CN102123577B - 一种液体冷却器中的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使液体在特别用于电力电子设备的液体冷却器中循环的装置，在液体冷却器中设有至少两根纵向主管，并且在主管之间设置连接主管的横管，所述纵向管中的至少一根为输入管，经由输入接头将液体从外部引入输入管中，并且一根为输出管，经由输出接头将液体从输出管引出，在输出管中安装至少在输出接头一侧设有开口端的管状附加部件，并且将附加部件设置成与输出管分离，在附加部件位于所述输出接头一侧的部分中和/或在输出接头中和/或在它们之间设置一个或多个第一孔径，从而使额定总流量中的一部分能够经过第一路径流向输出接头，并且在附加部件离输出接头较远的部分中或在附加部件和输出接头之间设置一个或多个第二孔径。

Description

一种液体冷却器中的装置

技术领域

本发明的主题为使用液体作为热交换介质的冷却器。

背景技术

电力电子设备例如变频器具有功率密度(即从每单位体积的设备中获得的性能)持续提高的整体发展趋势。在设备内部的功率的处理产生通常与输出功率成比例的耗散功率和热量。为了避免功率组件过热，需要对设备进行冷却，并且肯定是冷却越有效，设备的功率密度越高。

最常见的冷却电力电子设备的方法是空气冷却，其中将冷空气例如通过风扇吹入安装有功率组件的冷却器中。但是，空气冷却的功率是有限的，因此当功率密度上升过多时，需要经常使用液体冷却。这是因为液体例如水的比热容是空气的好几倍，所谓比热容即每单位质量存储热量的能力，更具体而言是每单位体积存储热量的能力。

在冷却器上的用液体冷却的电力电子设备的主要组件的设置可以为按照图1的例子。在图1中，将功率半导体模块和功率电容器固定于矩形形状的冷却器，在该冷却器的内部设置两根几乎沿该冷却器的总长穿过该冷却器的侧边的纵向主管，并且在纵管之间在横向上设置许多横管(侧管)用于尽可能地靠近所述主要组件和所述冷却器的接触表面来循环液体。通常将所述冷却器设置为垂直的状态，以使得外部接头12、13中的液体循环的位置尽可能地低，在这种情况下，接头或在外部管件中的任何液体泄露都不会流到电子组件上。

冷却器的内部管道系统的例子示于图2中，其中，将较窄的横管21设置在宽阔的主管22和23之间，所述主管与外部液体循环相连，耗散功率实际上经由所述横管传递至液体中。在例如专利公开US 6,032,726和US 7,320,359中已经公开了这种类型的冷却器装置。

如上所述的这类液体冷却器的正确运作要求几乎相同量的液体流经由所有横管循环。冷却器的排气即从冷却器除去空气尤为重要，因为可能存在于横管内的静止气泡会完全阻碍液体的流动，并因此阻碍向流动的液体中的热量传递。

当来自外部的供给于冷却器的液量足够多时，通过图2这种类型的导管配置实现的液体冷却运行良好。但是在实际条件下，液量有时可能过少，在这种情况下，液体可能仅经过最底部的横管、即那些位置最靠近外部接头的横管进行循环，并且空气留在最顶部的管中。这类位于不含液体的管道处的功率组件的冷却功率当然小于预期值，在最坏的可能情形中可能导致组件的过热和受损。

发明内容

本发明的发明目的是为了获得一种新型装置，通过所述装置在冷却器的内部液体管道内产生尽可能均匀的液体流，更具体而言，产生尽可能均匀的低流量的液体流，避免了现有技术的缺陷并且改善了例如图2这种类型的冷却器的液体循环。采用本发明的装置可以达到上述目的，所述装置以独立权利要求的特征部分中所公开的内容为特征。本发明的其他优选实施方案为从属权利要求的主题。

根据本发明，在引导液体离开冷却器的主管(输出管)内安装管状附加部件，从而引导流出的液体主要经过两条路径，其中，第一路径经过所述输出管的底部(最靠近外部接头)，第二路径经过所述输出管的顶部。

