CN101581551A - 两相冷却回路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及两相冷却回路。该冷却回路(1)包括蒸发器(2)和冷凝器(3)。蒸发器(2)和冷凝器(3)由馈送管线(4)和第一返回管线(5)连接。相分离器件(10)布置于冷凝器(3)的入口侧处。相分离器件(10)通过第二返回管线(11)与蒸发器(2)连接。

Description

两相冷却回路
技术领域
本发明涉及特别地用于冷却电力电子装置和电力电气装置中的至少一种的两相冷却回路，以及包括这种冷却回路的电力模块。
背景技术
电力电子装置目前达到了可能会由于散热而造成冷却问题的性能。近年来，这种装置(如切换元件或类似元件)的功率有所增加，而所散发的热量也随之增加。两相冷却回路对于冷却这种电子装置是有效的。由待冷却并与冷却回路接触的电力装置所发出的热加热液体直到该液体到达其沸腾温度。在蒸发期间液体温度是恒定的，从而限制了待冷却的装置可达到的最大温度。
冷却回路自身包括蒸发器和在闭合回路中连接至其上的冷凝器。在蒸发器中设有与发热装置处于热接触的储液器。蒸发器的截面足够大以构成储液器或池。装置的热致使液体沸腾且因此产生蒸汽并且蒸汽自蒸发器传送至冷凝器。在冷凝器内该蒸汽被再次冷却以降到沸腾温度以下。因此，另一相变发生且蒸汽冷凝以再次变成液体。之后，液体被反馈到蒸发器并再次储存于储液器内。根据上述原理工作的冷却回路(例如)在US 5,195,577中进行了阐述。
这种冷却回路的一个问题在于所述蒸发器通常同时也用作如上所述的储液器。这通过构造用作储液器的蒸发器内部容积而实现。同时使该储液器与发热装置发生热接触。当热量传递到液体时，因此发生池沸腾。这种池沸腾的问题在于这种蒸发器的热传递性能较差，蒸发器相当庞大，冷却回路需要较大的流体存量，且冷却回路在高压条件下难以做到防泄漏。
曾试图通过利用多个小直径的管状通道来构造(例如)蒸发器来减小蒸发器的直径以克服这个缺点。当这些通道的直径低于由所用液体的类型限定的临界值时，原理自“池沸腾”变成“对流沸腾”或“流动沸腾”。当发生流动沸腾或对流沸腾时，在蒸发器的出口侧给出气相或汽相与液相的混合物。这种对流沸腾改进了蒸发器的性能。但另一方面这种对流沸腾具有以下缺点：如果为冷凝器馈送气相与液相的混合物，那么冷凝器的性能会以不利的方式受到影响。因此，为了不损失冷却回路的总体性能，需要为冷凝器提供纯汽相。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于改进两相冷却回路的总体性能。
根据本发明，通过根据独立权利要求的特征的包括蒸发器和与之连接的冷凝器的两相冷却回路以及通过包括至少一个这样的冷却回路的电力模块来解决这个问题。
用语“电力模块”在下文应被理解为包括热连接到根据本发明的至少一个冷却回路的至少一个电力电子和/或电力电气装置的组件。此外，用语电力电子和/或电力电气装置以及发热装置在下文中以可互换的方式使用。
独创性的冷却回路的蒸发器和冷凝器由馈送管线和第一返回管线流体地连接(以流体可在其间流动的方式连接)(fluidly connected)。根据本发明，相分离器件布置于冷凝器的入口侧处。该相分离器件由第二返回管线连接到蒸发器。
根据本发明的第一方面，独创性的两相冷却回路包括在闭环中由馈送管线且由第一返回管线连接到彼此上的蒸发器和冷凝器。更具体而言，馈送管线使所述蒸发器的上端与冷凝器的入口侧流体地连接，而第一返回管线使冷凝器的下端与蒸发器的下端流体地连接。在独创性冷却回路的运行中，蒸发器至少部分地允许对流沸腾。蒸发器可至少热连接到发热装置。冷凝器的下端布置成至少处于所述蒸发器(2)的上端所位于的第一高度水平。相分离器件在所述冷凝器的入口侧布置于馈送管线中并由第二返回管线流体地连接到蒸发器。
