專利名稱：用于低流率冷卻系統(tǒng)的空氣分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低流率冷卻系統(tǒng)，這種類型的低流率冷卻系統(tǒng)用 于在機(jī)動車輛中冷卻電子裝置，例如與混合機(jī)動車輛和燃料電池相關(guān) 的那些電子裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及低流率冷卻系統(tǒng)的一種空 氣分離器，用來從冷卻劑液體中移除氣泡。發(fā)明背景如

圖1所示，低流率冷卻系統(tǒng)10包括冷卻劑管道12，借此液體 冷卻劑流過主熱交換器并且冷卻劑中的熱量在此與空氣交換，并且借 此從各式各樣的電子裝置16a和16b中吸收熱量，其中電子裝置16a 和16b可以相互連接成串聯(lián)的、并聯(lián)的、或者串并聯(lián)的形式。冷卻劑 流過具有可移除的蓋子20的冷卻劑容器(或穩(wěn)壓罐)18，在此進(jìn)行填充 并且空氣能夠逸出。由電動機(jī)24提供動力的泵22(結(jié)合起來，只有電 動泵26)通過冷卻劑管道連接，泵的入口連接到冷卻劑容器上，而泵 的出口連接到熱交換器上。低流率冷卻系統(tǒng)10獨(dú)立于內(nèi)燃機(jī)冷卻劑 系統(tǒng)30、變速器冷卻劑系統(tǒng)40和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)50而運(yùn)行。所謂"低 流率"的意思是，冷卻劑流過管道的速度比應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)冷卻劑系統(tǒng) 30的慢得多，例如為約5到20公升每秒(51pm至201pm)。應(yīng)用了低流率冷卻系統(tǒng)的機(jī)動車輛包括混合才幾動車輛和燃料電 池機(jī)動車輛。混合才幾動車輛利用補(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)的電氣部件，例如功率變 換器和/或電力拖動電機(jī)和其它電氣部件。問題在于，這些電氣部件產(chǎn) 生的熱量必須得以消散以運(yùn)行在預(yù)定的參數(shù)上。同樣，作為需要，低 流率冷卻劑系統(tǒng)用于提供消散熱量。燃料電池機(jī)動車輛還可以利用低 流率冷卻系統(tǒng)，以用于其電子部件，也即冷卻功率變換器、電力拖動電機(jī)等。低流率冷卻劑系統(tǒng)還可以和空氣至冷卻劑的增壓空氣冷卻器一起使用，例如與渦輪增壓動力系(power train)或增壓動力系一起使 用。雖然低流率冷卻劑系統(tǒng)運(yùn)行得很好，但仍需要謹(jǐn)慎注意幾個操作 上的問題。第一個問題涉及在服務(wù)填充(service fill)后從冷卻劑中分離 和去除氣泡，因?yàn)槔鋮s劑流速低，所以這比較困難。氣泡的去除可能 使在系統(tǒng)內(nèi)利用排氣閥的步驟變得復(fù)雜，可能需要很長時間來完成， 也就是說，要求若干次系統(tǒng)循環(huán)，或者在一些情況下并不可行。另一 個問題在于，低流率冷卻系統(tǒng)僅僅利用電動冷卻劑泵，其中冷卻劑每 個部件的壓降都必須減少，以使電動冷卻劑泵的尺寸和動力消耗盡可 能地小。同樣，在裝配電動泵入口之前，吸入側(cè)系統(tǒng)壓差是達(dá)到最大 的泵升壓容量的關(guān)鍵。另一個問題在于，當(dāng)機(jī)動車輛開動時，沿垂直 方向、前后向和左右向的車輛運(yùn)動能夠引起冷卻劑容器系統(tǒng)內(nèi)的冷卻 劑的攪拌。冷卻劑流經(jīng)在低流率冷卻系統(tǒng)的冷卻劑容器的產(chǎn)生的這種 攪拌能夠?qū)е職馀莸漠a(chǎn)生，這樣會引入空氣到冷卻劑中。^(氐流率冷卻 系統(tǒng)的另 一個問題是，冷卻劑中的氣泡在電子部件與冷卻劑之間以及 冷卻劑與散熱用熱交換器之間產(chǎn)生了熱量轉(zhuǎn)移的屏障。另 一個問題在 于，多通道的低流率冷卻系統(tǒng)需要中央返回通道。還有一個問題在于， 低流率冷卻劑泵可能會引入少量空氣，這會妨礙冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn) 行，從而使將要通過系統(tǒng)冷卻的部件產(chǎn)生熱應(yīng)力或使其發(fā)生故障。本技術(shù)領(lǐng)域所需要的是用于低流率冷卻劑系統(tǒng)的這樣一種空氣 分離器，它可以促進(jìn)冷卻劑系統(tǒng)的運(yùn)行并有效地去除氣泡，這樣就成 功地解決上述的每一個問題。