BR102013007321B1

BR102013007321B1 - permutador de calor, módulo de potência e conversor de tração

Info

Publication number: BR102013007321B1
Application number: BR102013007321-0A
Authority: BR
Inventors: Thomas GRADINGER; Bruno Agostini; Marcel Merk
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2012-03-28
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2020-11-24
Also published as: US9097467B2; CN103363818A; BR102013007321A2; EP2645040B1; US20130258594A1; CN103363818B; RU2626041C2; ES2638857T3; CA2809436C; RU2013113781A; CA2809436A1; KR20130110100A; EP2645040A1

Abstract

PERMUTADOR DE CALOR PARA CONVERSORES DE TRAÇÃO. A invenção refere-se a um permutador de calor (1), compreendendo um primeiro módulo permutador de calor (10) com um primeiro canal do evaporador (120) e um primeiro canal do condensador (130). O primeiro canal do evaporador (120) e o primeiro canal de condensador (130) são organizados em uma primeira canalização (11). O primeiro canal do evaporador (120) e o primeiro canal de condensador (130) estão em conexão de fluidos um com o outro através de um primeiro coletor de distribuição superior (30) e de um primeiro coletor de distribuição inferior (33) tal que o primeiro canal do evaporador (120) e o primeiro canal de condensador (130) formam um primeiro ciclo para um fluido de trabalho. O primeiro módulo permutador de calor (10) compreende um primeiro elemento de transferência de calor de evaporador (28) para realizar transferência de calor para dentro do primeiro canal do evaporador (120); e um primeiro elemento de transferência de calor do condensador (29) para transferir o calor para fora do primeiro canal de condensador (130). O permutador de calor (1) inclui também um segundo módulo permutador de calor (210) acoplado ao primeiro módulo permutador de calor (10) por um elemento de conexão de fluidos para troca do fluido de trabalho entre o primeiro módulo permutador de calor (10) e o (...).

Description

PERMUTADOR DE CALOR, MÓDULO DE POTÊNCIA E CONVERSOR DE TRAÇÃO

CAMPO TÉCNICO

[001] A presente invenção refere-se, em geral, a um permutador de calor. Em particular, a presente invenção refere-se a um permutador de calor que pode ser usado em um conversor de tração e um conversor de tração.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] Trens e veículos modernos são alimentados com sistemas de movimentação, que precisam de conversores de energia elétrica. Há um mercado competitivo, exigindo conversores de baixo custo, eficientes e confiáveis. Em um sistema típico, componentes eletrônicos de energia, tais como dispositivos semicondutores discretos ou integrados (por exemplo, o tipo de módulo), indutores, resistores, capacitores e barramentos de cobre, são montados em muita proximidade. Durante a operação, estes componentes dissipam calor de quantidades variáveis. Além disso, esses componentes são tolerantes a temperaturas de diversos níveis. As condições de temperatura diferem dependendo de em que qual área do mundo os conversores são usados. O conceito de gestão e integração térmico de um sistema de movimentação também tem que considerar a umidade e outros fatores além do desempenho elétrico do sistema.

[003] O projeto de trens modernos exige soluções que podem ser dispostas no teto do trem, ou debaixo do assoalho (por exemplo, em um conversor de chão). Componentes semicondutores e resistores de potência são menções dignas de fontes de calor dos conversores de tração. Eles, em geral, são construídos com um desenho de placa de montagem para ser aparafusado ou pressionado sobre uma superfície plana que é mantida a uma temperatura adequadamente baixa, digamos fria. Dissipadores de calor de alumínio refrigerado por ventilador soprador de ar e placas frias de bombeamento de água refrigerada são exemplos típicos de tais superfícies de troca de calor. Outros componentes como indutores, capacitores e elementos de circuito PCB geralmente são refrigerados pelo fluxo de ar.

[004] Uma possibilidade para alcançar alta proteção ambiental é organizar circuitos elétricos críticos, incluindo componentes de semicondutores, em recintos protegidos. De qualquer maneira, a remoção de calor fica mais complicada com maior proteção dos componentes.

[005] O grau de proteção ambiental que é oferecido por um produto eletrônico é normalmente expresso nos termos da sua “Taxa de Ingresso de Proteção (IP)”. Muitos produtos de movimentação são oferecidos em IP20 ou IP21 como padrão com IP54 ou classificações mais elevadas de proteção oferecidas como opcional. Com taxas inferiores do IP é possível projetar uma passagem de fluxo de ar exterior para dentro do compartimento de unidade enquanto continua a fornecer proteção adequada. Filtros de ar podem ser empregados para reduzir as partículas no ar. Aberturas de ventilação voltadas para baixo nas paredes do recinto evitam que gotas de água verticais entrem. Com taxas mais elevadas de IP, de qualquer maneira, a separação entre o ar exterior e o ar interior do compartimento da unidade se torna essencial. Para os mais altos níveis de proteção, como IP65 ou até mais, um compartimento à prova d'água pode se tornar necessário.

[006] Um permutador de calor ar-ar é comumente empregado em compartimentos classificados com alta taxa de IP com o objetivo de dissipar o calor para o ambiente ao separar completamente os volumes de ar das cabines interna e externa. Tubulações de calor e elementos de refrigeração termoelétricos são também utilizados em tais dispositivos.

[007] A EP2031332 mostra um permutador de calor usando refrigeração de ar. O dispositivo divulgado na EP2031332 é um permutador de calor de termossifão para conversores de tração. De qualquer maneira, o tipo de proteção oferecido pelo sistema divulgado ainda é limitado. Além disso, existe uma necessidade de um sistema mais compacto e mais eficiente para refrigerar fontes de calor dos módulos de potência de um trem.

SUMÁRIO

[008] É, portanto, um objeto da presente invenção o fornecimento de um mais eficiente ou mais compacto permutador de calor e conversor de tração com a possibilidade de fornecer a proteção de alta penetração.

[009] O objeto é alcançado por um permutador de calor, projetado de acordo com a invenção, e o uso de um permutador de calor de acordo ainda com a invenção. Mais modalidades exemplares da presente invenção estão de acordo com as concretizações.

[0010] De acordo com um aspecto das modalidades básicas aqui divulgadas, um permutador de calor é fornecido, sendo composto por um primeiro módulo permutador de calor com um primeiro canal evaporador e um primeiro canal condensador, em que o primeiro canal evaporador e o primeiro canal condensador são dispostos em uma primeira canalização. Além disso, o primeiro canal evaporador e o primeiro canal condensador são conectados com fluidez um ao outro por um primeiro coletor de distribuição superior e por um primeiro coletor de distribuição inferior de forma tal que o primeiro canal evaporador e o primeiro canal condensador formam um primeiro ciclo para um fluido de trabalho. O primeiro módulo permutador de calor ainda é composto por um primeiro elemento de transferência de calor do evaporador para a transferência de calor dentro do primeiro canal evaporador, e um primeiro elemento de transferência de calor do condensador para transferir o calor para fora do primeiro canal condensador, em que o permutador de calor é composto por um segundo módulo permutador de calor acoplado ao primeiro módulo permutador de calor por um elemento de conexão de fluidos para uma troca do fluido de trabalho entre o primeiro módulo permutador de calor e segundo módulo permutador de calor.

[0011] Permutadores de calor exemplares divulgados aqui permitem o uso de um princípio de transferência de calor de duas fases para remover eficientemente o calor de entrada sem a necessidade de uma unidade de bombeamento se a canalização for orientada tal qual em relação à força gravitacional da Terra, tal que o movimento do fluido de trabalho seja orientado pela gravidade. Isso resulta em melhoria de confiabilidade e redução de custo. Sistemas sem bombeamento são preferidos, à medida que as bombas são propensas a atrito, levando à manutenção. Um princípio de permutador de calor do tipo termossifão é usado, em que o desempenho de refrigeração e compacidade são aumentados pela adição de um segundo módulo permutador de calor ao primeiro módulo permutador de calor. Os módulos de permutação de calor são acoplados para uma transferência de calor entre os módulos de permutação de calor. Por esta maneira, diferentes condições de aquecimento ou de arrefecimento podem ser equilibradas entre os módulos, em que um melhor desempenho geral é alcançado.

[0012] Em modalidades exemplares, o segundo módulo permutador de calor é composto por um segundo canal evaporador e um segundo canal condensador; em que o segundo canal evaporador e o segundo canal condensador são dispostos em uma segunda canalização. O segundo canal evaporador e o segundo canal condensador são conectados com fluidez um ao outro por um segundo coletor de distribuição superior e por um segundo coletor de distribuição inferior tais que o segundo canal evaporador e o segundo canal condensador formam um segundo ciclo para o fluido de trabalho.

[0013] Em modalidades exemplares, os módulos de permutação de calor têm caixas separadas ou têm canalizações separadas. Como regra, cada um dentre os primeiro e segundo módulos de permutação de calor é adequado para uma operação autônoma; em especial no caso em que ele não está conectado ao outro dos módulos de permutação de calor. Expresso em outros termos o permutador de calor da invenção é composto por, pelo menos, dois módulos de permutação de calor que são basicamente operacionáveis de forma independente um do outro em um estado de funcionamento dos módulos de permutação de calor, por exemplo, quando uma fonte de calor está alimentando uma carga térmica ao fluido de trabalho e onde a referida carga térmica é liberada em uma seção de condensação depois que o tal fluido de trabalho, que é vaporizado na seção de evaporação, é liquefeito na seção de condensação e alimentado de volta para a seção de evaporação, onde o ciclo começa novamente.

