CN108458519B - 冷却调整系统、功率模块和用于自动冷却调整的方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种冷却调整系统(100)，它包括：阀(110)，其具有控制装置(120)，控制装置构造成控制设置在阀入口(112)和阀出口(113)之间的孔口(111)的开度，使得可调整从阀入口到阀出口的冷却剂流；具有接触表面的蒸发器(130)，接触表面适于热连接到热源(140，141)上，使得蒸发器在冷却调整系统的运行状态中使来自热源的热负载消散；以及调整装置(150)，其构造调整控制装置的位置，以便调整冷却剂流；其中，调整装置在冷却剂的蒸气品质χ为χ≤χcr的位置处与蒸发器处于热接触，其中，χcr是临界蒸气品质。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及用于冷却调整的冷却调整系统和方法。特别地，本公开的实施例涉及用于自动冷却调整的自动冷却调整系统和方法。更特别地，本公开的实施例涉及适合自动调整冷却调整系统的蒸发器中的制冷剂流的系统和方法。
背景技术
在当代高电压直流电(HVDC)转换器中，典型地用强制水流冷却绝缘栅双极晶体管(IGBT)。但是，由于技术趋势为更紧凑的设计，所以传统的热管理可能变得不足。主要原因是总加热功率密度增大，因为发热部件(IGBT)更紧密地包装在一起。为了出现的克服热管理问题，已经提出了用于转换器的冷却系统，它基于对介电工作流体进行2相强制蒸发(沸腾)冷却。
但是，存在一些关于传统冷却系统的问题，它们与典型地大量蒸发器并行地流体连接有关。流体分配由摩擦、惯性效应和重力引起的若干流体阻力影响确定。这些阻力和相关联的压降的累积效应对于流体分配的不同分支不可避免地是不同的。特别地，在竖向布置的转换器阀的情况下，对于处于不同高度的IGBT而言，蒸发器入口压力由于高度差而改变。另外，流体速度在流体分配歧管的不同部分中是不同的，并且在蒸发器中沸腾的流体的压降取决于在不同基元之间改变的IGBT加热功率。
并行流体流分支中的压降不相等的这些和其它原因导致不同分支中有不同的流率。如果由转换器阀中的单个IGBT产生的热损耗高于临界值，则流分支中的流体完全沸腾。这导致其蒸发器的一部分变干，而且因此，某些IGBT的温度迅速升高到有害水平，从而可能甚至导致热失控。如果由IGBT产生的热突然改变，但相关联的流分支中的流率恒定，则此情形可恶化。一个解决方案是在各个蒸发器的上游使用电子阀，用来自感测IGBT的温度的温度计的反馈来控制电子阀。但是，这个解决方案对于阀和温度传感器需要辅助功率供应，在诸如HVDC转换器的应用中实现这个解决方案可为成问题的，在HVDC转换器中，不同的蒸发器处于高电压，各个蒸发器处于不同的电势。
按照上述内容，需要提供用于冷却调整的克服至少一些现有技术中的问题的系统和方法。
发明内容
按照以上内容，提供根据独立权利要求的用于自动冷却调整的冷却调整系统和方法。根据权利要求、描述和附图，本公开的另外的方面、好处和特征是明显的。
根据本公开的一方面，提供一种冷却调整系统。冷却调整系统包括：阀，其具有设置在阀的内部中的控制装置，其中，控制装置构造成控制设置在阀入口和阀出口之间的孔口的开度，使得可调整从阀入口到阀出口的冷却剂流；具有接触表面的蒸发器，接触表面适于热连接到热源上，使得蒸发器在冷却调整系统的运行状态中使来自热源的热负载消散，蒸发器具有连接到阀出口上的蒸发器入口；以及调整装置，其构造成对阀提供依赖温度的气体压力来调整控制装置的位置，以便调整冷却剂流；其中，调整装置在冷却剂的蒸气品质χ为χ≤χcr的位置处与蒸发器处于热接触，其中，χcr是临界蒸气品质。
根据本公开的另一方面，提供一种冷却调整系统。冷却调整系统包括：阀，其具有设置在阀的内部中的控制装置，其中，控制装置构造成控制设置在阀入口和阀出口之间的孔口的开度，使得可调整从阀入口到阀出口的冷却剂流；具有接触表面的蒸发器，接触表面适于热连接到热源上，使得蒸发器在冷却调整系统的运行状态中使来自热源的热负载消散，蒸发器具有连接到阀出口上的蒸发器入口；设置在蒸发器的出口管路处的加热器，其中，加热器经由导热元件与出口管路处于热接触；调整装置，其构造成对阀提供依赖温度的气体压力来调整控制装置的位置，以便调整冷却剂流；其中，调整装置与导热元件处于热接触，其中，加热器构造成提供固定加热功率，其中，选择固定加热功率，使得通过导热元件的热通量类似于通过蒸发器的最大可能热通量。