發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種用于低流率冷卻劑系統(tǒng)的空氣分離器，其促進(jìn)冷 卻劑系統(tǒng)的運(yùn)行并有效地從液體冷卻劑中去除氣泡，從而解決與這樣 的系統(tǒng)相關(guān)的主要問題。根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器是封閉的罐，其具有底壁、相對于底壁 處于(從重力方向上)較高位置的頂壁、和位于它們之間并密封地與它 們連接的側(cè)壁，其中側(cè)壁可以優(yōu)選地構(gòu)造成圓柱形。至少一個冷卻劑 入口設(shè)置在側(cè)壁上、優(yōu)選地在頂壁附近，泵出口設(shè)置在底壁上，而冷卻劑容器出口設(shè)置在頂壁上。每個冷卻劑入口都在其回程支線(return leg)上連接至冷卻劑管道，在該回程支線中，冷卻劑從通過冷卻劑冷 卻的部件(也即電氣部件)中返回。冷卻劑容器出口連接至冷卻劑容器 管，而該冷卻劑容器管又連接到低流率冷卻劑系統(tǒng)的冷卻劑容器上， 其中冷卻劑容器在相對于罐在重力方向上是較高的。泵出口連接至回程冷卻劑管道上，而回程冷卻劑管道又連接至低流率冷卻劑系統(tǒng)的冷 卻劑泵的入口 。在運(yùn)行中，冷卻劑從一個或多個冷卻劑入口流進(jìn)罐內(nèi)，其中罐的 每單位長度截面積比冷卻劑管道的每單位長度平均截面積大得多，例 如至少大一個數(shù)量級，使得冷卻劑在穿過泵出口排出之前具有增加了 的在罐內(nèi)的停留時間。該停留時間足以允許氣泡向上移動至頂壁，于 是氣泡通過冷卻劑容器管而逸出罐。在冷卻劑容器處，空氣通過系統(tǒng) 的填充蓋從系統(tǒng)中常規(guī)地移除到大氣中。根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器解決了與低流率冷卻劑系統(tǒng)相關(guān)的每 個問題，這將在下文表述?？諝夥蛛x器為從冷卻劑中分離空氣提供時間和空間。空氣分離器 和低流率冷卻回路的冷卻劑通道的適當(dāng)?shù)囊惑w化免除了額外的系統(tǒng) 硬件(例如排氣閥)需求，并且簡化了服務(wù)填充程序?？諝夥蛛x器利用壓降幅度低的裝置，其在集成到低流率冷卻系統(tǒng) 中時，通過在泵的入口側(cè)上提供豎直的冷卻劑水頭，來提供對電動冷 卻劑泵的升壓容量的促進(jìn)。空氣分離器定位于與冷卻劑容器的豎直距離較遠(yuǎn)的地方，由此在 冷卻劑容器中攪拌著的冷卻劑(在其上方)和在空氣分離器內(nèi)的冷卻劑 (其被吸入到電動冷卻劑泵入口內(nèi))之間形成豎直的流體分離。流式工作臺的改進(jìn)方案顯示了空氣分離器對從冷卻劑回路中去 除氣泡是非常有效的，從而增加了系統(tǒng)內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移效果。在多通道低流率冷卻系統(tǒng)內(nèi)，空氣分離器為每個冷卻劑回路都提 供了中央回程連接處，借此空氣分離器接合點(diǎn)作為中央回程點(diǎn)而起作 用，并用作有效的分配點(diǎn)在運(yùn)行電動冷卻劑泵(一個或多個)之前填充 多重冷卻劑回路。因此，本發(fā)明的目的是為低流率冷卻劑系統(tǒng)提供空氣分離器，其 可以促進(jìn)冷卻劑系統(tǒng)的運(yùn)行并有效地從冷卻劑中去除氣泡，從而解決 與此系統(tǒng)相關(guān)的主要問題。通過下文對優(yōu)選實(shí)施例的說明可以明確本發(fā)明的這個目的，以及 其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。附圖簡述圖1是常規(guī)的、現(xiàn)有技術(shù)的低流率冷卻劑系統(tǒng)的示意圖，其中還 顯示了機(jī)動車輛的變速器、空調(diào)和內(nèi)燃機(jī)冷卻劑系統(tǒng)。圖2是包括了根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器的低流率冷卻劑系統(tǒng)的示 意圖。圖3A是根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器的第 一優(yōu)選實(shí)施例的透視圖。 圖3B是根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器的第二優(yōu)選實(shí)施例的透視圖。 圖4是包括了根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器的低流率冷卻劑系統(tǒng)的透 視圖。圖5是低流率冷卻劑系統(tǒng)的壓降分布曲線圖，其中比較了在其包 括和不包括根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器的情況下，電動泵的升壓曲線。