冷却设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种冷却设备，包括：发生器(1)，发生器(1)接收来自第一电气部件(5)的热负荷；蒸发器(2)，蒸发器(2)接收来自第二电气部件(6)的热负荷；封闭的隔室(9)，封闭的隔室(9)封闭发生器和蒸发器；以及第三冷却元件(3)，第三冷却元件(3)设置在封闭的隔室的外部，用于接收来自发生器(1)和蒸发器(2)中的至少一者的经加热的流体并且用于将热量从经加热的流体传递至封闭的隔室(9)的外部。为了得到高效且可靠的冷却设备，蒸发器(2)的流动通道(8)设置成接收液态的流体(F3)和气态的流体(F2)，其中，气态的流体(F2)降低了液态的流体的分压力并且降低了蒸发液态的流体所需的温度，使得液态的流体(F3)蒸发。
【专利说明】冷却设备
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及用于对电气装置进行冷却的冷却设备。
【背景技术】
[0002]此前已知用于通过使冷却元件中的液体汽化来冷却电气装置的方案，该冷却元件用于将来自电气部件的热量传递至冷却元件的流体通道中的液体。该冷却设备可以通过双压力循环来工作，其中通过系统压力差产生了冷凝器与蒸发器之间的饱和温度差。
[0003]这种此前已知的方案的缺陷是需要机械输入来驱动压缩机或泵，这产生了需要的压力变化。
[0004]压缩机或泵的需要增加了系统的噪声级别和成本，同时降低了系统的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明的目地是提供一种用于冷却电气装置的新方案，该新方案实施起来更简单、更可靠并且更廉价。该目的通过根据独立权利要求1的冷却设备而实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]下面将通过示例的方式并参照附图对本发明进行更详细地描述，在附图中:
[0007]图1是冷却设备的第一实施方式的框图；以及
[0008]图2是冷却设备的第二实施方式的框图。
【具体实施方式】
[0009]图1是冷却设备的第一实施方式的框图。该冷却设备包括具有第一电气部件5的发生器I。术语“发生器”指的是冷却电气部件的热交换器，并且“发生器”通过将来自电气部件的热负荷传递至发生器的流体通道中的流体而产生热量至该流体。该冷却设备还包括具有第二电气部件6的蒸发器2。术语“蒸发器”指的是热交换器，其通过使用来自电气部件的热负荷来蒸发蒸发器的流体通道中的流体而冷却电气部件。在示出的实施方式中，已经通过示例的方式呈现出第一电气部件5附接(例如通过散热膏连接)至发生器I并且第二电气部件6附接(例如通过散热膏连接)至蒸发器2。因此，发生器和蒸发器可以为用于容置电气部件的基板并且在这些基板中设置有流体通道(或散热片)。然而，并不是所有实施方式都需要这样。可替代的实施方式为发生器和蒸发器中的一者或者两者在外表面上包括鳍状物，并且热量通过例如气流和鳍状物从各个电气部件传递至相应的冷却元件。在任何情况下，由第一电气部件5产生的热量传递至发生器I中的流动通道7中的流体，并且相应地，由第二电气部件6产生的热量传递至蒸发器2中的流动通道8中的流体。
[0010]第一电气部件I为工作温度比第二电气部件2高的部件。第一电气部件I可以例如包括高功率电子装置，比如IGBT (绝缘栅双极型晶体管)、Si/ SiC功率模块(硅树脂、碳化硅)、LED (发光二极管)或者其它碳化硅电子部件，其通常具有高工作温度，比如在3kW下为大约125°C。第二电气部件2可以例如包括具有低工作温度的部件，比如像电容器、PCB (印刷电路板)或者电涌放电器之类的无源电气部件。这些部件在300W下可以具有大约65°C的工作温度。
[0011]发生器I和蒸发器2封闭在封闭的隔室9中。隔室9可以是例如将电气装置与周围环境封离的电气柜。在一些应用中(比如矿井、海洋或者沙漠)中可能要求高IP(国际保护)级别以便保证有效地防止灰尘或者湿气停留在封闭的隔室的内部。为了保证该封闭的隔室9内的有效冷却，冷却设备包括第三冷却元件3，该第三冷却元件3接收来自封闭的隔室9内的被加热的流体。热量通过第三冷却元件3从流体传递至封闭的隔室9的外部。例如，该传递可以包括例如通过第三冷却元件3的气流。
