CN109417859B - 具有冷却系统的变换器单元装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种变换器阀装置，包括变换器单元、第一和第二半导体开关元件、容器和两相冷却系统，所述两相冷却系统包括被布置为与所述半导体开关元件热接触并且至少部分地蒸发介电工作流体的至少一个蒸发器。所述两相冷却系统和所述变换器单元被布置在所述容器内，并且流体返回管线被布置为接收来自所述至少一个蒸发器的两相流。在操作期间，所述变换器阀装置可以包括在所述容器与所述变换器单元之间的电临界区域，并且所述两相冷却系统被布置为生成仅包括来自由所述流体返回管线接收到的所述两相流的所述介电工作流体的气相或液相的单相流，并且将所述单相流输送通过所述电临界区域。

Description

具有冷却系统的变换器单元装置

技术领域

本公开涉及电力电子变换器领域。具体地，本公开涉及一种用于这种变换器的两相冷却系统。

背景技术

模块化多电平功率变换器(MMC)，也称为链式链路变换器(CLC)，包括在变换器分支或相脚中串联的多个变换器单元或者变换器子模块，而变换器分支或相脚又可以被布置成Y形/星形、三角形和/或间接变换器拓扑。每个变换器单元都可以以半桥或全桥电路的形式包括用于存储能量的电容器和功率半导体开关，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)装置、栅极可关断晶闸管(GTO)装置、集成门极换流晶闸管(IGCT)装置或者用于将电容器连接至具有一个或两个极性的变换器分支的MOSFET。每个变换器单元电容器的电压可以在1kV与6kV之间；而变换器分支的电压可以在10kV至几百kV的范围内。

具有处理器和相应软件或现场可编程门阵列(FPGA)的MMC控制器可以负责借助于脉冲宽度调制方案来控制变换器单元并且操作功率半导体开关。MMC可以用于电力传输和分配中的多种应用，包括高压直流(HVDC)应用以及静态VAR补偿器(静止同步补偿器)和/或柔性AC输电系统(FACTS)应用。后者可以包括用于静态功率因数校正以及用于基于产生或吸收无功功率的电压质量和稳定性目的的装置。

在MMC变换器单元中，包括功率半导体开关的电力电子模块代表功率损耗的主要来源，而在单元电容器中也可能会生成一些热量。为了变换器部件的正常操作和长寿命，可能需要充分冷却电力电子模块和单元电容器。按照惯例，功率半导体开关元件通过强制水流冷却，而单元电容器通过空气的自由对流冷却，电容器容器通过所有表面暴露于周围的循环空气。由于每单位体积的电容器加热强度受到限制，并且尽管容器填充材料的导热性相当低，但是所有电容器容器表面上的空气冷却可以确保热路径的最小长度，并且可以证明足以防止电容器中不期望的热点温度水平，这可能会显著影响电容器的寿命周期。然而，随着覆盖区要求的增加，发热部件被包装地更紧密，加热总功率密度增大，并且可能必须设想替代的冷却概念。

专利EP 2277365 B1公开了一种用于冷却被布置在多个模块上的功率硅装置的高功率驱动器堆叠系统，这多个模块又堆叠在共同的支撑结构中。介电流体冷却系统利用可蒸发的介电制冷剂并且包括多个流体导管、冷凝器、泵和放置在至少一个模块上的蒸发器。

发明内容

因此，本公开的目的是提供以紧凑设计布置的变换器单元的充分冷却。该目的通过根据独立权利要求的变换器阀装置实现。其他实施例由从属权利要求限定。

在彼此重叠或相邻布置的堆叠或连续的变换器单元中，电力电子模块和单元电容器都面向相邻变换器单元的相应部件，这需要在单元间具有足够的电、电介质和短路设计措施。随着覆盖区要求的增加，发热部件被包装地更紧密，单元电容器附近可用的空间(特别是电力电子模块与电容器之间可用的空间)变得稀缺。因此，在紧凑的变换器设计中，环境空气在堆叠方向上的循环可能被阻碍或减小到阻止单元电容器经由垂直于堆叠方向的电容器表面冷却的程度。此处，经由专用的热连接将多余的冷却功率从电力电子模块的强制对流沸腾冷却传递到单元电容器的冷却系统确保后者的充分冷却。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于多电平功率变换器的变换器单元的强制对流沸腾两相冷却系统。变换器单元可以包括用于存储能量的单元电容器以及将单元电容器连接至单元端子的第一半导体开关元件和第二半导体开关元件。冷却系统可以包括至少一个蒸发器，这至少一个蒸发器被布置为与半导体开关元件中的至少一个热接触并且适于蒸发介电工作或冷却流体或者制冷剂，至少一个蒸发器在包括用于循环流体的泵和中心冷凝器的闭合工作流体回路中流体连接。冷却系统可以适于将单元电容器热连接至工作流体的流体供给或返回管线，或者将热量从单元电容器传递到工作流体的流体供给或返回管线。

