Теплообменник для тягового преобразователя
Изобретение относится к теплообменнику (1), содержащему первый модуль (10) теплообменника с первым каналом (120) испарителя и первым каналом (130) конденсатора. Указанные первый канал (120) испарителя и первый канал (130) конденсатора расположены в первой трубе (11). Первый канал (120) испарителя и первый канал (130) конденсатора соединены друг с другом по жидкости с помощью первого верхнего распределительного коллектора (30) и первого нижнего распределительного коллектора (33) так, что первый канал (120) испарителя и первый канал (130) конденсатора образуют первый замкнутый контур циркуляции теплоносителя. Первый модуль (10) теплообменника содержит первый теплопередающий элемент (28) испарителя, предназначенный для передачи теплоты в первый канал (120) испарителя, и первый теплопередающий элемент (29) конденсатора, служащий для отвода теплоты из первого канала (130) конденсатора. Теплообменник (1) содержит также второй модуль (210) теплообменника, соединенный с помощью элемента для соединения по жидкости с первым модулем (10) теплообменника для обмена теплоносителем между первым модулем (10) теплообменника и вторым модулем (210) теплообменника. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, вообще, к теплообменнику. В частности, настоящее изобретение относится к теплообменнику, который может быть использован в тяговом преобразователе, и к тяговому преобразователю.
Уровень техники
Современный автотранспорт и железнодорожные составы приводятся в движение с помощью систем приводов, для которых необходимы преобразователи электрической энергии. Действующий в настоящее время в условиях конкуренции рынок требует использования экономичных, эффективных и надежных преобразователей. В традиционных системах компоненты электронного управления электрическим питанием, такие как отдельные или встроенные (т.е. модульного типа) полупроводниковые устройства, индукторы, резисторы, конденсаторы и медные электрические шины установлены в непосредственной близости друг от друга. В процессе работы указанные компоненты выделяют теплоту в различных количествах. Кроме того, эти компоненты способны выдерживать температуры различных уровней. Температурные условия отличаются, в зависимости от того, в каких точках планеты используются преобразователи. Используемый принцип терморегулирования и интегрирования приводной системы, помимо электрических характеристик системы, должен также учитывать влажность и другие факторы.
Проектирование современных железнодорожных составов требует использования соответствующих технических средств, которые могут быть размещены на крыше состава или ниже уровня пола (например, в расположенном под полом преобразователе). Следует отметить, что полупроводниковые компоненты и мощные резисторы являются в тяговых преобразователях источниками теплоты. Обычно их монтируют с использованием конструкции с установочной плитой и крепления болтами или прижатия к плоской поверхности, которую поддерживают при подходящей низкой, можно сказать, небольшой температуре. Типичными примерами таких поверхностей теплообмена являются алюминиевый теплоотвод, охлаждаемый воздухом, нагнетаемым вентилятором, и холодные плиты, охлаждаемые прокачиваемой через них водой. Другие компоненты, такие как индукторы, конденсаторы и элементы схемы блока управления обычно охлаждаются потоком воздуха.
Одна из возможностей обеспечения высокой степени защиты от неблагоприятных внешних условий заключается в размещении ответственных электрических схем, содержащих полупроводниковые компоненты, в защитных оболочках. Однако при достигаемой более высокой степени защиты этих компонент отвод теплоты становится более затрудненным.
Степень защиты от неблагоприятного воздействия окружающей среды, которая обеспечивается электронным прибором, обычно выражают через «степень защиты корпуса (оболочки) (IP)». Многие производимые приводы предлагаются со стандартами степени защиты IP20, IP21, при этом в качестве оптимальных степеней защиты оболочки предлагается стандарт с IP54 или более высокие стандарты. При более низких величинах IP возможно использование конструкций, предусматривающих прохождение сквозного потока внешнего воздуха внутри корпуса привода, при этом все еще обеспечивается надлежащая защита. Для удаления из потока находящихся в воздухе твердых частиц могут быть использованы воздушные фильтры. Обращенные вниз вентиляционные отверстия на стенках корпуса предотвращают попадание вертикально падающих вниз капель воды. Однако при более высоких IP корпуса становится важным отделить внешний воздух от воздуха, находящегося внутри корпуса привода. Для более высоких степеней защиты, подобных IP65 или еще больших, могут быть необходимыми водонепроницаемые корпуса. В корпусах с высокой величиной IP обычно используют воздуховоздушный теплообменник для того, чтобы рассеивать теплоту в окружающую среду и в то же время полностью отделить друг от друга объемы внутренней камеры и внешнего воздуха. В таких устройствах используют также тепловые трубы и термоэлектрические охлаждающие элементы.
В патентном документе ЕР 2031332 описан теплообменник, использующий воздушное охлаждение. Устройство, описанное в ЕР 2031332, представляет собой термосифонный теплообменник для тяговых преобразователей. Однако степень защиты, обеспечиваемая системой, известной из указанного документа, является все же ограниченной. Кроме того, существует необходимость в более компактной и более эффективной системе охлаждения источников выделения теплоты в силовых модулях железнодорожных составов.
Раскрытие изобретения
В соответствии с изложенным задача настоящего изобретения заключается в создании более эффективных или более компактных теплообменника и тягового преобразователя с возможностью обеспечения высокой степени защиты корпуса.
Указанная задача решена с помощью теплообменника, соответствующего п.1 формулы изобретения, и использования теплообменника в соответствии с другим независимым пунктом формулы. Другие примеры воплощений настоящего изобретения соответствуют зависимым пунктам формулы.
Согласно одному аспекту раскрытых в данном описании основных воплощений обеспечивается теплообменник, содержащий первый модуль теплообменника с первым каналом испарителя и первым каналом конденсатора, при этом первый канал испарителя и первый канал конденсатора расположены в первой трубе. Кроме того, первый канал испарителя и первый канал конденсатора соединены (сообщены) друг с другом по жидкости посредством первого верхнего распределительного коллектора и первого нижнего распределительного коллектора так, что указанные первый канал испарителя и первый канал конденсатора образуют первый замкнутый контур циркуляции теплоносителя. Первый модуль теплообменника содержит, кроме того, первый теплопередающий элемент испарителя для передачи теплоты в первый канал испарителя, и первый теплопередающий элемент конденсатора для отвода теплоты из первого канала конденсатора, при этом теплообменник содержит второй модуль теплообменника, соединенный с первым модулем теплообменника с помощью соединительного элемента, обеспечивающего соединение (сообщение) по жидкости, для обмена теплоносителем между первым модулем теплообменника и вторым модулем теплообменника.
Примеры описанных здесь теплообменников позволяют использовать принцип теплообмена с двухфазным теплоносителем для эффективного отвода подводимого тепла при отсутствии необходимости в использовании нагнетателя, если труба ориентирована относительно направления действия сил тяжести таким образом, что движение теплоносителя создается за счет сил тяжести. Это приводит к снижению затрат и повышению надежности. Безнасосные системы являются предпочтительными, поскольку насосы предрасположены к изнашиванию от трения, что обуславливает необходимость их технического обслуживания и ремонта. Используется принцип работы теплообменника термосифонного типа, в котором охлаждающая способность и компактность повышаются за счет добавления к первому модулю теплообменника второго модуля теплообменника. Указанные модули теплообменника соединяют для обеспечения теплообмена между модулями. Тем самым могут быть скомпенсированы различные условия нагревания и охлаждения, существующие в различных модулях теплообменника, и при этом достигается более высокая эффективность работы теплообменника.
В примерах воплощения второй модуль теплообменника содержит второй канал испарителя и второй канал конденсатора; при этом второй канал испарителя и второй канал конденсатора находятся во второй трубе. Второй канал испарителя и второй канал конденсатора соединены друг с другом по жидкости посредством второго верхнего распределительного коллектора и второго нижнего распределительного коллектора так, что второй канал испарителя и второй канал конденсатора образуют второй контур циркуляции теплоносителя.
В примерах воплощения модули теплообменника содержат отдельные корпуса или отдельно расположенные трубы. Как правило, каждый из первого и второго модулей теплообменника является подходящим для работы в автономном режиме; в частности, в том случае, когда один из модулей не соединен с другим модулем. Другими словами, теплообменники, соответствующие изобретению, содержат, по меньшей мере, два теплопередающих модуля, которые, в принципе, в рабочем режиме могут работать независимо один от другого, т.е. когда источник теплоты подводит тепловую нагрузку к теплоносителю и когда указанная тепловая нагрузка после этого отводится на участке конденсатора (в зоне конденсации) так, что теплоноситель, который испаряется на участке испарителя (в зоне испарения), конденсируется с образованием жидкой фазы на участке конденсатора и возвращается обратно на участок испарителя, где рабочий цикл возобновляется.
Примеры воплощения предложенного теплообменника содержат первый и второй модули теплообменника, которые являются подходящими для автономного функционирования. Основные воплощения в качестве первого и второго модулей теплообменника используют, по меньшей мере, по существу идентичные модули теплообменника. В базовом примере воплощения второму модулю теплообменника присущи особенности (признаки), которые раскрыты при описании первого модуля теплообменника. Как правило, оба модуля теплообменника характеризуются раскрытыми здесь признаками как типичными для одного модуля теплообменника. При этом затраты могут быть уменьшены за счет использования унифицированных изделий. Модули теплообменника, подходящие для работы в автономном режиме, могут быть также реализованы в единственном количестве для использования для случаев охлаждения, в которых необходимо меньшая степень охлаждения. Таким образом, широкая область применения может быть перекрыта с помощью лишь небольшого количества комплектующих изделий.
