CN110719715A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却装置(1)，包括液密外壳(2)，在所述液密外壳中布置有电力电子系统(3)以及用于冷却所述电力电子系统(3)的电介质流体(4)，其中，所述电介质流体(4)与所述电力电子系统(3)传热接触，并且通过泼溅冷却来冷却所述电力电子系统。

Description

冷却装置

技术领域

本发明涉及一种包括液密外壳的冷却装置。本发明还涉及一种包括该类冷却装置的机动车。

背景技术

操作电力电子系统时的一个限制因素是最大允许操作温度。在第一近似值中，这取决于电流，由于该原因，用于电操作机动车的电力电子系统通常需要冷却。为了能够保护电部件，主要是诸如晶体管的功率半导体，例如免于由于过热造成的损坏和故障，这类冷却甚至是有益的。另外，由于这类冷却，因为电力电子系统及其部件分别能够被设计为更小(这转而具有成本和重量以及所需安装空间方面的有益效果)，还能够提高功率密度。

为了冷却电力电子系统，能够使用直接冷却或间接冷却，其中，在直接冷却的情况下，电介质流体通常直接与待冷却的电力电子系统接触，也就是说，通常与待冷却的热源接触。以这种方式，传热部分的热阻能够保持得低并且有效。而且，这类用于冷却电力电子系统的电介质流体的使用通常需要专用的流体回路连同为此所需的传统部件(诸如泵、过滤器以及阀)。

然而，在间接冷却的情况下，单独的热交换器，例如冷却板，装配至温度待控制的物体，也就是说，在此装配至电路电子系统。由于冷却流体从热源以电和空间隔绝的方式例如流过管壁，所以例如在此还能够使用诸如水/乙二醇混合物的导电流体，这关于其材料特性(例如，导热率和导热能力)显然更好地适于冷却。由于大量的机动车已经具有低温回路，所以为此目的只需要向回路添加很少的部件。然而，这类的间接冷却具有传热部分中的较高的热阻以及热交换器的连接的缺点。

发明内容

本发明因此解决如下的问题：针对冷却装置提出改进的实施例，所述实施例尤其是克服了从现有技术已知的缺点。

根据本发明，该问题通过独立权利要求1的主题解决。有益的实施例为从属权利要求的主题。

本发明基于通过电介质流体和泼溅冷却(slosh cooling)来冷却电力电子系统的主要构思。为了此目的，根据本发明的冷却装置具有液密的外壳，在所述外壳中布置有电力电子系统和用于冷却电力电子系统的电介质流体，其中电介质流体与电力电子系统传热接触并且通过流体移动(泼溅冷却)冷却所述电力电子系统，所述流体移动通过作用在冷却装置上的加速力引入。在该情况下，“泼溅”与“泼溅冷却”分别意在被理解为意味着无论通过车辆移动或所述车辆移动的改变引起的流体中的任何移动均被所述术语覆盖。这意味着所述术语意在被理解为不仅覆盖电介质流体的通过随后的冲击的快速加速，而且例如也覆盖流体的缓慢的前后移动。这提供了如下主要的优点：热能够直接从电力电子系统被驱散至电介质流体，并且从所述电介质流体经由外壳驱散到周围区域中，其结果是，能够实现具有低热阻的传热部分。在该情况下，泼溅移动通过冷却装置的移动实现，例如在机动车辆中，使得在最有利的情况下，不需要另外的运送部件，诸如例如泵，并且能够以结构简单、有效而且成本有效的方式冷却电力电子系统。