在一个实施例中，冷却系统可以包括仅一个蒸发器，并且仅一个蒸发器可以被布置为与第一和第二半导体开关元件热接触。在其他实施例中，冷却系统可以包括多于一个蒸发器，例如两个或三个蒸发器或更多，并且蒸发器可以被布置为使得每个半导体开关元件都与至少一个蒸发器热接触。如果例如多个蒸发器和半导体开关元件以堆叠方式布置，则多个蒸发器中的一个或多个蒸发器可以与第一和第二半导体开关中的仅一个半导体开关热接触。在该示例和其他示例中，多个蒸发器中的一个或多个可以与第一和第二半导体开关热接触。在一些示例中，没有蒸发器可以与多于一个半导体开关元件热接触。如果多于一个蒸发器被包括在冷却系统中，则一些或所有蒸发器可以在闭合的工作流体回路中流体并联。

在一个实施例中，冷却系统可以包括具有高导热性的专用热熔体或路径或其他连接，诸如冷指或热管，以将单元电容器热连接至向至少一个蒸发器提供冷凝工作流体并且从至少一个蒸发器返回经蒸发的工作流体的工作流体供给或返回管线。

在一个实施例中，单元电容器的电容器端子可以通过电容器套管或电容器连接被电连接至第一半导体开关元件，并且热熔体可以将电容器连接与流体供给或返回管线连接。在这种情况下，热熔体可以在不需要其自身的套管的情况下导电。在本公开的替代实施例中，可以提供电绝缘热熔体用于将流体供给或返回管线热连接至单元电容器的表面或外壳。

本公开的一个方面还涉及用于HVDC和FACTS应用的模块化多电平功率变换器(MMC)变换器装置，其中变换器阀包括多个串联的变换器单元，每个变换器单元分别包括用于存储能量的单元电容器和将单元电容器连接至单元端子的两个半导体开关元件，并且具有冷却系统。冷却系统可以包括闭合的工作流体回路，其包括用于冷凝经蒸发的工作流体的冷凝器和用于循环流体的泵。针对每个变换器单元，冷却系统还可以包括至少一个蒸发器，这至少一个蒸发器被布置为与单元的半导体开关热接触，至少一个蒸发器适于接收冷凝的介电工作流体并且返回经蒸发的工作流体。针对每个变换器单元，冷却系统可以包括具有高导热性的专用热熔体，该专用热熔体适于将单元电容器热连接至向至少一个蒸发器提供冷凝工作流体并且从至少一个蒸发器返回经蒸发的工作流体的流体供给或返回管线，或者将热量从单元电容器传递到流体供给或返回管线。如果多于一个蒸发器被包括在用于变换器单元的冷却系统中，则蒸发器可以流体方式被并联。在此处限定的装置中，变换器分支或相脚可以包括一个或多个变换器阀，每个变换器阀具有一个独立的冷却回路。

在一个实施例中，可以包括多于一个蒸发器，并且在连接至单独蒸发器的管段中变换器装置的流体供给管线可以具有流体限制节流元件，以平衡不同蒸发器之间的工作流体的流动。具体地，在非水平地(具体地，竖直地)堆叠变换器单元的情况下，这些节流元件可以考虑重力。

本公开还涉及一种变换器阀装置，该变换器阀装置包括至少一个变换器单元、第一半导体开关元件和第二半导体开关元件、容器和两相冷却系统。两相冷却系统可以包括至少一个蒸发器，该至少一个蒸发器被布置为与第一半导体开关元件和第二半导体开关元件中的至少一个热接触，并且适于至少部分地使介电工作流体蒸发。两相冷却系统可以包括用于从至少一个蒸发器返回介电工作流体的流体返回管线。

至少一个变换器单元和两相冷却系统可以被布置在容器内。在操作期间，变换器阀装置可以包括在容器与至少一个变换器单元之间的至少一个电临界区域。该至少一个电临界区域可以包括受容器的壁与至少一个变换器单元之间的电位差影响的至少一个区域。

