导入到Ansys中。

[0112] b.建立有限元单元，模型中都采用Solid 70单元，输入材料参数。

[0113] c.划分网格，分别对各实体进行划分网格，共划分了102112个网格。

[0114] d.加载，选中热导管的所有点，施加温度载荷，再选择其它点，加载初始温度。

[0115] e.求解，新建分析，分析类型为瞬态热分析，设置求解时间为1200秒，步长为20，进行求解计算。

[0116] 结果分析

[0117] 通过改变散热片之间的距离，进行了多次计算分析，最后确定散热片之间的距离为6mm时，散热器体积最小，在工作20分钟后，所有的相变材料基本上完全熔化。

[0118] 本发明的智能温度调节系统功能效果如下：

[0119] 1、装置功能描述：智能温度调节系统可以实现大温差温度调节，高效率制冷。全机采用风冷的结构，达到水冷的散热效果。

[0120] 2、装置功能独特性

[0121] (1)装置可以双制运行，制冷制热自动感应切换，夏冬季节都可以使用。

[0122] (2)大功率工业级轴流循环风机根据智能温控监测自动调节速度，降低噪音控制在合理的范围内。

[0123] 3、装置功能特点

[0124] (1)夏冬运行环境自动检测，制冷、加热实现智能自动切换，精确控制温区控制范围；

[0125] (2)微型化模块化设计，适用于变电站内各种类型的电气柜体安装应用要求；

[0126] (3)没有压缩机、水泵等震动设备，环保无制冷剂、小噪音、长寿命，可长期运行于复杂环境，无维护；

[0127] (4)适用于各类变电站柜体安装，既可以门装也可以侧装。

[0128] 4、技术指标

[0129]

[0130] 5、智能温度调节系统两项技术应用优势

[0131] 现阶段在国内电网智能变电站中，户外保护及智能控制柜温度调节技术应用领域，主要采用的是风机散热与热交换器散热方式来解决夏季高温影响保护装置的问题。目前还没有任何企业与科研机构在采用本装置中所使用的半导体制冷技术来对户外保护及智能控制柜进行温度调节。主要技术难点是如果要使用半导体温度调节技术来解决户外保护及智能控制柜高温散热问题，就必须采用足够功率的半导体块温度调节部件实现大温差制冷(内循环进出风口温差大于10℃，单模块制冷功率必须≥400W)，大功率的制冷部件会在制冷面制冷的同时在散热面产生巨大的热流，散热面热量如果无法有效释放，制冷面将无法正常工作。要实现有效散热必须提供足够大的散热空间，而智能变电站保护及智能控制柜的体积与安装空间有限，无法承载体积过大或过重的普通风冷、水冷型大功率半导体温度调节设备。所以本发明装置针对密集型大功率半导体温度调节部件进行的微型化设计就具备了极大的技术优势。当下在智能变电站保护及智能控制柜温度调节技术应用领域还没有任何同类技术应用，这说明本装置在该领域拥有技术的唯一性、独特性与先进性优势。

[0132] 本发明智能温度调节系统中所采用的密集型大功率半导体温度调节技术，可完全达到智能变电站户外保护及智能控制柜散热技术要求中所必须实现的大温差温度调节功能，并能够满足无震动、无凝水、使用寿命长等一系列必要条件。

[0133] 本发明装置采用了模块化的设计，单制冷模块具备独立的内循环单元、外循环单元与温控单元(单模块制冷功率必须≥400W)，可进行独立工作或合并工作。能够根据现场柜体的不同规格和需求进行制冷量的灵活配置，减少了用电量，降低了设备损耗。后期扩容方便，有效的节约了投资成本，避免了资金浪费与重复投资。最重要优势的是进行了模块间的备份，即当其中一组温度调节模块出现故障时，其他温度调节模块能够无缝隙的接替工作，有效的保障了控制柜温度调节装置的不间断稳定运行。维护简便，故障模块拥有独立的保护系统，可在线不停电进行快速更换，不会影响变电站智能控制柜的正常工作，确实的避免了事故隐患，全面保障了智能变电站的供电安全。

