专利名称：用于低流率冷却系统的空气分离器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种低流率冷却系统，这种类型的低流率冷却系统用 于在机动车辆中冷却电子装置，例如与混合机动车辆和燃料电池相关 的那些电子装置。更具体地说，本发明涉及低流率冷却系统的一种空 气分离器，用来从冷却剂液体中移除气泡。发明背景如
图1所示，低流率冷却系统10包括冷却剂管道12，借此液体 冷却剂流过主热交换器并且冷却剂中的热量在此与空气交换，并且借 此从各式各样的电子装置16a和16b中吸收热量，其中电子装置16a 和16b可以相互连接成串联的、并联的、或者串并联的形式。冷却剂 流过具有可移除的盖子20的冷却剂容器(或稳压罐)18，在此进行填充 并且空气能够逸出。由电动机24提供动力的泵22(结合起来，只有电 动泵26)通过冷却剂管道连接，泵的入口连接到冷却剂容器上，而泵 的出口连接到热交换器上。低流率冷却系统10独立于内燃机冷却剂 系统30、变速器冷却剂系统40和空气调节系统50而运行。所谓"低 流率"的意思是，冷却剂流过管道的速度比应用于内燃机冷却剂系统 30的慢得多，例如为约5到20公升每秒(51pm至201pm)。应用了低流率冷却系统的机动车辆包括混合才几动车辆和燃料电 池机动车辆。混合才几动车辆利用补充内燃机的电气部件，例如功率变 换器和/或电力拖动电机和其它电气部件。问题在于，这些电气部件产 生的热量必须得以消散以运行在预定的参数上。同样，作为需要，低 流率冷却剂系统用于提供消散热量。燃料电池机动车辆还可以利用低 流率冷却系统，以用于其电子部件，也即冷却功率变换器、电力拖动电机等。低流率冷却剂系统还可以和空气至冷却剂的增压空气冷却器一起使用，例如与涡轮增压动力系(power train)或增压动力系一起使 用。虽然低流率冷却剂系统运行得很好，但仍需要谨慎注意几个操作 上的问题。第一个问题涉及在服务填充(service fill)后从冷却剂中分离 和去除气泡，因为冷却剂流速低，所以这比较困难。气泡的去除可能 使在系统内利用排气阀的步骤变得复杂，可能需要很长时间来完成， 也就是说，要求若干次系统循环，或者在一些情况下并不可行。另一 个问题在于，低流率冷却系统仅仅利用电动冷却剂泵，其中冷却剂每 个部件的压降都必须减少，以使电动冷却剂泵的尺寸和动力消耗尽可 能地小。同样，在装配电动泵入口之前，吸入侧系统压差是达到最大 的泵升压容量的关键。另一个问题在于，当机动车辆开动时，沿垂直 方向、前后向和左右向的车辆运动能够引起冷却剂容器系统内的冷却 剂的搅拌。冷却剂流经在低流率冷却系统的冷却剂容器的产生的这种 搅拌能够导致气泡的产生，这样会引入空气到冷却剂中。^(氐流率冷却 系统的另 一个问题是，冷却剂中的气泡在电子部件与冷却剂之间以及 冷却剂与散热用热交换器之间产生了热量转移的屏障。另 一个问题在 于，多通道的低流率冷却系统需要中央返回通道。还有一个问题在于， 低流率冷却剂泵可能会引入少量空气，这会妨碍冷却系统的正常运 行，从而使将要通过系统冷却的部件产生热应力或使其发生故障。本技术领域所需要的是用于低流率冷却剂系统的这样一种空气 分离器，它可以促进冷却剂系统的运行并有效地去除气泡，这样就成 功地解决上述的每一个问题。发明概述本发明涉及一种用于低流率冷却剂系统的空气分离器，其促进冷 却剂系统的运行并有效地从液体冷却剂中去除气泡，从而解决与这样 的系统相关的主要问题。