Описанные здесь теплообменники и тяговые преобразователи могут быть использованы для охлаждения компонентов электрической схемы, в частности, для охлаждения систем приводов переменного тока, работающих при низком напряжении, в особенности, транспортных средств, работающих с электрическим приводом, подобных железнодорожным составам или автотранспортным средствам. Модули теплообменника могут быть использованы в конфигурации, образующей контур термосифона за счет разделения восходящих и нисходящих потоков теплоносителя, проходящих по отдельным каналам трубы, содержащей ряд проходных каналов. Для того чтобы оптимизировать характеристики испарения и конденсации, в модулях теплообменника могут быть использованы различные число и размеры каналов для восходящих и нисходящих потоков.
Признаки, раскрытые применительно к первому модулю теплообменника, в равной степени применимы и ко второму модулю теплообменника. Однако количество подъемных и опускных каналов или размеры модулей теплообменника могут отличаться. В базовых воплощениях используются модули теплообменника, имеющие идентичные размеры. Тем самым механическое соединение этих модулей осуществляется легко.
В примере воплощения теплопередающий элемент испарителя содержит соединительный монтажный элемент, имеющий установочную поверхность для монтажа источника выделения теплоты, и контактную поверхность для установления теплового контакта с частью внешней стенки трубы, относящейся к каналу испарителя. Здесь термин «теплопередающий элемент испарителя» используется для первого теплопередающего элемента испарителя, второго теплопередающего элемента испарителя, для обоих или всех теплопередающих элементов испарителя.
В типичных воплощениях первый канал испарителя и первый канал конденсатора расположены параллельно в первой трубе. За счет параллельного размещения каналов достигается компактность модуля теплообменника. Описанные здесь воплощения позволяют получить канал испарителя, имеющий большую общую площадь поперечного сечения, чем один из соответствующих каналов конденсатора. Если труба выполнена с множеством проходных каналов, например, представляет собой экструдированный алюминиевый профиль, имеющий множество продольных субканалов, которые отделены один от другого посредством внешней стенки трубы (такие трубы известны также как МРЕ-профили), то в этом случае для образования испарителя может быть использовано большее число субканалов, чем число субканалов, образующих конденсатор. Однако, например, в профиле с большим числом проходных каналов количество субканалов конденсатора обычно превышает количество субканалов испарителя. Таким образом, модули теплообменника могут быть приспособлены к различным температурным условиям.
Для достижения эффективной теплопередачи для отвода от теплоносителя тепловой нагрузки, подведенной на участке испарителя, предпочтительно, чтобы первый и/или второй теплообменный элемент конденсатора содержали на внешней стенке трубы охлаждающие ребра для увеличения внешней поверхности конденсатора. Эти охлаждающие ребра имеются только на части внешней стенки трубы, относящейся к каналу конденсатора, за счет чего обеспечивается эффективная передача теплоты от теплоносителя к окружающей среде. Наличие ребер на внешней стенке трубы, относящейся к каналу испарителя, считается недостатком, поскольку может способствовать конденсации теплоносителя уже на пути вверх к верхнему распределительному коллектору, что привело бы к неоптимальной тепловой эффективности теплообменника. В этой связи участок канала испарителя, находящийся в зоне расположения конденсатора теплообменника, используется просто как вертикальный паропровод для транспортирования пара из этого участка испарителя в верхний распределительный коллектор - в идеальном случае при отсутствии конденсации в нем пара. В нижеследующем описании и в формуле изобретения термины «первый канал испарителя», «первый канал конденсатора», «второй канал испарителя» и «второй канал конденсатора» могут включать в себя более чем один канал, соответственно, в тех случаях, когда этого требует эффективность охлаждения. В базовых воплощениях признаки, характеризующие выполнение первого модуля теплообменника, аналогичным образом присущи второму модулю теплообменника. Пример воплощения теплообменника содержит первую трубу, которая содержит ряд первых каналов испарителя и ряд первых каналов конденсатора. Другой пример воплощения теплообменника содержит другую трубу, например, вторую трубу, которая также содержит ряд вторых каналов испарителя и ряд вторых каналов конденсатора.
В примерах воплощения соответствующие трубы и каналы второго модуля теплообменника расположены подобно трубам и каналам первого модуля теплообменника. В одном примере воплощения каждый из модулей теплообменника содержит большое число труб. Трубы модулей теплообменника в примерах воплощения расположены параллельными рядами. При размещении модулей теплообменника задними сторонами вплотную друг к другу трубы соответствующих модулей теплообменника расположены симметрично соответствующими каналами испарителя и конденсатора. В одном примере воплощения второй канал конденсатора расположен напротив первого канала испарителя по отношению к первому каналу конденсатора, если смотреть в виртуальной плоскости, на которую проецируются первый канал конденсатора, второй канал конденсатора и первый канал испарителя.
Воплощения включают конструкции с первым каналом конденсатора и вторым каналом конденсатора, которые расположены между первым каналом испарителя и вторым каналом испарителя. При таком взаимном расположении обеспечиваются компактные теплообменники.
За счет размещения первого модуля теплообменника и второго модуля теплообменника параллельно друг другу, по меньшей мере, по существу в вертикальном положении, может быть достигнута хорошая эффективность отвода теплоты. В данном контексте термин «по существу» означает традиционные положения модулей с максимальным наклоном 10° или 5° относительно вертикали. Параллельное размещение модулей способствует получению компактной конструкции. В базовом воплощении модули теплообменника размещены так, что соответствующие трубы модулей теплообменника установлены параллельно. В примерах воплощения модули теплообменника размещены задними сторонами вплотную друг к другу. За счет такого расположения может быть установлен тепловой контакт между модулями теплообменника. Предпочтительно «задняя сторона» модуля теплообменника означает сторону, противоположную той стороне, на которой расположен теплопередающий элемент испарителя модуля теплообменника. В примере воплощения теплопередающий элемент испарителя установлен между трубой и источником теплоты для передачи теплоты от источника теплоты к трубе. Источниками теплоты энергетического модуля могут быть компоненты электрической схемы, например, полупроводниковые элементы подобные БТИЗам (биполярным транзисторам с изолированным затвором), тиристорам, мощным резисторам или другим электрическим компонентам, выделяющим в процессе работы теплоту.
Примеры воплощений содержат монтажный элемент в виде установочной плиты, имеющей плоскую монтажную поверхность для установки источника теплоты. В отличие от плоской монтажной поверхности, на установочной плите может быть создана контактная поверхность, содержащая, по меньшей мере, одну канавку, которая по форме и размеру согласуется с той частью внешней стенки трубы, к которой механически и с обеспечением теплового контакта присоединяют контактную поверхность канавки. Таким образом, конструкция модуля обеспечивает эффективный отвод теплоты, выделяемой компонентами, установленными на плоской плите, например, окружающему воздуху, и в то же время обеспечивается разделение объемов воздуха, находящегося внутри и снаружи оболочки, в которой размещена вся система. Плоские внешние боковые стенки плоской трубы предпочтительно могут быть ориентированы перпендикулярно плоской монтажной поверхности установочной плиты. В воплощениях теплообменника монтажный элемент содержит, по меньшей мере, крепежное отверстие или, по меньшей мере, одно крепежное отверстие или, по меньшей мере, один монтажный паз на монтажной поверхности. В воплощениях труба представляет собой плоский профиль, содержащий внутри отдельные субканалы, каждый из которых отделен по жидкости от соседнего субканала внутренней стенкой трубы, при этом труба имеет плоские внешние боковые стенки. Такая труба обеспечивает высокий коэффициент теплоотдачи к воздуху при небольшом перепаде давления воздушного потока и в компактной конструкции.
В примере воплощения первый верхний распределительный коллектор соединен с верхним концом первой трубы, а второй верхний распределительный коллектор соединен с верхним концом второй трубы, при этом первый верхний распределительный коллектор и второй верхний распределительный коллектор соединены друг с другом посредством верхнего соединения по жидкости. Описанные здесь воплощения содержат первый нижний распределительный коллектор, соединенный с нижним концом первой трубы, а второй нижний распределительный коллектор соединен с нижним концом второй трубы, причем первый нижний распределительный коллектор и второй нижний распределительный коллектор соединены посредством нижнего соединения по жидкости. Термин «соединение по жидкости» следует понимать как охватывающий более, чем одно соединение по жидкости. Следовательно, верхний элемент для соединения по жидкости, и нижний элемент для соединения по жидкости охватываются термином «элемент для соединения по жидкости».
В воплощениях распределительные коллекторы соединяют каналы испарителя и каналы конденсатора с образованием замкнутого контура циркуляции теплоносителя. Термины «верхний» и «нижний» относятся к направлению относительно каналов в трубах, а именно, вверх - направление движения испаряющегося теплоносителя, а вниз - направление течения конденсирующегося теплоносителя.
