JP2012528296A - ポンプ注入されたループ駆動を有する蒸気圧縮冷却システム - Google Patents

Abstract

高周囲温度での応用で使う完全な電子機器冷却パッケージ内で２相冷媒のポンプ注入されるループ冷却回路及び蒸気圧縮ループ回路を組み合わせる冷却システムが提供される。特定される応用は電力用電子式変換器及びインバータードライブ、そしてハイブリッド電気車両を含むが、これら車両に限定されない。ハイブリッド電気車両応用では、第１のポンプ注入される２相冷媒冷却システムは該インバータードライブへ高温度冷却を提供するため使われる。第２蒸気圧縮システムはバッテリーモジュール（すなわち、リチウムイオン電池の様な）又は乗客コンパートメント冷却へ低温度冷却を提供するよう使われ、それにより低温度冷却を要するバッテリーモジュール用の特別の冷却解決策のニーヅを取り除く。
【選択図】 図１

Description

関連出願の相互参照

本出願は、その開示がその全体の引用によりここに組み入れられる２００９年３月２９日出願の米国特許仮出願第６１／１８２，２３７号の出願日の特典を請求するものである。

本発明は一般的に熱発生部品を冷却する冷却システム及び方法に関し、特に２つ以上の温度レベル及び熱負荷で冷却を提供する双冷却システムに関する。

キャビネット内のラック上に収容される電気及び電子部品、例えばマイクロプロセッサ、アイジービーテーエス（ＩＧＢＴ’ｓ）、電力用半導体等は、被冷却面に直接取り付けられた拡帳面を有する空冷ヒートシンクにより冷却されることが最も多い。ファン又はブロワーが該ヒートシンクのフィンを横切るよう空気を動かし、該部品により発生される熱を取り除く。電力密度が増加したり、部品が小型化されたり、パッケージが縮小されると、ヒートシンクと強制空気流で電気及び電子部品を適度に冷却することが時には不可能になる。これが起こると、該部品から熱を取り除くために他の方法が使われねばならない。

本発明の少なくとも１つの実施例は、第１流体回路及び第２流体回路であって、該第１流体回路が凝縮器、ポンプ、及び複数のコールドプレートに熱的に結合された複数の電子的熱ソースを有し、該第２流体回路が圧縮機、蒸発器、及び膨張弁を有している第１流体回路及び第２流体回路と、該第２流体回路を通って流れる第２流体が該第１流体回路を通って流れる第１流体により冷却されるよう、該第１及び第２流体回路内に位置付けられた液体対液体熱交換器と、を具備する冷却システムを提供する。

本発明の少なくとも１つの実施例は電気ハイブリッド車両の冷却システムを提供するもので、第１流体回路及び第２流体回路であって、該第１流体回路が凝縮器、ポンプ、及びコールドプレートに熱的に結合されたインバータードライブを有し、該第２流体回路が圧縮機、蒸発器、及び膨張弁を有し、該第２流体回路が該車両のバッテリーモジュールへの冷却を提供している第１流体回路及び第２流体回路と、該第２流体回路を通って流れる第２流体が該第１流体回路を通って流れる第１流体により冷却されるよう、該第１及び第２流体回路内に位置付けられた液体対液体熱交換器と、を具備する冷却システムを提供する。

電気ハイブリッド車両冷却システムは、第１流体回路及び第２流体回路であって、該第１流体回路が凝縮器、ポンプ、及びコールドプレートに熱的に結合されたインバータードライブを有し、該第２流体回路が圧縮機、蒸発器、及び膨張弁を有し、該第２流体回路が該車両の乗客コンパートメントを冷却する該第１流体回路及び第２流体回路と、そして該第２流体回路を通って流れる第２流体が該第１流体回路を通って流れる第１流体により冷却されるよう、該第１及び第２流体回路内に位置付けられた液体対液体熱交換器と、を具備する。

本発明の実施例が附属する図面を参照してここで更に詳細に説明される。
本発明の実施例のポンプ注入されるループ／蒸気圧縮冷却システムの略図であり、ポンプ注入されるループ部分で冷却される部品が並列で示される。 本発明の実施例の冷却システムの第１及び第２冷却回路の冷媒の圧力エンタルピー線図である。 本発明の実施例のポンプ注入されるループ／蒸気圧縮冷却システムの略図であり、ポンプ注入されるループ部分で冷却される部品が直列で示される。

