CN102460617A

CN102460617A - 尤其功率设备的用于达到非常均匀的冷却温度和高度可用性的冷却剂管道连接

Info

Publication number: CN102460617A
Application number: CN2010800257561A
Authority: CN
Inventors: N.胡贝尔; M.梅纳特; A.拉斯托吉; K.雷兴贝尔格
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2012-05-16
Also published as: DE102009024579A1; EP2441078A1; US20120087092A1; WO2010142492A1

Abstract

用于冷却至少一个功率部件（L）的装置具有至少一个冷却剂管道（KL）、冷却剂泵（P）和热交换器（WT），在该装置中使要被冷却的设备温度均匀。此外要使冷却剂（F）流量保持较小。本发明的特征在于，所述回程段（R）沿着前进段（V）朝入口（E）方向返回地一直延伸到出口（A）。通过这种方式起到对流连接的作用，用于平均冷却剂（F）的前进段温度和回程段温度。本发明尤其适用于功率设备。

Description

尤其功率设备的用于达到非常均匀的冷却温度和高度可用性的冷却剂管道连接

技术领域

本发明涉及一种如独立权利要求的前序部分所述的装置和如并列权利要求的前序部分所述的方法。

背景技术

在功率设备冷却时一般在冷却面积上安置冷却板，它将产生的热量排出到流体的冷却剂上。流体的冷却剂可以是冷却液体或冷却气体。在通流这个冷却板时加热冷却剂，这导致在入口部位比在出口更剧烈地冷却。图1示出常见的用于冷却功率设备的实施例。类似的问题在串联冷却多个功率设备的情况下出现。在这里位于冷却行列末端的部件最差地冷却。图2示出常见的用于冷却多个部件的装置实施例。这种不均匀的冷却一方面使要被冷却部件的温度不均匀。这可能导致不同的电特性，例如对于双层电容。另一缺陷是需要非常大的冷却剂流量，因为必须按照最不利的位置设计冷却。

通常容忍这些缺陷。非常大地设计冷却剂流量。在系统多个功率部件的情况下，需要多个冷却行列，这需要更大的管道费用并且这必须使冷却行列相互协调，例如通过调节阀门。

发明内容

本发明的目的是，提供这样的通过流体冷却剂或冷却介质冷却部件、尤其是功率设备的装置，使得要被冷却设备的温度均匀。要使冷却剂流量保持较小。

这个目的通过按照独立权利要求所述的装置和按照并列权利要求所述的方法得以实现。

按照第一方面提供用于冷却至少一个部件、尤其是功率设备的装置，具有至少一种流体的冷却剂，具有至少一个冷却剂管道，其以一定的长度走向从用于使冷却剂进入到所述部件中的入口在所述部件中一直延伸到用于使冷却剂从所述部件流出的出口，其中从入口直到所述长度的中点处的区域确定为用于冷却剂的前进段，并且所述长度的中点处的区域直到出口确定为用于冷却剂回程段；其中每个冷却剂管道在所述部件以外附加地流过使冷却剂在冷却剂管道中循环的冷却剂泵，并且流过使通过所述部件加热的冷却剂散出热量的热交换器。本发明的特征在于，所述回程段走向沿着前进段走向朝入口方向返回地一直延伸到出口。

按照本发明的另一方面提出一种用于冷却至少一个部件、尤其是功率设备的方法。该方法的特征在于，实现冷却剂在前进段的温度与冷却剂在回程段中的温度的平均。

本发明的优点是有效地冷却。即，对于相同冷却剂流量得到较低的功率部件的热点温度。此外起到均匀地分布功率部件温度的作用。此外得到对于功率部件的更高故障安全性。所有列举的优点仅仅在较高的部件功率密度中得到，这正好适应于能源和电技术中的多个技术发展的实际趋势。

结合从属权利要求描述其它有利的改进方案。

按照有利的改进方案，在多个部件时，所述冷却剂管道具有一定的长度走向，该长度走向从用于使冷却剂进入到第一部件中的入口，两次流过所有的部件，一直延伸到用于使冷却剂从第一部件流出的出口，其中从入口直到所述长度的中点处的区域一次流过所有部件确定为用于冷却剂的前进段，并且从所述长度的中点处的区域直到出口又返回再一次流过所有部件确定为用于冷却剂的回程段。

按照另一有利的改进方案，所述前进段和回程段，在所述中点的区域内分开，通过两个分开的冷却剂管道的区段产生，其中在每个冷却剂管道中分别分开地循环流体的冷却剂并且两个回路分别通过冷却剂泵和热交换器构成。这个改进方案的优点是功率部件的更高故障安全性，因为冗余地提供回路。

