一種液體冷卻器中的裝置的製作方法

2023-09-18 16:30:15

專利名稱：一種液體冷卻器中的裝置的製作方法
技術領域：
本發明的主題為使用液體作為熱交換介質的冷卻器。
背景技術：
電力電子設備例如變頻器具有功率密度(即從每單位體積的設備中獲得的性能) 持續提高的整體發展趨勢。在設備內部的功率的處理產生通常與輸出功率成比例的耗散功 率和熱量。為了避免功率組件過熱，需要對設備進行冷卻，並且肯定是冷卻越有效，設備的 功率密度越高。最常見的冷卻電力電子設備的方法是空氣冷卻，其中將冷空氣例如通過風扇吹入 安裝有功率組件的冷卻器中。但是，空氣冷卻的功率是有限的，因此當功率密度上升過多 時，需要經常使用液體冷卻。這是因為液體例如水的比熱容是空氣的好幾倍，所謂比熱容即 每單位質量存儲熱量的能力，更具體而言是每單位體積存儲熱量的能力。在冷卻器上的用液體冷卻的電力電子設備的主要組件的設置可以為按照圖1的 例子。在圖1中，將功率半導體模塊和功率電容器固定於矩形形狀的冷卻器，在該冷卻器的 內部設置兩根幾乎沿該冷卻器的總長穿過該冷卻器的側邊的縱向主管，並且在縱管之間在 橫向上設置許多橫管(側管)用於儘可能地靠近所述主要組件和所述冷卻器的接觸表面來 循環液體。通常將所述冷卻器設置為垂直的狀態，以使得外部接頭12、13中的液體循環的 位置儘可能地低，在這種情況下，接頭或在外部管件中的任何液體洩露都不會流到電子組 件上。冷卻器的內部管道系統的例子示於圖2中，其中，將較窄的橫管21設置在寬闊的 主管22和23之間，所述主管與外部液體循環相連，耗散功率實際上經由所述橫管傳遞至液 體中。在例如專利公開US 6，032，726和US 7，320，359中已經公開了這種類型的冷卻器裝置。如上所述的這類液體冷卻器的正確運作要求幾乎相同量的液體流經由所有橫管 循環。冷卻器的排氣即從冷卻器除去空氣尤為重要，因為可能存在於橫管內的靜止氣泡會 完全阻礙液體的流動，並因此阻礙向流動的液體中的熱量傳遞。當來自外部的供給於冷卻器的液量足夠多時，通過圖2這種類型的導管配置實現 的液體冷卻運行良好。但是在實際條件下，液量有時可能過少，在這種情況下，液體可能僅 經過最底部的橫管、即那些位置最靠近外部接頭的橫管進行循環，並且空氣留在最頂部的 管中。這類位於不含液體的管道處的功率組件的冷卻功率當然小於預期值，在最壞的可能 情形中可能導致組件的過熱和受損。

發明內容
本發明的發明目的是為了獲得一種新型裝置，通過所述裝置在冷卻器的內部液體 管道內產生儘可能均勻的液體流，更具體而言，產生儘可能均勻的低流量的液體流，避免了 現有技術的缺陷並且改善了例如圖2這種類型的冷卻器的液體循環。採用本發明的裝置可以達到上述目的，所述裝置以獨立權利要求的特徵部分中所公開的內容為特徵。本發明的 其他優選實施方案為從屬權利要求的主題。根據本發明，在引導液體離開冷卻器的主管(輸出管)內安裝管狀附加部件，從而 引導流出的液體主要經過兩條路徑，其中，第一路徑經過所述輸出管的底部(最靠近外部 接頭)，第二路徑經過所述輸出管的頂部。根據本發明設置液體流動，以使得僅總流量的一部分、優選約50%適於經過所述
第一路徑。根據本發明，通過第一孔徑實現液體流的第一路徑，所述孔徑可以為位置靠近所 述附加部件底端或位於所述輸出接頭中的孔、位於這些部分的末端的狹縫或在這些部分之 間保留的空隙。相應地，通過第二孔徑實現所述液體流的第二路徑，所述孔徑可以為位置靠 近所述附加部件頂端的孔、位於所述附加部件的頂端的狹縫或在所述附加部件的頂端和所 述輸出管的頂端之間保留的空隙。可實現的有利的實施方案例如，將流出的液體全部引入 固定於所述輸出接頭的附加部件中，並且前述的第一路徑經過在所述附加部件上所開的孔 P，將這些孔設置在與所述附加部件的縱軸相同的水平位置上，且位於輸出接頭和最底部的 橫管之間，並且前述的第二路徑被實施為使所述附加部件比主管短到可以使得自由液體可 以經由頂端流入所述附加部件中的程度。為了清楚的目的，在描述本發明的詳細說明中，將 這樣的優選實施方案用作實施例。以某種可靠的方式，例如採用螺紋連接或通過膠粘，將所述附加部件固定於冷卻 器、固定於所述輸出管的接頭或者其他接頭。