用于冷却水下电气系统的组件的设备的制作方法

本发明涉及冷却设备，并且特别涉及用于冷却水下电气系统的组件的设备，并且涉及包括这样的设备的水下电气系统。

背景技术：

一般地，电气水下设施和设备通常需要在操作期间的与耐久性、长期功能性和独立性相关的高标准。需要在操作期间被冷却的电气水下设施(例如水下转换器)要求其组件的自主的且耐久的冷却。已知使用低压缩性的介电液体(例如矿物油)作为冷却流体。介电流体也能够包括自然酯类或合成酯类。一般地，介电流体被用于提供压力补偿环境，并且额外地用作被放置在电气设备中的电气组件的电绝缘介质，例如电容器单元。

功率电子水下装备(例如水下转换器)的罐因此通常填充有油，其用作组合的电绝缘和冷却介质。为了改进针对高损耗电气组件(例如功率半导体)的冷却，这些电气组件通常被附接到散热片，油流动通过散热片。油从内部转换器组件接收热并且可以通过罐表面将其传递给海水。一般地，单单罐表面不足以进行冷却并且冷却能力能够由位于罐外部的海水热交换器增强。为了改进针对高损耗电气组件(例如功率半导体)的冷却，这些电气组件通常被附接到散热片，油流动通过散热片。

由于针对水下转换器所要求的高可靠性，可以有利的是具有针对水下转换器的被动冷却系统，即无需泵的冷却系统。罐中的和任何油到海水热交换器中的油能够通过自然对流来移动。同样，冷却油到海水热交换器的海水可以通过自然对流来移动。理想地，可以因此期望仅仅通过自然对流来移动油，以消除作为具有有限使用期并且可能发生故障的组件的泵。然而，关于油自然对流的一个问题是有限的效率。

一般地，诸如矿物油的介电流体具有高粘性和低导热率。另外，热交换器中的典型介电流体的自然对流流速一般处于层流态。针对水下功率电子装备的典型冷却系统因此受在冷却流体与大的热传递表面必需的壁之间的高热阻力限制。水下热交换器可以优选地由圆形管制造，因为这是半成品形式，其中诸如不锈钢的典型的热交换器材料是可容易获得的。然而，管不能够具有太小的内径。另外，由于需要的壁厚，钢横截面将与油流动横截面相比是大的，使得热交换器笨重且昂贵。然而，鉴于以上所述，足够的内径一般使从油到内部管道壁的热传递变差(由于油的层流和低导热率)。

为了保持对自然对流足够低的压降，应当存在足够的油流动横截面(例如，许多平行管)并且管应当不是太长。具体地，不能够使用实现长管道的盘管热交换器。每个管道必须在其两端处(例如通过焊接)被连接到歧管。并行连接的许多管道导致大量连接(通常为焊接)。可能存在针对大型转换器的数千连接。由于提供连接需要人工作业，所以这意味着高成本，跟着保持所有连接紧密的挑战。

US 20130056181公开了一种针对电气连接到主电源的电气装备的去离子水冷却系统。该系统包括：主电路，其用于引导并冷却意图在电气装备内循环的去离子水；主泵系统；主电源；去离子电路，其在两个点处连接到主电路并且包括去离子器；次级泵系统，其用于使去离子器中的去离子水循环；以及次级电源，该次级电源具有小于主电源的功率。US 20120189472公开了用于水下使用的液压功率单元。该功率单元包括：壳体，其容纳流体；电机，其安装在壳体中；分配泵；热交换单元，其被提供在壳体的外部；以及至少一个分配电路，其与热交换单元和壳体流体连通。

尽管这样的系统可以是热有效的，但是它们要求在组件周围建立进行冷却的油通道或者它们被附接到其的散热片。通道中的油相对于在通道周围的油处于超压下。因此，通道壁需要足够强且紧密以忍受该超压。另外，通道壁必须是热绝缘的以限制从可以变得更热的高损耗组件到更温度敏感的低损耗组件的热传递。这显著地增加了系统的机械复杂性。

因此，冷却效率受限制，并且经济的冷却系统的设计可以因此是具有挑战的。因此，存在对水下应用中的电气组件的有效水下冷却的需要。

技术实现要素：

本文中的实施例的目的在于提供用于水下应用中的电气组件的水下冷却的有效机制。

自然对流没有强制油冷却有效并且受系统中的压降限制。一个主要瓶颈是海水热交换器。罐中的平均温度是高的，导致温度敏感电气组件的过早老化。另外，由于腐蚀，罐壁通常由不锈钢制成，其具有相当低的导热率(大约10W/(m K))。因此，罐将不能够将热很好地从电气组件分散。

