鋰電工廠中應用電柜水冷卻散熱裝置

鄧斌¹，鄧寧²，吳國勇³，陳璟⁴，周金卿^1，5

1　柳州市豪杰特化工機械有限責任公司　技術(shù)中心，廣西　柳州　545005；

2　柳州城市職業(yè)學院　機電與汽車工程系，廣西　柳州　545036；

3　廣西科技師范學院食品與生化工程學院，廣西　來賓　546100；

4　柳州職業(yè)技術(shù)學院　機電工程學院，廣西　柳州　545005；

5　柳州蓓蒂芬科技有限公司技術(shù)中心，廣西　柳州　545000

摘要：鋰電工廠設備多，安全標準也非常高，電池加工需要使用冷卻散熱裝置，本文介紹了一種電柜水冷卻散熱裝置，包括水箱、循環(huán)水泵、外部水冷卻熱交換排組、外散熱風機、內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機，水箱、循環(huán)水泵、外部水冷卻熱交換排組和外散熱風機安裝在電柜外部，外部水冷卻熱交換排組位于外散熱風機與電柜之間，內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機安裝在電柜內(nèi)部，內(nèi)部水冷卻熱交換排組位于內(nèi)吸熱風機與電柜之間，水箱與內(nèi)部水冷卻熱交換排組連通，內(nèi)、外部水冷卻熱交換排組連通，外部水冷卻熱交換排組與循環(huán)水泵連通，循環(huán)水泵與水箱連通。本水冷裝置可以避免電控柜內(nèi)風冷方式帶來的粉塵問題，也可以有效降低電柜溫度，并且制作及使用成本低廉，拆裝方便，能長期在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作。

0　前言

在化工、電子漿料、涂料、膠粘劑、化妝品、潤滑脂、制藥、食品等眾多行業(yè)生產(chǎn)中，物料混合設備的驅(qū)動方式主要是以電控柜、配電箱、操作臺為主，其中應用最廣的就是電控柜——控制化工攪拌機，通過柜內(nèi)放置的變頻器來驅(qū)動設備電機轉(zhuǎn)動；缺點：行業(yè)內(nèi)車間工作環(huán)境普遍比較惡劣，粉塵顆粒度很小，且具有導電性及腐蝕性，灰塵、污垢或其他腐蝕性物質(zhì)等易進入變頻器內(nèi)，影響變頻器的冷卻通風，同時干擾變頻器內(nèi)整流橋和IGBT等電元件的正常工作，損壞變頻器。由于工作時間長，一般20小時/天以上運行時間，變頻器在溫度過高的環(huán)境中工作會嚴重影響變頻器壽命，重則炸機（發(fā)生爆炸）。近年來，隨著超細級及納米級物料的推廣應用，常規(guī)控制柜使用風扇散熱，但柜子內(nèi)外進行熱交換的過程中會將柜外的粉塵帶入柜內(nèi)，導致整個柜體的密閉性無法很好的保證，難以適應客戶需求，而若運用正壓隔爆式或柜內(nèi)空調(diào)散熱，無論制作成本還是使用成本又相當之高。因此，急需要解決的技術(shù)問題是：提供一種能夠克服電柜溫度高、風冷密閉性差及成本高的電柜水冷卻散熱裝置，本水冷裝置可以避免電控柜內(nèi)風冷方式帶來的粉塵問題，也可以有效降低電柜溫度，并且制作及使用成本低廉，拆裝方便，能長期在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作。

1　設備優(yōu)勢

本裝置涉及一種電柜水冷卻散熱裝置，包括水箱、循環(huán)水泵、外部水冷卻熱交換排組、外散熱風機、內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機，水箱、循環(huán)水泵、外部水冷卻熱交換排組和外散熱風機安裝在電柜外部，外部水冷卻熱交換排組位于外散熱風機與電柜之間，內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機安裝在電柜內(nèi)部，內(nèi)部水冷卻熱交換排組位于內(nèi)吸熱風機與電柜之間，水箱與內(nèi)部水冷卻熱交換排組連通，內(nèi)、外部水冷卻熱交換排組連通，外部水冷卻熱交換排組與循環(huán)水泵連通，循環(huán)水泵與水箱連通。本水冷裝置可以避免電控柜內(nèi)風冷方式帶來的粉塵問題，也可以有效降低電柜溫度，并且制作及使用成本低廉，拆裝方便，能長期在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作。

2　設備結(jié)構(gòu)

本電柜水冷卻散熱裝置，包括外部水冷卻熱交換排組、外散熱風機、內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機，所述的外部水冷卻熱交換排組和外散熱風機安裝在電柜外部并固定在電柜上，所述的外部水冷卻熱交換排組位于外散熱風機與電柜之間，所述的內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機安裝在電柜內(nèi)部并固定在電柜上，所述的內(nèi)部水冷卻熱交換排組位于內(nèi)吸熱風機與電柜之間。

