用于铁路车辆的电功率转换器的制造方法
【专利摘要】用于铁路车辆的电功率转换器（10），包括：第一电磁零件（13）；热源构件（22）；和冷却线路（14），冷却线路包括：双相载热流体；载热流体循环的回路（26），该回路包括贴靠第一电磁零件的第一热交换器（27）和能够将载热流体的热量排放到冷却线路（14）外的第二热交换器（28）；和使载热流体在冷却回路（26）中循环的循环部件（59）。冷却线路（14）适于冷却热源构件（22）；循环部件（59）包括由载热流体穿过、贴靠热源构件（22）的至少一个毛细蒸发器（60A、60B、60C、60D），载热流体在该或每个毛细蒸发器（60A、60B、60C、60D）中的液/蒸汽界面处产生的压力作用下在冷却回路（26）中循环。
【专利说明】用于铁路车辆的电功率转换器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于铁路车辆的电功率转换器，所述电功率转换器包括：
[0002] -能够参与电流转换的第一电磁零件；
[0003] -与第一电磁零件分开的热源构件；和
[0004] --冷却线路，其包括：
[0005] -双相载热流体；
[0006] -载热流体循环回路，该回路包括：
[0007] ?贴靠所述第一电磁零件的第一热交换器；
[0008] ?能够将载热流体的热量排放到冷却线路外的第二热交换器；和
[0009] ?使第一热交换器与第二热交换器流体连通的流体连通部件；和 [0010]-使载热流体在冷却回路中循环的载热流体循环部件。
【背景技术】
[0011] 为了给牵引电动机供电，铁路车辆需要具备车载电功率转换器。由于功率非常大， 因而应冷却转换器，以排出它们所产生的热量。
[0012] 转换器尤其包括一些变压器，对这些变压器的冷却一般通过油在其中循环的第一 冷却回路保证。油是电绝缘体。油在回路中在变压器浸在油中的室与空气交换器之间以封 闭线路循环。机械泵保证使油运动。
[0013] 转换器还包括一些换流器，对这些换流器的冷却一般通过独立于第一冷却回路的 第二冷却回路保证，加乙二醇的水在第二冷却回路中循环。该加乙二醇的水在第二空气交 换器和与换流器的开关构件接触的热交换器之间以封闭线路循环，机械泵保证使加乙二醇 的水运动。
[0014] 这些冷却回路比较庞大，尤其是由于泵，它们需要还与泵存在有关的大量维护保 养,这增大铁路车辆的经营成本和维护成本。
[0015] 从FR-A-2 949 642中了解到一种用于铁路车辆的电功率转换器，其中用毛细泵 代替第二冷却回路的机械泵。这样可以减小电功率转换器的体积尺寸，并降低它的维护成 本，但却没有解决与第一冷却回路维护及体积大有关的问题。
【发明内容】
[0016] 本发明的目的是提出一种小体积尺寸并且需要较少维护的用于铁路车辆的电功 率转换器。
[0017] 为此，本发明的目标是上述类型的电功率转换器，其中，冷却线路适于冷却热源构 件；并且，载热流体循环部件包括由载热流体穿过、贴靠所述热源构件的至少一个毛细蒸发 器，载热流体在该或每个毛细蒸发器中的液/蒸汽界面处产生的压力作用下在冷却回路中 循环。
[0018] 根据一些特殊实施方式，电功率转换器包括以下特征中的一个或几个：
[0019] --该或每个毛细蒸发器包括毛细芯，所述毛细芯能够保证从冷却流体输送管道 以液态接收到的载热流体完全汽化，及保证将完全呈气态的载热流体通过蒸汽输送管道送 返；
[0020] -完全汽化在所述毛细芯中建立并使载热流体的液相和汽相分开的弯月面处发 生；
[0021] -所述冷却线路没有使载热流体在所述回路中循环的机械泵；
[0022] -所述热源构件是能够参与电流转换、及其发热高于所述第一电磁零件发热的第 二电磁零件，例如电功率零件；
[0023] -所述回路包括该或每个毛细蒸发器，所述第一热交换器和该或每个毛细蒸发器 通过所述第二热交换器相互串联流体连通；
