專利名稱：兩相冷卻回路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及特別地用于冷卻電力電子裝置和電力電氣裝置中的 至少 一種的兩相冷卻回路，以及包括這種冷卻回路的電力^^莫塊。
背景技術(shù)：
電力電子裝置目前達(dá)到了可能會由于散熱而造成冷卻問題的性 能。近年來，這種裝置(如切換元件或類似元件)的功率有所增加，而 所散發(fā)的熱量也隨之增加。兩相冷卻回路對于冷卻這種電子裝置是有 效的。由待冷卻并與冷卻回路接觸的電力裝置所發(fā)出的熱加熱液體直 到該液體到達(dá)其沸騰溫度。在蒸發(fā)期間液體溫度是恒定的，從而限制 了待冷卻的裝置可達(dá)到的最大溫度。
在蒸發(fā)器中設(shè)有與發(fā)熱裝置處于熱接觸的儲液器。蒸發(fā)器的截面足夠 大以構(gòu)成儲液器或池。裝置的熱致使液體沸騰且因此產(chǎn)生蒸汽并且蒸 汽自蒸發(fā)器傳送至冷凝器。在冷凝器內(nèi)該蒸汽被再次冷卻以降到沸騰 溫度以下。因此，另一相變發(fā)生且蒸汽冷凝以再次變成液體。之后， 液體被反饋到蒸發(fā)器并再次儲存于儲液器內(nèi)。根據(jù)上述原理工作的冷
卻回路(例如)在US 5,195，577中進行了闡述。
這種冷卻回路的一個問題在于所述蒸發(fā)器通常同時也用作如上
所述的儲液器。這通過構(gòu)造用作儲液器的蒸發(fā)器內(nèi)部容積而實現(xiàn)。同 時使該儲液器與發(fā)熱裝置發(fā)生熱接觸。當(dāng)熱量傳遞到液體時，因此發(fā) 生池沸騰。這種池沸騰的問題在于這種蒸發(fā)器的熱傳遞性能較差，蒸 發(fā)器相當(dāng)龐大，冷卻回路需要較大的流體存量，且冷卻回路在高壓條 件下難以做到防泄漏。曾試圖通過利用多個小直徑的管狀通道來構(gòu)造(例如)蒸發(fā)器來減 小蒸發(fā)器的直徑以克服這個缺點。當(dāng)這些通道的直徑低于由所用液體 的類型限定的臨界值時，原理自"池沸騰"變成"對流沸騰"或"流 動沸騰"。當(dāng)發(fā)生流動沸騰或?qū)α鞣序v時，在蒸發(fā)器的出口側(cè)給出氣 相或汽相與液相的混合物。這種對流沸騰改進了蒸發(fā)器的性能。但另
一方面這種對流沸騰具有以下缺點如果為冷凝器饋送氣相與液相的 混合物，那么冷凝器的性能會以不利的方式受到影響。因此，為了不 損失冷卻回路的總體性能，需要為冷凝器提供純汽相。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的在于改進兩相冷卻回路的總體性能。 根據(jù)本發(fā)明，通過根據(jù)獨立權(quán)利要求的特征的包括蒸發(fā)器和與之
連接的冷凝器的兩相冷卻回路以及通過包括至少 一個這樣的冷卻回
路的電力;f莫塊來解決這個問題。
用語"電力模塊"在下文應(yīng)被理解為包括熱連接到根據(jù)本發(fā)明的 至少一個冷卻回^f各的至少一個電力電子和/或電力電氣裝置的組件。此
外，用語電力電子和/或電力電氣裝置以及發(fā)熱裝置在下文中以可互換 的方式使用。
獨創(chuàng)性的冷卻回路的蒸發(fā)器和冷凝器由饋送管線和第一返回管 線流體地連接(以流體可在其間流動的方式連接)(fluidly connected)。根 據(jù)本發(fā)明，相分離器件布置于冷凝器的入口側(cè)處。該相分離器件由第 二返回管線連接到蒸發(fā)器。