根据本发明，在混合物应用于冷凝器之前，使携带于蒸汽流中的液相与汽相分离。通过在较大程度上分离汽相与液相，向冷凝器馈送几乎纯的汽相是可行的，从而保持其性能处于高水平。另一方面，使用对流沸腾是可行的，从而提高蒸发器的性能。用语几乎纯的汽相应被理解为包含至少70质量百分比蒸汽的汽相。相分离器件布置于接近冷凝器的入口侧以便不劣化蒸发器的性能。如果(例如)分离器件直接位于蒸发器的出口，可能会降低蒸发器的性能。但是，根据本发明，汽相与液相的混合物在首先离开蒸发器后被传递到冷凝器的入口区。此处，将蒸汽馈送到相分离器件，之后几乎纯的汽相被冷凝而不会过度地影响蒸发器的性能。
根据第一优选实施例，冷凝器的下端布置成大约至少处于与所述蒸发器的上端相同的高度。而且相分离器件位于大约与冷凝器的入口端口相同的高度。换言之，相分离器件定位成至少处于冷凝器的入口所位于的第二高度水平。通过这种布置，不仅实现了重力驱动的冷却回路进行工作而无需任何额外的泵来反馈离开冷凝器的液体，而且也确保了相分离器件与蒸发器之间的距离足够大以使得蒸发器能以最佳性能工作。通过保持相分离器件与蒸发器之间的这个距离，仅考虑蒸发器的热传递和蒸发性能而关于形状和通道大小来调适蒸发器是可行的。就总体效率而言，认为无泵冷却回路是有利的，因为它们并不依赖外部能量来驱动泵。
若需要，所述第二返回管线使连接蒸发器的出口与冷凝器的输入侧的馈送管线与连接冷凝器的出口与蒸发器的入口侧的第一返回管线短路。离开蒸发器的混合物的液相部分以非常容易的方式被反馈到在所述冷凝器内产生的液相。使馈送管线与第一返回管线短路允许在一方面使用不变的冷凝器且在另一方面使用不变的蒸发器。这使得易于改进这种冷却回路的总体性能而无需蒸发器和冷凝器的新设计。
在冷却回路的一实施例中，相分离器件位于馈送管线中，从而将馈送管线分成使所述蒸发器与所述相分离器件连接的第一部分和使所述蒸发器与所述冷凝器连接的第二部分，其中第一部分比所述第二部分更长。这符合如上文所述的相分离器件的优点。重要的是认识到相分离器件与冷凝器之间的距离小于蒸发器与相分离器件之间的距离。这是为了确保不存在相分离器件对于蒸发器性能的负面影响。同时，在某点处将相分离器件插入到馈送管线内是可行的，由此应记住，有时空间要求防止相分离器件包括(例如)到冷凝器内或冷凝器在入口侧处的歧管内。
另一方面，存在这样的冷却回路的实施例：通过将相分离器件直接布置于冷凝器的入口端口处而使相分离器件至少部分地集成于冷凝器中。取决于该实施例，相分离器件分别完全地或至少部分地集成于冷凝器集成中或其入口端口中。取决于第二返回管线的实施例，第二返回管线具有等于冷凝器高度与蒸发器高度之和的长度，或者基本上在蒸发器的下端与冷凝器的入口之间延伸。取决于要求，分离器件至少部分地集成到冷凝器的歧管中是有利的，因为其有助于蒸发器与相分离器之间的最大距离。
证实了如果所述相分离器件具有优化的流动阻力，则将有利于独创性冷却回路的热效率。需要所述相分离器件在运行中造成的汽化的工作流体有低压降，因为其不会过度地使两相冷却回路丧失热效率。
相分离器件的实施例包括至少一个流动偏转器件，其被布置成在运行时使汽化的工作流体偏转。这种偏转有利地使得其支持对冷凝的蒸汽的(当在蒸发器出来的流动方向上观察时)朝向其蒸发器侧的重力作用，使得工作流体的液滴被引导到返回管线内。特别地，该至少一个流动偏转器件布置成使得汽化的工作流体在以下方向上偏转：该方向横过靠近相分离器件的馈送管线中的流动方向而延伸；更特别地，沿着冷凝器下端的大体方向而偏转。
如果所述相分离器件为毛细管相分离器，则可实现良好的蒸汽分离值。
在上文中关于独创性两相冷却回路所提及的优点大体上类似地适用于下文所公开的电力模块。类似地，关于电力模块所提及的优点也适用于独创性两相冷却回路。