按照另一有利的改进方案，所述流体冷却剂在每个冷却剂管道中在相同方向上循环。通过这种方式比最后的部件更好地冷却第一部件。这在某些情况下是有利的。

按照另一有利的改进方案，在一个部件的情况下，所述前进段和回程段集成在该部件的冷却板中。

按照另一有利的改进方案，在多个部件的情况下，所述前进段分别集成在各部件的一个冷却板中，并且所述回程段分别集成在各部件的另一冷却板中。

按照另一有利的改进方案，在多个部件的情况下，每个部件使两个冷却板相互平面接触。

按照另一有利的改进方案，在多个部件的情况下，所述前进段和回程段分别集成在各部件的冷却板中。

按照另一有利的改进方案，所述前进段通过相互垂直设置的直线的距离区段产生并且所述回程段通过分别与其平行的距离区段产生。前进段与回程段之间的距离可以保持恒定。该距离例如可以直到冷却剂管道直径的15倍。

按照另一有利的改进方案，所述冷却剂管道的前进段和回程段分别在所述部件的整个表面上经过部件。

按照另一有利的改进方案，多对前进段和回程段分别通过两个分开的冷却剂管道的区段构成，其中流体的冷却剂分别在每个冷却剂管道中分开地循环并且构成多对双回路。通过这种方式可以进一步提高功率部件的故障安全性。由此冗余地提供冷却循环。

附图说明

借助于实施例结合附图详细解释本发明。附图中：

图1示出用于冷却更大功率设备的常见实施例，

图2示出用于冷却多个部件、尤其多个功率设备的装置的另一常见的实施例，

图3示出用于冷却部件、尤其功率部件、尤其功率设备的装置的按照本发明的实施例，

图4示出用于冷却多个功率部件的装置的另一按照本发明的实施例，

图5示出用于冷却多个功率部件的装置的另一按照本发明的实施例，

图6示出用于冷却多个功率部件的装置的另一按照本发明的实施例。

具体实施方式

图1示出常见的用于冷却较大的功率设备L的实施例。在此WT表示热交换器，用于使通过部件加热的冷却剂F散出热量。该热交换器WT同样可以称为回冷器。标记符号P表示用于使冷却剂F在冷却剂管道KL中循环的冷却剂泵。标记符号K表示冷却板。F表示冷却剂。TFin表示冷却剂F在入口E附近的温度。TFout表示冷却剂F在出口A附近的温度。Tin表示靠近冷却剂入口E的功率部件L的温度。Tout表示靠近冷却剂出口A的功率部件L的温度。在此温度TFin低于温度TFout。此外温度Tin同样低于温度Tout。这个常见的用于冷却功率部件L的装置没有沿着前进段朝入口方向上返回地一直延伸到出口的回程段。入口E和出口A相互间以较大的距离间隔。此外回程段不沿着前进段朝入口E方向上返回。入口以标记符号E表示。出口以标记符号A表示。在流过冷却板K时加热冷却剂F，这导致在入口E部位比在出口A上更加剧烈地冷却。

图2示出用于冷却多个部件、尤其多个功率设备的装置的另一常见的实施例。标记符号WT表示热交换器，它同样可以称为回冷器。标记符号P表示冷却剂泵。冷却剂泵P使冷却剂F在冷却剂管道KL中循环。热交换器WT使通过功率部件Li加热的冷却剂F散出热量。L1…Ln表示要被冷却的功率部件。K1…Kn表示在各功率部件L1…Ln上的冷却板。冷却剂同样以F表示。TF1是冷却剂F在第一功率部件L1后面的温度。TFn是冷却剂F在第n个功率部件Ln后面的温度。温度T1是第一功率部件L1的温度，Tn是第n个功率部件Ln的温度。冷却剂F在第一功率部件L1后面的温度TF1低于冷却剂F在第n个功率部件Ln后面的温度TFn。此外在第一功率部件L1中的温度T1低于在第n个功率部件Ln中的温度Tn。

图2示出多个功率部件Li串联冷却的情况。在这里位于冷却行列末端的功率部件Ln冷却最差。E表示冷却剂F进入到第一功率部件L1的入口。A表示冷却剂F从最后的要被冷却的功率部件Ln出来的出口。

