CN103997875B - 冷却设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电气装置的冷却设备，该冷却设备包括：发生器(1)，该发生器(1)接收来自第一电气部件(5)的热负荷；蒸发器(2)，该蒸发器(2)用于接收来自第二电气部件(6)的热负荷；封闭的隔室(9)，该封闭的隔室(9)对主要元件和蒸发器进行封闭；以及吸收器(3)，该吸收器(3)将来自经加热的流体的热量传递至封闭的隔室的外部。为了得到高效且可靠的冷却设备，该冷却设备包括第一膨胀装置(11)，该第一膨胀装置(11)降低流体的压力并且将流体以液态和低压输送至第二冷却元件(2)，该第二冷却元件(2)将来自第二电气部件(6)的热量传递至所接收的流体，用于蒸发该流体。

Description

冷却设备
技术领域
本发明涉及用于对电气装置进行冷却的冷却设备。
背景技术
此前已知用于通过使冷却元件中的液体蒸发来冷却电气装置的方案，该冷却元件用于将来自电气部件的热量传递至冷却元件的流体通道中的液体。汽化的液体被导引至另一个冷却元件，在该另一个冷却元件中热量传递至冷却剂，从而重新得到液体并且该液体被返回至第一冷却元件。
以上描述的方案的问题在于难以冷却不能产生充分的热量使液体蒸发的部件。
发明内容
本发明的目的是解决以上提及的缺陷，从而提供一种用于对电气装置进行冷却的高效且可靠的方案。
该目的通过根据根据本发明的冷却设备而实现。冷却设备包括：
封闭的隔室，
设置在封闭的隔室的内部的第一电气部件和第二电气部件，第二电气部件的工作温度比第一电气部件的工作温度低，
设置在封闭的隔室的外部的吸收器，吸收器用于接收来自封闭的隔室内的经加热的流体，并且用于将来自经加热的流体的热量传递至封闭的隔室的外部，
设置在封闭的隔室的外部的冷凝器，冷凝器用于接收来自封闭的隔室内的经加热的流体并且用于将来自经加热的流体的热量传递至封闭的隔室的外部，
设置在封闭的隔室中的发生器，发生器包括用于接收液态的第一流体和第二流体的流体通道，第一流体和第二流体是易混溶的，以利用从第一电气部件接收的热量来加热所接收的液体，并向冷凝器提供气态的汽化的第二流体，并且向吸收器提供液态的第一流体，
第一膨胀装置，第一膨胀装置接收处于第一压力下的来自冷凝器的液态的第二流体，降低第二流体的压力，并且将第二流体以液态和低于第一压力的低压进行输送，
设置在封闭的隔室中的蒸发器，蒸发器包括设置成接收来自第一膨胀装置的液态的第二流体的流体通道，以利用从第二电气部件接收的热量来蒸发第二流体，并且将经过蒸发的气态的第二流体输送至吸收器，
第二膨胀装置，第二膨胀装置将来自发生器的液态的第一流体输送至吸收器，第二膨胀装置接收处于第二压力下的第一流体，降低第一流体的压力，并且将第一流体以低于第二压力的低压输送至吸收器，
吸收器设置成接收来自发生器的液态的第一流体和来自蒸发器的处于汽化的气态的第二流体，以通过液态的第一流体吸收汽化的第二流体，以便在将来自流体的热量传递至封闭的隔室的外部的同时得到易混溶的第一流体和第二流体的液体，并且向发生器提供液态的第一流体和第二流体，以及
泵，泵用于增加由吸收器提供至发生器的第一流体和第二流体的压力。
附图说明
下面将通过示例的方式并参照附图对本发明进行更详细地描述，在附图中，图1是冷却设备的第一实施方式的框图。
具体实施方式