[0012]具有不同属性的三种流体在所示出的冷却设备内循环。例如，第一流体可以是水，第二流体是氨以及第二流体是丁烧。
[0013]发生器I的流体通道7设置成接收液态的第一流体Fl和第二流体F2。从第一电气部件5接收的热量被传递至流体通道7中的流体。由于该热量，第二流体F2——第二流体F2比第一流体Fl的蒸发温度低——在第一流体Fl保持液态时蒸发。处于气态的汽化的第二流体F2经由在发生器I的左上角示出的出口离开流动通道7，并且经由管道进入蒸发器2的流动通道8。第一流体Fl进入第三冷却元件3。在第一流体Fl保持液态的同时完成上述过程的一个可替代实施方式为发生器I的流体通道的或者将发生器I的流体通道7与第三冷却元件3连接的管道的至少一部分10由具有毛细管尺寸的一个或多个通道组成。在本文中，“毛细管尺寸”指的是通道为毛细管大小，这意味着它们具有足够小的尺寸以使气泡在纵向方向(换言之，与径向方向相对的通道纵向方向)上唯一地生长并由此通过向上推压液体而产生所谓的气泡上升效果。被认为是毛细管的通道或管的直径取决于在内部使用的(沸腾的)流体或者制冷剂。例如，下面的公式可以用来求出合适的直径:D =(sigma/ (g * (rhol-rhov))) ~0.5,其中，sigma是表面张力，g是重力加速度，rhov是蒸汽密度以及rhol是液体密度。对于水和氨,该公式给出的值为大约3_，水和氨为几个适合用作冷却设备中的第一流体的流体的示例。因此，第一流体Fl在不需要例如泵的情况下进入第三冷却元件。
[0014]蒸发器2的流体通道8接收气态的汽化第二流体F2和液态的第三流体F3。流体通道8中的流体使用来自第二电气部件2的热量被加热。另外，气态的第二流体F2降低了液态的第三流体F3的分压力并且因此也降低了蒸发第三流体F3所需的温度。均处于汽化的气态的第二流体F2和第三流体F3离开蒸发器I并且进入第三冷却元件3的顶部。该流动在不需要使用泵的情况下由于热虹吸效应而获得。
[0015]在第三冷却元件3中，第一流体Fl、第二流体F2和第三流体F3彼此相接触并且流体被第三冷却元件3冷却，该第三冷却元件3将来自流体的热量传递至从第三冷却元件吸收热量的介质温度冷却剂F4。适合的冷却剂可以是空气、水、二氧化碳C02、氦气He或氢气H2。因此，热量被传递至封闭的隔室9外部的环境。为此，例如，第三冷却元件可以具有设置有鳍状物的表面，并且热量经由这些鳍状物传递至周围空气，比如传递至温度高达80°C的气流中。
[0016]由于第一流体Fl和第二流体F2已经选择为使得它们是易混溶的，所以气态的第二流体F2被液态的第一流体Fl吸收。这增加了气态的第三流体F3的分压力，第三流体F3已经被选择为使得其与第一流体Fl或第二流体F2是微混溶或者不易混溶的。因此，流体F3在第三冷却元件3中冷凝。
[0017]均处于液态的第一流体Fl和第二流体F2的混合物和第三流体F3引入至分离器11中，分离器11在示出的示例中位于封闭的隔室9内。由于第一流体Fl和第二流体F2的混合物与第三流体F3相比的密度差，分离器能够将这些流体分离，使得第一流体Fl和第二流体F2的混合物被输送至发生器I的流动通道7，而第三流体被输送至蒸发器2的流动通道8.[0018]从以上示例明显的是，流体穿过冷却设备的循环可以在所示出的单压力吸收制冷系统中在不使用任何泵的情况下完成。驱动吸收循环和整个冷却过程所需的能量主要从被发生器冷却的第一电气部件获得。另外，即使来自第二电气部件6的热负荷可能单独不足以引起蒸发器2中的流体的蒸发，也可以获得该蒸发。因此，对第二电气部件6而言也可以获得足够的冷却。
[0019]为了保证所有情况下流体的高效循环，应当满足下面的关系:
[0020]Tl > T3 > T2，其中，Tl是第一电气部件I的工作温度，T3是对第三冷却元件3进行冷却的冷却剂的温度，并且T2是第二电气部件2的温度；
[0021]P3 = P1+P2，其中，P3是从第三冷却元件3经由冷却剂传递至设备的外部的热负荷(功率)，Pl是由第一电气部件5产生的热负荷，以及P2是由第二电气部件6产生的热负荷；以及