根據(jù)本發(fā)明的第 一方面，獨創(chuàng)性的兩相冷卻回路包括在閉環(huán)中由 饋送管線且由第一返回管線連接到彼此上的蒸發(fā)器和冷凝器。更具體 而言，饋送管線使所述蒸發(fā)器的上端與冷凝器的入口側(cè)流體地連接， 而第一返回管線使冷凝器的下端與蒸發(fā)器的下端流體地連接。在獨創(chuàng) 性冷卻回路的運行中，蒸發(fā)器至少部分地允許對流沸騰。蒸發(fā)器可至 少熱連接到發(fā)熱裝置。冷凝器的下端布置成至少處于所述蒸發(fā)器(2) 的上端所位于的第一高度水平。相分離器件在所述冷凝器的入口側(cè)布置于饋送管線中并由第二返回管線流體地連接到蒸發(fā)器。
根據(jù)本發(fā)明，在混合物應(yīng)用于冷凝器之前，使攜帶于蒸汽流中的 液相與汽相分離。通過在較大程度上分離汽相與液相，向冷凝器饋送 幾乎純的汽相是可行的，從而保持其性能處于高水平。另一方面，使 用對流沸騰是可行的，從而提高蒸發(fā)器的性能。用語幾乎純的汽相應(yīng) 被理解為包含至少70質(zhì)量百分比蒸汽的汽相。相分離器件布置于接 近冷凝器的入口側(cè)以便不劣化蒸發(fā)器的性能。如果(例如)分離器件直 接位于蒸發(fā)器的出口，可能會降低蒸發(fā)器的性能。但是，根據(jù)本發(fā)明， 汽相與液相的混合物在首先離開蒸發(fā)器后^皮傳遞到冷凝器的入口區(qū)。 此處，將蒸汽饋送到相分離器件，之后幾乎純的汽相被冷凝而不會過 度地影響蒸發(fā)器的性能。
根據(jù)第一優(yōu)選實施例，冷凝器的下端布置成大約至少處于與所述 蒸發(fā)器的上端相同的高度。而且相分離器件位于大約與冷凝器的入口 端口相同的高度。換言之，相分離器件定位成至少處于冷凝器的入口 所位于的第二高度水平。通過這種布置，不僅實現(xiàn)了重力驅(qū)動的冷卻 回路進行工作而無需任何額外的泵來反饋離開冷凝器的液體，而且也 確保了相分離器件與蒸發(fā)器之間的距離足夠大以使得蒸發(fā)器能以最 佳性能工作。通過保持相分離器件與蒸發(fā)器之間的這個距離，僅考慮 蒸發(fā)器的熱傳遞和蒸發(fā)性能而關(guān)于形狀和通道大小來調(diào)適蒸發(fā)器是 可行的。就總體效率而言，認(rèn)為無泵冷卻回路是有利的，因為它們并 不依賴外部能量來驅(qū)動泵。
若需要，所述第二返回管線使連接蒸發(fā)器的出口與冷凝器的輸入 側(cè)的饋送管線與連接冷凝器的出口與蒸發(fā)器的入口側(cè)的第 一返回管 線短路。離開蒸發(fā)器的混合物的液相部分以非常容易的方式被反饋到 在所述冷凝器內(nèi)產(chǎn)生的液相。使饋送管線與第 一返回管線短路允許在 一方面使用不變的冷凝器且在另一方面使用不變的蒸發(fā)器。這使得易 于改進這種冷卻回路的總體性能而無需蒸發(fā)器和冷凝器的新設(shè)計。
在冷卻回路的一實施例中，相分離器件位于饋送管線中，從而將饋送管線分成使所述蒸發(fā)器與所述相分離器件連接的第一部分和使 所述蒸發(fā)器與所述冷凝器連接的第二部分，其中第一部分比所述第二 部分更長。這符合如上文所述的相分離器件的優(yōu)點。重要的是認(rèn)識到 相分離器件與冷凝器之間的距離小于蒸發(fā)器與相分離器件之間的距 離。這是為了確保不存在相分離器件對于蒸發(fā)器性能的負(fù)面影響。同 時，在某點處將相分離器件插入到饋送管線內(nèi)是可行的，由此應(yīng)記住， 有時空間要求防止相分離器件包括(例如)到冷凝器內(nèi)或冷凝器在入口 側(cè)處的歧管內(nèi)。
另一方面，存在這樣的冷卻回路的實施例通過將相分離器件直 接布置于冷凝器的入口端口處而使相分離器件至少部分地集成于冷 凝器中。取決于該實施例，相分離器件分別完全地或至少部分地集成 于冷凝器集成中或其入口端口中。取決于第二返回管線的實施例，第 二返回管線具有等于冷凝器高度與蒸發(fā)器高度之和的長度，或者基本 上在蒸發(fā)器的下端與冷凝器的入口之間延伸。取決于要求，分離器件 至少部分地集成到冷凝器的歧管中是有利的，因為其有助于蒸發(fā)器與 相分離器之間的最大距離。
