蒸发冷却技术的发展_应用和展望
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2015 年 6 月 第 30 卷 第 11 期
电工技术学报
TＲANSACTIONS OF CHINA ELECTＲOTECHNICAL SOCIETY
Vol. 30 No. 11 Jun． 2015
蒸发冷却技术的发展、应用和展望
顾国彪 阮 琳 刘斐辉 熊 斌
（ 中国科学院电工研究所 北京 100190）
Abstract The evaporative cooling technology of electrical equipment and electronic appliance is China’s innovative technology with fully independent intellectual property rights. From theoretical exploration，pilotscale experiments，to industrial applications，this technology has been experiencing 50-years development and has made a lot of achievements in the field of electrical engineering applications. This paper emphasely introduces the applications of this technology in the field of hydraulic generation，large-scale scientific research appliance，and electronic equipment. In view of its characteristics of high-efficient heat-transfer，reliable operation，and low power consumption，it has broad application prospects in the field of pump-storage units，high-power density data centers，and high voltage DC transmission.
摘要 电气装备与电子设备的蒸发冷却技术是拥有我国自主知识产权的创新技术，该技术从原理 研究、中试验证到产业化应用历时 50 余年，在电工领域应用取得了诸多丰硕成果。该文重点介绍了该 技术在水力发电、大科学研究装置和电力电子器件领域应用的案例。鉴于其高效换热、可靠运行和低功 耗的技术特点，展望了蒸发冷却技术未来在抽水蓄能、数据中心以及高压直流输电领域应用的广阔前景。
4） 700 MW 蒸发冷却水轮发电机分别于 2011 年 12 月和 2012 年 7 月在三峡右岸地下电站投入商业运 行。该项目也是 “十一五” 国家科技支撑计划项目的 目标工程。三峡地下电站 27、28 号发电机的运行实验 结果显示，发电 机 定 子 线 圈 温 度 分 布 均 匀， 温 升 低， 负荷变动时温度变化小，满负荷运行时定子线棒温度
3） 400 MW 蒸发冷却水轮发电机于 1999 年安装 在李家峡水电站，为国家 “九五” 重 点 科 技 攻 关 项 目，到目前为止已安全运行了 15 年。蒸发冷却技术在 水轮发电机上应用的优势已得到国际大电机领域的认 可，在 2000 年 于 法 国 巴 黎 召 开 的 国 际 大 电 网 会 议 （ GIGEＲ’2000 ） 上，400 MW 蒸 发 冷 却 水 轮 发 电 机 （ 当时中国最大的水轮发电机组） 被评为国际旋转电 机领域近年的四大进展之一。
供电系统小型化、大容量、高可靠性、高品质是 世界电机界长期追求的目标。随着电力电子技术的发 展和控制技术的进步，针对高功率密度发电机，我们 与合作单位联合攻关，提出了多相整流装置与电机本 体合为一体，将发电机、整流装置、变流装置集成采 用蒸发冷却技术的设计方案，并完成了样机的研制和 测试，解决了高功率密度设备的冷却、小型化、低噪 音、可靠性等关键技术问题。与传统的交直流分别供 电的两台发电机相比，体积和重量减少 40% 以上，工 程造价降低 40% 以上。
hydro-generator station
1. 2 大科学装置领域 中国科学院兰州近代物理研究所 HIＲFL-CSＲ 是亚