根据本公开的另一方面，一种功率模块，包括至少一个根据本文描述的任何实施例的冷却调整系统，其中，发热电子构件和发热电气构件中的至少一个热连接到蒸发器的接触表面上。
根据本公开的又一方面，提供一种用于自动冷却调整的方法。该方法包括：经由阀入口在阀中提供处于过冷状态的冷却剂；导引冷却剂通过具有可控制开度的孔口而进入蒸发器中，其中，孔口设置在阀入口和连接到蒸发器上的阀出口之间；在蒸发器中提供从热源到冷却剂的第一热传递，使得蒸发器在冷却调整系统的运行状态中使来自热源的热负载消散；对调整装置提供第二热传递，调整装置构造成对阀提供依赖温度的气体压力，以便调整冷却剂流，其中，调整装置在冷却剂的蒸气品质χ为χ≤χcr的位置处与蒸发器处于热接触，其中，χcr是临界蒸气品质，或者其中，调整装置与导热元件处于热接触，导热元件与设置在蒸发器的出口管路处的加热器处于热接触，其中，加热器构造成提供固定加热功率，选择固定加热功率，使得通过导热元件的热通量类似于通过蒸发器的最大可能热通量；以及通过设置在阀的内部中的控制装置调整冷却剂流，其中，控制装置构造成控制设置在阀入口和阀出口之间的孔口的开度。
实施例还涉及用于执行公开的方法的设备，并且包括用于执行各个描述的方法方面的设备部件。这些方法方面可用硬件构件、由合适的软件编程的计算机、它们两者的任何组合执行或者以任何其它方式执行。此外，根据本公开的实施例还涉及用于运行所描述的设备的方法。用于运行所描述的设备的方法包括用于执行设备的每个功能的方法方面。
附图说明
为了可详细理解本公开的上面叙述的特征，可通过参照实施例来获得上面简要概述的本公开的更具体的描述。附图与本公开的实施例有关，并且在下面描述附图：
图1显示根据本文描述的实施例的冷却调整系统的示意图，冷却调整系统具有阀、蒸发器和调整装置；
图2显示根据本文描述的实施例的包括蒸发器的冷却调整系统的一部分的示意图；
图3显示根据本文描述的实施例的冷却调整系统的一部分的示意图，其中调整装置与导热元件处于热接触，导热元件与设置在蒸发器的出口管路处的加热器处于热接触；
图4显示热传递系数(h)、蒸发器的温度(Te)，以及沿着具有恒定热通量的通道中的制冷剂流的流体(Tfl)的温度的示意性图表，以便更好地理解本文描述的冷却调整系统；
图5显示通过逐步降低加热功率来进行的自动流调整的示例性图表，以便更好地理解本文描述的冷却调整系统；
图6A对于蒸发器压力的若干设定值显示质量流率随加热功率而改变的示例性图表，以便更好地理解本文描述的冷却调整系统；
图6B对于蒸发器压力的若干设定值显示出口蒸气品质随加热功率而改变的示例性图表，以便更好地理解本文描述的冷却调整系统；以及
图7显示示出了根据本文描述的实施例的用于自动冷却调整的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参照各种实施例，在各个图中示出实施例的一个或多个示例。各个示例以解释的方式提供，并且不意于为限制。例如，被示为或描述成一个实施例的一部分的特征可用在任何其它实施例上或者与其结合起来使用，以产生另一个实施例。意于的是本公开包括这样的修改和变型。
在图的以下描述中，相同参考标号指示相同或相似构件。大体上，仅仅描述关于单独的实施例的区别。除非另有规定，否则对一个实施例中的部件或方面的描述也可适用于另一个实施例中的对应的部件或方面。
图1显示根据本文描述的实施例的冷却调整系统100的示意图。冷却调整系统100包括阀110，阀110具有设置在阀110的内部中的控制装置120。控制装置120构造成控制设置在阀入口112和阀出口113之间的孔口111的开度，使得可调整从阀入口112到阀出口113的冷却剂流。另外，冷却调整系统100包括具有接触表面的蒸发器130，接触表面适于热连接到热源140、141上，使得蒸发器在冷却调整系统100的运行状态中使来自热源140、141的热负载消散。如图1中示范性地显示的那样，典型地，蒸发器130具有连接到阀出口113上的蒸发器入口131。另外，冷却调整系统100包括调整装置150，它构造成对阀110提供依赖温度的气体压力来调整控制装置120的位置，以便调整冷却剂流。在图1中显示的示例性实施例中，调整装置150在冷却剂的蒸气品质χ为χ≤χcr的位置处与蒸发器130处于热接触，其中，χcr是临界蒸气品质。
