CN105376990A - 冷却元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷却元件(11)，该冷却元件(11)包括流体通道(1)、第一蒸发器(14)以及第一冷凝器(18)，流体通道(1)提供脉动热管，第一蒸发器(14)用于接收来自电气部件(15)的热量并且用于将热量传递到流体通道(1)中的流体中，第一冷凝器(18)用于经由流体通道(1)接收来自第一蒸发器(14)的流体并且用于冷却流体通道中的流体。为了在第一蒸发器(14)处实现均匀的温度分布，流体通道(1)中的流体温度保持不变的绝热区域或具有用于冷却流体通道(1)中的流体的第二冷凝器(20)的冷却区域将第一蒸发器(14)与流体通道的第二端部(12)中的环路(6)分离。

Description

冷却元件
技术领域
本发明涉及冷却元件，并且特别地涉及用于多个电气装置的冷却元件，所述冷却元件具有提供脉动热管行为的流体通道布置。
背景技术
先前已知具有呈曲折状的液流通道的冷却元件，所述液流通道包括平行的多个流体通道区段，所述多个流体通道区段通过环路彼此相互连接。蒸发器接收来自电气部件的热量并且将所述热量传递至流体通道。冷凝器冷却经由流体通道从蒸发器接收的流体。
在操作期间，蒸发器和冷凝器之间产生温度梯度，从而导致不稳定的压力状态。由蒸发器传递至流体的热量导致流体通道区段中的气泡不断增大。这使流体通道段中的流体柱朝着冷凝器被推动。同时，在冷凝器处的冷却进一步增加了冷却元件的相对端部之间的压力差。以这种方式形成了不稳定的压力状态。
由于环路将流体通道区段相互连接，因此一个流体通道区段中的流体段塞和蒸汽泡的运动还导致了下一个流体通道区段中的段塞和气泡朝着蒸发器(高温)的运动。驱动力与恢复力之间的相互影响导致了蒸汽泡和流体段塞的振荡。
上述冷却元件的问题在于实际试验已证明蒸发器的不同部分处的温度分布是不均匀的。
发明内容
目的在于解决上述缺点并且在于提供具有改进的冷却性能的冷却元件。该目的以及其他目的通过根据独立权利要求1和独立权利要求7的冷却元件来实现。
将第一蒸发器与在冷却元件的第二端部中的环路分离的绝热区域或冷却区域的使用导致了这样的冷却元件的设计：在该设计中，没有额外的热量转移至最靠近冷却元件的第二端部中的环路的区域中的流体通道中的流体。基于此，可避免蒸汽泡积聚在冷却元件的第二端部中的环路中。由于脉动热管中缺乏优选的流动方向，所以加热部件可自由地分布在第一蒸发器的整个区域上。这给出了设计中的灵活性。
在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
附图说明
在下面将通过示例并参照附图对本发明进行更加详细地描述，在附图中：
图1和图2示出了脉动热管的工作原理；
图3示出了冷却元件的第一实施方式；
图4示出了冷却元件的第二实施方式；
图5示出了冷却元件的第三实施方式；
图6示出了冷却元件的第四实施方式；
图7至图9示出了流体分配元件；
图10示出了蒸发器；以及
图11至图12示出了替代性流体分配元件。
具体实施方式
图1和图2示出了脉动热管(PHP)的工作原理。图1示出了闭环PHP并且图2示出了开环PHP。
脉动热管包括具有毛细管尺寸——换言之，横截面小到足以使毛细管力比重力占优势——的曲折的流体通道1。如在图1和图2中示出的，流体通道1包括基本上平行的多个流体通道区段5，所述多个流体通道区段5在第一(上)端部和第二(下)端部中通过环路6相互连接。在该连接中，术语“基本上平行”表示在许多实际执行中流体通道区段由于实际原因而平行的事实。然而，并不需要流体通道区段精确地平行，这是因为脉动热管也通过彼此不是精确地平行的流体通道区段而获得。
被认为是毛细管的流体通道1的直径取决于流体通道内使用的(沸腾的)流体。例如下面的公式可用于估计适合的直径：
D＝(sigma/(g*(rhol-rhov)))^0.5,
其中，sigma为表面张力，g为重力加速度，rhov为蒸气密度以及rhol为液体密度。该公式给出了针对R134a(四氟乙烷)、R245fa和R1234ze(四氟丙烯)的从1mm到3mm的值，R134a(四氟乙烷)、R245fa和R1234ze(四氟丙烯)为适于在脉动热管中使用的流体。