洲最大规模的重离子加速器系统。ECＲ 离子源是加速 器系统的源头，为其提供所需的各种离子，是整个系 统中的关键部件，其可靠稳定运行至关重要。离子源 的背景工作磁场是由螺线管线圈励磁产生的轴向磁场 与六极永磁铁产生的径向磁场叠加而成。为了提高背 景场强，可通过提高励磁线圈的励磁安匝数实现，由 此带来铜耗增加发热严重，冷却技术成为限制其发展 的瓶颈。为了对线圈实现高效的冷却，目前采用的是 水内冷技术。水内冷技术效果好，但用在电磁装备中 的冷却水是有特殊电特性和化学特性要求的，必须经 过去离子净化的过程，系统复杂； 而且水路是采用多 支路并联，接头、管道数量多，连接管路长，强迫循 环系统阻力损失大，安装复杂； 由于水在线圈中流动
中科院 电 工 研 究 所 与 国 内 制 造 厂 家 长 期 合 作， 1963 ～ 1964 年，650 kW 水轮发电机在玉渊潭实验电
站运行了两年，并进行了 1 000 kW 超发实验，为工业 实验机组的研发打下了基础，其后又通过中试和扩大 中试、产业 化 示 范 将 蒸 发 冷 却 技 术 长 期 成 功 应 用 于 4 种容量的 6 台工业机组中。取得的标志性成果如下：
1） 2 台 10 MW 高转速蒸发冷却水轮发电机。该项 目得到了云南电力局的支持，在 1983 年及 1984 年先后 安装在云南大寨水电站，到目前为止已安全运行了 31 年。
2） 50 MW 蒸发冷却水轮发电机于 1991 年安装在 陕西安康火石岩水电站，为国家 “七五” 重点工业试 验项目，到目前为止已安全运行了 23 年。且该机组在 夏季丰水期经常超发电，为企业赢得了一定的经济效益。
图 2 10 MW、50 MW、400 MW 蒸发冷却水轮发电机组 Fig. 2 10 MW、50 MW、400 MW evaporative cooling hydro-generator group
图 3 三峡地下电站 27#、28#发电机 Fig. 3 27，28# units in the three gorges
收稿日期 2015-05-11 改稿日期 2015-05-13
蒸发冷 却 技 术 体 系 的 形 成 始 于 循 环 原 理 研 究。 首先开展了低温强迫循环蒸发冷却技术 （ 如图 1a 所 示） 应用于电机中的可行性探索： 采用沸点较低的 蒸发冷却介质，由于冷却介质沸腾后的饱和温度低于 二次冷却工质温度，系统需要消耗一定的外界动力以 提供压缩并克服系统阻力。其次开展了常温强迫循环 蒸发冷却技术 （ 如图 1b 所示） 的研究： 采用沸点较 高的冷却介质，系统运行时，吸热后的冷却介质不需 要经过压缩升压直接通过冷凝器冷凝完成循环，但系 统中采用泵克服系统流动阻力。再次开展了常温自循 环蒸发冷却技术 （ 如图 1c 所示） 。利用沸点温度较高 的冷却介质吸收的热量做功，推动流体循环，无需外 加动力，流 动 压 头 足 以 克 服 循 环 回 路 中 的 各 种 阻 力 损失［6］。
2ห้องสมุดไป่ตู้
电工技术学报
2015 年 6 月
图 1 蒸发冷却应用于水轮发电机的原理演变 Fig. 1 Principle evolution of evaporative cooling technology applied on hydro-generators
基于相变换热和蒸汽动力循环的理论基础，中科 院电工研究所围绕不同领域的应用，针对关键技术和 关键工艺开展了长期深入的研究，包括多相流流动和 传热的 测 量 测 试、冷 却 介 质 的 选 型 和 测 试 平 台 的 建 立、高效冷凝器的研制、密封检测技术和循环系统设 计技术等，突破了将相变换热技术应用到电气装备和 电子设备领域的理论计算、系统设计和关键工艺，为 工业应用打下了坚实的基础，并在研究过程中形成了 不同层面的设计规范、标准和规程。
第 30 卷第 11 期
顾国彪等 蒸发冷却技术的发展、应用和展望
3
仅为 57 ～ 62℃ ，铁心温度为 57 ～ 60℃ ，发电机性能达 到三峡精品工程水平和国际领先水平。蒸发冷却三峡 右岸地下电站机组的成功试运行，是产学研用结合的 一次成功探索。
其中 10 MW、50 MW 和 400 MW 蒸发冷却水轮发 电机如图 2 所示，三峡电站 27#和 28#蒸发冷却水轮发 电机如图 3 所示。
与发电机样机配套使用的变流装置中的高功率密 度的 IGBT 是典型的电力电子器件，通过对其采用壁 挂式蒸发冷却技术，功率模块安装在冷却箱体表面， 器件的热量传至箱体内，使箱体内冷却液由液态转换 为气态，与箱体内的水冷管进行热交换，这种冷却方 法可使大功率器件的壳温控制在 80℃ 以内，且冷却结 构简单、体 积 小、低 噪 音，因 冷 却 液 具 有 高 绝 缘 性， 运行安全可靠。冷却介质温度均匀、冷却效率高，解 决了高功率密度的大功率器件的冷却问题 。 ［13，14］ 蒸发 冷却变流装置如图 4 所示。
经过几十年的研究和积累，我们已经将该技术成 功应用于电气装备和电子设备领域，如发电机组 （ 包 括水轮发电机、汽轮发电机和风力发电机） 、变频器 和超级计算机。
1 蒸发冷却技术的应用