在本公开中，要理解的是，临界蒸气品质χcr对应于从环形流状况(其中冷却是高效的)到壁变干状况(其中冷却效率下降，但蒸气品质仍然小于1)的过渡时的临界值。换句话说，临界蒸气品质χcr对应于从冷却高效的流状况到冷却效率降低的状况但蒸气品质仍然小于1的过渡时的临界值，诸如从环形流状况到壁变干状况的过渡。因此，要理解的是，在临界蒸气品质χcr处存在过渡，使得：(a)存在流状况改变，(b)冷却效率大大降低，以及(c)流体保持处于饱和状态(χ<1)。
因此，本文描述的实施例有益地提供构造成调整蒸发器的冷却效率的自调整冷却调整系统。特别地，本文描述的实施例具有的优点是，可用任何额外的能量供应或电子控制回路提供蒸发器的冷却效率的自调整，使得提供紧凑且耐故障的冷却调整系统。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，调整装置150定位在热源140(例如一个或多个IGBT子模块141)和蒸发器130的成阵列的通道170中的至少一个通道(通过它提供冷却剂)之间的热流径中，如图2中示意性地显示的那样。如图2中示范性地指示的那样，蒸发器130中的冷却剂流典型地在并行布置的成阵列的通道170中出现。例如，IGBT中的热损耗可在IGBT子模块141和流过成阵列的通道170中的通道的冷却剂之间产生热通量。就此而言，要注意的是，蒸发器和冷却剂之间的热传递系数(h)沿着蒸发器中的冷却剂的流向(z)是不恒定的，而是取决于流体蒸气品质χ，如图4中示范性地显示的那样。在蒸气品质的某个值χ≤χcr以上，热传递迅速退化。例如，在大致均匀的热通量的情况下，热传递退化将导致待冷却的热源(例如IGBT的一部分)的温度不合需要地升高。要理解的是，虽然IGBT被称为热源，但可改为使用需要两相冷却的任何其它热源。
因此，与传统的冷却调整系统相反，本文描述的冷却调整系统的实施例(其中调整装置在冷却剂的蒸气品质χ为χ≤χcr的位置处与蒸发器处于热接触(χcr是临界蒸气品质))，有益地调整蒸发器的冷却效率。例如，冷却剂可为水、诸如氢氟烃(例如制冷剂R134a)的介电制冷剂，或者任何其它适当的冷却剂。
示例性地参照图1，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，调整装置150可包括容纳固体吸附剂155的球形物。例如，固体吸收剂可为活性碳和/或硅胶和/或沸石。因此，与诸如恒温膨胀阀(TEV)的传统冷却调整系统相反，调整装置150的球形物是装填吸附剂的球形物而非装填制冷剂的球形物。因此，要理解的是，对于本文描述的冷却调整系统的调整装置，吸附/解吸附的装填物的量随温度而改变。因此，调整装置有利地构造成提供运行球形物压力Pb，而没有阀头中冷凝的危害。
典型地，球形物设定成在成阵列的通道附近的点处与蒸发器处于热接触，在那里预计冷却剂的蒸气品质为最大。例如，这个点或位置可在蒸发器出口附近的某个地方。但要理解的是，球形物的确切位置可取决于成阵列的通道的冷却剂通道的具体3D布置。
因此，要理解的是，包括球形物(容纳固体吸附剂)的调整装置不控制过热，而是控制蒸发器的冷却效率。因此，与其中球形物设定成与离开蒸发器的蒸气处于热接触的传统系统相反，在本文描述的冷却调整系统的一些实施例中，球形物设定成与蒸发器本身处于热接触。如本文描述的那样，在冷却剂通道(例如蒸发器的成阵列的通道)和热源(例如比流体通道更热的IGBT子模块)之间战略性地选择在蒸发器处的用于布置球形物的点或位置。
