专利名称：蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及隔爆型卧式电机技术领域，具体涉及蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统。
背景技术：
浸泡式蒸发冷却技术，是目前较为先进的一种新型冷却技术，广泛应用在卧式电机、大型功率器件、大型计算机工作站等耗能、发热比较突出的电器设备上。实施浸泡式蒸发冷却技术，需要将被冷却的器件密封在一个密封腔体内，并灌入足量的蒸发冷却介质(蒸发冷却介质是一种常温下为液态，且密度大、无色、无味的绝缘物质，在密封腔体内，液态蒸发冷却介质的液面应该没过被冷却的器件)。电器设备运行时产生的大量热量，使蒸发冷却介质温度升高并沸腾汽化，汽化的冷却介质与外部冷凝设备进 行热交换后再液化流回到密封腔体内，通过上述蒸发冷却过程可以将器件产生的热量及时散发到电器设备的外部，从而保证电器设备正常运行。为了保证电器设备的工作安全，在上述蒸发冷却过程中，密封腔体内的压力应当保持为常压，因此，密封腔体内必须留出一定的空间，以缓冲蒸发冷却介质蒸发时的体积膨胀；再者，目前蒸发冷却介质的价格比较昂贵。据此，灌入到密封腔体内的蒸发冷却介质并不是越多越好，而是应当控制在一个合理的液位上。目前主要的作法是在密封腔体的外壁上开设一个透明的观察窗结构，利用这个视窗结构来观察蒸发冷却介质在密封腔体内灌注时的液面高度情况。这种作法，一方面由于人为的因素，误差较大；另一方面，对于隔爆式电器设备，由于要求隔爆机壳必须是完整的，不能有任何开口，因此，不能采用观察窗结构来观察蒸发冷却介质在密封腔体的液面，从而无法控制蒸发冷却介质在密封腔体内的灌注情况。有鉴于此，亟需针对现有技术进行改进，以有效控制隔爆式电器设备蒸发冷却时密封腔体内冷却介质的灌液面。
实用新型内容针对上述缺陷，本实用新型解决的技术问题在于，提供一种蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，用于准确地控制隔爆式电器设备蒸发冷却时密封腔体内冷却介质的灌液面。本实用新型提供的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，包括压电元件和控制器，所述压电元件固定在蒸发冷却密封腔体内，所述压电元件的两侧极板竖向设置在设定灌液面处，且所述压电元件根据其相对侧面上的两个极板所受冷却介质的流体静压力大小，产生相应的电信号；所述控制器根据所述电信号的大小获得冷却介质的顶面是否到达设定灌液面的判断结果，并根据所述判断结果输出驱动相应执行元件的控制信号。优选地，所述执行元件为指示灯或扬声器，所述控制信号打开或者关闭所述指示灯或扬声器。[0009]优选地，所述控制器为绝缘栅双极型晶体管，串接在所述指示灯或扬声器的供电电路中，所述压电元件的两个极板分别连接到一个电容的正、负极上，所述电容将所述电信号转换为电压信号形成所述控制信号，驱动所述绝缘栅双极型晶体管接通或断开所述供电电路。优选地，所述绝缘栅双极型晶体管的控制极连接到所述电容的正极、源极连接到所述供电电路中的直流电源的负极、漏极串联所述指示灯或扬声器后连接到所述供电电路中的直流电源的正极。优选地，所述控制器为单片机。所述控制器，所述执行元件为设置在冷却介质灌注管路中的控制阀，所述控制信号打开或者关闭所述控制阀。本实用新型提供的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，在蒸发冷却密封腔体内固定设置一个压电元件，并且使压电元件的两侧极板竖向设置在设定灌液面处，压电元件根据其两个极板所受冷却介质的流体静压力大小就会产生相应的电信号，然后通过控制器根据所述电信号的大小获得冷却介质的顶面是否到达设定灌液面的判断结果，并根据所述判断结果输出驱动相应执行元件的控制信号，从而实现冷却介质灌注液面的精确控制。与现有技术相比，本实用新型提供的技术方案，大大减少了人为因素产生的误差，并且结构简单；另外，本实用新型提供的技术方案，无须在设备壳体上设置观察窗，解决了浸泡式蒸发冷却技术在隔爆式电器设备上应用的难题。在上述控制系统的优选方案中，控制器采用的是绝缘栅双极型晶体管，串接在指示灯或扬声器的供电电路中，压电元件的两个极板分别连接到一个电容的正、负极上，电容将所述电信号转换为电压信号形成所述控制信号，驱动所述绝缘栅双极型晶体管接通或断开所述供电电路。这种设计方案，在低成本的基础上，反应迅速。在上述控制系统的另一种优选方案中，所述执行元件为设置在冷却介质灌注管路中的控制阀，所述控制信号打开或者关闭所述控制阀，该方案通过设置在冷却介质灌注管路中的控制阀和单片机实现了灌注过程的自动控制，提高了控制精度，同时节省了人工成本。