因此，本文中的实施例的特别目的在于提供用于水下应用中的电气组件的水下冷却而且没有以上指出的缺点的有效机制。

具体地，根据第一方面，提出了一种用于冷却水下电气系统的组件的设备。该设备包括填充有介电流体的罐。该罐包括第一部分和第二部分。该设备包括位于第一部分内的至少一个第一电气组件。该设备包括位于第二部分内的至少一个第二电气组件。该设备包括位于罐外部的并且与罐流体接触的并且被布置为在操作期间与海水热接触的第一热交换器。该设备包括被布置为迫使所述介电流体的流通过第一热交换器的泵。罐中的介电流体的流是部分地通过自然对流的并且是部分地通过由泵产生的强制对流的。至少一个第一电气组件产生比至少一个第二电气组件更多的热。在第一部分内，通过自然对流的流的份额比在第二部分内更大。

有利地，这样的设备实现对水下应用中的电气组件的有效水下冷却。有利地，这样的设备实现温度敏感电气组件的减轻的老化。

冷却是有效的，因为泵补偿介电流体的流中的最大压降，即其中介电流体被传递通过第一热交换器。有利地，这样的设备因此允许廉价的、轻型的且紧凑的第一热交换器。

根据第二方面，提出了一种包括根据第一方面的设备的水下功率电子转换器单元。

有利地，水下功率电子转换器单元能够具有最大额定功率。

要指出，第一方面或第二方面的任何特征可以在任何合适的情况下被应用到任何其他方面。同样地，第一方面的任何优点可以同样适用于第二方面，并且反之亦然。随附的实施例的其他目的、特征和优点将从下面的详细公开内容中、从所附从属权利要求以及从附图中变得显而易见。

一般地，在权利要求中使用的所有术语应当根据它们在技术领域中的普通意义来理解，除非本文另外明确定义。对“一/一个/该元件、设备、组件、装置、步骤、等等”的所有引用应当被开放式地理解为指代元件、设备、组件、装置、步骤、等等的至少一个实例，除非另外明确陈述。本文公开的任何方法的步骤不必以所公开的确切顺序来执行，除非明确陈述。

附图说明

现在参考附图通过举例的方式来描述本发明，在附图中：

图1、图2、图3和图4示意性地图示了根据实施例的用于冷却水下电气系统的组件的设备；

图5示意性地图示了盘管的热交换器。

图6示意性地图示了螺旋静态混合器；以及

图7示意性地图示了图1中的用于冷却水箱功率电子转换器单元的组件的设备的冷却性能。

具体实施方式

现在将在后文中参考附图更完整地描述本发明，其中示出了本发明的某些实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实现并且不应当被理解为限于本文阐述的实施例；相反，这些实施例通过举例的方式来提供使得本公开内容将是透彻的且完整的，并且将本发明的范围完整地传达给本领域技术人员。类似的附图标记在说明书中指代类似的元件。

针对电气装备的并且尤其是针对水下电气系统的冷却系统被用于冷却电气组件，例如功率电子构件、半导体模块、连接器以及电容器单元。这样的电气组件产生需要由冷却系统耗散的热。水下功率电子转换器单元的冷却系统通常以简单的方式来设计以避免任何不必要的部件和机构。一般地，期望具有被动冷却系统，因此没有任何驱动或供电部件(例如没有泵)的冷却系统来冷却电气装备。在一些情况下，自然对流被使用但是其具有低效率。由自然对流进行的冷却使用从冷却液体到周围海水的热传递来产生冷却系统内的循环，并且因此产生在电气设施和水下功率电子转换器单元内的循环。

现在对图1、图2、图3和图4进行参考。图1、图2、图3和图4是图示了用于冷却水下电气系统的组件的设备1a、1b、1c、1d的横截面侧视图。

一般地，提供了用于冷却用于水下设施的水下电气系统的组件的设备1a、1b、1c、1d，其中介电流体3(例如油)被泵送通过第一热交换器5a、5b并且使用泵系统而被泵送到罐2中，同时罐2中的介电流体3通过自然对流来循环。由于较大的可允许压降，能够通过使用长管道9a、9b(例如盘管热交换器)和/或内部表面扩展或静态混合器来使得第一热交换器5a、5b的性能有效。