流体返回管线可以被布置为接收包括介电工作流体的气相和液相的两相流。流体返回管线可以从至少一个蒸发器接收两相流。两相流可能是由介电工作流体的不完全蒸发导致的。流体返回管线可以在第一端处至少输出包括两相流的至少一部分的中间流。此处，“至少一部分”表示中间流可以包括从两相流接收到的流体的至少一些，尽管不一定处于同一相(液相或气相)或者相的组合中，如所接收到的。

两相冷却系统可以被布置为生成至少一个单相流，该至少一个单相流仅包括来自从流体返回管线接收到的中间流的介电工作流体的气相或液相。两相冷却系统可以被布置为将至少一个单相流输送通过至少一个电临界区域。

在一个实施例中，容器可以包括至少一个出口，通过该至少一个出口，流体可以通过容器的壁从容器的内部传递到容器的外部。两相冷却系统可以被布置为通过至少一个电临界区域将至少一个单相流输送到至少一个出口。

在一个实施例中，至少一个出口中的至少一个可以是液体出口，并且至少一个单相流中的至少一个可以是液体流。两相冷却系统可以被布置为通过至少一个电临界区域中的至少一个将液体流输送到液体出口。

在一个实施例中，至少一个出口中的至少一个可以是气体出口，并且至少一个单相流中的至少一个可以是气体流。两相冷却系统可以被布置为通过至少一个电临界区域中的至少一个将气体流输送到气体出口。

在一个实施例中，两相冷却系统可以包括分相器，该分相器被布置为接收来自流体返回管线的中间流。分相器可以被布置为分离来自中间流的介电工作流体的液相的至少一部分，以输出仅包括介电工作流体的液相的第二中间流。

在一个实施例中，分相器可以被布置为分离来自中间流的介电工作流体的气相的至少一部分，以输出要被输送到气体出口的气体流。

在一个实施例中，流体返回管线的直径可以大于或等于逆流流动限制直径，以在变换器阀装置的操作期间通过使用重力至少部分地分离接收到的两相流的相。中间流可以包括比介电工作流体的液相更多的气相，并且流体返回管线可以被布置为在不同于流体返回管线的第一端的第二端处输出第三中间流，该第三中间流可以包括比介电工作流体的气相更多的液相。

在一个实施例中，两相冷却系统可以包括储液器，该储液器被布置为接收第二中间流或第三中间流中的任何一个。

在一个实施例中，储液器可以被布置为接收来自分相器的第二中间流。

在一个实施例中，储液器可以被布置为接收来自流体返回管线的第三中间流。

在一个实施例中，储液器可以形成流体返回管线的集成部分，例如流体返回管线的第二端可以包括用于积聚液体的空间。

在一个实施例中，两相冷却系统可以包括第二分相器，该第二分相器可以被布置为从在流体返回管线的第二端处输出的第三中间流移除介电工作流体的气相。在该实施例或其他实施例中，第二分相器可以是单独部分，或者形成例如储液器和/或流体返回管线的集成部分。

在一个实施例中，流体返回管线可以被布置为将第二中间流的至少一部分从分相器输送到储液器。

在一个实施例中，两相冷却系统可以包括流体返回管线，该流体返回管线被布置为将第二中间流的至少一部分从分相器输送到储液器。

在一个实施例中，流体返回管线可以包括接近位置或在位置处的至少一个内部导流板，流体返回管线被配置为在该位置处接收来自至少一个蒸发器的两相流。

在一个实施例中，变换器单元可以包括单元电容器，并且两相冷却系统可以适于将单元电容器热连接至介电工作流体。

在一个实施例中，两相冷却系统可以包括用于将单元电容器热连接至流体返回管线的热熔体和/或被布置为向至少一个蒸发器提供介电工作流体的流体供给管线。热熔体可以被布置为在所述位置附近或在所述位置处提供单元电容器到流体返回管线的热连接。流体供给管线可以被包括在两相冷却系统中。

在一个实施例中，两相冷却系统可以被布置为：使得在容器处于直立位置的情况下，储液器位于容器的下部，并且分相器位于容器的上部。此处，下部和上部可以分别表示当沿着重力方向测量时，接近地面和远离地面的位置。

本公开涉及本文提及的特征的所有可能组合，包括上面列举的特征以及将在下文中参照不同实施例描述的其他特征。本文描述的任何实施例都可以与本文也描述的其他实施例组合，并且本公开还涉及所有这种组合。