如图1中示范性地显示的那样，根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，阀可包括连接到调整装置150上的第一阀部分110A和经由阀出口113连接到蒸发器130上的第二阀部分110B。例如，第一阀部分110A和调整装置150可容纳具有依赖温度的压力的气体。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，控制装置120可包括分开第一阀部分110A和第二阀部分110B的隔膜121。更特别地，控制装置120可包括刚性地连接到隔膜121上的棒状元件122。例如，棒状元件122可具有构造成调节孔口111的开度的调节元件123，如图1中示范性地显示的那样。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，冷却调整系统可进一步包括构造成调节控制装置120的响应特性的调节装置160。例如，调节装置160可包括具有第一端161A和第二端161B的弹簧元件161。典型地，第一端161A附连到棒状元件122上，并且第二端161B附连到设置在阀110的壁118中的调整螺丝162上，如图1中示范性地显示的那样。
示例性参照图1，更详细地描述根据本文描述的实施例的冷却调整系统100的运行原理。冷却剂在过冷且纯液体状态中在阀入口112处进入阀110，并且在过冷状态中在阀出口113处离开阀110。冷却剂在阀出口113处的压力可低于在阀入口112处的压力。因此，通过对阀提供处于过冷液体状态的冷却剂具有可避免产生蒸气的优点。避免产生冷却剂蒸气尤其是有益的，因为提供给蒸发器的蒸发冷却剂会增大蒸发器集管处的冷却剂流体速度，这对尤其是具有多通道结构的蒸发器中的冷却剂流体分配有不利作用。因此，在本文描述的实施例中，在过冷液体状态中在阀入口112和阀出口113处提供冷却剂。
然后冷却剂进入蒸发器130的蒸发器入口131。在蒸发器中，冷却剂典型地在成阵列的通道170中流动且接受来自热源140(例如包括一个或多个IGBT子模块141)的热。如图1中示范性地显示的那样，冷却剂典型地经由蒸发器出口132在饱和状态中(处于稳定状况)离开蒸发器130，其中蒸气品质χout≤xcr，其中，xcr是临界蒸气品质，典型地xcr<1。通过经由刚性地连接到隔膜121上的棒状元件122的移动获得的孔口111的可变开度来调整冷却剂流。隔膜121典型地分开两个空间，特别是第一阀部分110A和第二阀部分110B。第一阀部分110A例如通过管151而连接到调整装置150上。调整装置可包括容纳固体吸附剂(诸如活性碳、硅胶、沸石等)的球形物。
第一阀部分110A和调整装置150典型地填充处于某个压力(Pb)的特别选择的气体(“装填物”)，该压力随球形物的温度改变。典型地，第二阀部分110B中的压力(Pe)等于阀出口113的压力，阀出口113的压力可接近蒸发器入口压力，只要阀和蒸发器之间的压降小即可。
孔口111的开度与隔膜121的弯曲有关，弯曲由与远程球形物压力Pb、蒸发器压力Pe和可通过调整螺丝162手动调节的弹簧元件161的等效压力Ps相关联的三个力支配。因此，为了使阀稳定，力必须平衡，使得Pb＝Ps+Pe。特别地，压力平衡可像下面这样实现。预计蒸发器压力Pe是由完整的冷却系统的运行点确定的外部参数。应当选择在第一阀部分110A和球形物中的吸附器材料(即，固体吸附剂)的空间中的装填气体，使得在运行压力范围中且在最大可能热通量下，仍然有Te–Tfl≈ΔTmax，其中Te对应于蒸发器温度，Tfl对应于冷却剂流体的温度，并且ΔTmax对应于临界蒸气品质处的值χcr，如图4中示范性地显示的那样。
因此要理解的是，由于这些措施，在从热源到蒸发器的热通量有变化的情况下，本文描述的冷却调整系统能够自动地调节孔口111的开度，即，通过自调整。特别地，要理解的是，蒸发器温度和冷却剂T在蒸发器的任何点处的饱和温度Tsat(Pe)之间的差Δ应当小于ΔTmax，因为蒸气品质χ将低于定位有球形物的点处的蒸气品质，从而产生较高的热传递系数h，如图4中示范性地显示的那样。
如图1中示范性地显示的那样，调整装置的球形物可与蒸发器130处于热接触。随着蒸发器变得更热或更冷，球形物压力Pb增大或减小，从而使得隔膜121弯曲。隔膜的这个弯曲使棒状元件122移动，使得冷却剂流得到调整。特别地，如可从图1理解的那样，当球形物压力Pb增大时，孔口111的开度增大，使得提供增加的冷却剂流。因此，当球形物压力Pb减小时，孔口111的开度减小，使得提供减少的冷却剂流。