根据本发明的空气分离器是封闭的罐，其具有底壁、相对于底壁 处于(从重力方向上)较高位置的顶壁、和位于它们之间并密封地与它 们连接的侧壁，其中侧壁可以优选地构造成圆柱形。至少一个冷却剂 入口设置在侧壁上、优选地在顶壁附近，泵出口设置在底壁上，而冷却剂容器出口设置在顶壁上。每个冷却剂入口都在其回程支线(return leg)上连接至冷却剂管道，在该回程支线中，冷却剂从通过冷却剂冷 却的部件(也即电气部件)中返回。冷却剂容器出口连接至冷却剂容器 管，而该冷却剂容器管又连接到低流率冷却剂系统的冷却剂容器上， 其中冷却剂容器在相对于罐在重力方向上是较高的。泵出口连接至回程冷却剂管道上，而回程冷却剂管道又连接至低流率冷却剂系统的冷 却剂泵的入口 。在运行中，冷却剂从一个或多个冷却剂入口流进罐内，其中罐的 每单位长度截面积比冷却剂管道的每单位长度平均截面积大得多，例 如至少大一个数量级，使得冷却剂在穿过泵出口排出之前具有增加了 的在罐内的停留时间。该停留时间足以允许气泡向上移动至顶壁，于 是气泡通过冷却剂容器管而逸出罐。在冷却剂容器处，空气通过系统 的填充盖从系统中常规地移除到大气中。根据本发明的空气分离器解决了与低流率冷却剂系统相关的每 个问题，这将在下文表述。空气分离器为从冷却剂中分离空气提供时间和空间。空气分离器 和低流率冷却回路的冷却剂通道的适当的一体化免除了额外的系统 硬件(例如排气阀)需求，并且简化了服务填充程序。空气分离器利用压降幅度低的装置，其在集成到低流率冷却系统 中时，通过在泵的入口侧上提供竖直的冷却剂水头，来提供对电动冷 却剂泵的升压容量的促进。空气分离器定位于与冷却剂容器的竖直距离较远的地方，由此在 冷却剂容器中搅拌着的冷却剂(在其上方)和在空气分离器内的冷却剂 (其被吸入到电动冷却剂泵入口内)之间形成竖直的流体分离。流式工作台的改进方案显示了空气分离器对从冷却剂回路中去 除气泡是非常有效的，从而增加了系统内的热量转移效果。在多通道低流率冷却系统内，空气分离器为每个冷却剂回路都提 供了中央回程连接处，借此空气分离器接合点作为中央回程点而起作 用，并用作有效的分配点在运行电动冷却剂泵(一个或多个)之前填充 多重冷却剂回路。因此，本发明的目的是为低流率冷却剂系统提供空气分离器，其 可以促进冷却剂系统的运行并有效地从冷却剂中去除气泡，从而解决 与此系统相关的主要问题。通过下文对优选实施例的说明可以明确本发明的这个目的，以及 其它目的、特征和优点。附图简述图1是常规的、现有技术的低流率冷却剂系统的示意图，其中还 显示了机动车辆的变速器、空调和内燃机冷却剂系统。图2是包括了根据本发明的空气分离器的低流率冷却剂系统的示 意图。图3A是根据本发明的空气分离器的第 一优选实施例的透视图。 图3B是根据本发明的空气分离器的第二优选实施例的透视图。 图4是包括了根据本发明的空气分离器的低流率冷却剂系统的透 视图。图5是低流率冷却剂系统的压降分布曲线图，其中比较了在其包 括和不包括根据本发明的空气分离器的情况下，电动泵的升压曲线。优选实施例详述现在参考附图，图2至图4描述了结合了根据本发明的空气分离 器的低流率冷却剂系统的多种构造方面和功能方面，该系统适合用于 机动车辆。首先参考图2，低流率冷却系统100包括冷却剂管道102、 102，， 液体冷却剂C(如图3A和3B所示)通过它们流过主热交换器104,在 此冷却剂的热量和大气进行交换，并且通过管道102流到多种电子装 置106a上(这些电子装置106a可以是互相串联、并联或串并联的)， 或通过一个或多个第二低流率冷却剂回路IOO，的管道102，流到其它的 电子装置106b上。