CN114340304A - 具有冷却系统的电功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有冷却系统的电功率模块。用于铁路车辆的电功率模块(12)包括：电流转换装置(20)；双相载热流体(30)的闭合回路(28)；第一热交换器(25)，其能够将热量从所述载热流体传递到空气流；以及第二热交换器(26)，其能够将热量从发热装置传递到载热流体。载热流体的回路包括主环路(32)和辅支路(34)，辅支路的入口(40)和出口(42)在距第一交换器一定距离处连接到主环路，所述入口设置在所述出口下游，第二热交换器(26)设置在所述辅支路上。
Description
【技术领域】
本发明涉及用于车辆、尤其是铁路车辆的电功率模块，其类型为包括：发热装置，其可参与电流转换；双相载热流体的闭合回路；第一热交换器，其能够将热量从所述载热流体传递到空气流；以及第二热交换器，其能够将热量从发热装置传递到载热流体。
【背景技术】
文献EP2291067中尤其描述了这样的具有冷却系统的电功率模块。冷却系统尤其包括馈送第二热交换器的双相载热流体储存器，其设有受控加热和冷却部件。
这样的装置使得能够调节回路中载热流体的泵送速率，以根据功率模块释放的热量来改变冷却系统的性能。
在这样的功率模块中，尤其是通过载热流体在第二热交换器中的蒸发来确保所述流体在回路中进行循环。然而，泵的启动温度在80℃左右，这对于功率模块的电子组件来说可能太高了。
此外，这样的冷却系统需要使用具有高潜热的载热流体。该约束导致采用如甲醇之类的有毒流体。
本发明的目的是改进冷却系统以在不降低系统性能的情况下弥补这些缺陷。
【发明内容】
为此，本发明的主题是上述类型的电功率模块，其中：载热流体回路包括主环路和辅支路，主环路包括彼此连接的第一和第二部分，第一热交换器设置在所述第一部分上；辅支路的入口和出口连接到主环路的第二部分，所述入口沿载热流体在主环路中的循环方向设置在所述第二部分上、在所述出口下游；并且第二热交换器设置在所述辅支路上。
根据本发明的其他有利方面，电功率模块包括单独采用或按照技术上可能的任何组合来采用的以下特征中的一个或多个：
-第二热交换器包括由双相载热流体流过的至少一个毛细管蒸发器，所述载热流体在该或每个毛细管蒸发器中的液/气界面处产生的压力的作用下在闭合回路中循环；
-该或每个毛细管蒸发器包括毛细管芯，其可确保以液态从第二热交换器的入口接收的载热流体的完全汽化，并且可将所述载热流体以气态全部送回至所述第二热交换器的出口；
-闭合回路是毛细管泵送环路，没有机械泵来使载热流体循环；
-第二热交换器设置在倾斜面上，所述第二热交换器的入口设置为比所述第二热交换器的出口更高；
-第二热交换器的入口位于比辅支路的入口更低处；
-载热流体是不含氟化合物，优选为丙酮；
-主环路的第一部分借助于设置在所述第一部分的每一端的分配器和汇集器而连接到多个第二部分；载热流体回路包括多个辅支路，每个所述支路连接到所述第二部分中的一个；并且功率模块包括多个第二热交换器，每个所述交换器设置在所述辅支路中的一个上。
本发明还涉及包括如上所述的电功率模块的牵引箱(coffre de traction)。
本发明还涉及包括牵引链的铁路车辆，所述牵引链包括电动机和如上所述的牵引箱，所述牵引箱优选地位于所述车辆的车顶。
【附图说明】
通过阅读接下来的描述将更好地理解本发明，该描述仅作为非限制性示例给出并且是参考附图进行的，其中：
-图1是包括根据本发明的一个实施例的电功率模块的铁路车辆的局部示意性前视剖面图，该电功率模块配备有冷却装置；
-图2是图1的冷却装置的示意图；以及
-图3是图1和图2的冷却装置的示意性俯视图。
【具体实施方式】