證實了如果所述相分離器件具有優(yōu)化的流動阻力，則將有利于獨 創(chuàng)性冷卻回路的熱效率。需要所述相分離器件在運行中造成的汽化的 工作流體有低壓降，因為其不會過度地使兩相冷卻回路喪失熱效率。
相分離器件的實施例包括至少一個流動偏轉(zhuǎn)器件，其被布置成在 運行時使汽化的工作流體偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)有利地使得其支持對冷凝的
作用，使得工作流體的液滴被引導(dǎo)到返回管線內(nèi)。特別地，該至少一 個流動偏轉(zhuǎn)器件布置成使得汽化的工作流體在以下方向上偏轉(zhuǎn)該方 向橫過靠近相分離器件的饋送管線中的流動方向而延伸；更特別地， 沿著冷凝器下端的大體方向而偏轉(zhuǎn)。
如果所述相分離器件為毛細(xì)管相分離器，則可實現(xiàn)良好的蒸汽分 離值。
8在上文中關(guān)于獨創(chuàng)性兩相冷卻回路所提及的優(yōu)點大體上類似地 適用于下文所公開的電力模塊。類似地，關(guān)于電力模塊所提及的優(yōu)點 也適用于獨創(chuàng)性兩相冷卻回^各。
在本發(fā)明的另一方面，通過獨創(chuàng)性電力才莫塊來解決這個目的，該 電力模塊包括熱連接到根據(jù)本發(fā)明的至少 一個兩相冷卻回路的至少 一個發(fā)熱裝置，諸如電力電子和/或電氣裝置。
從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的有利實施例。


其它優(yōu)點將通過使用附圖和下文的具體實施方式
來解釋。 圖l顯示了根據(jù)本發(fā)明的冷卻回路的第一示意圖，其中相分離器 件直4妄位于冷凝器的入口側(cè)。
圖2顯示了使用混合物液相的毛細(xì)力的相分離器件的一個實例。 圖3以示意圖顯示了其中相分離器件位于饋送管線中的第二實例。
具體實施例方式
返回至圖1，其示出兩相冷卻回路l包括蒸發(fā)器2和冷凝器3。 蒸發(fā)器2經(jīng)由饋送管線4連接到冷凝器3。當(dāng)熱傳遞到蒸發(fā)器2時， 饋送管線4將離開蒸發(fā)器2的所述汽相/液相混合物傳遞到冷凝器3。
在冷卻了汽相從而將蒸汽再次冷凝為液相之后，通過使用第一返 回管線5使該液體返回到蒸發(fā)器2。第一返回管線5使冷凝器3的出 口端口與蒸發(fā)器2的入口側(cè)連接。
蒸發(fā)器2通過(例如)蒸發(fā)器2的一個壁6與發(fā)熱裝置處于熱接觸。 當(dāng)構(gòu)造圖示冷卻回路l時特別考慮的發(fā)熱裝置為(例如)電力電子裝置。 蒸發(fā)器2具有在豎直方向延伸的高度he。蒸發(fā)器2的定向由重力方向 自動給定，因為汽相將總是在豎直方向上上升。冷凝器3具有高度hc 且以這樣的方式布置，使得冷凝器3的下端與其出口端口大約至少與蒸發(fā)器2的上端相等。
冷凝器3在其入口側(cè)包括歧管7從而將連接到入口端口 9的饋送 管線4分成單獨的通道以改進冷凝。單獨的通道與熱交換器件13連 接，熱交換器件13在圖1中僅以非常示意性的方式示出。然后冷凝 的蒸汽由收集排管8集合，收集排管8同時提供冷凝器3的出口端口 。 這個出口端口連接到第一返回管線5。
