专利名称：用于载流导体的冷却系统和方法
技术领域：
本文公开的主题一般涉及热管理，且具体而言涉及载流导体的热管理。
背景技术：
高电流环境中的功率分配需要从电源(power supply)到各种构件(例如驱动系 统、马达、电负载、放大器、整流器、路由器、服务器等)的电流。在更加普通的方法中，用来 供应功率的是大规格电线和线缆、开关装置、电路板以及汇流条。典型地，功率分配已经涉及了一个或多个铜质汇流条，该铜质汇流条设有用于连 接线缆的连接器或孔。汇流条可彼此隔开，且由绝缘垫片隔离。大型铜质或铝质汇流条和 线缆已经用于在工业控制系统中分配功率。这种汇流条较大，且可相对容易地承载高功率。 传统上，汇流条冷却技术涉及使空气在机壳内循环，以冷却汇流条。在需要隔离的系统中， 汇流条定位得离其它构件较远，且通过线缆联接到其它构件上。但是，与汇流条相比，线缆 能够处理更少的功率。高效的功率分配系统需要更高的工作电流密度，从而使得在系统内 分配更多的功率。另外，提高通过汇流条的功率密度具有挑战，例如空气流和通风、振动、噪 声以及空间的高效利用。期望的是提供一种用于诸如汇流条的导体的冷却系统，该冷却系统提高汇流条的 载流容量，同时减小其大小，从而节省空间和重量。
发明内容
简要来说，提出了一种用于载流导体的冷却机构。该机构包括具有多个微流通道 (micro fluidic channel)的第一层。第一层以热的方式联接到载流导体上，且构造成交换 热能。微型泵构造成使热交换流体循环通过微流通道，以与第一层交换热能，且从载流导体 中移除热量。热交换流体和载流导体是电隔离的。在另一个实施例中，介绍了一种用以冷却载流导体的热交换器。热交换器包括以 热的方式联接到载流导体上且具有一个或多个微型通道的热交换层。流体路径限定在微型 通道内，以传送热交换流体。多个气隙以与流体路径热连通的方式设置在微型通道周围。自 调节泵构造成使热交换流体循环通过流体路径。在另一个实施例中，介绍了一种冷却载流导体的方法。该方法包括使热交换层联 接到载流导体周围，该热交换层以热的方式联接到载流导体上，且与载流导体是电隔离的。 该方法还包括通过限定在具有开孔结构(open porous structure)的热交换层中的多个微 流通道提供流体路径，以及使具有相变材料的热交换流体在流体路径内循环。该方法还包 括借助于通过热交换层的热交换来冷却来自载流导体的热量，以及通过使热交换流体在联 接到气隙上的微流通道中循环来冷却热交换层。
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方法以及优点将变得更好理解，在附图中，相同参考标号在全部图中表示相同部件，其中图1是实施了根据本发明的实施例的冷却机构的示例性配电系统的示意图；图2示出了图1中的汇流条的区段；图3示出了图2中的载流导体的截面图；图4示出了图3中的第一层的详细视图；以及图5示出了在图2的冷却机构中实施的示例性非接触式电源。部件列表
10配电系统
12电功率源
14保护装置
18负载
20汇流条/载流导体
22冷却机构
24第一层/热交换层
28端环
30流体导管
32流体导管
34改型冷却机构
36微型泵
40截面图
42微流通道
44界面层(interface layer)
46流体路径
50放大图
52气隙
56非接触式电源
58耦合线圈(pick-up coil)
60控制器
62输出电压
64电流
具体实施例方式图1是实施了根据本发明的实施例的冷却机构的示例性配电系统的示意图。配电 系统10包括电功率源12、保护装置14、汇流条20、负载18以及冷却机构22。在示例性实 施例中，根据本发明的一方面，在汇流条20上实施冷却机构22。电功率源12的实例包括构 造成将电功率通过保护装置输送到汇流条20的发电机。保护装置14的实例包括断路器。 负载18通过汇流条20接收来自源12的电功率。典型地，限制汇流条的载流容量的因素是电能流引起的温度升高，温度升高提高 了阻抗(由于热量)。这种升高的温度和电阻的提高可导致汇流条中的载流容量降低。用以冷却汇流条的传统方法包括自然冷却、强制冷却技术(例如吹气)，以在汇流条导体的截 面上实现更高的电流密度。其它已知技术实施热沉结构(heat sink structure)，以通过自 然对流或强制对流来散热。但是，这种方法对载流容量具有边界效应。另外，当在目前操作 的系统中实施时，这种冷却方法需要大的修改。采用强制液体冷却的系统采用传统的蒸气 压缩制冷循环或大体积冷却设备，例如蒸发器、冷凝器或压缩机。