在本发明的另一方面，通过独创性电力模块来解决这个目的，该电力模块包括热连接到根据本发明的至少一个两相冷却回路的至少一个发热装置，诸如电力电子和/或电气装置。
从属权利要求涉及本发明的有利实施例。
附图说明
其它优点将通过使用附图和下文的具体实施方式来解释。
图1显示了根据本发明的冷却回路的第一示意图，其中相分离器件直接位于冷凝器的入口侧。
图2显示了使用混合物液相的毛细力的相分离器件的一个实例。
图3以示意图显示了其中相分离器件位于馈送管线中的第二实例。
具体实施方式
返回至图1，其示出两相冷却回路1包括蒸发器2和冷凝器3。蒸发器2经由馈送管线4连接到冷凝器3。当热传递到蒸发器2时，馈送管线4将离开蒸发器2的所述汽相/液相混合物传递到冷凝器3。
在冷却了汽相从而将蒸汽再次冷凝为液相之后，通过使用第一返回管线5使该液体返回到蒸发器2。第一返回管线5使冷凝器3的出口端口与蒸发器2的入口侧连接。
蒸发器2通过(例如)蒸发器2的一个壁6与发热装置处于热接触。当构造图示冷却回路1时特别考虑的发热装置为(例如)电力电子装置。蒸发器2具有在竖直方向延伸的高度he。蒸发器2的定向由重力方向自动给定，因为汽相将总是在竖直方向上上升。冷凝器3具有高度hc且以这样的方式布置，使得冷凝器3的下端与其出口端口大约至少与蒸发器2的上端相等。
冷凝器3在其入口侧包括歧管7从而将连接到入口端口9的馈送管线4分成单独的通道以改进冷凝。单独的通道与热交换器件13连接，热交换器件13在图1中仅以非常示意性的方式示出。然后冷凝的蒸汽由收集排管8集合，收集排管8同时提供冷凝器3的出口端口。这个出口端口连接到第一返回管线5。
在冷凝器3的入口侧(特别是在入口端口9处)处设有相分离器件10。在如图1所示的第一实施例中，这种相分离器件10为冷凝器3的整体部分。其特别地集成到歧管7中，以便定位于来自蒸发器2的蒸汽/液体混合物的进口处。对于本发明而言，相分离器件10工作的特定方式并不重要。但以便使液相与汽相分离的一种可能性是使用毛细管相分离器，其在图2中更详细地示出。如图2所示的相分离器插入于馈送管线4与歧管7的连接点之间。其包括分离容积20，分离容积20相对于与其连接的馈送管线4在侧向延伸。分离容积20具有渐缩形状，从而使用毛细力来分离液相与汽相。汽相以气泡14方式提供，根据馈送管线4的小直径和蒸发器2的通道，其通过摩擦力使得液体也沿冷凝器3的方向流动。
返回至图1，其示出相分离器件10由第二返回管线11连接到第一返回管线5。第二返回管线11止于某连接点，在该连接点，其供应源自馈送管线4的蒸汽/液体混合物的液体。
图3示出根据本发明的冷却回路的另一实施例。已关于图1解释的相同的元件和特征利用相同的附图标记来表示。为了避免其不必要的重复，将省略进一步的解释。
与图1的实施例相反，在图3中示出相分离器件10’独立于冷凝器3定位。但是其仍靠近冷凝器3的入口端口9，特别地，到入口端口9比到蒸发器2更近。具有单独的相分离器件的布置允许使用常规的冷凝器3而无需新设计。相分离器件10’布置于馈送管线4中从而将馈送管线4分成将蒸发器2连接到分离器件10’的第一部分和使相分离器件10’与冷凝器3的入口端口9连接的第二部分。除了相分离器件10’的非集成设计之外，两个冷却回路1和1’的功能相同。值得一提的是，对于本发明而言，重要的是使相分离器件10或10’定位在冷凝器3的入口侧附近，这就意味着应将蒸发器2的出口与相分离器件10或10’之间的距离限定为尽可能大。还值得一提的是，(例如)第二返回管线11的直径可相对较窄，例如大约1mm。这足以反馈自携带液体的汽相中分离的液体。在两个实施例中，第二返回管线的长度等于蒸发器的高度he与冷凝器高度hc之和。
本发明并不限于所示实施例。特别地，以有利的方式来组合实施例中任何实施例的特征与其它特征是可行的。这将不会致使偏离本发明的原理。