За счет соединения распределительных коллекторов, по меньшей мере, двух термосифонных теплообменников, которые могут работать независимо друг от друга, между модулями теплообменника, даже если они не соединены, происходит передача теплоты. Настоящее изобретение основано на конструкции термосифонного теплообменника, участки конденсации которого были расположены один над другим таким образом, что внешний теплоноситель (охлаждающий агент), например, воздух, может проходить через участок конденсатора первого модуля теплообменника и после этого через конденсатор второго модуля теплообменника. Благодаря последовательному прохождению первого модуля теплообменника и второго модуля теплообменника воздух перед прохождением через второй модуль теплообменника уже воспринял первую тепловую нагрузку от первого модуля теплообменника. Другими словами, в воплощении, в котором внешним теплоносителем является воздух, температура воздуха после прохождения второго модуля теплообменника была выше, чем после прохождения первого модуля теплообменника, поскольку он уже был подогрет при прохождении через первый модуль теплообменника. Температурные условия ряда расположенных друг над другом модулей теплообменника являются такими, что модуль теплообменника расположенный ниже по ходу движения теплоносителя имеет более высокую температуру конденсации теплоносителя (циркулирующего внутри теплообменника) или рабочего вещества по сравнению с модулем теплообменника, расположенным выше по ходу движения внешнего теплоносителя. В результате этого температура модуля теплообменника, находящегося ниже по потоку внешнего охладителя, выше, чем температура модуля, находящегося ниже по потоку.
За счет сообщения модулей теплообменника по текучей среде давление конденсации теплоносителя в обоих модулях, при их функционировании, является одинаковым. При этом температуры теплоносителя, проходящего через зоны конденсации двух модулей теплообменника, распределяется в равной степени между обоими модулями теплообменника. В результате, предлагаемый новый теплообменник обеспечивает эффективное охлаждение даже в том случае, если различные электрические и/или электронные компоненты имеют тепловую связь с различными модулями теплообменника.
В оптимальном варианте воплощения модули теплообменника расположены таким образом, что ряд из большого количества труб модуля теплообменника расположен перпендикулярно направлению воздушного потока. В этом случае каждая из труб ряда труб находится, по меньшей мере, по существу в одинаковых условиях работы. При размещении модулей теплообменника задними сторонами вплотную друг к другу ряд вторых труб второго модуля теплообменника расположен по ходу движения воздушного потока позади ряда первых труб первого модуля теплообменника. Хотя вторые трубы второго модуля теплообменника обтекаются уже подогретым внешним теплоносителем (например, воздухом), все вторые трубы второго модуля теплообменника находятся в одинаковых температурных условиях. За счет установления между модулями теплообменника соединения (сообщения) по жидкости с помощью элемента для соединения по жидкости различия температур модулей теплообменника могут быть скомпенсированы.
Положительный побочный эффект заключается в том, что указанное соединение по жидкости обеспечивает выравнивание тепловых нагрузок различных величин в первом и втором модулях теплообменника в рабочем режиме термосифонного теплообменника и силового модуля, соответствующих настоящему изобретению. Если необходимо, чтобы к испарителю одного из модулей теплообменник поступало большее количество теплоносителя в жидкой фазе, это может быть обеспечено за счет другого модуля теплообменника, и наоборот. Ели источник теплоты для первого модуля теплообменника генерирует более количество пара по сравнению с источником теплоты, находящимся в тепловой связи со вторым модулем теплообменника, теплоноситель может перетекать из первого модуля теплообменника во второй модуль теплообменника (в верхнем распределительном коллекторе), а охлажденный теплоноситель может быть направлен из второго модуля теплообменника в первый модуль теплообменника (в нижнем распределительном коллекторе). Таким образом, при соединении распределительных коллекторов по жидкости теплообменник работает более эффективно.
В примерах воплощения элемент для соединения по жидкости реализуется, по меньшей мере, в виде одного отверстия, выполненного в соответствующих распределительных коллекторах. Воплощения содержат соединительный элемент, предназначенный для соединения распределительных коллекторов. Элемент для соединения коллекторов может иметь 1-образную форму с отверстиями в них для обмена теплоносителем между распределительными коллекторами. При этом достигается механически устойчивая конструкция.
В примерах воплощения элемент для соединения по жидкости представляет собой верхний соединительный трубопровод для соединения верхних распределительных коллекторов или нижний соединительный трубопровод для соединения нижних распределительных коллекторов. При использовании соединительных трубопроводов такой элемент для сообщения по жидкости двух модулей теплообменника может быть легко установлен.
В соответствии с одним примером воплощения теплообменника монтажные элементы изготовлены из алюминия или меди. Кроме того, предпочтительно, чтобы трубы были выполнены из алюминия. В частности, предпочтительно использовать медненный алюминий, например, широко используемый в автомобильной промышленности, для снижения стоимости изготовления, получения небольших размеров и высоких тепловых и гидравлических характеристик. Воплощения являются подходящими для автоматизированного производства, осуществляемого с помощью машин для сборки основной части теплообменника, обычно используемых в индустрии средств охлаждения автомобильного транспорта. Так, повторное использование имеющегося серийного производственного оборудования уменьшает стоимость изготовления.
В примерах воплощений теплообменник содержит разделительный элемент, предназначенный для отделения первой окружающей среды от второй окружающей среды, при этом температура первой окружающей среды выше температуры второй окружающей среды. Обычно первая окружающая среда - это так называемый чистый отсек, в котором находится источник выделяемой теплоты, например, электронные компоненты или электрические приборы, а вторая окружающая среда - это так называемый загрязненный отсек. В загрязненном отсеке расположены теплопередающие элементы второго конденсатора для отвода теплоты от теплоносителя, циркулирующего в трубе, окружающей среде, находящейся в загрязненном отсеке. Окружающей средой может быть воздух или вода.
В одном примере воплощения разделительный элемент представляет собой герметизирующую пластину, которая присоединена к первому модулю теплообменника и второму модулю теплообменника с использованием уплотнения. Указанная герметизирующая пластина с уплотнением обычно обеспечивает степень защиты IP64 или большую степень (подобную IP65 или IP67), т.е. загрязненный отсек в воплощении может быть даже затоплен водой при отсутствии влияния этого затопления на компоненты, находящиеся в чистом отсеке. Тем самым обеспечивается система, содержащая преобразователь, обладающая высокой степенью надежности. В воплощениях внешнее уплотнение обеспечивается по внешнему периметру герметизирующей пластины. За счет этого чистый отсек может быть герметизирован полностью по отношению к загрязненному отсеку. В примерах воплощениях наверху теплообменников установлена дополнительная герметизирующая пластина. Дополнительная герметизирующая пластина может быть установлена непосредственно ниже распределительных коллекторов, вокруг распределительных коллекторов и непосредственно выше распределительных коллекторов. Герметизирующие пластины имеют, например, U-образную форму для того чтобы создать подходящую поверхность для уплотнения. Герметизирующие пластины в примерах воплощения прикреплены к теплообменникам с обеспечением компактной части конструкции, которая может быть легко заменена.
Примеры воплощения изобретения относятся к теплообменнику, имеющему высоту менее 700 мм, менее 600 мм или менее 500 мм. Такие размеры позволяют монтировать теплообменник, соответствующий изобретению, на крыше локомотива или трамвая или автономного вагона или даже ниже пола указанных транспортных средств, например, в расположенном под полом силовом преобразователе. Высоту обычно измеряют в направлении труб или сформованных в них каналов. Один пример воплощения теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, включает участок воздушного канала. Указанный участок воздушного канала может образовать сквозной проход и направить внешний теплоноситель через участок конденсатора первого и второго модулей теплообменника, при этом другие участки воздушного канала, прилегающие к указанному участку воздушного канала для силового модуля или термосифонного теплообменника, используются в объекте более высокого порядка и принадлежат ему, например, всей конструкции тягового преобразователя. В зависимости от требований и технических условий для силового модуля указанная часть канала может иметь форму щелевого канала, который ограничивает поток воздуха во все стороны в боковом направлении при функционировании силового модуля в рабочем режиме.
В качестве альтернативы часть воздушного канала для силового модуля может содержать только один или несколько разделительных элементов, например, верхнюю стенку канала и нижнюю стенку канала, в то время как остальные структурные элементы использует общая конструкция. В таком воплощении канал в форме щелевого канала вблизи участка конденсатора первого и второго модулей теплообменника может быть использован только в том случае, если силовой модуль установлен на выделенном для него месте в пределах общей конструкции. В таком примере воплощения первый разделительный элемент размещен выше первого и второго теплопередающих элементов испарителя, а второй разделительный элемент размещен ниже первого и второго теплопередающих элементов конденсатора.
Опыты подтвердили, что могут быть созданы удовлетворительные воплощения теплообменника, если участок испарителя с теплопередающими элементами выполнен так, чтобы он был примерно в два раза длиннее участка конденсатора первой и/или второй трубы, если смотреть в продольном направлении указанной трубы, определяемом ее формой. При этом высота указанного участка воздушного канала, насколько это возможно, будет соответствовать размеру участка конденсатора. Поскольку размер испарителя обычно определяется охлаждаемыми компонентами, становится возможным получение, таким образом, компактного теплообменника и компактного тягового преобразователя.
