世界级重大发明蒸发冷却技术介绍

1、蒸发冷却技术介绍技术1、技术背景蒸发冷却技术是由中国工程院著名院士顾国彪领衔，经过几 十年的不懈努力潜心研究出的一种高绝缘、低沸点、自循环、经 济高效的冷却技术。该技术主要针对电机装备、超算服务器、大 功率变压器、军工雷达等电子电气设备在运行时产生的高温热量， 通过低沸点特殊绝缘冷却介质蒸发时的汽化潜热来带走发热体的 热量，使其降温。运行时，发热体将热量传递给蒸发冷却介质， 蒸发冷却介质吸收热量，温度升高，当达到一定压力下的饱和温 度时，开始沸腾，介质汽化吸热，汽化后的介质蒸汽在冷凝器中 将热量传递给二次冷却水，同时介质蒸汽被冷却为液体，回到冷 却系统中，继续循环，根据冷却结构的不同可以形成强

2、迫循环系 统或密闭式自循环系统。该技术与传统的风冷与水冷相具有极高 的冷却效率。蒸发冷却散热为500w/cm2，是自然风冷的6250倍（自然风冷0.08w/cm2）,是强迫风冷的312.5倍（强迫风冷1 .6w/cm2 ） ，是水冷的 31 倍（水冷 16w/cm2）。蒸发冷却技术研究成果目前处在国内唯一，国际领先水平。 成果多次荣获国家科技进步奖和技术发明奖， 400 兆发电机组被 国际大电网会议评为本世纪四大旋转电机新进展之一。该项技术 对提高电子信息装备、 电机设备效能和节能减排产生巨大的作用， 具有显著的社会效益和经济效益。2、技术应用中国科学院电工研究所经过近半个世纪的潜心研究，在蒸

3、发 冷却技术研究方面取得了重大突破，获得了一系列科研成果，使 电子信息装备和电器设备领域高效节能减排变为现实。 该技术已 成功应用于云南大寨、安康、李家峡和举世属目的长江三峡发电 机组，创造了多项世界第一，并拥有完全独立的自主知识产权和 数十项专利技术，荣获多项国家和省部级科技成果奖和技术进步 奖，得到国际同行的高度关注， 并受到前党和国家领导人江泽民、 胡锦涛等的亲切接见。近几年来，技术团队又将这一技术成功地应用在超级计算和 国防军工领域。使用蒸发冷却技术的超级计算机， 热量分布均匀， 平均节能高达 40%；整体机房实现余热利用节能高达 60%；噪声： 喷淋式小于分贝，浸泡式、贴壁式无噪声；

4、因温度变化引起的稳 定性、可靠性基本实现免维护； 对环境无要求无影响， 人机友好， 经济效益高，已成为当今世界实现绿色电子装备、电气设备的执 牛耳者。它有着巨大的市场潜力，将产生巨大的经济效益和社会 效益，引领电子信息装备，绿色环保的发展方向。时任胡锦涛总书记亲切接见我公司专家顾国彪院士技术应用成果简介：长江三峡700兆瓦蒸发冷却发电机组300兆瓦蒸发冷却火电发电机组蒸发冷却风电发电机组蒸发冷却选磁器蒸发冷却变压器蒸发冷却浸泡式超级计算机中科院重大装备项目蒸发冷却超级计算机3、技术优势蒸发冷却技术是电子信息装备和电气设备冷却公共平台，能较 好地解决当前电子信息装备和设备高密度、高功耗散热的世界

5、性难 题，在降低能耗、降低噪声、提咼功效、提咼稳定性、确保安全， 具有难以复制的技术优势，广阔的市场前景。1）、 蒸发冷却方式发电机组在发电机冷却方式中，常用的有空气冷和水冷。空冷，虽然 运营维护简便，主要问题： 一是 导体与绝缘线棒的线膨胀系数不 同，频繁起停造成绝缘件机械疲劳加大； 二是 温差应力容易造成 绝缘与导体脱壳，产生电晕，易腐蚀损坏绝缘； 三是 定子铁心与 机座之间存在温差，容易引起热变形； 四是 定子绕组线棒周围温 差，增大了附加损耗； 五是 受制造极限容量限制，很难将容量提 高，发电效率低。水冷虽然冷却效果好于空冷，但也存在很多问 题：一是增加了净化水处理系统，增加了前期投入

6、和后期运营成 本；二是 故障率高，容易造成氧化物堵塞烧机， 降低了工作效率； 三是水泄漏损坏绝缘，容易引发重大故障，可靠性、稳定性、安 全性受到极大影响。采用蒸发冷却技术的发电机组优点突出表现在： 一是 蒸发冷 却继承了水内冷的优点，同时克服了水介质的缺点，极大地提高 了运行可靠性。二是蒸发冷却方式使用的介质是沸点在 50 60C 的氟碳化合物，无毒，无污染，无腐蚀，具有良好的兼容性。 三 是采用的介质具有很高的绝缘性，克服了介质导电的危险，同时 介质具有灭火和灭弧能力，能够抑制其他电气事故的发生，提高 了安全性。 四是可以利用液相和气液双相的比重差实现无泵自循 环。五是蒸发冷却的压力可以设计