适合的流体可经由填充阀2引入到流体通道1中。因此，流体通过由压力的不稳定性产生的脉动而移动。由于通道内的蒸汽的双向膨胀而在小通道环路中发生振荡。在操作期间，液体段塞和长形蒸汽泡由于由限制在小通道中的气泡的迅速膨胀导致的流体动力学的不稳定性而将在冷区域与热区域之间振荡，并且因此提供了几乎与重力无关的流体速度。这使得脉动热管对取向十分不敏感，因而具有将蒸发器和冷凝器颠倒地操作的可能性，即，使得蒸发器位于顶部而冷凝器位于底部。然而，在图1和图2中，示例性地示出了脉动热管处于蒸发器3位于底部并且冷凝器4位于顶部的位置中。
在冷却元件中应用脉动热管的优点在于冷却元件可沿任何取向应用而不对冷却元件内的流体循环带来问题。
图3示出了冷却元件11的第一实施方式。这种冷却元件11例如可应用于马达驱动装置中，例如应用在变频器中，从而控制馈送给电动机的电的馈送。冷却元件11包括具有毛细管尺寸及曲折形状的流体通道，所述流体通道包括基本上平行的多个流体通道区段5，所述多个流体通道区段5通过冷却元件的第一端部10和第二端部12中的环路6相互连接以提供脉动热管。流体通道例如可被实施为弯曲成图1和图2中示出的曲折形状的单根管，或替代性地流体通道可通过应用与相应的流体分配元件结合的具有多个流体通道区段的管来实施，将结合图7至图12对这一情况进行更加详细地说明。脉动热管可以是如图1中示出的闭式的或替代性地为如图2中示出的开式的。在图3中，环路6布置在冷却元件的第一端部10的流体分配元件13和第二端部12中的流体分配元件17中。
第一蒸发器14布置成接收来自电气部件15的热量并且用于将该热量传递到流体通道中的流体中。在示出的示例中，第一蒸发器14包括具有第一表面16和与第一表面16相对的第二表面的板，所述第一表面16用于接收来自一个或更多个电气部件15的热量，所述第二表面用于将基本上平行的流体通道区段5的壁部热连接至所述板。
冷却元件11还包括第一冷凝器18，所述第一冷凝器18用于经由流体通道接收来自第一蒸发器14的流体并且用于冷却流体通道中的流体。第一冷凝器18将第一蒸发器14与冷却元件的第一端部10(上端部)中的环路6分离。因此，第一冷凝器18布置在蒸发器14与冷却元件的第一端部中的环路6之间。在图3中示出的示例中，第一冷凝器18已被实施为在基本上平行的流体通道段5的壁部之间延伸的散热片19，并且所述散热片19将热量散发到周围空气中。
图1中示出的冷却元件11包括具有第二冷凝器20的冷却区域，第二冷凝器20冷却流体通道中的流体并且将第一蒸发器14与冷却元件11的第二端部12中的环路6分离。因此，没有额外的热量转移至离第二端部12中的环路6最近的该区域中的流体通道中的流体，这防止了第二端部的环路6中的蒸汽泡的积聚以及第一蒸发器14处的不均匀的温度分布。与第一冷凝器18类似，第二冷凝器20也可被实施为在基本上平行的流体通道区段5的壁部之间延伸的散热片19，并且所述散热片19将热量散发到周围空气中。第二冷凝器20可具有与第一冷凝器18相同的尺寸。在如下情况下将获得优良的结果：冷却区域的尺寸(长度)为基本上平行的流体通道区段5的长度的至少5％，优选地至少10％。
图4示出了冷却元件的第二实施方式。图4的实施方式与结合图3说明的实施方式非常类似。因此在下面将主要通过指出这些实施方式之间的不同之处而对图4的实施方式进行说明。
图4的冷却元件21具有绝热区域30，所述绝热区域30将第一蒸发器14与冷却元件的第二端部中的环路分离。在该绝热区域30中，流体通道中的流体温度保持不变。如图4中示出的，这可以在基本上平行的流体通道区段5延伸穿过绝热区域30使得基本上平行的流体通道区段5的壁部与任何散热片或蒸发器之间没有热接触的情况下实现。与图3的实施方式类似，没有额外的热量转移至离第二端部12中的环路6最近的该区域中的流体通道中的流体，这防止了第二端部的环路6中的蒸汽泡的积聚以及第一蒸发器14处的不均匀的温度分布。绝热区域30的长度可小于沿通道区段5的方向测量到的冷凝器18的长度。在如下情况下将获得优良的结果：绝热区域的尺寸(长度)为基本上平行的流体通道区段5的长度的至少5％，优选地至少10％。