图I是浸泡式蒸发冷却隔爆型卧式异步电动机结构示意图；图2是具体实施方式
所述的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统中压电元件输出信号采集示意图；图3是具体实施方式
所述的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统中控制电路不意图。图中机壳10、定子11、转子12、定子密封腔体20、设定灌液面13 ；压电元件P、电容Cl、绝缘栅双极型晶体管IGBT、控制极G、源极S、漏极D、指示灯L、直流电源V。
具体实施方式
[0022]本实用新型的核心在于提供一种蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，其主要目的是对于采用浸泡式蒸发冷却技术的设备，在向密封腔体内灌注冷却介质的过程中，减少由于人为观察确定灌注液面是否到达设定位置产生的误差，并且由于本实用新型提供的技术方案，无须在设备的壳体上设置观察窗，因此还同时解决了浸泡式蒸发冷却技术在隔爆式电器设备上应用的难题。下面结合说明书附图具体说明本实施方式。不失一般性，本实施方式以浸泡式蒸发冷却隔爆型卧式异步电动机作为主体进行详细说明。应当理解，根据本领域技术人员的认知能力，本实用新型提供的技术方案同样适用于其他的浸泡式蒸发冷却电器设备，例如大型计算机工作站等。本具体实施例并非构成对技术方案的限制。请参见图1，该图为浸泡式蒸发冷却隔爆型卧式异步电动机的结构示意图，包括设置在机壳10内的定子11和转子12，其中定子11密封在一个定子密封腔体20内，该定子密封腔体20内灌注有冷却介质，且冷却介质将定子11完全浸泡以实现对定子的冷却(图 I中，标记13所指的是冷却介质的设定灌液面位置)。该异步电动机使用了本实用新型提供的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，以减少冷却介质在灌注过程中，由于人为观察确定灌注液面是否到达设定位置而产生的误差。蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统包括压电元件和控制器，该压电元件固定在蒸发冷却密封腔体内，且该压电元件的两侧极板竖向设置在设定灌液面处，工作过程中，压电元件根据其相对侧面上的两个极板所受冷却介质的流体静压力大小，产生相应的电信号；控制器根据该电信号的大小获得冷却介质的顶面是否到达设定灌液面的判断结果，并根据该判断结果输出驱动相应执行元件的控制信号。其中，压电元件指由具备压电效应的电介质材料(压电介质)在其两相对侧面上分别设置正、负极板而构成的检测元件。电介质材料平时不带电而显示电中性，当其沿一定方向受到外力的作用时，内部会产生类极化现象，同时产生大量自由电子(负电性)，失去电子的原子核为正电性，从而形成内部微弱电场，在这个内部微弱电场的推动下，电介质材料的受力表面会积累出足以被正、负极板检测出来的电荷数量。当外力消失时，由于原子核的吸引，自由电子将被重新拉回核结构中，此时压电介质又恢复为不带电的电中性状态。压电介质可分为三类(I)石英晶体类，属于天然的单晶体；(2)压电陶瓷，属于人工合成的多晶体；(3)高分子压电材料。本领域技术人员可以根据具体应用场合选择不同类型的压电元件。再参见图2和图3，图2和图3示出了蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统的一个具体实施例，在该具体实施例中，执行元件为指示灯(也可以采用扬声器)，由于压电元件上积累的电荷所产生的电压信号一般是很小的，不足以驱动指示灯发亮，因此，控制器采用了绝缘栅双极型晶体管IGBT，串接在指示灯L(扬声器)的供电电路中。绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种全控型场效应晶体管，可以作为全控型开关来使用，压电元件上积累的电荷所产生的电压信号完全可以驱动IGBT的控制极。具体连接方式为压电元件P的两个极板(正、负极极板)分别连接到一个电容Cl的正、负极上，绝缘栅双极型晶体管IGBT的控制极G连接到电容Cl的正极、源极S连接到供电电路中的直流电源V的负极、漏极D串联指示灯L(扬声器)后连接到供电电路中的直流电源V的正极，电容Cl将压电元件P受冷却介质静压力而产生的电信号转换为电压信号形成相应的控制信号，驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT接通或断开供电电路，以提醒相关操作人员。如果G极上有电压信号，则IGBT导通，于是供电电路是通路，有电流流过而使指示灯L发亮；如果G极上无电压信号，则IGBT截止，于是供电电路是断开的，指示灯L熄灭。上述具体实施例的实施过程如下首先，在液态的蒸发冷却介质灌入定子密封腔体之前，设定好冷却介质的预定灌液面位置，并在该灌液面位置上方的定子密封腔体内壁上或者定子密封腔体内其他的固体支撑物上固定一个压电元件P，压电元件P的两侧极板竖向设置在设定灌液面处，压电元件P两相对侧面上的电极板与预定灌液面垂直。然后，在该压电元件P的附近再固定一个与之匹配的电容Cl，压电元件P的两个极板(正、负极极板)分别连接到电容Cl的正、负极上，当压电元件P因为受到外力作用而在其两个极板上积累出电荷时，该电荷Q量经过导线传导到电容Cl上，相当于给电容充电，设充电电容的电容量为C，则该电容Cl产生并输出电压U = Q/C，电压U再经过特定的无衰减 的屏蔽导线沿着卧式电机内部其他引出线的路径，与其他引出线一起由防爆机壳上的接线盒引出到隔爆型电机的外部，作为控制信号。当然，与压电元件P相匹配的电容Cl也可以设置在定子密封腔体外部，只要能够满足信号传递的基本功能均可。液态的蒸发冷却介质由定子密封腔体底部的阀门缓缓灌入，随着冷却介质的不断缓慢进入，灌液面慢慢升高，在这期间，压电元件P是不带电的，电荷Q量等于0，与之相连的电容Cl的输出电压U等于0，因此，绝缘栅双极型晶体管IGBT截止，供电电路是断开的，指示灯L不亮。当进入定子密封腔体内的蒸发冷却介质液体没过整个定子，其灌液面刚好抵达指定位置时，此时压电元件P仍露在冷却介质外，只是其下端与灌液面接触，其两个相对侧面还没有受到冷却介质流体静压力的作用，随着冷却介质液体继续灌入，灌液面开始接触压电元件P，此时压电元件P的侧面开始承受介质液体的流体静压力F，于是开始出现压电效应，产生一定量的电荷Q，该电荷Q给电容Cl充电,输出电压信号。开始时电荷Q量很小，电压信号U亦很小，不足以驱动IGBT，随着灌液面的继续升高，电荷Q量逐渐增大，电压信号U也逐渐增大，当蒸发冷却介质液体完全没过压电元件P后，输出电压U足够驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT，于是供电电路由开路变为通路，指示灯L被点亮，操作人员见到指示灯L发亮则停止灌液。随后，灌液人员开始通过定子密封腔体下底部的阀门向外排出冷却介质液体，定子密封腔体内的冷却介质液面开始下降，当压电元件P开始露出冷却介质液面时，其受到的流体静压力F开始减小，压电元件P电极上的电荷Q开始减小，则输出电压U减小，但只要还有电压信号，则绝缘栅双极型晶体管IGBT仍然是导通的，指示灯L依然是发光状态。当冷却介质从定子密封腔体排出一定量，使得其液面与压电元件P的底面平齐(到达预设的灌液面位置)时，压电元件P完全露出冷却介质，不再受到流体静压力F，即F=0，因此，压电元件P的两个极板上的电荷Q量也等于0，输出电压信号U为0，此时绝缘栅双极型晶体管IGBT因为没有电压驱动信号而截止，供电电路断开，指示灯L熄灭，灌液人员看到指示灯L熄灭则停止排放冷却介质，从而使定子密封腔体内冷却介质的液面停留在预设的灌液面位置上，以保证定子完全浸没在冷却介质中。