图1是冷却设备的第一实施方式的框图。该冷却设备包括具有第一电气部件5的发生器1。术语“发生器”指的是冷却电气部件的热交换器，并且“发生器”通过将来自电气部件的热负荷传递至发生器的流体通道中的流体而产生热量至该流体。该冷却设备还包括具有第二电气部件6的蒸发器2。术语“蒸发器”指的是热交换器，其通过使用来自电气部件的热负荷来蒸发蒸发器的流体通道中的流体而冷却电气部件。在示出的实施方式中，已经通过示例的方式呈现出第一电气部件5附接(例如通过散热膏连接)至发生器1并且第二电气部件6附接(例如通过散热膏连接)至蒸发器2。因此，发生器和蒸发器可以为用于容置电气部件的基板并且在这些基板中设置有流体通道(或散热片)。然而，并不是所有实施方式都需要这样。可替代的实施方式为发生器和蒸发器中的一者或者两者在外表面上包括鳍状物，并且热量通过例如气流和鳍状物从各个电气部件传递至相应的发生器或者蒸发器。在任何情况下，由第一电气部件5产生的热量传递至发生器1中的流动通道7中的流体，并且相应地，由第二电气部件6产生的热量传递至蒸发器2中的流动通道8中的流体。
第一电气部件1为工作温度比第二电气部件2高的部件。第一电气部件1可以例如包括高功率电子装置，比如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、Si/SiC功率模块(硅树脂、碳化硅)、LED(发光二极管)或者其它碳化硅电子部件，其通常具有高工作温度，比如在3kW下为大约125℃。第二电气部件2可以例如包括具有低工作温度的部件，比如像电容器、PCB(印刷电路板)或者电涌放电器之类的无源电气部件。这些部件在300W下可以具有大约65℃的工作温度。
发生器1和蒸发器2封闭在封闭的隔室9中。隔室9可以是例如将电气装置与周围环境封离的电气柜。在一些应用中(比如矿井、海洋或者沙漠)中可能要求高IP(国际保护)级别以便保证有效地防止灰尘或者湿气停留在封闭的隔室的内部。为了保证该封闭的隔室9内的有效冷却，冷却设备包括吸收器3，该吸收器3接收来自封闭的隔室9内的被加热的流体。热量通过吸收器3从流体传递至封闭的隔室9的外部。例如，该传递可以包括例如通过吸收器3的气流。因此，吸收器3是将来自所接收的流体的热量传递至周围环境的热交换器。
具有不同属性的两种流体在示出的冷却设备内循环。这两种流体应当是彼此易混溶的。适合的流体组合为：
-水和LiBr(溴化锂)，
-R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)和DMAC(二甲基乙酰胺)，
-R124(1-氯代-1,2,2,2-四氟乙烷)和DMAC(二甲基乙酰胺)，以及
-R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)和DMETEG(四乙二醇二甲醚)。
发生器1的流体通道7设置成接收处于高压下的液态的第一流体F1和第二流体F2。从第一电气部件5接收的热量被传递至流体通道7中的流体。由于该热量，第二流体F2——第二流体F2比第一流体F1的蒸发温度低——在第一流体F1保持为液态时蒸发。气态的汽化第二流体F2经由在发生器1的左上角示出的出口离开流动通道7，并且经由管道进入第三冷凝器4。保持为液态的第一流体F1从发生器1输送至吸收器3。用于将第一流体F1和第二流体F2彼此分离的分离器10可以集成在发生器1中，或者可替代地，实施为发生器1与吸收器3之间的外部装置。该外部分离器可以由具有适合的尺寸和设置在不同高度的接头的容器构成，使得分离利用重力而实现。
冷凝器4接收来自发生器1的气态的汽化第二流体F2。在冷凝器4中，第二流体F2被冷却使得第二流体F2冷凝，在这之后，第二流体F2以液态输送至第一膨胀装置11。可以通过冷凝器4执行冷却，使得冷凝器4将来自第二流体F2的热量传递至从第四冷却元件吸收热量的介质温度冷却剂F3。适合的冷却剂可以例如是空气、水、二氧化碳CO2、氦气He或氢气H2。因此，热量被传递至封闭的隔室9外部的环境。为此，冷凝器可以具有设置有鳍状物的表面，并且热量经由这些鳍状物传递至周围空气，例如，传递至气流中。