[0024] -所述第二热交换器在所述第一热交换器的下游，并在该或每个毛细蒸发器的上 游；
[0025] -所述回路包括将载热流体从所述第一热交换器引导直到该或每个毛细蒸发器 的引导支路、和使载热流体从该或每个第三毛细蒸发器返回直到所述第一热交换器的、与 所述引导支路平行的返回支路；
[0026] -所述第二热交换器安装在所述引导支路上，所述回路还包括第四热交换器， 所述第四热交换器能够把载热流体的热量排放到所述冷却线路外并安装在所述返回支路 上；
[0027] -所述回路是毛细泵回路；
[0028] -所述冷却线路在该或每个毛细蒸发器的上游包括液态载热流体的加压储存器， 所述加压储存器布置高度高于该或每个毛细蒸发器的布置高度；
[0029] -所述冷却线路包括控制在该或每个毛细蒸发器上游的载热流体的压力和/或 温度参数的控制部件；
[0030] -其中所述第一热交换器包括载热流体循环管道、和插置于所述第一电磁零件与 所述载热流体循环管道之间的导热介电材料；
[0031] -其中所述第一电磁零件是磁性零件，例如变压器或感应线圈，或者所述第一电 磁零件是电容零件，例如电容器或蓄电池。
[0032] 本发明的目标还在于一种铁路车辆，所述铁路车辆包括具有电动机的牵引链和如 上定义的电功率转换器。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 通过阅读下面仅作为例子给出并参照附图进行的描述将更好地理解本发明，附图 中：
[0034] 一图1是符合本发明的车载转换器的透视图；和
[0035] -图2是图1转换器的冷却线路的示意图。
【具体实施方式】
[0036] 图1中表不出用于铁路车辆的电功率转换器10。该转换器一般装载在货物或乘客 运输列车的动力车或者机车中。转换器10在铁路车辆中给牵引链的电动机供电。如本领 域公知的，转换器包括换流器12例如四相换流器、能够参与电流转换的第一电磁零件例如 变压器13、以及冷却换流器12和变压器13的冷却线路14。
[0037] 换流器12能够把例如来自悬吊接触网的直流电转换为具有相关变阻功能的三相 电流。
[0038] 如本领域已知的，换流器12包括直流输入总线16、四个功率传导杆18A、18B、18C、 18D，其中每个杆与换流器的一相和变阻功能相对应，换流器还包括至少一热源构件22,例 如并联安装在总线16与每个功率杆18A、18B、18C、18D之间的四个半导体开关构件22。
[0039] 每个构件22形成绝缘栅双极晶体管（已知以英文术语"Insulated Gate Bipolar Transistor"的首字母缩略词"IGBT"表示)。
[0040] 如本领域已知的，变压器13包括被线圈25包围的磁芯24。如图所示，磁芯24例 如为环形。
[0041] 当转换器10运行时，开关构件22的发热高于变压器13的发热。
[0042] 要注意的是，出于清楚的原因，图2中对换流器12的表示省略了直流输入总线16、 功率杆18和开关构件22。
[0043] 图2中示意表示的冷却线路14是封闭线路。冷却线路保证变压器13产生的热量 的消散，及保证使变压器13的温度保持在基本恒定的值。冷却线路还保证开关构件22产 生的热量的消散及保证这些开关构件22连接处的温度。
[0044] 为此，冷却线路14形成用于冷却变压器13和换流器12的载热流体例如甲醇循环 的回路26。
[0045] 冷却回路26包括贴靠变压器13的第一热交换器27、和能够将载热流体的热量排 放到冷却线路14外的第二热交换器28。冷却回路还包括使第一热交换器27和第二热交换 器28流体连通的流体连通部件29,流体连通部件能够将冷却流体在第二热交换器27与第 二热交换器28之间引导。