蒸发冷却技术从 20 世纪 70 年代开始由实验室走 向工业应用，已取得了大量工程实践的经验。在水轮 发电机领域的工业应用已有 40 年［7，8］，在汽轮发电机 领域的工业应用也已有 30 余年［9，10］。蒸发冷却技术还 在电力驱动、低压电器和电子设备等领域得以应用和 拓展，包括磁选设备、超级计算机等，下面介绍几种 典型的成功应用领域。 1. 1 水轮发电机领域
Keywords： Evaporative cooling technology， high-efficient heat-transfer， reliable operation， low power consumption
0 引言
蒸发冷却技术在电气和电子装备上的应用是我国 自主研发的，理论研究和工业应用的技术水平在国内 外均处于领先地位。它利用高绝缘性能、室温沸点的 冷却介质通过相变换热来传递热量，以实现发热部件 的冷却，是一种经济高效的冷却技术。中国科学院电 工研究所基于我国电力建设的长远需要，从 20 世纪 50 年代末起，首先开展了大型电机相变换热冷却技术 的研究［1］。经自主创 新， 独 辟 蹊 径 形 成 了 水 轮 发 电 机 管道内冷自循环蒸发冷却［2］、汽轮发电机浸泡自循环 蒸发冷却［3］、电力电 子 设 备 表 贴 式［4］ 和 喷 淋 式［5］ 等 多 种冷却结构。
关键词： 蒸发冷却技术 高效换热 可靠运行 低功耗 中图分类号： TM312
Developments，Applications and Prospects of Evaporative Cooling Technology
Gu Guobiao Ｒuan Lin Liu Feihui Xiong Bin （ Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China）
需要依靠外动力，因此对结构件的强度要求高，造成 装置运行的可靠性降低。目前常导源冷却水系统的流 动压头为 15 ～ 20 kgf，已经达到了 水 冷 系 统 的 极 限。 而超导源造价高，维护复杂。
中科院电工研究所自主创新的蒸发冷却技术与近 代物理研究所具有国家领先水平的 ECＲ 离子源技术相 结合，提出了浸润式常温自循环蒸发冷却 ECＲ 离子源 一体化设计方案，研制出具有高性价比的高电荷态 ECＲ 离子源，经过现场测试，其高核态离子产额的部分指标 超过了 GTS （ 目前国际上最好的常导源） ，为蒸发冷却 技术在大型加速器装置上大规模应用奠定基础［11，12］。 1. 3 电力电子器件领域
电工技术学报
TＲANSACTIONS OF CHINA ELECTＲOTECHNICAL SOCIETY
Vol. 30 No. 11 Jun． 2015
蒸发冷却技术的发展、应用和展望
顾国彪 阮 琳 刘斐辉 熊 斌
（ 中国科学院电工研究所 北京 100190）
Abstract The evaporative cooling technology of electrical equipment and electronic appliance is China’s innovative technology with fully independent intellectual property rights. From theoretical exploration，pilotscale experiments，to industrial applications，this technology has been experiencing 50-years development and has made a lot of achievements in the field of electrical engineering applications. This paper emphasely introduces the applications of this technology in the field of hydraulic generation，large-scale scientific research appliance，and electronic equipment. In view of its characteristics of high-efficient heat-transfer，reliable operation，and low power consumption，it has broad application prospects in the field of pump-storage units，high-power density data centers，and high voltage DC transmission.