图1示出了包括功率模块12或电功率转换器的铁路车辆10。铁路车辆10例如是客运列车或货运列车的机车。铁路车辆10尤其包括牵引链的电动机(未示出)，其由功率模块12馈送电能。
铁路车辆10尤其包括牵引箱14，其位于所述车辆的车顶并且在图1中可见。
考虑正交基(X,Y,Z)，方向Z表示竖直方向，方向X对应于铁路车辆10的纵向运动方向，并且方向Y对应于水平的横向方向。
牵引箱14的外表面由大致设置在平面(X,Y)中的中央板16以及位于中央板16两侧的侧板17限定。侧板17彼此相对于铁路车辆10的中间平面(X,Z)大致对称。图1中仅可见侧板17中的一个。
每个侧板17是倾斜的，与中央板16接触的一端比相对端更高。这导致牵引箱14的常见的凸起形状。作为参考，侧板相对于水平方向倾斜20°至60°之间的角度。
此外，牵引箱14包括内部结构，其中包括至少一个倾斜面18，倾斜面18大致平行于侧板17并且设置在所述侧板下方。位于所述侧板17与所述倾斜面18之间的空间形成了牵引箱14的内部隔间19。
功率模块12包括会发热的至少一个转换单元20、以及该至少一个单元20的冷却装置22。优选地，功率模块12包括多个大致相同的转换单元20，冷却装置22能够冷却所述单元中的每一个。
优选地，功率模块12还包括至少一个滤波电容24，其电连接到一个或多个转换单元20。
转换单元20尤其包括通过连接装置连接的多个晶体管类型的半导体装置。优选地，半导体装置是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。IGBT尤其具有转换单元20中的开关功能。
转换单元20或至少一个转换单元20优选地设置在牵引箱14的内部隔间19中。
图2中示意性地示出的冷却装置22包括：第一热交换器25和至少一个第二热交换器26；以及连接所述第一交换器25和第二交换器26的闭合流体回路28。双相载热流体30在所述流体回路28中循环。
优选地，载热流体30是不含氟化合物，更优选为丙酮。也可以使用甲醇。也可以使用R-233zd(E)气体和R-1336mzz(Z)气体，它们是来自氢氟烯烃(HFO)家族的含氟气体。
第一热交换器25能够执行流体回路28中的载热流体30与外部空气之间的热交换，外部空气尤其是由铁路车辆10的运动产生的气流。于是称之为混合对流。作为变型，流体回路28中的载热流体30与外部空气之间的热交换通过自然对流(通过梯度现象)或通过强制对流(通过人工流体循环)来实现。
第一热交换器25例如是带有翅片的散热器。所述第一热交换器优选地设置在牵引箱14沿横向方向Y的中间，即中央板16下方。
第二热交换器26能够执行转换单元20与流体回路28中的载热流体30之间的热交换。为此，第二热交换器26被设置成与转换单元20热接触。优选地，所述转换单元的IGBT与第二热交换器26热接触。
IGBT与第二热交换器26之间的有效热接触例如借助于无液体界面型热界面来实现，所述界面尤其是由石墨制成。
第二热交换器26优选地设置在牵引箱14的内部隔间19中，例如抵靠倾斜面18。下面将详述第二热交换器26的优选结构。
流体回路28尤其包括主环路32和辅支路34。主环路32包括彼此相连的第一部分36和第二部分37。
第一热交换器25设置在主环路32的第一部分36上，并且包括入口38和出口39。优选地，出口39位于相对于竖直方向比入口38更低处。
辅支路34连接到主环路32的第二部分37，所述第二部分也称为喷射器。更确切地说，辅支路的入口40和出口42连接到喷射器37，所述入口40沿载热流体在主环路32中的循环方向设置在所述出口42下游。
第二热交换器26设置在辅支路34上。
优选地，辅支路34的出口42位于相对于竖直方向比入口40更低处。优选地，辅支路34的入口40位于相对于竖直方向比汇集器46和/或比第一热交换器25的入口38更低处。