本发明的某些实施例公开 了用于汇流条的改型冷却机构22 (其需要最少的系统设计变化)，且使得对于给定的截面 和温升能够提高汇流条的载流容量。图2示出了图1中的汇流条的截面。冷却机构22包括具有多个微流通道42的第 一层24。在示例性实施例中，第一层包括具有多个气隙的开孔结构。第一层24(或热交换 层)以热的方式联接到载流导体20上，且构造成与导体20交换热能。但是，第一层24与 载流导体20是电隔离的。热交换流体(未显示)构造成流过微流通道42。在一个实施例中，热交换流体构造成用于非接触型循环，其中，热交换流体和载流 导体是隔离的。但是，在某些实施例中的热交换流体可设计成用于接触型循环，其中，热交 换流体的介电击穿电压构造成高于对于导体20的操作电压。相变材料可包括在热交换流 体内。相变材料例如包括无机盐或有机盐和形成胶状溶液或浆液的混合物。另外，热交换 流体构造成提供与可为疏水性的或亲水性的第一层的良好的表面接触。仍然参照图2，微型泵36联接到流体导管30，32上，且构造成使热交换流体在第一 层24内循环。在一个实施例中，非接触式电源(未显示)构造成将功率供应到微型泵36。 参考标号34示出了构造成改型到为目前操作系统的一部分的现有汇流条中的冷却机构22 的示例性实施例。端板26，28包括构造成将热交换流体引导到微流通道42内的流体路径 中的流体导管30，32。图3示出了图2中的载流导体和第一层的截面图。截面图40示出了通过界面层 44以热的方式联接到第一层24上的导体20。界面层44是导热且电绝缘的。层44的非限 制实例包括浆糊、带(Strip)或涂层。多个微流通道42限定在第一层24内。流体路径46 限定在微流通道42内，且构造成传送热交换流体。微流通道42和气隙是液压隔离的，从而 使得流体路径46限制在微流通道内。但是，微流通道42和气隙是热连通的，且微流通道42 通过与周围环境相互作用的气隙来冷却。在示例性操作中，承载高安培电流的载流导体20导致热量的产生。如上所述，如 果没有适当地冷却，导体20可产生过量的热量，过量的热量继而降低载流容量。在一个实 施例中，第一层24吸收来自导体20的热能，这由界面层44加以促进。设置在第一层24内 的微流通道42构造成承载热交换流体，例如诸如胶状混合物或含水混合物。在一个实施例中，热交换流体包括相变材料。载流导体20可在短的持续时间经受峰值电流，从而导致过量的热量产生。相变材料构造成在短的过度高温的时间间隔期间从 固态变化到液态或者备选地从液态变化到气态。相的这种变化导致有效冷却，因为相变材 料吸收了来自导体20的潜热形式的热量。另外，相变材料可在正常操作期间返回到初始状 态，其中，热能以潜热的形式存储。一旦达到更低的温度，潜热就存储在相变材料内。在一 个实施例中，热交换流体和载流导体是电隔离的。在另一个实施例中，热交换流体可与导体 24接触。在这种情况下，热交换流体设计成比由导体24处理的电压具有更高的介电强度。 微型泵(未显示)构造成使热交换流体循环通过微流通道，以与第一层交换热能且冷却第一层。微流通道继而通过通道周围的气隙冷却，且将热量分散到周围环境中。可注意到，如 以上描述的那样，用于冷却的这种自冷凝机构从载流导体中有效地移除热量，而不需要单 独的冷凝器单元，从而节省了成本和空间。图4示出了图3中的第一层的详细视图。第一层24的放大图50示出了具有设置 在微流通道42周围的气隙52的第一层24的开孔结构。第一层24的孔密度(定义为每英 寸的孔)根据材料的选择设计成包括每英寸约三个孔至每英寸约十个孔。另外，第一层包 括诸如电绝缘的属性，以在热交换流体和导体之间提供更好的隔离。但是，第一层构造成具 有良好的导热性，以有效地传递热量。在示例性实施例中，微流通道42可包括直径约100 微米至约2000微米的尺寸。就重量而言，这种泡沫结构包括高导热性。另外，泡沫结构由 于开孔而具有轻的重量，且通过微流通道提供大的表面积(通过开孔空隙)和更高的液体 侧表面积。图5示出了在图2的冷却机构中实施的示例性非接触式电源。在示例性实施例中， 非接触式耦合线圈58设置在载流导体20周围。耦合线圈设置成与导体20垂直，从而(通 过感应式耦合)使带有来自导体20的同心磁通的磁链最大化。通过耦合线圈中的磁感应 所引起的电压与磁链成比例。可通过增加线圈的匝数或者通过将线圈缠绕在高磁导率磁芯 上来增加磁链。控制器60联接到耦合线圈58上。在一个实施例中，控制器包括积分器、过 滤器以及构造成对微型泵36提供电功率的其它电子构件。