热交换器和包括热交换器的电气装置

技术领域

本发明总体上涉及热交换器。特别地，提供了包括具有三维网格主体的结构的热交换器，以及包括该热交换器的电气装置。

背景技术

电力变压器中使用的变压器油通常通过冷却装置(诸如散热器或冷却器)进行冷却。这些冷却装置通常构成变压器的占地面积的重要部分。

US 2020033070 A1公开了一种热交换器，该热交换器包括壳体和壳体内的最小表面结构。壳体包括第一入口、第一出口、第二入口和第二出口。最小表面结构将壳体内的第一容积和第二容积分离。第一入口和第一出口与第一容积流体连通，并且第二入口和第二出口与第二容积流体连通。第一容积和第二容积分离以免彼此混合。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有改进性能的热交换器。

本公开的另外的目的是提供一种具有紧凑设计的热交换器。

本公开的又一另外的目的是提供一种具有低重量的热交换器。

本发明的又一另外的目的是提供一种需要少量的流体的热交换器。

本公开的又一另外的目的是提供一种以组合的方式解决前述目的中的几个或全部的热交换器。

本公开的又一另外的目的是提供一种包括电气部件和热交换器的电气装置，该电气装置解决前述目的中的一个、几个或全部。

本公开的又一另外的目的是提供一种包括电气部件和热交换器的电气装置，该电气装置实现电气部件的改善的冷却。

根据一个方面，提供一种热交换器，包括：主侧；副侧；在主侧上的至少一个主结构，该至少一个主结构在主侧上限定至少一个主空间；以及在副侧上的至少一个副结构，该至少一个副结构在副侧上限定至少一个副空间；其中，至少一个主结构中的一个或多个和至少一个副结构中的一个或多个界定与至少一个主空间分离并且与至少一个副空间分离的冷却剂容积；其中，至少一个主结构中的一个或多个和/或至少一个副结构中的一个或多个包括三维网格主体；并且其中，热交换器还包括在主侧上的至少一个主空间和副侧上的至少一个副空间之间提供流体紧密密封的分离结构，并且其中，分离结构被配置成允许冷却剂容积的冷却剂在主侧和副侧之间流动。

借助于三维网格主体，主空间、副空间和冷却剂容积中的一个或多个形成为连续的迷宫式网络。网格主体增加了暴露用于热传递的表面积。因此，借助于网格主体提高了热传递效率。网格主体还提供了良好的混合环境和压降的低增加。

网格主体可以包括在两个或三个正交方向中的每个上的周期性图案，例如在每个方向上至少三个周期。网格主体可以包括多个单元。这些单元可以在二维或三维上正交布置。

至少一个主空间可以在主侧上与含有例如油的第一流体的较大容积流体连通。至少一个副空间可以在副侧上与含有例如大气的第二流体的较大容积流体连通。

第一流体可以在主空间中流动，第二流体可以在副空间中流动，并且第三流体(例如冷却剂)可以在冷却剂容积中流动。在这种情况下，第一流体、第二流体和第三流体从不混合。第一流体可以是油，第二流体可以是空气，以及第三流体可以是另一冷却剂。主空间的容积和副空间的容积的总和可以基本上对应于或对应于冷却剂容积。

冷却剂容积可以从第一侧延伸到第二侧。热交换器还可以包括分离结构。分离结构可以限定主侧和副侧。分离结构在主侧上的至少一个主空间和副侧上的至少一个副空间之间提供流体紧密密封。分离结构被配置成允许冷却剂容积的冷却剂在主侧和副侧之间流动。分离结构例如可以是分离壁。分离结构可以由至少一个主结构中的一个或多个的一部分和/或至少一个副结构中的一个或多个的一部分构成。替代性地，分离结构可以是除了至少一个主结构和至少一个副结构之外的结构。因此，冷却剂可以在例如在主侧上的冷却剂容积内部蒸发，并且可以流到副侧，在副侧处，冷却剂冷却并冷凝，之后，冷却剂可以以循环的方式返回到主侧再次蒸发。

热交换器可以包括冷却剂容积内的两相冷却剂。在这种情况下，冷却剂容积的邻近于主空间的区域可以是蒸发器区域，并且冷却剂容积的邻近于副空间的区域可以是冷凝器区域。

至少一个主结构中的一个或多个和/或至少一个副结构中的一个或多个可以是管。该管可以是导热管。在这种情况下，热交换器充分利用三维网格主体和导热管，从而以紧凑和简单的设计进一步提高热交换性能。