优选地，主环路32的第一部分36借助于设置在所述第一部分36的每一端处的分配器44和汇集器46连接到喷射器37。更优选地，流体回路28包括：借助于分配器44和汇集器46连接到第一部分36的多个喷射器37；以及多个辅支路34，每个所述辅支路连接到一个喷射器37；并且冷却装置22包括多个第二热交换器26，每个所述交换器设置在所述辅支路34中的一个上。第二热交换器26中的每一个设置为与功率模块12的转换单元20热接触。
现在将更详细地描述第二热交换器26，其在图3中更详细地示出。在功率模块12包括多个第二热交换器26的情况下，认为它们大致相同。
第二热交换器26包括入口50、出口52和设置在入口50与出口52之间的至少一个毛细管蒸发器54。
优选地，入口50位于沿竖直方向比出口52更高处。在图1所示的实施例中，第二热交换器26尤其设置在倾斜面18上。
更优选地，辅支路34的入口40、第二热交换器26的入口50和出口52、以及辅支路34的出口42从上到下依次设置。
在图3所示的实施例中，入口50和出口52分别由分配管和汇集管形成；并且第二热交换器26包括多个并置的毛细管蒸发器54。优选地，第二热交换器26的毛细管蒸发器的数量在1到3之间。
在图3所示的实施例中，第二热交换器26还包括支撑毛细管蒸发器54的外壳55。
每个毛细管蒸发器54具有方形截面的细长形状，大致沿轴线56延伸，并且包括：外框57；容纳在所述外框内的毛细管芯58；以及由毛细管芯58界定的内室60。在所示实施例中，轴线56大致设置在平面(Y,Z)中并且相对于竖直方向倾斜。
内室60的第一轴向端连接到形成第二热交换器26的入口50的分配管。所述内室的位于比第一端更低处的第二轴向端由毛细管芯58封闭。
外框57的第一轴向端由毛细管芯58封闭。所述框的位于比第一端更低处的第二轴向端连接到形成第二热交换器26的出口52的汇集管。
毛细管芯58由多孔材料形成，更确切地说包括连接内室60和外管57的弯液面(未示出)。
如接下来将描述的，一个或多个毛细管蒸发器54旨在使载热流体30在闭合流体回路28中循环。优选地，所述流体回路28除此之外没有用于使载热流体30循环的机械泵，所述循环仅由所述一个或多个毛细管蒸发器54来确保。
现在将描述功率模块12的操作。
起动上述铁路车辆牵引链的电动机，以使所述铁路车辆运动。也起动功率模块12的至少一个转换单元20。所述转换单元中的组件，尤其是IGBT，因此散发热量，热量通过传导通过第二热交换器26的外壳55而扩散到毛细管蒸发器54的外框57。由所述毛细管蒸发器形成的泵于是通过汽化在所述外框处的载热流体30来开始工作。该自增压使得能够降低热虹吸管的启动温度。
这样，载热流体30在入口50处以液态进入第二热交换器26，随着穿过毛细管芯58而被汽化，并在所述交换器的出口52处以气态离开。载热流体30于是藉由第二热交换器26吸收由转换单元20发出的热量。
这样形成的蒸气然后返回流体回路28的辅支路34的出口42，所述出口42位于所述回路的下部。在喷射器37中，气泡62因此将与在主环路32中循环的液态载热流体30混合。所述气泡62的存在促进所述流体从下向上流向汇集器46的方向。此外，由气泡62传送的热量使液态载热流体30变热，这也促进其向上运动。
双相形式的载热流体30就这样进入流体回路28的第一部分36，直到第一热交换器25的入口38。在所述第一交换器处，载热流体30于是将热量传递给例如由铁路车辆的运动产生的气流。所述载热流体30中的气体浓度降低。此外，所述流体的温度降低，这促进其向下、向第一热交换器25的出口39的方向运动。
冷却后的载热流体30在分配器44处返回喷射器37，然后到达上述辅支路34的出口42处，这维持了所述流体30在回路28中的循环往复。