附图说明

将在以下实施例的说明性和非限制性的详细描述中更详细地解释本公开的主题。参照附图，其中：

图1是根据本公开的一个或多个实施例的冷却系统布局的示意图；

图2是根据本公开的一个或多个实施例的在电容器与冷却回路之间的热熔体的示意图；

图3是根据本公开的一个或多个实施例的变换器阀装置的示意图；

图4是根据本公开的一个或多个实施例的变换器阀装置的示意图；

图5是根据本公开的一个或多个实施例的变换器阀装置的示意图；以及

图6是根据本公开的一个或多个实施例的变换器阀装置的示意图的放大视图。

在附图中，除非另有规定，否则相同的附图标记将用于相同元件。除非明确地相反规定，否则附图仅示出图示示例实施例所需的这种元件，而为了清晰起见，可以省略或仅暗示其他元件。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述示例性实施例。附图示出了当前优选的实施例，然而，本发明可以以许多不同形式体现，并且不应该被解释为限于本文陈述的实施例；相反，提供这些实施例是为了透彻和完整，并且向技术人员充分传达了本发明的范围。

现在将参照图1和图2描述根据本公开的冷却系统的一些实施例。

图1示出了用于变换器阀1的冷却系统的布局，该变换器阀1具有分别具有下面进一步描述的多个组成的四个相同的变换器单元2(其中为了易读性，未针对所有实例重复对应的附图标记13至18)。标有实心箭头的实线表示制冷剂或工作流体回路。处于液态的制冷剂由泵3泵送，并且由供给管线4的管道或导管引导至单元中的蒸发器15。冷却主要经由液相-气相转换(沸腾)的潜热而发生。产生的具有最高可能质量的蒸汽经由流体返回管线5的管道离开变换器阀，并且借助于与一些冷却介质的热交换在冷凝器6中冷凝。然后将液体制冷剂收集在分离器7中，还在过冷器热交换器8中过冷，该过冷器热交换器8流体连接至使流体回路闭合的泵3。多个变换器阀可以并联至相同的供给管线；制冷剂流量分布由阀9调节并且由质量流量计10控制。系统还包括一个或多个过滤器/干燥器11，以从制冷剂移除水。在示例性的海上应用中，用于热交换器6和8的优选冷却流体是由泵12通过由点划线表示的管道泵送的海水。

过冷器8可以是冷却器6的集成部分，在两者之间可以具有或不具有任何储集器和/或分离器。在一些实施例中，例如如果重力头足以避免泵3中的气穴现象，则过冷器8可以是可选的。

每个变换器单元2都包括电容器13和两个半导体开关元件14，具体地两个IGBT模块。两个蒸发器15被流体并联至液体制冷剂供给管线4和流体返回管线5。下部蒸发器与下部IGBT模块的集电极和上部IGBT模块的发射极具有良好的热接触和电接触。上部蒸发器与上部IGBT模块的集电极具有良好的热接触和电接触。在管道由导电材料制成的情况下，电绝缘部分16应该添加到两个蒸发器15之间的供给管线4和流体返回管线5。在将蒸发器15与供给管线4连接的管道中，增加了限流节流元件17，以便确保流体通过系统的所有蒸发器均匀分布。节流元件17可以是阀或者较小的横截面管段。最后，为了改善根据本发明的电容器13的冷却，具有高导热性的热熔体18将电容器与管道4和5热连接。

在本文描述的该实施例和其他实施例中，冷却系统被图示为在每个变换器单元2中具有两个蒸发器15。然而，设想冷却系统可以在每个变换器单元2中包括例如仅一个蒸发器15，或者冷却系统在每个变换器单元2中包括多于两个蒸发器15(例如三个、四个或更多)。还设想，蒸发器15的数量在不同的变换器单元2之间可能不同。作为说明性示例，单个蒸发器15可以被布置在变换器单元2中的两个半导体开关元件14之间并且与其热接触。作为另一说明性示例，两个或三个蒸发器15可以例如以堆叠方法与变换器单元2中的两个半导体元件14布置在一起。

图2在左侧示出了在电容器与两相冷却回路之间的热熔体的第一示例性实施例。电容器外壳13a包围通过电容器母线13b连接至第一电容器端子13c的多个电容器元件。电容器端子又借助于电容器套管13d和第一电气电容器连接13e连接至第一半导体开关元件14a。第一电气电容器连接的分支通向邻近的变换器单元(未示出)，而第二电容器端子(未示出)连接至第二半导体开关元件14b。第一热熔体18a被设置在电容器套管13d与供给管线4的电绝缘部分16之间。