[0014] Modalidades exemplares do presente permutador de calor são compostas pelos primeiro e segundo módulos de permutação de calor, que são ambos adequados para serem operados de forma independente. Modalidades básicas usam, pelo menos, módulos de permutação de calor substancialmente idênticos aos primeiro e segundo módulos de permutação de calor. Em uma modalidade básica exemplar, o segundo módulo permutador de calor compreende recursos aqui descritos para o primeiro módulo permutador de calor. Especificamente, ambos os módulos de permutação de calor compreendem recursos aqui descritos como típicos de um módulo permutador. Desse modo, os custos podem ser reduzidos com a utilização de itens padrão. Módulos de permutação de calor, sendo apropriados para uma operação autônoma, também podem ser vendidos como únicos permutadores de calor para resfriamento de situações onde é necessário menos refrigeração. Por este motivo, com apenas algumas peças uma gama ampla de aplicação pode ser coberta.

[0015] Os permutadores de calor e conversores de tração aqui descritos podem ser empregados para refrigerar componentes de circuito elétrico, em particular, para o resfriamento de sistemas de monitoramento de corrente alternada de baixa tensão, especialmente de veículos energizados eletricamente, como trens ou automóveis. Os módulos de permutação de calor podem ser usados como uma configuração de ciclo de termossifão, através da separação dos fluxos ascendentes e descendentes de fluidos em canais separados de uma canalização multiporta. Diferentes números e tamanhos de canais podem ser usados para os fluxos de ascendência e descendência com o objetivo de otimizar o desempenho de ebulição e condensação nos módulos de permutação de calor.

[0016] As características descritas em conexão com o primeiro módulo permutador de calor se aplicam, por similaridade, ao segundo módulo permutador de calor. De qualquer maneira, o número de canais ascendentes ou descendentes ou as dimensões dos módulos de permutação de calor podem ser diferentes. Em modalidades básicas, são utilizados módulos de permutação de calor com dimensões idênticas. Desse modo, um acoplamento mecânico dos módulos é facilitado.

[0017] Em uma modalidade exemplar o elemento de transferência de calor do evaporador é composto por um elemento de fixação, tendo uma superfície de montagem para montar o gerador de calor, e uma superfície de contato para o estabelecimento de um contato térmico em uma parte da parede exterior da canalização associada com o canal evaporador. Aqui, o termo "elemento de transferência de calor do evaporador" é usado para o primeiro elemento de transferência de calor do evaporador, o segundo elemento de transferência de calor do evaporador, ambos ou todos os elementos de transferência de calor do evaporador.

[0018] O primeiro canal evaporador e o primeiro canal condensador estão alinhados em paralelo na primeira canalização, em modalidades típicas. Ao alinhar os canais em paralelo, um módulo permutador compacto é conseguido. As modalidades aqui descritas podem fornecer um canal evaporador, tendo uma área total transversal maior do que aquela do canal condensador correspondente. Se a canalização é uma canalização de várias portas, por exemplo, um perfil de alumínio extrudado, tendo uma pluralidade de subcanais longitudinais que são separados entre si por uma parede interior de cada canalização, tais canalizações também são conhecidas como perfis MPE, então mais subcanais podem ser utilizados para formar o evaporador do que aqueles que são usados para formar o condensador. De qualquer maneira, em geral há mais subcanais condensadores do que subcanais evaporadores alocados em um perfil de várias portas, por exemplo. Desse modo, o permutador de calor pode ser adaptado às diferentes condições térmicas.

[0019] Se uma eficiente transferência de calor deve ser alcançada para liberar uma carga térmica do fluido de trabalho que foi recebido na parte do evaporador, então, é vantajoso se o primeiro e/ou o segundo elemento de transferência de calor de condensador compreenda as aletas de resfriamento fornecidas em uma parte da parede exterior da canalização para aumentar a superfície externa global do condensador. Estas aletas de refrigeração estão presentes somente em uma parte da parede exterior da canalização associada com o canal condensador, tal que uma eficiente transferência de calor proveniente do fluido de trabalho para o ambiente é alcançável. Ter aletas sobre a parede exterior da canalização associada com o canal evaporador é considerado desvantajoso, pois pode promover a condensação do líquido de trabalho já no seu caminho ascendente até o coletor de distribuição superior, levando a um desempenho térmico com qualidade inferior. Desta forma, a parte de canal evaporador na área da parte do condensador do permutador de calor é empregada apenas como um exaustor de vapor para guiar o vapor da parte do evaporador para o coletor de distribuição superior - idealmente sem causar a condensação de vapor.

[0020] Nas seguintes descrições e concretizações, os termos "primeiro canal evaporador", "primeiro canal condensador", "segundo canal evaporador" e "segundo canal condensador" podem incluir mais de um canal, respectivamente, onde o desempenho de refrigeração requeira isso. Em modalidades básicas, as características do primeiro módulo permutador de calor estão presentes da mesma forma que na do segundo módulo permutador de calor. Uma modalidade exemplar do permutador de calor é composta por uma primeira canalização que compreende uma pluralidade de primeiros canais evaporadores e uma pluralidade de primeiros canais condensadores. Ainda uma outra modalidade exemplar do permutador de calor é composto por uma outra canalização, por exemplo, uma segunda canalização que compreende uma pluralidade de segundos canais evaporadores e uma pluralidade de segundos canais condensadores, também.

[0021] Em modalidades exemplares, as respectivas canalizações e canais do segundo módulo permutador de calor são dispostas de maneira similar às canalizações e canais do primeiro módulo permutador de calor. Em uma modalidade exemplar, cada um dos módulos de permutação de calor é composto por uma pluralidade de canalizações. As canalizações dos módulos de permutação de calor são dispostas em linhas paralelas em modalidades exemplares. Em um arranjo do tipo traseira-a-traseira dos módulos de permutação de calor, as canalizações dos respectivos módulos de permutação de calor são dispostas em espelho invertido com os respectivos canais condensadores e do evaporador. Em uma modalidade exemplar, o segundo canal condensador é disposto em frente ao primeiro canal evaporador em relação ao primeiro canal condensador quando visto em um plano virtual em que o primeiro canal condensador e o segundo canal condensador e o primeiro canal evaporador são projetados.

[0022] Modalidades são compostas por arranjos com o primeiro canal condensador e o segundo canal condensador sendo dispostos entre o primeiro canal evaporador e o segundo canal evaporador. Com estas organizações, permutadores de calor compactos são fornecidos.

[0023] Com a organização do primeiro módulo permutador de calor e do segundo módulo permutador de calor em paralelo em uma posição, pelo menos substancialmente vertical, uma boa eficiência térmica pode ser conseguida. Neste contexto, "substancialmente" denota posições clássicas com uma declinação máxima de 10° ou 5° em relação à vertical. A organização em paralelo ajuda a conseguir uma construção compacta. Em uma modalidade básica, os módulos de permutação de calor estão dispostos tais que as respectivas canalizações dos módulos de permutação de calor estejam alinhadas em paralelo. Em modalidadess exemplares, os módulos de permutação de calor são dispostos à maneira de traseira-a-traseira. Ao fazer desta forma, pode se estabelecer um contato térmico entre os módulos de permutação de calor. De preferência, a "traseira" de um módulo permutador denota o lado oposto ao lado onde o elemento de transferência de calor do evaporador do módulo permutador é disposto. Em uma modalidade exemplar o elemento de transferência de calor do evaporador é disposto entre a canalização e a fonte de calor para que haja a transferência de calor da fonte de calor para a canalização. A fonte de calor de um módulo de potência pode ser formada por componentes de um circuito elétrico, por exemplo, elementos de semicondutores como IGBTs, tiristores, resistores de potência ou outros componentes elétricos que produzem calor durante a sua operação.

[0024] Modalidades exemplares são compostas por um elemento de montagem com uma placa de base, contendo uma superfície de montagem planar para montar o gerador de calor. Em oposição à superfície de montagem planar, uma superfície de contato pode ser fornecida na placa de base, a superfície de contato, tendo pelo menos um sulco combinando o tamanho e a forma de uma parte da parede exterior da canalização para que seja termicamente e mecanicamente acoplada a ela. Desta maneira, o módulo de permutação é projetado para descarregar, de forma eficiente, o calor gerado pelos componentes montados na placa plana, por exemplo, para o ar ambiente enquanto também permite a separação dos volumes de ar de dentro e de fora do compartimento do sistema. As paredes laterais planares exteriores do tubo liso, de preferência, podem ser orientadas perpendicularmente à superfície planar de montagem da placa de base. Em modalidades, o elemento de montagem é composto por, pelo menos, um furo de montagem ou por, pelo menos, um encaixe de montagem sobre a superfície de montagem. Em modalidades, a canalização é um perfil liso multiporta compreendendo vários subcanais que são fluidamente separados de um subcanal vizinho por uma parede interna da canalização, cada uma das quais, na canalização tendo paredes laterais exteriores planares. Um tal canal fornece um coeficiente elevado de transferência de calor para o ar com uma pequena queda de pressão no fluxo de ar e em um tamanho compacto.