摘要 电气装备与电子设备的蒸发冷却技术是拥有我国自主知识产权的创新技术，该技术从原理 研究、中试验证到产业化应用历时 50 余年，在电工领域应用取得了诸多丰硕成果。该文重点介绍了该 技术在水力发电、大科学研究装置和电力电子器件领域应用的案例。鉴于其高效换热、可靠运行和低功 耗的技术特点，展望了蒸发冷却技术未来在抽水蓄能、数据中心以及高压直流输电领域应用的广阔前景。
4） 700 MW 蒸发冷却水轮发电机分别于 2011 年 12 月和 2012 年 7 月在三峡右岸地下电站投入商业运 行。该项目也是 “十一五” 国家科技支撑计划项目的 目标工程。三峡地下电站 27、28 号发电机的运行实验 结果显示，发电 机 定 子 线 圈 温 度 分 布 均 匀， 温 升 低， 负荷变动时温度变化小，满负荷运行时定子线棒温度
3） 400 MW 蒸发冷却水轮发电机于 1999 年安装 在李家峡水电站，为国家 “九五” 重 点 科 技 攻 关 项 目，到目前为止已安全运行了 15 年。蒸发冷却技术在 水轮发电机上应用的优势已得到国际大电机领域的认 可，在 2000 年 于 法 国 巴 黎 召 开 的 国 际 大 电 网 会 议 （ GIGEＲ’2000 ） 上，400 MW 蒸 发 冷 却 水 轮 发 电 机 （ 当时中国最大的水轮发电机组） 被评为国际旋转电 机领域近年的四大进展之一。
供电系统小型化、大容量、高可靠性、高品质是 世界电机界长期追求的目标。随着电力电子技术的发 展和控制技术的进步，针对高功率密度发电机，我们 与合作单位联合攻关，提出了多相整流装置与电机本 体合为一体，将发电机、整流装置、变流装置集成采 用蒸发冷却技术的设计方案，并完成了样机的研制和 测试，解决了高功率密度设备的冷却、小型化、低噪 音、可靠性等关键技术问题。与传统的交直流分别供 电的两台发电机相比，体积和重量减少 40% 以上，工 程造价降低 40% 以上。
hydro-generator station
1. 2 大科学装置领域 中国科学院兰州近代物理研究所 HIＲFL-CSＲ 是亚
洲最大规模的重离子加速器系统。ECＲ 离子源是加速 器系统的源头，为其提供所需的各种离子，是整个系 统中的关键部件，其可靠稳定运行至关重要。离子源 的背景工作磁场是由螺线管线圈励磁产生的轴向磁场 与六极永磁铁产生的径向磁场叠加而成。为了提高背 景场强，可通过提高励磁线圈的励磁安匝数实现，由 此带来铜耗增加发热严重，冷却技术成为限制其发展 的瓶颈。为了对线圈实现高效的冷却，目前采用的是 水内冷技术。水内冷技术效果好，但用在电磁装备中 的冷却水是有特殊电特性和化学特性要求的，必须经 过去离子净化的过程，系统复杂； 而且水路是采用多 支路并联，接头、管道数量多，连接管路长，强迫循 环系统阻力损失大，安装复杂； 由于水在线圈中流动
中科院 电 工 研 究 所 与 国 内 制 造 厂 家 长 期 合 作， 1963 ～ 1964 年，650 kW 水轮发电机在玉渊潭实验电
站运行了两年，并进行了 1 000 kW 超发实验，为工业 实验机组的研发打下了基础，其后又通过中试和扩大 中试、产业 化 示 范 将 蒸 发 冷 却 技 术 长 期 成 功 应 用 于 4 种容量的 6 台工业机组中。取得的标志性成果如下：
1） 2 台 10 MW 高转速蒸发冷却水轮发电机。该项 目得到了云南电力局的支持，在 1983 年及 1984 年先后 安装在云南大寨水电站，到目前为止已安全运行了 31 年。
2） 50 MW 蒸发冷却水轮发电机于 1991 年安装在 陕西安康火石岩水电站，为国家 “七五” 重点工业试 验项目，到目前为止已安全运行了 23 年。且该机组在 夏季丰水期经常超发电，为企业赢得了一定的经济效益。
图 2 10 MW、50 MW、400 MW 蒸发冷却水轮发电机组 Fig. 2 10 MW、50 MW、400 MW evaporative cooling hydro-generator group
图 3 三峡地下电站 27#、28#发电机 Fig. 3 27，28# units in the three gorges
收稿日期 2015-05-11 改稿日期 2015-05-13
蒸发冷 却 技 术 体 系 的 形 成 始 于 循 环 原 理 研 究。 首先开展了低温强迫循环蒸发冷却技术 （ 如图 1a 所 示） 应用于电机中的可行性探索： 采用沸点较低的 蒸发冷却介质，由于冷却介质沸腾后的饱和温度低于 二次冷却工质温度，系统需要消耗一定的外界动力以 提供压缩并克服系统阻力。其次开展了常温强迫循环 蒸发冷却技术 （ 如图 1b 所示） 的研究： 采用沸点较 高的冷却介质，系统运行时，吸热后的冷却介质不需 要经过压缩升压直接通过冷凝器冷凝完成循环，但系 统中采用泵克服系统流动阻力。再次开展了常温自循 环蒸发冷却技术 （ 如图 1c 所示） 。利用沸点温度较高 的冷却介质吸收的热量做功，推动流体循环，无需外 加动力，流 动 压 头 足 以 克 服 循 环 回 路 中 的 各 种 阻 力 损失［6］。