[0046] 第一热交换器27包括介电材料30和冷却流体循环管道31。第一热交换器还包括 支撑管道31的壳体32。
[0047] 介电材料30与变压器13接触。介电材料完全包围变压器13。介电材料在变压器 13周围及在变压器内延伸。
[0048] 介电材料30是良好的热导体，即它的导热率大于1W. m、K S优选大于2W. m、K、 介电材料30优选是固体，例如掺有添加剂的树脂或碳基体(matrice carbone )。作为变型， 介电材料30是油。
[0049] 介电材料30主要插置于壳体32与变压器13之间。
[0050] 管道31包括沿介电材料30伸展的周边部分33、和延伸于介电材料30中的内部部 分34。内部部分34特别延伸在变压器13内，以避免在此处形成热点。
[0051] 壳体32延伸在介电材料30周围。壳体插置在介电材料30与管道31的周边部分 33之间。壳体也具有良好的导热率，该导热率一般大于1W. πΓ1. ΙΓ1。
[0052] 第二热交换器28是冷凝级。
[0053] 第二热交换器包括图2中可看到的主冷凝器36,主冷凝器能够保证来自第一热交 换器27的蒸汽与周围环境之间的热交换。为此，冷凝器36具有与环境大气接触的侧向叶 片。
[0054] 冷凝级28在主冷凝器36的下游包括过冷交换器38,过冷交换器38能够冷凝在主 冷凝器36中偶尔不能被全部冷凝的蒸汽。
[0055] 流体连通部件29包括将气态冷却流体从管道31的出口 56输送直到第二热交换 器28的入口 57的管道54。
[0056] 流体连通部件29还包括多个第三热交换器60A、60B、60C、60D，每个第三热交换器 贴靠开关构件22之一的一个交换表面，能够将开关构件22产生的热量输送到冷却线路14 中，流体连通部件29还包括能够将载热流体的热量排放到冷却线路14外的第四热交换器 61、将液态冷却流体从第二热交换器28的出口 63输送直到第三热交换器60A、60B、60C、60D 的管道62A、将气态冷却流体输送或排放到热交换器60A、60B、60C、60D外直至第四热交换 器61的入口 65的管道62B、和将液态冷却流体从第四热交换器61的出口 67输送直到管道 31的入口 68的管道66。
[0057] 因此，在回路26中循环的冷却流体是双相流体，其在回路26的一些部分中只为液 体形式并且在回路26的其它部分中只为蒸汽形式。
[0058] 另外要注意的是，第一热交换器27、第二热交换器28和第四热交换器61互相串联 流体连通，并与每个第三热交换器6(^、6(?、60(：、600串联流体连通，而形成回路，相对于冷 却流体在回路26中的循环方向，第二热交换器28在第一热交换器27的下游并在每个第三 热交换器60A、60B、60C、60D的上游，并且第四热交换器61在每个第三热交换器60A、60B、 60C、60D的下游且在第一热交换器27的上游。特别是，管道54、第二热交换器28和管道62A 形成将冷却流体从第一热交换器27 -直引导到每个第三热交换器60A、60B、60C、60D的引 导支路69A，而管道62B、第四热交换器61和管道66形成与支路69A平行、使冷却流体从每 个第三热交换器60A、60B、60C、60D返回直到第一热交换器27的返回支路69B。"平行"理 解为支路69A和69B不相交。
[0059] 第四热交换器61是能够保证来自毛细蒸发器的蒸汽与周围环境之间热交换的冷 凝器。为此，第四热交换器61具有与周围大气接触的一些侧向叶片。第四热交换器61优 选邻接于第二热交换器28,特别是邻接于第二热交换器28的冷凝器36。
[0060] 冷却线路14还包括使冷却流体在冷却回路26中循环的循环部件59。图1和2中 可以看到的循环部件59没有任何机电泵。循环部件特别是由第三热交换器60A、60B、60C、 60D形成。
