冷卻設備的製作方法

2023-06-16 14:35:41

冷卻設備的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於電氣裝置的冷卻設備，該冷卻設備包括：發生器(1)，該發生器(1)接收來自第一電氣部件(5)的熱負荷；蒸發器(2)，該蒸發器(2)用於接收來自第二電氣部件(6)的熱負荷；封閉的隔室(9)，該封閉的隔室(9)對主要元件和蒸發器進行封閉；以及吸收器(3)，該吸收器(3)將來自經加熱的流體的熱量傳遞至封閉的隔室的外部。為了得到高效且可靠的冷卻設備，該冷卻設備包括第一膨脹裝置(11)，該第一膨脹裝置(11)降低流體的壓力並且將流體以液態和低壓輸送至第二冷卻元件(2)，該第二冷卻元件(2)將來自第二電氣部件(6)的熱量傳遞至所接收的流體，用於蒸發該流體。
【專利說明】冷卻設備
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及用於對電氣裝置進行冷卻的冷卻設備。
【背景技術】
[0002]此前已知用於通過使冷卻元件中的液體蒸發來冷卻電氣裝置的方案，該冷卻元件用於將來自電氣部件的熱量傳遞至冷卻元件的流體通道中的液體。汽化的液體被導引至另一個冷卻元件，在該另一個冷卻元件中熱量傳遞至冷卻劑，從而重新得到液體並且該液體被返回至第一冷卻元件。
[0003]以上描述的方案的問題在於難以冷卻不能產生充分的熱量使液體蒸發的部件。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是解決以上提及的缺陷，從而提供一種用於對電氣裝置進行冷卻的高效且可靠的方案。該目的通過根據獨立權利要求1的冷卻設備而實現。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]下面將通過示例的方式並參照附圖對本發明進行更詳細地描述，在附圖中，圖1是冷卻設備的第一實施方式的框圖。
【具體實施方式】
[0006]圖1是冷卻設備的第一實施方式的框圖。該冷卻設備包括具有第一電氣部件5的發生器I。術語「發生器」指的是冷卻電氣部件的熱交換器，並且「發生器」通過將來自電氣部件的熱負荷傳遞至發生器的流體通道中的流體而產生熱量至該流體。該冷卻設備還包括具有第二電氣部件6的蒸發器2。術語「蒸發器」指的是熱交換器，其通過使用來自電氣部件的熱負荷來蒸發蒸發器的流體通道中的流體而冷卻電氣部件。在示出的實施方式中，已經通過示例的方式呈現出第一電氣部件5附接(例如通過散熱膏連接)至發生器I並且第二電氣部件6附接(例如通過散熱膏連接)至蒸發器2。因此，發生器和蒸發器可以為用於容置電氣部件的基板並且在這些基板中設置有流體通道(或散熱片)。然而，並不是所有實施方式都需要這樣。可替代的實施方式為發生器和蒸發器中的一者或者兩者在外表面上包括鰭狀物，並且熱量通過例如氣流和鰭狀物從各個電氣部件傳遞至相應的發生器或者蒸發器。在任何情況下，由第一電氣部件5產生的熱量傳遞至發生器I中的流動通道7中的流體，並且相應地，由第二電氣部件6產生的熱量傳遞至蒸發器2中的流動通道8中的流體。