根据本发明设置液体流动，以使得仅总流量的一部分、优选约50％适于经过所述第一路径。

根据本发明，通过第一孔径实现液体流的第一路径，所述孔径可以为位置靠近所述附加部件底端或位于所述输出接头中的孔、位于这些部分的末端的狭缝或在这些部分之间保留的空隙。相应地，通过第二孔径实现所述液体流的第二路径，所述孔径可以为位置靠近所述附加部件顶端的孔、位于所述附加部件的顶端的狭缝或在所述附加部件的顶端和所述输出管的顶端之间保留的空隙。可实现的有利的实施方案例如，将流出的液体全部引入固定于所述输出接头的附加部件中，并且前述的第一路径经过在所述附加部件上所开的孔P，将这些孔设置在与所述附加部件的纵轴相同的水平位置上，且位于输出接头和最底部的横管之间，并且前述的第二路径被实施为使所述附加部件比主管短到可以使得自由液体可以经由顶端流入所述附加部件中的程度。为了清楚的目的，在描述本发明的详细说明中，将这样的优选实施方案用作实施例。

以某种可靠的方式，例如采用螺纹连接或通过胶粘，将所述附加部件固定于冷却器、固定于所述输出管的接头或者其他接头。所述附加部件和所述孔的形状优选为圆形，但是如本领域技术人员所容易理解的那样，其他类型的形状例如多边形，都可能落入相同的发明构思的范围内。

根据本发明，为了实现所述第一路径的流体积，重要的是所述第一孔径的总表面积，所述总表面积必须小于所述附加部件的内横截面积，例如为所述附加部件的内横截面积的30-70％。另外，重要的是在所述附加部件的外表面和所述主管的内表面之间的横截面积是足够大的，优选至少和所述附加部件的内横截面积一样大，从而使流动尽可能自由地从所述横管流入位置靠近所述附加部件的末端的孔径中。

根据本发明的一个优选实施方案，属于第一路径的孔径的总表面为大约所述附加部件的内表面积的一半，在这种情况下，来自所述横管的液体流以额定流量分流，其中约一半的液体经由所述第一孔径流入所述附加部件，并且其余的液体经过所述第二孔径。这对液体流在所述横管之间的平均分流产生有利的影响，因为在不存在所述附加部件的情况下，流动路径短于具有所述附加部件时的流动路径，因此越是畅通无阻的横管位于越靠近所述外部接头的位置。从理想运作冷却器的角度来看，使所述横管之间的流尽可能地均匀是有利的。

根据本发明的装置对低流量产生特别强的积极影响。这是所述第一孔径的表面积造成的结果，所述表面积形成了流动阻力使得仅额定总流量中的一部分能够流过所述表面积。例如，如果所述表面积为附加部件整个内横截面积的50％并且所述总流量稍大于额定流量的50％，则几乎所有流均经由所述第一孔径并且仅小部分从所述附加部件顶端经由第二孔径流动。但是，流经所述顶端的这小部分流使所有横管内充满液体并且使冷却器排气。当冷却器顶部的横管内可能保持充满空气时，在这种情况下的冷却比不含根据本发明的附加部件时有效得多。

通过本发明，使得基于液体循环的冷却器以满流量并更特别地以比额定流量小的流量工作时变得更加有效，这改善了冷却并由此提高了整个设备的可靠性。所述附加部件可以由一般可获得的薄金属管制成，例如壁厚为1mm、外径为15mm，以使得所述附加部件易于制造并且成本低廉。

附图说明

在下文中，通过实施例结合附图将更加详细地描述本发明，其中：

图1表示液体冷却器和一些安装在该冷却器上的功率组件；

图2表示液体冷却器的内部管道系统；

图3表示在根据现有技术的液体冷却器内的低流量的液体循环；

图4表示根据本发明的附加部件；

图5A表示根据本发明的附加部件在液体冷却器内的一种设置方式；

图5B表示根据本发明的附加部件在液体冷却器内的第二种设置方式；和

图6表示在安装有根据本发明的附加部件的冷却器内的液体循环。

具体实施方式

图1表示根据本发明功率组件在液体冷却器上的典型设置。为了清楚的目的，简化了图形并且在该图中仅示出了冷却器和从本发明的角度来看的必要部件，但是不包含例如组件的连接件或固定件。在该图中，所述外部液体循环经由输入接头12和输出接头13与冷却器11相连。将需要冷却的功率组件例如电容器14和功率半导体模块15紧密地抵靠所述冷却器固定以获得最大可能效率的热传递，例如通过用合适的附加部件压紧或通过螺栓连接。