图2在右侧示出了在电容器与两相冷却回路之间的热熔体的第二示例性实施例。具体地，第二热熔体18b被设置在电容器外壳13f与流体返回管线5之间。根据第二实施例的热熔体可以是根据第一实施例的热熔体的替代或补充，并且热熔体18a、18b两者都可以使用供给管线4和流体返回管线5中的任何一个作为散热器，并且优选地在单元的两个蒸发器之间的电绝缘部分处终止。

电容器外壳内的热源与两相冷却回路之间的热网络包括各种热阻，具体地涉及电容器容器内的热传导的热阻。用于从电容器元件向电容器套管收集和传递热量的热阻由电容器内部母线的设计(包括几何形状和材料性能)所确定。如果提供的是与母线电隔离(但是与母线邻近)的电容器内部集热器作为传热促进器，则母线的设计可以仅集中于电气性能，并且忽略热性能。

在任何紧凑的变换器设计中，对流空气、传感器和控制元件的可用空间受到固有限制。在变换器阀被浸入到介电气体中的情况下，单元电容器与其他变换器元件之间的最小距离与介电气体的介电击穿电场强度成反比。因此，即使在单元电容器的外表面与介电气体外壳之间，除了实际上不存在冷却介质之外，可能也没有足够的空间来使这种冷却介质循环，并且本申请中描述的替代单元电容器冷却概念都是更有利的。

选择系统的制冷剂的总流量，使得总沸腾潜热等于或高于半导体开关元件和单元电容器中的总热损失。应该最小化总流量以便降低泵送功率，但是它应该足够大以避免任何蒸发器中的不受控制的干涸。通过节流元件确保以流体方式被并联的不同蒸发器之间的等效流量分布，该节流元件具有针对每个蒸发器特有的各自不同的流阻，并且补偿例如流体的与高度相关的压力的差异。节流元件的流阻可以是固定的，或者根据IGBT模块处的温度测量值可变地确定。两相冷却导致变换器阀的IGBT模块上的温度分布非常均匀。

非燃介电制冷剂可以是称为R134a的制冷剂或者具有较低全球变暖潜能值的替代品，诸如R1234yz等。流量可能取决于两相制冷剂的类型，并且可以是每个单元0.01kg/s的量级，因此比常规的水冷却低一个数量级。冷却流体的较低流量导致管道的磨损减少，并且针对水平变换器阀装置的情况，导致泵负载显著减少以及冷却流体的总质量非常低。另外，对于高压应用，许多制冷剂流体的介电性能比水的节点性能更有利，水需要将去离子设备包括在冷却系统中。

冷凝器和过冷器可以将热量排放到环境空气、热负载或者水浴，例如海上平台上。为了获得最高的冷却性能，冷却器也可以通过主动制冷回路冷却，以在技术经济优化的情况下将工作流体温度抑制到甚至低于环境。连接可以是直接的(制冷剂到环境冷却介质)或者间接的(经由中间环路，例如清水)。

参照图3至图5，现在将描述变换器阀装置的实施例。

图3示出了包括容器20的变换器阀装置1的布局，其中三个相同的变换器单元2以堆叠配置布置。在其他实施例中，变换器单元2的数量可以大于或小于三个。每个变换器单元2都具有单元电容器13、第一和第二开关元件14(例如IGBT)以及第一和第二蒸发器15。

在变换器阀装置1的操作期间，每个蒸发器15都经由流体供给管线4提供有介电工作流体的液相。当流体通过蒸发器15时，它可以吸收由例如开关元件14或变换器单元2中的其他部件生成的热量，在此过程中，流体的至少一部分可以蒸发，使得其从液相变为气相。根据例如所提供的介电工作流体的质量流量，不是所有流体都可以蒸发。相反，流体的至少一部分(例如20至40％)可以保持在液相中，并且来自蒸发器15的输出可以是两相流，其包括介电工作流体的气相和液相的混合物。通过允许介电工作流体的不完全蒸发，可以调整两相冷却系统的传热强度和稳定性，并且可以避免例如某些区域中的不受控制的干涸的风险。

在通过蒸发器15之后，介电工作流体的两相流收集在流体返回管线5中。流体返回管线5可以构造成例如来自管道或导管，并且配置为至少在位置23处接收来自蒸发器15的两相流。