7、为运行时低于 O.IMPa正压，停 机时成负压，减小泄漏的可能性，克服了水冷方式水泄漏的本质 弱点。 六是由于温升分布均匀，定子线棒各部分的温差较小 （小 于10C ）从而克服了定子线棒的热变形问题， 使用寿命，通常是空 冷和水冷的三至五倍，已在云南大寨、陕西安康、青海李家峡， 特别是长江三峡水电站地到验证。 七是由于蒸发冷却介质的高绝 缘性，使得对电机绕组本身绝缘的要求降低了，绝缘费用降低而 使发电机的经济性能有较大所提高。2）超级计算机、大型数据中心蒸发冷却系统公司目前应用蒸发冷却技术生产的特种机（SW1、SW -2）和大型服务器、超级计算机均属国内外首创。采用蒸发冷 却技术的特种机，防高

8、温、高寒、高湿、高盐、高尘，防电磁泄 漏、能实现电磁屏蔽。 超级计算机、 大型数据中心， 散热效果好， 稳定性、可靠性大幅提高，平均节能高达 40%；整体机房实现余 热利用节能高达60%;喷淋式PUE值=1;浸泡式、贴壁式P UE值=0;噪声：喷淋式小于40分贝；浸泡式、贴壁式无噪声;因温度变化引起的故障率基本实现免维护;对环境无要求无 影响人机友好，经济效益高，领先国际水平，已成为当今世界实 现绿色电子信息装备、电气设备的执牛耳者。它有着巨大的市场 潜力，将产生巨大的经济效益和社会效益，引领电子信息装备节 能减排，绿色环保的发展方向。（ 3）、大功率器件变压器、变频器、整流器、充电机、换流器

9、、LED显示屏等,目前这些大功率器件都是采取传统的散热方式，散热效率低，功 率损耗大，采用强迫风冷需大功率风扇，其散热效率低，功率损 耗大，噪声大，稳定性、可靠性差；采用水冷虽然冷却效果好于 强迫风冷，但功率损耗并未减少，体积大却更加庞大，同时增加 了安全隐患。采用蒸发冷却技术的大功率器件：一是功率损耗节 约 40%；二是功率器的体积缩小 3 分之一；三是极大地提高稳定 性、可靠性和安全性；四是提高功率器件 2-3 倍的使用寿命。4）、国防军工蒸发冷却技术在国防军工的应用与主要产品： 信息装备（雷达、通信、指挥、数据中心等） ：采用该技术的 雷达 一是稳定性、可靠性得到进一步提高， 60%的热

10、故障可实现 免维护； 二是减掉空调车组，极大地提高其机动性和野战生存能 力；三是提高TR组件的使用寿命，极大地提高经济效益。四是减 少噪声污染，进一步改善工作环境，实现人机友好。电气设备（大功率器件）：一是进一步提高战技指标， 二是降 低功率器件的功率损耗，平均节约 30%；三是功率器的体积缩小 3 分之一，提高机动性和野战生能力； 四是极大地提高稳定性、 可靠性和安全性； 五是提高了功率器件 2-3 倍的使用寿命。 4、社会和经济效益：随着人类社会的飞速发展， 电子信息装备和电气设备的散热与节能环保问题已成为时代的命题，蒸发冷却技术作为公共平台技术及产品有着巨大的市场潜力和发展前景。（1）、

11、在发电机市场： 中小水电发电量占我国发电总量的 18%， 随着国家能源结构的调整， 为节能减排，对小火电机组开始关停， 30 万千瓦及以上机组已成为我国火电装机的主力机型， 占火电装 机容量的 48以上 。新投产火电机组中， 80%以上为 30 万千瓦 以上机组。高参数、大容量火电机组比例逐年增多，随着发电机 功率密度的提高，冷却技术和电机安全性备受关注。目前，大型 火电机组冷却技术主要采用空冷、水冷、氢冷。由于空冷体积大 效率低；水冷虽然效率高，但水系统故障率占总故障率约40%；氢冷且存在漏氢暴等安全隐患。蒸发冷却技术能够很好的解决 300 兆瓦级以上机组的冷却技术问题，而且效率高、系统结构

12、简 单、冷却效果优良、安全性、可靠性高，有着双水内冷，空冷和 氢冷机组无法比拟的优势。推广应用蒸发冷却汽轮发电机，制造 厂不需要重新添置大量的制造和试验设备，电力部门也不需要为 购买该新技术产品增加投资，相反，它节省昂贵的水冷系统、氢 冷系统的投资。冷却介质密闭循环，只需一次性投资，这种绿色 高效发电机组，有着巨大的市场潜力，能产生巨大的经济效益和 社会效益。以中科院电工所与上海电气电站集团发电机厂，共同完成的 330MW 蒸发冷却汽轮发电机为例，电机的总损耗是3498kW,试验效率 98.94%（包括励磁机损耗） ，高于双水内冷电机 0.12%和 空冷电机 0.3%。与氢冷电机相比，免除了昂