第一膨胀装置11接收处于第一压力下的液态的第二流体。压力降低至比第一压力低的预定低压。适合的低压可以是根据作为液体被输送至第二冷却元件2的第二流体F2的属性而选择的预定饱和压力。一个可替代的实施方式为将膨胀装置实施为呈螺旋形的简单的毛细管尺寸的管、阀或者膜，使得经过小的容积得到大的压力下降。
蒸发器2的流体通道8接收液态的第二流体F2。第二流体F2使用来自第二电气部件2的热量在流体通道8中被加热。由于流体F2的低压，仅需要相对小的第二流体F2的温升就能够蒸发第二流体F2。因此，第二电气部件6可以获得足够的冷却。汽化的第二流体F2以气态并且以低压输送至吸收器3。
吸收器3接收来自发生器1的液态的第一流体F1和来自蒸发器2的处于汽化的气态的第二流体F2。在吸收器3中，第一流体F1和第二流体F2彼此接触并且流体被吸收器3冷却，吸收器3将来自流体的热量传递至从第三冷却元件吸收热量的介质温度冷却剂F3。适合的冷却剂可以例如是空气、水、二氧化碳CO2、氦气He或者氢气H2。因此，热量被传递至封闭的隔室9外部的环境。为此，该吸收器可以具有设置有鳍状物的表面，并且热量经由这些鳍状物传递至周围空气，例如传递至气流中。优选地，第三冷却元件和第四冷却元件释放大约等量(50％-50％)的热量至封闭的隔室的外部。
由于第一流体F1和第二流体F2已经选择为使得它们是易混溶的，所以气态的第二流体F2在吸收器3中被处于液态的第一流体F1吸收。第一流体F1和第二流体F2的混合物从吸收器3供给至发生器1。
在图1的示例中已经示出不是在所有实施方式中都需要的附加的部件。可以包括具有两个流体通道13和14的热交换器12。第一流体通道13将来自吸收器3的第一流体F1和第二流体F2输送至发生器1，并且第二流体通道14将来自发生器1的第一流体F1输送至吸收器3。该热交换器12使得能够通过在第一流体F1到达吸收器3之前降低第一流体F1的温度而提高吸收器3的性能(增大吸收系数)。
另外，可以使用泵15以便在第一流体F1和第二流体F2引入至发生器1之前增加第一流体F1和第二流体F2的压力。
图1的示例还包括第二膨胀装置16，第二膨胀装置16接收来自发生器的处于第二压力下的高压液态的第一流体F1、降低第一流体F1的压力并且将第一流体以液态和低于第二压力的低压输送至吸收器3。
为了保证图1的冷却设备最佳地工作，可以关注各个部件的物理位置。为了得到最佳的结果，冷凝器4优选地位于高于其他部件的位置。发生器1优选地位于较低位置，然而，吸收器3优选地位于低于发生器1的位置。
为了保证所有情况下流体的高效循环，应当满足下面的关系：
T1>T3>T2，其中，T1是第一电气部件1的工作温度，T3是对冷凝器4进行冷却的冷却剂F3的温度，并且T2是第二电气部件6的温度；
P4+P3＝P1+P2，其中P3和P4分别是从吸收器3和冷凝器4经由冷却剂F3传递至设备的外部的热负荷(功率)，P1是由第一电气部件1产生的热负荷并且P2是由第二电气部件2产生的热负荷；
对吸收器3进行冷却的冷却剂的温度与对冷凝器4进行冷却的冷却剂的温度大约相同；以及
泵15的机械功(W)使得满足W<<P4+P3＝P1+P2。
通过以上描述的解决方案，虽然不需要高能耗(与常规泵相比)的压缩机，但可以得到能够利用蒸发的高效冷却设备。相反地，能够利用来自各个部件的废热能来驱动冷却循环。
要理解的是，以上描述和附图仅用于说明本发明。对本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的范围的情况下，本发明可以进行变化和修改。

Claims (4)