在变换器阀装置1的操作期间，可以生成变换器阀装置1的部件中的至少一些之间的较大电压差。例如如图3所指示的，如果容器20接地，则例如变换器单元2与容器20的壁之间的电位差可以达到几百千伏或更高(例如大约400kV或更高)。这种电位差的可能存在可以创建介电临界区域，其中介电设计和其中的部件的介电性能可能越来越重要。

一个挑战可能是在这种介电临界区域中可能存在多于一相(例如气相和液相)的流体。这包括在一些或所有设计机制中关于电阻性能的要求以及关于其他行为(诸如局部放电或由于这种放电而导致的分解)和所产生的产物的性能的要求。在图1的变换器阀装置1中以及在根据本公开的其他实施例中，通过布置两相冷却系统使得介电工作流体的不同相在流体进入介电临界区域(即，暴露于高于几kV的电位差和/或受其影响的区域)之前可靠地分离，来克服或者至少部分地减轻挑战。通常，目前对较大电场中的两相流的介电行为的理解可能相对较低。通过分离各相，即，使得在例如容器内的某个位置中的某个管道或管线中仅存在液体或气体，可以应用与仅气体或液体绝缘情况相对应的更标准的设计规则。

在图3中，分别利用实心和空心箭头来图示介电工作流体的液相和气相的流动方向。

在流体返回管线5接收介电工作流体的两相流之后，两相流的至少一部分由流体返回管线5输送并且在流体返回管线的第一端处输出作为中间流。为此，在一个实施例中布置了分相器24。分相器24接收中间流并且可以从中间流分离介电工作流体的液相的至少一部分，并且输出仅包括分离的液相的第二中间流。分相器24可以例如使用离心作用、加热、冷凝和/或其他方法来分离液相。

从分相器24输出的第二中间流经由液体返回管线27输送到可以暂时存储液体的储液器25。如图3所图示的，如果变换器阀装置1被布置为使得容器20直立，则储液器25可以被放置在分相器24之下，使得重力可以帮助将液体从分相器24运输到储液器25。如果这种对齐和/或重力帮助的运输不可用，则可以设想例如一个或多个泵被用于帮助在两相冷却系统的某些部分内运输液体。

在容器20内，变换器单元2与容器20的壁之间的电位差可能足够大以生成介电临界区域。在图3中，图示了两个这种介电临界区域21a和21b。在该实施例中，容器20包括液体出口22a，并且储液器25可以输出通过介电临界区域21a(通过例如管道或导管)输送到液体出口22a的单相液体流。在相同的介电临界区域21a内，在该实施例或其他实施例中，液体形式的介电工作流体可以经由液体入口28提供到流体供给管线4并且还输送通过介电临界区域21a。由于在介电临界区域21a中仅局部存在(例如在相同的管道或者导管中)介电工作流体的单相(液体)，则与将液体和气体一起输送(例如在相同的管道或者导管中)通过区域21a并且通过例如出口22a输送出去相比，可以通过使用更标准的用于仅液体绝缘的设计规则来提供适当的绝缘。

在一些实施例中，液体入口28和液体出口22a又可以连接至诸如之前描述的外部回路，其中介电工作流体的液相可以例如在经由液体入口28再循环回到变换器阀装置1之前进一步冷却。

图3还示出了可选的再循环泵29，该再循环泵29可以被布置为将从储液器25输出的单相流的一些或所有再循环回容器20(变换器阀1内)内的流体供给管线并且通过介电临界区域21a。如上面所提及的，仅具有在区域21a中局部存在的介电工作流体的单相可以促进绝缘程序。

泵29可以在一些实施例中省略，或者替换为例如被动混合装置(诸如液体喷射器)或由其补充。泵29或其替代/补充可以补充整个冷却系统中可能发生的压降。在单相流的所有单相流再循环的实施例中，液体出口22a可以是可选的。

分相器24可以被布置为分离来自从流体返回管线5接收到的中间流的介电工作流体的气相的至少一部分。容器20可以包括气体出口22b，并且分相器24可以通过介电临界区域21b输出被输送到气体出口22b的气体流。

由于在介电临界区域21b中仅局部存在介电工作流体的单相(气体)，因此，与将液体和气体两者一起输送(例如在相同的管道或者导管中)通过区域21b并且通过例如出口22b输送出去相比，可以通过使用更标准的用于仅气体绝缘的设计规则，来提供适当的绝缘。仅存在单相还可以促进分相器24与容器20的壁之间的电绝缘，特别是如果与利用介电气体填充容器20相结合，并且通过提供例如管道或导管的固体绝缘材料，该管道或导管用于将气体从分相器24输送到气体出口22b。当例如储液器25与容器20的壁电绝缘时，也可以应用相同原理。