該電柜水冷卻散熱裝置還包括有水箱和循環(huán)水泵，所述的水箱與內(nèi)部水冷卻熱交換排組連通，內(nèi)部水冷卻熱交換排組與外部水冷卻熱交換排組連通，外部水冷卻熱交換排組與循環(huán)水泵連通，循環(huán)水泵與水箱連通，所述的水箱和循環(huán)水泵安裝在電柜外部并固定在電柜上。

所述的外部水冷卻熱交換排組和內(nèi)部水冷卻熱交換排組是由1-5組水冷散熱裝置構(gòu)成，所述的1組水冷散熱裝置是由1-8根U型管連通構(gòu)成，所述的外部水冷卻熱交換排組和內(nèi)部水冷卻熱交換排組安裝在電柜頂部或電柜側(cè)壁。

所述的水冷散熱裝置是采用翅片銅管構(gòu)成。

所述的外散熱風機和內(nèi)吸熱風機是由1-8個散熱風扇構(gòu)成。

所述的內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機通過安裝板Ⅰ安裝在電柜內(nèi)部，即內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機固定在安裝板Ⅰ上，安裝板Ⅰ固定在電柜上。

所述的外部水冷卻熱交換排組和外散熱風機通過安裝板Ⅱ安裝在電柜外部，即外部水冷卻熱交換排組和外散熱風機固定在安裝板Ⅱ上，安裝板Ⅱ固定在電柜上。

由于采用上述技術(shù)方案，本水冷裝置具有以下有益效果：

（1）本水冷裝置對電柜內(nèi)冷卻效果優(yōu)于風扇冷卻。本水冷裝置同時設置有內(nèi)部和外部散熱裝置和風機，采用的一組或多組水冷散熱裝置可以安裝在電柜頂部或左右側(cè)面，位置固定，通過水循環(huán)泵拖動內(nèi)外冷卻水循環(huán)，以及風扇轉(zhuǎn)動帶動氣流，使得冷卻系統(tǒng)內(nèi)外熱交換效率進一步提高。

（2）本發(fā)明成本及能耗均低于正壓隔爆式或柜內(nèi)空調(diào)散熱。

（3）解決納米級粉塵從濾網(wǎng)之間進入電柜內(nèi)部，導致電器元件損壞問題。

（4）結(jié)構(gòu)簡單，裝拆、清洗、維護方便。

（5）密封性好，可惡劣工況條件下工作。

下面，結(jié)合附圖和實施例對本水冷裝置之電柜水冷卻散熱裝置的技術(shù)特征作進一步的說明。

3　附圖說明

圖1—圖2：安裝有本水冷裝置電柜水冷卻散熱裝置的電柜結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1：主視圖，圖2：左視圖。

圖3—圖4：本水冷裝置之電柜水冷卻散熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3：左視圖，圖4：主視圖。

圖中：1-水箱，2-循環(huán)水泵，3-外部水冷卻熱交換排組，4-外散熱風機，5-內(nèi)部水冷卻熱交換排組，6-內(nèi)吸熱風機，7-電柜。

4　設備實施方式

實施例1：一種電柜水冷卻散熱裝置，如圖1－圖4所示，包括水箱1、循環(huán)水泵2、外部水冷卻熱交換排組3、外散熱風機4、內(nèi)部水冷卻熱交換排組5和內(nèi)吸熱風機6，所述的水箱1、循環(huán)水泵2、外部水冷卻熱交換排組3和外散熱風機4安裝在電柜外部并固定在電柜上，所述的外部水冷卻熱交換排組位于外散熱風機與電柜之間，所述的內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機安裝在電柜內(nèi)部并固定在電柜上，所述的內(nèi)部水冷卻熱交換排組位于內(nèi)吸熱風機與電柜之間。所述的水箱1與內(nèi)部水冷卻熱交換排組5連通，內(nèi)部水冷卻熱交換排組與外部水冷卻熱交換排組3連通，外部水冷卻熱交換排組與循環(huán)水泵2連通，循環(huán)水泵與水箱1通過管道連通。

所述的外部水冷卻熱交換排組3和內(nèi)部水冷卻熱交換排組5是由1-5組水冷散熱裝置構(gòu)成，所述的1組水冷散熱裝置是由1-8根U型翅片管連通構(gòu)成，所述的外部水冷卻熱交換排組3和內(nèi)部水冷卻熱交換排組5安裝在電柜頂部或電柜側(cè)壁。內(nèi)外部水冷卻熱交換排組的厚度可根據(jù)散熱需要加厚。

所述的外散熱風機4和內(nèi)吸熱風機6是由1-8個散熱風扇構(gòu)成。

本水冷裝置同時存在內(nèi)部吸熱裝置（包括內(nèi)部水冷卻熱交換排組5和內(nèi)吸熱風機6）與外部散熱裝置（包括外部水冷卻熱交換排組3和外散熱風機4），對柜內(nèi)變頻器產(chǎn)生熱量與外部空氣進行熱交換。該兩種裝置可以同時或分別獨立工作，內(nèi)部吸熱裝置獨立工作時，可外接工廠管道冷卻水。