因此，提供适合纯机械的流调整的冷却调整系统。特别地，冷却调整系统的实施例构造成自动地调节冷却剂的流阻。例如，本文描述的冷却调整系统构造成响应于例如由IGBT产生的不同的热。换句话说，本文描述的冷却调整系统的实施例构造成自调整，使得不需要额外的电子控制回路或能量供应。因而，与传统的冷却调整系统相比，本文描述的冷却调整系统提供更紧凑且耐故障的设计。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的一些实施例(未明确显示)，蒸发器可包括设置成堆叠的多个蒸发器。特别地，多个蒸发器可连接到本文描述的阀和调整装置上。例如，多个蒸发器可设置成竖向堆叠或水平堆叠或任何其它三维布置。在蒸发器压力Pe对于成堆叠布置的多个蒸发器中的所有蒸发器来说不相同的情况下，可经由单独地设定本文描述的各个调整阀的调整螺丝162来有益地补偿蒸发器压力Pe的差异。因此，在待冷却的多个热源(例如多个IGBT)上的温度均匀分布是可行的。
要进一步理解的是，在本文描述的冷却调整系统中可使用各种设计的蒸发器，各种布置和几何构造的流体流通道以及不同的集管几何构造。例如，蒸发器可为扁挤压式多端口蒸发器。
在实验上用原型蒸发器示范根据本文描述的实施例的冷却调整系统的适用性，原型蒸发器由四个并行的扁平铝挤压式多端口管组成，总共具有52个流体流通道，其横截面积为1.42×1.5mm2。不是真实的IGBT，4个子模块StakPak IGBT由尺寸为82×48×12mm3的四个铜块代替，铜块具有电加热筒，其产生总共Q＝3kW的热。铜块置于成阵列的通道170下方，如图2中显示性地显示的那样，并且夹在两个钢板之间，这提供在块和多端口管之间实现良好热接触所必需的压力。选择制冷剂R134a作为冷却剂流体。
在图3中显示图1中显示的用于提供改进的冷却系统的实施例的备选解决方案。特别地，图3显示冷却调整系统的一部分的示意图，其中调整装置150与导热元件190处于热接触，导热元件190与设置在蒸发器130的出口管路处的加热器180处于热接触。
更特别地，根据可与本文描述的其它实施例结合的冷却调整系统的备选实施例，冷却调整系统100包括阀110，阀110具有设置在阀110的内部中的控制装置120。控制装置120构造成控制设置在阀入口112和阀出口113之间的孔口111的开度，使得可调整从阀入口112到阀出口113的冷却剂流。另外，冷却调整系统100包括具有接触表面的蒸发器130，接触表面适于热连接到热源140、141上，使得蒸发器在冷却调整系统100的运行状态中使来自热源140、141的热负载消散。蒸发器130典型地具有可连接到阀出口113上的蒸发器入口131。如图3中示范性地显示的那样，冷却调整系统100进一步包括设置在蒸发器130的出口管路处的加热器180。典型地，加热器180经由导热元件190与出口管路处于热接触。另外，提供调整装置150，它构造成对阀110提供依赖温度的气体压力来调整控制装置120的位置，以便调整冷却剂流。调整装置150与导热元件190处于热接触。加热器180构造成提供固定加热功率，选择固定加热功率，使得通过导热元件190的热通量类似于通过蒸发器130的最大可能热通量。
因此，要理解的是，类似于图1中显示的实施例，图3中示例性显示的实施例提供与参照图1所描述的实施例具有相同优点的冷却调整系统的备选构造。特别地，通过提供具有调整装置150的冷却调整系统，经由导热元件190使调整装置150与加热器180处于热接触，也可提供能够调整蒸发器的冷却效率的自调整系统，使得不需要额外的电子控制回路，并且提供紧凑且耐故障的冷却调整系统。