当气体(蒸汽)离开分相器24朝向气体出口22b时，它可以加速并且静压可以略微下降。为了确保这种条件不会导致任何局部液体生核，可以例如在气体出口内布置辅助加热器(未示出)，以便蒸发由于这种效应而产生的任何液滴。

在气流通过其他出口22b离开容器20之后，气体可以输送到外部冷凝器(诸如之前描述的冷凝器6)，其中它可以冷凝回液体或者以其他方式处理。

图4示出了变换器阀装置1的替代实施例，除了分相器24包括冷凝器之外，它可以等效于参照图3描述的变换器阀装置1。冷凝器是由冷却水的外部供给30冷却的水，但是还设想可以使用其他类型的冷凝器(例如空气或者电冷却)。在图4的设置中，从流体返回管线5进入分相器24的所有气体都可以被冷凝回液体，使得仅介电工作流体的液相(经由流体返回管线27)离开分相器24。在图4中，泵29将所有(或几乎所有)单相液体流再循环回到流体供给管线4，因此在正常操作期间可能不需要液体入口/出口和气体出口，这是因为两相冷却环路可以在变换器阀装置1的内部闭合。

图5示出了变换器阀装置1的替代实施例，除了流体返回管线5被设计为使得其直径足够大以便介电工作流体的液相的气相和液相的大多数(或者至少一部分)通过使用重力在流体返回管线5自身内分离之外，该变换器阀装置1可以类似于参照图3描述的变换器阀装置1。如果容器20是直立的，则两相冷却系统可以被布置为使得进入流体返回管线5的液体朝向容器20的底部向下落下，同时进入流体返回管线5的气体向上升起。为了实现这一点，流体返回管线5的直径可以等于或大于逆流流动限制(CCFL)直径，在该直径下，气体(蒸汽)速度足够低并且液体可以在不被夹带的情况下通过重力下降并且与气体一起被迫向上。CCFL直径可以基于所需的两相冷却系统的冷却功率来计算，并且可以是固定的或者随着例如在容器底部上方的高度而变化，因为在较低的变换器单元处可以预期较小的流量。

流体返回管线5被布置为在其第二端处输出第三中间流。通过上述原理，去往分相器24的中间流可以包括比介电工作流体的液相更多的气相，而第三中间流可以包括比介电工作流体的气相更多的液相。

接收储液器25以返回在流体返回管线5的第二端处输出的第三中间流，并且将该液体与经由液体返回管线27从分相器24接收到的液体暂时地存储在一起。可以设想的是，在一个实施例中，流体返回管线5被布置为朝着储液器25输送第二中间流(来自分相器24)和第三中间流，在这种情况下，液体返回管线27可以是可选的。还可以设想，储液器25是流体返回管线5的集成部分。

在图5中，第二分相器26被布置为从第三中间流移除介电工作流体的气相。分相器26可以根据与分相器24类似的原理操作，并且可以被用于移除可能未由流体返回管线5完全分离的任何气相。可以设想的是，第二分相器26可以是储液器25和/或流体返回管线5的集成部分。

在图6中，示出了变换器阀装置和位置23周围的两相冷却系统的示例性实施例的放大视图。在位置23处，流体返回管线5接收来自第一和第二蒸发器中的至少一个蒸发器的两相流，并且在该位置23处流体返回管线5设置有三个内部导流板31a、31b和31c。可以设想的是，可以使用更多或更少的导流板，并且导流板可以布置在位置23处或者位置23附近。

导流板可以是例如翅片、翼片、穿孔材料或其他结构和/或其组合，这可以改善介电工作流体的气相和液相的分离。导流板可以使用两相流的动能，来收集液滴并且使其向下偏转。

在例如图3、4、5和6中的变换器阀装置1中，热熔体18被设置为将单元电容器13热连接至流体供给管线5。热熔体18被布置为使得它在该位置23处附接至流体返回管线5(或者至少与流体返回管线5热接触)，这可以实现单元电容器13与流体供给管线5之间的改善的热连接。

虽然已经在附图和前面的描述中详细描述了本发明，但是这种描述应该被认为是说明性的或示例性的，而非限制性的。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。仅在不同的权利要求中叙述某些元件或步骤的这一事实并不表示这些元件或步骤的组合不能被有利地加以使用，具体地，除了权利要求的实际从属关系之外，任何另外的有意义的权利要求的组合应该被认为是公开的。