[0025] Em uma modalidade exemplar, um primeiro coletor de distribuição superior está conectado a uma extremidade superior da primeira canalização e um segundo coletor de distribuição superior está conectado a uma segunda extremidade superior da segunda canalização, o primeiro coletor de distribuição superior e o segundo coletor de distribuição superior sendo conectados por uma conexão de fluidos superior. As modalidades aqui descritas são compostas por um primeiro coletor de distribuição inferior sendo conectado a uma primeira extremidade inferior da canalização e um segundo coletor de distribuição inferior sendo conectado a uma segunda extremidade inferior da canalização, o primeiro coletor de distribuição inferior e o segundo coletor de distribuição inferior sendo conectados por uma conexão de fluidos inferior. O termo "uma conexão de fluidos" deve ser interpretado como abrangendo mais de uma conexão de fluido. Desta forma, o elemento de conexão de fluidos superior e o elemento de conexão de fluidos inferior são englobados pela expressão "um elemento de conexão de fluidos".

[0026] Em modalidades, os coletores de distribuição conectam os canais evaporadores com os canais condensadores, fechando o circuito do fluido de trabalho. Os termos "superiores" e "inferiores" referem-se à direção dos canais nas canalizações, por exemplo, a direção ascendente é a direção do fluido de trabalho em evaporação, e a direção descendente é a direção do fluido de trabalho em condensação.

[0027] Através do acoplamento dos coletores de distribuição de, pelo menos, dois permutadores de calor de termossifão que podem ser operados de forma independente um do outro, quando ainda não acoplado, uma troca de calor entre os módulos de permutação de calor é estabelecida. A motivação para a presente invenção surgiu de um permutador de calor de termossifão cujas partes do condensador foram dispostas em uma maneira empilhada umas às outras, tal que um condutor térmico, por exemplo, o ar, poderia passar primeiro pela parte do condensador do primeiro módulo permutador de calor e o condensador para o segundo permutador de calor posteriormente. Devido a essa passagem sequencial do primeiro módulo permutador de calor e do segundo módulo permutador de calor o condutor térmico já recebeu uma primeira carga térmica do primeiro módulo permutador de calor antes que ele passe pelo segundo módulo permutador de calor. Expresso em outras palavras, em uma modalidade onde o condutor térmico é o ar, a temperatura do ar depois de passar pelo segundo permutador de calor foi maior do que depois de passar pelo primeiro módulo permutador de calor, porque ele tinha sido preaquecido pelo primeiro módulo permutador de calor. A situação térmica de um conjunto empilhado de módulos de permutação de calor é tal que o módulo permutador de calor sendo disposto em direção descendente à do condutor térmico tem uma temperatura mais elevada de saturação do fluido de trabalho ou refrigerante em comparação com o módulo de permutação de calor que está sendo disposto em direção ascendente à do condutor térmico. O que resulta em uma temperatura de módulo do módulo permutador de calor em direção descendente sendo maior do que o módulo permutador de calor em direção ascendente.

[0028] Ao se conectar de forma fluida os módulos de permutação de calor, a pressão de saturação e, portanto, o módulo de temperatura é o mesmo em ambos os módulos de permutação de calor em um estado de funcionamento. Desta forma, um aumento de temperatura do condutor térmico que atravessa as regiões de condensador dos dois módulos de permutação de calor é distribuído igualmente entre os dois módulos de permutação de calor. Como resultado, o novo permutador de calor permite um resfriamento termicamente eficiente, mesmo diferentes componentes eletrônicos e/ou elétricos são termicamente conectados aos diferentes módulos de permutação de calor.

[0029] Assim, em uma incorporação ideal, os módulos de permutação de calor estão dispostos tais que uma linha de várias canalizações do módulo permutador está alinhada de maneira perpendicular com relação ao fluxo de ar. Desse modo, cada uma das canalizações na linha é submetida a, pelo menos, quase as mesmas condições térmicas. Em um arranjo do tipo traseira-a-traseira de dois módulos de permutação de calor, a linha das segundas canalizações do segundo módulo de permutação de calor está na direção do fluxo de ar, localizado atrás da linha das primeiras canalizações do primeiro módulo de permutação de calor. Embora as segundas canalizações do segundo módulo permutador de calor estejam sujeitas ao condutor térmico preaquecido (por exemplo, ar), todas as segundas canalizações do segundo módulo permutador de calor têm condições térmicas semelhantes. Através do estabelecimento de uma conexão fluida do fluido de trabalho entre os módulos de permutação de calor através do elemento de conexão fluida, as diferenças térmicas entre os módulos de permutação de calor podem ser equilibradas.

[0030] Um efeito colateral positivo reside em que o referido acoplamento fluido permite a compensação das cargas de calor, de diferentes tamanhos, nos primeiro e segundo módulos de permutação de calor em um estado de operação do inventivo módulo de potência e permutador de calor de termossifão. Se mais fluido de trabalho em estado líquido é exigido em um evaporador de um módulo de permutação de calor, isto pode ser provido pelo outro módulo de permutação de calor e vice-versa. Se a fonte de calor do primeiro módulo permutador de calor produz mais vapor do que a fonte de calor que é acoplada de forma térmica ao segundo módulo permutador de calor, o fluido de trabalho pode passar do primeiro módulo permutador de calor para o segundo módulo permutador de calor (em um coletor de distribuição superior) e o fluido de refrigeração pode ser transferido do segundo módulo permutador de calor para o primeiro módulo permutador de calor (em um coletor de distribuição inferior). O permutador de calor, portanto, funciona de forma mais eficiente com os coletores de distribuição em conexão de fluidos.

[0031] Em modalidades exemplares, um elemento de conexão de fluidos é conseguido com, pelo menos, um orifício formado nos respectivos coletores de distribuição. As modalidades incluem um conector de coletores para ligar os coletores de distribuição. O conector de coletores pode ter uma forma -1 contendo orifícios em si para a troca do fluido de trabalho entre os coletores de distribuição. Desse modo, consegue-se um arranjo mecanicamente estável.

[0032] Em modalidades exemplares, o elemento de conexão de fluidos é composto por um tubo de conexão superior para ligar os coletores de distribuição superiores ou um tubo de conexão inferior para ligar os coletores de distribuição inferiores. Com os tubos de conexão, o elemento de conexão de fluidos dos dois módulos de permutação de calor é fácil de estabelecer.

[0033] Em uma modalidade exemplar do permutador de calor, os elementos de fixação são feitos de alumínio ou cobre. Além disso, é preferível que as canalizações sejam feitas de alumínio. Em particular, é preferível que se use alumínio soldado, por exemplo, comum na indústria automotiva, para reduzir o custo de fabricação, possibilitar um tamanho pequeno e um bom desempenho térmico-hidráulico. As modalidades são apropriadas para a fabricação automatizada com máquinas de montagem de núcleo de permutador de calor, comumente usadas na indústria de refrigeração automotiva. Tal reutilização de equipamentos de produção de série disponíveis reduz os custos.

[0034] Em modalidades o permutador de calor é composto por um elemento de separação para separar um primeiro ambiente de um segundo ambiente, segundo o qual a temperatura do primeiro ambiente é superior à temperatura do segundo ambiente. Classicamente, o primeiro ambiente é uma, assim chamada, sala limpa, que contém a fonte de calor, por exemplo, componentes eletrônicos ou dispositivos elétricos, e o segundo ambiente é uma, assim chamada, sala sujo. Na sala suja, os primeiro e segundo elementos de transferência de calor do condensador são dispostos para realizar a transferência de calor do fluido de trabalho na canalização para um fluido de ambiente na sala suja. O fluido de ambiente pode ser ar ou água.

[0035] Em uma modalidade exemplar, o elemento de separação é composto por uma placa de vedação, em que a placa de vedação é acoplada ao primeiro módulo permutador de calor e ao segundo módulo permutador de calor por uma vedação. A placa de vedação com a vedação geralmente fornece uma Proteção de Ingresso de IP64 ou mais (como IP65 ou IP67), ou seja, a sala suja das modalidades pode até ser inundada com água sem afetar os componentes na sala limpa. Desse modo, um sistema conversor altamente confiável é fornecido. Em modalidades, uma vedação externa é fornecida na circunferência da placa de vedação. Desse modo, a sala limpa pode ser vedada completamente em relação à sala suja. Em modalidades exemplares, ainda uma outra placa de vedação é disposta em cima dos permutadores de calor. Esta outra placa de vedação pode ser disposta diretamente abaixo dos coletores de distribuição, ao redor dos coletores de distribuição ou diretamente acima dos coletores de distribuição. As placas de vedação são, por exemplo, em forma de U, com o objetivo de fornecer uma adequada superfície para a vedação. As placas de vedação são montadas nos permutadores de calor em modalidades exemplares por fornecerem uma parte compacta que pode ser facilmente substituída. [0036] Modalidades exemplares da invenção referem-se a um permutador de calor, tendo uma altura de menos de 700 mm, inferior a 600 mm ou menos de 500 mm. Tais dimensões permitem que se monte o inventivo permutador de calor sobre o telhado de um trem ou de uma linha de bonde ou de um transportador de pessoas ou até mesmo por baixo da estrutura do piso do referido veículo, por exemplo, em um, assim chamado, conversor de energia de subpiso. Em geral, a altura é