所述附加部件和所述孔的形狀優選為圓形，但 是如本領域技術人員所容易理解的那樣，其他類型的形狀例如多邊形，都可能落入相同的 發明構思的範圍內。根據本發明，為了實現所述第一路徑的流體積，重要的是所述第一孔徑的總表面 積，所述總表面積必須小於所述附加部件的內橫截面積，例如為所述附加部件的內橫截面 積的30-70%。另外，重要的是在所述附加部件的外表面和所述主管的內表面之間的橫截面 積是足夠大的，優選至少和所述附加部件的內橫截面積一樣大，從而使流動儘可能自由地 從所述橫管流入位置靠近所述附加部件的末端的孔徑中。根據本發明的一個優選實施方案，屬於第一路徑的孔徑的總表面為大約所述附加 部件的內表面積的一半，在這種情況下，來自所述橫管的液體流以額定流量分流，其中約一 半的液體經由所述第一孔徑流入所述附加部件，並且其餘的液體經過所述第二孔徑。這對 液體流在所述橫管之間的平均分流產生有利的影響，因為在不存在所述附加部件的情況 下，流動路徑短於具有所述附加部件時的流動路徑，因此越是暢通無阻的橫管位于越靠近 所述外部接頭的位置。從理想運作冷卻器的角度來看，使所述橫管之間的流儘可能地均勻 是有利的。根據本發明的裝置對低流量產生特別強的積極影響。這是所述第一孔徑的表面積 造成的結果，所述表面積形成了流動阻力使得僅額定總流量中的一部分能夠流過所述表面 積。例如，如果所述表面積為附加部件整個內橫截面積的50%並且所述總流量稍大於額定 流量的50%，則幾乎所有流均經由所述第一孔徑並且僅小部分從所述附加部件頂端經由第 二孔徑流動。但是，流經所述頂端的這小部分流使所有橫管內充滿液體並且使冷卻器排氣。 當冷卻器頂部的橫管內可能保持充滿空氣時，在這種情況下的冷卻比不含根據本發明的附加部件時有效得多。通過本發明，使得基於液體循環的冷卻器以滿流量並更特別地以比額定流量小的 流量工作時變得更加有效，這改善了冷卻並由此提高了整個設備的可靠性。所述附加部件 可以由一般可獲得的薄金屬管制成，例如壁厚為1mm、外徑為15mm，以使得所述附加部件易 於製造並且成本低廉。


在下文中，通過實施例結合附圖將更加詳細地描述本發明，其中圖1表示液體冷卻器和一些安裝在該冷卻器上的功率組件；圖2表示液體冷卻器的內部管道系統；圖3表示在根據現有技術的液體冷卻器內的低流量的液體循環；圖4表示根據本發明的附加部件；圖5A表示根據本發明的附加部件在液體冷卻器內的一種設置方式；圖5B表示根據本發明的附加部件在液體冷卻器內的第二種設置方式；和圖6表示在安裝有根據本發明的附加部件的冷卻器內的液體循環。
具體實施例方式圖1表示根據本發明功率組件在液體冷卻器上的典型設置。為了清楚的目的，簡 化了圖形並且在該圖中僅示出了冷卻器和從本發明的角度來看的必要部件，但是不包含例 如組件的連接件或固定件。在該圖中，所述外部液體循環經由輸入接頭12和輸出接頭13 與冷卻器11相連。將需要冷卻的功率組件例如電容器14和功率半導體模塊15緊密地抵 靠所述冷卻器固定以獲得最大可能效率的熱傳遞，例如通過用合適的附加部件壓緊或通過 螺栓連接。圖2表示現有技術的冷卻器的內部液體管道系統的一個設置標準，可以將本發 明應用於這樣的冷卻器並且這樣的冷卻器已經公開在例如專利公開US 6，032，726和US 7，320，359中。在圖2中，在冷卻器內鑽削出寬闊的主管22、23，所述主管經由接頭12、13 與外部液體循環相連。多根橫管21與所述主管相連，從冷卻所述功率組件的最大可能效率 的角度採用合適的方式設置所述橫管。例如，在圖1和圖2的情形中，因為已知功率半導體 模塊的耗散功率比電容器的耗散功率大得多，所以在所述模塊下方的區域A中設置比在冷 卻器的其他部分更加密集的橫管。圖3表示液體循環在根據現有技術的冷卻器內是如何工作的，通過小箭頭表示所 述液體循環的流動方向。該圖的實例描述了這樣一種情況，其中液流Ql少，小於額定流量 的一半。將液體引入冷卻器的外部管道與輸入接頭12相連，通過密封的方式將所述接頭固 定於冷卻器11。液體從所述接頭流入輸入側的主管22中，從主管繼續流入橫管21中，並 且最後經由輸出側的主管23和輸出接頭13流回至外部循環。在該實例中，外部供液壓力 Pl太小以至於在冷卻器中使液體高度僅上升至Hpi，在這種情況下，僅在位於所述高度以下 的橫管內存在足夠的液體。