В одном примере воплощения компоненты теплообменника получены путем их соединения вместе в одностадийном процессе пайки в печи. Кроме того, перед осуществлением процесса пайки компоненты теплообменника могут быть покрыты твердым припоем, например, припоем AlSi. В примерах воплощений перед пайкой на компоненты теплообменника наносят материал флюса, и процесс пайки проводят в неокислительной атмосфере.
В воплощениях, соответствующих изобретению, все компоненты, кроме монтажных элементов, могут быть соединены друг с другом в одностадийном процессе пайки в печи, а монтажный элемент прижимают внешними стенками с использованием между этим элементом и стенками теплопроводного заполнителя зазора.
Другой аспект изобретения в одном из описанных воплощениях относится к тяговому преобразователю с теплообменником. Такой тяговый преобразователь может быть выполнен компактным, надежным и эффективным в работе. Обычно тяговый преобразователь предусматривает использование загрязненного отсека и чистого отсека. Загрязненный отсек и чистый отсек, как правило, разделяют с помощью уплотнительной пластины или разделительного элемента. В загрязненном отсеке преимущественно размещен вентилятор для продувки воздуха через модули теплообменника. Во входном отверстии для воздуха обычно установлен фильтр частиц, препятствующий поступлению в загрязненный отсек более крупных твердых частиц. Теплообменник размещен между указанным фильтром частиц и вентилятором, при этом два модуля теплообменника могут быть размещены один за другим в воздушном потоке, создаваемым вентилятором в процессе его работы.
Воплощения тягового преобразователя содержат нишу с отверстием с одной стороны, при этом теплообменник устанавливают в нише через это отверстие. Модули теплообменника обычно устанавливают задними сторонами вплотную друг к другу и параллельно направлению движения транспортного средства, в котором используется рассматриваемый тяговый преобразователь. Теплообменник может быть установлен с одной стороны транспортного средства. Тем самым становится возможной быстрая и легкая замена тягового преобразователя. В других воплощениях теплообменник ориентирован в другом направлении, например, перпендикулярно направлению движения транспортного средства.
Еще одним аспектом изобретения является использование теплообменника, соответствующего одному из описанных воплощений, в тяговом преобразователе.
Краткое описание чертежей
Примеры воплощений представлены на чертежах и подробно раскрыты в нижеследующем описании.
На фиг.1 показано первое воплощение теплообменника, схематический вид в разрезе;
на фиг.2 - схематическое изображение элемента конструкции теплообменника для воплощения, представленного на фиг.1;
на фиг.3 - другое воплощение теплообменника, схематический вид в разрезе;
на фиг.4 - воплощение тягового преобразователя, схематический вид в разрезе;
на фиг.5 - пример модуля теплообменника для воплощений, представленных на фиг.1 или 3;
на фиг.6 - изображение деталей модуля теплообменника, показанного на фиг.5, схематический вид в частичном разрезе;
на фиг.7 - еще одно воплощение теплообменника, схематический вид в разрезе.
Осуществление изобретения
На фигурах одинаковые или подобные элементы конструкции обозначены одинаковыми ссылочными номерами позиций.
На фиг.1 представлен схематический вид в разрезе первого воплощения теплообменника 1. Теплообменник содержит два идентичных модуля теплообменника, а именно, первый модуль 10 теплообменника и второй модуль 210 теплообменника, размещенные так, что их задние стороны обращены друг к другу. Первый модуль теплообменника содержит ряд первых труб 11, второй модуль теплообменника содержит ряд вторых труб 211. Направление расположения каждого ряда труб перпендикулярно плоскости, в которой изображена фиг.1. Трубы 11, 211 модулей 10, 210 теплообменника примера воплощения, представленного на фиг.1, механически соединены друг с другом, например, сварены вместе или соединены крепежными болтами с использованием фланцев. В трубах 11, 211 рабочая жидкость (теплоноситель) может испаряться и конденсироваться. Испарение происходит за счет теплоты, подводимой к трубам 11, 21 от источников 20 теплоты.
Для передачи теплоты от источников 20 теплоты к трубам 11, 211 в нижней части труб 11, 211 установлены первый и второй теплопередающие элементы 28, 228. Нижние части труб 11, 211 могут быть также именованы как части испарителя. На верхней части труб 11, 211, выполняющей функцию зоны конденсации, размещены первый и второй теплопередающий элементы 29, 229 конденсатора, служащие для отвода теплоты от части конденсатора труб 11, 211 в окружающую среду, например, внешнему теплоносителю 44 подобному потоку охлаждающего воздуха. Первый и второй теплопередающие элементы 29, 229 конденсатора образованы охлаждающими ребрами 29, 229, которые расположены между соседними трубами 11, 211 модулей 10, 210 теплообменника, если смотреть в направлении Z. Теплопередающие элементы 29, 229 могут быть образованы из металлических полосок, имеющих зигзагообразную форму, которые имеют тепловой контакт с трубами 11, 211. При этом вертикальные паропроводы, т.е. каналы испарителя находящихся выше теплопередающих элементов 28, 228 не должны быть снабжены теплопередающими элементами 29, 229. Первый модуль 10 теплообменника содержит первые каналы 120 испарителя и первые каналы 130 конденсатора, при этом первые каналы 120 испарителя и первые каналы 130 конденсатора расположены внутри первых труб 11. Теплообменник содержит более одной трубы 11 и более одного канала 120, 130. Однако на виде в разрезе на фиг.1 показана лишь одна труба, поскольку фиг.1 является упрощенным видом в разрезе теплообменника 1 и силового модуля 100 в виртуальной плоскости сечения. Первые каналы 120 испарителя и первые каналы 130 конденсатора образуют важную часть первого контура циркуляции теплоносителя. Подобным образом, второй модуль 210 теплообменника содержит вторые каналы 320 испарителя и вторые каналы 330 конденсатора, при этом вторые каналы 320 испарителя и вторые каналы 330 конденсатора, расположены внутри вторых труб 211. Вторые каналы 120 испарителя и вторые каналы 130 конденсатора образуют важную часть второго контура циркуляции теплоносителя.
На фиг.1 представлен упрощенный вид в разрезе теплообменника 1 силового модуля 100 в виртуальной плоскости. Хотя на фиг.1 на виде в виртуальной плоскости можно видеть первый канал 130 конденсатора, второй канал 330 конденсатора, первый канал 120 испарителя и второй канал 320 испарителя, эти каналы 120, 130 испарителя и каналы 130, 330 конденсатора могут быть размещены один за другим в направлении Z, в зависимости от конкретных воплощений и внешних условий. Таким образом, на фиг.1 представлен вид в разрезе теплообменника 1 силового модуля 100 в виртуальной плоскости, на которую проецируются в направлении Z первый канал 130 конденсатора, второй канал 330 конденсатора, первый канал 120 испарителя и второй канал 320 испарителя.
Воплощения с модулями теплообменника, размещенными вплотную друг к другу задними сторонами, обеспечивают хорошую передачу теплоты посредством модулей теплообменника благодаря тепловому равновесию между модулями. Тепловая связь модуля первого теплообменника со вторым модулем теплообменника, способствующая передаче тепла между модулями теплообменника, может быть достигнута многими путями, например, путем механического соединения распределительных коллекторов одного с другим с помощью, например, сварки или скрепления болтами или винтами, или посредством установления непосредственного соединения по жидкости с помощью элемента для соединения по жидкости, или за счет использования комбинации механического и гидравлического соединений. В том случае, если один из модулей теплообменника охлаждается менее интенсивно, чем другой модуль, или же источник теплоты одного из модулей теплообменника выделяет больше теплоты, чем другой источник, воплощения обеспечивают передачу теплоты между модулями теплообменника так, что оба модуля теплообменника могут работать при эффективных параметрах. Обычно каждый из теплопередающих модулей может быть также использован, как отдельно функционирующий теплообменник.
Теплообменник, представленный на фиг.1, содержит первый верхний распределительный коллектор 30, второй верхний распределительный коллектор 230, первый нижний распределительный коллектор 33 и второй нижний распределительный коллектор 233. Распределительные коллекторы 30, 33, 230 и 233 прикреплены к соответствующим концам труб 11, 211 модулей 10, 210 теплообменника. Каждый из распределительных коллекторов 30, 33, 230, 233 сообщается по жидкости с трубами 11, 211 посредством их каналов 120, 130, 320, 330 испарителя и конденсатора. В результате устанавливаются первый контур и второй контура для циркуляции теплоносителя. Верхние распределительные коллекторы 30, 230 соединены для обеспечения перетока теплоносителя между первым модулем 10 теплообменника и вторым модулем 210 теплообменника в верхнем конце каналов 120, 130, 320, 330 соответствующих труб 11, 211. Нижние распределительные коллекторы 33, 233 соединены для перетока теплоносителя между первым модулем 10 теплообменника и вторым модулем 210 теплообменника на нижнем конце каналов 120, 130, 320, 330 соответствующих труб 11, 211. Таким образом, могут быть компенсированы различные температурные условия. Между верхними распределительными коллекторами 30, 230 размещен соединительный элемент 40, имеющий соединительные сквозные отверстия 42. Другой идентичный элемент 40 для соединения коллекторов, имеющий соединительные сквозные отверстия 42, размещен между нижними распределительными коллекторами 33, 233. Соединительные элементы 40 для соединения коллекторов обеспечивают переток теплоносителя между соответствующими распределительными коллекторами 30, 33, 230, 233.