网格主体可以包括三重周期性基本最小表面，诸如三重周期性最小表面TPMS。TPMS可以包括例如Schwarz P表面。

界定冷却剂容积的至少一个主结构中的一个或多个和界定冷却剂容积的至少一个副结构中的一个或多个可以一体形成。在这种情况下，分离结构可以布置在一体形成的主结构/副结构内部。

至少一个主结构可以包括在其间界定冷却剂容积的两个主结构，和/或至少一个副结构可以包括在其间界定冷却剂容积的两个副结构。以这样的方式，表面热交换几乎可以翻倍。

内部主结构可以限定内部主空间，并且外部主结构可以限定外部主空间。内部主空间可以与外部主空间流体连通，也可以不与外部主空间流体连通。诸如油的第一流体可以在内部主空间和外部主空间中流动，而诸如冷却剂的第三流体可以在内部主空间和外部主空间之间的冷却剂容积中流动。

内部副结构可以限定内部副空间，并且外部副结构可以限定外部副空间。内部副空间可以与外部副空间流体连通，也可以不与外部副空间流体连通。诸如空气的第二流体可以在内部副空间和外部副空间中流动，而诸如冷却剂的第三流体可以在内部副空间和外部副空间之间的冷却剂容积中流动。

至少一个主结构中的一个或多个和/或至少一个副结构中的一个或多个可以以增材的方式制造。增材制造的一个示例是3D打印。分离结构也可以以增材的方式制造。

界定冷却剂容积的至少一个主结构和界定冷却剂容积的至少一个副结构可以包括朝向冷却剂容积的毛细结构。替代性地或附加地，冷却剂容积、界定冷却剂容积的至少一个主结构和界定冷却剂容积的至少一个副结构可以被配置成起导热管的作用。这些变体增强了热交换器的被动冷却。

至少一个主结构中的一个或多个和/或至少一个副结构中的一个或多个可以包括具有至少10μm(诸如10μm至200μm)的算术平均表面粗糙度的粗糙表面。该表面粗糙度改善了热交换。

至少一个主结构中的一个或多个和/或至少一个副结构中的一个或多个可以包括用于促进流体流动的定制表面。定制表面可以与主结构和/或副结构一起以增材的方式制造和/或抛光。借助于一个或多个定制表面，热交换器的性能可以被提高。根据一种变型，定制表面的至少10％被抛光。

定制表面或其面积可以包括周期性纹理。周期性纹理可以被设计成促进湍流，并且从而进一步改善热传递。周期性纹理也可以被设计成进一步降低压降。周期性纹理的示例是凹痕、鳍片和鲨鱼皮。

包括网格主体的至少一个主结构中的一个或多个和/或至少一个副结构中的一个或多个也可以包括非平坦且促进流动的端部。例如，端部可以是锥形或半球形。每个端部可以封闭网格主体的相应单元。

根据另外的方面，提供一种电气装置，包括：热生成电气部件和根据本发明的布置成冷却该电气部件的热交换器。借助于热交换器的三维网格主体，提高了电气部件的冷却效率。

由于热交换器具有紧凑的设计，电气装置也可以做得更紧凑。替代性地，在相同的占地面积下，电气装置可以具有更大功率。

借助于热交换器，电气装置可以做得更轻。这反过来降低了运输成本。热交换器还使得电气装置更容易制造。

电气装置可以在主侧上包括介电冷却流体，诸如绝缘油。由于热交换器的高传热效率，介电冷却流体的量可以相对低。电气装置可以被配置成仅通过自然对流来循环冷却流体，即，没有用于循环冷却流体的任何机械辅助。

电气装置还可以包括风扇，风扇被布置成建立用于冷却副结构的流体流。在至少一个副结构中的一个或多个包括三维网格主体的情况下，风扇可以被布置成建立穿过网格主体的流体流。

电气装置可以是高压静电感应系统，诸如电力变压器。如本文所用，高电压可以至少30kV，诸如至少100kV。

由于高压静电感应系统的大尺寸，热交换器也不得不相对大(尽管紧凑)。大尺寸的热交换器能够添加附加功能以获得增强的冷却性能。尽管主要结合电力变压器描述了热交换器，但是热交换器不限于电气装置。