图5示出了冷却元件的第三实施方式。图5的实施方式与结合图3说明的实施方式非常类似。因此在下面将主要通过指出这些实施方式之间的不同之处而对图5的实施方式进行说明。
在图5中，第一蒸发器14与第一冷凝器18通过至少第一附加冷凝器-蒸发器对32分离，在所述第一附加冷凝器-蒸发器对32中，冷凝器与第一冷凝器18类似地冷却流体通道中的流体，以及蒸发器与第一蒸发器14类似地接收来自电气部件15的热量并将热量传递到流体通道中的流体中。在示出的实施方式中，冷却元件还包括第二附加冷凝器-蒸发器对33，所述第二附加冷凝器-蒸发器对33与第一附加冷凝器-蒸发器对32类似地实施。尽管未在图中示出，但还可以甚至利用其他附加冷凝器-蒸发器对。
具有将第一蒸发器14与冷却元件31的第二端部12中的环路6分离的第二冷凝器20的冷却区域可以利用如结合图4所说明的绝热区域所代替。
图6示出了冷却元件的第四实施方式。图6的实施方式与结合图5说明的实施方式非常类似。因此在下面将主要通过指出这些实施方式之间的不同之处而对图6的实施方式进行说明。
图6示出了具有布置至冷却元件41的多个相对较窄的蒸发器的交错构型。在示出的示例中，每个蒸发器的宽度均小于冷却元件的宽度。因此，在冷却元件的一行中具有用于多于一个蒸发器的空间。
与图5的实施方式类似，第一蒸发器14与第一冷凝器18通过至少第一附加冷凝器-蒸发器对32分离，在所述第一附加冷凝器-蒸发器对32中，冷凝器与第一冷凝器18类似地冷却流体通道中的流体，以及蒸发器与第一蒸发器14类似地接收来自电气部件15的热量并将热量传递到流体通道中的流体中。在示出的实施方式中，冷却元件41还包括第二附加冷凝器-蒸发器对33，所述第二附加冷凝器-蒸发器对33与第一附加冷凝器-蒸发器对32类似地实施。尽管未在图中示出，但还可以甚至利用其他附加冷凝器-蒸发器对。
图7至图9示出了流体分配元件，如果在这些实施方式中基本上平行的流体通道区段由如图7至图9中示出的管52实施，那么该流体分配元件可以应用于图1至图6的冷却元件中。
在图7至图9中，冷却元件包括多根管52，所述多根管52具有将基本上平行的流体通道区段5彼此分离的内部纵向壁部53。散热片19可应用在管52之间的冷凝器中使得散热片在基本上平行的流体通道区段5的壁部之间延伸以用于将热量散发到周围空气中。
冷却元件的第一端部10中的环路6可由如图7中示出的流体分配元件13实施，以及冷却元件的第二端部12中的环路可由如图8中示出的流体分配元件17实施。
在图7中，应用了具有分隔壁55的分离元件54。可被应用在冷却元件的第一端部10中的分离元件54将经由第一管52的流体通道区段5向上流动的流体引导至邻近管52(从初始管开始位于左侧的管)的特定流体通道区段5，流体从所述邻近管52的特定流体通道区段5向下流动。替代性地，根据脉动热管的状态，流动方向可以是相反的。图7未示出在图3中示出的覆盖件，例如，所述覆盖件流体密封地封住管52和分离元件54的端部使得流体可在流体通道区段5之间仅沿上述路径流动。
可以应用在冷却元件的第二端部12中的图8的流体分配元件17也设置有分离壁部55。这些分离壁部55布置成使得分离壁部55阻止不同管52的流体通道区段5之间的流体连通。因此，经由特定管52的流体通道区段5到达流体分配元件17的任何流体经由相同的管52的流体通道区段继续向前流动。图8未示出在图3中示出的覆盖件，例如，所述覆盖件流体密封地封住管52和分离壁部55的端部使得流体可在流体通道区段5之间仅沿上述路径流动。
如果如图7中示出的流体通道区段13用在冷却元件的第一端部10中并且如图8中示出的流体通道区段17用在冷却元件的第二端部12中，则冷却元件将具有作为如结合图2说明的开环脉动热管的流体通道。
然而，如果期望获得具有作为闭环脉动热管的流体通道的冷却元件，则图9中示出的流体分配元件13’可用在冷却元件的第一端部10中，而图8中示出的流体分配元件17可应用在冷却元件的第二端部12中。