На фиг.2 представлено схематическое изображение одного конструктивного элемента воплощения, показанного на фиг.1. Некоторые элементы теплообменника 1 на фиг, 2 являются такими же, как и используемые в теплообменнике согласно фиг.1. Поэтому не все эти элементы вновь описаны подробно. На фиг.2 показан соединительный элемент 40 с соединительными сквозными отверстиями 42, предназначенный для соединения коллекторов. Соединительные отверстия 42 соответствуют отверстиям, выполненным во внешних стенках распределительных коллекторов 30, 33, 230, 233 (фиг.1). За счет этого устанавливается верхнее соединение по жидкости вверху между распределительными коллекторами 30, 33, и нижнее соединение по жидкости внизу между распределительными коллекторами 30, 33, 230, 233.
На фиг.3 на схематическом виде в разрезе представлено другое воплощение теплообменника. Здесь следует принять во внимание описание воплощения, иллюстрируемого на фиг.1, поскольку некоторые элементы воплощения, представленного на фиг.3, аналогичны соответствующим элементам, показанным на фиг.1. В целях ясности на фиг.3 каналы, образованные в трубах, не показаны. Вместе с тем представленное на фиг.3 воплощение теплообменника содержит каналы испарителя и конденсатора.
Представленное на фиг.3 воплощение теплообменника содержит продольный участок воздушного канала 48 с проходящими в горизонтальном направлении боковыми стенками, которые ограничивают воздушный канал 48 и в дальнейшем именуются верхней стенкой 50 канала и нижней стенкой 52 канала. Нижняя стенка 52 канала отделяет первую окружающую среду (снаружи канала 48, например, в пределах общей конструкции) от второй окружающей среды 62 (внутри канала 48). Вертикальные боковые стенки канала 48 показаны линиями невидимого контура на фланцевом участке 58, изображенном отдельно с левой стороны от основной фиг.3. Указанный фланцевый участок, показанный слева от фиг.3, представляет собой частичный вид силового модуля 100, если смотреть, например, на основное изображение фиг.3 с правой стороны. Фланцевый участок 58 содержит, кроме того, уплотнение 64, например, в виде уплотнительного кольца с О-образным сечением, уложенного в соответствующую канавку, и подходящие средства 59 соединения, например отверстия под болты для механического крепления продольного участка воздушного канала 48 к прилегающей в нему конструкции, например, к общей конструкции тягового преобразователя, а также для уплотнения двух окружающих сред друг относительно друга.
Как видно на виде в частичном разрезе на фиг.3, нижняя стенка 52 канала расположена непосредственно над участком испарителя (над зоной испарения), т.е. выше первого и второго теплопередающих элементов 28, 228 испарителя и ниже первого и второго теплопередающих элементов 29, 229 конденсатора. При этом нижняя стенка 52 воздушного канала отделяет теплую окружающую среду (первую среду) в непосредственной близости от первого и второго теплопередающих элементов 28, 228 испарителя от холодной окружающей среды (второй среды) в непосредственной близости от первого и второго теплопередающих элементов 29, 229 конденсатора. Термины «теплый» и «холодный» используются как относительные характеристики, т.е. теплая окружающая среды обычно характеризуется большей температурой, чем холодная окружающая среда.
Обе стенки 50, 52 канала могут иметь U-образную форму, если их концы, изогнутые в поперечном направлении, будут образовывать части фланца 58.
На фиг.4 показан на схематическом виде в разрезе тяговый преобразователь в соответствии с примером воплощения. Тяговый преобразователь согласно фиг.4 содержит описанный выше теплообменник 1, показанный на фиг.3. Поэтому упомянутый теплообменник 1 (фиг.3) далее подробно вновь не описан.
Тяговый преобразователь содержит чистый отсек 60 и загрязненный отсек 62. В чистом отсеке 60 находится первая «горячая» окружающая среда. В чистом отсеке 60 находятся 20 источники теплоты. При размещении источников 20 теплоты в чистом отсеке 60, БТИЗы, мощные резисторы и другие электрические и электронные компоненты источников 20 теплоты, отводимой в загрязненном отсеке 62, экранируют от загрязнений и влаги, содержащихся в загрязненном отсеке 62, в котором находится вторая «холодная» окружающая среда. Проходящие в горизонтальном направлении стенки 50, 52 воздушного канала уплотнены с помощью обычного уплотнения 64. Кроме того, канал 48 непосредственно соединен с трубами 11 модулей 10 теплообменника в их зоне конденсации. При этом достигается степень защиты IP65, т.е. загрязненный отсек 62 может быть даже затоплен водой без воздействия затопления на электронные компоненты, размещенные в чистом отсеке 60.
Другие созданные воплощения могут содержать другие уплотнения, которые установлены между стенками воздушного канала, в частности, между нижней стенкой 52 канала и верхней стенкой 50 канала и трубами 11, 211 модулей теплообменника. Другие воплощения могут быть выполнены с непосредственным соединением уплотнительных пластин с трубами, например, сварным соединением или клеевым соединением, где это необходимо.
Подобно воплощению силового модуля, показанного и описанного со ссылкой на фиг.3, тяговый преобразователь, показанный на фиг.4, содержит общую конструкцию 66 коробчатого типа, через которую проходит воздушный канал 68. В этом примере воплощения тягового преобразователя, показанного в упрощенном виде, в частичном разрезе, общая конструкция 66 коробчатого типа ограничена по вертикали верхним ограждением 76 и нижним ограждением 70. Участок 48 канала силового модуля 100 образует часть воздушного канала 68 общей конструкции 66, в которой другая нижняя стенка 72 канала и другая верхняя стенка 74 воздушного канала образуют на фиг.4 горизонтальное продолжение стенок 50, 52. Защитное ограждение 84 образует переднюю дверку или переднюю панель общей конструкции 66. Подобно фланцу 58 участка 48 канала общая конструкция (коробчатая конструкция) 66 вместе с указанным защитным ограждением 84 образует другую поверхность уплотнения для герметизации и защиты внутреннего объема тягового преобразователя с его силовыми электронными компонентами от любых неблагоприятных внешних условий снаружи преобразователя, например, от влажного воздуха. Такая степень защиты от внешних воздействий достигается тем, что общая конструкция образует другой фланцевый участок 71. Верхнее ограждение 76 и нижнее ограждение 70 имеют U-образную форму, в том случае, если их изогнутые в поперечном направлении концы образуют части фланца 58. Указанный другой фланцевый участок 71 снабжен также другим уплотнением 64, например, в виде уплотнительного кольца с О-образным сечением, уложенного в соответствующую канавку.
В рассматриваемом воплощении силовой модуль 100 с теплообменником 1 выполнен с возможностью ввода и извлечения из общей конструкции 66 тягового преобразователя наподобие выдвижной секции. Направляющие средства 75 используются для облегчения операций ввода и извлечения модуля. В зависимости от располагаемого свободного объема, а также от общей массы силового модуля, например, указанные направляющие средства могут быть образованы системой полозьев, перемещающихся внутри металлического профиля. Такие направляющие средства 75 могут упрощать ввод и извлечение силового модуля 100 из тягового преобразователя, в частности, если первый и второй модули теплообменника установлены по отношению друг к другу вплотную задними сторонами, когда силовая электроника, такая как БТИЗы, находится в тепловом контакте и механическом соединении с теплопередающими элементами. В зависимости от воплощения силовой модуль может содержать, кроме того, участок шины, например, токопроводящей шины с низкой индуктивностью или тому подобное.
Далее, касаясь более подробно охлаждения теплообменника 1, следует отметить, что указанный теплообменник 1 расположен вертикально между нижним ограждением 70 и верхним ограждением 76, образующими внутреннюю полость с отверстием с одной стороны. На фиг.4 полость открыта посредством отверстия справа. Однако другие воплощения характеризуются симметричным расположением элементов конструкции с отверстием, находящимся с левой стороны. При этом теплообменник 1 может быть легко заменен в случае нарушения нормального его функционирования и проведения технического обслуживания, когда необходимо. Внутренний объем тягового преобразователя является доступным и закрываемым защитным ограждением 84. Защитное ограждение 84 присоединяется к стенкам воздушного канала. На фиг.4 показаны верхняя и нижняя стенки 50 и 52 канала. Защитное ограждение 84 выполнено с перфорационными отверстиями с тем, чтобы образовать вход для воздуха для охлаждения внешним воздухом, образующим теплоноситель, который используется для восприятия и отвода тепловой нагрузки. Поскольку защитное ограждение 84 образует торцевую внешнюю поверхность воздушного канала 68, представляющего собой более загрязненный отсек 62 по сравнению с более чистым отсеком 60, на защитном ограждении 84 установлен фильтр 86 частиц, через который воздух поступает в загрязненный отсек 62 воздушного канала. В загрязненном отсеке 62 установлен вентилятор 88 для создания непрерывного потока воздуха, проходящего через участки конденсатора (т.е. части труб 11, на которых установлены теплопередающие элементы 29 конденсатора) модулей 10 теплообменника. При вертикальном расположении теплообменника 1 тягового преобразователя, показанного на фиг. 4, имеющего высоту, к примеру, 500 мм, тяговый преобразователь в целом может быть размещен ниже пола товарного/пассажирского вагона или на крыше товарного вагона.
