用于牵引变流器的热交换器 |
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| 申请号 | CN201310104515.1 | 申请日 | 2013-03-28 | 公开(公告)号 | CN103363818B | 公开(公告)日 | 2017-08-08 |
| 申请人 | ABB研究有限公司; | 发明人 | T.格拉丁格; B.阿戈斯蒂尼; M.默克; | ||||
| 摘要 | 本 申请 涉及一种 热交换器 ，其中包括具有第一 蒸发 器 通道和第一 冷凝器 通道的第一热交换器模 块 。第一 蒸发器 通道和第一冷凝器通道设置在第一 导管 中。第一蒸发器通道和第一冷凝器通道通过第一上部分配 歧管 和第一下部分配歧管以 流体 方式相互连接，使得第一蒸发器通道和第一冷凝器通道形成 工作流体 的第一环路。第一热交换器模块包括：用于将热量传递到第一蒸发器通道中的第一蒸发器热量传递元件；以及用于从第一冷凝器通道中传出热量的第一冷凝器热量传递元件。热交换器还包括第二热交换器模块，该第二热交换器模块通过流体连接元件耦合到第一热交换器模块以用于在第一热交换器模块与第二热交换器模块之间交换工作流体。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种热交换器(1)，包括具有第一蒸发器通道(120)和第一冷凝器通道(130)的第一热交换器模块(10)；其中所述第一蒸发器通道(120)和所述第一冷凝器通道(130)设置在第一导管(11)中，并且其中所述第一蒸发器通道(120)和所述第一冷凝器通道(130)通过第一上部分配歧管(30)和第一下部分配歧管(33)以流体方式相互连接，使得所述第一蒸发器通道(120)和所述第一冷凝器通道(130)形成工作流体的第一环路；所述第一热交换器模块(10)还包括：用于将热量传递到所述第一蒸发器通道(120)中的第一蒸发器热量传递元件(28)；以及用于从所述第一冷凝器通道(130)中传出热量的第一冷凝器热量传递元件(29)； |
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| 说明书全文 | 用于牵引变流器的热交换器技术领域[0001] 一般来说，本发明涉及热交换器。具体来说，本发明涉及能够用于牵引变流器中的热交换器以及牵引变流器。 背景技术[0002] 现代车辆和火车采用需要电能转换器的驱动系统来加电。存在要求低成本、有效且可靠的变流器的竞争市场。在典型系统中，诸如分立或集成(即，模块类型)半导体器件、电感器、电阻器、电容器和铜汇流条之类的功率电子组件组装成非常接近。在操作期间，这些组件耗散变化数量的热量。另外，这些组件容许变化等级的温度。温度条件根据变流器用于世界的哪一个区域而有所不同。除了系统的电性能之外，驱动系统的热管理和集成概念还必须考虑湿度和其它因素。 [0003] 现代火车的设计要求能够设置在火车顶上或地板下面(例如在地板下变流器)中的解决方案。半导体组件和功率电阻器是牵引变流器的值得一提的热源。它们通常采用板式安装(plate-mount)设计来构建，以便用螺栓固定或按压到保持在适当低的、比如说寒冷温度的扁平表面上。通过风扇吹动空气来冷却的铝散热器和抽水冷却的冷板是这类热交换表面的典型示例。诸如电感器、电容器和PCB电路元件之类的其它组件通常通过气流来冷却。 [0004] 用于实现高程度环境保护的一种可能性是将包括半导体组件的关键电路设置在受保护外壳中。但是，在这些组件得到更高程度保护的情况下，热量的去除变得更为复杂。 [0005] 由电子产品提供的环境保护的程度通常根据其“进入防护(IP)等级(Ingress Protection (IP) Rating)”来表示。许多驱动产品以IP20或IP21作为标准来提供，其中IP54或更高防护等级作为可选来提供。对于较低IP等级，有可能设计用于外部空气在驱动外壳中的通流，同时仍然提供充分保护。空气过滤器可用于减少空气中的颗粒。外壳壁上的朝下通风口防止垂直水滴进入。但是，对于较高IP等级，驱动外壳的外部空气与内部空气的分隔成为必不可少的。对于例如IP65或者甚至更高的最高保护水平，防水外壳可能变成必要的。 [0006] 空气-空气热交换器常用于高IP等级外壳中，以便将热量耗散到周围环境，同时完全分隔室内部和外部空气容积。热管和热电冷却元件也用于这类装置中。 [0007] EP2031332示出使用空气冷却的热交换器。EP2031332中公开的装置是用于牵引变流器的热虹吸热交换器。但是，所公开系统所提供的进入防护仍然受到限制。此外，存在对于冷却火车的电源模块的热源的更紧凑并且更有效系统的需要。 发明内容[0008] 因此，本发明的一个目的是提供具有提供高程度进入防护的可能性的一种更有效或者更紧凑的热交换器和牵引变流器。 [0010] 按照本文所公开的基本实施例的一个方面，提供一种热交换器，所述热交换器包括具有第一蒸发器通道和第一冷凝器通道的第一热交换器模块，其中第一蒸发器通道和第一冷凝器通道设置在第一导管中。此外，第一蒸发器通道和第一冷凝器通道通过第一上部分配歧管和第一下部分配歧管以流体方式相互连接，使得第一蒸发器通道和第一冷凝器通道形成工作流体的第一环路。第一热交换器模块还包括用于将热量传递到第一蒸发器通道中的第一蒸发器热量传递元件以及用于从第一冷凝器通道中传出热量的第一冷凝器热量传递元件，其中热交换器包括第二热交换器模块，该第二热交换器模块通过流体连接耦合到第一热交换器模块以用于在第一热交换器模块与第二热交换器模块之间交换工作流体。 [0011] 如果导管相对于地球的重力来定向成使得工作流体移动由重力来驱动，则本文所公开的示范热交换器允许使用两相热量传递原理，以便有效地去除输入热量，而无需泵吸单元。这引起成本降低和可靠性提高。无泵系统是优选的，这是因为泵易于磨损，从而引起维护。使用热虹吸类型的热交换器原理，其中通过对第一热交换器模块添加第二热交换器模块来增加冷却性能和紧凑性。这些热交换器模块经耦合以用于这些热交换器模块之间的热量传递。由此，能够在这些模块之间平衡不同的加热或冷却条件，其中实现更好的总体性能。 [0012] 在示范实施例中，第二热交换器模块包括第二蒸发器通道和第二冷凝器通道；其中第二蒸发器通道和第二冷凝器通道设置在第二导管中。第二蒸发器通道和第二冷凝器通道通过第二上部分配歧管和第二下部分配歧管以流体方式相互连接，使得第二蒸发器通道和第二冷凝器通道形成工作流体的第二环路。 [0013] 在示范实施例中，这些热交换器模块具有单独壳体或者具有单独导管。通常，第一热交换器模块和第二热交换器模块中的每个热交换器模块适合于独立操作，特别是在它未连接到这些热交换器模块中的另一个热交换器模块的情况下。用其它术语来表示，本发明热交换器包括至少两个热交换器模块，所述至少两个热交换器模块在热交换器模块的操作状态(即，当热源正向工作流体馈送热负荷时，并且所述热负荷此后在冷凝器段中释放的情况下，使得在蒸发器段被蒸发的流体在冷凝器段中经过液化，并且反馈给蒸发器段，其中该循环重新开始)下基本上是可相互独立操作的。 [0014] 本发明热交换器的示范实施例包括均适合于独立操作的第一热交换器模块和第二热交换器模块。基本实施例使用至少基本上相同的热交换器模块作为第一热交换器模块和第二热交换器模块。在一个基本示范实施例中，第二热交换器模块包括本文中对于第一热交换器模块所述的零件。具体来说，两个热交换器模块均包括本文中描述为对于交换器模块是典型的零件。由此，可通过使用标准零部件来降低成本。对于需要较少冷却的冷却状况，适合于独立操作的热交换器模块也可作为单个热交换器来销售。因此，仅通过少数部件，可覆盖广泛的应用范围。 [0015] 本文所述的热交换器和牵引变流器能够用于冷却电路组件，具体来说用于冷却尤其是例如火车或汽车等的电动车辆的低电压AC驱动系统。通过分隔多端口导管的单独通道中的上游和下游流体流(fluid streams)，这些热交换器模块能够用作环热虹吸配置。不同数量和大小的通道能够用于上行流和下行流，以便优化这些热交换器模块中的沸腾和冷凝性能。 [0016] 结合第一热交换器模块所述的零件类似地适用于第二热交换器模块。但是，上游通道和下游通道的数量或者热交换器模块的尺寸可以是不同的。在基本实施例中，使用具有相同尺寸的热交换器模块。由此，使模块的机械耦合变得简单。 [0017] 在一个示范实施例中，蒸发器热量传递元件包括安装元件，安装元件具有用于安装热发生器的安装表面以及接触表面，接触表面用于建立到与蒸发器通道关联的导管的外壁的一部分的热接触。本文中，术语“蒸发器热量传递元件”用于第一蒸发器热量传递元件、第二蒸发器热量传递元件、它们两者或者所有蒸发器热量传递元件。 [0018] 在典型实施例中，第一蒸发器通道和第一冷凝器通道在第一导管中平行配向。通过平行配向这些通道，实现紧凑交换器模块。本文所述的实施例可提供相比对应冷凝器通道之一具有更大总截面面积的蒸发器通道。如果导管是多端口导管、例如具有各通过导管内壁相互分隔的多个纵向子通道的挤压成形铝型材(这类导管又称作MPE型材)，则比形成冷凝器的子通道要多的子通道可用于形成蒸发器。但是，例如通常存在比多端口型材中分配的蒸发器子通道要多的冷凝器子通道。由此，这些热交换器模块可适合于不同热条件。 [0019] 如果将实现用于释放在蒸发器部分接纳的工作流体的热负荷的有效热量传递，则在第一冷凝器热量传递元件和/或第二冷凝器热量传递元件包括设置在导管的外壁的一部分上以用于增加冷凝器的总外表面的冷却肋片时是有利的。这些冷却肋片仅存在于与冷凝器通道关联的导管的外壁的一部分上，使得从工作流体到环境的有效热量传递是可实现的。在与蒸发器通道关联的导管的外壁上具有肋片被看作是不利的，因为它可能促进已经在向上通往上部分配歧管的途中的工作流体的冷凝，从而导致次优热性能。因此，热交换器的冷凝器部分的区域中的蒸发器通道部分只用作用于使来自蒸发器部分的蒸汽通向上部分配歧管 – 理想情况下没有引起蒸汽冷凝 – 的升气管。 [0020] 在以下说明书和权利要求书中，术语“第一蒸发器通道”、“第一冷凝器通道”、“第二蒸发器通道”和“第二冷凝器通道”在冷却性能要求分别包括多于一个通道的情况下可分别包括多于一个通道。在基本实施例中，第一热交换器模块的零件类似地存在于第二热交换器模块处。热交换器的一个示范实施例包括第一导管，该第一导管包括多个第一蒸发器通道和多个第一冷凝器通道。热交换器的另一个示范实施例包括另一导管、例如第二导管，所述另一导管也包括多个第二蒸发器通道和多个第二冷凝器通道。 [0021] 在示范实施例中，第二热交换器模块的相应导管和通道与第一热交换器模块的导管和通道相似地设置。在一个示范实施例中，这些热交换器模块中的每个热交换器模块包括多个导管。在示范实施例中，热交换器模块的导管以平行的数排设置。在热交换器模块的背靠背布置中，相应热交换器模块的导管与相应蒸发通道和冷凝器通道镜像对称地设置。在一个示范实施例中，当在第一冷凝器通道和第二冷凝器通道和第一蒸发器通道投影到的虚拟平面中来看时，第二冷凝器通道设置成关于第一冷凝器通道与第一蒸发器通道相对。 [0022] 实施例包括其中第一冷凝器通道和第二冷凝器通道设置在第一蒸发器通道与第二蒸发器通道之间的布置。通过这些布置，提供紧凑热交换器。 [0023] 通过将第一热交换器模块和第二热交换器模块平行地设置在至少基本上竖直的位置，可实现良好的热效率。在这个上下文中，“基本上”表示相对于垂直方向具有10°或5°的最大倾斜的典型位置。平行布置有助于实现紧凑构造。在一个基本实施例中，热交换器模块设置成使得这些热交换器模块的相应导管平行地配向。在示范实施例中，这些热交换器模块背靠背地设置。通过这样做，可建立热交换器模块之间的热接触。优选地，交换器模块的“背”表示与设置热交换器模块的蒸发器热量传递元件的一侧相对的一侧。在一个示范实施例中，蒸发器热量传递元件设置在导管与热源之间以用于将热量从热源传递给导管。电源模块的热源可由电路的组件(例如像IGBT、晶闸管、功率电阻器等的半导体元件或者在操作期间产生热量的其它电组件)来形成。 [0024] 示范实施例包括具有底板的安装元件，其中底板具有用于安装热发生器的平坦安装表面。与平坦安装表面相对，接触表面可设置在底板上，接触表面具有与导管的外壁的一部分的大小和形状匹配的至少一个沟槽，以便与其进行热和机械连接。因此，交换器模块设计成有效地将平板安装组件所生成的热量排放到例如周围空气，同时还允许分隔系统外壳内部和外部的空气容积。扁平管的平坦外侧壁优选地可定向成与底板的平坦安装表面垂直。在实施例中，安装元件包括安装表面上的至少一个安装孔或者至少一个安装槽。在实施例中，导管是扁平多端口型材，其中包括各通过导管的内壁与相邻子通道以流体方式分隔的若干子通道，其中导管具有平坦外侧壁。这种导管提供对空气的高热量传递系数，其中具有空气流的小压降并且在紧凑尺寸中。 [0025] 在一个示范实施例中，第一上部分配歧管连接到第一导管的上部末端，而第二上部分配歧管连接到第二导管的上部末端，第一上部分配歧管和第二上部分配歧管通过上部流体连接来连接。本文所述的实施例包括连接到第一导管的下部末端的第一下部分配歧管以及连接到第二导管的下部末端的第二下部分配歧管，第一下部分配歧管和第二下部分配歧管通过下部流体连接来连接。术语“流体连接”应当被理解为包含多于一个流体连接。因此，术语“流体连接元件”包含上部流体连接元件和下部流体连接元件。 [0026] 在实施例中，这些分配歧管将蒸发通道与冷凝器通道相连接，从而闭合工作流体的环路。术语“上部”和“下部”表示导管中的通道方向，即，向上是蒸发工作流体的方向，而向下是冷凝工作流体的方向。 [0027] 通过在尚未耦合时耦合能够相互独立操作的至少两个热虹吸热交换器的分配歧管，建立热交换器模块之间的热交换。本发明的动机产生于热虹吸热交换器，其冷凝器部分相互之间以堆叠方式设置，使得热载体、例如空气可首先通过第一热交换器模块的冷凝器段以及此后通过第二热交换器的冷凝器。由于第一热交换器模块和第二热交换器模块的依次通过，热载体在通过第二热交换器模块之前已经接收了来自第一热交换器模块的第一热负荷。换句话说，在热载体为空气的一个实施例中，通过第二热交换器后空气的温度比通过第一热交换器模块之后要高，这是因为它已经由第一热交换器模块预先加热。一组堆叠热交换器模块的热状况使得与设置在热载体上游的热交换器模块相比，设置在热载体下游的热交换器模块具有工作流体或制冷剂的更高饱和温度。这引起下游热交换器模块的模块温度比上游热交换器模块要高。 [0028] 通过以流体方式连接这些热交换器模块，饱和压力并且因而模块温度在操作状态下在两个热交换器模块中是相同的。因此，经过这两个热交换器模块的冷凝器区的热载体的温度上升均匀地分布在两个热交换器模块之间。因此，甚至当不同的电组件和/或电子组件以热方式连接到不同热交换器模块时，新的热交换器也允许以热方式的有效冷却。 [0029] 因此，在一个理想实施例中，热交换器模块设置成使得交换器模块的一排多个导管与空气流垂直地配向。由此，该排中的每个导管受到至少接近相同的热条件的影响。在两个热交换器模块的背靠背布置中，第二热交换器模块的一排第二导管处于位于第一热交换器模块的一排第一导管后面的空气流的方向上。虽然第二热交换器模块的第二导管受到预加温热载体(例如空气)的影响，但是第二热交换器模块的所有第二导管都具有相似的热条件。通过经由流体连接元件来在这些热交换器模块之间建立工作流体的流体连接，可平衡这些热交换器模块之间的温差。 [0030] 正面副效应存在于：所述流体耦合允许在本发明热虹吸热交换器和电源模块的操作状态下补偿第一热交换器模块和第二热交换器模块处不同大小的热负荷。如果在一个热交换器模块的蒸发器要求更多工作流体处于其液态，则可由另一热交换器模块来提供，反过来也是一样。如果相比于热耦合到第二热交换器模块的热源第一热交换器模块的热源产生更多的蒸汽，则工作流体能够从第一热交换器模块传递到第二热交换器模块(在上部分配歧管中)，并且被冷却流体可从第二热交换器模块传递到第一热交换器模块(在下部分配歧管中)。因此，热交换器采用流体连接中的分配歧管更有效地工作。 [0031] 在示范实施例中，流体连接元件采用相应分配歧管中形成的至少一个孔来实现。实施例包括用于连接分配歧管的歧管连接器。歧管连接器可具有I形形状，其中具有用于在这些分配歧管之间交换工作流体的孔。由此实现机械稳定布置。 [0032] 在示范实施例中，流体连接元件包括用于连接上部分配歧管的上部连接管或者用于连接下部分配歧管的下部连接管。通过连接管，这两个热交换器模块的流体连接元件易于建立。 [0033] 在热交换器的一个示范实施例中，这些安装元件由铝或铜制成。此外，优选的是：这些导管由铝制成。