在根据本发明的技术方案的一个有益的开发中，针对将直接冷却与间接冷却结合并且针对借助通过直接冷却的电介质流体冷却电力电子系统做出设置，同时例如通过使用间接冷却的车辆散热器来冷却电介质流体。结果，传热部分以及待冷却的电力电子系统与电介质流体之间的热阻因此能够保持得非常小，同时在任何情况下通常存在于机动车中、并且通过第一热交换器冷却电介质流体的车辆散热器能够被用于冷却电介质流体。在该情况下，该第一热交换器组成直接冷却与间接冷却之间的连接元件。电介质流体以传热方式连接至电力电子系统和第一热交换器，并且分别在所述电力电子系统以及所述第一热交换器附近冲洗。在该情况下，根据本发明的冷却装置具有冷却流体回路，在所述冷却流体回路中布置有第一热交换器和布置在外壳外部(也就是说，所述外壳外侧)的第二热交换器以及冷却流体泵。在该情况下，第一热交换器用于冷却电介质流体，同时第二热交换器被设计为用于对冷却流体进行冷却。冷却装置的该实施例还提供了如下主要优点：冷却流体回路中的流体以外的流体(次要流体)能够被用于电介质流体(主要流体)，使得例如已知和已证实的水/乙二醇混合物能够在冷却流体回路中使用。设计为例如机动车的内燃机的冷却流体散热器的第二热交换器冷却所述水/乙二醇混合物，并且所述水/乙二醇混合物转而通过第一热交换器冷却电介质流体。被第一热交换器冷却的电介质流体通过泼溅冷却来冷却电力电子系统，其中，例如由于车辆移动，电介质流体在外壳中前后泼溅，优选地没有另外的运送部件，使得电介质流体由于在机动车的驱动期间产生的电介质流体的汹涌或泼溅移动而简单地在电力电子系统附近冲洗并且冷却电力电子系统。因此，通过根据本发明的冷却装置的该实施例，能够在任何情况下使用至今已知的用于冷却电介质流体的间接冷却，并且能够提供通过所述电介质流体以低热阻用于电力电子系统的直接冷却。另外，对于外壳中的电介质流体，较低量的流体也是足够的，其结果是能够节省成本和重量。

在根据本发明的技术方案的一个有益的开发中，第一热交换器布置在外壳的低点，优选布置在最低点。这能够确保电介质流体大部分地弄湿第一热交换器，并且被所述第一热交换器冷却，其结果是能够明显地提高冷却性能。

在根据本发明的技术方案的另外的有益实施例中，电介质流体和/或冷却流体能够以单相或者多相设计。多相制冷剂例如能够是CO₂或者1234yf。多相电介质流体例如能够使用氟醚传热流体。

在根据本发明的技术方案的另外的有益实施例中，在外壳中布置至少一个用于引导电介质流体的引导元件。这类引导元件例如能够具有促进汹涌或泼溅的几何结构，并且结果，给予的机动车的自然移动引起或至少辅助向电力电子系统的待冷却的点引导电介质流体。这类引导元件例如能够具有三角形、弧形、波纹状、扰流板状、梯形或者其他不同的形式或几何结构，并且意在仅用于将在任何情况下由车辆移动引起的汹涌或泼溅移动尤其是进一步向电力电子系统的待冷却的点导向。

方便地，至少一个引导元件被设计为单独的部件或者与外壳一体地形成。在该情况下，最后提及的变型例尤其是具有如下的主要优点：在外壳中不需要执行至少一个引导元件的另外的组装，而是所述引导元件直接在制造外壳时同时制造，例如依靠外壳壁中对应的曲率或形状的方式。另外地或作为替代例，不言而喻的是，还能够设置进一步将电介质流体向电力电子系统导向或引导的单独的引导元件。

在根据本发明的技术方案的另外的有益实施例中，至少一个引导元件具有带有至少一个出口开口(尤其是喷嘴)的通道结构，其在电力电子系统的待冷却的点处被导向。该类的引导元件因此使用在机动车的驱动期间产生的电介质流体的泼溅或汹涌移动，从而经由对应的出口开口或喷嘴将电介质流体运送至更高的水平面和/或然而将所述电介质流体完全有意地运送至电力电子系统的指定点。在该情况下，这类引导元件能够具有弯曲或直线通道，其中通道或者通道结构的流入开口通常位于电介质流体的水平面以下，其结果是，能够确保电介质流体到引导元件的通道结构中的连续供应。