優(yōu)選實(shí)施例詳述現(xiàn)在參考附圖，圖2至圖4描述了結(jié)合了根據(jù)本發(fā)明的空氣分離 器的低流率冷卻劑系統(tǒng)的多種構(gòu)造方面和功能方面，該系統(tǒng)適合用于 機(jī)動車輛。首先參考圖2，低流率冷卻系統(tǒng)100包括冷卻劑管道102、 102，， 液體冷卻劑C(如圖3A和3B所示)通過它們流過主熱交換器104,在 此冷卻劑的熱量和大氣進(jìn)行交換，并且通過管道102流到多種電子裝 置106a上(這些電子裝置106a可以是互相串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)的)， 或通過一個或多個第二低流率冷卻劑回路IOO，的管道102，流到其它的 電子裝置106b上。在電子裝置106a、 106b處，它們所產(chǎn)生的熱量由 流過其中的冷卻劑吸收而去除。冷卻劑流過根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器 200、 200，，其具有冷卻劑容器管道108,該冷卻劑容器管道108連接 至位于較高位置的冷卻劑容器110,該冷卻劑容器110具有可移除的 蓋子112,在此進(jìn)行填充而空氣能夠以常規(guī)的方法從蓋子逸出。由電 動機(jī)118驅(qū)動的泵114(結(jié)合之后，就是電動泵116)通過冷卻劑管道連 接，泵入口連接至空氣分離器200的出口，而泵出口連接到熱交換器 上。冷卻劑以"低"速流過管道，例如在大概5到20公升每分鐘(51pm 至201pm)的范圍內(nèi)。典型地，冷卻劑管道102、 102，的內(nèi)徑優(yōu)選地約 為19mm,并可以是管子或者柔性軟管的形式；并且其中用于互連到 冷卻劑管道的裝置優(yōu)選地具有17mm的最小內(nèi)徑。如圖4所示，可以 存在以串聯(lián)形式連接的兩個電動泵116a、 116b。管道優(yōu)選地在空氣分 離器和電動泵之間是直線的，另外當(dāng)使用雙重電動泵時在電動泵之間 也是直線的。如圖3A所示，根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器200的笫一實(shí)施例包括 封閉的罐202，其具有底壁204、相對于底壁處于在重力方向上較高 位置的頂壁206、和位于它們之間并封閉地連接到頂壁和底壁的側(cè)壁 208。側(cè)壁208優(yōu)選地構(gòu)造成圓柱形。冷卻劑入口 21(H殳置在側(cè)壁208 上，泵出口 212位于底壁204上，而冷卻劑容器出口 214位于頂壁206 上。冷卻劑入口 210連接至側(cè)壁(一般地優(yōu)選地在頂壁206附近)，并 且在冷卻劑管道102的回程支線處連接至冷卻劑管道102(見圖2),其 中冷卻劑從一個或多個發(fā)熱的電氣部件返回。冷卻劑容器出口 214(見圖2)連接到冷卻劑容器管道108上，其連接至冷卻劑容器110，其中 冷卻劑容器相對于罐202處于(在重力方向上的)較高的位置。泵出口 212連接至回程冷卻劑管道，而該回程冷卻劑管道又連接到(見圖2) 低流率冷卻劑系統(tǒng)的電動泵116的入口 。運(yùn)行中，冷卻劑C從冷卻劑入口 210流進(jìn)罐202(如箭頭所示)， 其中罐的每單位長度截面積的比冷卻劑管道的每單位長度平均截面 積的大得多，例如大至少一個數(shù)量級，使得冷卻劑在穿過泵出口 212 排出之前具有增加了的在罐內(nèi)的停留時間。該停留時間足以允許氣泡 向上移動(如箭頭所示)至頂壁206,于是氣泡通過冷卻劑容器管道108 而逸出罐。在冷卻劑容器110處，空氣從低流率系統(tǒng)100中常規(guī)地通 過其填充蓋112而去除。舉例來說，罐202內(nèi)的冷卻劑的停留時間優(yōu)選地取1.2s,而此處 冷卻劑是(例如)水和防凍液的50/50混合劑。對于圓柱側(cè)壁208,高度 h可以設(shè)定成近似地等于直徑d,在這種情況下，罐的內(nèi)部容積V通 過公式V=7u(d/2)2h限定，其中流率為10公升每分鐘，并且如果V=200 毫升，則每毫升冷卻劑的停留時間為約1.2s，其中冷卻劑流率在管道 和罐之間減少了約一個數(shù)量級。圖3B顯示了根據(jù)本發(fā)明的空氣分離器200，的笫二實(shí)施例，其中 與圖3A中空氣分離器200的第一實(shí)施例相似的部分具有相似的數(shù)字 標(biāo)號?，F(xiàn)在罐202，具有約兩倍于高度h，的直徑d，?？蛇x的第二冷卻劑 入口 210a位于側(cè)壁208，上、 一般優(yōu)選地靠近頂壁，并且經(jīng)冷卻劑管 道102'(見圖2)連接到并聯(lián)的第二低流率冷卻劑回路IOO，(見圖2)上(其 共享空氣分離器200')。