附图说明

根据以下结合附图的实施例，本公开的另外的细节、优点和各方面将变得显而易见，其中：

图1示意性地示出了包括热交换器的电气装置的侧视图；

图2示意性地示出了图1中的热交换器的局部立体图；

图3示意性地示出了图1中的热交换器的局部截面侧视图；

图4示意性地示出了包括热交换器的另外的示例的电气装置的侧视图；

图5示意性地示出了图4中的热交换器的局部立体图；

图6示意性地示出了包括热交换器的另外的示例的电气装置的侧视图；

图7示意性地示出了图6中的热交换器的局部立体图；以及

图8示意性地示出了包括热交换器的另外的示例的电气装置的侧视图。

具体实施方式

在下文中，将描述包括具有三维网格主体的结构的热交换器，以及包括该热交换器的电气装置。相同或相似的附图标记将用于表示相同或相似的结构特征。

图1示意性地示出了在此示例为电力变压器10的电气装置的侧视图。电力变压器10包括热交换器12。电力变压器10还包括热生成电气部件14。热交换器12被布置成冷却电气部件14。

电力变压器10包括外壳16。电气部件14布置在外壳16内部。在这个示例中，外壳16含有绝缘油18。电气部件14浸没在油18中。电气部件14可以是电力变压器10的绕组。

图1还示出了主侧20和副侧22。主侧20设置在外壳16内部并含有油18。在这个示例中，副侧22是外壳16外部的环境大气。热交换器12还包括风扇24。

图2示意性地示出了图1中的热交换器12的局部立体图。共同参照图1和图2，热交换器12包括主结构26和副结构28。主结构26和副结构28一体形成在三维网格主体中。这个示例的网格主体包括三重周期性最小表面(TPMS)。这里，TPMS是Schwarz P表面。TPMS包括多个单元。在这个示例中，单元布置在三个正交方向上。主结构26和副结构28中的每个包括促进流动的非平坦端部30，在此示例为锥形体。

热交换器12还包括分离结构，在此示例为分离壁32。每个分离壁32在主侧20和副侧22之间提供流体紧密密封。分离壁32可以布置在网格主体内的不同位置处。分离壁32不必要与外壳16的壁对准。主结构26、副结构28和分离壁32以增材的方式制造，例如，通过3D打印方式。

主结构26限定了主空间34。主空间34与主侧20流体连通。在这个示例中，主空间34包括TPMS的单元外部的连续迷宫式网络。因此，油18可以从电气部件14流入到主结构26内部的主空间34中，并返回到电气部件14。主空间34可以在网格主体内以及外壳16外部延伸。主空间34在网格主体内延伸多远取决于分离壁32的定位。

副结构28限定了副空间36。副空间36与副侧22流体连通。这个示例中，副空间36包括TPMS的单元外部的连续迷宫式网络。因此，分离壁32布置在TPMS的单元外部，以在主空间34和副空间36之间进行密封。环境空气可以流入和流出副结构28内部的副空间36。风扇24可以用于迫使空气通过副空间36。副空间36可以在网格主体内延伸并进入到外壳16中。副空间36在网格主体内延伸多远取决于分离壁32的定位。

这里，由主结构26和副结构28构成的网格单元主体界定了冷却剂容积38。在这个示例中，冷却剂容积38包括TPMS的单元内部的连续迷宫式网络。冷却剂容积38与主空间34和副空间36分离。分离壁32被配置成允许冷却剂容积38的冷却剂在主侧20和副侧22之间流动。

热交换器12还包括冷却剂容积38内的两相冷却剂。冷却剂容积38因此形成分别与主空间34和副空间36相邻的蒸发器区域和冷凝器区域。

图3示意性地示出了图1中的热交换器12的局部截面侧视图。网格主体的面向冷却剂容积38的表面(在TPMS的单元内部)设置有毛细结构40。主结构26、副结构28和冷却剂容积38因此被布置成起导热管的作用。

冷却剂容积38的表面的一些部分包括多孔的毛细结构40。毛细结构40可以以各种方式制造。毛细结构40例如可以通过调节打印参数与主结构26/副结构28的壁一起被3D打印，以从完全致密的结构移动到多孔结构。

在冷却剂容积38的邻近于主空间34的蒸发器区域中，两相冷却剂从油18吸收热量并蒸发。蒸汽在冷却剂容积38内部但在毛细结构40外部流动到冷却剂容积38的邻近于副空间36的较低温度的冷凝器区域，在冷凝器区域中，蒸汽冷凝回液体并被毛细结构40吸收。然后，液体在毛细结构40内部从冷凝器区域流动回到蒸发器区域。

这个示例的电力变压器10是被动冷却的。在电力变压器10的操作期间，电气部件14生成热量并加热油18。进入到主空间34中的油18被冷却剂容积38内的冷却剂冷却。由于网格主体，主空间34和冷却剂容积38之间的被暴露用于热传递的表面积很大。相应地，网格主体还提供了被暴露用于冷却剂容积38和副空间36之间的热传递的大的表面积，空气借助于风扇24被强制通过该表面积。毛细结构40增强了被动冷却。因此，热交换器12以紧凑的设计提供了非常有效的热传递。被热交换器12冷却的油18由于自然对流而下沉，并且在外壳16内部建立了油18的循环(在图1中的顺时针方向上)。