图3示出用于冷却部件、尤其功率部件L、尤其功率设备的装置的按照本发明的实施例。WT表示热交换器，用于使通过功率部件L加热的冷却剂F散出热量。L是要被冷却的功率部件。P表示冷却剂泵，用于使冷却剂F在冷却剂管道KL中循环。L是要被冷却的功率部件。K表示冷却板。在冷却功率设备时，一般在功率部件L的冷却面积上安置冷却板K，它排出产生的热量到冷却剂F。E表示用于冷却剂F进入到功率部件L 的入口。A表示冷却剂F从要被冷却的功率部件L出来的出口。入口E和出口A导引冷却剂F进入到冷却板K或者从冷却板K出来。在出口A从冷却板K或功率部件L流出冷却剂F。V表示用于冷却剂F的前进段，R表示回程段。图3示出冷却剂管道KL，其以一定的长度走向从用于使冷却剂F进入到功率部件L中的入口E在所述部件L中一直延伸到使用于使冷却剂F从功率部件L流出的出口A，其中从入口E一直到所述长度的中点M处的区域确定为用于冷却剂F的前进段V，从所述长度的中点M处的区域直到出口A确定为用于冷却剂F的回程段R。在功率部件L以外冷却剂管道KL导引通过冷却剂泵P和热交换器WT。回程段R沿着前进段V朝入口E方向上返回地延伸到出口A。TFin表示冷却剂F在入口E上的温度，TFout表示冷却剂F在出口A上的温度。在此温度TFin低于温度TFout。T1表示靠近冷却剂入口E的温度。T2表示从用于使流体的冷却剂F进入到所述部件L中的入口E在所述部件L中直到用于使冷却剂F从功率部件L流出的出口A的所述长度走向的中点M处的区域中的温度。通过按照本发明的前进段V和回程段R的布置使温度T1与温度T 2接近相同。以这种方式产生功率部件L的均匀温度。在一个功率部件L的情况下，前进段V和回程段R可以集成到部件的冷却板K 中。前进段V可以通过相互间垂直设置的直线的距离区段产生，回程段R通过分别与其平行的距离区段产生。前进段V与回程段R的间距例如可以直到冷却剂管道直径的20倍。这个间距同样可以通过要被冷却的功率部件的厚度给定（见图4）。

图4示出用于冷却多个功率部件Li的装置的另一按照本发明的实施例。WT表示热交换器或回冷器，用于使通过功率部件Li加热的冷却剂F散出热量。P表示冷却剂泵，用于使冷却剂F在冷却剂管道KL中循环。L1…Ln表示要被冷却的功率部件Li。K1…Kn表示冷却板。F表示冷却剂。KL表示冷却剂管道。E表示冷却剂F进入到第一功率部件L1的入口。A表示冷却剂F从第一功率部件L1出来的出口。从入口E直到所述长度的中点M处的区域一次流过所有功率部件Li确定为用于冷却剂F的前进段V，从所述长度的中点M处的区域直到出口A再一次流过所有功率部件Li确定为用于冷却剂F的回程段R。TF1是冷却剂F在第一功率部件L1后面的温度。TFn是冷却剂F在第n个功率部件Ln后面的温度。T1表示第一功率部件L1的温度并且Tn表示第n个功率部件Ln的温度。在此冷却剂F在第一功率部件L1后面的温度TF1低于冷却剂F在第n个功率部件Ln后面的温度TFn。按照本发明第一功率部件L1的温度T1基本等于第n个功率部件Ln的温度Tn。

按照图3和图4前进段V和回程段R用于去除功率设备热量。冷却剂F的前进段V和回程段R的走向通过对流连接能够起到平均冷却剂F的前进段温度和回程段温度的作用。这种连接不仅能够有利地用于冷却按照图3的唯一的功率部件，而且也有利地用于一排多个要被冷却的功率部件（见图4）。按照图4在多个功率部件Li的情况下，前进段V可以分别集成在各部件L的冷却板K中并且回程段可以分别集成到各部件L的另一冷却板K中。按照图4可以实现按照本发明的具有两个分开的冷却板的连接。

图5示出用于冷却多个功率部件Ln的装置的另一按照本发明的实施例。在此图5的标记符号对应于图4的标记符号。与图4不同，在图5中各功率部件L使各功率部件L的两个冷却板K相互平面接触。通过这种方式使冷却剂F在第一功率部件L1后面的温度TF1等于冷却剂F在第n个功率部件Ln后面的温度TFn。此外第一功率部件L1的温度T1等于第n个功率部件Ln的温度Tn。按照另一实施例在多个功率部件Li的情况下，如同按照图5所示的那样，前进段V和回程段R分别集成到各功率部件Li的冷却板K中。按照图5冷却板K分别具有分开的前进段V和分开的回程段R。

按照图6示出用于冷却多个功率部件Li的装置的另一按照本发明的实施例。在此图6的相同标记符号表示与图4相同的部件。图6是具有两个分开的冷却剂路径的另一连接变化，该冷却剂路径能够实现冗余的冷却，其中两个分开的冷却剂流F1和F2具有分开的、冗余的冷却剂泵P1和P2以及热交换器WT1和WT2。