空氣可能留在位於所述高度以上的橫管內，在這種情況下，設置 於所述高度以上的橫管處的功率組件的冷卻效果差。圖4表示根據本發明的附加部件41的實施例。在該實施例中，所述附加部件41由長度為L、外徑為Dtl及內徑為D1的圓形金屬管制成。為了使所述附加部件所需的空間最 小，優選所述金屬管的壁厚(Dtl-D1)/2優選是薄的，例如1mm。將所述附加部件的底端標記為 標識符號B，在所述底端將所述附加部件固定於冷卻器結構，並且對應地將所述附加部件的 頂端標記為標識符號T。根據該實施例，在靠近所述附加部件的底端的距離Lp處，一個或多 個孔P沿著所述壁延伸。根據本發明，重要的是所述孔的總表面積是所述附加部件的內橫 截面積(在該圖的圓形管的情形下為^1*^74)的30%-70%，最優選為50%。如果在除 接頭13以外的位置、例如所述輸出管的頂端處將所述附加部件固定在冷卻器結構上，則位 於底端B處的狹縫N或者在所述附加部件和所述接頭13之間留有的空隙可以代替孔P用 作屬於第一路徑的孔徑。如果所述附加部件的頂端T緊密地抵靠所述輸出管的頂端設置， 則還可以在所述附加部件41的頂部使用所述孔P和相當於狹縫N的孔徑。圖5A示出了如何將根據本發明的附加部件41設置在冷卻器11的輸出管23中。 在該實施例中，採用一些合適的方法例如通過這些部分上的螺紋配合或者通過膠粘將所述 附加部件固定於所述液體接頭13。所述附加部件的長度為使得在所述附加部件的頂端T的 高度H41和所述輸出管頂端的高度吐3之間留有足夠的空間例如為所述附加部件的直徑的一 半，從而保證液體的自由流入。根據本發明的一個優選實施例，將所述附加部件中實現第一流動路徑的孔P的中 心點設置在比第一橫管TC1的中心點的高度H1更靠近所述接頭13的高度。相應地，實現所 述第二流動路徑的所述附加部件的有利長度為使得頂端T的高度H41比最上部的橫管1^的 中心點的高度Hn更遠離所述接頭13。還可以將所述孔P設置在不同的高度，例如在最低的 橫管處，這都在相同的發明範圍內。為了保證離開冷卻器的自由流動的液體進入設置在所述附加部件的末端附近的 孔徑，優選所述輸出管23的直徑大到使得在所述附加部件的外表面和所述輸出管的內表 面之間的橫截面積至少和所述附加部件內部的表面積一樣大。根據本發明的管和所述附加部件的尺寸的例子為-圓形輸出管的直徑為20mm-圓形附加部件的外徑為15mm並且壁厚為Imm-在附加部件的底端設有2個孔，所述孔的直徑為6.5mm=>由上可知，所述孔的總表面積為66.4mm2，是所述附加部件的內橫截面積 132. 7mm2的50%。在所述輸出管和所述附加部件之間的橫截面積為137. 4mm2，是所述附加 部件的內橫截面積的104%。圖5B表示一個可替換的實施例，其中，將所述附加部件41固定於所述主管23的 頂端，將所述附加部件頂端的液體入口設置為孔P1，並且將所述附加部件底端的液體入口 設置為空隙P2，所述空隙位於所述附加部件和接頭13之間。圖6表示在安裝有根據本發明的一個優選實施例的附加部件41的冷卻器11內的 液體流動。位於該圖左邊的局部放大圖6. 1-6. 3詳細地示出了如何在所述橫管21和所述 輸出側的主管23中分流。當假設所述附加部件的孔P的總表面積是整個附加部件的內橫 截面積的50%時，進行分流，使得位置最靠近所述外部接頭12、13的橫管Ol4及其以下) 中的流按照局部圖6. 2向下流動，以按照局部圖6. 3經由孔P進入所述附加部件中，並且位 於所述管道214以上的橫管中的流按照局部圖6. 1經由頂端T進入所述附加部件中。
在說明書內容和附圖中，在描述本發明的實施例中的附加部件41及其孔P以及液 體導管21-23都採用了圓形。還可以使用其他橫截面形狀，例如方形和多邊形。本發明的各個實施例並不僅局限於上述實施例的形狀和任意其他機械方面，這對 於本領域技術人員而言是顯而易見的，它們可以在本發明所附的權利要求書的範圍內變 化。還可以採用其他用於連接所述附加部件的實施方式，在這些實施方式中，僅整個流中的 某一部分可以經過底端的第一流動路徑，在這種情況下，所述流中的其他部分被迫經過頂 端的第二流動路徑。如本領域技術人員所容易理解的那樣，可以用在冷卻器內直接製造的 裝置代替所述接頭12、13。
權利要求