在操作中，承载高安培电流的载流导体20产生磁通。电源56是具有与在导体20 中流动的电流64成正比的输出电压62的自调节电源。一旦流过导体20的电流64增大到 超过阈值，由电源56提供功率的微型泵36将自动启动操作。而且，速度随电流64的量的 增大而提高。当电流64增大时，自调节泵使更多的热交换流体(增大的流率)循环通过流 体路径。可注意到，构造成基于导体20中的电流来对微型泵的速度(以及继而流率)进行 自调节的非接触式电源避免了使用传感器来检测电流。有利地，用来冷却汇流条的这种自调节机构对散热调节提供闭环控制。另外，缺乏 冷凝器使得冷却机构容易维护并减少安装成本。实施这种系统的汇流条和载流导体驱动更 高的电流密度，且帮助减小系统的整体大小。而且，如以上所论述的冷却机构容易地改型到 现有汇流条和开关装置设备上。因此，可基于汇流条大小来建立基于模块化的系统。另外， 互连接头具有高温，这限制了载流容量。这种模块化设计通过局部化冷却使得能够有效处 理特定的热窝(hot pocket)。实施这种局部化冷却机构的系统使汇流条的温度降低了高达 约 50%。虽然已经在本文中说明和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想 到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求书意在覆盖落在本发明的真实精神内 的所有这种修改和变化。
权利要求
一种用于载流导体的冷却机构，包括具有多个微流通道的第一层，所述第一层以热的方式联接到所述载流导体上且构造成交换热能；和微型泵，所述微型泵使热交换流体循环通过所述微流通道，以与所述第一层交换热能且从所述载流导体中移除热量，其中，所述热交换流体和所述载流导体是电隔离的。
2.根据权利要求1所述的冷却机构，其特征在于，所述第一层包括开孔结构和设置在 所述微流通道周围的多个气隙。
3.根据权利要求1所述的冷却机构，其特征在于，所述热交换流体包括相变材料。
4.根据权利要求1所述的冷却机构，其特征在于，所述微型泵由非接触式电源驱动。
5.根据权利要求4所述的冷却机构，其特征在于，所述非接触式电源联接到在所述载 流导体周围的耦合线圈上，所述耦合线圈构造成用于感应式耦合。
6.根据权利要求1所述的冷却机构，其特征在于，所述泵构造成调节所述热交换流体 的流率。
7.一种用以冷却载流导体的热交换器，包括以热的方式联接到所述载流导体上且包括一个或多个微流通道的热交换层； 在所述微流通道内用以传送热交换流体的流体路径； 以与所述流体路径热连通的方式设置在所述微流通道周围的多个气隙；以及 构造成使所述热交换流体循环通过所述流体路径的自调节泵。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，所述自调节泵还构造成基于在所述 载流导体中流动的电流来调整流率。
9.一种冷却载流导体的方法，包括将热交换层联接到所述载流导体周围，所述热交换层以热的方式联接到所述载流导体 上，且与所述载流导体是电隔离的；通过限定在具有开孔结构的热交换层中的多个微流通道来提供流体路径； 使具有相变材料的热交换流体在所述流体路径内循环； 借助于通过所述热交换层的热交换来冷却来自所述载流导体的热量；以及 通过使所述热交换流体在联接到气隙上的微流通道中循环来冷却所述热交换层。
10.一种构造成管理载流导体的热方面的改型冷却设备，所述设备包括 以热的方式联接到所述载流导体上且是电隔离的第一层；限定在所述第一层内的多个微流通道；构造成在所述微流通道内流动且与所述载流导体接触的介电热交换流体；以及 微型泵，所述微型泵构造成使所述介电热交换流体再循环，以通过所述微流通道将热 能从所述载流导体传递到周围环境。
全文摘要
本发明涉及用于载流导体的冷却系统和方法，具体而言，提出了一种用于载流导体的冷却机构。该机构包括具有多个微流通道的第一层。该第一层以热的方式联接到载流导体上，且构造成交换热能。微型泵构造成使热交换流体循环通过微流通道，以与第一层交换热能并且从载流导体中移除热量。热交换流体和载流导体是电隔离的。
文档编号H05K7/20GK101990391SQ20101024893
公开日2011年3月23日 申请日期2010年7月30日 优先权日2009年7月31日
发明者A·K·博霍里, A·库马, P·R·苏布拉马尼亚姆, S·E·雷迪, T·阿索肯, V·库马 申请人:通用电气公司