Claims (15)

1.一种变换器阀装置，包括至少一个变换器单元(2)、第一半导体开关元件(14)和第二半导体开关元件(14)、容器(20)和两相冷却系统，所述两相冷却系统包括：

至少一个蒸发器(15)，被布置为与所述第一半导体开关元件(14)和所述第二半导体开关元件中的至少一个热接触，其中所述至少一个蒸发器适于至少部分地蒸发介电工作流体；

流体返回管线(5)，被布置为接收包括来自所述至少一个蒸发器的所述介电工作流体的气相和液相的两相流，并且在所述流体返回管线的第一端处至少输出包括所述两相流的至少一部分的中间流，

其中所述至少一个变换器单元和所述两相冷却系统被布置在所述容器内，

其中在操作期间，所述变换器阀装置包括在所述容器与所述至少一个变换器单元之间的至少一个介电临界区域(21a；21b)，并且

其中所述两相冷却系统被布置为生成仅包括来自所述中间流的所述介电工作流体的气相或液相的至少一个单相流，并且将所述至少一个单相流输送通过所述至少一个介电临界区域。

2.根据权利要求1所述的变换器阀装置，其中所述容器包括至少一个出口(22a；22b)，其中所述两相冷却系统被布置为通过所述至少一个介电临界区域将所述至少一个单相流输送到所述至少一个出口。

3.根据权利要求2所述的变换器阀装置，其中所述至少一个出口中的至少一个出口是液体出口(22a)，其中所述至少一个单相流中的至少一个单相流是液体流，并且其中所述两相冷却系统被布置为通过所述至少一个介电临界区域中的至少一个介电临界区域将所述液体流输送到所述液体出口。

4.根据权利要求2或3所述的变换器阀装置，其中所述至少一个出口中的至少一个出口是气体出口(22b)，其中所述至少一个单相流中的至少一个单相流是气体流，并且其中所述两相冷却系统被布置为通过所述至少一个介电临界区域中的至少一个介电临界区域将所述气体流输送到所述气体出口。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器阀装置，其中所述两相冷却系统包括分相器(24)，所述分相器(24)被布置为接收来自所述流体返回管线的所述中间流，并且分离来自所述中间流的所述介电工作流体的所述液相的至少一部分，以输出仅包括所述介电工作流体的液相的第二中间流。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器阀装置，其中所述流体返回管线的直径大于或等于逆流流动限制直径，以在所述变换器阀装置的操作期间使用重力至少部分地分离接收到的所述两相流的所述气相和所述液相，其中所述中间流包括比所述介电工作流体的液相更多的气相，并且其中所述流体返回管线被布置为在不同于所述第一端的第二端处输出第三中间流，所述第三中间流包括比所述介电工作流体的气相更多的液相。

7.根据权利要求5所述的变换器阀装置，其中所述两相冷却系统包括储液器(25)，所述储液器(25)被布置为接收所述第二中间流或所述第三中间流中的任何一个中间流。

8.根据权利要求7所述的变换器阀装置，其中所述储液器形成所述流体返回管线的集成部分。

9.根据权利要求6所述的变换器阀装置，其中所述两相冷却系统包括第二分相器(26)，所述第二分相器(26)被布置为从在所述流体返回管线的所述第二端处输出的所述第三中间流移除所述介电工作流体的气相。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的变换器阀装置，其中所述两相冷却系统包括液体返回管线(27)，所述液体返回管线(27)被布置为将所述第二中间流的至少一部分从所述分相器输送到所述储液器。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器阀装置，其中所述至少一个介电临界区域包括受所述容器的壁与所述至少一个变换器单元之间的电位差影响的至少一个区域。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器阀装置，其中所述变换器单元包括单元电容器(13)，并且其中所述两相冷却系统适于将所述单元电容器热连接至所述介电工作流体。

13.根据权利要求12所述的变换器阀装置，其中所述两相冷却系统包括用于将所述单元电容器热连接至所述流体返回管线的热熔体(18)和/或被布置为向所述至少一个蒸发器提供介电工作流体的流体供给管线(4)。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的变换器阀装置，其中所述流体返回管线包括接近位置(23)或在所述位置(23)处的至少一个内部导流板(31a；31b；31c)，所述流体返回管线被配置为在所述位置(23)处接收所述两相流。

15.根据权利要求13所述的变换器阀装置，其中所述热熔体被布置为提供所述单元电容器到所述流体供给管线的热连接。