2ห้องสมุดไป่ตู้
电工技术学报
2015 年 6 月
图 1 蒸发冷却应用于水轮发电机的原理演变 Fig. 1 Principle evolution of evaporative cooling technology applied on hydro-generators
基于相变换热和蒸汽动力循环的理论基础，中科 院电工研究所围绕不同领域的应用，针对关键技术和 关键工艺开展了长期深入的研究，包括多相流流动和 传热的 测 量 测 试、冷 却 介 质 的 选 型 和 测 试 平 台 的 建 立、高效冷凝器的研制、密封检测技术和循环系统设 计技术等，突破了将相变换热技术应用到电气装备和 电子设备领域的理论计算、系统设计和关键工艺，为 工业应用打下了坚实的基础，并在研究过程中形成了 不同层面的设计规范、标准和规程。
第 30 卷第 11 期
顾国彪等 蒸发冷却技术的发展、应用和展望
3
仅为 57 ～ 62℃ ，铁心温度为 57 ～ 60℃ ，发电机性能达 到三峡精品工程水平和国际领先水平。蒸发冷却三峡 右岸地下电站机组的成功试运行，是产学研用结合的 一次成功探索。
其中 10 MW、50 MW 和 400 MW 蒸发冷却水轮发 电机如图 2 所示，三峡电站 27#和 28#蒸发冷却水轮发 电机如图 3 所示。
与发电机样机配套使用的变流装置中的高功率密 度的 IGBT 是典型的电力电子器件，通过对其采用壁 挂式蒸发冷却技术，功率模块安装在冷却箱体表面， 器件的热量传至箱体内，使箱体内冷却液由液态转换 为气态，与箱体内的水冷管进行热交换，这种冷却方 法可使大功率器件的壳温控制在 80℃ 以内，且冷却结 构简单、体 积 小、低 噪 音，因 冷 却 液 具 有 高 绝 缘 性， 运行安全可靠。冷却介质温度均匀、冷却效率高，解 决了高功率密度的大功率器件的冷却问题 。 ［13，14］ 蒸发 冷却变流装置如图 4 所示。
经过几十年的研究和积累，我们已经将该技术成 功应用于电气装备和电子设备领域，如发电机组 （ 包 括水轮发电机、汽轮发电机和风力发电机） 、变频器 和超级计算机。
1 蒸发冷却技术的应用
蒸发冷却技术从 20 世纪 70 年代开始由实验室走 向工业应用，已取得了大量工程实践的经验。在水轮 发电机领域的工业应用已有 40 年［7，8］，在汽轮发电机 领域的工业应用也已有 30 余年［9，10］。蒸发冷却技术还 在电力驱动、低压电器和电子设备等领域得以应用和 拓展，包括磁选设备、超级计算机等，下面介绍几种 典型的成功应用领域。 1. 1 水轮发电机领域
Keywords： Evaporative cooling technology， high-efficient heat-transfer， reliable operation， low power consumption
0 引言
蒸发冷却技术在电气和电子装备上的应用是我国 自主研发的，理论研究和工业应用的技术水平在国内 外均处于领先地位。它利用高绝缘性能、室温沸点的 冷却介质通过相变换热来传递热量，以实现发热部件 的冷却，是一种经济高效的冷却技术。中国科学院电 工研究所基于我国电力建设的长远需要，从 20 世纪 50 年代末起，首先开展了大型电机相变换热冷却技术 的研究［1］。经自主创 新， 独 辟 蹊 径 形 成 了 水 轮 发 电 机 管道内冷自循环蒸发冷却［2］、汽轮发电机浸泡自循环 蒸发冷却［3］、电力电 子 设 备 表 贴 式［4］ 和 喷 淋 式［5］ 等 多 种冷却结构。
关键词： 蒸发冷却技术 高效换热 可靠运行 低功耗 中图分类号： TM312
Developments，Applications and Prospects of Evaporative Cooling Technology
Gu Guobiao Ｒuan Lin Liu Feihui Xiong Bin （ Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China）
需要依靠外动力，因此对结构件的强度要求高，造成 装置运行的可靠性降低。目前常导源冷却水系统的流 动压头为 15 ～ 20 kgf，已经达到了 水 冷 系 统 的 极 限。 而超导源造价高，维护复杂。
中科院电工研究所自主创新的蒸发冷却技术与近 代物理研究所具有国家领先水平的 ECＲ 离子源技术相 结合，提出了浸润式常温自循环蒸发冷却 ECＲ 离子源 一体化设计方案，研制出具有高性价比的高电荷态 ECＲ 离子源，经过现场测试，其高核态离子产额的部分指标 超过了 GTS （ 目前国际上最好的常导源） ，为蒸发冷却 技术在大型加速器装置上大规模应用奠定基础［11，12］。 1. 3 电力电子器件领域