1.一种用于电气装置的冷却设备，其特征在于，所述设备包括：
封闭的隔室(9)，
设置在所述封闭的隔室的内部的第一电气部件(5)和第二电气部件(6)，所述第二电气部件(6)的工作温度比所述第一电气部件(5)的工作温度低，
设置在所述封闭的隔室的外部的吸收器(3)，所述吸收器(3)用于接收来自所述封闭的隔室内的经加热的流体，并且用于将来自所述经加热的流体的热量传递至所述封闭的隔室的外部，
设置在所述封闭的隔室(9)的外部的冷凝器(4)，所述冷凝器(4)用于接收来自所述封闭的隔室内的经加热的流体并且用于将来自所述经加热的流体的热量传递至所述封闭的隔室(9)的外部，
设置在所述封闭的隔室(9)中的发生器(1)，所述发生器包括用于接收液态的第一流体(F1)和第二流体(F2)的流体通道(7)，所述第一流体(F1)和所述第二流体(F2)是易混溶的，以利用从所述第一电气部件(5)接收的热量来加热所接收的液体，并向所述冷凝器(4)提供气态的汽化的所述第二流体(F2)，并且向所述吸收器(3)提供液态的所述第一流体(F1)，
第一膨胀装置(11)，所述第一膨胀装置(11)接收处于第一压力下的来自所述冷凝器(4)的液态的所述第二流体(F2)，降低所述第二流体(F2)的压力，并且将所述第二流体(F2)以液态和低于所述第一压力的低压进行输送，
设置在所述封闭的隔室(9)中的蒸发器(2)，所述蒸发器包括设置成接收来自所述第一膨胀装置(11)的液态的所述第二流体(F2)的流体通道(8)，以利用从所述第二电气部件(6)接收的热量来蒸发所述第二流体(F2)，并且将经过蒸发的气态的所述第二流体(F2)输送至所述吸收器(3)，
第二膨胀装置(16)，所述第二膨胀装置(16)将来自所述发生器(1)的液态的所述第一流体(F1)输送至所述吸收器(3)，所述第二膨胀装置(16)接收处于第二压力下的所述第一流体(F1)，降低所述第一流体(F1)的压力，并且将所述第一流体(F1)以低于所述第二压力的低压输送至所述吸收器(3)，
所述吸收器(3)设置成接收来自所述发生器(1)的液态的所述第一流体(F1)和来自所述蒸发器(2)的处于汽化的气态的所述第二流体(F2)，以通过液态的所述第一流体(F1)吸收汽化的所述第二流体(F2)，以便在将来自流体的热量传递至所述封闭的隔室(9)的外部的同时得到易混溶的所述第一流体和所述第二流体的液体，并且向所述发生器(1)提供液态的所述第一流体(F1)和所述第二流体(F2)，以及
泵(15)，所述泵(15)用于增加由所述吸收器(3)提供至所述发生器(1)的所述第一流体(F1)和所述第二流体(F2)的压力。
2.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述第一电气部件(5)包括具有比所述第二电气部件(6)高的热损耗的电气部件。
3.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述第一电气部件(5)包括高功率电子装置，并且所述第二电气部件(6)包括无源电气部件。
4.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述冷却设备包括热交换器(12)，所述热交换器(12)具有第一流体通道(13)和第二流体通道(14)，所述第一流体通道(13)用于将来自所述吸收器(3)的所述第一流体(F1)和所述第二流体(F2)输送至所述发生器(1)，所述第二流体通道(14)用于将来自所述发生器(1)的所述第一流体(F1)输送至所述吸收器(3)。
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