1.一種用於使液體在特別用於電力電子設備的液體冷卻器(11)中循環的裝置，在所 述液體冷卻器中設有至少兩根縱向主管02，23)，並且在所述主管之間設置連接所述主管 的橫管(21)，並且在所述液體冷卻器中，所述縱向管中的至少一根為輸入管(22)，經由輸 入接頭(1 將液體從外部引入所述輸入管中，並且一根為輸出管(23)，經由輸出接頭(13) 將液體從所述輸出管引出，其特徵在於，在所述輸出管中安裝至少在所述輸出接頭一側設有開口端的管狀附加部件(41)，並且將所述附加部件設置成與所述輸出管分離，以使得在所述附加部件的外表面和所述輸 出管的內表面之間留出空隙，使液體能夠在所述附加部件外的輸出管中流動，並且在所述裝置中，在所述附加部件位於所述輸出接頭一側的部分中和/或在所述輸出接 頭中和/或在它們之間設置一個或多個第一孔徑(P，N，P2)，從而使額定總流量中的一部分 經過第一路徑流向所述輸出接頭，並且在附加部件離所述輸出接頭最遠的部分中或者在所述附加部件和所述輸出接頭之間 設置一個或多個第二孔徑(T，Pl)，從而使總流量中的其餘部分經過第二路徑流入所述附加 部件，並且經由所述附加部件繼續流向所述輸出接頭。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，設置在附加部件位於所述輸出接頭一側 的部分中和/或在所述輸出接頭中的第一孔徑(P，N，P》的總表面積是所述附加部件Gl) 的內橫截面積的30% -70%，所述第一孔徑例如在所述附加部件和所述輸出接頭之間的空 隙(P2)或位於這些部分中的狹縫(P)或孔徑(N)。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，將位於所述輸出接頭一側的部分上的 一部分、優選大部分孔(P)設置在比最近的橫管(TC1)的中心點的高度(H1)更靠近所述輸 出接頭(13)的高度。
4.根據權利要求1-3中任一項所述的裝置，其特徵在於，離所述輸出接頭較遠的、使流 出的液體進入所述附加部件的第二路徑被實施為，使所述附加部件短於所述輸出管，在這 種情況下，自由液體可以經由所述附加部件的開放頂端的孔徑流入所述附加部件中。
5.根據權利要求4所述的裝置，其特徵在於，所述附加部件的長度為使得在所述附加 部件頂端的高度和所述輸出管頂端的高度之間的距離至少為所述附加部件的直徑的一半。
6.根據權利要求1-3中任一項所述的裝置，其特徵在於，將所述附加部件固定在 所述輸出管的頂端，在這種情況下，離所述輸出接頭較遠的、使流出的液體進入所述 附加部件的第二路徑通過所述附加部件頂端的孔徑(Pl)或狹縫實現。
7.根據權利要求1-6中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述附加部件的外表面和所 述主管之間的空隙至少和所述附加部件的內橫截面積一樣大。
8.根據權利要求1-7中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述附加部件的長度為使得 離所述輸出接頭較遠的末端(頂端，T)的高度(H41)或設置在所述末端的孔的中心點的高 度比最上部的橫管(TCn)的中心點的高度(Hn)離所述接頭(13)更遠。
全文摘要
本發明涉及一種用於使液體在特別用於電力電子設備的液體冷卻器中循環的裝置，在液體冷卻器中設有至少兩根縱向主管，並且在主管之間設置連接主管的橫管，所述縱向管中的至少一根為輸入管，經由輸入接頭將液體從外部引入輸入管中，並且一根為輸出管，經由輸出接頭將液體從輸出管引出，在輸出管中安裝至少在輸出接頭一側設有開口端的管狀附加部件，並且將附加部件設置成與輸出管分離，在附加部件位於所述輸出接頭一側的部分中和/或在輸出接頭中和/或在它們之間設置一個或多個第一孔徑，從而使額定總流量中的一部分能夠經過第一路徑流向輸出接頭，並且在附加部件離輸出接頭較遠的部分中或在附加部件和輸出接頭之間設置一個或多個第二孔徑。
文檔編號H05K7/20GK102123577SQ20101060112
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月17日 優先權日2009年12月18日
發明者彼得裡·卡穆拉 申請人:瓦孔厄伊公司