[0061] 为此，每个第三热交换器60A、60B、60C、60D是构成能够在入口接收液态冷却流体 而在出口输送只是蒸汽相的流体的毛细泵的毛细蒸发器。因此冷却回路26构成毛细泵回 路。
[0062] 这些毛细蒸发器60A、60B、60C、60D并联安装，坚向布置，以便在它们的上部分接 收以液相在回路26中循环的冷却流体及在它们的下端产生来自同一流体的蒸汽。
[0063] 四个毛细蒸发器60A、60B、60C、60D由它们的上端通过四个隔离器72与同一冷却 流体双相加压储存器70连接，隔离器72能够阻止蒸汽返回储存器70,例如在过强注入热功 率导致的蒸发器60A、60B、60C、60D停止运行的情况下。
[0064] 储存器70坚向相对地布置在毛细蒸发器6(^、6(?、60(：、600的上方，冷却液从储存 器70抽出，以便通过重力和负压泵送提供给毛细蒸发器60A、60B、60C、60D。
[0065] 四个毛细蒸发器60A、60B、60C、60D的蒸汽下出口汇合于排放管道62B处，排放管 道62B给第四热交换器61的入口 65提供来自毛细蒸发器6(^、6(?、60(：、600的蒸汽。
[0066] 第二热交换器28的出口 63通过管道62A与储存器70流体连通，管道62A将来自 第二热交换器28的液态冷却流体输送到储存器中。
[0067] 每个毛细蒸发器60A、60B、60C、60D特别是由除其入口和其出口外的封闭的管子 形成。其形状为平行六面体，开关构件22贴靠在平行六面体的一个面上。
[0068] 毛细芯74被容置在管子内，在蒸发器中限定用于接收液态冷却流体的内室76和 用于蒸汽态冷却流体输出的周边室78。这两个室76和78被毛细芯74完全分开，使得室 76中只存在液体而室78中只存在蒸汽，液相和蒸汽相这两相完全被分开。因此，冷却流体 的流动从内室76向外室78径向地进行。
[0069] 每个毛细蒸发器60A、60B、60C、60D保证液态冷却流体在开关构件22产生的热的 作用下转化为蒸汽，因此，开关构件22构成与毛细蒸发器6(^、6(?、60(：、600邻接的热源。这 些毛细蒸发器60A、60B、60C、60D在封闭线路14中保证泵的作用。
[0070] 毛细蒸发器60A、60B、60C、60D中的蒸汽压力增加导致流体循环。蒸汽压力增加在 液体完全汽化的弯月面处产生。弯月面在毛细芯74中形成，液体在此处非常迅速地变热并 完全汽化。
[0071] 弯月面处的汽化在几乎恒定的温度下进行。压力增加与流体的表面张力成正比， 与弯月面的等效半径成反比。
[0072] 因此每个毛细蒸发器6(^、6(?、60(：、600中的流体流量总是自动调节，以便在每个 蒸发器60A、60B、60C、60D的出口只有纯蒸汽。
[0073] 可理解的是，在从第二热交换器28出来的冷却流体的液相被负压吸向储存器70 而毛细蒸发器60A、60B、60C、60D在该储存器中抽吸冷却液的期间，这样运动的冷却流体在 形成泵的毛细蒸发器60A、60B、60C、60D处获得其蒸汽相，蒸汽相被带动循环直到第四热交 换器61，热量在第四热交换器处消散到大气中，这导致冷却流体液化。
[0074] 还明白的是，因此在第二热交换器28中造成的负压导致把以蒸汽形式从第一热 交换器27出来的冷却流体抽吸到第二热交换器28,这还导致通过反响将以液相从第四热 交换器61出来的冷却流体抽吸到第一热交换器27。
[0075] 最后，明白的是，由于重力作用，储存器70在毛细蒸发器60A、60B、60C、60D之上 的坚向排列可以排除可能的在毛细芯74中形成的蒸汽泡，因此可以保证毛细蒸发器60A、 60B、60C、60D的最佳运行。
[0076] 容纳在储存器70中的冷却流体呈上方为气顶的液相。
[0077] 储存器70装有安置于储存器70顶部的可控除气阀80和通常封闭的充填孔82。