[0036] Modalidades exemplares da invenção referem-se a um permutador de calor, tendo uma altura de menos de 700 mm, inferior a 600 mm ou menos de 500 mm. Tais dimensões permitem que se monte o inventivo permutador de calor sobre o telhado de um trem ou de uma linha de bonde ou de um transportador de pessoas ou até mesmo por baixo da estrutura do piso do referido veículo, por exemplo, em um, assim chamado, conversor de energia de subpiso. Em geral, a altura é medida no sentido das canalizações ou dos respectivos canais. Uma modalidade exemplar de um permutador de calor de acordo com a presente invenção compreende uma parte de duto. A referida parte de duto pode formar uma parte de um duto para canalizar e orientar o condutor térmico através da parte do condensador dos primeiro e segundo módulos de permutação de calor em que, em ainda outras partes de duto que são vizinhas à parte de duto do módulo de potência ou permutador de calor de termossifão são fornecidas em e pertencem a uma entidade superior, por exemplo, uma estrutura geral de um conversor de tração. Dependendo das exigências e requisitos do módulo de potência a referida parte de duto pode ser uma estrutura em forma de túnel que delimita o fluxo de um condutor térmico lateralmente em todas as direções em um estado de operação do módulo de potência.

[0037] Como alternativa, a parte de duto do módulo de potência pode incluir apenas um ou vários elementos de separação, por exemplo, uma parede de duto superior e uma parede de duto inferior, em que a estrutura geral fornece os elementos estruturais restantes. Em uma tal modalidade o duto em forma de túnel próximo à parte de condensador dos primeiro e segundo módulos de permutação de calor pode estar presente somente se o módulo de potência é montado na sua posição dedicada dentro da estrutura global. Em uma tal modalidade exemplar um primeiro elemento de separação é disposto acima dos primeiro e segundo elementos de transferência de calor do evaporador e um segundo elemento de separação é disposto abaixo dos primeiro e segundo elementos de transferência de calor do condensador.

[0038] Testes têm provado que modalidades satisfatórias de permutadores de calor são realizáveis se a seção de evaporação com os elementos de transferência de calor é projetada para ser cerca de duas vezes mais longa que a seção de condensação da primeira e/ou uma canalização quando vista no sentido longitudinal da referida canalização definida pela sua forma. Portanto, a altura da parte de duto irá corresponder ao tamanho da seção de condensador, tanto quanto possível. Desde que a dimensão do evaporador seja normalmente dada pelos componentes a serem resfriados, um permutador de calor compacto e um conversor de tração compacto é alcançável dessa forma.

[0039] Em uma modalidade exemplar, os componentes do permutador de calor são produzidos através da sua união em um processo de brasagem de forno One-Shot. Além disso, os componentes do permutador de calor podem ser cobertos com uma liga de brasagem, por exemplo, uma liga de brasagem de AISi, antes do processo de brasagem. Em modalidades, um material de fluxo é aplicado aos componentes do permutador de calor antes do processo de brasagem e o processo de brasagem é conduzido em atmosfera não oxidante.

[0040] Em uma modalidade da invenção, todos os componentes que não sejam o elemento de fixação podem ser unidos em um processo de brasagem de forno one-shot e o elemento de fixação é pressionado sobre as paredes exteriores das canalizações com uma lacuna termicamente condutiva sendo preenchida por um material em seu interior.

[0041] Um outro aspecto refere-se a um conversor de tração com um permutador de calor em uma das modalidades descritas. Um tal conversor de tração pode ser compacto, confiável e eficiente. Mais comumente, o conversor de tração é composto por uma sala suja e uma sala limpa. A sala suja e a sala limpa são geralmente divididas pela placa de vedação ou pelo elemento de separação. Na sala suja, principalmente um ventilador é disposto para soprar um fluxo de ar através dos módulos de permutação de calor. Na entrada de ar da sala suja, tipicamente um filtro de partículas é fornecido dificultando partículas maiores de entrar na sala suja. O permutador de calor é disposto entre o filtro de partículas e o ventilador, em que dois módulos de permutação de calor podem ser dispostos um atrás do outro no fluxo de ar produzido pelo ventilador durante o funcionamento.

[0042] Modalidades do conversor de tração são compostas por um recesso com uma abertura em um lado, em que o permutador de calor é montável no recesso através da abertura. Os módulos de permutação de calor normalmente são dispostos à maneira de traseira-a-traseira e em paralelo à direção de curso do veículo no qual o conversor de tração é usado. O permutador de calor pode ser montado de um lado do veículo. Desse modo, uma substituição rápida e fácil do conversor de tração é possível. Outras modalidades usam outros alinhamentos para o permutador de calor, por exemplo, perpendicular à direção de curso.

[0043] O uso de um permutador de calor de acordo com uma das modalidades descritas em um conversor de tração é um outro aspecto da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0044] Modalidades exemplares são retratadas nos desenhos em estão detalhadas na descrição que segue. Nos desenhos:

[0045] Afigura 1 ilustra uma primeira modalidade de um permutador de calor em uma vista esquemática da seção transversal;

[0046] a figura 2 mostra um detalhe da modalidade mostrada na figura 1 em uma vista esquemática;

[0047] a figura 3 mostra uma outra modalidade de um permutador de calor em uma vista esquemática da seção transversal;

[0048] a figura 4 é uma modalidade de um conversor de tração em uma vista esquemática da seção transversal;

[0049] a figura 5 mostra um módulo de permutação de calor exemplar para as modalidades da figura 1 ou 3;

[0050] a figura 6 mostra detalhes do módulo permutador de calor da figura 5 em uma vista esquemática de parte da seção transversal; e

[0051] a figura 7 é uma vista esquemática de seção transversal de uma outra modalidade de um permutador de calor.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES EXEMPLARES

[0052] Nas figuras, os mesmos números de referência denotam peças iguais ou similares.

[0053] Afigura 1 ilustra uma primeira modalidade de um permutador de calor 1 em uma vista esquemática da seção transversal. O permutador de calor é composto por dois módulos de permutação de calor idênticos, denominados o primeiro módulo permutador de calor 10 e o segundo módulo permutador de calor 210, dispostos à maneira de traseira-a-traseira. O primeiro módulo permutador de calor é composto por uma primeira linha de canalizações 11 e o segundo módulo permutador de calor é composto por uma segunda linha de canalizações 211. A direção de cada linha é perpendicular ao plano da projeção da figura 1. As canalizações 11, 211 dos módulos de permutação de calor 10, 210 da modalidade exemplar mostrada na figura 1 são mecanicamente acopladas, por exemplo, soldadas ou acopladas por flanges, com parafusos. Nas canalizações 11,211 um fluido de trabalho pode ser evaporado e condensado. A evaporação ocorre durante a operação devido ao calor, sendo transferido para as canalizações 11, 211 a partir das fontes de calor 20.

[0054] Para a transferência de calor das fontes de calor 20 para as canalizações 11,211 os primeiro e segundo elementos de transferência de calor do evaporador 28, 228 são dispostos em uma parte inferior das canalizações 11, 211. As partes inferiores das canalizações 11, 211 podem ser denominadas como as partes de evaporação. Em uma parte superior das canalizações 11, 211, servindo como uma região de condensação, os primeiro e segundo elementos de transferência de calor de condensador 29, 229 são dispostos para realizar a transferência de calor da parte de condensador das canalizações 11, 211 para o ambiente, por exemplo, um condutor térmico 44 como um fluxo de ar de arrefecimento. Os primeiro e segundo elementos de transferência de calor do condensador 29, 229 são formados através de barbatanas de resfriamento 29, 229 que são dispostas entre as canalizações vizinhas 11, 211 dos módulos de permutação de calor 10, 210 quando vistos na direção Z. Os elementos de transferência de calor 29, 229 podem ser formados de uma tira de metal em forma de zigue-zague que é termicamente conectada às canalizações 11, 211. Os elementos de transferência de calor 29, 229 não devem se estender sobre os tirantes de vapor, por exemplo, os canais evaporadores acima dos elementos de transferência de calor 28, 228. O primeiro módulo permutador de calor 10 é composto por um primeiro canal evaporador 120 e por um primeiro canal condensador 130, onde o primeiro canal evaporador 120 e o primeiro canal condensador 130 são dispostos nas primeiras canalizações 11. Há mais de uma canalização 11 e mais canais 120, 130. De qualquer maneira, na vista de seção transversal da figura 1, apenas uma canalização é exibida à medida que a figura 1 é uma vista seccional simplificada através do permutador de calor 1 e do módulo de potência 100 em um plano virtual (seccional). O primeiro canal evaporador 120 e o primeiro canal condensador 130 formam uma parte vital do primeiro ciclo do fluido de trabalho. Da mesma forma, o segundo módulo de permutação de calor 210 é composto por um segundo canal evaporador 320 e por um segundo canal condensador 330, em que o segundo canal evaporador 320 e o segundo canal condensador 330 são dispostos na segunda canalização 211. O segundo canal evaporador 120 e o segundo canal condensador 130 formam uma parte vital do segundo ciclo do fluido de trabalho.