作为对客户定制式流调整阀的替代品，可使用具有适当特性的商业TEV。例如，可使用由霍尼威尔公司制造的具有装填吸附剂的球形物的恒温膨胀阀TMVX-00101。球形物可与安装在成阵列的通道和待冷却的加热器源之间的2mm厚的铝板进行热接触。例如阀可构造成在出口集管压力下使用外部平衡。特别地，针对R22且T<15℃而设置恒温膨胀阀TMVX-00101的特性的大小；因此，这个特定的阀在T球形物>35℃(或Pe>8.8巴)的环境中完全能够工作。在合适的温度和压力下，可预计逐渐关闭阀(热Q减小)且最终完全关闭阀，Q→0。图5中显示的图表示范性地展示了这个状态，其中加热功率逐步降低(由图表501表示)使得制冷剂流率减小，这由图表502表示。
为了显示根据本文描述的实施例的冷却调整系统的适用性，图6A中针对蒸发器压力的若干设定值显示了质量流率随加热功率改变的示例性图表，并且图6B中针对蒸发器压力的若干设定值显示了出口蒸气品质随加热功率改变的示例性图表。如可从图6A和6B中看出的那样，随着Q减小，流率接近零，因为Pe＝9.9巴和Pe＝9.1巴。对于较低的蒸发器压力(Pe＝8.3巴和Pe＝7.5巴)，阀保持打开，但这些压力在阀的预计完全工作范围之外。
示例性地参照图7中显示的流程图，描述了根据本文描述的实施例的自动冷却调整的方法。特别地，用于自动冷却调整的方法200包括经由阀入口112将处于过冷状态的冷却剂提供210到阀110中。另外方法包括导引220冷却剂通过具有可控制开度的孔口111而进入蒸发器130中，其中，孔口111设置在阀入口112和连接到蒸发器130上的阀出口113之间。另外，方法包括在蒸发器130中提供230从热源140、141到冷却剂的第一热传递，使得蒸发器在冷却调整系统100的运行状态中使来自热源140、141的热负载消散。另外；方法包括对调整装置150提供240第二热传递，调整装置150构造成对阀110提供依赖温度的气体压力，以便调整冷却剂流。
调整装置150在冷却剂的蒸气品质χ为χ≤χcr的位置处与蒸发器130处于热接触(如参照图1示范性地描述的那样)，或者备选地调整装置150与导热元件190处于热接触，导热元件190与设置在蒸发器130的出口管路处的加热器180处于热接触(如参照图3示范性地描述的那样)，其中，加热器180构造成提供固定加热功率，选择固定加热功率，使得通过导热元件190的热通量类似于通过蒸发器130的最大可能热通量。另外，方法包括通过设置在阀110的内部中的控制装置120来调整250冷却剂流，其中，控制装置120构造成控制设置在阀入口112和阀出口113之间的孔口111的开度。特别地，调整250冷却剂流使得调整蒸发器130的冷却效率。
因此，提供自调整冷却方法，可用该方法来调整蒸发器的冷却效率，例如使其保持处于最佳范围。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，方法可进一步包括从蒸发器中排出处于饱和状态的冷却剂。
根据可与本文描述的任何其它实施例结合的实施例，通过控制装置120调整250冷却剂流可包括使控制装置120的隔膜121弯曲，使得刚性地连接到隔膜121上的棒状元件122是可移动的，以便用棒状元件122的调节元件123控制孔口111的开度，如参照图1示范性地描述的那样。另外，方法可包括用调节装置160调节控制装置120的响应特性，如参照图1示范性地描述的那样。
因而考虑到本文描述的实施例，要理解的是，提供用于冷却调整的改进的系统和方法。特别地，本文描述的冷却调整系统的实施例是完全无源的，即，流调整单元不需要电流供应。这允许安装在使用辅助电气供应和电缆较复杂的区域中，例如，在高电压区域中。另外，在本文描述的实施例中，冷却剂流率对于可获得的可变加热负载是自调整的，而没有专用的控制电子器件。因此，冷却效率自动地调节到防止流体变干且因此防止晶体管有害地过热所需的水平。另外，通过单独地设定对应的调节螺丝(在本文也称为调整螺丝)，冷却剂流在例如本文描述的成堆叠构造的多个蒸发器上可实现均匀地分配。根据本文描述的实施例的系统和方法的另一个优点在于，在流阻和热传递随着时间的推移由于例如结垢或其它原因而退化的情况下，最佳流率将自动更正。另外，冷却剂流自动降低到最低必要水平有益地使管道的磨损减小且使泵负载降低。
因此，要理解的是，本文描述的实施例特别适合包括多个IGBT的AC-DC转换器的两相冷却系统。例如，一个潜在应用(但不专有地)是ABB正在研发的下一代高电压直流电(HVDC)转换器，它特别合适用于风力和类似应用的近海转换器。