[0134] 本发明的主要技术创新点概括如下：

[0135] 其一，在智能变电站保护及智能控制柜温度调节技术应用领域实现了密集型大功率半导体温度调节部件的微型化设计，在能够满足智能变电站保护及智能控制柜内大温差温度调节要求的同时，还能够满足密集型大功率半导体温度调节部件在智能变电站保护及智能控制柜上的安装空间限制要求(智能变电站保护及智能控制柜上最大安装空间为1200mm*500mm*260mm。目前，其他的半导体空调产品在能有效实现户外智能控制柜大温差温度调节标准的情况下，设备的体积都十分巨大，根本无法实现站内柜体安装)；

[0136] 其二，微型化设计的密集型大功率半导体温度调节部件采用了模块化设计，可进行积木式搭配，不但可以根据用户的实际应用要求进行快速组合，节约投资成本，避免资金浪费与重复投资。还可以有效的进行工作备份，单模块故障不会影响整体运行，有效的保障了智能变电站供电系统不间断稳定运行。模块化的设计还使维护工作变得高效简单，快速在线更换方法可大大节约运维成本，避免停电维护，大幅提升了经济效益。目前市场上的大功率半导体制冷设备都是功率定制，没有任何企业或机构采用模块化方案来进行灵活的产品设计，维护与扩容都十分不便；

[0137] 其三，因为需要避免在智能变电站保护及智能控制柜内使用水泵、压缩机等震动设备，震动设备可能会影响到智能控制柜内保护装置的安全运行。本装置为保障大功率半导体制冷装置的散热性能，在微型化密集型大功率半导体温度调节模块散热技术上采用了多层的外循环微型化分布式相变循环高效散热来实现对密集型大功率半导体温度调节模块散热面高热流密度热源的快速散热处理，没有任何震动部件。满足了控制柜内实现大温差温度调节的同时，确保了在微型化密集型大功率半导体温度调节模块上使用风冷结构的散热能力达到水冷效果。目前，还没有任何企业或机构为在本次申报领域为实现密集型大功率半导体制冷装置的微型化，采用相关技术来进行开发。全部都使用的是小功率半导体温度调节部件的风冷散热，或是大功率半导体温度调节部件的大型水冷部件进行散热。两种方案不是制冷量无法达到使用要求，就是设备体积过于庞大或是运行震动过大，不适合智能变电站保护及智能控制柜柜体安装使用。

[0138] 本发明的有益效果如下：该系统在实际应用中可大幅超越国家电网企业标准Q/GDW 734-2012《智能高压设备组件柜技术规范》中的技术要求，该技术规范中要求户外智能控制柜内的工作温度范围应为-5℃～45℃。而现今夏季气温可达到40℃左右，空旷变电站阳光直射不锈钢柜体，里面的保护装置与电缆还有近300W的发热量，使柜内温度已接近和超过45℃极限范围，加剧了供电安全隐患。使用新装置可在夏季与冬季极限天气气温环境下将户外智能控制柜内的工作温度范围有效控制在为15℃～40℃。关键在于智能温度调节系统在采用的密集型大功率半导体温度调节块模组上搭配了新型的外循环微型化分布式相变循环高效散热系统，让智能温度调节系统得以实现外形尺寸的微型化装配，外形尺寸符合在智能变电站保护及智能控制柜门壁上安装的条件，特别适用于智能变电站保护及智能控制柜这一特殊应用现场的温度调节需求。

[0139] 考虑成本、温控效果以及后期维护等问题，针对运行在年最高气温超过40℃且柜内发热量超过300W的智能变电站保护及智能控制柜，本发明提供的新型智能控制柜温度调节装置将作为智能变电站保护及智能控制柜的最新温度控制调节方案。

[0140] 新型智能控制柜温度调节装置采用大功率半导体的温控系统，智能控制柜内可获得比环境更低的温度，装有智能控制柜温度调节系统的机柜只要功率模块选型搭配得当，无论柜外温度如何变化，柜内温度均可维持在15～40℃的最佳工作温度。