[0007]第一電氣部件I為工作溫度比第二電氣部件2高的部件。第一電氣部件I可以例如包括高功率電子裝置，比如IGBT (絕緣柵雙極型電晶體)、Si/ SiC功率模塊(矽樹脂、碳化矽)、LED (發光二極體)或者其它碳化矽電子部件，其通常具有高工作溫度，比如在3kW下為大約125°C。第二電氣部件2可以例如包括具有低工作溫度的部件，比如像電容器、PCB(印刷電路板)或者電湧放電器之類的無源電氣部件。這些部件在300W下可以具有大約65°C的工作溫度。
[0008]發生器I和蒸發器2封閉在封閉的隔室9中。隔室9可以是例如將電氣裝置與周圍環境封離的電氣櫃。在一些應用中(比如礦井、海洋或者沙漠)中可能要求高IP(國際保護)級別以便保證有效地防止灰塵或者溼氣停留在封閉的隔室的內部。為了保證該封閉的隔室9內的有效冷卻，冷卻設備包括吸收器3，該吸收器3接收來自封閉的隔室9內的被加熱的流體。熱量通過吸收器3從流體傳遞至封閉的隔室9的外部。例如，該傳遞可以包括例如通過吸收器3的氣流。因此，吸收器3是將來自所接收的流體的熱量傳遞至周圍環境的熱交換器。
[0009]具有不同屬性的兩種流體在示出的冷卻設備內循環。這兩種流體應當是彼此易混溶的。適合的流體組合為:
[0010]-水和Lifc(溴化鋰)，
[0011]-R134a(l，l，l，2_四氟乙烷)和DMAC( 二甲基乙醯胺)，
[0012]-Rl24 (1-氣代-1,2,2,2-四氣乙燒)和DMAC ( 二甲基乙酸胺)，以及
[0013]-R134a(l，l，l，2_ 四氟乙烷)DMETEG(四乙二醇二甲醚)。
[0014]發生器I的流體通道7設置成接收處於高壓下的液態的第一流體Fl和第二流體F2。從第一電氣部件5接收的熱量被傳遞至流體通道7中的流體。由於該熱量，第二流體F2——第二流體F2比第一流體Fl的蒸發溫度低——在第一流體Fl保持為液態時蒸發。氣態的汽化第二流體F2經由在發生器I的左上角示出的出口離開流動通道7，並且經由管道進入第三冷凝器4。保持為液態的第一流體Fl從發生器I輸送至吸收器3。用於將第一流體Fl和第二流體F2彼此分離的分離器10可以集成在發生器I中，或者可替代地，實施為發生器I與吸收器3之間的外部裝置。該外部分離器可以由具有適合的尺寸和設置在不同高度的接頭的容器構成，使得分離利用重力而實現。
[0015]冷凝器4接收來自發生器I的氣態的汽化第二流體F2。在冷凝器4中，第二流體F2被冷卻使得第二流體F2冷凝，在這之後，第二流體F2以液態輸送至第一膨脹裝置11。可以通過冷凝器4執行冷卻，使得冷凝器4將來自第二流體F2的熱量傳遞至從第四冷卻元件吸收熱量的介質溫度冷卻劑F3。適合的冷卻劑可以例如是空氣、水、二氧化碳C02、氦氣He或氫氣H2。因此，熱量被傳遞至封閉的隔室9外部的環境。為此，冷凝器可以具有設置有鰭狀物的表面，並且熱量經由這些鰭狀物傳遞至周圍空氣，例如，傳遞至氣流中。
[0016]第一膨脹裝置11接收處於第一壓力下的液態的第二流體。壓力降低至比第一壓力低的預定低壓。適合的低壓可以是根據作為液體被輸送至第二冷卻元件2的第二流體F2的屬性而選擇的預定飽和壓力。一個可替代的實施方式為將膨脹裝置實施為呈螺旋形的簡單的毛細管尺寸的管、閥或者膜，使得經過小的容積得到大的壓力下降。
[0017]蒸發器2的流體通道8接收液態的第二流體F2。第二流體F2使用來自第二電氣部件2的熱量在流體通道8中被加熱。由於流體F2的低壓，僅需要相對小的第二流體F2的溫升就能夠蒸發第二流體F2。因此，第二電氣部件6可以獲得足夠的冷卻。汽化的第二流體F2以氣態並且以低壓輸送至吸收器3。