在电子装置106a、 106b处，它们所产生的热量由 流过其中的冷却剂吸收而去除。冷却剂流过根据本发明的空气分离器 200、 200，，其具有冷却剂容器管道108,该冷却剂容器管道108连接 至位于较高位置的冷却剂容器110,该冷却剂容器110具有可移除的 盖子112,在此进行填充而空气能够以常规的方法从盖子逸出。由电 动机118驱动的泵114(结合之后，就是电动泵116)通过冷却剂管道连 接，泵入口连接至空气分离器200的出口，而泵出口连接到热交换器 上。冷却剂以"低"速流过管道，例如在大概5到20公升每分钟(51pm 至201pm)的范围内。典型地，冷却剂管道102、 102，的内径优选地约 为19mm,并可以是管子或者柔性软管的形式；并且其中用于互连到 冷却剂管道的装置优选地具有17mm的最小内径。如图4所示，可以 存在以串联形式连接的两个电动泵116a、 116b。管道优选地在空气分 离器和电动泵之间是直线的，另外当使用双重电动泵时在电动泵之间 也是直线的。如图3A所示，根据本发明的空气分离器200的笫一实施例包括 封闭的罐202，其具有底壁204、相对于底壁处于在重力方向上较高 位置的顶壁206、和位于它们之间并封闭地连接到顶壁和底壁的侧壁 208。侧壁208优选地构造成圆柱形。冷却剂入口 21(H殳置在侧壁208 上，泵出口 212位于底壁204上，而冷却剂容器出口 214位于顶壁206 上。冷却剂入口 210连接至侧壁(一般地优选地在顶壁206附近)，并 且在冷却剂管道102的回程支线处连接至冷却剂管道102(见图2),其 中冷却剂从一个或多个发热的电气部件返回。冷却剂容器出口 214(见图2)连接到冷却剂容器管道108上，其连接至冷却剂容器110，其中 冷却剂容器相对于罐202处于(在重力方向上的)较高的位置。泵出口 212连接至回程冷却剂管道，而该回程冷却剂管道又连接到(见图2) 低流率冷却剂系统的电动泵116的入口 。运行中，冷却剂C从冷却剂入口 210流进罐202(如箭头所示)， 其中罐的每单位长度截面积的比冷却剂管道的每单位长度平均截面 积的大得多，例如大至少一个数量级，使得冷却剂在穿过泵出口 212 排出之前具有增加了的在罐内的停留时间。该停留时间足以允许气泡 向上移动(如箭头所示)至顶壁206,于是气泡通过冷却剂容器管道108 而逸出罐。在冷却剂容器110处，空气从低流率系统100中常规地通 过其填充盖112而去除。举例来说，罐202内的冷却剂的停留时间优选地取1.2s,而此处 冷却剂是(例如)水和防冻液的50/50混合剂。对于圓柱侧壁208,高度 h可以设定成近似地等于直径d,在这种情况下，罐的内部容积V通 过公式V=7u(d/2)2h限定，其中流率为10公升每分钟，并且如果V=200 毫升，则每毫升冷却剂的停留时间为约1.2s，其中冷却剂流率在管道 和罐之间减少了约一个数量级。图3B显示了根据本发明的空气分离器200，的笫二实施例，其中 与图3A中空气分离器200的第一实施例相似的部分具有相似的数字 标号。现在罐202，具有约两倍于高度h，的直径d，。可选的第二冷却剂 入口 210a位于侧壁208，上、 一般优选地靠近顶壁，并且经冷却剂管 道102'(见图2)连接到并联的第二低流率冷却剂回路IOO，(见图2)上(其 共享空气分离器200')。