图9的流体分配元件13’类似于图7中示出的流体分配元件，其区别在于连接位于图9中最左侧的管52的流体通道区段5与位于图9中最右侧的管52的通道区段5的一个附加管56。
图10示出了蒸发器。如果在图1至图6的实施方式中基本上平行的流体通道区段5由如图7至图10中示出的管52实施，那么所示出的蒸发器可用作例如在图1至图6的冷却元件中的第一蒸发器14。
第一蒸发器14包括具有第一表面16和与第一表面16相对的第二表面57的板，所述第一表面16用于接收来自一个或更多个电气部件的热量，所述第二表面57用于将基本上平行的流体通道区段5的壁部热连接至所述板。
在示出的示例中，板的第二表面57设置有凹槽58，基本上平行的流体通道区段5突出到所述凹槽58中以用于将基本上平行的流体通道区段5的壁部热连接至蒸发器14的板。在示出的实施方式中，当管52被示出为完全地突出到凹槽58中时，每根管52的每个流体通道区段5均位于板内。这是用于确保热量可从板尽可能容易地传递至流体通道区段5中的流体的有利解决方案。然而，可能存在不需要每根管52都完全地位于蒸发器14的板内的实施方式。
图11至图12示出了替代性流体分配元件。图11和图12的实施方式与结合图9和图8说明的实施方式非常类似。因此图11至图12的实施方式在下面将通过指出这些实施方式之间的不同之处而进行主要说明。
在图11和图12中，流体分配元件通过板实施，板被穿孔以在适当位置处具有孔，从而在管52的基本上平行的流体通道区段5之间实现期望的流动。
图11示出了流体分配元件13”，所述流体分配元件13”用于在冷却元件的第一端部10中使用以获得作为闭环脉动热管的流体通道。第一板61和第二板62确保每根管52的适当流体通道区段5连接至邻近管52的适当流体通道区段5。板62还在其相对的端部(仅示出一个端部)中具有开口，使得所述板62与板63一起提供允许在图11中位于最左侧的管52的流体通道区段5与位于最右侧的管的流体通道区段5之间流动的通道。最后，顶板64作为将流体通道的环路封装在流体分配元件13”内的盖。在该示例中，顶板64设置有孔，该孔可通向填充阀，所述填充阀可用于用流体填充冷却元件。
假设本发明要获得具有作为开环脉动热管的流体通道的冷却元件，则图11的板63可省去，在此情况下，防止了最外面的管52(位于最左侧的管以及位于最右侧的管)的流体通道区段5之间的流体流动。
图12示出了流体分配元件17”，所述流体分配元件17”用于在冷却元件的第二端部12中使用。与图8的实施方式类似，流体分配元件17”防止在不同的管52的流体通道区段之间的流体连通。因此，经由特定管52的流体通道区段到达流体分配元件17”的任何流体经由相同的管52的流体通道区段继续向前流动。在图12的实施方式中，这已通过利用具有凹槽72的第一板71实现，管52的端部突出到凹槽72中，并且凹槽72允许每根管52的不同流体通道区段之间的流体连通。第二板73除孔74外都是实心的，所述第二板73流体密封地布置成抵靠第一板71以防止流体从第一板71中的凹槽72泄漏出来。孔74在所有实施方式中并非是必须的，但是孔74可用于至填充阀的连接，所述填充阀可用于以流体填充冷却元件。
应当理解的是上述描述和附图仅意在说明本发明。对于本领域的技术人员而言显而易见的是：在不偏离本发明的范围的情况下可对本发明进行更改或修改。

Claims (10)

1.一种冷却元件(11、31、41)，包括：
流体通道(1)，所述流体通道(1)具有毛细管尺寸和曲折形状，所述流体通道(1)包括多个基本上平行的流体通道区段(5)，所述多个基本上平行的流体通道区段(5)通过所述冷却元件的第一端部(10)和第二端部(12)中的环路(6)而相互连接以提供脉动热管；
第一蒸发器(14)，所述第一蒸发器(14)用于接收来自电气部件(15)的热量并且用于将所述热量传递到所述流体通道(1)中的流体中；以及
第一冷凝器(18)，所述第一冷凝器(18)用于经由所述流体通道(1)接收来自所述第一蒸发器(14)的流体并且用于冷却所述流体通道中的流体，所述第一冷凝器(18)将所述第一蒸发器(14)与所述冷却元件(11、31、41)的所述第一端部(10)中的所述环路(6)分离，其特征在于，