Claims (16)
1.一种冷却调整系统(100)，包括：
-阀(110)，其具有设置在所述阀(110)的内部中的控制装置(120)，其中，所述控制装置(120)构造成控制设置在阀入口(112)和阀出口(113)之间的孔口(111)的开度，使得可调整从所述阀入口(112)到所述阀出口(113)的冷却剂流；
-具有接触表面的蒸发器(130)，所述接触表面适于热连接到热源(140，141)上，使得所述蒸发器在所述冷却调整系统(100)的运行状态中使来自所述热源(140，141)的热负载消散，所述蒸发器(130)具有连接到所述阀出口(113)上的蒸发器入口(131)；以及
-调整装置(150)，其构造成对所述阀(110)提供依赖温度的气体压力来调整所述控制装置(120)的位置，以便调整所述冷却剂流；
其中，所述调整装置(150)在所述冷却剂的蒸气品质χ为χ≤χcr的位置处与所述蒸发器(130)处于热接触，其中，χcr是临界蒸气品质；
其中，所述调整装置(150)定位在所述热源(140，141)和所述蒸发器(130)的成阵列的通道(170)中的至少一个通道之间的热流径中，通过所述至少一个通道提供所述冷却剂。
2.根据权利要求1所述的冷却调整系统(100)，其特征在于，所述调整装置(150)包括球形物，所述球形物容纳固体吸附剂(155)。
3.根据权利要求2所述的冷却调整系统(100)，其特征在于，所述固体吸附剂(155)是活性碳和/或硅胶和/或沸石。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的冷却调整系统(100)，其特征在于，所述阀(110)包括连接到所述调整装置(150)上的第一阀部分(110A)和经由所述阀出口(113)连接到所述蒸发器(130)上的第二阀部分(110B)。
5.根据权利要求4所述的冷却调整系统(100)，其特征在于，所述第一阀部分(110A)和所述调整装置(150)容纳具有依赖温度的压力的气体。
6.根据权利要求4所述的冷却调整系统(100)，其特征在于，所述控制装置(120)包括分开所述第一阀部分(110A)和所述第二阀部分(110B)的隔膜(121)，以及其中，所述控制装置(120)包括刚性地连接到所述隔膜(121)上的棒状元件(122)。
7.根据权利要求6所述的冷却调整系统(100)，其特征在于，所述棒状元件(122)具有构造成调节所述孔口(111)的开度的调节元件(123)。
8.根据权利要求6或7所述的冷却调整系统(100)，其特征在于，所述冷却调整系统(100)进一步包括构造成调节所述控制装置(120)的响应特性的调节装置(160)。
9.根据权利要求8所述的冷却调整系统(100)，其特征在于，所述调节装置(160)包括具有第一端(161A)和第二端(161B)的弹簧元件(161)，其中，所述第一端(161A)附连到所述棒状元件(122)上，以及其中，所述第二端(161B)附连到设置在所述阀(110)的壁(118)中的调整螺丝(162)上。
10.一种冷却调整系统(100)，包括：
-阀(110)，其具有设置在所述阀(110)的内部中的控制装置(120)，其中，所述控制装置(120)构造成控制设置在阀入口(112)和阀出口(113)之间的孔口(111)的开度，使得可调整从所述阀入口(112)到所述阀出口(113)的冷却剂流；
-具有接触表面的蒸发器(130)，所述接触表面适于热连接到热源(140，141)上，使得所述蒸发器在所述冷却调整系统(100)的运行状态中使来自所述热源(140，141)的热负载消散，所述蒸发器(130)具有连接到所述阀出口(113)上的蒸发器入口(131)；
-设置在所述蒸发器(130)的出口管路处的加热器(180)，其中，所述加热器(180)经由导热元件(190)与所述出口管路处于热接触；
-调整装置(150)，其构造成对所述阀(110)提供依赖温度的气体压力来调整所述控制装置(120)的位置，以便调整所述冷却剂流；其中，所述调整装置(150)与所述导热元件(190)处于热接触，