具体来说，优选的是：使用铜焊铝(brazed aluminum)、例如汽车工业中常用的铜焊铝，以获得降低的制造成本、小尺寸和良好热力-水力性能。实施例适合于采用常用于汽车冷却工业中的热交换器核心组装件机器的自动化制造。可用系列生产设备的这种再使用降低成本。 [0034] 在实施例中，热交换器包括用于将第一环境与第二环境分隔的分隔元件，在此第一环境的温度比第二温度的温度要高。典型地，第一环境是包含例如电子组件或电装置等的热源的所谓洁净室，而第二环境是所谓的非洁净室(dirty room)。在非洁净室中，第一冷凝器热量传递元件和第二冷凝器热量传递元件设置用于将热量从导管中的工作流体传递到非洁净室中的外围流体。外围流体可以是空气或水。 [0035] 在一个示范实施例中，分隔元件包括密封板，其中密封板通过密封来耦合到第一热交换器模块和第二热交换器模块。具有密封的密封板通常提供IP64或以上(例如IP65或IP67)的进入防护，即，实施例的非洁净室甚至可充满水，也没有影响洁净室中的组件。由此提供极可靠变流器系统。在实施例中，外密封设置在密封板的周边。由此，洁净室可相对非洁净室完全密封。在示范实施例中，另一密封板设置在这些热交换器顶部。所述另一密封板可正好设置在这些分配歧管下方、设置在这些分配歧管周围或者正好设置在分配歧管上方。这些密封板例如为U形，以便提供用于密封的足够表面。在示范实施例中，这些密封板安装到热交换器，以用于提供能够易于更换的紧凑部件。 [0036] 本发明的示范实施例涉及高度小于700 mm、小于600 mm或者小于500 mm的热交换器。这类尺寸准许将本发明热交换器安装在火车或电车轨道或载人工具(people-mover)的顶上或者甚至在所述车辆的地板结构下面、例如在所谓的地板下电源转换器中。高度通常沿导管或者其通道的方向来测量。按照本发明的热交换器的一个示范实施例包括管道(duct)部分。所述管道部分能够形成用于为热载体开通道并引导热载体通过第一热交换器模块和第二热交换器模块的冷凝器部分的管道的一部分，其中与电源模块或热虹吸热交换器的管道部分相邻的其它管道部分设置在例如牵引变流器的总体结构等的更高实体中并且属于更高实体。取决于对电源模块的需求和要求，所述管道部分可以是在电源模块的操作状态下在所有方向上侧向界定热载体流动的隧道形状结构。 [0037] 备选地，电源模块的管道部分可以仅包括一个或多个分隔元件、例如上部管道壁和下部管道壁，而总体结构提供其余结构元件。在这种实施例中，仅当电源模块安装在总体结构内的其专用位置时，接近第一热交换器模块和第二热交换器模块的冷凝器部分的隧道形状管道才可存在。在这种示范实施例中，第一分隔元件设置在第一蒸发器热量传递元件和第二蒸发器热量传递元件之上，而第二分隔元件设置在第一冷凝器热量传递元件和第二冷凝器热量传递元件之下。 [0038] 测试已经证明：当沿其形状所限定的所述导管的纵向来看时，如果具有热量传递元件的蒸发器段设计成大约为第一和/或导管的冷凝器段的两倍长，则可实现热交换器的令人满意的实施例。因此，管道部分的高度将尽可能地匹配冷凝器段的大小。由于蒸发器尺寸通常由待冷却组件来给出，因此以那种方式紧凑热交换器和紧凑牵引变流器是可实现的。 [0039] 在一个示范实施例中，热交换器的组件通过在一次性烘炉铜焊过程中将其联接(join)在一起来制造。此外，热交换器的组件可在铜焊过程之前覆盖有铜焊合金，例如AlSi铜焊合金。在实施例中，在铜焊过程之前将焊剂施加到热交换器的组件，并且在非氧化气氛中进行该铜焊过程。 [0040] 在本发明的一个实施例中，除了安装元件之外的所有组件可在一次性烘炉铜焊过程中联接，并且将安装元件按压到这些导管的外壁上，它们之间具有热传导填缝材料。 [0041] 在所述实施例之一中，另一方面涉及具有热交换器的牵引变流器。这种牵引变流器会是紧凑、可靠并且有效的。最常见的是，牵引变流器包括非洁净室和洁净室。非洁净室和洁净室通常通过密封板或分隔元件来隔开。在非洁净室中，主要是风扇设置用于吹送空气通过热交换器模块。在非洁净室的进气口，颗粒过滤器通常设置用于阻止较大颗粒进入非洁净室。热交换器设置在颗粒过滤器与风扇之间，其中两个热交换器模块可一前一后设置在风扇在操作期间所产生的空气流中。 [0042] 牵引变流器的实施例包括具有朝一侧的开口的凹槽，其中热交换器可通过开口安装到凹槽中。这些热交换器模块通常背靠背地并且与其中使用牵引变流器的车辆的行进方向平行地设置。热交换器可从车辆一侧安装。由此，牵引变流器的快速且简易的更换是可能的。其它实施例使用热交换器的其它配向，例如垂直于行进方向。 [0044] 示范实施例在附图中示出，并且在以下描述中详细描述。附图包括： [0045] 图1以示意截面图示出热交换器的第一实施例； [0046] 图2以示意图示出图1所示实施例的细节； [0047] 图3以示意截面图示出热交换器的另一个实施例； [0048] 图4是示意截面图的牵引变流器的一个实施例； [0049] 图5示出图1或图3的实施例的示范热交换器模块； [0050] 图6以局部示意截面图示出图5的热交换器模块的细节；以及 [0051] 图7是热交换器的另一个实施例的示意截面图。 具体实施方式[0052] 附图中，相同参考标号表示相同或相似部件。 [0053] 图1以示意截面图示出热交换器1的第一实施例。该热交换器包括两个相同热交换器模块，即，背靠背设置的第一热交换器模块10和第二热交换器模块210。第一热交换器模块包括一排第一导管11，而第二热交换器模块包括一排第二导管211。每排的方向垂直于图1的投影平面。