[0078] 为保证开关构件22接合处温度的调节，储存器70装有与中央操控单元84连接的 加热和冷却部件。
[0079] 因此，加热电阻86布置于储存器70的气顶中，用以保证加热。同样，风扇88与储 存器70相对布置，用以保证冷却储存器。
[0080] 操控单元84操控电阻86和风扇88,操控单元与测量电动机消耗的电功率的传感 器90连接，其例如利用司机可用的铁路车辆加速控制器确定。
[0081] 同样，操控单元84与测量开关构件22连接处温度的传感器92连接。
[0082] 最后，与操控单元84连接的压力传感器94和温度传感器96布置于储存器70的 气顶中。
[0083] 操控单元84与阀80连接，以便控制该阀。
[0084] 操控单元84能够在传感器90测量的电功率增加时加热储存器70,而在传感器90 测量的电功率降低时冷却储存器70。因此，当转换器提供的电功率增加时，液态冷却流体的 汽化温度增加，这改善了蒸发器60A、60B、60C、60D中的热性能，而当转换器提供的电能降 低时，液态流体的汽化温度降低，这降低了毛细蒸发器60A、60B、60C、60D的热性能。
[0085] 操控单元84还能够在传感器92检测到过高温度的情况下控制加热储存器70,以 提高蒸发器60A、60B、60C、60D中的散热性能。
[0086] 最后，操控单元84能够随时间检验储存器70内的冷却流体的纯度。为此，操控单 元适于利用压力传感器94和温度传感器96测量储存器中的温度T sat和压力Psat。另外，它 还适于基于模型化公式计算理论温度Tsatth。操控单元84适于比较理论温度T satth和测量温 度Tsat，并且：
[0087]-如果理论温度Tsatth与测量温度Tsat不同，则启动阀80以为储存器70除气，这样 可以排出储存器70的气顶中存在的不可冷凝物；
[0088] -如果理论温度Tsatth等于测量温度Tsat，则由此推断出冷却流体可在比较时要求 的精度范围内被视为是纯净的，因此不需要对储存器70进行干预。
[0089] 这样可以更长时间地保持冷却线路14的良好性能。
[0090] 操控单元84还能够定期通过孔眼82将冷却流体再引入到线路14中，以补偿除气 导致的冷却流体损失。
[0091] 操控单元84经过编程设计，以重复上述回路步骤。
[0092] 因此还明白的是，回路26的运行温度受双相加压储存器70控制。对储存器70进 行热控制，以保证控制其汽化温度，从而可以控制蒸发器60A、60B、60C、60D中的热性能。
[0093] 在这些条件中，以良好的精度控制设定温度，即开关构件22连接处温度，而无论 冷却线路14应排出的热功率变化如何。
[0094] 借助上面描述的本发明，冷却线路14的尺寸减小，因此转换器10的尺寸也减小。 另外，由于没有要维护的机械泵，因而方便转换器10的维护。
[0095] 要注意的是，冷却回路26可用于冷却功率转换器10的其它电磁零件，而不是变压 器13。同样，在本发明的一些(未示出的）变型中，电容零件或线圈代替变压器13。
【权利要求】
1. 用于铁路车辆的电功率转换器（10)，所述电功率转换器包括： --能够参与电流转换的第一电磁零件（13); 一与所述第一电磁零件（13)分开的热源构件（22);和 一冷却线路（14)，所述冷却线路包括： -双相载热流体； -载热流体循环的回路（26)，所述回路包括： ?贴靠所述第一电磁零件的第一热交换器（27); ?能够将载热流体的热量排放到所述冷却线路（14)外的第二热交换器（28);和 ?使所述第一热交换器（27)与所述第二热交换器（28)流体连通的流体连通部件（29); 和 -使载热流体在冷却回路（26)中循环的载热流体循环部件（59)， 其特征在于，所述冷却线路（14)适于冷却所述热源构件（22);并且，所述载热流体循环 部件（59)包括由载热流体穿过、贴靠所述热源构件（22)的至少一个毛细蒸发器（60A、60B、 60C、60D)，载热流体在所述毛细蒸发器（6(^、6(?、60(：、600)中的液/蒸汽界面处产生的压 力作用下在冷却回路（26)中循环。