[0055] A figura 1 é uma vista simplificada de seção transversal através do permutador de calor 1 de um módulo de potência 100 em um plano virtual. Embora o primeiro canal condensador 130 e o segundo canal condensador 330 e o primeiro canal evaporador 120 e o segundo canal condensador 320 sejam visíveis na vista do plano virtual mostrado na figura 1, estes canais evaporadores 120, 320 e estes canais condensadores 130, 330 podem ser deslocados uns dos outros na direção Z, dependendo da modalidade e das circunstâncias. Consequentemente a figura 1 representa uma vista de corte transversal através do permutador de calor 1 de um módulo de potência 100 em um plano virtual, para o qual o primeiro canal condensador 130, o segundo canal condensador 330, o primeiro canal evaporador 120 e o segundo canal evaporador 320 são projetadas no sentido de Z.

[0056] Modalidades, tendo um arranjo à maneira de traseira-a-traseira dos módulos de permutação de calor fornecem uma boa transferência de calor para ambos os módulos de permutação de calor devido a um equilíbrio térmico entre os módulos. Um acoplamento térmico do primeiro módulo permutador de calor com o segundo módulo permutador de calor para promover uma transferência de calor entre os módulos de permutação de calor é possível de muitas maneiras, por exemplo, pela junção de forma mecânica dos coletores de distribuição um ao outro por meio, por exemplo, de soldagem ou aparafusamento, ou pelo estabelecimento de uma conexão de fluidos direta através de um elemento de conexão de fluidos para o fluido de trabalho, ou por uma combinação de acoplamento mecânico e hidráulico. No caso de um dos módulos de permutação de calor ser resfriado de maneira menos intensa do que o outro ou da fonte de calor de um dos módulos de permutação de calor produzir mais calor do que a do outro, as modalidades permitem uma transferência de calor entre os módulos de permutação de calor tal que ambos os módulos de permutação de calor podem operar com condições eficientes. Por convenção, cada um dos módulos de permutação de calor também pode ser usado como um permutador de calor autônomo.

[0057] O permutador de calor 1 da figura 1 é composto por um primeiro coletor de distribuição superior 30, um segundo coletor de distribuição superior 230, um primeiro coletor de distribuição inferior 33 e um segundo coletor de distribuição inferior 233. Os coletores de distribuição 30, 33, 230, 233 são montados nas respectivas extremidades das canalizações 11,211 dos módulos de permutação de calor 10, 210. Cada um dos coletores de distribuição 30, 33, 230, 233 está em conexão de fluidos com as canalizações 11, 211, com seus canais evaporadores e condensador 120, 130, 320, 330. Desse modo, um primeiro ciclo e um segundo ciclo para o fluido de trabalho são estabelecidos. Os coletores de distribuição superiores 30, 230 são conectados para uma transferência de fluidos entre o primeiro módulo permutador de calor 10 e o segundo módulo permutador de calor 210 na extremidade superior dos canais 120, 130, 320, 330 das respectivas canalizações 11,211. Os coletores de distribuição inferiores 33,233 são conectados para uma transferência de fluidos entre o primeiro módulo permutador de calor 10 e o segundo módulo permutador de calor 210 na extremidade inferior dos canais 120, 130, 320, 330 das respectivas canalizações 11, 211. Por esta maneira, diferentes condições térmicas podem ser equilibradas. Entre os coletores de distribuição superiores 30, 230, é disposto um conector de coletores 40 com orifícios de conexão 42. Um outro conector de coletores idêntico 40 com orifícios de conexão 42 é disposto entre os coletores de distribuição inferiores 33, 233. Os conectores de coletores 40 permitem uma transferência de fluidos entre os respectivos coletores de distribuição 30, 33, 230, 233.

[0058] A figura 2 mostra, em uma vista esquemática, um detalhe da modalidade da figura 1. Algumas partes do permutador de calor 1 da figura 2 são as mesmas partes como utilizadas com o permutador de calor da figura 1. Por este motivo, nem todas elas são descritas novamente em detalhes. A figura 2 mostra o conector de coletores 40 com os orifícios de conexão 42. Os orifícios de conexão 42 se correspondem com aberturas nas paredes exteriores dos coletores de distribuição, 30, 33, 230, 233 (figura 1). Com este arranjo, uma conexão de fluidos superior entre os coletores de distribuição 30, 33 e uma conexão de fluidos inferior entre os coletores de distribuição 30, 33, 230, 233 são estabelecidas.

[0059] A figura 3 mostra uma outra modalidade de um permutador de calor em uma vista esquemática da seção transversal. É feita referência à descrição da modalidade mostrada na figura 1, uma vez que algumas partes da modalidade na figura 3 correspondem às respectivas partes mostradas na figura 1. Por razões de clareza, a figura 3 não mostra os canais das canalizações. A modalidade na figura 3, no entanto, compreende os canais evaporadores e de condensador.

[0060] A modalidade mostrada na figura 3 é composta por uma parte longitudinal de um duto de ar 48, onde as paredes laterais que se estendem horizontalmente que delimitam o duto de ar 48 são referidas como o duto superior 50 e como o duto inferior 52 de aqui adiante. A parede do duto inferior 52 separa um primeiro ambiente (fora do duto 48, por exemplo, no interior de uma estrutura geral) de um segundo ambiente 62 (dentro do duto 48). As paredes laterais que se estendem na vertical do duto 48 são indicadas no estilo de linha invisível na seção extraível (draw-out) da parte de flange 58 mostrado à esquerda da figura 3 principal, em que a exibição parcial extraída do lado esquerdo da figura 3 é uma vista parcial do módulo de potência 100 quando visto da direita da figura 3 principal, por exemplo. Ao mesmo tempo a referida parte de flange 58 compreende um selo 64, por exemplo, um anel de vedação infinita O-ring incorporado em um entalhe adequado, e um meio de conexão adequado 59, por exemplo, orifícios de parafuso, para a junção por meio mecânico da parte longitudinal de um duto de ar 48 a uma estrutura vizinha, por exemplo, a uma estrutura geral de um conversor de energia, bem como para a vedação fluida dos dois ambientes um do outro.

[0061] Quando visto na vista de seção parcial da figura 3 a parede do duto inferior 52 é disposta logo acima da parte do evaporador, ou seja, acima dos primeiro e segundo elementos de transferência de calor do evaporador 28, 228 e abaixo dos primeiro e segundo elementos de transferência de calor do condensador 29, 229. Desse modo, a parede do duto inferior 52 separa um ambiente quente (primeiro ambiente) nas proximidades dos primeiro e segundo elementos de transferência de calor do evaporador 28, 228 de um ambiente frio (segundo ambiente) nas imediações dos primeiro e segundo elementos de transferência de calor do condensador 29, 229. Os termos "quente" e "frio" referem-se aos valores relativos, ou seja, o ambiente quente é geralmente mais quente que o ambiente frio.

[0062] Ambas as paredes dos dutos 50, 52 podem ter um molde em forma de U, se as suas extremidades laterais devam fazer parte do flange 58.

[0063] Na figura 4, um conversor de tração de acordo com uma modalidade exemplar é mostrado em uma vista esquemática da seção transversal. O conversor de tração da figura 4 compreende o permutador de calor 1 da figura 3. Por esta razão, o permutador de calor 1 da figura 3 não é descrito em detalhes mais uma vez.

[0064] O conversor de tração é composto por uma sala limpa 60 e uma sala suja 62. Na sala limpa 60 o primeiro ambiente 'quente' é apresentado. As fontes de calor 20 são dispostas na sala limpa 60. Através da organização das fontes de calor 20 na sala limpa 60, os IGBTs, resistores de potência ou outras partes elétricas e eletrônicas das fontes de calor 20 são protegidos contra sujeira e umidade na sala suja 62, onde se encontra o segundo ambiente 'frio'. As paredes de duto que se estendem horizontal mente 50, 52 são vedadas pelo selo comum 64. Além disso, o duto 48 está diretamente conectado às canalizações 11 dos módulos de permutação de calor 10 em sua região de condensação. Desse modo, um IP de 65 é alcançado, ou seja, a sala suja 62 pode até mesmo ser inundada com água sem afetar os componentes eletrônicos na sala limpa 60.

[0065] Outras modalidades desenvolvidas podem incluir selos adicionais que são fornecidos entre as paredes do duto, em particular entre a parede inferior do duto 52 e a parede superior do duto 50 e as canalizações 11, 211 dos módulos de permutação de calor. Outras modalidades podem incluir uma conexão direta das placas de vedação com as canalizações, por exemplo, uma conexão soldada ou uma conexão colada, onde for necessário.