[0022]P2 << Pl (通常是大约十分之一小)，其中，Pl是由第一电气部件5产生的热负荷，以及P2是由第二电气部件6产生的热负荷。
[0023]图2是冷却设备的第二实施方式的框图。图2的冷却设备与结合图1描述的冷却设备非常类似。下面将主要通过指出这些实施方式之间的区别对图2的实施方式进行描述。
[0024]在图2中，冷却设备包括第四冷却元件4’，第四冷却元件4’设置在封闭的隔室9’的外部，用于接收经加热的流体并且用于将来自经加热的流体的热量经由适合的冷却剂F4’——比如空气、水、二氧化碳C02、氦气He或氢气H2——传递至封闭的隔室9’的外部。
[0025]而且，图2的实施方式利用具有不同属性的三种不同流体。合适的流体组合为:
[0026]-水、NH3和 He (或者 H2)；
[0027]-R134a(l，l，l，2_ 四氟乙烷)、DMAC(二甲基乙酰胺)和 He (或者 H2)；
[0028]-R124(l_氯代-1，2，2，2-四氟乙烷)、DMAC(二甲基乙酰胺)和He(或者H2)；
[0029]-R134a(l，l，l，2_ 四氟乙烷)、DMETEG(四乙二醇二甲醚)和 He (或者 H2)。
[0030]发生器I’的流体通道7’设置成接收液态的第一流体F1’和第二流体F2’并且使用从第一电气部件I’接收的热量来加热所接收的液体。由此，第二流体F2’被汽化并且以气态输送至第四冷却元件4’。在示出的实施方式中，在发生器I’与第四冷却元件4’之间设置有精馏器12’以使第一流体F1’的任何部分冷凝回流至发生器I’，从而防止第一流体F1’到达第四冷却元件4’(和降低第四冷却元件4’的性能)。精馏器12’可以实施为暴露于外部空气的简单竖直管，其可能设置有鳍状物。保持液态的第一流体F1’从发生器I’输送至第三冷却元件3’。
[0031]第三冷却元件3’接收来自发生器I’的液态的第一流体F1’和来自蒸发器2’的处于经汽化的气态的第二流体F2’和第三流体F3’。在第三冷却元件3’中，第一流体F1’、第二流体F2’和第三流体F3’彼此相接触并且这些流体被第三冷却元件3’冷却，该第三冷却元件3’将来自流体的热量传递至从第三冷却元件吸收热量的介质温度冷却剂F4’。适合的冷却剂可以是空气、水、二氧化碳C02、氦气He或氢气H2。因此，热量被传递至封闭的隔室9’外部的环境。为此，例如，第三冷却元件可以具有设置有鳍状物的表面，并且热量经由这些鳍状物传递至周围空气，比如传递至气流中。
[0032]由于第一流体F1’和第二流体F2’已经选择为使得它们是易混溶的，所以气态的第二流体F2’被液态的第一流体F1’吸收。第一流体F1’和第二流体F2’的混合物从第三冷却元件3’供给至发生器I’。已经被选择为与第一流体F1’和第二流体F2’微混溶或者不易混溶的第三流体F3’从第三冷却元件3’以汽化的气态返回至蒸发器2’。
[0033]第四冷却元件接收来自发生器I’的气态的汽化第二流体F2’。在第四冷却元件4’中，第二流体F2’被冷却使得其冷凝，在冷凝后第二流体F2’以液态输送至蒸发器2’。
[0034]蒸发器2’的流体通道8，接收液态的第二流体F2’和气态的第三流体F3’。流体通道8’中的流体被来自第二电气部件2’的热量加热。另外，气态的第三流体F3’降低了液态的第二流体F2’的分压力并且由此也降低了蒸发第二流体F2’所需的温度。因此，第二流体F2’在蒸发器2’中蒸发。均处于汽化的气态的第二流体F2’和第三流体F3’离开蒸发器2’并且进入第三冷却元件3’。
[0035]在示出的示例中，图2的冷却设备另外包括第一热交换器13’和第二热交换器14’。这些热交换器不是在所有实施方式中都一定需要，然而，在一些实施方式中可以利用一个或多个热交换器以提高系统的总体性能。
[0036]第一热交换器13’具有:第一流体通道15’，第一流体通道15’用于将来自第三冷却元件3’的第一流体F1’和第二流体F2’输送至发生器I’ ；和第二流体通道16’，第二流体通道16’用于将来自发生器I’的第一流体F1’输送至第三冷却元件3’。由于第一热交换器，来自发生器I’的第一流体F1’在进入第三冷却元件3’之前被预冷却。