在冷凝器3的入口側(cè)(特別是在入口端口 9處)處設(shè)有相分離器件 10。在如圖1所示的第一實施例中，這種相分離器件10為冷凝器3 的整體部分。其特別地集成到歧管7中，以便定位于來自蒸發(fā)器2的 蒸汽/液體混合物的進口處。對于本發(fā)明而言，相分離器件10工作的 特定方式并不重要。但以便使液相與汽相分離的一種可能性是使用毛 細(xì)管相分離器，其在圖2中更詳細(xì)地示出。如圖2所示的相分離器插 入于饋送管線4與歧管7的連接點之間。其包括分離容積20,分離容 積20相對于與其連接的饋送管線4在側(cè)向延伸。分離容積20具有漸 縮形狀，從而使用毛細(xì)力來分離液相與汽相。汽相以氣泡14方式提 供，根據(jù)饋送管線4的小直徑和蒸發(fā)器2的通道，其通過摩擦力使得 液體也沿冷凝器3的方向流動。
返回至圖1，其示出相分離器件10由第二返回管線11連接到第 一返回管線5。第二返回管線11止于某連接點，在該連接點，其供應(yīng) 源自饋送管線4的蒸汽/液體混合物的液體。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的冷卻回路的另一實施例。已關(guān)于圖1解釋 的相同的元件和特征利用相同的附圖標(biāo)記來表示。為了避免其不必要 的重復(fù)，將省略進一步的解釋。
與圖1的實施例相反，在圖3中示出相分離器件IO，獨立于冷凝 器3定位。但是其仍靠近冷凝器3的入口端口 9，特別地，到入口端 口 9比到蒸發(fā)器2更近。具有單獨的相分離器件的布置允許使用常規(guī) 的冷凝器3而無需新設(shè)計。相分離器件IO，布置于饋送管線4中從而 將饋送管線4分成將蒸發(fā)器2連接到分離器件IO，的第一部分和使相分離器件IO，與冷凝器3的入口端口 9連接的第二部分。除了相分離
器件io，的非集成設(shè)計之外，兩個冷卻回路i和r的功能相同。值得
一提的是，對于本發(fā)明而言，重要的是使相分離器件10或10'定位在 冷凝器3的入口側(cè)附近，這就意味著應(yīng)將蒸發(fā)器2的出口與相分離器 件10或IO，之間的距離限定為盡可能大。還值得一提的是，(例如)第 二返回管線11的直徑可相對4交窄，例如大約lmm。這足以反饋自攜 帶液體的汽相中分離的液體。在兩個實施例中，第二返回管線的長度 等于蒸發(fā)器的高度he與冷凝器高度he之和。
本發(fā)明并不限于所示實施例。特別地，以有利的方式來組合實施 例中任何實施例的特征與其它特征是可行的。這將不會致使偏離本發(fā) 明的原理。
權(quán)利要求
1.一種兩相冷卻回路，其包括由饋送管線(4)和由第一返回管線(5)連接的蒸發(fā)器(2)和冷凝器(3)，所述饋送管線(4)使所述蒸發(fā)器(2)的上端與所述冷凝器(3)的入口側(cè)流體地連接，所述第一返回管線(5)使所述冷凝器(3)的下端與所述蒸發(fā)器(2)的下端流體地連接，其中，所述冷卻回路在運行時為閉環(huán)冷卻回路，且其中所述蒸發(fā)器(2)至少部分地允許對流沸騰，且其中所述蒸發(fā)器(2)可熱連接到至少發(fā)熱裝置，且其中所述冷凝器(3)的下端布置成至少處于所述蒸發(fā)器(2)的上端所位于的第一高度水平，且其中相分離器件(10，10’)在所述冷凝器(3)的入口側(cè)處布置于所述饋送管線(4)中，其中所述相分離器件(10，10’)由第二返回管線(11)流體地連接至所述蒸發(fā)器(2)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的兩相冷卻回路，其特征在于，所述冷卻 回路在運行時是重力驅(qū)動的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的兩相冷卻回路，其特征在于，所述 冷卻回if各無泵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的兩相冷卻回路，其特征在于，所述相分離器件(IO, 10，)定位成至少處于所述冷凝器(3)的入口所 位于的第二高度水平。