本水冷裝置可獨立安裝在安裝板上，成套配入電柜側(cè)壁或頂部安裝，可采用以下方式安裝：所述的內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機通過安裝板Ⅰ（圖中未畫出）安裝在電柜內(nèi)部，即先將內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機固定在安裝板Ⅰ上，再將安裝板Ⅰ固定在電柜上。所述的外部水冷卻熱交換排組和外散熱風機通過安裝板Ⅱ（圖中未畫出）安裝在電柜外部，即先將外部水冷卻熱交換排組和外散熱風機固定在安裝板Ⅱ上，再將安裝板Ⅱ固定在電柜上。本水冷裝置也可單獨在電柜上開管線孔安裝固定。

控制柜及本水冷裝置各主要部件功能如下：

（1）控制柜：對柜內(nèi)與柜外的粉塵進行隔絕，且是水冷散熱裝置安裝的基礎部件。

（2）內(nèi)吸熱風機：氣流控制器件。將柜內(nèi)變頻器散發(fā)出的熱量進一步集中到水冷排翅片上，使得熱傳導效率更高，并帶動柜內(nèi)氣流流動，讓柜內(nèi)溫度更為均衡。

（3）水冷卻熱交換排組：是熱交換介質(zhì)-冷卻水的容器及熱傳導器。內(nèi)部排組將風扇帶來的柜內(nèi)熱量有效的吸收并傳導到導管內(nèi)的冷卻水中，而后外部的排組將水中的熱量吸收并因為內(nèi)外溫差（水與空氣），將熱量排放到空氣中去。

（4）循環(huán)水泵：串連到水冷排組管道連接件中，向管道內(nèi)冷卻水提供動力，使得冷卻水可以在水冷排組內(nèi)部循環(huán)。

（5）外散熱風機：氣流控制器件。增強水冷排翅片間的氣流流動性，使外部水冷排與空氣的熱交換性能更好。

（6）水箱：存儲部分冷卻水，放置在整個散熱系統(tǒng)最高點，防止水泵出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。

本水冷裝置的運行過程如下：設備運行時，通過循環(huán)水泵將冷卻水從水箱中抽取傳送到水冷卻熱交換排組（柜內(nèi)部分）的管道中，而水冷卻熱交換排組（柜內(nèi)部分）上的內(nèi)吸熱風機將變頻器散發(fā)出來的熱量吸入水冷卻熱交換排組（柜內(nèi)部分）上，通過水冷卻熱交換排組（柜內(nèi)部分）上的翅片和銅管與冷卻水進行熱量交換。此時水冷卻熱交換排組（柜內(nèi)部分）管道內(nèi)的水溫上升，后經(jīng)過水泵提供動力，將溫度上升的冷卻水帶出配電柜，后經(jīng)水冷卻熱交換排組（柜外部分），冷卻水中熱量傳遞到水冷卻熱交換排組（柜外部分）翅片與銅管上，外散熱風機將熱量帶走散發(fā)到空氣中，冷卻后的冷卻水留回水箱。

本發(fā)明的散熱裝置還可以將冷卻水更換為油或其它介質(zhì)。

5　總結(jié)

在鋰電工廠中，電池加工需要使用冷卻散熱裝置，本文介紹了一種電柜水冷卻散熱裝置，包括水箱、循環(huán)水泵、外部水冷卻熱交換排組、外散熱風機、內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機，水箱、循環(huán)水泵、外部水冷卻熱交換排組和外散熱風機安裝在電柜外部，外部水冷卻熱交換排組位于外散熱風機與電柜之間，內(nèi)部水冷卻熱交換排組和內(nèi)吸熱風機安裝在電柜內(nèi)部，內(nèi)部水冷卻熱交換排組位于內(nèi)吸熱風機與電柜之間，水箱與內(nèi)部水冷卻熱交換排組連通，內(nèi)、外部水冷卻熱交換排組連通，外部水冷卻熱交換排組與循環(huán)水泵連通，循環(huán)水泵與水箱連通。本水冷裝置可以避免電控柜內(nèi)風冷方式帶來的粉塵問題，也可以有效降低電柜溫度，并且制作及使用成本低廉，拆裝方便，能長期在惡劣環(huán)境中穩(wěn)定工作。

參考文獻

[1]鄧斌等，柳州市豪杰特化工機械有限責任公司.電柜水冷卻散熱裝置：中國. 201320796704.5[P].

[基金項目]本文獲2016年廣西科技計劃（合同編號：桂科AC16380013，氧化石墨烯的清潔制備工藝研究及在汽車塑料應用性能評價）、2015年廣西高校科研項目（KY2015YB399，物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)融合和安全問題關(guān)鍵技術(shù)研究）的資助。

[作者簡介]鄧斌（1988-），男，漢族，廣西柳州人，機電一體化專業(yè)，助理工程師，主要從事電氣液壓設計。

[通訊作者]陳璟（1984—），女，漢族，廣西柳州人，材料加工工程專業(yè)碩士，講師，主要從事流體分析CFD、模具優(yōu)化設計等研究，1936307477@qq.com。