具有用于冷却所述流体通道(1)中的流体的第二冷凝器(20)的冷却区域将所述第一蒸发器(14)与所述流体通道的所述第二端部(12)中的所述环路(6)分离。
2.根据权利要求1所述的冷却元件(11、31、41)，其中，所述第一蒸发器(14)包括具有第一表面(16)和与所述第一表面(16)相对的第二表面(57)的板，所述第一表面(16)用于接收来自一个或更多个电气部件(15)的热量，所述第二表面(57)具有凹槽(58)，所述基本上平行的流体通道区段(5)突出到所述凹槽(58)中以用于将所述基本上平行的流体通道区段(5)的壁部热连接至所述板。
3.根据权利要求1所述的冷却元件(11、31、41)，其中，所述第一冷凝器(18)和所述第二冷凝器(20)由在所述基本上平行的流体通道区段(5)的壁部之间延伸的散热片(19)组成以用于将热量散发到周围空气中。
4.根据权利要求1所述的冷却元件(31、41)，其中，所述第一蒸发器(14)与所述第一冷凝器(18)通过至少第一附加冷凝器-蒸发器对(32)分离，在所述第一附加冷凝器-蒸发器对(32)中，冷凝器冷却所述流体通道(1)中的流体，以及蒸发器接收来自所述电气部件(15)的热量并将所述热量传递到所述流体通道(1)中的流体中。
5.根据权利要求1所述的冷却元件，其中，所述冷却元件包括：
多根管(52)，所述管(52)具有内部纵向壁部(53)，所述内部纵向壁部(53)将所述基本上平行的流体通道区段(5)彼此分离；以及
所述冷却元件的第一端部(10)中的第一流体分配元件(13、13’、13”)和所述冷却元件的第二端部(12)中的第二流体分配元件(17、17”)，所述第一流体分配元件(13、13’、13”)和所述第二流体分配元件(17、17”)用于提供所述环路(6)，所述环路(6)将所述基本上平行的流体通道区段(5)中的预定的基本上平行的流体通道区段(5)彼此相互连接，以获得具有曲折形状的流体通道(1)。
6.根据权利要求1所述的冷却元件(11、31、41)，其中，所述管(52)为具有平行的内部纵向壁部(53)的挤压多端口管，所述内部纵向壁部(53)将所述基本上平行的流体通道区段(5)彼此分离。
7.一种冷却元件(21)，包括：
流体通道(1)，所述流体通道(1)具有毛细管尺寸和曲折形状，所述流体通道(1)包括多个基本上平行的流体通道区段(5)，所述多个流体通道区段(5)通过所述冷却元件的第一端部(10)和第二端部(12)中的环路(6)而相互连接以提供脉动热管；
第一蒸发器(14)，所述第一蒸发器(14)用于接收来自电气部件(15)的热量并且用于将所述热量传递到所述流体通道(1)中的流体中；以及
第一冷凝器(18)，所述第一冷凝器(18)用于经由所述流体通道(1)接收来自所述第一蒸发器(14)的流体并且用于冷却所述流体通道中的流体，所述第一冷凝器(18)将所述第一蒸发器(14)与所述冷却元件(21)的所述第一端部(10)中的所述环路(6)分离；其特征在于，
绝热区域(30)将所述第一蒸发器(14)与所述流体通道的所述第二端部(12)中的所述环路(6)分离，在所述绝热区域(30)中所述流体通道(1)中的流体的温度保持不变。
8.根据权利要求7所述的冷却元件(21)，其中，所述绝热区域(30)为在其中所述基本上平行的流体通道区段(5)在所述基本上平行的流体通道区段(5)的壁部与任何散热片或蒸发器之间没有热接触的情况下延伸的区域。
9.根据权利要求7所述的冷却元件，其中，所述绝热区域(30)将所述第一蒸发器(14)与所述流体通道的所述第二端部(12)中的所述环路(6)分离一定距离，所述距离为所述基本上平行的流体通道区段(5)的长度的至少5％。
10.根据权利要求7所述的冷却元件，其中，所述绝热区域(30)将所述第一蒸发器(14)与所述流体通道的所述第二端部(12)中的所述环路(6)分离一定距离，所述距离为所述基本上平行的流体通道区段(5)的长度的至少10％。
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