用於低流率冷卻系統的空氣分離器的製作方法

2023-09-13 19:16:25 1

專利名稱：用於低流率冷卻系統的空氣分離器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種低流率冷卻系統，這種類型的低流率冷卻系統用 於在機動車輛中冷卻電子裝置，例如與混合機動車輛和燃料電池相關 的那些電子裝置。更具體地說，本發明涉及低流率冷卻系統的一種空 氣分離器，用來從冷卻劑液體中移除氣泡。發明背景如

圖1所示，低流率冷卻系統10包括冷卻劑管道12，藉此液體 冷卻劑流過主熱交換器並且冷卻劑中的熱量在此與空氣交換，並且借 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的、並聯的、或者串並聯的形式。冷卻劑 流過具有可移除的蓋子20的冷卻劑容器(或穩壓罐)18，在此進行填充 並且空氣能夠逸出。由電動機24提供動力的泵22(結合起來，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10獨立於內燃機冷卻劑 系統30、變速器冷卻劑系統40和空氣調節系統50而運行。所謂"低 流率"的意思是，冷卻劑流過管道的速度比應用於內燃機冷卻劑系統 30的慢得多，例如為約5到20公升每秒(51pm至201pm)。應用了低流率冷卻系統的機動車輛包括混合才幾動車輛和燃料電 池機動車輛。混合才幾動車輛利用補充內燃機的電氣部件，例如功率變 換器和/或電力拖動電機和其它電氣部件。問題在於，這些電氣部件產 生的熱量必須得以消散以運行在預定的參數上。同樣，作為需要，低 流率冷卻劑系統用於提供消散熱量。燃料電池機動車輛還可以利用低 流率冷卻系統，以用於其電子部件，也即冷卻功率變換器、電力拖動電機等。低流率冷卻劑系統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運行得很好，但仍需要謹慎注意幾個操作 上的問題。第一個問題涉及在服務填充(service fill)後從冷卻劑中分離 和去除氣泡，因為冷卻劑流速低，所以這比較困難。氣泡的去除可能 使在系統內利用排氣閥的步驟變得複雜，可能需要很長時間來完成， 也就是說，要求若干次系統循環，或者在一些情況下並不可行。另一 個問題在於，低流率冷卻系統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，吸入側系統壓差是達到最大 的泵升壓容量的關鍵。另一個問題在於，當機動車輛開動時，沿垂直 方向、前後向和左右向的車輛運動能夠引起冷卻劑容器系統內的冷卻 劑的攪拌。冷卻劑流經在低流率冷卻系統的冷卻劑容器的產生的這種 攪拌能夠導致氣泡的產生，這樣會引入空氣到冷卻劑中。^(氐流率冷卻 系統的另 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生了熱量轉移的屏障。另 一個問題在 於，多通道的低流率冷卻系統需要中央返回通道。還有一個問題在於， 低流率冷卻劑泵可能會引入少量空氣，這會妨礙冷卻系統的正常運 行，從而使將要通過系統冷卻的部件產生熱應力或使其發生故障。本技術領域所需要的是用於低流率冷卻劑系統的這樣一種空氣 分離器，它可以促進冷卻劑系統的運行並有效地去除氣泡，這樣就成 功地解決上述的每一個問題。發明概述本發明涉及一種用於低流率冷卻劑系統的空氣分離器，其促進冷 卻劑系統的運行並有效地從液體冷卻劑中去除氣泡，從而解決與這樣 的系統相關的主要問題。根據本發明的空氣分離器是封閉的罐，其具有底壁、相對於底壁 處於(從重力方向上)較高位置的頂壁、和位於它們之間並密封地與它 們連接的側壁，其中側壁可以優選地構造成圓柱形。至少一個冷卻劑 入口設置在側壁上、優選地在頂壁附近，泵出口設置在底壁上，而冷卻劑容器出口設置在頂壁上。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的冷卻劑容器上， 其中冷卻劑容器在相對於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的冷 卻劑泵的入口 。在運行中，冷卻劑從一個或多個冷卻劑入口流進罐內，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 的在罐內的停留時間。該停留時間足以允許氣泡向上移動至頂壁，於 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 的填充蓋從系統中常規地移除到大氣中。根據本發明的空氣分離器解決了與低流率冷卻劑系統相關的每 個問題，這將在下文表述。空氣分離器為從冷卻劑中分離空氣提供時間和空間。空氣分離器 和低流率冷卻迴路的冷卻劑通道的適當的一體化免除了額外的系統 硬體(例如排氣閥)需求，並且簡化了服務填充程序。空氣分離器利用壓降幅度低的裝置，其在集成到低流率冷卻系統 中時，通過在泵的入口側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。空氣分離器定位於與冷卻劑容器的豎直距離較遠的地方，由此在 冷卻劑容器中攪拌著的冷卻劑(在其上方)和在空氣分離器內的冷卻劑 (其被吸入到電動冷卻劑泵入口內)之間形成豎直的流體分離。流式工作檯的改進方案顯示了空氣分離器對從冷卻劑迴路中去 除氣泡是非常有效的，從而增加了系統內的熱量轉移效果。