在上述方案中，也可以使用单片机作为控制器，并进一步地通过设置在冷却介质灌注管路中的控制阀实现蒸发冷却介质自动灌注。具体方案是单片机检测压电元件输出电压大小，并根据输出电压大小输出相应的控制信号，打开或者关闭所述控制阀。另外，上述方案均采用的是当冷却介质没过压电元件后再放出至与其底面平齐的方式，这是因为，一方面当冷却介质刚刚与压电元件的底面接触时，此时虽然可以产生电压信号U，但是U很小，不足以驱动绝缘栅双极型晶体管IGBT ;虽然也可以设定冷却介质液面到达压电元件的一定高度(例如压电元件高度的三分之一或一半，但是，这种方案容易受到液面波动的影响)，总之，当冷却介质没过压电元件后，即使继续灌注，电压信号U也不再改变，这样可以避免冷却介质液面波动的影响，而且冷却介质没过压电元件后电压信号U也不再改变，是一个稳定的信号，可以减少误差。在上述方案中，绝缘栅双极型晶体管IGBT也可以采用门极可关断晶闸(GTO)、电力晶体管(GTR)、电力场效应管(EFT)等全控型功率器件。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和 润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求1.蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，其特征在于，包括 压电元件，固定在蒸发冷却密封腔体内，所述压电元件的两侧极板竖向设置在设定灌液面处，且所述压电元件根据其相对侧面上的两个极板所受冷却介质的流体静压力大小，产生相应的电信号； 控制器，根据所述电信号的大小获得冷却介质的顶面是否到达设定灌液面的判断结果，并根据所述判断结果输出驱动相应执行元件的控制信号。
2.根据权利要求I所述的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，其特征在于，所述执行元件为指示灯或扬声器，所述控制信号打开或者关闭所述指示灯或扬声器。
3.根据权利要求2所述的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，其特征在于，所述控制器为绝缘栅双极型晶体管，串接在所述指示灯或扬声器的供电电路中，所述压电元件的两个极板分别连接到一个电容的正、负极上，所述电容将所述电信号转换为电压信号形成所述控制信号，驱动所述绝缘栅双极型晶体管接通或断开所述供电电路。
4.根据权利要求3所述的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，其特征在于，所述绝缘栅双极型晶体管的控制极连接到所述电容的正极、源极连接到所述供电电路中的直流电源的负极、漏极串联所述指示灯或扬声器后连接到所述供电电路中的直流电源的正极。
5.根据权利要求I所述的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，其特征在于，所述控制器为单片机。
6.根据权利要求5所述的蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，其特征在于，所述执行元件为设置在冷却介质灌注管路中的控制阀，所述控制信号打开或者关闭所述控制阀。
专利摘要本实用新型公开一种蒸发冷却密封腔体内冷却介质液面控制系统，包括压电元件和控制器，所述压电元件固定在蒸发冷却密封腔体内，所述压电元件的两侧极板竖向设置在设定灌液面处，且所述压电元件根据其相对侧面上的两个极板所受冷却介质的流体静压力大小，产生相应的电信号；所述控制器根据所述电信号的大小获得冷却介质的顶面是否到达设定灌液面的判断结果，并根据所述判断结果输出驱动相应执行元件的控制信号。同现有技术相比，本实用新型结构简单，大大减少了人为因素产生的误差；另外，无须在设备壳体上设置观察窗，解决了浸泡式蒸发冷却技术在隔爆式电器设备上应用的难题。
文档编号G05D9/12GK202472442SQ20122006869
公开日2012年10月3日 申请日期2012年2月28日 优先权日2012年2月28日
发明者栾茹, 肖富凯 申请人:中冶京诚(湘潭)重工设备有限公司, 栾茹, 肖富凯