[0066] Semelhante à modalidade do módulo de potência, mostrado e discutido com referência à figura 3, o conversor de tração mostrado na figura 4 compreende uma estrutura geral 66 em um estilo de tipo de caixa através do qual um duto de ar 68 é liderado. Nesta modalidade exemplar do conversor de tração mostrado em uma maneira de seção transversal parcial, simplificada, a estrutura geral de tipo de caixa 66 é delimitada verticalmente por uma tampa superior 76 e uma tampa inferior 70. A parte de duto 48 do módulo de potência 100 forma uma parte do duto de ar 68 da estrutura geral 66 onde ainda uma outra parede de duto inferior 72 e ainda outra parede de duto superior 74 formam a extensão horizontal das paredes de duto 50, 52, na figura 4. A tampa 84 forma uma porta frontal ou um painel frontal da estrutura geral 66. Semelhante ao flange 58 da parte do duto 48 a estrutura geral 66 forma uma outra área de vedação juntamente com a referida tampa 84 com o objetivo de vedar o interior do conversor de tração com sua eletrônica de potência contra qualquer ambiente rude fora o conversor, por exemplo, o ar úmido. Esta proteção de entrada é alcançada em que a estrutura geral constitui um outro flange 71. Ambas a tampa superior 76 e a tampa inferior 70 têm um molde em forma de U, se suas extremidades laterais devam fazer parte do flange 58. Ao mesmo tempo a ainda referida parte de flange 71 compreende também um outro selo 64, por exemplo, um anel de vedação infinita O-ring incorporado em um entalhe adequado.

[0067] Na presente modalidade o módulo de potência 100 com o permutador de calor 1 é inserível em e extraível para fora da estrutura geral 66 do conversor de tração em uma maneira semelhante a uma gaveta. Um meio orientador 75 é fornecido para facilitar a operação de inserção e extração. Dependendo do espaço disponível, bem como, da massa geral do módulo de potência, por exemplo, o referido meio de orientação pode ser formado por um sistema de controles deslizantes correndo dentro de um perfil de metal. Um tal meio orientador 75 poderia simplificar a inserção e a extração do módulo de potência 100 para dentro e para fora do conversor de potência, em particular, se os primeiro e segundo módulos de permutação de calor estão dispostos um ao outro em uma questão à maneira de traseira-a-traseira, onde a eletrônica de potência tais como os IGBTs estejam termicamente e mecanicamente conectadas aos elementos de transferência de calor. Dependendo da modalidade, o módulo de potência pode incluir ainda uma parte de barramento, por exemplo, um barramento de baixa indutância ou coisa parecida.

[0068] Agora enfocando o resfriamento do permutador de calor 1, o referido permutador de calor 1 é colocado verticalmente entre a tampa inferior 70 e a tampa superior 76 formando um recesso com uma abertura para um lado. Na figura 4, o recesso é aberto para a direita, em que em outras modalidades compõem um arranjo em espelho invertido, com uma abertura para a esquerda. Desse modo, o permutador de calor 1 pode ser facilmente substituído em caso de avaria ou manutenção sempre que necessário. O volume interior do conversor de tração é acessível e pode ser fechado pela tampa 84. A tampa 84 está conectada às paredes do duto, onde a parede do duto superior 50 e a parede do duto inferior 52 são exibidas na figura 4. A tampa 84 é perfurada para formar uma entrada de ar para resfriar o ar do lado de fora, formando o condutor térmico que é empregado para receber e retirar a carga térmica. Como a tampa 84 está formando uma face da extremidade do duto de ar 68 atuando como a sala mais suja 62 do que a sala de limpeza 60, um filtro de partículas 86 é montado na tampa 84 para permitir a entrada de ar na sala suja 62 do duto. Um ventilador 88 é disposto na sala suja 62 para o estabelecimento de um fluxo de ar contínuo através das partes de condensação (por exemplo, as partes das canalizações 11 onde os elementos de transferência de calor do condensador 29 são dispostos) dos módulos de permutação de calor 10. Com uma extensão vertical, digamos uma altura de 500 mm do permutador de calor 1 do conversor de tração mostrado na figura 4, todo o conversor de tração pode ser disposto debaixo do assoalho de um carro/vagão ou em cima do telhado de um carro.

[0069] Devido à organização a maneira de traseira-a-traseira com as conexões de fluido nos coletores de distribuição, as modalidades têm uma eficiência térmica elevada, mesmo para o módulo de permutação que está localizado a jusante do fluxo de ar. O módulo permutador sendo disposto em sentido descendente é confrontado com o ar de refrigeração mais quente do que o módulo permutador sendo disposto no sentido ascendente. De qualquer maneira, o fluido de trabalho líquido proveniente do coletor de distribuição inferior do módulo permutador em sentido ascendente pode entrar no coletor de distribuição inferior do módulo permutador em sentido descendente, desta maneira proporcionando um resfriamento adicional para o módulo permutador em sentido descendente. Por essa razão, os dois módulos de permutação de calor podem trabalhar com condições adequadas, proporcionando um resfriamento adequado para os componentes eletrônicos.

[0070] Um primeiro permutador módulo 10 exemplar de acordo com uma modalidade agora é descrito tendo como referência a figura 5. O segundo módulo permutador 210, das modalidades, é idêntico ao primeiro módulo permutador de calor 10.

[0071] Como mostrado na figura 5 o primeiro módulo permutador 10 é composto por uma pluralidade de canalizações 11 para um fluido de trabalho, cada uma tendo uma parede exterior 112 e cada uma tendo paredes interiores 114 (ver figura 7) para formar os primeiros canais de evaporação 120 e os primeiros canais de condensação 130 dentro da canalização 11. Além disso, o módulo permutador 10 compreende um primeiro elemento de transferência de calor de evaporador 28 para a transferência do calor dentro dos primeiros canais evaporadores 120 e um primeiro elemento de transferência de calor de condensador 29 para transferir o calor para fora dos primeiros canais condensadores 130. As primeiras canalizações 11 estão dispostas na posição vertical, mas outras posições de pelo menos 45° (graus de inclinação) são possíveis. Os primeiros canais evaporadores 120 e os primeiros canais condensadores 130 estão alinhados em paralelo nas primeiras canalizações 11.

[0072] Na modalidade mostrada na figura 6, o primeiro elemento de transferência de calor de evaporador 28 é composto por um elemento de fixação, tendo uma superfície de montagem 160 para a montagem de uma fonte de calor, por exemplo, uma unidade de potência semicondutora ou similar, e uma superfície de contato 170 para o estabelecimento de um contato térmico com uma parte da parede exterior 112 da primeira canalização 11 associada com o primeiro canal evaporador 120.

[0073] Em particular, na modalidade mostrada na figura 6, ο primeiro elemento de transferência de calor de evaporador 28 assume a forma de uma placa de base contendo uma superfície planar de montagem 160, para montar a fonte de calor, e uma superfície de contato 170 em oposição à superfície de montagem, compreendendo os entalhes 175 em conformação com as paredes exteriores 112 das primeiras canalizações 11. Em outras palavras, os entalhes 175 são moldados e dimensionados tal que as primeiras canalizações 11 se encaixem seladamente. Além disso, o primeiro elemento de transferência de calor de condensador 29 inclui aletas de refrigeração fornecidas nas paredes exteriores 112 das canalizações 11. Dois tubos de cabeçalho, usados como um primeiro coletor de distribuição superior 30 e como um primeiro coletor de distribuição inferior 33, estão conectados a cada extremidade das primeiras canalizações 11. No caso em que a fonte de calor 20 dissipa o calor, o fluido de trabalho sobe dentro dos primeiros canais evaporadores 120 para o primeiro coletor de distribuição superior 30 e de lá para os primeiros canais condensadores 130, onde o fluido se condensa e cai para o primeiro coletor de distribuição inferior 33.

[0074] Na modalidade mostrada na figura 6, as primeiras canalizações 11 tomam a forma de tubos de alumínio extrudado lisos multiportas tendo uma seção transversal geral oblonga. Desse modo, as paredes laterais exteriores planares do tubo liso estão orientadas perpendicularmente à superfície de montagem planar 160 do primeiro elemento de transferência de calor de evaporador 28. Em modalidades clássicas, duas barras de apoio 195 também estão fixas nas extremidades laterais do conjunto para reforçar a montagem e para guiar o ar de arrefecimento para o primeiro elemento de transferência de calor de condensador 29. O primeiro elemento de transferência de calor de evaporador 28 compreende dois orifícios de fixação 165 para a montagem de componentes elétricos ou eletrônicos.

[0075] Módulos de permutação de calor, de acordo com modalidades, trabalham com o princípio de ciclo de termossifão. O permutador de calor é carregado com um fluido de trabalho. Qualquer fluido de refrigeração pode ser usado; alguns exemplos são o R134a, R245fa, R365mfc, R600a, dióxido de carbono, metanol e amónia. O módulo permutador é montado verticalmente ou com um pequeno ângulo em relação à vertical de tal forma que as barbatanas dos elementos de transferência de calor do condensador se situam mais alto do que os elementos de transferência de calor do evaporador. A quantidade de líquido no interior é normalmente ajustada tal que o nível de líquido não seja inferior ao nível superior dos elementos de transferência de calor do evaporador.