图2表示现有技术的冷却器的内部液体管道系统的一个设置标准，可以将本发明应用于这样的冷却器并且这样的冷却器已经公开在例如专利公开US 6,032,726和US 7,320,359中。在图2中，在冷却器内钻削出宽阔的主管22、23，所述主管经由接头12、13与外部液体循环相连。多根横管21与所述主管相连，从冷却所述功率组件的最大可能效率的角度采用合适的方式设置所述横管。例如，在图1和图2的情形中，因为已知功率半导体模块的耗散功率比电容器的耗散功率大得多，所以在所述模块下方的区域A中设置比在冷却器的其他部分更加密集的横管。

图3表示液体循环在根据现有技术的冷却器内是如何工作的，通过小箭头表示所述液体循环的流动方向。该图的实例描述了这样一种情况，其中液流Q1少，小于额定流量的一半。将液体引入冷却器的外部管道与输入接头12相连，通过密封的方式将所述接头固定于冷却器11。液体从所述接头流入输入侧的主管22中，从主管继续流入横管21中，并且最后经由输出侧的主管23和输出接头13流回至外部循环。在该实例中，外部供液压力P1太小以至于在冷却器中使液体高度仅上升至H_P1，在这种情况下，仅在位于所述高度以下的横管内存在足够的液体。空气可能留在位于所述高度以上的横管内，在这种情况下，设置于所述高度以上的横管处的功率组件的冷却效果差。

图4表示根据本发明的附加部件41的实施例。在该实施例中，所述附加部件41由长度为L、外径为D₀及内径为D_I的圆形金属管制成。为了使所述附加部件所需的空间最小，优选所述金属管的壁厚(D₀-D_I)/2优选是薄的，例如1mm。将所述附加部件的底端标记为标识符号B，在所述底端将所述附加部件固定于冷却器结构，并且对应地将所述附加部件的顶端标记为标识符号T。根据该实施例，在靠近所述附加部件的底端的距离L_p处，一个或多个孔P沿着所述壁延伸。根据本发明，重要的是所述孔的总表面积是所述附加部件的内横截面积(在该图的圆形管的情形下为π*D_I ²/4)的30％-70％，最优选为50％。如果在除接头13以外的位置、例如所述输出管的顶端处将所述附加部件固定在冷却器结构上，则位于底端B处的狭缝N或者在所述附加部件和所述接头13之间留有的空隙可以代替孔P用作属于第一路径的孔径。如果所述附加部件的顶端T紧密地抵靠所述输出管的顶端设置，则还可以在所述附加部件41的顶部使用所述孔P和相当于狭缝N的孔径。

图5A示出了如何将根据本发明的附加部件41设置在冷却器11的输出管23中。在该实施例中，采用一些合适的方法例如通过这些部分上的螺纹配合或者通过胶粘将所述附加部件固定于所述液体接头13。所述附加部件的长度为使得在所述附加部件的顶端T的高度H₄₁和所述输出管顶端的高度H₂₃之间留有足够的空间例如为所述附加部件的直径的一半，从而保证液体的自由流入。

根据本发明的一个优选实施例，将所述附加部件中实现第一流动路径的孔P的中心点设置在比第一横管TC₁的中心点的高度H₁更靠近所述接头13的高度。相应地，实现所述第二流动路径的所述附加部件的有利长度为使得顶端T的高度H₄₁比最上部的横管TC_N的中心点的高度H_N更远离所述接头13。还可以将所述孔P设置在不同的高度，例如在最低的横管处，这都在相同的发明范围内。

为了保证离开冷却器的自由流动的液体进入设置在所述附加部件的末端附近的孔径，优选所述输出管23的直径大到使得在所述附加部件的外表面和所述输出管的内表面之间的横截面积至少和所述附加部件内部的表面积一样大。

根据本发明的管和所述附加部件的尺寸的例子为：

-圆形输出管的直径为20mm

-圆形附加部件的外径为15mm并且壁厚为1mm

-在附加部件的底端设有2个孔，所述孔的直径为6.5mm

由上可知，所述孔的总表面积为66.4mm²，是所述附加部件的内横截面积132.7mm²的50％。在所述输出管和所述附加部件之间的横截面积为137.4mm²，是所述附加部件的内横截面积的104％。

图5B表示一个可替换的实施例，其中，将所述附加部件41固定于所述主管23的顶端，将所述附加部件顶端的液体入口设置为孔P1，并且将所述附加部件底端的液体入口设置为空隙P2，所述空隙位于所述附加部件和接头13之间。