[0018]吸收器3接收來自發生器I的液態的第一流體Fl和來自蒸發器2的處於汽化的氣態的第二流體F2。在吸收器3中，第一流體Fl和第二流體F2彼此接觸並且流體被吸收器3冷卻，吸收器3將來自流體的熱量傳遞至從第三冷卻元件吸收熱量的介質溫度冷卻劑F3。適合的冷卻劑可以例如是空氣、水、二氧化碳C02、氦氣He或者氫氣H2。因此,熱量被傳遞至封閉的隔室9外部的環境。為此，該吸收器可以具有設置有鰭狀物的表面，並且熱量經由這些鰭狀物傳遞至周圍空氣，例如傳遞至氣流中。優選地，第三冷卻元件和第四冷卻元件釋放大約等量(50% -50% )的熱量至封閉的隔室的外部。
[0019]由於第一流體Fl和第二流體F2已經選擇為使得它們是易混溶的，所以氣態的第二流體F2在吸收器3中被處於液態的第一流體Fl吸收。第一流體Fl和第二流體F2的混合物從吸收器3供給至發生器I。
[0020]在圖1的示例中已經示出不是在所有實施方式中都需要的附加的部件。可以包括具有兩個流體通道13和14的熱交換器12。第一流體通道13將來自吸收器3的第一流體Fl和第二流體F2輸送至發生器I，並且第二流體通道14將來自發生器I的第一流體Fl輸送至吸收器3。該熱交換器12使得能夠通過在第一流體Fl到達吸收器3之前降低第一流體Fl的溫度而提高吸收器3的性能(增大吸收係數)。
[0021]另外，可以使用泵15以便在第一流體Fl和第二流體F2引入至發生器I之前增加第一流體Fl和第二流體F2的壓力。
[0022]圖1的示例還包括第二膨脹裝置16，第二膨脹裝置16接收來自發生器的處於第二壓力下的高壓液態的第一流體F1、降低第一流體Fl的壓力並且將第一流體以液態和低於第二壓力的低壓輸送至吸收器3。
[0023]為了保證圖1的冷卻設備最佳地工作，可以關注各個部件的物理位置。為了得到最佳的結果，冷凝器4優選地位於高於其他部件的位置。發生器I優選地位於較低位置，然而，吸收器3優選地位於低於發生器I的位置。
[0024]為了保證所有情況下流體的高效循環，應當滿足下面的關係:
[0025]Tl > T3 > T2，其中，Tl是第一電氣部件I的工作溫度，T3是對冷凝器4進行冷卻的冷卻劑F3的溫度，並且T2是第二電氣部件6的溫度；
[0026]P4+P3 = P1+P2，其中P3和P4分別是從吸收器3和冷凝器4經由冷卻劑F3傳遞至設備的外部的熱負荷(功率)，P1是由第一電氣部件I產生的熱負荷並且P2是由第二電氣部件2產生的熱負荷；
[0027]對吸收器3進行冷卻的冷卻劑的溫度與對冷凝器4進行冷卻的冷卻劑的溫度大約相同；以及
[0028]泵15的機械功(W)使得滿足W << P4+P3 = P1+P2。
[0029]通過以上描述的解決方案，雖然不需要高能耗(與常規泵相比)的壓縮機，但可以得到能夠利用蒸發的高效冷卻設備。相反地，能夠利用來自各個部件的廢熱能來驅動冷卻循環。
[0030]要理解的是，以上描述和附圖僅用於說明本發明。對本領域技術人員顯而易見的是，在不偏離本發明的範圍的情況下，本發明可以進行變化和修改。
【權利要求】