现在将公开用于冷却水下电气系统的组件的设备1a、1b、1c、1d的具体细节。

设备1a、1b、1c、1d包括罐2。罐2被填充有介电流体3。该罐包括第一部分2a和第二部分2b。在图1-4中，第一部分2a和第二部分2b由符号的虚垂直线来示意性地分开。设备1a、1b、1c、1d包括至少一个第一电气组件4a。至少一个第一电气组件4a位于第一部分2a内。设备1a、1b、1c、1d包括至少一个第二电气组件4c。至少一个第二电气组件4a位于第二第一部分2a内。至少一个第一电气组件4a产生比至少一个第二电气组件4c更多的热。

设备1a、1b、1c、1d包括第一热交换器5a。第一热交换器5a位于罐2外部。第一热交换器5a与罐2流体接触。第一热交换器5a被布置为在操作期间与海水6热接触。设备1a、1b、1c、1d包括泵7a。泵7a被布置为迫使介电流体3的流通过第一热交换器5a。

在使用时，诸如电气组件4a、4c的组件产生热。一般地，针对一些电气组件4a、4c，增大的温度是常见的应力因素。在水下环境中，例如在要求高可靠性的水下功率电子转换器单元中，热应力应当因此被限制到最小值。在至少一个电气组件4a中，在操作期间耗散能量。该能量被传导到至少一个第一电气组件4a和至少一个第二电气组件4c的外壁，其中其被输送到周围，例如被输送到围绕至少一个第一电气组件4a和至少一个第二电气组件4c的介电流体3。热从介电流体3被传递到周围的水。更详细地，来自介电流体3的热被传递到第一热交换器5a并且之后从第一热交换器5a被传递到围绕罐2的水。至少一个电气组件4a的有效冷却使得至少一个第一电气组件4a和至少一个第二电气组件4c热点温度能够得到限制。

罐2中的介电流体3的流是部分地通过自然对流的并且是部分地通过由泵7a产生的强制对流的。具体地，在第一部分2a内通过自然对流的流的份额比在第二部分2b内(由自然对流的流的份额)更大。

设备1a、1b、1c、1d可以因此被配置为使得在操作期间介电流体3从至少一个第一电气组件4a和至少一个第二电气组件4c接收热，从罐2流动到第一热交换器5a中，流通通过第一热交换器5a以将热传递给海水6，并且从第一热交换器5a流动回到罐2中。第一热交换器5a可以因此被认为是油到海水热交换器。泵7a被布置为迫使介电流体3的流通过第一热交换器5a。在设备1a和1b中，泵7a被布置为使得介电流体3通过泵7a从第一热交换器5a流动回到罐2中。在设备1c和1d中，泵7a被布置为使得介电流体3通过泵7a从罐2流动到第一热交换器5a中。

水下电气系统可以因此被布置为使得在使用时至少一个第一电气组件和第二电气组件4a、4c被动地被加压到周边海水的静液压水平(每10米增加1bar，通常针对考虑中的水下设施为100到300bar)。这可以通过将薄壁压力补偿罐2填充有具有可忽略的压缩率的介电流体3来实现。备选地，罐2的壁是厚的(并且因此不需要压力补偿)，由此使得至少一个电气组件4a呆在大气压力处。因此，根据一个实施例，罐2是(薄壁)压力补偿罐，并且根据一个实施例，罐2是(厚壁)无压力补偿罐。

陆地上的常见的功率电子设备可以具有泵送的去离子水或空气冷却系统，但是之后冷却流体被泵送通过损耗产生组件的散热片。这不同于设备1a、1b、1c、1d，其中冷却流体通过自然对流冷却罐中的组件，并且仅仅存在通过第一热交换器的强制对流。介电流体3可以为油。从图1显而易见设备1a的工作原理。泵7a用于补偿在第一(油到海水)热交换器5a上的油压降。这意味着泵7a迫使流通过第一(油到海水)热交换器。对比之下，罐2中的介电流体3的流是部分地通过自然对流的并且是部分地通过泵7a的。在图7中概述对油强制原理到转换器的应用，参见下文。

由于罐2中的至少一个第一和第二电气组件4a、4c以不同的份额由自然对流冷却，所以甚至在关闭泵7a的情况下，该设备仍然将以全功率并且无疑以降低的功率水平工作有限的时间。泵7a的速度可以被设置为仅仅稍高于(通过至少一个散热片8的堆叠)对应的自然对流流，因为整个罐2中的温度将被均匀地冷却，其能够对要求低温环境的诸如电容器的电气组件4a有用。一般地，至少一个第一电气组件4a可以是功率电子组件。更具体地，至少一个第一电气组件4a可以为以下中的任何：开关柜、断路器、变压器、抽头转换开关和电容器。