按照图6，前进段V和回程段R与图4相比在中点M的区域中分开，由此构成两个分开的冷却剂管道KL1和KL2区段，其中流体的冷却剂F1和F2分别在每个冷却剂管道KL1和KL2中分开地循环并且构成两个冗余的回路，分别具有冷却剂泵P和热交换器WT。通过这种方式产生用于功率部件L的更高故障安全性。按照图6能够实现两个实施例。按照第一实施例流体的冷却剂F1和F2以相反的方向循环。通过这种方式使第一功率部件L1的温度T1与第n个功率部件Ln的温度Tn相当。此外使冷却剂F1在第一功率部件L1后面的温度TF1对应于冷却剂F2在第n个功率部件Ln后面的温度TFn_A。按照这个实施例，与图6不同，冷却剂F2顺时针循环。冷却剂F1逆时针循环。

图6是第二实施例，其中流体的冷却剂F1和F2在每个冷却剂管道KL1和KL2中以相同的方向，按照图6两者逆时针方向循环。按照这个实施例第一功率部件L1的温度T1低于第n个功率部件Ln的温度Tn。此外冷却剂F1在第一功率部件L1后面的温度TF1低于冷却剂F2在第n个功率部件Ln后面的温度TFn。

按照图6的另一实施例，在第一种情况下，前进段V分别集成到各功率部件Li的冷却板K 中，回程段R分别集成到各功率部件Li的另一冷却板K中。此外各功率部件Li可以使两个冷却板K相互平面接触。按照另一实施例前进段V和回程段R一起集成到各功率部件Li的各一个冷却板K中。

多对前进段V和回程段R可以分别通过两个分开的冷却剂管道KL1和KL2的区段构成，其中流体的冷却剂F1和F2分别在每个冷却剂管道KL1和KL2中分开地循环并且可以构成多对两回路。

Claims

1.用于冷却至少一个部件、尤其是功率设备（L）的装置，具有

-至少一种流体的冷却剂（F）；至少一个冷却剂管道（KL），其以一定的长度走向从用于使冷却剂（F）进入到所述部件（L）中的入口（E）在所述部件（L）中一直延伸到用于使冷却剂（F）从所述部件（L）流出的出口（A），其中从入口（E）直到所述长度的中点（M）处的区域确定为用于冷却剂（F）的前进段（V），并且从所述长度的中点（M）处的区域直到出口（A）确定为用于冷却剂（F）的回程段（R）；其中每个冷却剂管道（KL）在所述部件以外附加地流过

-使冷却剂（F）在冷却剂管道（KL）中循环的冷却剂泵（P），并且流过

-使通过所述部件（L）加热的冷却剂（F）散出热量的热交换器（WT）；

其特征在于，所述回程段（R）沿着前进段（V）朝入口（E）方向返回地一直延伸到出口（A）。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在多个部件（Li）时，所述冷却剂管道（KL）具有一定的长度走向，该长度走向从用于使冷却剂（F）进入到第一部件（K1）中的入口（E），两次流过所有的部件（L1…Ln），一直延伸到用于使冷却剂（F）从第一部件（K1）流出的出口（A），其中从入口（E）直到所述长度的中点（M）处的区域一次流过所有部件（L1…Ln）确定为用于冷却剂（F）的前进段（V），并且从所述长度的中点（M）处的区域直到出口（A）又返回再一次流过所有部件（L1…Ln）确定为用于冷却剂（F）的回程段（R）。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述前进段（V）和回程段（R），在所述中点（M）的区域中，通过两个分开的冷却剂管道（KL1，KL2）的区段产生，其中在每个冷却剂管道（KL1，KL2）中分别分开地循环流体的冷却剂（F1，F2），并且两个回路分别通过冷却剂泵（P）和热交换器（WT）构成。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述流体冷却剂（F1，F2）在每个冷却剂管道（KL1,KL2）中在相同方向上循环。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在一个部件L的情况下，所述前进段（V）和回程段（R）集成在该部件（L）的冷却板（K）中。

6.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在多个部件（L1…Ln）的情况下，所述前进段（V）分别集成在各部件（L）的一个冷却板（K）中，并且所述回程段（R）分别集成在各部件（L）的另一冷却板（K）中。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，在多个部件（L1…Ln）的情况下，每个部件（L）使两个冷却板（K）相互平面接触。

8.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在多个部件（L1…Ln）的情况下，所述前进段（V）和回程段（R）集成在各部件（L）的各一个冷却板（K）中。

9.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述前进段（V）通过相互垂直设置的直线的距离区段产生，并且所述回程段（R）通过分别与其平行的距离区段产生。

10.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述冷却剂管道（KL）的前进段（V）和回程段（R）分别在所述部件的整个表面上经过部件。

11.如权利要求3所述的装置，其特征在于，多对前进段（V）和回程段（R）分别通过两个分开的冷却剂管道（KL）的区段构成，其中流体的冷却剂（F）分别在每个冷却剂管道（KL）中分开地循环并且构成多对双回路。

12.一种用于冷却至少一个部件、尤其是功率设备的方法，具有如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，平均冷却剂（F）在前进段（V）中的温度与冷却剂（F）在回程段（R）中的温度。