[0037]第二热交换器14’具有:第一流体通道17’，第一流体通道17’用于将来自第三冷却元件3’的第三流体F3’输送至蒸发器2’ ；和第二流体通道18’，第二流体通道18’用于将来自蒸发器2’的第二流体F2’和第三流体F3’输送至第三冷却元件3’。由于第二热交换器，第二流体F2’和第三流体F3’在进入第三冷却元件3’之前被预冷却。
[0038]与前面的实施方式一样，流体穿过冷却设备的循环可以在图示的单压力吸收制冷系统中在不使用任何泵的情况下完成。驱动吸收循环和整个冷却过程所需的能量主要从被发生器冷却的第一电气部件获得。另外，即使来自第二电气部件6’的热负荷单独可能不足以引起蒸发器2’中的流体的蒸发，也可以获得该蒸发。因此，对第二电气部件6’而言同样可以获得足够的冷却。
[0039]为了保证所有情况下流体的高效循环，应当满足下面的关系:
[0040]Tl > T3 > T2，其中，Tl是第一电气部件I’的工作温度，T3是对第四冷却元件4’进行冷却的冷却剂的温度(对第三冷却元件3’进行冷却的冷却剂的温度应当也大约为T3)，以及T2是第二电气部件2’的温度；
[0041]P4+P3+PR = P1+P2，其中P3和P4分别是从第三冷却元件3’和第四冷却元件4’经由冷却剂F4’传递至设备的外部的热负荷(功率)，P1是由第一电气部件5’产生的热负荷，P2是由第二电气部件6’产生的热负荷，以及PR是在精馏器12’中交换的热量；
[0042]P2 << Pl (通常为大约十分之一至五分之一小)，其中，Pl是由第一电气部件5’产生的热负荷，以及P2是由第二电气部件6’产生的热负荷。
[0043]要理解的是，以上描述和附图仅用于说明本发明。对本领域技术人员显而易见的是，在不偏离本发明的范围的情况下，本发明可以进行变化和修改。
【权利要求】
1.一种用于电气装置的冷却设备，包括: 蒸发器(2，2’)，所述蒸发器(2，2’)用于接收来自第二电气部件(6，6’)的热负荷，所述蒸发器包括流体通道(8，8’)，所述流体通道(8，8’)用于将从所述第二电气部件出，6’)接收的热量传递至所述流体通道，所述蒸发器(2，2’)的流体通道(8，8’)设置成接收液态的流体(F3，F2’ )和气态的流体(F2，F3’)，其中，气态的流体(F2，F3’ )降低了液态的流体的分压力和蒸发液态的流体所需的温度，使得液态的流体(F3，F2’ )被蒸发，以及 封闭的隔室(9，9’)，所述封闭的隔室(9，9’)封闭所述蒸发器和所述第二电气部件(6，6’)，其特征在于，所述设备另外包括: 发生器所述发生器(1，I’)接收来自第一电气部件(5，5，)的热负荷，所述第一电气部件(5，5，)的工作温度比所述第二电气部件高，所述发生器包括用于接收液体并且用于通过来自所述第一电气部件(5，5，)的热负荷蒸发所接收的液体中的一部分液体的流体通道(7，7’)，所述发生器和所述第一电气部件(5，5，)封闭在所述封闭的隔室(9，9’)中，以及 第三冷却元件(3，3’)，所述第三冷却元件(3，3’)设置在所述封闭的隔室的外部，用于接收来自所述发生器和所述蒸发器(1，2，1’，2’ )中的至少一者的经加热的流体并且用于将热量从经加热的流体传递至所述封闭的隔室(9，9’ )的外部。
2.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于，所述第一电气部件(5，5，)包括比所述第二电气部件出，6’)产生更高的热负荷的功率电子装置，所述第二电气部件出，6’)包括无源电气部件。
3.根据权利要求 1所述的冷却设备，其特征在于，所述冷却设备含有三种不同的流体:易混溶的第一流体和第二流体(Fl，F2，Fl’，F2’ )以及与所述第一流体或所述第二流体微混溶或不易混溶的第三流体(F3，F3’ )。