现在将公开涉及用于冷却水下电气系统的组件的设备1a和1b的进一步细节的实施例。

根据第一通用实施例，第一热交换器5a是盘管类型，如图5、图6所示。因此，根据第一通用实施例，第一热交换器5a包括介电流体3通过其流动的至少一个管道9a。诸如管道9a和/或管道9b的一个或几个管道可以被形成为圈状或螺旋状。因此，每个管道9a可以被成形为圈状或螺旋状。将至少一个管道9a成形为圈状或螺旋状是将长管道9a容纳在小体积内的手段。针对海水6的自然对流冷却，圈状轴应当在操作期间被垂直地取向。一般地，海水6沿由线圈形成的圆柱体的内表面和外表面升高。

具有盘管9a的一个优点在于(通过入口歧管和出口歧管)并行连接的许多直短管道可以由几个长盘管9a、9b替代。几个长盘管9a、9b与许多直短管道具有相同的总热传递面积。减少管道的数量(同时保持热传递面积恒定)可以是有利的，因为每个管道9a、9b一般需要例如通过焊接被手动连接到歧管。

如本文所公开的泵送的油冷却的一个优点在于其使得能够使用盘管油到海水热交换器。在没有泵送的情况下，长盘管9a、9b中的压降将过高。

根据第二通用实施例，第一热交换器5a被提供有用于将通过第一热交换器5a的介电流体3混合的单元。因此，第一热交换器5a可以包括用于将管道9a、9b中的介电流体3的流混合的混合装置10a、10b；每个管道9a、9b因此包括对应的混合装置10a、10b。混合装置10a、10b可以用作静态混合器。静态混合器的一个示例是螺旋静态混合器，其的示例被示意性地图示在图6中，其中混合单元的一个部分利用第一旋转方向(例如顺时针)来布置，并且其中混合单元的另一部分利用相反旋转方向上(例如逆时针)的旋转来布置。针对螺旋静态混合器，混合装置10a、10b包括具有交替旋转感测的螺旋叶片。因此，混合装置10a、10b可以包括交替螺旋线。

针对螺旋静态混合器，会合叶片的尾沿和前沿偏移90°。这样的混合器在交换流动横截面内的流体颗粒的位置中非常有效；即，它们将颗粒带到靠近管道壁的中心附近，并且反之亦然。因此，从介电流体3到第一热交换器5a的内壁的热传递被大大改进。如本文所公开的对介电流体3的泵送是用于使用这样的混合装置10a、10b的使能器。在没有泵送的情况下，压降将过高。使用混合单元10a、10b可以显著减少需要的热传递面积，即第一热交换器5a、5b的长度和/或数量，从而得到较小的且较经济的第一热交换器。

第二总体实施例可以容易地与第一总体实施例进行组合。因此，第一热交换器5a的管道9a可以被填充有用于将通过第一热交换器5a的管道9a流动的介电流体3混合的以上公开的装置。例如，如在图6中示意性地图示的螺旋状物能够由塑料或由薄金属制成柔性的，使得其能够被推入到盘管9a中。不要求在螺旋状物与管道9a之间的良好热或机械接触，并且安装是容易的。

根据第三通用实施例，许多第一(油到海水)热交换器5a、5b被连接到罐2，通过其介电流体3并行流动。因此，根据第三实施例，设备1a、1b、1c、1d还包括位于罐2外部的并且与罐2流体接触的并且被布置为在操作期间与海水6热接触的至少一个另外的第一热交换器5b。

每个第一热交换器5a、5b可以具有它自己的泵7a、7b。即，每个至少一个另外的第一热交换器5b均可以被提供有相应的另外的泵7b，泵7b被布置为迫使介电流体3的流通过其相应的第一热交换器5b。如果一个泵7a发生故障，则其他热交换器5b可以继续以全效率工作。具体地，设备1a、1b、1c、1d可以以冗余的方式来设计，使得以全负载的操作能够甚至在特定数量的泵7a已经发生故障之后继续。几个泵7a、7b能够为具有在要求修复时的容易访问的冗余系统的部分。对健壮性的要求可以因此由泵系统中的冗余度支持。

第三总体实施例可以容易地与第一总体实施例和/或第二总体实施例进行组合。因此，每个第一热交换器5a、5b可以为盘管类型的和/或被提供有用于将介电流体3混合的单元。

根据第四通用实施例，电气组件4a可以被附接到将热有效地从组件传递到介电流体3的第二热交换器8。因此，根据第四通用实施例，设备1a、1b、1c、1d还包括至少一个第二热交换器8。至少一个第二热交换器8位于罐2内。至少一个第二热交换器8与至少一个电气组件4a中的至少一个热连接。这对于具有高损耗和/或高损耗密度(并且因此可能要求有效的冷却)的电气组件4a可以是尤其有利的。