流体回路28的主环路32就这样根据热虹吸原理工作，流体30的速度随着气泡62在辅支路34的出口42处注入而增大。
与已知的毛细管泵送系统(如在文献EP2291067中描述的系统)相比，该流体速度增大使得能够使用具有较低潜热的载热流体，而不会降低冷却装置的性能。于是能够使用毒性比甲醇低的丙酮之类的流体作为载热流体30。
在辅支路34的入口40处，流体30的第一部分保留在喷射器37中，并且所述流体的第二部分向第二热交换器26的方向运动。由于其倾斜位置，气泡62倾向于不进入所述第二热交换器26。这样，载热流体30以液态进入到每个毛细管蒸发器54的内室60中，然后在毛细管芯58中被汽化。
与文献EP2291067中描述的毛细管蒸发器的情况相反，毛细管芯58中的载热流体30的汽化温度不是恒定的；所述温度可取决于第一交换器25中的热交换状况而在一定范围内变化。
这样的装置使得能够移除文献EP2291067中描述的流体容器以及对所述容器的热控制装置的驱动。
Claims (10)
1.用于车辆(10)、尤其是铁路车辆的电功率模块(12)，其包括：
-发热装置(20)，其可参与电流转换；
-双相载热流体(30)的闭合回路(28)；
-第一热交换器(25)，其能够将热量从所述载热流体传递到空气流；以及
-第二热交换器(26)，其能够将热量从发热装置传递到载热流体；
其特征在于，载热流体(30)的回路(28)包括主环路(32)和辅支路(34)，主环路包括彼此连接的第一部分(36)和第二部分(37)，第一热交换器(25)设置在所述第一部分上，
辅支路的入口(40)和出口(42)连接到主环路的第二部分，所述入口沿载热流体在主环路中的循环方向设置在所述第二部分上、在所述出口下游，
第二热交换器(26)设置在所述辅支路上。
2.根据权利要求1所述的功率模块(12)，其中，第二热交换器(26)包括由双相载热流体(30)流过的至少一个毛细管蒸发器(54)，所述载热流体在该或每个毛细管蒸发器中的液/气界面处产生的压力的作用下在闭合回路中循环。
3.根据权利要求2所述的功率模块(12)，其中，该或每个毛细管蒸发器(54)包括毛细管芯(58)，其可确保以液态从第二热交换器的入口(50)接收的载热流体(30)的完全汽化，并且可将所述载热流体以气态全部送回至所述第二热交换器的出口(52)。
4.根据权利要求2至3中的一项所述的功率模块(12)，其中，闭合回路(28)是毛细管泵送环路，没有机械泵来使载热流体循环。
5.根据权利要求2至4中的一项所述的功率模块(12)，其中，第二热交换器(26)设置在倾斜面上，所述第二热交换器的入口(50)设置为比所述第二热交换器的出口(52)更高。
6.根据权利要求5所述的功率模块(12)，其中，第二热交换器(26)的入口(50)位于比辅支路(34)的入口(40)更低处。
7.根据前述权利要求中的一项所述的功率模块(12)，其中，载热流体(30)是不含氟化合物，优选为丙酮。
8.根据前述权利要求中的一项所述的功率模块(12)，其中：主环路(32)的第一部分(36)借助于设置在所述第一部分的每一端的分配器(44)和汇集器(46)而连接到多个第二部分(37)；载热流体的回路(28)包括多个辅支路(34)，每个所述支路连接到所述第二部分(37)中的一个；并且功率模块包括多个第二热交换器(26)，每个所述交换器设置在所述辅支路(34)中的一个上。
9.用于铁路车辆的牵引箱(14)，其包括根据前述权利要求中的任一项所述的电功率模块(12)。
10.包括牵引链的铁路车辆(10)，所述牵引链包括电动机和根据权利要求9所述的牵引箱(14)，所述牵引箱优选地位于所述车辆的车顶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220412 |