CN102984920B - 热交换设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换设备(1)，包括：第一热传递元件(2)，所述第一热传递元件(2)包括基板(3)和通道(5)，所述基板(3)具有用于接收电力部件(16)的第一表面(4)，所述通道(5)用于将经由所述第一表面(4)接收的热负荷传递至所述通道(5)中的流体中，所述通道(5)中的至少一些从所述基板(3)的第二表面(12)突出；以及第二热传递元件，用于接收来自所述第一热传递元件的流体并将来自所述流体的热负荷输送至周围。为了获得有效的冷却，在所述基板(3)的第二表面(12)上、至少两个通道(5)之间布置有相变材料(11)，在所述电力部件的操作期间，所述相变材料(11)通过在相变温度下进行相变以吸收热。

Description

热交换设备
技术领域
本发明涉及一种热交换设备，具体涉及一种冷却电力部件的热交换设备。
背景技术
之前已知带有热交换器的设备，其中的热交换器具有第一热传递元件，第一热传递元件包括用于电力部件的基板，并具有通道用于将来自基板的热负荷输送至通道中的流体中。该流体经由通道被输送至第二热交换器，流体在该第二热交换器中被冷却。至少一些通道从基板的表面突出。
上述热交换器的问题在于贮热能力不足，特别是在应对由电力部件生成的热的量的暂时性峰值时尤为如此。
发明内容
本发明的目标是提供一种解决以上提到的缺点的热交换设备。
通过使用在相变期间吸收热的相变材料，使得能够获得更高效冷却的设备。这种相变材料能够布置在位于至少两个通道之间的被良好保护的空间中，以便由于材料的相变而临时性地提供更高的冷却能力。一旦不再需要更高的冷却能力并且温度达到相变温度以下的水平，该相变材料能够返回到最初的物理状态，以便它准备好在接下来的发热峰值期间吸收过多的热。
在优选实施方式中，冷却设备被调节以便将温度保持成使得相变材料将最佳地工作。
附图说明
在下文中，将以示例的方式并参考附图更详细的描述本发明，附图中：
图1至2描绘了设备的第一实施方式；
图3描绘为图1和2的设备设置相变材料的替代性方案；
图4描绘了由图1和2的设备获得的温差；
图5描绘了设备的第二实施方式；
图6至8描绘了相变材料在不同的环境温度下的效果。
具体实施方式
图1至2描绘了设备1的第一实施方式。该设备包括第一热传递元件2，热传递元件2包括基板3，基板3具有用于接收一个或多个电力部件的第一表面4，所述电力部件在它们的使用期间需要冷却以避免温度过度升高。第一热传递元件2还包括多个通道5，用于将接收的热负荷传递至在所述通道中流通的流体中。从图2中可以看到，在该实施方式中，通道5布置在管道6中，管道6被间隔开并具有将多个通道5彼此分开的内壁。管道可为MPE(多孔挤压)管，其通过例如挤压铝而制成。在图1中，沿基板3位于管道6顶部的方向观察设备1，而图2中仅仅描绘了沿管道6位于基板3顶部的方向观察到的设备1的一些部分。
该设备包括第二热传递元件7，第二热传递元件7接收来自第一热传递元件2的流体。在该实施方式中，管道6从布置在第一热传递元件2附近的第一歧管8一直延伸至布置在第二热传递元件7附近的第二歧管9。第二热传递元件7包括管道6和在通道5之间延伸的翅片10，在该情况中，管道6的壁含有通道。因此，通过第二热传递元件7的气流能够将热从管道6中的流体带走。
在描绘的实施方式中，设备1作为热虹吸器工作。管道6部分地穿透到基板3(作为蒸发器工作)中，使得位于管道中的一些通道5为蒸发器通道，蒸发器通道包含当第一热传递元件2接收来自电力部件的热时被加热的流体。被加热的流体(在该阶段中也有可能是蒸汽)朝着第二热传递元件7(作为冷凝器工作)流动，其中，在通道5(位于管道6内部)之间经过的空气冷却该流体。第二歧管9可被实施为箱，换言之，被实施为与管道6的所有通道5流体连接的封闭空间。因而该流体离开蒸发器通道进入歧管并经由管道6的那些位于基板3外部并起冷凝器通道作用的通道5向下朝第一歧管8返回。第一歧管8能够与第二歧管9类似地实施，换言之，实施为与管道的每个通道5流体连接的箱。因而，经由冷凝器通道进入第一歧管8的流体能够经由蒸发器通道继续进行新的流动循环。这样的热虹吸器是有利的，因为它能够用于在不需要泵来获得期望的流体循环的情况下冷却电力设备。