图1所示示范实施例的热交换器模块10、210的导管11、211机械地耦合、例如焊接在一起或者通过具有螺杆的凸缘来耦合。在导管11、211中，工作流体可被蒸发和冷凝。 蒸发在操作期间因热量从热源20传递到导管11、211而发生。 [0054] 为了将热量从热源20传递到导管11、211，第一蒸发器热量传递元件和第二蒸发器热量传递元件28、228设置在导管11、211的下部。导管11、211的下部还可表示为蒸发部件。在用作冷凝器区的导管11、211的上部，第一冷凝器热量传递元件和第二冷凝器热量传递元件29、229设置用于将热量从导管11、211的冷凝器部分传递到周围环境，例如像冷却空气流等的热载体44。第一冷凝器热量传递元件和第二冷凝器热量传递元件29、229由冷却肋片 29、229来形成，在沿Z方向来看时，冷却肋片29、229设置在热交换器模块10、210的相邻导管 11、211之间。热量传递元件29、229可由以热方式连接到导管11、211的Z字形金属条形成。热量传递元件29、229不应当在升气管(即，热量传递元件28、228之上的蒸发器通道)之上延伸(extend over)。第一热交换器模块10包括第一蒸发器通道120和第一冷凝器通道130，其中第一蒸发器通道120和第一冷凝器通道130设置在第一导管11中。存在多于一个导管11和更多通道120、130。但是，在图1的截面图中，仅示出一个导管，这是因为图1是在虚拟(截面)平面中通过热交换器1和电源模块100的简化截面图。第一蒸发器通道120和第一冷凝器通道 130形成工作流体的第一环路的重要部分。同样，第二热交换器模块210包括第二蒸发器通道320和第二冷凝器通道330，其中第二蒸发器通道320和第二冷凝器通道330设置在第二导管211中。第二蒸发器通道120和第二冷凝器通道130形成工作流体的第二环路的重要部分。 [0055] 图1是在虚拟平面中通过电源模块100的热交换器1的简化截面图。虽然第一冷凝器通道130和第二冷凝器通道330以及第一蒸发器通道120和第二蒸发器通道320在图1所示的虚拟平面视图中是可见的，但是，取决于实施例和环境，这些蒸发器通道120、320和冷凝器通道130、330可沿Z方向相对于彼此位移。因此，图1表示在第一冷凝器通道130、第二冷凝器通道330、第一蒸发器通道120和第二蒸发器通道320在Z方向上映射到的虚拟平面中通过电源模块100的热交换器1的截面图。 [0056] 具有热交换器模块的背靠背布置的实施例因这些模块之间的热平衡而为两个热交换器模块提供良好的热量传递。用于促进热交换器模块之间的热量传递的第一热交换器模块与第二热交换器模块的热耦合是可按照许多方式实现的，例如通过将分配歧管经由手段、例如经由焊接或螺杆连接机械地紧固到彼此，或者通过利用工作流体的流体连接元件来建立直接流体连接，或者通过机械耦合和液压耦合的组合。在热交换器模块之一不如另一个热交换器模块那么密集地被冷却或者热交换器模块之一的热源产生比另一个热交换器模块更多热量的情况下，这些实施例实现这些热交换器模块之间的热量传递，使得两个热交换器模块均可以利用有效条件进行操作。按常规，这些热交换器模块中的每个热交换器模块也可用作独立热交换器。 [0057] 图1的热交换器1包括第一上部分配歧管30、第二上部分配歧管230、第一下部分配歧管33和第二下部分配歧管233。这些分配歧管30、33、230、233安装到热交换器模块10、210的导管11、211的相应端。这些分配歧管30、33、230、233中的每个分配歧管与导管11、211利用其蒸发器和冷凝器通道120、130、320、330以流体方式连接。由此建立工作流体的第一环路和第二环路。上部分配歧管30、230连接用于在相应导管11、211的通道120、130、320、330的上部末端第一热交换器模块10与第二热交换器模块210之间的流体传递。下部分配歧管33、233连接用于在相应导管11、211的通道120、130、320、330的下部末端第一热交换器模块 10与第二热交换器模块210之间的流体传递。由此可平衡不同的热条件。在上部分配歧管 30、230之间，设置了具有连接孔42的歧管连接器40。具有连接孔42的另一个相同歧管连接器40设置在下部分配歧管33、233之间。歧管连接器40允许相应分配歧管30、33、230、233之间的流体传递。 [0058] 图2以示意图示出图1所示实施例的细节。图2的热交换器1的一些部分是与对于图1的热交换器所使用部分相同的部分。因此，不再详细描述所有这些部分。图2示出具有连接孔42的歧管连接器40。这些连接孔42与分配歧管30、33、230、233(图1)的外壁中的开口一致。通过这种布置，建立分配歧管30、33之间的上部流体连接以及分配歧管30、33、230、233之间的下部流体连接。 [0059] 图3以示意截面图示出热交换器的另一个实施例。参照对图1所示实施例的描述，这是因为图3所示实施例的一些部分对应于图1所示的相应部分。为了清楚起见，图3没有示出这些导管的通道。但是，图3所示的实施例的确包括蒸发器通道和冷凝器通道。 [0060] 图3所示的实施例包括通风管道48的纵向部分，其中界定通风管道48的水平延伸侧壁在下文中称作上部管道壁50以及下部管道壁52。下部管道壁52将第一环境(管道48外部，例如总体结构内部)与第二环境62(管道48内部)分隔。在主图3的左边所示的凸缘部分58的抽出段(draw-out section)以隐线型示出管道48的垂直延伸侧壁，其中例如图3左边的所抽取局部视图是从主图3右边来看时的电源模块100的局部视图。