[0076] O calor gerado pelos componentes elétricos 20 se move para a parte da placa de base com os entalhes 175 do primeiro elemento de transferência de calor de evaporador 28 para a parte da frente das primeiras canalizações 11 através da condutibilidade do calor. Como pode ser visto a partir da figura 6 apenas as seções das primeiras canalizações 11 que são cobertas pelos entalhes 175, por exemplo, os primeiros canais evaporadores 120, recebem o calor de forma direta. Os primeiros canais evaporadores 120 são totalmente ou parcialmente preenchidos com o fluido de trabalho. O fluido nos primeiros canais evaporadores 120 evapora devido ao calor e o vapor sobe nos primeiros canais evaporadores 120. Certa quantidade de líquido também é arrastada no fluxo de vapor e vai ser empurrada para cima nos primeiros canais evaporadores 120. Acima do nível superior do primeiro elemento de transferência de calor de evaporador 28, as primeiras canalizações 11 têm aletas de arrefecimento por ar como os primeiros elementos de transferência de calor do condensador 29 em ambos os lados.

[0077] As aletas montadas para as canalizações normal mente são arrefecidas por convecção de um fluxo de ar, comumente gerado por um ventilador de refrigeração ou ventilador (veja figura 4). Também é possível usar a convecção natural. No caso de convecção natural, seria preferível instalar o sistema com um ângulo maior em relação à vertical. A mistura de vapor e de líquido dentro dos canais evaporadores atinge o coletor de distribuição superior e, em seguida, flui em sentido descendente para os canais condensadores. Enquanto atravessa os canais condensadores, o vapor se condensa de volta como líquido uma vez que os canais transferem o calor para as aletas. O líquido condensado flui em sentido descendente para o coletor de distribuição inferior e flui de volta para dentro dos canais evaporadores, fechando o ciclo. Da mesma maneira como todos os dispositivos do tipo termossifão, todo o ar (e outros gases não condensáveis) de dentro são preferencial mente evacuados (isto é, descarregados) e o sistema é parcialmente cheio (ou seja, carregado) com um fluido de trabalho. Por esta razão válvulas de descarregamento e carregamento (não mostradas) estão incluídas no conjunto. As extremidades livres dos coletores de distribuição são locais adequados para tais válvulas. Uma única válvula também pode ser utilizada para o carregamento e o descarregamento. Como alternativa, o permutador de calor pode ser evacuado, carregado e permanentemente selado.

[0078] Na modalidade mostrada na figura 6, as aletas de refrigeração dos primeiros elementos de transferência de calor de condensador 29 são fornecidas somente em uma parte da parede exterior 112 da primeira canalização 211 associadas com os primeiros canais condensadores 130 porque apenas esta parte da primeira canalização 211 deve servir como uma parte de condensação do termossifão. Na figura 7, também são mostradas as paredes interiores 114 dividindo os primeiros canais evaporadores 120 e os primeiros canais condensadores 130. A figura 7 é um tipo de vista esquemática simplificada que não corresponde estritamente a uma vista seccional apropriada.

[0079] Embora nenhuma tal modalidade de um módulo de potência seja ilustrada nos desenhos, o leitor hábil irá reconhecer que a presente divulgação se estende a modalidades com mais de dois módulos de permutação de calor, cujas regiões do condensador são empilhadas tal que seriam resfriadas por um fluxo de um condutor térmico através das partes de condensador de forma sequencial. Além disso, o leitor hábil vai notar que a presente divulgação engloba modalidades de permutadores de calor, cujos módulos de permutação de calor podem ter um tipo e número diferente de primeiras canalizações. Em adição, o leitor hábil vai notar que a presente divulgação engloba modalidades de permutadores de calor cujos canais evaporadores e canais condensadores são fornecidos em canalizações estruturalmente diferentes, por exemplo, onde os canais evaporadores foram dedicados a um perfil MPE próprio enquanto os canais condensadores foram dedicados a outro perfil MPE próprio.

[0080] Nas modalidades exemplares, os primeiro e segundo elementos de transferência de calor do evaporador são feitos de um material altamente condutivo termicamente tais como o alumínio ou o cobre. Pode ser fabricado utilizando extrusão, fundição, usinagem ou uma combinação de tais processos comuns. Os primeiro e segundo elementos de transferência de calor do evaporador não precisam ser feitos para o tamanho exato do conjunto de canalizações. Em algumas modalidades eles são feitos maiores com o objetivo de adicionar capacidade térmica para o sistema. Um lado da placa está em contato com as canalizações. Os primeiro e segundo elementos de transferência de calor do evaporador têm entalhes deste lado que cobrem parcialmente as canalizações multiportas, conforme mostrado na figura 6. Os canais são moldados de acordo com as primeiras e segundas canalizações. O outro lado da placa é feito plano para aceitar a placa montada com componentes que geram calor como fontes de calor, tais quais os elementos de circuito eletrônico de potência (por exemplo, IGBT, IGCT, diodo, resistores de potência, etc.). Furos de fixação, com ou sem fios são colocados sobre a superfície plana para fixar, através de parafusos, os componentes. De preferência, as canalizações têm uma disposição simétrica dos canais internos, segundo o qual o curso dos fluxos ascendente e descendente na configuração do ciclo do termossifão, compartilham a mesma canalização. Em modalidades, os canais para estas duas correntes são projetados independentemente. Por exemplo, a maior queda de pressão no fluxo da mistura líquido-vapor refrigerante é criada dentro dos canais evaporadores. Por esta razão pode ser apropriado alocar uma maior área de seção transversal de canal para esses canais. Para os canais condensadores, canais menores com paredes internas ou paredes divisoras ou outros recursos adicionais do tipo de aletas nas superfícies das paredes internas seriam adequados para aumentar a superfície do canal interno, desta forma aumentando a superfície de transferência de calor. Ao usar canais de tamanho diferente no interior do tubo multiporta pode ser necessário também ter espessuras de parede diferentes na periferia do tubo, de modo que todas as seções sejam igualmente fortes contra a pressão interna. Por exemplo, a espessura da parede em torno de um canal evaporador de tamanho maior pode ser aumentada enquanto se usa de uma espessura de parede mais fina ao redor dos canais condensadores menores. Em comparação à utilização de uma espessura de evaporador uniformemente grosso, esta abordagem pode economizar em custos de materiais. Espessuras de parede típicas usadas em canalizações multiportas extrudadas de alumínio comercial mente disponíveis são da ordem de 0,2 a 0,75 mm.

[0081] Os componentes dos módulos de permutação de calor são preferencial mente unidos em um processo de brasagem em um forno One-Shot. A soldagem e brasagem de alumínio em alumínio são particularmente desafiadoras devido à camada de óxido de alumínio que impede a umectação com a liga de solda. Existem vários métodos utilizados para realizar essa tarefa. Muitas vezes, o material base de alumínio é coberto com ligas de brasagem de AISi (também chamada de revestimento) que derrete em uma temperatura mais baixa (cerca de 590°C) do que a liga de alumínio de base. Os tubos de alumínio são extrudados com o revestimento já anexado como uma camada fina. Um material de fluxo também é aplicado nos tubos, tanto mergulhando os tubos em um banho ou por pulverização. Quando as peças são aquecidas no forno, o fluxo funciona para quimicamente remover a camada de óxido do alumínio. A atmosfera controlada contém oxigênio insignificante (o ambiente de nitrogênio é comumente usado) para que uma nova camada de óxido não seja formada durante o processo. Sem a camada de óxido, o derretimento das ligas de brasagem é capaz de molhar as peças adjacentes e fechar as lacunas entre os componentes montados. Quando as partes são arrefecidas, é estabelecida uma conexão confiável e hermética. Além disso, as aletas e os tubos também são conectados para garantir uma boa interface térmica entre eles. Montar o dispositivo inteiro e abrasá-lo em uma única ação poderia assegurar que os canais sobre os primeiros e segundos elementos de transferência de calor do evaporador estão combinando o local das primeiras e segundas canalizações com exatidão, respectivamente. Como alternativa, um segundo processo de soldagem à temperatura mais baixa pode ser empregado para unir os elementos de transferência de calor do evaporador com as canalizações, depois que os núcleos do módulo permutador de calor sejam soldados. A menor temperatura de solda é uma boa medida para se certificar de que as juntas soldadas não vão sair durante o reaquecimento para a solda.

[0082] Modalidades exemplares usam canalizações multiportas, lisas, com barbatanas em forma de grelhas. As canalizações planas apresentam menor queda de pressão do fluxo de ar em comparação com tubos redondos. Além disso, o desenho multiporta aumenta a superfície de transferência de calor interno. Barbatanas em forma de grelhas aumentam o coeficiente de transferência de calor sem aumento significativo na queda de pressão (grelhas são fendas torcidas na superfície aletas). As barbatanas são cortadas de uma tira ou folha de alumínio e dobradas em forma sanfonada. O passo entre as aletas pode ser facilmente ajustado durante a montagem, “puxando a sanfona”. Dois tubos de cabeçalho redondos nas extremidades das canalizações planas constituem os coletores de distribuição. O empilhamento e o conjunto de todos estes elementos do núcleo do permutador de calor podem ser feitos de forma totalmente automatizada.

[0083] A figura 7 é uma vista esquemática de seção transversal de uma outra modalidade exemplar de um permutador de calor 1. Mais uma vez, sinais de referência idênticos são utilizados para peças similares ou idênticas, mostradas nas figuras 1-6. O permutador de calor 1 da figura 7 é composto por um elemento de conexão de fluidos, formado por um tubo de conexão superior 200 para conectar os coletores de distribuição superiores 30, 230 e um tubo de conexão inferior 205 para conectar os coletores de distribuição inferiores 33, 233. Ambos o tubo de conexão superior 200 e o tubo de conexão inferior 205 são mostrados em uma vista frontal na figura 7 e não em vista seccional.