介电流体3通过自然对流流动通过至少一个第二热交换器8。因此，介电流体3通过至少一个第二热交换器8的流动是通过自然对流流动的。至少一个第二热交换器8中的每一个可以是散热片，例如翅式散热片。至少一个第二热交换器8可以被夹持到诸如IGBT模块的电气组件4a。

例如，设备1a、1b、1c、1d可以包括被提供在通过自然对流冷却的基本上垂直的堆叠中的至少两个第一产生高损耗电气组件4a、4b。第一热交换器5a、5b中的流将由于如与罐2中的较冷的平均介电流体3相比相对增加的浮力效应而增加。之后在垂直地堆叠的第一电气组件4a、4b之间的温度差将被减小。

例如，至少一个第二电气组件4c可以是温度敏感的产生低损耗电气组件4c。第二部分2b可以由罐2中的单独的流路径定义，其中针对共同均值流体速度，通过产生低损耗电气组件4c的摩擦压降低于通过至少一个第一产生高损耗电气组件4a、4b的摩擦压降。单独的流动路径在罐2本身内部。

第四总体实施例可以容易地与第一总体实施例、第二总体实施例和/或第三总体实施例进行组合。因此，可以提供设备1a、1b、1c、1d，其中每个第一热交换器5a、5b具有盘管类型和/或被提供有用于将介电流体3混合的单元，并且其中诸如垂直地堆叠的电气组件4a、4b、4c的电气组件4a、4b、4c被附接到第二热交换器8。

根据第五通用实施例，本文公开的设备1a、1b、1c、1d中的任一个还包括电气控制系统11。因此，第五总体实施例可以容易地与第一总体实施例、第二总体实施例、第三总体实施例和/或第四总体实施例进行组合。电气控制系统11被提供在罐2中并且被连接到至少一个电气组件4a、4b、4c。根据实施例，电气系统是水下功率电子转换器单元。电气控制系统可以包括以下中的任何中的至少一个：开关柜、断路器、变压器、抽头转换开关和电容器。

混合装置10a、10b可以由监视和控制系统控制，由此使得混合单元10a、10b能够调控水下电气系统的功率。

一般地，介电流体3在罐2的出口12a、12b处从罐2流动到第一热交换器5a、5b中，并且在罐2的入口13a、13b处从第一热交换器5a、5b流动回到罐2中。

根据第六通用实施例，本文公开的设备1a、1b、1c、1d中的任何在操作期间被垂直地取向。换言之，每个第一热交换器5a、5b相对于罐2被垂直地布置。这意味着在操作期间，出口12a、12b被垂直地定位为比入口13a、13b更高。即，根据第六通用实施例，本文公开的设备1a、1b、1c、1d中的任何在操作期间被配置为使得介电流体基本上垂直地向下流动通过第一热交换器5a、5b。

根据第七通用实施例，本文公开的设备1a、1b、1c、1d中的任何在操作期间被配置使得罐2中和至少一个第一和第二电气组件4a、4c周围的介电流体3的自然对流流和通过第一热交换器5a、5b的介电流体的流形成连续流。

现在同时对图1和图7进行参考。图7示意性地图示了图1中的设备1a的冷却性能。

如图7所示，第一热交换器5a、5b的冷却性能导致在罐底部处的介电流体3的低温，即在位置A和D处的介电流体3的温度。

由于介电流体3的泵送的流的增加的质量流结合与路径A-B相比的路径D-E的低压降，温度将在整个罐2中直到位置E是低的。这意味着为温度敏感的低损耗电气组件(图7中的“组件”)能够被直接放置在罐2中。针对纯自然对流系统，不存在罐2中的介电流体3的明显流，并且因此在罐2的顶部处的罐温度显著高于在罐2的底部处的罐温度。

尽管泵7a、7b仅对针对路径A-B的强制对流贡献很少，但是由于与跨罐2的较大压力梯度相对应的较低罐温度，介电流体3的流仍然大大高于针对将在缺少泵7a、7b的情况下发生的自然对流的情况。

在罐2内，设计非常简单。用以引导流的特殊装置是不必要的。用于冷却通过电气组件的流由路径A-B中的介电流体3的与路径D-E中的介电流体3的密度相比较低的密度驱动。

以上已经主要参考几个实施例描述了本发明。然而，如容易由本领域技术人员认识到的，除了以上公开的实施例之外的其他实施例在如由随附专利权利要求限定的本发明的范围内同样是可能的。例如，尽管油已经被用作介电流体3的示例，但是应理解能够使用任何适当的介电流体3。