在多通道低流率冷卻系統內，空氣分離器為每個冷卻劑迴路都提 供了中央回程連接處，藉此空氣分離器接合點作為中央回程點而起作 用，並用作有效的分配點在運行電動冷卻劑泵(一個或多個)之前填充 多重冷卻劑迴路。因此，本發明的目的是為低流率冷卻劑系統提供空氣分離器，其 可以促進冷卻劑系統的運行並有效地從冷卻劑中去除氣泡，從而解決 與此系統相關的主要問題。通過下文對優選實施例的說明可以明確本發明的這個目的，以及 其它目的、特徵和優點。附圖簡述圖1是常規的、現有技術的低流率冷卻劑系統的示意圖，其中還 顯示了機動車輛的變速器、空調和內燃機冷卻劑系統。圖2是包括了根據本發明的空氣分離器的低流率冷卻劑系統的示 意圖。圖3A是根據本發明的空氣分離器的第 一優選實施例的透視圖。 圖3B是根據本發明的空氣分離器的第二優選實施例的透視圖。 圖4是包括了根據本發明的空氣分離器的低流率冷卻劑系統的透 視圖。圖5是低流率冷卻劑系統的壓降分布曲線圖，其中比較了在其包 括和不包括根據本發明的空氣分離器的情況下，電動泵的升壓曲線。優選實施例詳述現在參考附圖，圖2至圖4描述了結合了根據本發明的空氣分離 器的低流率冷卻劑系統的多種構造方面和功能方面，該系統適合用於 機動車輛。首先參考圖2，低流率冷卻系統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行交換，並且通過管道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、並聯或串並聯的)， 或通過一個或多個第二低流率冷卻劑迴路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。冷卻劑流過根據本發明的空氣分離器 200、 200，，其具有冷卻劑容器管道108,該冷卻劑容器管道108連接 至位於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,在此進行填充而空氣能夠以常規的方法從蓋子逸出。由電 動機118驅動的泵114(結合之後，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)的範圍內。典型地，冷卻劑管道102、 102，的內徑優選地約 為19mm,並可以是管子或者柔性軟管的形式；並且其中用於互連到 冷卻劑管道的裝置優選地具有17mm的最小內徑。如圖4所示，可以 存在以串聯形式連接的兩個電動泵116a、 116b。管道優選地在空氣分 離器和電動泵之間是直線的，另外當使用雙重電動泵時在電動泵之間 也是直線的。如圖3A所示，根據本發明的空氣分離器200的笫一實施例包括 封閉的罐202，其具有底壁204、相對於底壁處於在重力方向上較高 位置的頂壁206、和位於它們之間並封閉地連接到頂壁和底壁的側壁 208。側壁208優選地構造成圓柱形。冷卻劑入口 21(H殳置在側壁208 上，泵出口 212位於底壁204上，而冷卻劑容器出口 214位於頂壁206 上。冷卻劑入口 210連接至側壁(一般地優選地在頂壁206附近)，並 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 冷卻劑容器相對於罐202處於(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) 低流率冷卻劑系統的電動泵116的入口 。運行中，冷卻劑C從冷卻劑入口 210流進罐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,於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100中常規地通 過其填充蓋112而去除。舉例來說，罐202內的冷卻劑的停留時間優選地取1.2s,而此處 冷卻劑是(例如)水和防凍液的50/50混合劑。對於圓柱側壁208,高度 h可以設定成近似地等於直徑d,在這種情況下，罐的內部容積V通 過公式V=7u(d/2)2h限定，其中流率為10公升每分鐘，並且如果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量級。圖3B顯示了根據本發明的空氣分離器200，的笫二實施例，其中 與圖3A中空氣分離器200的第一實施例相似的部分具有相似的數字 標號。現在罐202，具有約兩倍於高度h，的直徑d，。可選的第二冷卻劑 入口 210a位於側壁208，上、 一般優選地靠近頂壁，並且經冷卻劑管 道102'(見圖2)連接到並聯的第二低流率冷卻劑迴路IOO，(見圖2)上(其 共享空氣分離器200')。舉例來說，罐202，內的冷卻劑的停留時間優選地為約1.2s,而此 處冷卻劑是(例如)水和防凍液的50/50混合劑。對於圓;f主側壁208，， 高度h，可以近似地等於直徑d，的一半，在這種情況下，罐的內部容積 V，通過公式V^7i(d72)V限定，其中流率為20公升每分鐘，並且如果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量級。圖5顯示了低流率冷卻劑系統在包括和不包括根據本發明的空氣 分離器的情況下的壓降分布圖300。曲線310描繪了用於低流率冷卻劑系統所有部件的壓降與流率的 函數關係圖。曲線312描繪了電動泵的升壓與流率的函數關係，其中 低流率冷卻劑系統內不包括空氣分離器。曲線314描繪了電動泵壓頭 的升壓與流率的函數關係圖，其中低流率冷卻劑系統內包括根據本發 明的空氣分離器。值得注意的是，通過在低流率冷卻劑系統100內利 用空氣分離器200,交叉點312，和交叉點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明範圍的情況下進行， 而該範圍僅僅由所附的權力要求的範圍限定。