在根据本发明的技术方案的另外的有益实施例中，电力电子系统至少部分地布置在电介质流体的水平面以下。以这种方式同样能够实现电力电子系统的可靠且有效的冷却。

另外，用于分配电介质流体和/或直接将电介质流体注射或喷射到电力电子系统上的泵能够方便地设置在外壳中。如果，例如，假定电介质流体的自然汹涌或泼溅不足以冷却电力电子系统，则电介质流体能够另外地被进一步借助上述泵向尤其是难以通过自然汹涌或泼溅移动接近的指定点导向。

本发明还基于如下的主要构思：使机动车装备有上述冷却装置，其中第二热交换器例如能够是内燃机的冷却流体散热器。尤其是，以这种方式能够特别有效地冷却当前的混合动力或电动车辆。

本发明的进一步的重要特征和益处能够在从属权利要求、附图以及参照附图的相关附图描述中发现。

不言而喻，在没有离开本发明的范围的情况下，上述的特征以及那些将在下文中说明的特征不仅能够用于各个指示的组合中，而且还能够用在其他组合中或者由它们本身使用。

附图说明

本发明的优选示例性实施例图示在附图中，并且在下面的描述中更加详细地说明，其中相同的附图标记涉及相同或相似或功能上相同的部件。

在附图中，在每种情况下示意性地，

图1示出了穿过根据本发明的冷却装置的截面图，

图2示出了外壳被切开的根据本发明的冷却装置的平面图，

图3示出了从侧面的根据本发明的冷却装置的截面图，

图4示出了根据本发明的冷却装置的另外的可能的实施例，

图5a-c示出了穿过设置在根据本发明的冷却装置中的引导元件的不同的截面图。

具体实施方式

根据图1至图4，根据本发明的冷却装置1具有液密外壳2，在所述液密外壳2中，布置有电力电子系统3以及用于冷却所述电力电子系统3的电介质流体4，其中电介质流体4与电力电子系统3传热接触，并且通过泼溅冷却来冷却所述电力电子系统。在该情况下，“泼溅冷却”意在理解为意味着不管以什么方式由车辆移动或所述车辆移动的改变引起的流体4的任何移动都被该术语覆盖。这意味着所述术语意在理解为不仅覆盖电介质流体4的通过随后的冲击的快速加速，而且例如还覆盖流体4的缓慢的前后移动。这提供了如下主要的优点：热能够直接从电力电子系统3被驱散至电介质流体4，并且从所述电介质流体经由外壳2被驱散至周围区域，其结果是，能够实现具有低热阻的短的传热部分。在该情况下，通过冷却装置1的移动，例如在机动车10中，实现了泼溅移动，使得在最有利的情况下，例如不需要诸如泵21的运输部件，并且能够以结构简单、有效且成本有效的方式冷却电力电子系统3。

另外，第一热交换器5能够布置在外壳2中。在该情况下，电介质流体4以传热的方式首先连接至电力电子系统3并且其次连接至第一热交换器5，并且优选地至少部分地在电力电子系统3和第一热交换器5附近冲洗。而且，能够设置冷却流体回路6(只在图1中示出)，在所述冷却流体回路中布置有第一热交换器5和布置在外壳2外部的第二热交换器7以及冷却流体泵8。在该情况下，第一热交换器5被设计为用于冷却电介质流体4，而第二热交换器7(例如冷却流体散热器或者深冷器)被设计为用于冷却在冷却流体回路6中流动的冷却流体9。在该情况下，根据本发明的冷却装置1将直接冷却，具体地，通过电介质流体4的电力电子系统3的直接冷却，连接至间接冷却，具体地，通过第一热交换器5的电介质流体4的冷却，所述第一热交换器5将源于电力电子系统3的热能转移至在冷却流体回路6中流动的冷却流体9，所述冷却流体9就其本身而言转而在第二热交换器7中被冷却。