1.一種用於電氣裝置的冷卻設備，其特徵在於，所述設備包括: 封閉的隔室(9)， 設置在所述封閉的隔室的內部的第一電氣部件(5)和第二電氣部件(6)，所述第二電氣部件(6)的工作溫度比所述第一電氣部件(5)的工作溫度低， 設置在所述封閉的隔室的外部的吸收器(3)，所述吸收器(3)用於接收來自所述封閉的隔室內的經加熱的流體，並且用於將來自所述經加熱的流體的熱量傳遞至所述封閉的隔室的外部， 設置在所述封閉的隔室(9)的外部的冷凝器(4)，所述冷凝器(4)用於接收來自所述封閉的隔室內的經加熱的流體並且用於將來自所述經加熱的流體的熱量傳遞至所述封閉的隔室(9)的外部， 設置在所述封閉的隔室(9)中的發生器(I)，所述發生器包括用於接收液態的第一流體(Fl)和第二流體(F2)的流體通道(7)，所述第一流體(Fl)和所述第二流體(F2)是易混溶的，以利用從所述第一電氣部件(I)接收的熱量來加熱所接收的液體，並向所述冷凝器(4)提供氣態的汽化的所述第二流體(F2)，並且向所述吸收器(3)提供液態的所述第一流體(Fl)， 第一膨脹裝置(11)，所述第一膨脹裝置(11)接收處於第一壓力下的來自所述冷凝器(4)的液態的所述第二流體(F2)，降低所述第二流體(F2)的壓力，並且將所述第二流體(F2)以液態和低於所述第一壓力的低壓進行輸送， 設置在所述封閉的隔室(9)中的蒸發器(2)，所述蒸發器包括設置成接收來自所述第一膨脹裝置(I)的液態的所述第二流體(F2)的流體通道(8)，以利用從所述第二電氣部件(6)接收的熱量來蒸發所述第二流體(F2)，並且將經過蒸發的氣態的所述第二流體(F2)輸送至所述吸收器(3)， 第二膨脹裝置(16)，所述第二膨脹裝置(16)將來自所述發生器(I)的液態的所述第一流體(Fl)輸送至所述吸收器(3)，所述第二膨脹裝置(16)接收處於第二壓力下的所述第一流體(Fl)，降低所述第一流體(Fl)的壓力，並且將所述第一流體(Fl)以低於所述第二壓力的低壓輸送至所述吸收器(3)， 所述吸收器(3)設置成接收來自所述發生器(I)的液態的所述第一流體(Fl)和來自所述蒸發器(2)的處於汽化的氣態的所述第二流體(F2)，以通過液態的所述第一流體(Fl)吸收汽化的所述第二流體(F2)，以便在將來自流體的熱量傳遞至所述封閉的隔室(9)的外部的同時得到易混溶的所述第一流體和所述第二流體的液體，並且向所述發生器(I)提供液態的所述第一流體(Fl)和所述第二流體(F2)，以及 泵(15)，所述泵(15)用於增加由所述吸收器(3)提供至所述發生器(I)的所述第一流體(Fl)和所述第二流體(F2)的壓力。
2.根據權利要求1所述的冷卻設備，其特徵在於，所述第一電氣部件(5)包括具有比所述第二電氣部件(6)高的熱損耗的電氣部件。
3.根據權利要求1所述的冷卻設備，其特徵在於，所述第一電氣部件(5)包括高功率電子裝置，並且所述第二電氣部件(6)包括無源電氣部件。
4.根據權利要求1所述的冷卻設備，其特徵在於，所述冷卻設備包括熱交換器(12)，所述熱交換器(12)具有第一流體通道(13)和第二流體通道(14)，所述第一流體通道(13)用於將來自所述吸收器(3)的所述第一流體(Fl)和所述第二流體(F2)輸送至所述發生器(I)，所述第二流體通道(14)用於將來自所述發生器(I)的所述第一流體(Fl)輸送至所述吸收 器⑶。
【文檔編號】H05K7/20GK103997875SQ201410052121
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年2月14日 優先權日:2013年2月15日
【發明者】布魯諾·阿戈斯蒂尼, 弗朗切斯科·阿戈斯蒂尼, 海基·埃洛馬, 亞裡·松德林, 馬蒂厄·哈貝特 申請人:Abb研究有限公司