Claims (14)

1.一种两相冷却回路，其包括由馈送管线(4)和由第一返回管线(5)连接的蒸发器(2)和冷凝器(3)，所述馈送管线(4)使所述蒸发器(2)的上端与所述冷凝器(3)的入口侧流体地连接，所述第一返回管线(5)使所述冷凝器(3)的下端与所述蒸发器(2)的下端流体地连接，
其中，所述冷却回路在运行时为闭环冷却回路，且其中所述蒸发器(2)至少部分地允许对流沸腾，且其中所述蒸发器(2)可热连接到至少发热装置，且其中所述冷凝器(3)的下端布置成至少处于所述蒸发器(2)的上端所位于的第一高度水平，且其中相分离器件(10，10’)在所述冷凝器(3)的入口侧处布置于所述馈送管线(4)中，其中所述相分离器件(10，10’)由第二返回管线(11)流体地连接至所述蒸发器(2)。
2.根据权利要求1所述的两相冷却回路，其特征在于，所述冷却回路在运行时是重力驱动的。
3.根据权利要求1或2所述的两相冷却回路，其特征在于，所述冷却回路无泵。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述相分离器件(10，10’)定位成至少处于所述冷凝器(3)的入口所位于的第二高度水平。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述第二返回管线(11)使所述馈送管线(4)与所述第一返回管线(5)短路。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述分离器件(10，10’)位于所述馈送管线(4)中从而将所述馈送管线(4)分成使所述蒸发器(2)与所述相分离器件(10)连接的第一部分和使所述相分离器件(10，10’)与所述冷凝器(3)连接的第二部分，由此，所述第一部分比所述第二部分更长。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述相分离器件(10，10’)直接布置于所述冷凝器的入口端口(9)处且所述第二返回管线(11)基本上在所述蒸发器(2)的下端与所述冷凝器(3)的入口之间延伸。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述相分离器件(10，10’)至少部分地集成在包括所述冷凝器(3)的入口端口(9)的歧管(7)中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述相分离器件(10，10’)具有优化的流动阻力。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述相分离器件(10，10’)包括至少一个流动偏转器件，所述流动偏转器件布置成使得在运行时汽化的工作流体被偏转。
11.根据权利要求10所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述至少一个流动偏转器件布置成使得汽化的工作流体朝以下方向偏转，所述方向横过所述相分离器件(10，10’)附近的所述馈送管线(4)中的流动方向而延伸；特别地朝所述冷凝器(3)下端的方向偏转。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的两相冷却回路，其特征在于，
所述相分离器件(10，10’)是毛细管相分离器。
13.一种电力模块，其包括热连接到根据权利要求1至12中任一项所述的至少一个冷却回路的蒸发器上的至少一个发热装置。
14.根据权利要求13所述的电力模块，其特征在于，所述至少一个发热装置包括电力电子装置和电力电气装置中的至少一种。
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