举例来说，罐202，内的冷却剂的停留时间优选地为约1.2s,而此 处冷却剂是(例如)水和防冻液的50/50混合剂。对于圓;f主侧壁208，， 高度h，可以近似地等于直径d，的一半，在这种情况下，罐的内部容积 V，通过公式V^7i(d72)V限定，其中流率为20公升每分钟，并且如果V-400毫升，则每毫升冷却剂的停留时间为约1.2s,其中冷却剂流率 在管道和罐之间减少了约一个数量级。图5显示了低流率冷却剂系统在包括和不包括根据本发明的空气 分离器的情况下的压降分布图300。曲线310描绘了用于低流率冷却剂系统所有部件的压降与流率的 函数关系图。曲线312描绘了电动泵的升压与流率的函数关系，其中 低流率冷却剂系统内不包括空气分离器。曲线314描绘了电动泵压头 的升压与流率的函数关系图，其中低流率冷却剂系统内包括根据本发 明的空气分离器。值得注意的是，通过在低流率冷却剂系统100内利 用空气分离器200,交叉点312，和交叉点314，之间具有显著的改善， 例如百分之十(10%)的改善幅度.316。变或修正。这种改变和修正能够在不脱离本发明范围的情况下进行， 而该范围仅仅由所附的权力要求的范围限定。
权利要求
1、一种改进了的低流率冷却剂系统，其包括热交换器；至少一个电动泵；至少一个发热部件；冷却剂容器；管道，其将所述热交换器、所述至少一个电动泵、所述冷却剂容器和所述至少一个发热部件互相连接；液体冷却剂，其由所述至少一个电动泵所泵送，其这样流动，即，通过所述管道流经所述热交换器并且从所述至少一个发热部件中移除热量，其中，所述管道具有每单位长度平均管道截面积；和空气分离器，其连接至所述管道，所述空气分离器包括罐，其具有每单位长度罐截面积，所述罐包括至少一个冷却剂入口，其通过所述管道连接到所述至少一个发热部件上；泵出口，其通过所述管道连接到所述至少一个电动泵的入口上；和冷却剂容器出口，其通过所述管道连接到所述冷却剂容器上；其中，所述冷却剂容器定位成在重力方向上高于所述罐，而所述每单位长度罐截面积比所述每单位长度平均管道截面积大预定的量，使得所述罐内的冷却剂在所述罐内部具有一定的停留时间而所述停留时间允许所述冷却剂内的气泡向所述冷却剂容器出口移动并且随后继续移动到所述冷却剂容器。
2、 根据权利要求1所述的改进了的低流率冷却剂系统，其特征 在于，所述冷却剂在所述罐内的所述停留时间基本上在1秒到2秒之 间。
3、 根据权利要求1所述的改进了的低流率冷却剂系统，其特征在于，冷却剂在所述罐内的流动基本上比冷却剂经过所述管道的流动 慢一个数量级。
4、 根据权利要求3所述的改进了的低流率冷却剂系统，其特征 在于，所述冷却剂在所述罐内的所述停留时间基本上在1秒到2秒之 间。
5、 根据权利要求1所述的改进了的低流率冷却剂系统，其特征 在于，所述低流率冷却剂系统还包括至少一个附加的^氐流率冷却剂回 路，而所述空气分离器还包括至少一个附加的冷却剂入口，其通过所 述低流率冷却剂系统的管道而连接至各自相应的附加的低流率冷却 剂回路上。
6、 根据权利要求5所述的改进了的低流率冷却剂系统，其特征 在于，所述冷却剂在所迷罐内的所述停留时间基本上在1秒到2秒之 间。
7、 根据权利要求5所述的改进了的低流率冷却剂系统，其特征 在于，冷却剂在所述罐内的流动基本上比冷却剂经过所述管道的流动 慢一个数量级。