За счет размещения модулей задними сторонами вплотную друг к другу и соединения распределительных коллекторов по жидкости воплощения теплообменника имеют высокую тепловую эффективность даже в том случае, если модуль теплообменника расположен в воздушном потоке ниже по потоку. Модуль теплообменника, находящийся ниже по потоку, встречается с более теплым охлаждающим воздухом, чем модуль теплообменника, находящийся выше по потоку. Однако жидкий теплоноситель, транспортируемый из нижнего распределительного коллектора в модуле теплообменника, находящемся выше по потоку, может поступать в нижний распределительный коллектор модуля теплообменника, расположенного ниже по потоку, обеспечивая в результате дополнительное охлаждение модуля теплообменника, расположенного ниже по потоку. Таким образом, оба модуля теплообменника могут работать в подходящих условиях, обеспечивая надлежащее охлаждение электронных компонент.
Далее со ссылкой на фиг. 5 описан пример конструктивного выполнения первого модуля 10 теплообменника, соответствующего одному воплощению. Второй модуль 210 теплообменника согласно воплощениям выполнен идентичным первому модулю 10 теплообменника.
Как показано на фиг. 5, первый модуль 10 теплообменника содержит ряд труб 11, заправленных теплоносителем, каждая из которых содержит внешнюю стенку 112 и внутренние стенки 114 (см. фиг. 6), формирующие внутри трубы 11 первые каналы 120 испарителя и первые каналы 130 конденсатора. Помимо того, модуль 10 теплообменника содержит первый теплопередающий элемент 28 испарителя, предназначенный для передачи теплоты первым каналам 120 испарителя, и первый теплопередающий элемент 29 конденсатора для отвода теплоты из первых каналов 130 конденсатора. Первые трубы 11 расположены вертикально, но возможны и другие положения, с наклоном, по меньшей мере, равным 45°. Первые каналы 120 испарителя и первые каналы 130 конденсатора в первых трубах 11 расположены параллельно.
В воплощении, представленном на фиг. 5, первый теплопередающий элемент 28 представляет собой монтажный элемент с монтажной поверхностью 160 для присоединения источника теплоты, например, полупроводникового силового блока (блока питания) или тому подобного, и контактную поверхность 170 для установления теплового контакта с участком внешней стенки 112 первой трубы 11, относящимся к первому каналу 120 испарителя.
В частности, в воплощении, представленном на фиг. 5, первый теплопередающий элемент 28 испарителя выполнен в виде установочной плиты, имеющей плоскую монтажную поверхность 160, служащую для присоединения источника теплоты, и контактную поверхность 170 с противоположной стороны от монтажной поверхности, выполненную с пазами 175, соответствующими внешним стенкам 112 первых труб 11. Другими словами, пазы 175 имеют такие форму и размеры, что первые трубы 11 вставлены в эти пазы так, что плотно прилегают к поверхности пазов. Кроме того, первый теплопередающий элемент 29 конденсатора выполнен в виде охлаждающих ребер на внешних стенках 112 труб 11. Две распределительные трубы, используемые в качестве первого верхнего распределительного коллектора 30 и первого нижнего распределительного коллектора 33, соединены с концами первых труб 11. В том случае, когда источник 20 рассеивает теплоту, теплоноситель (в парообразном состоянии) поднимается вверх по каналам 120 первого испарителя к первому верхнему распределительному коллектору 30 и из него в первые каналы 130 конденсатора, в которых теплоноситель конденсируется и стекает вниз в первый нижний распределительный коллектор 33.
В воплощении, показанном на фиг. 5, первые трубы выполнены в виде экструдированных алюминиевых труб, содержащих внутри ряд отдельных проходов и имеющих продолговатое поперечное сечение. При этом плоские внешние боковые стенки плоской трубы ориентированы перпендикулярно плоской монтажной поверхности 160 первого теплопередающего элемента 28 испарителя. В образцовых воплощениях к боковым торцам сборной конструкции прикреплены также две несущие полосы 195 для придания сборной конструкции прочности и придания направления охлаждающему воздуху, подводимому к первому теплопередающему элементу 29 конденсатора. Первый теплопередающий элемент 28 испарителя содержит два крепежных отверстия 165 для крепления электрических или электронных компонент.
Модули теплообменника, в соответствии с примерами воплощений, работают по
принципу термосифона с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя. Термосифон заправляют теплоносителем. В качестве теплоносителя может быть использован любой подходящий хладагент, некоторыми примерами которого являются хладагенты R134a, R245fa, R365mfc, R600a, а также диоксид углерода, метанол и аммиак. Модуль теплообменника установлен вертикально или с небольшим углом наклона относительно вертикального положения, причем так, что ребра теплопередающих элементов конденсатора расположены выше, чем теплопередающие элементы испарителя. Количество теплоносителя внутри термосифона обычно выбирают таким, чтобы уровень жидкости не был ниже верхнего уровня положения теплопередающих элементов испарителя.
Теплота, выделяемая электрическими компонентами 20, передается за счет теплопроводности на участок установочной плиты, содержащий пазы 175, первого теплопередающего элемента 28 испарителя и затем к передней стороне первых труб 11. Как можно видеть на фиг.6, только участки первых труб 11, которые закрыты пазами 175, т.е. первые каналы 120 испарителя непосредственно воспринимают подводимое тепло. При этом первые каналы 120 испарителя полностью или частично заполнены теплоносителем. Теплоноситель в первых каналах 120 испарителя испаряется за счет подводимой теплоты, и пары теплоносителя поднимаются в первых каналах 120 испарителя вверх. Кроме того, некоторое количество жидкости увлекается потоком пара и будет подниматься вверх в первых каналах 120 испарителя. Выше верхнего уровня расположения первого теплопередающего элемента 28 первые трубы 11 снабжены с обеих сторон в качестве первых теплопередающих элементов 29 конденсатора охлаждаемыми воздухом ребрами.
Ребра, прикрепленные к трубам, обычно охлаждаются конвективным воздушным потоком, создаваемым охлаждающим вентилятором или воздуходувкой (см. фиг.4). Возможно также использование для охлаждения естественной конвекции. В случае естественной конвекции было бы предпочтительным установить модуль теплообменника с увеличенным углом наклона относительно вертикального положения. Смесь пара и жидкости внутри каналов испарителя достигает верхнего распределительного коллектора и затем направляется вниз по каналам конденсатора. При прохождении через каналы конденсатора пар конденсируется и вновь превращается в жидкость, поскольку каналы передают теплоту ребрам охлаждения. Жидкий конденсат стекает вниз в нижний распределительный коллектор и возвращается вновь в каналы испарителя, реализуя тем самым замкнутый контур циркуляции теплоносителя. При использовании всех термосифонных устройств весь воздух и другие неконденсирующиеся газы, находящиеся внутри, предпочтительно предварительно откачивают (удаляют), и систему частично заполняют (заправляют) теплоносителем. В связи с этим в конструкцию системы включают заправочный и выпускной клапаны. Подходящими местами для подключения этих клапанов являются торцы распределительных коллекторов. Следует отметить, что для заправки и выпуска может быть использован один единственный клапан. В качестве альтернативы могут быть произведены откачка газов из теплообменника, заправка его теплоносителем и временная герметизация.
В воплощении, представленном на фиг. 4, охлаждающие ребра первых теплопередающих элементов 29 конденсатора имеются только на части внешней стенки 112 первой трубы 211, относящейся к первым каналам 130 конденсатора, поскольку только эта часть первой трубы 211 будет работать, как часть конденсатора термосифона. На фиг. 6 показаны также внутренние стенки 114, разделяющие отдельные первые каналы 120 испарителя и первые каналы 130 конденсатора. На фиг. 7 показан упрощенный схематический вид, который не согласуется строго с соответствующим поперечным сечением.
Хотя на сопровождающих чертежах такое воплощение модуля не представлено, специалисту будет понятно, что настоящее описание распространяется на воплощения, содержащие более двух модулей теплообменника, зоны конденсации которых расположены таким образом, чтобы они могли охлаждаться внешним теплоносителем, последовательно проходящим через участки конденсатора модулей. Кроме того, специалисту будет понятно, что настоящее описание охватывает воплощения теплообменников, модули которых могут содержать различное количество и различные типы первых труб. Помимо этого, специалист обратит внимание, что настоящее описание охватывает воплощения теплообменников, в которых каналы испарителя и каналы конденсатора находятся в трубах различной конструкции, например, если для каналов испарителя предназначены их собственные МРЕ-профили труб, в то время как для каналов конденсатора предназначены другие собственные МРЕ-профили.