[0084] Modalidades exemplares são compostas por tubos de conexão superiores ou inferiores para estabelecer conexões de fluidos entre os coletores de distribuição, de módulos de permutação de calor dispostos à maneira de traseira-a-traseira. O uso de tubos de conexão permite uma adaptação flexível do permutador de calor, com suas vantajosas propriedades termodinâmicas, para dimensões de montagem diferentes. Os tubos de conexão podem ser montados na extremidade superior ou inferior dos módulos de permutação de calor. Modalidades exemplares são compostas por tubos de conexão superiores e inferiores para formar um ciclo de compensação térmica entre os módulos de permutação de calor. Por consequência, os ciclos dos módulos de permutação de calor são reforçados pela adição de um segundo tipo de ciclo para uma compensação térmica. Dessa forma, o desempenho geral dos permutadores de calor densamente dispostos pode ser melhorado.
LISTA DE NÚMEROS DE REFERÊNCIA
10 Primeiro módulo permutador de calor
11 Primeira canalização
20 Fonte de calor
28 Primeiro elemento de transferência de calor de evaporador
29 Primeiro elemento de transferência de calor de condensador
30 Primeiro coletor de distribuição superior
33 Primeiro coletor de distribuição inferior
40 Conector de coletores
42 Orifícios de conexão
44 Condutor térmico, por exemplo, ar
48 Parte de duto de ar
50 Parede do duto superior
52 Parede do duto inferior
58 Flange
59 Meios de fixação
60 Sala limpa (primeiro ambiente)
62 Sala suja (segundo ambiente)
64 Selo
66 estrutura geral 68 duto de ar
70 Tampa inferior
71 Outra parte do flange
72 Outra parede do duto inferior
74 Outra parede do duto superior
75 Meios orientadores
76 Tampa superior
84 Placa de cobertura
86 Filtro de partículas
88 Ventilador
100 Módulo de potência
112 Parede exterior da canalização
114 Parede interior da canalização
120 Primeiro canal evaporador
130 Primeiro canal condensador
160 Superfície de montagem
165 Orifício de montagem
170 Superfície de contato
175 Entalhe
183 Aleta de aquecimento
195 Barramento de apoio
200 Tubo de conexão superior
205 Tubo de conexão inferior
210 Segundo módulo permutador de calor
211 Segunda canalização
228 Segundo elemento de transferência de calor de evaporador
229 Segundo elemento de transferência de calor de condensador
230 Segundo coletor de distribuição superior
233 Segundo coletor de distribuição inferior
320 Segundo canal evaporador
330 Segundo canal condensador

Claims

Permutador de calor (1), compreendendo um primeiro módulo permutador de calor (10) com um primeiro canal evaporador (120) e um primeiro canal condensador (130); sendo que o primeiro canal evaporador (120) e o primeiro canal condensador (130) são dispostos em uma primeira canalização (11) e sendo que o primeiro canal evaporador (120) e o primeiro canal condensador (130) são conectados de maneira fluida um ao outro por um primeiro coletor de distribuição superior (30) e um primeiro coletor de distribuição inferior (33) tal que o primeiro canal evaporador (120) e o primeiro canal condensador (130) formam um primeiro ciclo para um fluido de trabalho; o primeiro módulo permutador de calor (10) ainda compreendendo um primeiro elemento de transferência de calor de evaporador (28) para transferir calor para dentro do primeiro canal evaporador (120); e um primeiro elemento de transferência de calor de condensador (29) para transferir calor para fora do primeiro canal condensador (130);
caracterizado pelo fato de que o permutador de calor (1) compreende um segundo módulo permutador de calor (210) acoplado ao primeiro módulo permutador de calor (10) por um elemento de conexão de fluidos (40, 200, 205) para uma troca do fluido de trabalho entre o primeiro módulo permutador de calor (10) e o segundo módulo permutador de calor (210);
sendo que o segundo módulo permutador de calor (210) compreende um segundo canal evaporador (320) e um segundo canal condensador (330); sendo que o segundo canal evaporador (320) e o segundo canal condensador (330) são dispostos em uma segunda canalização (211); e sendo que o segundo canal evaporador (320) e o segundo canal condensador (330) estão em conexão de fluidos um com o outro através de um segundo coletor de distribuição superior (230) e um segundo coletor de distribuição inferior (233) tal que o segundo canal evaporador (320) e o segundo canal condensador (330) formam um segundo ciclo para o fluido de trabalho;
sendo que o segundo canal condensador (330) é disposto em oposição ao primeiro canal evaporador (120) em relação ao primeiro canal condensador (130) quando visto em um plano virtual para o qual o primeiro canal condensador (130) e o segundo canal condensador (330) e o primeiro canal evaporador (120) são projetados.
Permutador de calor (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro módulo permutador de calor (10) e o segundo módulo permutador de calor (210) são ambos adequados para serem operados independentemente um do outro.
Permutador de calor (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o primeiro canal condensador (130) e o segundo canal condensador (330) são dispostos entre o primeiro canal evaporador (120) e o segundo canal evaporador (320) quando visto em um plano virtual para o qual o primeiro canal condensador (130) e o segundo canal condensador (330) e o segundo canal evaporador (320) são projetados.
Permutador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro coletor de distribuição superior (30) está conectado a uma extremidade superior da primeira canalização (11) e sendo que o segundo coletor de distribuição superior (230) está conectado a uma extremidade superior da segunda canalização (211), o primeiro coletor de distribuição superior (30) e o segundo coletor de distribuição superior (230) sendo conectados por uma conexão de fluidos superior.
Permutador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro coletor de distribuição inferior (33) é conectado a uma extremidade inferior da primeira canalização (10) e sendo que o segundo coletor de distribuição inferior (233) é conectado a uma extremidade inferior da segunda canalização (211), o primeiro coletor de distribuição inferior (33) e o segundo coletor de distribuição inferior (233) sendo conectados por uma conexão de fluidos inferior.
Permutador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o primeiro módulo permutador de calor (10) compreende uma pluralidade de primeiras canalizações (10) dispostas em paralelo, de tal modo que os primeiros canais evaporadores (120) estejam dispostos lado a lado e os primeiros canais condensadores (130) estão dispostos lado a lado.
Permutador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o permutador de calor (1) compreende um segundo elemento de transferência de calor de evaporador (228) para transferir calor para dentro do segundo canal evaporador (320) e/ou um segundo elemento de transferência de calor de condensador (229) para transferir calor para fora do segundo canal condensador (330).
Permutador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o elemento de conexão de fluidos (40) compreende orifícios de conexão (42) sendo dispostos em uma parede exterior dos coletores de distribuição inferiores (33, 233) e/ou em uma parede exterior dos coletores de distribuição superiores (30, 230).
Permutador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o elemento de conexão de fluidos (40) compreende um tubo de conexão superior (200) para conectar os coletores de distribuição superiores (30, 230) e/ou um tubo de conexão inferior (205) para conectar os coletores de distribuição inferiores (33, 233).
Permutador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o permutador de calor (1) compreende uma parte de duto (48) para separar um primeiro ambiente (60) de um segundo ambiente (62);
sendo que o primeiro elemento de transferência de calor (28) é disposto no primeiro ambiente (60);
e sendo que uma parte da primeira canalização (11) é disposta no segundo ambiente (62).
Permutador de calor (1) de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos a primeira canalização (11) ou uma das primeiras canalizações (11) compreende uma pluralidade de primeiros canais evaporadores (120) e uma pluralidade de primeiros canais condensadores (130).
Módulo de potência (100) compreendendo um permutador de calor (1), como definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma unidade semicondutora (20) é termicamente conectada ao primeiro elemento de transferência de calor de evaporador (28) do permutador de calor (1).
Conversor de tração, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um módulo de potência (100), como definido na reivindicação 12.
Conversor de tração de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o conversor de tração compreende uma estrutura geral (70, 76) e um primeiro ambiente (60) e um segundo ambiente (62) providos na referida estrutura geral (70, 76), sendo que uma qualidade de ar do segundo ambiente (62) é inferior a uma qualidade de ar do primeiro ambiente (60);
e sendo que o primeiro elemento de transferência de calor (28) do permutador de calor (1) é disposto no primeiro ambiente (60);
e sendo que uma parte da primeira canalização (11) é disposta no segundo ambiente (62).
Conversor de tração de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que o permutador de calor (1) é como definido na reivindicação 10, o módulo de potência sendo disposto de forma inserível na estrutura geral (70, 76) e extraível para fora da estrutura geral (70, 76) através de meios de orientação (75) em uma forma do tipo de gaveta;
sendo que um selo hermético é fornecido entre a parte de duto (48); sendo que a parte de duto (48) do permutador de calor (1) é a parte de duto (48) do módulo de potência (100), a estrutura geral (70, 76) e uma tampa de compartimento móvel (84) da estrutura geral (70, 76) se o permutador de calor (1) estiver totalmente inserido do conversor de tração.