图4示意性地示出了包括热交换器12的另外的示例的电力变压器10的侧视图，以及图5示意性地示出了图4中的热交换器12的局部立体图。共同参照图4和图5，将主要描述与图1至图3的差异。

图4和图5中的热交换器12包括内部主结构26、外部主结构42、内部副结构28和外部副结构44。内部主结构26布置在外部主结构42内部。内部副结构28布置在外部副结构44内部。

内部主结构26和内部副结构28一体形成在内部三维网格主体中。外部主结构42和外部副结构44一体形成在外部三维网格主体中。网格主体错综复杂。在这个示例中，内部网格主体和外部网格主体中的每个包括三重周期性最小表面TPMS。每个网格主体包括多个单元。内部网格主体的每个单元布置在外部网格主体的单元内部。同样在这个示例中，每个网格主体的单元布置在三个正交方向上。在图4和图5中，分离壁32中的一些布置在内部网格主体的单元内部，并且分离壁32中的一些布置在外部网格主体的单元外部。

内部主结构26限定了内部主空间34，并且外部主结构42限定了外部主空间46。在这个示例中，内部主空间34和外部主空间46中的每个与主侧20流体连通。内部主空间34包括内部网格主体的单元内部的连续迷宫式网络。外部主空间46包括外部网格主体的单元外部的连续迷宫式网络。因此，油18可以从电气部件14流入到内部主结构26的内部主空间34中，并流入到外部主结构42的外部主空间46中，并且然后返回到电气部件14。内部主空间34可以在内部网格主体内(其单元内部)以及外壳16外部延伸。外部主空间46可以在外部网格主体内(其单元外部)以及外壳16外部延伸。内部主空间34和外部主空间46延伸多远取决于分离壁32的定位。

内部副结构28限定了内部副空间36，并且外部副结构44限定了外部副空间48。在这个示例中，内部副空间36和外部副空间48中的每个与副侧22流体连通。内部副空间36包括内部网格主体的单元内部的连续迷宫式网络。外部副空间48包括外部网格主体的单元外部的连续迷宫式网络。环境空气可以流入到内部副空间36和外部副空间48中的每个中。风扇24可以用于迫使空气通过内部副空间36和外部副空间48中的每个。内部副空间36可以在内部网格主体内(其单元内部)以及外壳16内部延伸。外部副空间48可以在外部网格主体内(其单元外部)以及外壳16内部延伸。内部副空间36和外部副空间48延伸多远取决于分离壁32的定位。

在这个示例中，内部网格主体由内部主结构26和内部副结构28构成，并且外部网格主体由外部主结构42和外部副结构44构成。冷却剂容积38被界定在内部网格主体和外部网格主体之间。因此，冷却剂容积38设置在内部网格主体的单元外部和外部网格主体的单元内部。同样在这个示例中，冷却剂容积38包括连续迷宫式网络。冷却剂容积38与内部主空间34、外部主空间46、内部副空间36和外部副空间48中的每个分离。分离壁32被配置成允许冷却剂容积38的冷却剂在主侧20和副侧22之间流动。

冷却剂容积38含有两相冷却剂，并且以与图1至图3中相同的方式设置有多孔毛细结构40。冷却剂容积38因此形成邻近于内部主空间34和外部主空间46的蒸发器区域，以及邻近于内部副空间36和外部副空间48的冷凝器区域。

由于图4和图5中错综复杂的网格主体，被暴露用于内部主空间34和冷却剂容积38之间以及外部主空间46和冷却剂容积38之间的热传递的表面积非常大。相应地，错综复杂的网格主体还提供了被暴露用于内部副空间36和冷却剂容积38之间以及外部副空间48和冷却剂容积38之间的热传递的非常大的表面积，空气借助于风扇24被强制通过该表面积。毛细结构40进一步增强了被动冷却。因此，热交换器12以紧凑的设计提供了更有效的热传递。

图6示意性地示出了包括热交换器12的另外的示例的电力变压器10的侧视图，以及图7示意性地示出了图6中的热交换器12的局部立体图。共同参照图6和图7，将主要描述与图1至图3的差异。

图6和图7中的热交换器12包括多个直导热管50和外部主结构42。外部主结构42包括三维网格主体，在此示例为三重周期性最小表面TPMS。外部主结构42包括多个单元。同样在这个示例中，网格主体的单元布置在三个正交方向上。在这个示例中，外部主结构42包括分离壁32。分离壁32将主侧20和副侧22分离。分离壁32被配置成允许冷却剂容积38的冷却剂在主侧20和副侧22之间流动。