同时，所述凸缘部分 58包括：密封件64，例如嵌入适当沟槽中的无缝O型环密封件；以及适当连接部件59，例如螺栓孔，用于将通风管道48的纵向部分机械地紧固到相邻结构、例如电源转换器的总体结构，以及用于以流体方式将两个环境相互之间密封。 [0061] 在图3的局部截面图中看时，下部管道壁52正好设置在蒸发器部分之上、即第一蒸发器热量传递元件和第二蒸发器热量传递元件28、228之上且在第一冷凝器热量传递元件和第二冷凝器热量传递元件29、229之下。由此，下部管道壁52将第一蒸发器热量传递元件和第二蒸发器热量传递元件28、228附近的温暖环境(第一环境)与第一冷凝器热量传递元件和第二冷凝器热量传递元件29、229附近的寒冷环境(第二环境)分隔。术语“温暖”和“寒冷”表示相对值，即，温暖环境通常比寒冷环境更暖和。 [0062] 两个管道壁50、52在其横向端将形成凸缘58的部分时可具有U型形状。 [0063] 图4中，以示意截面图示出按照一个示范实施例的牵引变流器。图4的牵引变流器包括图3的热交换器1。因此，不再详细描述图3的热交换器1。 [0064] 牵引变流器包括洁净室60和非洁净室62。在洁净室60中，存在第一‘热’环境。热源20设置在洁净室60中。通过将热源20设置在洁净室60中，保护热源20的IGBT、功率电阻器或者其它电部件和电子部件不受非洁净室62中污垢和潮湿的影响，非洁净室62中存在第二‘冷’环境。水平延伸管道壁50、52由公共密封件64来密封。此外，管道48直接连接到热交换器模块10在其冷凝器区中的导管11。由此，实现65的IP，即，非洁净室62甚至可充满水，而没有影响洁净室60中的电子组件。 [0065] 其它所开发实施例可包括设置在管道壁之间、尤其是下部管道壁52与上部管道壁50以及这些热交换器模块的导管11、211之间的其它密封件。其它实施例在需要的情况下可包括密封板到导管的直接连接，例如焊接连接或胶合连接。 [0066] 与参照图3所示和所述的电源模块的实施例相似，图4所示的牵引变流器包括引导通风管道68通过其中的按照盒形样式的总体结构66。在按照简化局部截面方式所示的牵引变流器的这个示范实施例中，由上部盖76和下部盖70垂直地界定盒式总体结构66。电源模块100的管道部分48形成总体结构66的通风管道68的一部分，其中另一下部管道壁72和另一上部管道壁74形成图4中管道壁50、52的水平扩展。盖84形成总体结构66的前门或前面板。与管道部分48的凸缘58相似，总体结构66连同所述盖84一起形成另一密封区，以便针对变流器外部的任何恶劣环境、例如湿空气来密封具有其功率电子器件的牵引变流器的内部。实现这种进入防护，因为总体结构形成另一凸缘部分71。上部盖76和下部盖70在其横向端将形成凸缘58的部分时均可具有U型形式。同时，所述另一凸缘部分71还包括另一密封件64，例如嵌入适当沟槽中的无缝O型环密封件。 [0067] 在这个实施例中，具有热交换器1的电源模块100以抽屉式方式可插入牵引变流器的总体结构66中以及可从牵引变流器的总体结构66中抽出来。设置导向部件75以用于便于插入和抽取操作。取决于可用的空间以及电源模块的总质量，例如，所述导向部件能够由在金属型材中运行的滑动器系统来形成。尤其是如果第一热交换器模块和第二热交换器模块相互以背靠背方式来设置，其中诸如IGBT之类的功率电子器件以热和机械方式连接到这些热量传递元件，则这种导向部件75简化将电源模块100插入电源转换器以及从电源转换器中抽出电源模块100。取决于该实施例，电源模块还可包括母线部分，例如低电感汇流条等。 [0068] 现在将焦点放在热交换器1的冷却上，所述热交换器1垂直放置在下部盖70与上部盖76之间，下部盖70与上部盖76形成具有朝一侧的开口的凹槽。图4中，该凹槽朝右边开启，其中其它实施例包括具有朝左边的开口的镜像对称布置。由此，在需要时，在失灵或者维护的情况下，能够易于更换热交换器1。牵引变流器的内部容积是可接近的并且是可由盖84闭合的。盖84连接到管道壁，其中上部管道壁50和下部管道壁52在图4中示出。对盖84钻孔，以便形成用于外部冷空气的进气口，外部冷空气形成用于接收和去除热负荷的热载体。当盖84形成充当比更洁净室60要脏的室62的通风管道68的端面时，颗粒过滤器86安装在盖84中，以便允许空气进入该管道的非洁净室62。风扇88设置在非洁净室62中以用于建立通过热交换器模块10的冷凝器部分(即，导管11的其中设置了冷凝器热量传递元件29的部分)的连续空气流。通过比如说图4所示牵引变流器的热交换器1的500 mm高的垂直扩展，整个牵引变流器可设置在客车/货车的地板下面或者客车顶之上。 [0069] 由于在分配器歧管中具有流体连接的背靠背布置，实施例甚至对于位于空气流下游的交换器模块也具有高的热效率。设置在下游的交换器模块遇到比设置在上游的交换器模块要温暖的冷却空气。但是，来自上游交换器模块的下部分配歧管的液体工作流体可进入下游交换机模块的下部分配歧管，因而为下游交换器模块提供附加冷却。因此，两个热交换器模块均可采用适当条件进行工作，从而为这些电子组件提供适当冷却。 [0070] 现在参照图5来描述按照一个实施例的示范第一交换器模块10。实施例的第二交换器模块210与第一热交换器模块10相同。 [0071] 如图5所示，第一交换器模块10包括用于工作流体的多个导管11，它们各具有外壁112并且各具有内壁114(参见图7)以用于形成导管11中的第一蒸发器通道120和第一冷凝器通道130。此外，交换器模块10还包括用于将热量传递到第一蒸发器通道120中的第一蒸发器热量传递元件28以及用于从第一冷凝器通道130中传出热量的第一冷凝器热量传递元件29。