В примерах воплощения первый и второй теплопередающие элементы испарителя изготовлены из материала с высокой теплопроводностью, такого как алюминий или медь. Указанные элементы могут быть изготовлены с помощью экструзии, литья, механической обработки или комбинации этих общеизвестных процессов. При этом отсутствует необходимость в том, чтобы первый и второй теплопередающие элементы испарителя были изготовлены с размерами, точно соответствующими размерам сборки труб. В некоторых воплощениях эти элементы выполняют с большими размерами для того, чтобы увеличить общую теплоемкость системы. При этом одна сторона установочной плиты
контактирует с трубами. Первый и второй теплопередающие элементы испарителя выполнены с одной стороны с пазами, которые частично покрывают трубы, содержащие ряд проходных каналов, как это показано на фиг.6, причем форма каналов согласуется с первой и второй трубами. Другая сторона плиты выполнена с плоской поверхностью для присоединения устанавливаемых на плите тепловыделяющих элементов, являющихся источниками теплоты, таких как элементы электронной схемы большой мощности (например, БТИЗ, биполярный транзистор с коммутируемым затвором, диод, мощные резисторы и т.п.). На плоской поверхности выполнены крепежные отверстия с резьбой или без резьбы, служащие для закрепления указанных компонентов болтами. Предпочтительно трубы имеют симметричное расположение внутренних каналов, при этом восходящие и нисходящие потоки в замкнутом контуре циркуляции теплоносителя в термосифоне протекают одновременно в одной и той же трубе. В воплощениях каналы для этих двух потоков выполнены независимыми. Например, самый большой перепад давления в потоке смеси паровой и жидкой фаз хладагента создается внутри каналов испарителя. По этой причине может быть целесообразным обеспечить для этих каналов большую площадь поперечного сечения. Для каналов конденсатора могут быть подходящими каналы меньшего сечения с внутренними или разделительными стенками или дополнительными элементами наподобие ребер на поверхности внутренних стенок для увеличения поверхности внутренних каналов, и тем самым для увеличения поверхности теплообмена. При использовании каналов различного размера внутри трубы с большим количеством проходных каналов может также необходимым использовать стенки различной толщины по периметру трубы с тем, чтобы все участки были в одинаковой степени стойкими к внутреннему давлению. Например, толщина стенки вокруг канала испарителя, имеющего больший размер, может быть увеличена при использовании в то же время стенок канала конденсатора меньшей толщины. По сравнению с использованием стенок испарителя одинаково большой толщины такой подход может уменьшить расход материала. Типичная толщина стенок, используемых в имеющихся на рынке алюминиевых экструдированных трубах с большим количеством проходных каналов внутри трубы, составляет порядка 0,2-0,7 мм.
Компоненты модулей теплообменника предпочтительно соединяют друг с другом путем проведения одностадийного процесса пайки твердым припоем в нагревательной печи. Пайка мягким припоем и пайка твердым припоем алюминия на алюминий является в особенности затруднительной из-за слоя оксида на поверхности алюминия, который препятствует смачиванию алюминия мягким припоем. Для решения этой проблемы используют различные способы. Часто алюминиевый материал основы покрывают припоем из AlSi (называемым также защитным покрытием), который плавится при более низкой температуре (приблизительно 590°), чем алюминиевый сплав основы. Алюминиевые трубы экструдируют вместе с защитным покрытием, уже нанесенным в виде тонкого слоя. На трубы наносят также флюс, путем погружения трубы в ванну или посредством распыления. При нагревании деталей в печи флюс способствует химическому удалению с алюминия слоя оксида. Контролируемая атмосфера содержит ничтожное количество кислорода (обычно используют азотную атмосферу) так, что новый слой оксида при проведении процесса не образуется. При отсутствии слоя оксида плавящийся твердый припой способен смачивать прилегающие друг к другу детали и заполнять зазоры между компонентами в сборе. При охлаждении деталей достигается надежное и газонепроницаемое соединение. Кроме того, охлаждающие ребра и трубы также соединяют с обеспечением хорошего теплового контакта между ними. В результате проведения процессов сборки всего устройства и пайки мягким припоем в одностадийном процессе положение каналов труб, расположенных на первом и втором теплопередающих элементах испарителя, точно определяется положением первой и второй труб соответственно. В качестве альтернативы, для соединения теплопередающих элементов испарителя с трубами может быть использован второй процесс пайки мягким припоем при более низкой температуре, проводимый после осуществления пайки твердым припоем основной части модуля теплообменника. Пайка мягким припоем при более низкой температуре является хорошим решением для того, чтобы гарантировать отсутствие отпаивания соединений, паяных ранее твердым припоем, в процессе повторного нагревания для осуществления пайки мягким припоем.
В примерах воплощений используются плоские трубы, выполненные с решетчатыми ребрами и содержащие внутри ряд проточных каналов. Плоские трубы создают меньший перепад давления в потоке воздуха, по сравнению с трубами, имеющими круглую форму поперечного сечения. Кроме того, конструкция с большим количеством внутренних проточных каналов увеличивает внутреннюю поверхность теплообмена. Решетчатые ребра повышают коэффициент теплопередачи при отсутствии значительного увеличения перепада давления (решетки представляют собой скошенные щелевые отверстия, образованные поверхностью ребер). Ребра формируют из вырезанной полоски листового алюминия, которую сгибают с получением формы наподобие гармоники. Шаг между ребрами легко устанавливается во время сборки за счет «растягивания гармоники». Две коллекторные круглые трубы, установленные на концах плоских труб, образуют распределительные коллекторы. Укладка и сборка этих элементов, образующих основную часть теплообменника, могут быть произведены в полностью автоматизированных процессах.
На фиг.7 представлен схематический вид в разрезе еще одного воплощения теплообменника 1. В этом случае также одинаковые ссылочные номера позиций используются для обозначения идентичных или сходных элементов, показанных на фиг.1-фиг.6. Теплообменник 1 на фиг.7 содержит элемент для соединения по жидкости, образованный верхним соединительным трубопроводом 200, предназначенным для соединения верхних распределительных коллекторов 30, 300, и нижний соединительный трубопровод 205 для соединения нижних распределительных коллекторов 33, 233. Верхний соединительный трубопровод 200 и нижний соединительный трубопровод 205 показаны на фиг.7 на виде спереди не в разрезе.
Примеры воплощения содержат верхний и нижний соединительные трубопроводы для установления соединения по жидкости между распределительными коллекторами модулей теплообменника, размещенные вплотную друг к другу задними сторонами. Использование соединительных трубопроводов позволяет легко приспособить теплообменник с его выгодными термодинамическими характеристиками к различным установочным размерам. Соединительные трубопроводы могут быть смонтированы на верхнем или нижнем торцах модулей теплообменника. Примеры воплощений содержат верхнюю и нижнюю соединительные трубопроводы для образования замкнутого контура температурной компенсации между модулями теплообменника. Таким образом, замкнутые контуры циркуляции теплоносителя модулей теплообменника усовершенствованы путем добавления контура второго типа для температурной компенсации. За счет такого выполнения эффективность работы компактно смонтированных теплообменников может быть улучшена.
Перечень ссылочных номеров позиций
10 - первый модуль теплообменника
11 - первая труба
20 - источник теплоты
28 - первый теплопередающий элемент испарителя
29 - первый теплопередающий элемент конденсатор
30 - первый верхний распределительный коллектор
33 - первый нижний распределительный коллектор
40 - элемент для соединения коллекторов
42 - соединительные сквозные отверстия
44 - внешний теплоноситель, например, воздух
48 - участок воздушного канала
50 - верхняя стенка воздушного канала
52 - нижняя стенка воздушного канала
58 - фланец
59 - средства крепления
60 - чистый отсек (первая окружающая среда)
62 - загрязненный отсек (вторая окружающая среда)
64 - уплотнение
66 - общая коробчатая конструкция
68 - воздушный канал
70 - нижнее ограждение
71 - другой фланцевый участок
72 - другая нижняя стенка канала
74 - другая верхняя стенка канала
75 - направляющие средства
76 - верхнее ограждение
84 - плоское защитное ограждение
86 - фильтр твердых частиц
88 - вентилятор
100 - силовой модуль
112 - внешняя стенка трубы
114 - внутренняя стенка трубы
120 - первый канал испарителя
130 - первый канал конденсатора
160 - монтажная поверхность
165 - крепежное отверстие
170 - контактная поверхность
175 - паз
183 - нагревающее ребро
195 - несущая планка
200 - верхний соединительный трубопровод
205 - нижний соединительный трубопровод
210 - второй модуль теплообменника
211 - вторая труба
228 - второй теплопередающий элемент испарителя
229 - второй теплопередающий элемент конденсатора
230 - второй верхний распределительный коллектор
233 - второй нижний распределительный коллектор
320 - второй канал испарителя
330 - второй канал конденсатора
1. Теплообменник (1), содержащий первый модуль (10) теплообменника с первым каналом (120) испарителя и первым каналом (130) конденсатора, при этом указанные первый канал (120) испарителя и первый канал (130) конденсатора расположены в первой трубе (11), причем первый канал (120) испарителя и первый канал (130) конденсатора соединены по жидкости друг с другом посредством первого верхнего распределительного коллектора (30) и первого нижнего распределительного коллектора (33) так, что первый канал (120) испарителя и первый канал (130) конденсатора образуют первый контур для циркуляции теплоносителя; при этом первый модуль (10) теплообменника содержит первый теплопередающий элемент (28) испарителя для передачи теплоты в первый канал (120) испарителя; и первый теплопередающий элемент (29) конденсатора для отвода теплоты из первого канала (130) конденсатора, отличающийся тем, что содержит второй модуль (210) теплообменника, соединенный с помощью элемента (40, 200, 205) для соединения по жидкости с первым модулем (10) теплообменника для обмена теплоносителем между первым модулем (10) теплообменника и вторым модулем (210) теплообменника, при этом второй модуль (210) теплообменника содержит второй канал (320) испарителя и второй канал (330) конденсатора, причем второй канал (320) испарителя и второй канал (330) конденсатора расположены во второй трубе (211), при этом второй канал (320) испарителя и второй канал (330) конденсатора соединены по жидкости друг с другом посредством второго верхнего распределительного коллектора (230) и второго нижнего распределительного коллектора (233) так, что второй канал (320) испарителя и второй канал (330) конденсатора образуют второй контур для циркуляции теплоносителя; при этом второй канал (330) конденсатора расположен оппозитно первому каналу (120) испарителя по отношению к первому каналу (130) конденсатора, если смотреть в виртуальной плоскости, на которую проецируются первый канал (130) конденсатора, второй канал (330) конденсатора и первый канал (120) испарителя.