每个导热管50布置在外部主结构42内部。更具体地，每个导热管50延伸穿过分离壁32并穿过外部主结构42。因此，导热管50构成分离壁32的主侧20上的内部主结构和分离壁32的副侧22上的副结构。

导热管50在分离壁32和外部主结构42的主侧20上的区段(图6中的左侧)在主侧20上限定了其间的主空间34。主空间34与主侧20流体连通。主空间34包括外部主结构42的单元内部的连续迷宫式网络。油18因此可以从电气部件14流入到主空间34中，并且然后回到电气部件14。

导热管50在分离壁32的副侧22上的区段(图6中的右侧)在其间限定了副空间36。副空间48也设置在外部主结构42内部，即在单元外部。副空间36、48中的每个与副侧22流体连通。副空间48包括外部主结构42的单元外部的连续迷宫式网络。环境空气可以流入到导热管50之间的副空间36和外部主结构42的单元外部的副空间48中的每个中。风扇24可以用于迫使空气通过副空间36、48。

每个导热管50的两个端部是封闭的。每个导热管50由此界定了其中的冷却剂容积38。冷却剂容积38与主空间34和副空间36、48分离。

冷却剂容积38含有两相冷却剂，并且以与图1至图3中的相应的方式设置有多孔毛细结构40。毛细结构40设置在导热管50的内表面上。导热管50内部的冷却剂容积38因此形成邻近于外部主结构42的蒸发器区域和邻近于副空间36的冷凝器区域。导热管50在副侧22上延伸到外部主结构42外部多远取决于需要传递多少热量来通过自然对流冷凝冷却剂。

由于图6和图7中错综复杂的结构，即，网格主体内部的导热管50，被暴露用于主空间34和冷却剂容积38之间以及主空间34和副空间48之间的热传递的表面积很大。借助风扇24迫使空气通过副空间36、48。毛细结构40进一步增强了被动冷却。图6和图7中的热交换器12也相对简单，因为可商购的导热管50可以插置到网格主体中。因此，热交换器12以紧凑和简单的设计提供了有效的热传递。

图8示意性地示出了包括热交换器12的另外的示例的电力变压器10的侧视图。将主要描述与图6和7的差异。

图8中的热交换器12包括主结构26和多个直导热管50。主结构26包括三维网格主体，在此示例为三重周期性最小表面TPMS。主结构26包括多个单元。同样在这个示例中，网格主体的单元布置在三个正交方向上。

在这个示例中，主结构26包括分离壁32。主结构26在主结构26的单元外部限定了主空间34。主空间34包括主结构26的单元外部的连续迷宫式网络。油18可以流入到主空间34中。在外壳16的外部，主空间34相对于副侧22封闭。因此，主空间34在外壳16的内部和外部两者延伸。分离壁32被配置成允许冷却剂容积38的冷却剂在主侧20和副侧22之间流动。

这个示例的导热管50构成了副结构。如图8所示，导热管50的端部例如通过焊接连接到主结构26的单元。因此，导热管50过渡到主结构26中。导热管50的每个相对端是封闭的。冷却剂容积38设置在导热管50内部和主结构26的单元内部。如图8所示，这个示例的冷却剂容积38是连续的。

导热管50在其间界定了副空间36。因此，副空间36与副侧22流体连通。环境空气可以流入到导热管50之间的副空间36中的每个中。

风扇24可以用于迫使空气通过副空间36。如图8所示，风扇24被定位成远离主结构26。

冷却剂容积38与主空间34和副空间36分离。冷却剂容积38含有两相冷却剂，并且以与图1至图3中的相应的方式设置有多孔毛细结构40。毛细结构40设置在导热管50的内表面上和主结构26的内表面上。冷却剂容积38因此形成主结构26中的蒸发器区域和导热管50中的冷凝器区域。

同样在图8中，网格主体提供了被暴露用于主空间34和冷却剂容积38之间的热传递的大的表面积。毛细结构40进一步增强了被动冷却。由于导热管50附接到主结构26的单元，因此图8中的热交换器12非常简单。因此，热交换器12以紧凑和简单的设计提供了有效的热传递。此外，图8中的热交换器12使得冷却剂容积38的冷凝器区域能够以简单的方式被定位成远离外壳16。

尽管已经参照示例性实施例描述了本公开，但是应理解，本发明不限于上文已经描述的内容。例如，应理解，零件的尺寸可以根据需要变化。因此，本发明旨在仅受所附权利要求的范围限制。