第一导管11设置在垂直位置，但是至少45°(角度倾斜)的其它位置是可能的。第一蒸发器通道120和第一冷凝器通道130在第一导管11中平行配向。 [0072] 在图6所示的实施例中，第一蒸发器热量传递元件28包括安装元件，该安装元件具有用于安装热源、例如半导体功率单元等的安装表面160以及用于建立到第一导管11的与第一蒸发器通道120关联的外壁112的一部分的热接触的接触表面170。 [0073] 具体来说，在图6所示的实施例中，第一蒸发器热量传递元件28采取底板的形式，其中该底板具有用于安装热源的平坦安装表面160以及与该安装表面相对的接触表面170，接触表面170包括与第一导管11的外壁112相符合的沟槽175。换言之，沟槽175的成形和大小确定使得第一导管11紧密地契合。此外，第一冷凝器热量传递元件29包括设置在导管11的外壁112上的冷却肋片。用作第一上部分配歧管30和第一下部分配歧管33的两个前管连接到第一导管11的各端。在热源20耗散热量的情况下，工作流体在第一蒸发器通道120中上升到第一上部分配歧管30，并且从那里上升到第一冷凝器通道130，其中流体冷凝并且落到第一下部分配歧管33。 [0074] 在图6所示的实施例中，第一导管11采取具有长方形总截面的挤压成形的扁平多端口铝管的形式。由此，扁平管的平坦外侧壁与第一蒸发器热量传递元件28的平坦安装表面160垂直地定向。在典型实施例中，两个支承杆195也附连在该组装件的侧端，以便加固该组装件以及将冷却空气导向第一冷凝器热量传递元件29。第一蒸发器热量传递元件28包括用于安装电组件或电子组件的两个安装孔165。 [0075] 按照实施例，热交换器模块采用环热虹吸原理进行工作。该热交换器装有工作流体。能够使用任何制冷流体；一些示例是R134a、R245fa、R365mfc、R600a、二氧化碳、甲醇和氨。该交换器模块垂直地安装或者与垂直方向成小角度安装，使得这些冷凝器热量传递元件的肋片定位成比这些蒸发器热量传递元件要高。内部的流体量通常调整成使得液面不低于这些蒸发器热量传递元件的上部水平(upper level)。 [0076] 由电组件20所生成的热量通过导热性而移动到第一蒸发器热量传递元件28的具有通向第一导管11的前侧的沟槽175的底板部分。从图6能够看到，第一导管11中只有被沟槽175覆盖的段、即第一蒸发器通道120才接收热量。第一蒸发器通道120完全或部分填充有工作流体。第一蒸发器通道120中的流体因热量而蒸发，并且蒸汽在第一蒸发器通道120中上升。某个量的液体也在蒸汽流中被带走，并且将在第一蒸发器通道120中被上推。在第一蒸发器热量传递元件28的上部水平之上，第一导管11在两侧都具有作为第一冷凝器热量传递元件29的空气冷却肋片。 [0077] 安装到导管的肋片通常通过一般由冷却风扇或鼓风机(参见图4)所生成的对流空气流来冷却。还有可能使用自然对流。在自然对流的情况下，优选的是在与垂直方向所成角度增加的情况下来安装该系统。蒸发器通道内部的蒸汽和液体的混合物到达上部分配歧管，然后沿冷凝器通道向下流动。在经过冷凝器通道的同时，蒸汽又冷凝成液体，这是因为这些通道向肋片传递热量。液体冷凝物向下流动到下部分配歧管，并且回流到蒸发器通道中，从而闭合该环路。如同所有热虹吸类型的装置一样，优选地排空(即，排放)内部的所有空气(以及其它非冷凝气体)，并且该系统部分填充有(即，装有)工作流体。因此，排放和装填阀(未示出)包含在组装件中。这些分配歧管的自由端是用于这类阀的适当位置。单个阀也可用于装填和排放。备选地，该热交换器能够被排空、装填和永久密封。 [0078] 在图6所示的实施例中，第一冷凝器热量传递元件29的冷却肋片仅设置在与第一冷凝器通道130关联的第一导管211的外壁112的一部分上，这是因为只有第一导管211的那个部分才用作热虹吸器的冷凝器部分。图7中，还示出隔开第一蒸发器通道120和第一冷凝器通道130的内壁114。图7是没有与适当截面图严格匹配的简化示意种类的视图。 [0079] 虽然附图中没有示出电源模块的这种实施例，但是技术人员将会知道，本公开扩展到具有多于两个热交换器模块的实施例，多于两个热交换器模块的冷凝器区的堆叠使得它们将依次由流经冷凝器部分的热载体来冷却。此外，技术人员将会注意到，本公开包含其热交换器模块可具有不同数量和种类的第一导管的热交换器的实施例。另外，技术人员将会注意到，本公开包含其蒸发器通道和冷凝器通道设置在结构上不同的导管中的热交换器的实施例，例如，其中这些蒸发器通道专用其自己的MPE型材，而冷凝器通道专用其自己的另一种MPE型材。 [0080] 在示范实施例中，第一蒸发器热量传递元件和第二蒸发器热量传递元件由高导热材料、例如铝或铜来制成。它能够使用挤压成形、铸造、机械加工或者这类常见过程的组合来制造。第一蒸发器热量传递元件和第二蒸发器热量传递元件不需要制作成导管部件的精确尺寸。在一些实施例中，它制作成较大，以便向系统添加热电容。板的一侧接触这些导管。第一蒸发器热量传递元件和第二蒸发器热量传递元件在这一侧上具有部分覆盖图6所示多端口导管的沟槽。这些通道成形为与第一导管和第二导管相符合。该板的另一侧制作成扁平的，以便接纳作为热源的板式安装发热组件，例如功率电子电路元件(例如IGBT、IGCT、二极管、功率电阻器等)。具有螺纹的安装孔或没有螺纹的安装孔放置在平整表面上，以便栓接(bolt down)这些组件。优选地，这些导管具有内部通道的对称布局，由此该环热虹吸配置中的上行流和下行流共用同一导管。在实施例中，独立设计用于这两个流的通道。