ポンプ注入されるループ／蒸気圧縮冷却システム１０の実施例が図１で略図形式で示される。該システム１０は第１閉ループ流体回路２０と第２閉ループ流体回路３０を有する。該第１流体回路２０は第１の２相冷媒冷却サイクルを提供し、凝縮器２２（通り抜けて流れる冷たい周囲空気５０を有する）、ポンプ２４、そして流体的に並列接続されて示され、複数のコールドプレート２６上に設置され、該プレートに熱的に結合された複数の電子的熱ソースを有する。該第２流体回路３０は第２の蒸気圧縮冷凍サイクルを提供し、圧縮機３２、蒸発器３４（通り抜けて流れる熱い周囲空気５２を有する）、そして膨張弁３６を有する。液体対液体の熱交換器４０は第２流体回路内と、該複数のコールドプレート２６と並列で該第１流体回路内と、に位置付けられる。該熱交換器４０は第１回路２０用の蒸発器として、かつ該第２回路３０用の凝縮器として作用する。

該流体回路２０、３０は該凝縮器２２とポンプ２４の間に位置付けられる液体リザーバー２８の様な追加部品を必要により有してもよい。該蒸発器３４はキャビネットチラーのコールドプレート蒸発器として存在してもよい。

システム１０の動作を図２に関連してここで説明すれば、該図はＲ−１３４ａ冷媒用圧力エンタルピー線図を示し、第１回路２０の２相冷却サイクル及び第２回路３０の蒸気圧縮冷凍サイクル用の圧力対エンタルピーの関係を示す。線図上の番号は図１に示す該システム内の流体の位置を示し、位置１−３は第１流体回路２０内にあり、位置４−７は第２流体回路３０内にある。点線は回路２０、３０間の液体対液体の熱伝達を表す。

第１回路２０の２相冷却回路を参照すると、位置１では冷媒流体は、該複数のコールドプレート２６か又は液体対液体熱交換器４０か何れか内へ入る前のサブクールされた液体して存在する。熱が該流体に付加され該流体は部分的に蒸発する、一方複数のコールドプレート２６又は液体対液体熱交換器４０を２で呼称される位置へ移行させる。冷たい周囲空気５２は該部分的に蒸発した流体を液相に冷却し、該流体はポンプ２４により必要とされるまで液体リザーバー２８へ進む。位置３はポンプ２４に入る僅かにサブクールされた流体を表し、該ポンプは該流体圧力を高め、該サブクールされた流体を第１位置１へ戻す。

第２回路３０の蒸気圧縮冷凍サイクルを参照すると、位置４で該冷媒は僅かにスーパーヒートされた蒸気として存在するが、該蒸気は圧縮機３２に入り、該圧縮機は該スーパーヒートされた蒸気を圧縮することにより圧力及びエンタルピーを高め、液体対液体熱交換器４０へ入るよう準備されたことが位置５で示される。液体対液体熱交換器４０は該スーパーヒートされた蒸気を、液体対液体熱交換器４０を出る位置６で示すサブクールされた液体まで冷却する。膨張弁３６は該サブクールされた液体の圧力を減じ、該弁は該流体を位置７に示す蒸発器３４に入る前に部分的に蒸発させる。蒸発器３４に入る熱い周囲空気５０は該部分的に蒸発した流体をスーパーヒートされた蒸気に変わらせ、該蒸気は位置４で再び示される様に蒸発器３４を出る。

図３に示す本発明のもう１つの実施例では、冷却システム１０’は、該ポンプ注入され
るループ、すなわち第１流体回路２０’が、流体的に直列に接続されて示される複数のコールドプレート２６上に設置され、該プレートに熱的に結合される複数の電子的熱ソースを有することを除けば、図１の冷却システムと同じである。

使用時、該双冷却システム１０は高い周囲温度での応用に使用するための完全な電子機器冷却パッケージを提供する。特定される応用は電力用電子的変換器及びインバータードライブそしてハイブリッド電気車両を含むが、それらに限定されない。電力用電子的変換器及びインバータードライブでは、第１のポンプ注入される２相冷媒冷却システムはアイジービーテーエス及び他の電子部品への高温度冷却を提供するため使われる。該第２の蒸気圧縮システムは該ドライブキャビネットへの低温度冷却を提供するため使われ、それにより外部のエアーコンディショナーのニーヅを省く。ハイブリッド電気車両では、該第１のポンプ注入される２相冷媒冷却システムはインバータードライブへの高温度冷却を提供するため使われる。該第２の蒸気圧縮システムはバッテリーモジュール（すなわち、リチウム−イオン電池の様な）又は乗客コンパートメント冷却への低温度冷却を提供するため使われ、それにより低温度冷却を要するバッテリーモジュール用の特別の冷却解決策のニーヅを省く。