由于电力电子系统3的通过电介质流体4的直接冷却，传热部分的热阻能够保持得非常低，并且结果冷却能够是非常有效的。另外，能够使用根据本发明的冷却装置1来通过第二热交换器7冷却电介质流体4，因为所述第二热交换器冷却第一热交换器5，并且还通过冷却流体9冷却电介质流体4。在该情况下，第二热交换器7能够为内燃机的传统的冷却流体散热器。在该情况下，电力电子系统3通过电介质流体4被冷却，优选地没有另外的部件(诸如泵)，也就是说，只通过在外壳2中前后泼溅或者汹涌的电介质流体4，以例如通过机动车10的驱动移动引起的方式，所述机动车10例如能够被设计为电动车、混合动力车辆或者具有内燃机的传统机动车。冷却装置1的该实施例的主要优点因此为：直到现在在任何情况下出现在机动车10中的第二热交换器7(也就是说，冷却流体散热器)能够用于另外地冷却电力电子系统3，而不需要完全地依靠直到现在所使用的间接冷却，因为例如通过抵靠电力电子系统3的冷却板的这类的间接冷却具有传热部分的高热阻并且因此效率较低。

依然观看图1，能够看出第一热交换器5布置在外壳2的最低点处，使得与操作无关地，总是确保电介质流体4在第一热交换器5附近冲洗，并且结果电介质流体4能够被第一热交换器5冷却。

电介质流体4和/或冷却流体9能够通过单相或多相设计，使得水/乙二醇混合物能够被用于冷却流体9，所述水/乙二醇混合物确保最优的热转移以及依靠混合物的防冻保护。多相制冷剂(冷却流体9)例如能够为CO₂或者1234yf。所使用的多相电介质流体4例如能够为氟醚传热流体。

观看图2和图3以及图5a至图5c，能够看出用于引导电介质流体4的至少一个引导元件11布置在外壳2中。在该情况下，一个引导元件11或者多个引导元件11引起电介质流体4的预先确定的偏转，尤其是偏转至电力电子系统3的尤其是在机动车10的驱动期间待冷却的点。为了能够提供流体4的可能的偏转或引导，如通过示例的方式根据图2和图3所示，至少一个引导元件11具有汹涌和泼溅促进几何结构。在该情况下，如根据图5a至图5c所示，至少一个引导元件11能够被设计为单独的部件，或者如例如根据图2和图3所示，能够与外壳2一体地形成。后者提供了如下主要的优点：引导元件11能够与外壳2一起制造，并且结果，能够免除用于将引导元件11安装到外壳2中的单独的组装步骤。不言而喻的是，还能够想到集成到外壳2中的引导元件11与单独安装的引导元件11的组合。

观看根据图5a至图5c的引导元件11，能够看出所述引导元件均具有带有通道13的通道结构12，其中通道13具有至少一个入口开口14和至少一个出口开口15，尤其是以喷嘴的形式，所述喷嘴指向待冷却的电力电子系统3的点。在该情况下，入口开口14布置为使得在电介质流体4在驱动机动车10时的前后的正常泼溅期间电介质流体能够作用在其上，其中由于所指示的引导元件11而引起的这类泼溅移动通过水平面，并且电介质流体4还能够移动至电力电子系统3的更高点。因此，在目前的情况下，至少一个入口开口14布置在至少一个出口开口15下方。

关于电力电子系统3，应当注意的是，其能够具有非常广泛的部件种类，诸如例如功率半导体、金属氧化物半导体场效应晶体管(MosFET)16、具有绝缘栅极的双极型晶体管(IGBT)17，或者其他电子部件，诸如例如印刷电路18或者开关19。

观看图1和图3以及图4，能够看出电力电子系统3至少部分地布置在电介质流体4的水平线20下方，并且结果电介质流体4总是在附近冲洗并且冷却所述电力电子系统。

在根据图1和图4所示的本发明的冷却装置1的示例性实施例中，流体4在冷却装置1的以液密方式封闭的外壳2中移动，而没有另外的部件，诸如例如流体泵，也就是说仅仅由于驱动相关的汹涌和泼溅移动，其中，另外地或可替代地，不言而喻的是，还能够想到用于分配电介质流体4和/或用于直接将电介质流体4注射或喷射在待设置在外壳2中的电力电子系统3上的流体泵21。根据图4，因为通常不设置，所以使用虚线指示这类流体泵21。