描绘的实施方式的替代性方案为将第一热传递元件2和第二热传递元件7彼此分开。在那种情况中，平行的通道5并不在第一热传递元件2和第二热传递元件7之间一直延伸。作为替代，附加歧管被布置在第一热传递元件2的上部部分以接收来自第一热传递元件2中的所有通道5的流体。类似地，第二附加歧管被布置在第二热传递元件7的下部部分以将流体输送至第二热传递元件7的所有通道5中。这些附加歧管能够通过一个或多个管道而彼此连接，用于将流体从第一热传递元件2(蒸发器)输送至第二热传递元件7(冷凝器)，并且第二歧管9能够经由一个或多个附加管道连接至第一歧管8，用于将流体从第二热传递元件7(冷凝器)返回至第一热传递元件2(蒸发器)。
无论热虹吸器使用的是哪一个实施方式，都可为第一热传递元件2设置相变材料11，相变材料11在设备的操作期间开始相变以吸收热从而冷却基板2和附接至该基板的一个或多个电力部件。这样的相变材料11可布置为靠着基板3的第二表面12，优选地布置在基板3的大致整个表面区域之上。在实践中，基板3的第二表面12在描绘的实施方式中设置有包含在管道6中的通道5以及在这些通道之间延伸的翅片10。然而，存在由第二表面12、通道5和翅片10界定的许多空的空间，并且优选地，尽可能多的这些空的空间被填充有相变材料。在这种方案中，相变材料得到有效地保护。热从基板3直接传导至包含通道5和流体的管道6，并且另外，从基板3经由翅片10传导至该管道6。为了尽可能高效地工作，相变材料应当定位成比“主”冷却系统在热力学上更靠近热源。通过这样的方式，相变材料对于温度变化比主冷却系统更快地作出反应。
相变材料(PCM)是这样一种物质：其通过在某个恒定的温度——称为相变温度——下进行相变，能够在恒定温度下贮存和释放大量的能量。相变通常出现在融化和固化时，或者出现在当发生从固态到固态的相变的情况下材料晶体结构变化时。当材料从一种相变化为另一种相时，热被吸收或释放。起初，当相变材料吸收热时，相变材料11的温度上升。然而，当相变材料达到它进行相变的相变温度时，它在恒定的温度下吸收大量的热直到所有的材料转换为新的相。此后当材料的环境温度下降时，相变材料返回到它之前的物理状态，并释放它所贮存的潜热。
在市场上可以获得任何需要的温度范围——至少从-114℃至1010℃——的大量相变材料。最常见的相变材料类型为固-液。然而，存在其他类型的相变材料并且一些材料呈现固-固的相变，在固-固相变中，晶体的结构在某个温度下改变。作为有用的PCM，材料理想地应当满足几个标准：
-当凝固和融化时释放和吸收大量的能量，
-具有固定的并明确确定的相变温度，
-在许多次凝固/融化循环中保持稳定和不改变，
-是无危险性的，-是经济的，并且不应当对其他的材料造成腐蚀问题。
在描绘的实施方式中，设备1优选地在直立位置中使用，由于该直立位置，具有固-固相变的相变材料11是优选的。如图2中所描绘的，这样的相变材料11能够被直接地插入到通道5和翅片10之间。合适的材料的示例有：水合盐、脂肪酸、酯以及多种石蜡(例如十八烷)。
图3示出了为图1和2的设备设置相变材料的替代性方案。
在图3中，在将相变材料11布置到其在基板的第二表面12上的适当位置之前，使用容器13密封相变材料11。这给选择合适的相变材料提供了更大的自由。例如，能够使用固-液相变材料，因为该相变材料能够被密闭地密封。能够用于图3的实施方式的一种合适的材料为水合盐，例如能够由相变材料产品有限公司(PhaseChangeMaterialProductLimited)提供的PluslCEX80。
如果使用固-液材料，该“容器”可被实施为由基板3、管道6和盖组成，其形成用于相变材料的容器或箱。
在图3的实施方式中，在第二表面12的为容器13保留的位置处没有布置翅片10。然而，如果结合具有相变材料11的一个或多个容器13同时使用翅片10是有利的，那么能够将翅片10与相变材料11一起布置在容器13的内部。在图3中还描绘了包含相变材料11和翅片10二者的容器13’。
翅片10应当经由第二表面12(在热力学上)附接至基板4，使得来自热源的热能够经由基板4到达翅片10并进一步到达相变材料。翅片10提供与相变材料的良好且均匀的接触，使得向相变材料的热分布尽可能地均匀的。
一些可获得的固-固相变材料具有非常差的导热性，这意味着有效厚度(＝热路径)通常可能为仅仅数毫米。重要的是，从热源到相变材料的热路径尽可能地短，并且与相变材料的接触面积尽可能地大。从这个角度看，上文描述的利用翅片将热从基板传导至相变材料中的结构是非常良好的。
图4描绘了由图1和2的设备获得的温度差。