图6表示在安装有根据本发明的一个优选实施例的附加部件41的冷却器11内的液体流动。位于该图左边的局部放大图6.1-6.3详细地示出了如何在所述横管21和所述输出侧的主管23中分流。当假设所述附加部件的孔P的总表面积是整个附加部件的内横截面积的50％时，进行分流，使得位置最靠近所述外部接头12、13的横管(21₄及其以下)中的流按照局部图6.2向下流动，以按照局部图6.3经由孔P进入所述附加部件中，并且位于所述管道21₄以上的横管中的流按照局部图6.1经由顶端T进入所述附加部件中。

在说明书内容和附图中，在描述本发明的实施例中的附加部件41及其孔P以及液体导管21-23都采用了圆形。还可以使用其他横截面形状，例如方形和多边形。

本发明的各个实施例并不仅局限于上述实施例的形状和任意其他机械方面，这对于本领域技术人员而言是显而易见的，它们可以在本发明所附的权利要求书的范围内变化。还可以采用其他用于连接所述附加部件的实施方式，在这些实施方式中，仅整个流中的某一部分可以经过底端的第一流动路径，在这种情况下，所述流中的其他部分被迫经过顶端的第二流动路径。如本领域技术人员所容易理解的那样，可以用在冷却器内直接制造的装置代替所述接头12、13。

Claims (9)

1.一种用于使液体在用于电力电子设备的液体冷却器（11）中循环的装置，在所述液体冷却器中设有至少两根纵向主管（22,23），并且在所述主管之间设置连接所述主管的横管（21），并且在所述液体冷却器中，所述纵向主管中的至少一根为输入管（22），经由输入接头（12）将液体从外部引入所述输入管中，并且一根为输出管（23），经由输出接头（13）将液体从所述输出管引出，

其特征在于，

在所述输出管中安装至少在所述输出接头一侧设有开口端的管状附加部件（41），并且

将所述附加部件设置成与所述输出管分离，以使得在所述附加部件的外表面和所述输出管的内表面之间留出空隙，使液体能够在所述附加部件外的输出管中流动，并且

在所述装置中，在所述附加部件位于所述输出接头一侧的部分中和/或在所述输出接头中和/或在它们之间设置一个或多个第一孔径（P,N,P2）,从而使额定总流量中的一部分经过第一路径流向所述输出接头，并且

在附加部件离所述输出接头最远的部分中或者在所述附加部件和所述输出接头之间设置一个或多个第二孔径（T，P1），从而使总流量中的其余部分经过第二路径流入所述附加部件，并且经由所述附加部件继续流向所述输出接头。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置在附加部件位于所述输出接头一侧的部分中和/或在所述输出接头中的第一孔径（P,N,P2）的总表面积是所述附加部件（41）的内横截面积的30%-70%，所述第一孔径在所述附加部件和所述输出接头之间的空隙（P2）或位于这些部分中的狭缝（P）或孔径（N）。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，将位于所述输出接头一侧的部分上的一部分孔（P）设置在比最近的横管（TC₁）的中心点的高度（H₁）更靠近所述输出接头（13）的高度。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，将位于所述输出接头一侧的部分上的大部分孔（P）设置在比最近的横管（TC₁）的中心点的高度（H₁）更靠近所述输出接头（13）的高度。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，离所述输出接头较远的、使流出的液体进入所述附加部件的第二路径被实施为，使所述附加部件短于所述输出管，在这种情况下，自由液体可以经由所述附加部件的开放顶端的孔径流入所述附加部件中。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述附加部件的长度为使得在所述附加部件顶端的高度和所述输出管顶端的高度之间的距离至少为所述附加部件的直径的一半。

7.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，将所述附加部件（41）固定在所述输出管（23）的顶端，在这种情况下，离所述输出接头较远的、使流出的液体进入所述附加部件的第二路径通过所述附加部件顶端的孔径（P1）或狭缝实现。

8.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，所述附加部件的外表面和所述主管之间的空隙至少和所述附加部件的内横截面积一样大。

9.根据权利要求1或2中任一项所述的装置，其特征在于，所述附加部件的长度为使得离所述输出接头较远的末端（T）的高度（H₄₁）或设置在所述末端的孔的中心点的高度比最上部的横管（TC_N）的中心点的高度（H_N）离所述接头（13）更远。

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