[0141] 大功率半导体智能控制柜温度调节装置使用寿命长，可实现冷热双制智能温控，并且无震动、无凝水。模块化的设计还能够大大降低了维护成本。

[0142] 综上所述，本发明的新型智能控制柜温度调节装置采用半导体温控系统，是最符合智能变电站发展建设需求的智能柜温度调节运行方式。

[0143] 本发明针对现有温度调节技术缺陷的应用优势包括：本装置采用了新型密集型大功率半导体温度调节技术，没有制冷剂也没有复杂的管路结构，所以不存在制冷剂泄漏而引起的空气污染问题。密集型大功率的半导体制冷/热装置体积小，没有滑动部件，并具有无摩擦、无震动、无噪声、无凝水，能精确控制和平稳调节温度工况与制冷量。可根据柜内温度变化，智能调控，实现制冷/热的自动切换。使用寿命达到20万小时，不用经常维修，管理方便等一系列技术优势。密集型大功率的半导体温度调节装置体积实现微型化后，安装方式也极为简单，可直接在控制柜后门上嵌入式封闭安装。内外制冷制热采用独立封闭循环结构使机柜在密闭的情况下，能够将柜内空气中的热量及水份向柜外转移。外部环境中的高温、粉尘、油污、腐蚀性气体不会进入到机柜内部。该新型装置在实际应用中可大幅超越国家电网企业标准Q/GDW 734-2012《智能高压设备组件柜技术规范》中的技术要求，该技术规范中要求户外智能控制柜内的工作温度范围应为-5℃～45℃。而现今夏季气温可达到40℃左右，空旷变电站阳光直射不锈钢柜体，里面的保护装置与电缆还有近300W的发热量，使柜内温度已接近和超过45℃极限范围，加剧了供电安全隐患。使用新装置可在夏季与冬季极限天气气温环境下将户外智能控制柜内的工作温度范围有效控制在为15℃～40℃。关键在于在密集型大功率的半导体温度调节块模组上搭配了新开发的外循环微型化分布式相变循环高效散热器，所以新型密集型大功率半导体温度调节装置得以实现外形尺寸的微型化装配，外形尺寸符合在智能变电站保护及智能控制柜门壁上安装的条件，特别适用于智能变电站保护及智能控制柜这一特殊应用现场的温度调节需求。

[0144] 本发明的有益效果如下：本发明通过分布式相变循环高效散热技术来实现对密集型大功率半导体温度调节块模组进行高热流密度热源的快速散热，达到对智能变电站保护及智能控制柜实现大温差的温度调节；智能温度调节系统使用了密集型大功率半导体温度调节技术，没有制冷剂也没有复杂的管路结构，所以不存在制冷剂泄漏而引起的空气污染问题。密集型大功率半导体温度调节块模组体积小，没有滑动部件，并具有无摩擦、无震动、无噪声、无凝水，能精确控制和平稳调节温度工况与制冷量。可根据柜内温度变化，智能调控，实现制冷/热的自动切换。使用寿命达到20万小时。具有不用经常维修，管理方便等一系列技术优势。安装方式也极为简单，可直接在控制柜后门上嵌入式封闭安装。内外制冷制热采用独立封闭循环结构，使机柜在密闭的情况下，能够将柜内空气中的热量及水份向柜外转移。外部环境中的高温、粉尘、油污、腐蚀性气体不会进入到机柜内部。

[0145] 该新型装置在实际应用中可大幅超越国家电网企业标准Q/GDW 734-2012《智能高压设备组件柜技术规范》中的技术要求，该技术规范中要求户外智能控制柜内的工作温度范围应为-5℃～45℃。而现今夏季气温可达到40℃左右，空旷变电站阳光直射不锈钢柜体，里面的保护装置与电缆还有近300W的发热量，使柜内温度已接近和超过45℃极限范围，加剧了供电安全隐患。使用新装置可在夏季与冬季极限天气气温环境下将户外智能控制柜内的工作温度范围有效控制在为15℃～40℃。关键在于智能温度调节系统在采用的密集型大功率半导体温度调节块模组上搭配了新型的外循环微型化分布式相变循环高效散热系统，让智能温度调节系统得以实现外形尺寸的微型化装配，外形尺寸符合在智能变电站保护及智能控制柜门壁上安装的条件，特别适用于智能变电站保护及智能控制柜这一特殊应用现场的温度调节需求。