[发明专利]两相冷却回路

说明书

技术领域

本发明涉及特别地用于冷却电力电子装置和电力电气装置中的至少一种的两相冷却回路，以及包括这种冷却回路的电力模块。

背景技术

电力电子装置目前达到了可能会由于散热而造成冷却问题的性能。近年来，这种装置(如切换元件或类似元件)的功率有所增加，而所散发的热量也随之增加。两相冷却回路对于冷却这种电子装置是有效的。由待冷却并与冷却回路接触的电力装置所发出的热加热液体直到该液体到达其沸腾温度。在蒸发期间液体温度是恒定的，从而限制了待冷却的装置可达到的最大温度。

冷却回路自身包括蒸发器和在闭合回路中连接至其上的冷凝器。在蒸发器中设有与发热装置处于热接触的储液器。蒸发器的截面足够大以构成储液器或池。装置的热致使液体沸腾且因此产生蒸汽并且蒸汽自蒸发器传送至冷凝器。在冷凝器内该蒸汽被再次冷却以降到沸腾温度以下。因此，另一相变发生且蒸汽冷凝以再次变成液体。之后，液体被反馈到蒸发器并再次储存于储液器内。根据上述原理工作的冷却回路(例如)在US 5,195,577中进行了阐述。

这种冷却回路的一个问题在于所述蒸发器通常同时也用作如上所述的储液器。这通过构造用作储液器的蒸发器内部容积而实现。同时使该储液器与发热装置发生热接触。当热量传递到液体时，因此发生池沸腾。这种池沸腾的问题在于这种蒸发器的热传递性能较差，蒸发器相当庞大，冷却回路需要较大的流体存量，且冷却回路在高压条件下难以做到防泄漏。

曾试图通过利用多个小直径的管状通道来构造(例如)蒸发器来减小蒸发器的直径以克服这个缺点。当这些通道的直径低于由所用液体的类型限定的临界值时，原理自“池沸腾”变成“对流沸腾”或“流动沸腾”。当发生流动沸腾或对流沸腾时，在蒸发器的出口侧给出气相或汽相与液相的混合物。这种对流沸腾改进了蒸发器的性能。但另一方面这种对流沸腾具有以下缺点：如果为冷凝器馈送气相与液相的混合物，那么冷凝器的性能会以不利的方式受到影响。因此，为了不损失冷却回路的总体性能，需要为冷凝器提供纯汽相。

发明内容

因此，本发明的一个目的在于改进两相冷却回路的总体性能。

根据本发明，通过根据独立权利要求的特征的包括蒸发器和与之连接的冷凝器的两相冷却回路以及通过包括至少一个这样的冷却回路的电力模块来解决这个问题。

用语“电力模块”在下文应被理解为包括热连接到根据本发明的至少一个冷却回路的至少一个电力电子和/或电力电气装置的组件。此外，用语电力电子和/或电力电气装置以及发热装置在下文中以可互换的方式使用。

独创性的冷却回路的蒸发器和冷凝器由馈送管线和第一返回管线流体地连接(以流体可在其间流动的方式连接)(fluidly connected)。根据本发明，相分离器件布置于冷凝器的入口侧处。该相分离器件由第二返回管线连接到蒸发器。

根据本发明的第一方面，独创性的两相冷却回路包括在闭环中由馈送管线且由第一返回管线连接到彼此上的蒸发器和冷凝器。更具体而言，馈送管线使所述蒸发器的上端与冷凝器的入口侧流体地连接，而第一返回管线使冷凝器的下端与蒸发器的下端流体地连接。在独创性冷却回路的运行中，蒸发器至少部分地允许对流沸腾。蒸发器可至少热连接到发热装置。冷凝器的下端布置成至少处于所述蒸发器(2)的上端所位于的第一高度水平。相分离器件在所述冷凝器的入口侧布置于馈送管线中并由第二返回管线流体地连接到蒸发器。

根据本发明，在混合物应用于冷凝器之前，使携带于蒸汽流中的液相与汽相分离。通过在较大程度上分离汽相与液相，向冷凝器馈送几乎纯的汽相是可行的，从而保持其性能处于高水平。另一方面，使用对流沸腾是可行的，从而提高蒸发器的性能。用语几乎纯的汽相应被理解为包含至少70质量百分比蒸汽的汽相。相分离器件布置于接近冷凝器的入口侧以便不劣化蒸发器的性能。如果(例如)分离器件直接位于蒸发器的出口，可能会降低蒸发器的性能。但是，根据本发明，汽相与液相的混合物在首先离开蒸发器后被传递到冷凝器的入口区。此处，将蒸汽馈送到相分离器件，之后几乎纯的汽相被冷凝而不会过度地影响蒸发器的性能。