2. Теплообменник (1) по п. 1, отличающийся тем, что первый модуль (10) теплообменника и второй модуль (210) теплообменника выполнены с возможностью работы независимо друг от друга.
3. Теплообменник (1) по п. 1, отличающийся тем, что первый канал (130) конденсатора и второй канал (330) конденсатора расположены между первым каналом (120) испарителя и вторым каналом (320) испарителя, если смотреть в виртуальной плоскости, на которую проецируются первый канал (130) конденсатора, второй канал (330) конденсатора и второй канал (320) испарителя.
4. Теплообменник (1) по п. 2, отличающийся тем, что первый канал (130) конденсатора и второй канал (330) конденсатора расположены между первым каналом (120) испарителя и вторым каналом (320) испарителя, если смотреть в виртуальной плоскости, на которую проецируются первый канал (130) конденсатора, второй канал (330) конденсатора и второй канал (320) испарителя.
5. Теплообменник (1) по п. 1, отличающийся тем, что первый верхний распределительный коллектор (30) соединен с верхним концом первой трубы (11), а второй верхний распределительный коллектор (230) соединен с верхним концом второй трубы (211), при этом первый верхний распределительный коллектор (30) и второй верхний распределительный коллектор (230) сообщены с помощью верхнего соединения по жидкости.
6. Теплообменник (1) по п. 2, отличающийся тем, что первый верхний распределительный коллектор (30) соединен с верхним концом первой трубы (11), а второй верхний распределительный коллектор (230) соединен с верхним концом второй трубы (211), при этом первый верхний распределительный коллектор (30) и второй верхний распределительный коллектор (230) сообщены с помощью верхнего соединения по жидкости.
7. Теплообменник (1) по п. 3, отличающийся тем, что первый верхний распределительный коллектор (30) соединен с верхним концом первой трубы (11), а второй верхний распределительный коллектор (230) соединен с верхним концом второй трубы (211), при этом первый верхний распределительный коллектор (30) и второй верхний распределительный коллектор (230) сообщены с помощью верхнего соединения по жидкости.
8. Теплообменник (1) по п. 4, отличающийся тем, что первый верхний распределительный коллектор (30) соединен с верхним концом первой трубы (11), а второй верхний распределительный коллектор (230) соединен с верхним концом второй трубы (211), при этом первый верхний распределительный коллектор (30) и второй верхний распределительный коллектор (230) сообщены с помощью верхнего соединения по жидкости.
9. Теплообменник (1) по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что первый нижний распределительный коллектор (33) соединен с нижним концом первой трубы (11), а второй нижний распределительный коллектор (233) соединен с нижним концом второй трубы (211), при этом первый нижний распределительный коллектор (33) и второй нижний распределительный коллектор (233) сообщены с помощью нижнего соединения по жидкости.
10. Теплообменник (1) по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что первый модуль (10) теплообменника содержит множество первых труб (10), размещенных параллельно так, что первые каналы (120) испарителя расположены в ряд на одной линии и первые каналы (130) конденсатора расположены в ряд на одной линии.
11. Теплообменник (1) по п. 9, отличающийся тем, что первый модуль (10) теплообменника содержит множество первых труб (10), размещенных параллельно так, что первые каналы (120) испарителя расположены в ряд на одной линии и первые каналы (130) конденсатора расположены в ряд на одной линии.
12. Теплообменник (1) по любому из пп. 1-8, 11, отличающийся тем, что содержит второй теплопередающий элемент (228) испарителя для передачи теплоты во второй канал (320) испарителя и/или второй теплопередающий элемент (229) для отвода теплоты из второго канала (330) конденсатора.
13. Теплообменник (1) по п. 9, отличающийся тем, что содержит второй теплопередающий элемент (228) испарителя для передачи теплоты во второй канал (320) испарителя и/или второй теплопередающий элемент (229) для отвода теплоты из второго канала (330) конденсатора.
14. Теплообменник (1) по п. 10, отличающийся тем, что содержит второй теплопередающий элемент (228) испарителя для передачи теплоты во второй канал (320) испарителя и/или второй теплопередающий элемент (229) для отвода теплоты из второго канала (330) конденсатора.
15. Теплообменник (1) по любому из пп. 1-8, 11, 13, 14, отличающийся тем, что элемент (40) для соединения коллекторов по жидкости имеет соединительные сквозные отверстия (42), которые соответствуют отверстиям, выполненным во внешней стенке нижних распределительных коллекторов (33, 233) и/или во внешней стенке верхних распределительных коллекторов (30, 230).
16. Теплообменник (1) по п. 9, отличающийся тем, что элемент (40) для соединения коллекторов по жидкости имеет соединительные сквозные отверстия (42), которые соответствуют отверстиям, выполненным во внешней стенке нижних распределительных коллекторов (33, 233) и/или во внешней стенке верхних распределительных коллекторов (30, 230).
17. Теплообменник (1) по п. 10, отличающийся тем, что элемент (40) для соединения коллекторов по жидкости имеет соединительные сквозные отверстия (42), которые соответствуют отверстиям, выполненным во внешней стенке нижних распределительных коллекторов (33, 233) и/или во внешней стенке верхних распределительных коллекторов (30, 230).
18. Теплообменник (1) по п. 12, отличающийся тем, что элемент (40) для соединения коллекторов по жидкости имеет соединительные сквозные отверстия (42), которые соответствуют отверстиям, выполненным во внешней стенке нижних распределительных коллекторов (33, 233) и/или во внешней стенке верхних распределительных коллекторов (30, 230).
19. Теплообменник (1) по любому из пп. 1-8, 11, 13, 14, 16-18, отличающийся тем, что элемент (40) для соединения коллекторов по жидкости включает в себя верхний соединительный трубопровод (200) для соединения верхних распределительных коллекторов (30, 230) и/или нижний соединительный трубопровод (205) для соединения нижних распределительных коллекторов (33, 233).
20. Теплообменник (1) по любому из пп. 1-8, 11, 13, 14, 16-18, отличающийся тем, что содержит участок (48) воздушного канала, непосредственно соединенный с трубами (11) модулей (10) теплообменника.
21. Теплообменник (1) по любому из пп. 1-8, 11, 13, 14, 16-18, отличающийся тем, что, по меньшей мере, первая труба (11) или одна из первых труб (11) содержит множество первых каналов (120) испарителя и множество первых каналов (130) конденсатора.
22. Силовой модуль (100), содержащий теплообменник (1) по любому из пп. 1-21, в котором по меньшей мере один полупроводниковый блок (20) имеет тепловой контакт с первым теплопередающим элементом (28) теплообменника (1).
23. Тяговый преобразователь, содержащий по меньшей мере один силовой модуль (100) по п. 22.
24. Тяговый преобразователь по п. 23, который содержит коробчатую конструкцию (70, 76), содержащую первый отсек (60) и второй отсек (62), причем качество воздуха, находящегося во втором отсеке (62) ниже качества воздуха в первом отсеке (60), при этом первый теплопередающий элемент (28) теплообменника (1) размещен в первом отсеке (60), а часть первой трубы (11) расположена во втором отсеке (62).
25. Тяговый преобразователь по любому из пп. 23 или 24, содержащий силовой модуль (100) с теплообменником (1) по п. 22, при этом силовой модуль установлен с возможностью ввода в коробчатую конструкцию и извлечения из коробчатой конструкции с помощью направляющих средств (75) подобно выдвижной секции, при этом между участком (48) воздушного канала силового модуля (100), коробчатой конструкцией и дверкой или передней панелью (84) коробчатой конструкции установлено воздухонепроницаемое уплотнение в том случае, когда теплообменник (1) размещен полностью в тяговом преобразователе.