例如，在蒸发器通道内部产生制冷蒸汽-液体混合物的流中最大的压力降。因此，可适合于向这些通道分配较大通道截面面积。对于这些冷凝器通道，具有内壁或间壁或者内壁表面上的附加肋片状零件的较小通道会适合于增加内通道表面，因而增加热量传递表面。当使用多端口管内部的不同尺寸的通道时，可能还需要具有绕该管周边的不同壁厚度，使得所有段针对内部压力同样坚固。例如，能够增加绕较大尺寸的蒸发器通道的壁厚度，同时使用绕小冷凝器通道的较薄壁厚度。与使用均匀厚度的蒸发器厚度相比，这种方式能够节省材料成本。 市场销售的挤压成形的多端口铝导管中所使用的典型壁厚度在大约0.2 mm至0.75 mm。 [0081] 这些热交换器模块的组件优选地在一次性烘炉铜焊过程中联接在一起。将铝钎焊和铜焊到铝上因阻止采用焊料合金进行加湿的铝上氧化物层而特别复杂。存在用于完成这个任务的各种方法。基本铝材料经常覆盖有在比基本铝合金要低的温度(大约590℃)熔化的AlSi铜焊合金(又称作覆层)。这些铝管挤压成形为具有已经作为薄层所附加的覆层。焊剂还通过将管浸入槽中或者通过喷涂来施加在管上。当在烘炉中加热这些部件时，焊剂起作用，用来以化学的方式去除铝的氧化物层。受控气氛包含可忽略不计的氧(通常使用氮环境)，使得在该过程期间没有形成新的氧化物层。没有氧化物层，熔化的铜焊合金能够加湿相邻部件，并且填补所组装组件之间的间隙。当这些部件冷却下来时，建立可靠并且不透气的连接。此外，还接合这些冷却肋片和这些管，以便确保它们之间的良好热界面。组装整个装置并且对它一次性铜焊会确保第一蒸发器热量传递元件和第二蒸发器热量传递元件上的通道正好分别匹配第一导管和第二导管的位置。备选地，较低温度的第二钎焊过程能够用于在铜焊这些热交换器模块核心之后将这些蒸发器热量传递元件与这些导管联接。较低温度的钎焊是确保铜焊接头在用于钎焊的重新加热期间不会脱落的良好措施。 [0082] 示范实施例使用具有百叶窗状肋片(louvered fins)的扁平多端口导管。与圆管相比，扁平导管对空气流引入较小压力降。另外，多端口设计增加内部热量传递表面。百叶窗状肋片增加热量传递系数，而没有显著增加压力降(百叶窗是肋片表面上的扭曲缝隙(twisted slits))。这些肋片是从一条铝片上切割的，并且弯成折式插孔(accordion-like)形状。这些肋片之间的间距能够易于在组装期间通过“拉紧折式插孔”来调整。在这些扁平导管端部的两个圆前管构成分配歧管。热交换器核心的所有这些元件的堆叠和组装能够以完全自动的方式来进行。 [0083] 图7是热交换器1的另一个示范实施例的示意截面图。相同参考标号再次用于图1-6所示的相似或相同部件。图7的热交换器1包括由用于连接上部分配歧管30、230的上部连接管200以及用于连接下部分配歧管33、233的下部连接管205所形成的流体连接元件。上部连接管200和下部连接管205均在图7的正视图中而没有在截面图中示出。 [0084] 示范实施例包括用于在背靠背设置的热交换器模块的分配歧管之间建立流体连接的上部连接管或下部连接管。连接管的使用允许灵活地使具有其有利的热虹吸性质的热交换器适合不同安装尺寸。这些连接管可安装在这些热交换器模块的上部末端或下部末端。示范实施例包括上部连接管和下部连接管，以便在这些热交换器模块之间形成热补偿环路。因此，这些热交换器模块的环路通过添加用于热补偿的第二类型的环路来增强。通过这样做，密集设置的热交换器的整体性能可得到提高。 [0085] 参考标号列表 [0086] 10 第一热交换器模块 [0087] 11 第一导管 [0088] 20 热源 [0089] 28 第一蒸发器热量传递元件 [0090] 29 第一冷凝器热量传递元件 [0091] 30 第一上部分配歧管 [0092] 33 第一下部分配歧管 [0093] 40 歧管连接器 [0094] 42 连接孔 [0095] 44 热载体，例如空气 [0096] 48 通风管道部分 [0097] 50 上部管道壁 [0098] 52 下部管道壁 [0099] 58 凸缘 [0101] 60 洁净室(第一环境) [0102] 62 非洁净室(第二环境) [0103] 64 密封件 [0104] 66 总体结构 [0105] 68 通风管道 [0106] 70 下部盖 [0107] 71 另一凸缘部分 [0108] 72 另一下部管道壁 [0109] 74 另一上部管道壁 [0110] 75 导向部件 [0111] 76 上部盖 [0112] 84 盖板 [0113] 86 颗粒过滤器 [0114] 88 风扇 [0115] 100 电源模块 [0116] 112 导管的外壁 [0117] 114 导管的内壁 [0118] 120 第一蒸发器通道 [0119] 130 第一冷凝器通道 [0120] 160 安装表面 [0121] 165 安装孔 [0122] 170 接触表面 [0123] 175 沟槽 [0124] 183 加热肋片 [0125] 195 支承杆 [0126] 200 上部连接管 [0127] 205 下部连接管 [0128] 210 第二热交换器模块 [0129] 211 第二导管 [0130] 228 第二蒸发器热量传递元件 [0131] 229 第二冷凝器热量传递元件 [0132] 230 第二上部分配歧管 [0133] 233 第二下部分配歧管 [0134] 320 第二蒸发器通道 [0135] 330 第二冷凝器通道。 |
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