13、贵的氢气系统，同时 消除了氢气爆炸的安全隐患，极大地提高了安全可靠性。按照目 前火电利用小时数每年约 5000小时，火电上网价格约 0.4 元度， 以国家统计局每度电折 0.404 千克标准煤，节约一度电等于减少 排放二氧化碳 0.997千克来计算，一台 330MW 蒸发冷却汽轮发电 机与双水内冷机组相比每小时多发电约 400 度，一年多发电约 200 万度，价值约 80 万，相当于节约 808 吨标准煤，减排二氧化碳 1994 吨；与空冷机组相比每小时多发电 990度，一年多发电 495 万度，价值约 198万，相当于节约 2000吨标准煤， 减排二氧化碳 吨 4935 吨。由此可见， 技术

14、先进与否与能源消耗密切相关， 高能 耗必然带来环境重污染和企业低效益。根据国家十二五规划，十二五期间，全国规划火电 开工规模 3亿千瓦， 2015年我国火电装机预计达到 9.33亿千瓦， 占到总装机 14.7亿千瓦的 63.5%，到 2020年我国火电装机容量预 计达到 11.9亿千瓦。按十三五期间新增 2.6 亿千瓦的火电装 机容量计算，如果 40%的发电机组采用蒸发冷却技术，一年就可 提高发电量 15.6亿度，节约 63 万吨煤，减少 156万吨碳排放。 （2）、 在超级计算机和大型数据中心市场： 据统计， 2011 年中 国数据中心消耗的电量占全社会总电力消耗的 2%，相当于三峡水 电的

15、全年产能。全球范围内的数据中心服务器和散热系统每年大 概需要消耗 3000 亿瓦的电能，相当于 30 座核电站的发电量； IT 行业每年的二氧化碳排放量约为 3500 万吨，占全球总排放量的 2%，数据中心已成碳排放大户。联通数据中心的耗能每年 150 亿千瓦时，以标准煤计算的耗能需要 120 多万吨。中国电信近 200 亿千瓦时，以标准煤计算的耗能需要 150 万吨。谷歌在每个用户 身上每月用电 38 瓦，而且数据中心还在以几何级数增加。目前， 我国的数据中心的平均PUE值在2.2-3.0之间，而实际能耗可能远 远高于这一数字。比美国平均值高 1.1。专家预测，到 2020 年我 国数据中心

16、耗电量将超过 2500亿kWh，近3个三峡发电量。其 中，用于数据中心冷却的能耗占数据中心总能耗的60%70%。数据中心给社会造成的能源巨大浪费和环境严重污染非常惊人。 如果采用蒸发冷却技术进行散热的话，按照平均节能50%计算，每年光数据中心一项即可节电 1250 亿度电，经济和社会效益非常 巨大。总之，随着电子信息装备和电气设备的飞速发展及云时代的 到来，在带来信息革命，加速人类文明发展的同时，也为人类生 存环境制造了阴霾。它的高能耗、重污染已成为环境治理关注的 焦点，它关乎国家可持续发展，关乎人类生存安全。作为电子信 息装备和电气设备散热的公共平台技术和产品，同样在国防军工 和其他电子设备

17、和功率器件中有着广泛的应用前景，将产生巨大 的经济和社会效益。技术发展与进步往往会引发生产方式的革命性变革。打造 中国经济升级版，必须抓住经济转型、产业结构调整升级和生态 文明这一要务，通过政府、企业和社会的共同努力，依靠科学技 术进步，全面推动经济型社会和节约型社会的健康发展。具体样机产品见下图：41$ fl3憎蒸发冷却服务器样机蒸发冷却超级计算机4、产品定位超级计算机、大型数据中心中、小水电、火电发电机组、大功率器件、国防军工5、主要产品超级计算机、特种计算机(SW-1) (SW-2)、各类机箱、蒸发 冷却水电机组、 蒸发冷却火电机组、 新能源汽车充电机、 大功率显 卡等。在技术方面，我公

18、司所研发的产品都是采用目前国内乃至国 际范围内顶尖的技术，并拥有完整的自主知识产权。新一代冷却 方式发电机组和超级计算机冷却系统均采用了蒸发冷却技术，该 技术是由顾国彪院士所带领的团队经过几十年长期不懈的努力自 主研发出来的，理论研究和工业应用的技术水平在国内外处于领 先地位。该技术的研究先后获得了多项国家和省部级科技发明、 科技进步奖项和多项技术专利。在实际应用方面，中科院与多家 单位合作，相继研制了发电、电力驱动、低压电器等新型产品。 400MW 蒸发冷却水轮发电机在 CIGRE2000 上，被评为旋转电机 领域的四项新进展之一。该技术现已被使用在举世瞩目的三峡工 程中，右岸地下电站安装了两台 700MVA 定子蒸发冷却水轮发电 机。特别是在电子信息装备领域、国防军工领域均属国内唯一， 国际领先地位。在人才方面，公司团队成员在管理组织方面拥有多年理论和 实践经验，并拥有广泛的社会资源。同时，作为项目股份中技术 股的持有人，公司合作的技术团队具备长期技术研发、持续开发 新产品的能力。技术团队的先进性和稳定性是保