權利要求
1、一種改進了的低流率冷卻劑系統，其包括熱交換器；至少一個電動泵；至少一個發熱部件；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，通過所述管道流經所述熱交換器並且從所述至少一個發熱部件中移除熱量，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於所述罐，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定的量，使得所述罐內的冷卻劑在所述罐內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的氣泡向所述冷卻劑容器出口移動並且隨後繼續移動到所述冷卻劑容器。
2、 根據權利要求1所述的改進了的低流率冷卻劑系統，其特徵 在於，所述冷卻劑在所述罐內的所述停留時間基本上在1秒到2秒之 間。
3、 根據權利要求1所述的改進了的低流率冷卻劑系統，其特徵在於，冷卻劑在所述罐內的流動基本上比冷卻劑經過所述管道的流動 慢一個數量級。
4、 根據權利要求3所述的改進了的低流率冷卻劑系統，其特徵 在於，所述冷卻劑在所述罐內的所述停留時間基本上在1秒到2秒之 間。
5、 根據權利要求1所述的改進了的低流率冷卻劑系統，其特徵 在於，所述低流率冷卻劑系統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的管道而連接至各自相應的附加的低流率冷卻 劑迴路上。
6、 根據權利要求5所述的改進了的低流率冷卻劑系統，其特徵 在於，所述冷卻劑在所迷罐內的所述停留時間基本上在1秒到2秒之 間。
7、 根據權利要求5所述的改進了的低流率冷卻劑系統，其特徵 在於，冷卻劑在所述罐內的流動基本上比冷卻劑經過所述管道的流動 慢一個數量級。
8、 根據權利要求7所述的改進了的低流率冷卻劑系統，其特徵 在於，所述冷卻劑在所述罐內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，其包括熱交換器；至少一個電動泵； 至少一個發熱部件；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 過所述管道流經所述熱交換器並且從所述至少一個發熱部件中移除 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，其設置成在重力方向上低於所述頂壁；側壁，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，其連接到所述側壁上、基本上與所 述頂壁相鄰，並且通過所述管道連接到所述至少一個發熱部件 上；泵出口，其連接到所述底壁上，並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，並且通過所述管 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於所述罐，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定的量， 使得所述罐內的冷卻劑在所述罐內部具有 一 定的停留時間而所述停 留時間允許所述冷卻劑內的氣泡向所述冷卻劑容器出口移動並且隨 後繼續移動到所述冷卻劑容器。
10、 根據權利要求9所述的低流率冷卻劑系統，其特徵在於，所 述冷卻劑在所述罐內的所述停留時間基本上在1秒到2秒之間。
11、 根據權利要求9所述的低流率冷卻劑系統，其特徵在於，冷 卻劑在所述罐內的流動基本上比冷卻劑經過所述管道的流動慢一個 數量級。
12、 根據權利要求11所述的低流率冷卻劑系統，其特徵在於， 所述冷卻劑在所述罐內的所述停留時間基本上在1秒到2秒之間。
13、 根據權利要求9所述的低流率冷卻劑系統，其特徵在於，所 述低流率冷卻劑系統還包括至少一個附加的流率冷卻劑迴路，而所述 空氣分離器還包括至少一個附加的連接至所述側壁的冷卻劑入口 ，其 通過所述低流率冷卻劑系統的管道連接到各自相應的附加的低流率 冷卻劑迴路上。
14、 根據權利要求13所述的低流率冷卻劑系統，其特徵在於， 所述冷卻劑在所述罐內的所述停留時間基本上在1秒到2秒之間。
15、 根據權利要求13所述的低流率冷卻劑系統，其特徵在於， 冷卻劑在所述罐內的流動基本上比冷卻劑經過所述管道的流動慢一 個數量級。
16、 根據權利要求15所述的低流率冷卻劑系統，其特徵在於， 所述冷卻劑在所述罐內的所述停留時間基本上在1秒到2秒之間。
全文摘要
一種用於低流率冷卻劑系統的空氣分離器，其從液體冷卻劑中移除空氣。空氣分離器是密封的罐，其具有底壁、相對於處於重力方向上的較高位置的頂壁、和密封在它們之間的側壁。冷卻劑入口在側壁上，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，該冷卻劑容器相對於罐處於重力方向上的較高位置。罐相對於管道系統的每單位長度截面積使得冷卻劑在罐內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 優先權日2007年2月13日
發明者G·M·克萊波爾, L·P·齊爾, M·D·內梅什, P·S·隆巴多 申請人:通用汽車環球科技運作公司