本発明の原理、実施例及び動作がここで詳細に説明されたが、これは開示された特定の図解形式に限定される解釈されるべきでない。ここの実施例の種々の変型が行われ得るのは本発明の精神又は範囲を離れない場合であることは当業者には明らかである。

第１回路２０の２相冷却回路を参照すると、位置１では冷媒流体は、該複数のコールドプレート２６か又は液体対液体熱交換器４０か何れか内へ入る前にサブクールされた液体として存在する。熱は該流体に付加され該流体は部分的に蒸発する、一方複数のコールドプレート２６又は液体対液体熱交換器４０を２で呼称される位置へ移行させる。冷たい周囲空気５０は該部分的に蒸発した流体を液相に冷却し、該流体はポンプ２４により必要とされるまで液体リザーバー２８へ進む。位置３はポンプ２４に入る僅かにサブクールされた流体を表し、該ポンプは該流体圧力を高め、該サブクールされた流体を第１位置１へ戻す。

Claims (17)

1. 第１流体回路及び第２流体回路であって、
   該第１流体回路は凝縮器と、ポンプと、そして複数のコールドプレートに熱的に結合された複数の電子的熱ソースとを有し、
   該第２流体回路は圧縮機と、蒸発器と、そして膨張弁とを有している該第１及び第２流体回路とを有し、そして
   該第２流体回路を通って流れる第２流体が該第１流体回路を通って流れる第１流体により冷却されるように、該第１及び第２流体回路内に位置付けられた液体対液体熱交換器と、を具備する冷却システム。
2. 該第１流体回路が該凝縮器と該ポンプとの間に液体リザーバーを更に有する請求項１記載のシステム。
3. 該第１流体回路の該複数のコールドプレートが流体的に並列に接続される請求項１記載のシステム。
4. 該第１流体回路の該複数のコールドプレートが流体的に直列に接続される請求項１記載のシステム。
5. 該液体対液体熱交換器が該複数のコールドプレートと流体的に並列に該第１流体回路に接続される請求項３記載のシステム。
6. 該液体対液体熱交換器が該複数のコールドプレートと流体的に直列に該第１流体回路に接続される請求項４記載のシステム。
7. 熱い周囲空気のソースが該第２流体回路の該蒸発器を通るよう導かれる請求項１記載のシステム。
8. 該熱い周囲空気のソースが該電子的熱ソースを囲む空気から得られる請求項７記載のシステム。
9. 冷たい周囲空気のソースが該第１流体回路の該凝縮器を通るよう導かれる請求項１記載のシステム。
10. 該冷たい周囲空気のソースが該冷却システムの外の空気ソースから得られる請求項９記載のシステム。
11. 電気ハイブリッド車両冷却システムに於いて、
    第１流体回路及び第２流体回路であって、
    該第１流体回路が凝縮器と、ポンプと、そしてコールドプレートに熱的に結合されたインバータードライブとを有し、
    該第２流体回路が圧縮機と、蒸発器と、そして膨張弁とを有し、該第２流体回路が該車両のバッテリーモジュールへの冷却を提供する該第１及び第２流体回路と、そして
    該第２流体回路を通って流れる第２流体が該第１流体回路を通って流れる第１流体により冷却されるように、該第１及び第２流体回路内に位置付けられた液体対液体熱交換器と、を具備するシステム。
12. 該第１流体回路が該凝縮器と該ポンプの間に液体リザーバーを更に有する請求項１１記載のシステム。
13. 熱い周囲空気のソースが該第２流体回路の該蒸発器を通るよう導かれる請求項１１記載のシステム。
14. 該熱い周囲空気のソースが該バッテリーモジュールを囲む空気から得られる請求項１７記載のシステム。
15. 電気ハイブリッド車両冷却システムに於いて、
    第１流体回路及び第２流体回路であって、
    該第１流体回路が凝縮器と、ポンプと、そしてコールドプレートに熱的に結合されたインバータードライブとを有し、
    該第２流体回路が圧縮機と、蒸発器と、そして膨張弁とを有し、該第２流体回路が該車両の乗客コンパートメントを冷却する該第１及び第２流体回路と、そして
    該第２流体回路を通って流れる第２流体が該第１流体回路を通って流れる第１流体により冷却されるように、該第１及び第２流体回路内に位置付けられた液体対液体熱交換器と、を具備するシステム。
16. 該第１流体回路が該凝縮器と該ポンプの間に液体リザーバーを更に有する請求項１５記載のシステム。
17. 熱い周囲空気のソースが該第２流体回路の該蒸発器を通るよう導かれる請求項１１記載のシステム。

Images