另外地或作为替代例，能够在外壳2中布置诸如例如用于完全地混合电介质流体4和/或用于直接将电介质流体4注射或喷射到电力电子系统3上的漩涡轮的运送装置22。在该情况下，运送装置22能够完全布置在电介质流体4的水平面以下，并且也能够仅仅至少部分地布置在电介质流体4的水平面以下。在漩涡轮的情况下，依据旋转速率，这或者能够只引起流体4的混合，或者也能够引起电介质流体到电力电子系统上的直接注射。在该情况下，转速可以经受通过与所需的冷却性能一致的对应的开环控制/闭环控制装置进行的开环控制/闭环控制。

使用根据本发明的冷却装置1，能够实现电力电子系统3的特别有效但结构简单的冷却。

由于封闭的外壳2，所以所需的电介质流体4的量也较低，其结果是能够实现材料和重量方面的节省。尤其是，依据变型例，用于运送电介质流体4的另外的流体泵21能够被完全免除，因此流体4的移动仅仅由机动车10的驱动期间的移动引起。

尤其是，流体4的移动应当不通过流体4的对流或沸腾引起，例如如DE20020270U1所描述的，而是仅仅由在机动车的驱动期间(例如制动期间、转弯行驶时或者起动期间)发生的加速引起。如果需要，能够只设置泵21，从而当机动车10相对长时期(其间不存在实际的泼溅移动)地处于静止时确保流体4的足够的循环。然而，这类基于需要的泵能够被相对小地并且因此成本有效地确定尺寸，并且只在需要时切换。

Claims (12)

1.一种冷却装置(1)

-包括液密外壳(2)，在所述液密外壳中布置有电力电子系统(3)以及用于冷却所述电力电子系统(3)的电介质流体(4)，

-其中，所述电介质流体(4)与所述电力电子系统(3)传热接触，并且通过由作用在所述冷却装置(1)上的加速力引起的流体移动来冷却所述电力电子系统。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，

其特征在于，

-第一热交换器(5)布置在所述液密外壳(2)中，

-所述电介质流体(4)与所述第一热交换器(5)传热接触，

-设置有冷却流体回路(6)，其中布置有所述第一热交换器(5)和布置在所述外壳(2)外部的第二热交换器(7)，并且还布置有冷却流体泵(8)，

-所述第一热交换器(5)设计为用于冷却所述电介质流体(4)，并且所述第二热交换器(7)设计为用于冷却在所述冷却流体回路(6)中流动的冷却流体(9)。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，

其特征在于，

所述第一热交换器(5)布置在所述外壳(2)的低点处。

4.根据权利要求2或3所述的冷却装置，

其特征在于，

所述电介质流体(4)和/或所述冷却流体(9)通过单相或者通过多相而设计。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的冷却装置，

其特征在于，

在所述外壳(2)中布置有用于使所述电介质流体(4)偏转的至少一个引导元件。

6.根据权利要求5所述的冷却装置，

其特征在于，

-所述至少一个引导元件(11)具有汹涌或泼溅促进几何结构，和/或

-所述至少一个引导元件设计为单独的部件或者与所述外壳(2)一体形成。

7.根据权利要求5或6所述的冷却装置，

其特征在于，

所述至少一个引导元件(11)具有带有至少一个入口开口(14)、至少一个出口开口(15)(尤其是喷嘴)的通道结构(12)，其在待冷却的所述电力电子系统(3)的点处被导向。

8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，

其特征在于，

所述动力电子系统(3)具有功率半导体。

9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，

其特征在于，

所述动力电子系统(3)至少部分地布置在所述电介质流体(4)的水平面(20)以下。

10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，

其特征在于，

在所述外壳(2)中布置有流体泵(21)，所述流体泵(21)用于分配所述电介质流体(4)和/或用于直接将电介质流体(4)注射或喷射到所述电力电子系统(3)上。

11.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置，

其特征在于，

在所述外壳(2)中布置有运送装置(22)，所述运送装置(22)用于完全混合所述电介质流体(4)和/或用于直接将电介质流体(4)注射或喷射到所述电力电子系统(3)上。

12.一种机动车(10)，包括根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1)，其中，所述第二热交换器(7)为内燃机的冷却流体散热器。

Images