8、 根据权利要求7所述的改进了的低流率冷却剂系统，其特征 在于，所述冷却剂在所述罐内的所述停留时间基本上在1秒到2秒之 间。
9、 一种低流率冷却剂系统，其包括热交换器；至少一个电动泵； 至少一个发热部件；冷却剂容器；管道，其将所述热交换器、所述至 少一个电动泵、所述冷却剂容器和所述至少一个发热部件互相连接； 液体冷却剂，其由所述至少一个电动泵所泵送，其这样流动，即，通 过所述管道流经所述热交换器并且从所述至少一个发热部件中移除 热量，其中，所述管道具有每单位长度平均管道截面积；其改型包括空气分离器，其连接至所述管道，所述空气分离器包括 罐，其具有每单位长度罐截面积，所述罐包括顶壁；底壁，其设置成在重力方向上低于所述顶壁；侧壁，其密封地连接到所述顶壁和所述底壁中的每一个上；至少一个冷却剂入口，其连接到所述侧壁上、基本上与所 述顶壁相邻，并且通过所述管道连接到所述至少一个发热部件 上；泵出口，其连接到所述底壁上，并且通过所述管道连接到 所述至少一个电动泵的入口上；和冷却剂容器出口，其连接到所述顶壁上，并且通过所述管 道连接到所述冷却剂容器上； 其中，所述冷却剂容器定位成在重力方向上高于所述罐，而所述 每单位长度罐截面积比所述每单位长度平均管道截面积大预定的量， 使得所述罐内的冷却剂在所述罐内部具有 一 定的停留时间而所述停 留时间允许所述冷却剂内的气泡向所述冷却剂容器出口移动并且随 后继续移动到所述冷却剂容器。
10、 根据权利要求9所述的低流率冷却剂系统，其特征在于，所 述冷却剂在所述罐内的所述停留时间基本上在1秒到2秒之间。
11、 根据权利要求9所述的低流率冷却剂系统，其特征在于，冷 却剂在所述罐内的流动基本上比冷却剂经过所述管道的流动慢一个 数量级。
12、 根据权利要求11所述的低流率冷却剂系统，其特征在于， 所述冷却剂在所述罐内的所述停留时间基本上在1秒到2秒之间。
13、 根据权利要求9所述的低流率冷却剂系统，其特征在于，所 述低流率冷却剂系统还包括至少一个附加的流率冷却剂回路，而所述 空气分离器还包括至少一个附加的连接至所述侧壁的冷却剂入口 ，其 通过所述低流率冷却剂系统的管道连接到各自相应的附加的低流率 冷却剂回路上。
14、 根据权利要求13所述的低流率冷却剂系统，其特征在于， 所述冷却剂在所述罐内的所述停留时间基本上在1秒到2秒之间。
15、 根据权利要求13所述的低流率冷却剂系统，其特征在于， 冷却剂在所述罐内的流动基本上比冷却剂经过所述管道的流动慢一 个数量级。
16、 根据权利要求15所述的低流率冷却剂系统，其特征在于， 所述冷却剂在所述罐内的所述停留时间基本上在1秒到2秒之间。
全文摘要
一种用于低流率冷却剂系统的空气分离器，其从液体冷却剂中移除空气。空气分离器是密封的罐，其具有底壁、相对于处于重力方向上的较高位置的顶壁、和密封在它们之间的侧壁。冷却剂入口在侧壁上，泵出口在底壁上，而冷却剂容器出口在顶壁上。冷却剂容器出口与冷却剂容器相连接，该冷却剂容器相对于罐处于重力方向上的较高位置。罐相对于管道系统的每单位长度截面积使得冷却剂在罐内的停留时间可以促使冷却剂气泡向冷却剂容器移动。
文档编号F25B43/00GK101245962SQ200810005580
公开日2008年8月20日 申请日期2008年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者G·M·克莱波尔, L·P·齐尔, M·D·内梅什, P·S·隆巴多 申请人:通用汽车环球科技运作公司