其中，所述加热器(180)构造成提供固定加热功率，其中，选择所述固定加热功率，使得通过所述导热元件(190)的热通量类似于通过所述蒸发器(130)的最大可能热通量。
11.一种功率模块，包括根据权利要求1至10中的任一项的至少一个冷却调整系统(100)，其中，发热电子构件和发热电气构件中的至少一个热连接到所述蒸发器(130)的所述接触表面上。
12.一种用于自动冷却调整的方法(200)，包括
-经由阀入口(112)将处于过冷状态的冷却剂提供(210)到阀(110)中；
-导引(220)所述冷却剂通过具有可控制开度的孔口(111)而进入蒸发器(130)中，其中，所述孔口(111)设置在所述阀入口(112)和连接到所述蒸发器(130)上的阀出口(113)之间；
-在所述蒸发器(130)中提供(230)从热源(140，141)到所述冷却剂的第一热传递，使得所述蒸发器在冷却调整系统(100)的运行状态中使来自所述热源(140，141)的热负载消散；
-对调整装置(150)提供(240)第二热传递，所述调整装置(150)构造成对所述阀(110)提供依赖温度的气体压力，以便调整冷却剂流，
其中，所述调整装置(150)在所述冷却剂的蒸气品质χ为χ≤χcr的位置处与所述蒸发器(130)处于热接触，其中，χcr是临界蒸气品质，所述调整装置(150)定位在所述热源(140，141)和所述蒸发器(130)的成阵列的通道(170)中的至少一个通道之间的热流径中，通过所述至少一个通道提供所述冷却剂，或者
其中，所述调整装置(150)与导热元件(190)处于热接触，所述导热元件(190)与设置在所述蒸发器(130)的出口管路处的加热器(180)处于热接触，其中，所述加热器(180)构造成提供固定加热功率，选择所述固定加热功率，使得通过所述导热元件(190)的热通量类似于通过所述蒸发器(130)的最大可能热通量；以及
-通过设置在所述阀(110)的内部中的控制装置(120)调整(250)所述冷却剂流，其中，所述控制装置(120)构造成控制设置在所述阀入口(112)和所述阀出口(113)之间的所述孔口(111)的开度。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，调整(250)所述冷却剂流导致调整所述蒸发器(130)的冷却效率。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括以饱和状态从所述蒸发器中排出所述冷却剂。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，通过所述控制装置(120)调整(250)所述冷却剂流包括使所述控制装置(120)的隔膜(121)弯曲，使得刚性地连接到所述隔膜(121)上的棒状元件(122)是可移动的，以便通过所述棒状元件(122)的调节元件(123)来控制所述孔口(111)的开度。
16.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括通过调节装置(160)调节所述控制装置(120)的响应特性。
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Effective date of registration: 20200513 Address after: Baden, Switzerland Applicant after: ABB grid Switzerland AG Address before: Baden, Switzerland Applicant before: ABB Switzerland Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20240117 Address after: Zurich, SUI Patentee after: Hitachi Energy Co.,Ltd. Address before: Swiss Baden Patentee before: Hitachi energy Switzerland AG |