舉例來說，罐202，內(nèi)的冷卻劑的停留時間優(yōu)選地為約1.2s,而此 處冷卻劑是(例如)水和防凍液的50/50混合劑。對于圓;f主側(cè)壁208，， 高度h，可以近似地等于直徑d，的一半，在這種情況下，罐的內(nèi)部容積 V，通過公式V^7i(d72)V限定，其中流率為20公升每分鐘，并且如果V-400毫升，則每毫升冷卻劑的停留時間為約1.2s,其中冷卻劑流率 在管道和罐之間減少了約一個數(shù)量級。圖5顯示了低流率冷卻劑系統(tǒng)在包括和不包括根據(jù)本發(fā)明的空氣 分離器的情況下的壓降分布圖300。曲線310描繪了用于低流率冷卻劑系統(tǒng)所有部件的壓降與流率的 函數(shù)關(guān)系圖。曲線312描繪了電動泵的升壓與流率的函數(shù)關(guān)系，其中 低流率冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)不包括空氣分離器。曲線314描繪了電動泵壓頭 的升壓與流率的函數(shù)關(guān)系圖，其中低流率冷卻劑系統(tǒng)內(nèi)包括根據(jù)本發(fā) 明的空氣分離器。值得注意的是，通過在低流率冷卻劑系統(tǒng)100內(nèi)利 用空氣分離器200,交叉點(diǎn)312，和交叉點(diǎn)314，之間具有顯著的改善， 例如百分之十(10%)的改善幅度.316。變或修正。這種改變和修正能夠在不脫離本發(fā)明范圍的情況下進(jìn)行， 而該范圍僅僅由所附的權(quán)力要求的范圍限定。
權(quán)利要求
1、一種改進(jìn)了的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其包括熱交換器；至少一個電動泵；至少一個發(fā)熱部件；冷卻劑容器；管道，其將所述熱交換器、所述至少一個電動泵、所述冷卻劑容器和所述至少一個發(fā)熱部件互相連接；液體冷卻劑，其由所述至少一個電動泵所泵送，其這樣流動，即，通過所述管道流經(jīng)所述熱交換器并且從所述至少一個發(fā)熱部件中移除熱量，其中，所述管道具有每單位長度平均管道截面積；和空氣分離器，其連接至所述管道，所述空氣分離器包括罐，其具有每單位長度罐截面積，所述罐包括至少一個冷卻劑入口，其通過所述管道連接到所述至少一個發(fā)熱部件上；泵出口，其通過所述管道連接到所述至少一個電動泵的入口上；和冷卻劑容器出口，其通過所述管道連接到所述冷卻劑容器上；其中，所述冷卻劑容器定位成在重力方向上高于所述罐，而所述每單位長度罐截面積比所述每單位長度平均管道截面積大預(yù)定的量，使得所述罐內(nèi)的冷卻劑在所述罐內(nèi)部具有一定的停留時間而所述停留時間允許所述冷卻劑內(nèi)的氣泡向所述冷卻劑容器出口移動并且隨后繼續(xù)移動到所述冷卻劑容器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)了的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征 在于，所述冷卻劑在所述罐內(nèi)的所述停留時間基本上在1秒到2秒之 間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)了的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征在于，冷卻劑在所述罐內(nèi)的流動基本上比冷卻劑經(jīng)過所述管道的流動 慢一個數(shù)量級。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的改進(jìn)了的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征 在于，所述冷卻劑在所述罐內(nèi)的所述停留時間基本上在1秒到2秒之 間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的改進(jìn)了的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征 在于，所述低流率冷卻劑系統(tǒng)還包括至少一個附加的^氐流率冷卻劑回 路，而所述空氣分離器還包括至少一個附加的冷卻劑入口，其通過所 述低流率冷卻劑系統(tǒng)的管道而連接至各自相應(yīng)的附加的低流率冷卻 劑回路上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)了的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征 在于，所述冷卻劑在所迷罐內(nèi)的所述停留時間基本上在1秒到2秒之 間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的改進(jìn)了的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征 在于，冷卻劑在所述罐內(nèi)的流動基本上比冷卻劑經(jīng)過所述管道的流動 慢一個數(shù)量級。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的改進(jìn)了的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征 在于，所述冷卻劑在所述罐內(nèi)的所述停留時間基本上在1秒到2秒之 間。
