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 細管相分離器，其在圖2中更詳細地示出。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