图4描绘了当图1的设备被用于移除来自变频器(也可用于其他电力设备)——换言之，例如用于控制电动机的速度的驱动器——的电力部件的热时、在时间t(秒)中的不同时刻的温度T(温度探测器位于热源正下方处的表面4上)。环境温度已被选为对于相关相变材料是最佳的，在该情况中为40℃。曲线B描绘了当不使用相变材料时的温度表现，而曲线A描绘了当通道5、翅片10和基板的第二表面12之间的空间被填充有相变材料时的温度表现。在该情况中，温度峰值减小了(△T)约6.4℃。
例如，对于半导体部件，温度变化的减小对于相关部件的预期寿命有巨大的影响。实际测试已经表明，当温度峰值周期性地出现时，峰值期间的温度变化从30℃减小至25℃将无故障周期数量增加约4至5倍。
而且峰值温度将降低(在该示例中从77℃降至71℃)，这也使得寿命变长。
图5描绘了设备1’的第二实施方式。设备1’与结合图1和2介绍的设备非常相似。因而，将主要通过指出这些实施方式之间的不同而介绍图5的实施方式。
在图5中使用了与图1中使用的热虹吸器相似的热虹吸器，其具有基板3、第二热传递元件7、通道5以及歧管8和9。基板的第二表面(在图5中未示出)也设置有相变材料。
相变材料一般在与所涉及的选定的材料相关的环境温度下被最有效地利用。每种相变材料具有不同的相变温度并能够根据应用而选择。相变材料的性能和数量总是依赖于设计(系统)、热负荷、容许温度和冷却状态(环境温度或冷却温度)。为了实现最好的结果，应当相应地选择相变材料的相变温度。
能够通过确保环境温度对于选定的相变材料是最佳的而获得使用相变材料的最好结果。图5描绘了两个替代性方案，它们能够同时使用或者彼此独立地使用，以确保环境温度是最佳的。在两个替代性方案中，使用温度传感器14测量环境温度，并且关于环境温度的信息被提供至控制器15，控制器15可被实施为电路或者电路与计算机程序的结合。在许多情况中，该控制器集成至电力设备的电路，以使得它不需要额外的部件和/或印刷电路板。在这些情况中，功能性通过软件而实现。
温度传感器14可附接至电力部件16、基板3、相变材料或第二热传递元件7。通常，温度传感器应当优选地尽可能靠近实际热源布置，以便尽可能快地检测到变化。在任何情况中，控制器接收有关测得的温度的信息，该信息被控制器15使用以判定该测得的温度高于还是低于基准温度(对于所涉及的选定的相变材料而言的最佳环境温度)。
第一替代性方案为控制器15调节冷却效率以试图将环境温度保持在最佳水平。在那种情况中，可使用例如可调节风扇17，以便增加或减少流动通过第二热传递元件7的空气的量。如果测得的温度太高，则增大风扇17的速度，如果测量的温度太低，则减小风扇17的速度。根据实际的实施情况，可采用其他类型的可调节冷却，在那些情况中，调节可影响例如泵的速度或调节流量的阀的位置。如果采用了泵，则在第二热传递元件的通道之间流动的冷却介质可为合适的液体，例如水。
第二替代性方案为控制器15调节由电力部件16产生的热的量。在那种情况中，在测得的温度过高的期间，控制器15控制电力部件以在产生更少的热的模式(例如，在较低的效率水平)下操作。例如，在变频器的情况中，这可导致在该期间不能够利用变频器的全部能力，但无论如何避免了对于变频器的部件造成永久性损坏。与不使用相变材料的方案相比，相变材料的使用使得允许更大的热峰值。
图片6至8描绘了相变材料在不同温度下的效果。图6至8与图4非常相似。因此，它们描绘了当图1的设备被用于移除来自电力部件的热时在时间t(秒)中的不同时刻的温度T。曲线B描绘了当不使用相变材料时的温度表现，而曲线A描绘了当基板的通道5、翅片10和第二表面12之间的空间被填充有相变材料时的温度表现。在图4和6至8中使用的相变材料是相同的。
在图4的情况中环境温度被选择为对于相变材料是最佳的，即40℃。在那种情况中，当使用相变材料时，温度峰值减少了(△T)约6.4℃。
在图6的情况中环境温度不再是最佳的，而是30℃。在那种情况中，当使用相变材料时，温度峰值减少了(△T)约1.2℃。
在图7的情况中环境温度为35℃。在那种情况中，当使用相变材料时，温度峰值减少了(△T)约3.9℃。
最后，在图8的情况中环境温度为45℃。如图8中可见的，相变材料在该温度下很早开始相变，并在约75秒之后，相变就已经发生了。
基于图4和图6至8的比较，清楚的是，为了高效地起作用，相变材料需要在对于所涉及的材料最佳的环境温度下被使用，否则使用相变材料没什么意义。基于此发现，清楚的是，结合图5所介绍的、调节“主”冷却系统以将温度保持在对于相变材料而言合适的水平的方案是非常有利的，因为那样能够确保一旦在热的产生过程中出现峰值，相变材料将有效并迅速地起作用以减少这样的峰值对所涉及的设备所能够造成的负面影响。如果使用泵(以及液体)代替风扇(以及空气)，则存在从环境温度到冷却剂(如，水)温度的类比。