9、 一種低流率冷卻劑系統(tǒng)，其包括熱交換器；至少一個電動泵； 至少一個發(fā)熱部件；冷卻劑容器；管道，其將所述熱交換器、所述至 少一個電動泵、所述冷卻劑容器和所述至少一個發(fā)熱部件互相連接； 液體冷卻劑，其由所述至少一個電動泵所泵送，其這樣流動，即，通 過所述管道流經(jīng)所述熱交換器并且從所述至少一個發(fā)熱部件中移除 熱量，其中，所述管道具有每單位長度平均管道截面積；其改型包括空氣分離器，其連接至所述管道，所述空氣分離器包括 罐，其具有每單位長度罐截面積，所述罐包括頂壁；底壁，其設(shè)置成在重力方向上低于所述頂壁；側(cè)壁，其密封地連接到所述頂壁和所述底壁中的每一個上；至少一個冷卻劑入口，其連接到所述側(cè)壁上、基本上與所 述頂壁相鄰，并且通過所述管道連接到所述至少一個發(fā)熱部件 上；泵出口，其連接到所述底壁上，并且通過所述管道連接到 所述至少一個電動泵的入口上；和冷卻劑容器出口，其連接到所述頂壁上，并且通過所述管 道連接到所述冷卻劑容器上； 其中，所述冷卻劑容器定位成在重力方向上高于所述罐，而所述 每單位長度罐截面積比所述每單位長度平均管道截面積大預(yù)定的量， 使得所述罐內(nèi)的冷卻劑在所述罐內(nèi)部具有 一 定的停留時間而所述停 留時間允許所述冷卻劑內(nèi)的氣泡向所述冷卻劑容器出口移動并且隨 后繼續(xù)移動到所述冷卻劑容器。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征在于，所 述冷卻劑在所述罐內(nèi)的所述停留時間基本上在1秒到2秒之間。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征在于，冷 卻劑在所述罐內(nèi)的流動基本上比冷卻劑經(jīng)過所述管道的流動慢一個 數(shù)量級。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征在于， 所述冷卻劑在所述罐內(nèi)的所述停留時間基本上在1秒到2秒之間。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征在于，所 述低流率冷卻劑系統(tǒng)還包括至少一個附加的流率冷卻劑回路，而所述 空氣分離器還包括至少一個附加的連接至所述側(cè)壁的冷卻劑入口 ，其 通過所述低流率冷卻劑系統(tǒng)的管道連接到各自相應(yīng)的附加的低流率 冷卻劑回路上。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征在于， 所述冷卻劑在所述罐內(nèi)的所述停留時間基本上在1秒到2秒之間。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征在于， 冷卻劑在所述罐內(nèi)的流動基本上比冷卻劑經(jīng)過所述管道的流動慢一 個數(shù)量級。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的低流率冷卻劑系統(tǒng)，其特征在于， 所述冷卻劑在所述罐內(nèi)的所述停留時間基本上在1秒到2秒之間。
全文摘要
一種用于低流率冷卻劑系統(tǒng)的空氣分離器，其從液體冷卻劑中移除空氣?？諝夥蛛x器是密封的罐，其具有底壁、相對于處于重力方向上的較高位置的頂壁、和密封在它們之間的側(cè)壁。冷卻劑入口在側(cè)壁上，泵出口在底壁上，而冷卻劑容器出口在頂壁上。冷卻劑容器出口與冷卻劑容器相連接，該冷卻劑容器相對于罐處于重力方向上的較高位置。罐相對于管道系統(tǒng)的每單位長度截面積使得冷卻劑在罐內(nèi)的停留時間可以促使冷卻劑氣泡向冷卻劑容器移動。
文檔編號F25B43/00GK101245962SQ200810005580
公開日2008年8月20日 申請日期2008年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者G·M·克萊波爾, L·P·齊爾, M·D·內(nèi)梅什, P·S·隆巴多 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司