4.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于， 所述发生器(I)的流体通道(7)设置成接收液态的第一流体(Fl)和第二流体(F2)，利用从所述第一电气部件(5)接收的热量来加热所接收的液体，向所述第三冷却元件(3)提供液态的所述第一流体(Fl)，并且向所述蒸发器(2)的流体通道(8)提供气态的经汽化的所述第二流体(F2)， 所述蒸发器(2)的流体通道(8)设置成接收来自所述发生器(I)的气态的经汽化的所述第二流体(F2)并且接收液态的第三流体(F3)，利用来自所述第二电气部件(6)的热量来加热所接收的流体，并且向所述第三冷却元件(3)提供气态的经汽化的所述第二流体(F2)和所述第三流体(F3)，以及 所述第三冷却元件(3)设置成接收来自所述发生器(I)的液态的所述第一流体(Fl)和来自所述蒸发器(2)的气态的经汽化的所述第二流体和所述第三流体(F2，F3)，通过液态的所述第一流体(Fl)吸收汽化的所述第二流体(F2)以获得易混溶的所述第一流体和所述第二流体(F1，F2)的液体并且在将来自流体的热量传递至所述封闭的隔室(9)的外部的同时使与所述第一流体(Fl)微混溶或不易混溶的所述第三流体(F3)冷凝为液体，并且所述第三冷却元件(3)设置成经由分离器(11)向所述发生器(I)提供液态的所述第一流体和所述第二流体(F1，F2)并且向所述蒸发器(2)提供液态的所述第三流体(F3)。
5.根据权利要求4所述的冷却设备，其特征在于，所述发生器(I)的流体通道(7)的至少一段或者将所述发生器(I)的流体通道(7)与所述第三冷却元件(3)连接的管道(10)的至少一段包括具有毛细管尺寸的一个或多个通道。
6.根据权利要求1所述的冷却设备，其特征在于， 所述冷却设备包括第四冷却元件(4’)，所述第四冷却元件(4’ )设置在所述封闭的隔室(9’ )的外部，用于接收经加热的流体并且用于将来自经加热的流体的热量传递至所述封闭的隔室(9’ )的外部， 所述发生器0- )的流体通道(7’ )设置成接收液态的第一流体(F1’ )和第二流体(F2’)，利用从所述第一电气部件0- )接收的热量加热所接收的液体，向所述第四冷却元件(4’ )提供气态的经汽化的所述第二流体(F2’)，并且向所述第三冷却元件(3’ )提供液态的所述第一流体(F1’)， 所述第三冷却元件(3’ )设置成接收来自所述发生器0- )的液态的所述第一流体(F1’ )和来自所述蒸发器(2’ )的处于经汽化的气态的所述第二流体(F2’ )和第三流体(F3’)，通过液态的所述第一流体(F1’ )吸收汽化的所述第二流体(F2’ )以在将来自流体的热量传递至所述封闭的隔室(9’ )的外部的同时获得易混溶的所述第一流体和所述第二流体的液体，向所述发生器0-)的流体通道(7’)提供液态的所述第一流体和所述第二流体(F1’，F2’)，并且向所述蒸发器(2’ )提供处于经汽化的气态的所述第三流体(F3’)，所述第三流体(F3’)与所述第一流体(F1’)和所述第二流体(F2’)是微混溶或不易混溶的，以及 所述第四冷却元件(4’ )设置成接收来自所述发生器0- )的气态的经汽化的所述第二流体(F2’)，冷凝所 述第二流体(F2’)，并且将液态的所述第二流体(F2’)提供至所述蒸发器(2，)。
7.根据权利要求6所述的冷却设备，其特征在于，所述冷却设备包括: 第一热交换器(13’)，所述第一热交换器(13’ )具有:用于将来自所述第三冷却元件(3’ )的所述第一流体(F1’ )和所述第二流体(F2’ )输送至所述发生器0- )的第一流体通道(15’ );以及用于将来自所述发生器0- )的所述第一流体(F1’ )输送至所述第三冷却元件(3’ )的第二流体通道(16’ )。
8.根据权利要求6或7所述的冷却设备，其特征在于，所述冷却设备包括: 第二热交换器(14’)，所述第二热交换器(14’ )具有:用于将来自所述第三冷却元件(3’)的所述第三流体(F3’)输送至所述蒸发器(2’)的第一流体通道(17’)；以及用于将来自所述蒸发器(2’)的所述第二流体(F2’)和所述第三流体(F3’)输送至所述第三冷却元件(3’ )的第二流体通道(18’)。
【文档编号】H05K7/20GK103997874SQ201410051690
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2013年2月15日
【发明者】布鲁诺·阿戈斯蒂尼, 弗朗切斯科·阿戈斯蒂尼, 马蒂厄·哈贝特 申请人:Abb研究有限公司