应当理解的是，上文的说明以及附图仅仅意旨于描绘本发明。对本领域的技术人员而言明显的是，能够在不背离发明范围的情况下改变和改进本发明。

Claims (12)

1.一种热交换设备(1，1’)，包括：
第一热传递元件(2)，包括：基板(3)，所述基板(3)具有用于接收电力部件(16)的第一表面(4)；以及通道(5)，所述通道(5)用于将经由所述第一表面(4)接收的热负荷传递至所述通道(5)中的流体中，所述通道(5)中的至少一些从所述基板(3)的第二表面(12)突出，以及
第二热传递元件(7)，用于接收来自所述第一热传递元件(2)的流体并用于将来自所述流体的热负荷输送至周围，其特征在于，
所述第一热传递元件(2)包括在所述通道(5)之间延伸的翅片(10)，
在所述基板(3)的所述第二表面(12)上、所述通道(5)中的至少两个与在这些通道之间延伸的翅片之间的空间中布置有相变材料(11)，在所述电力部件(16)的操作期间，所述相变材料(11)通过在相变温度下进行相变而吸收热。
2.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述第二热传递元件(7)包括通道(5)和翅片(10)，其中，所述通道(5)接收来自所述第一热传递元件(2)的流体，所述翅片(10)在所述通道(5)之间延伸，用于将热负荷传递至在所述通道(5)之间经过的空气。
3.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述第二热传递元件(7)包括通道(5)以及冷却液，其中，所述通道(5)接收来自所述第一热传递元件(2)的流体，所述冷却液在所述通道(5)之间经过，用于将来自所述通道(5)的热负荷传递至经过的冷却液。
4.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述通道(5)在布置在所述第一热传递元件(2)附近的第一歧管(8)与布置在所述第二热传递元件(7)附近的第二歧管(9)之间延伸，所述第一歧管(8)和第二歧管(9)在所述通道(5)的相对两端处将所述通道(5)彼此连接。
5.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述通道(5)布置在管道(6)中，所述管道被间隔开并具有将多个通道(5)彼此分开的内壁。
6.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述相变材料(11)为在从固体状态至固体状态的相变期间发生吸热的材料。
7.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述相变材料(11)布置在容器(13、13’)中。
8.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述相变材料(11)布置在包括翅片(10)的容器(13’)中。
9.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述热交换设备包括：
用于测量温度的温度传感器(14)，
可调节冷却装置(17)，以及
控制器(15)，所述控制器(15)对所述温度传感器(14)做出响应，所述控制器(15)将由所述温度传感器(14)测得的温度与基准温度进行比较，并控制所述可调节冷却装置(17)以降低或提高冷却以便使所述测得的温度达到所述基准温度。
10.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述热交换设备包括：
用于测量温度的温度传感器(14)，以及
控制器(15)，所述控制器(15)对所述温度传感器(14)做出响应，所述控制器(15)将由所述温度传感器(14)测得的温度与基准温度进行比较，并且当所述测得的温度高于所述基准温度时，所述控制器(15)控制所述热交换设备的一个或多个电力部件(16)以在所述一个或多个电力部件(16)产生更少的热的模式下操作。
11.根据权利要求9或10所述的热交换设备，其特征在于，用于测量温度的所述温度传感器(14)测量附接至所述基板(3)的电力部件(16)的温度、所述基板(3)的温度、所述相变材料(11)的温度或所述第二热传递元件(7)的温度。
12.根据权利要求1所述的热交换设备，其特征在于，所述热交换设备(1、1’)包含在变频器或逆变器中。
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