2. 如权利要求1所述的电功率转换器（10)，其中，所述毛细蒸发器（60A、60B、60C、60D) 包括毛细芯（74)，所述毛细芯能够保证从冷却流体输送管道（62A)以液态接收到的载热流 体完全汽化，及保证将完全呈气态的载热流体通过蒸汽输送管道（62B)送返。
3. 如权利要求2所述的电功率转换器（10)，其中，完全汽化在弯月面处发生，所述弯月 面在所述毛细芯（74)中建立并使载热流体的液相和汽相分开。
4. 如上述权利要求中任一项所述的电功率转换器（10)，其中，所述冷却线路（14)没有 使载热流体在所述回路（26)中循环的机械泵。
5. 如上述权利要求中任一项所述的电功率转换器（10)，其中，所述热源构件（22)是能 够参与电流转换、及其发热高于所述第一电磁零件（13)发热的第二电磁零件，例如电功率 零件。
6. 如上述权利要求中任一项所述的电功率转换器（10)，其中，所述回路（26)包括所 述毛细蒸发器（6(^、6(?、60(：、600)，所述第一热交换器（27)和所述毛细蒸发器（6(^、608、 60C、60D)通过所述第二热交换器（28)相互串联流体连通。
7. 如权利要求6所述的电功率转换器（10)，其中，所述第二热交换器（28)在所述第一 热交换器（27)的下游，并在所述毛细蒸发器（60A、60B、60C、60D)的上游。
8. 如权利要求6或7所述的电功率转换器（10)，其中，所述回路（26)包括将载热流 体从所述第一热交换器（27)引导直到所述毛细蒸发器（6(^、6(?、60(：、600)的引导支路 (69A)、和使载热流体从所述毛细蒸发器（6(^、6(?、60(：、600)返回直到所述第一热交换器 (27)及与所述引导支路（69A)平行的返回支路（69B)。
9. 如权利要求8所述的电功率转换器（10)，其中，所述第二热交换器（28)安装在所述 引导支路（69A)上，所述回路（26)还包括第四热交换器（61)，所述第四热交换器能够把载 热流体的热量排放到所述冷却线路（14)外并安装在所述返回支路（69B)上。
10. 如上述权利要求中任一项所述的电功率转换器（10)，其中，所述回路（26)是毛细 泵回路。
11. 如上述权利要求中任一项所述的电功率转换器（10)，其中，所述冷却线路（14)在 所述毛细蒸发器（6(^、6(?、60(：、600)的上游包括液态载热流体的加压储存器（70)，所述加 压储存器（70)布置高度高于所述毛细蒸发器（60A、60B、60C、60D)的布置高度。
12. 如上述权利要求中任一项所述的电功率转换器（10)，其中，所述冷却线路（14)包 括控制在所述毛细蒸发器（6(^、6(?、60(：、600)上游的载热流体的压力和/或温度参数的控 制部件（84)。
13. 如上述权利要求中任一项所述的电功率转换器（10)，其中，所述第一热交换器 (27)包括载热流体循环管道（31)、和插置于所述第一电磁零件（13)与所述载热流体循环 管道（31)之间的导热介电材料（30)。
14. 如上述权利要求中任一项所述的电功率转换器（10)，其中，所述第一电磁零件 (13)是磁性零件例如变压器或感应线圈，或者是电容零件例如电容器或蓄电池。
15. 铁路车辆，所述铁路车辆包括具有电动机的牵引链和如上述权利要求中任一项所 述的电功率转换器（10)。
【文档编号】H02M1/00GK104066304SQ201410106332
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2013年3月22日
【发明者】S·尼古洛, B·肖沙 申请人:阿尔斯通运输股份有限公司