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的兩相冷卻回路，其特征在于，所述第二返回管線(l 1)使所述饋送管線(4)與所述第 一返回管線(5) 短路。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的兩相冷卻回路，其特征在于，所述分離器件(IO, 10，)位于所述饋送管線(4)中從而將所述饋送管 線(4)分成使所述蒸發(fā)器(2)與所述相分離器件(10)連接的第一部分和使所述相分離器件(IO, 10，)與所述冷凝器(3)連接的第二部分，由此， 所述第一部分比所述第二部分更長。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的兩相冷卻回路，其特征在于，所述相分離器件(IO, IO，)直接布置于所述冷凝器的入口端口 (9)處 且所述第二返回管線(11)基本上在所述蒸發(fā)器(2)的下端與所述冷凝器 (3)的入口之間延伸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的兩相冷卻回路，其特征在于，所述相分離器件(IO, 10，)至少部分地集成在包括所述冷凝器(3)的 入口端口(9)的歧管(7)中。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的兩相冷卻回路，其特征在于，所述相分離器件(IO, IO')具有優(yōu)化的流動阻力。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的兩相冷卻回路，其特征 在于，所述相分離器件(IO, IO，)包括至少一個流動偏轉(zhuǎn)器件，所述流動 偏轉(zhuǎn)器件布置成使得在運行時汽化的工作流體被偏轉(zhuǎn)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的兩相冷卻回路，其特征在于， 所述至少一個流動偏轉(zhuǎn)器件布置成使得汽化的工作流體朝以下方向偏轉(zhuǎn)，所述方向橫過所述相分離器件(IO, IO，)附近的所述饋送管 線(4)中的流動方向而延伸；特別地朝所述冷凝器(3)下端的方向偏轉(zhuǎn)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的兩相冷卻回路，其特征 在于，所述相分離器件(IO, IO，)是毛細(xì)管相分離器。
13. —種電力才莫塊，其包括熱連接到根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一 項所述的至少一個冷卻回路的蒸發(fā)器上的至少一個發(fā)熱裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電力模塊，其特征在于，所述至少一 個發(fā)熱裝置包括電力電子裝置和電力電氣裝置中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及兩相冷卻回路。該冷卻回路(1)包括蒸發(fā)器(2)和冷凝器(3)。蒸發(fā)器(2)和冷凝器(3)由饋送管線(4)和第一返回管線(5)連接。相分離器件(10)布置于冷凝器(3)的入口側(cè)處。相分離器件(10)通過第二返回管線(11)與蒸發(fā)器(2)連接。
文檔編號H05K7/20GK101581551SQ20091014539
公開日2009年11月18日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者B·耶辛, B·阿戈斯蒂尼 申請人:Abb研究有限公司