CN101895189B - 水冷式冷却器以及具有该水冷式冷却器的逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水冷式冷却器和采用该冷却器的逆变器。用于分配冷却水的引导针片形成在具有弯曲面的冷却水流路的中间，以使得冷却水在所述冷却水流路的弯曲部分处的流速均匀，从而提升水冷式冷却器的冷却性能。另外，因为不需要延伸冷却针片就能提升水冷式冷却器的冷却性能，所以可以降低水冷式冷却器的重量的增加并且可以降低水冷式冷却器的制造成本。

Description

水冷式冷却器以及具有该水冷式冷却器的逆变器

技术领域

本发明涉及一种水冷式冷却器，尤其涉及如下的水冷式冷却器，其具有简单的冷却水流路，从而最大化用于电动车等的水冷式逆变器的冷却性能，以及加强冷却效果。

背景技术

一般来说，内燃机，诸如通常用作汽车发动机的石油发动机，使用通过在气缸中燃烧的燃料所产生的热能作为动力。燃烧后从内燃机排出的气体包含有害成分，诸如由于燃烧产生的氮氧化物和由于未充分燃烧产生的一氧化碳和碳氢化合物，这会污染空气。因而，基于环境污染问题和化石燃料耗尽，许多国家正在积极地进行有关使用诸如太阳能或电能的可替代能源的汽车发动机的研究。

在使用可替代能源的汽车发动机中，利用电能驱动汽车的电动汽车发动机具有最高的商业可行性。电动汽车发动机具有这样的结构，其中电机因蓄电池提供的电力而转动，代替由石油发动机的汽油提供电力，电机产生的旋转功率由减速器减速，且被减速的旋转功率通过差动齿轮传递到左右驱动轮，因而使得汽车运转。

电动车是基于这样的原理：组成驱动系统的驱动电机受相当于能量源的蓄电池所提供的电力驱动，从而将功率传递到车轮上。所述驱动系统包括驱动电机和控制驱动电机的逆变器，所述驱动系统由于它的结构特性和操作特性而在驱动过程中会产生高温热量，因此为了消除高温热量，冷却系统被操作。即，用于冷却驱动系统的一系统按照如下顺序循环：散热器→冷却泵→逆变器→驱动电机→和散热器。

组成驱动系统的驱动电机被设计为具有耐热性以便忍受一定程度的热量，但是包括许多电子芯片的逆变器是非常敏感的。因而，当逆变器没有被适当冷却时，热量会对逆变器的控制或操作产生负面影响并且使粘合各元件的焊接点融化，从而导致电路的连接不足。同时，安装在逆变器的主体内的电路板通常包括电源模块、控制板、电源板和驱动板。特别地，热量大都是产生自包括多个电源转换元件的电源模块。

因而，已知的相关技术的水冷式冷却器被配置为这样：冷却水流路形成在冷却器的底表面，其中该冷却器构成逆变器的主体且具有连接在其上表面的电源模块；以及允许冷却水流过冷却水流路以冷却电源模块。水冷式冷却器的冷却水流路被形成为呈锯齿形(zigzag)，以允许冷却水广泛地与冷却水流路接触更长的时间段。取决于安装在逆变器内的电源模块的位置或取决于组成电源模块的电源转换元件的数量或位置，冷却水流路的形状可以不同。为了增加与冷却水的接触面积，冷却针片(cooling pin)形成在冷却水流路上。根据电源模块产生的热量，冷却针片被配置为使得它们的间距在较多热量产生的区域较窄，而它们的间距在较少热量产生的区域较宽。

图1为相关技术水冷式冷却器的冷却水流路的俯视图。

如图所示，相关技术的水冷式冷却器的冷却水流路包括：形成单个线性流路的第一流路部分11；连接到第一流路部分11并形成单个曲线流路的第二流路部分12；和第三流路部分13，其连接到第二流路部分12并形成线性流路，且利用多个冷却针片15形成多个通路。

形成单个第一流路部分11，同时交替地形成多个第二和第三流路部分12和13。第一流路部分11连接到水冷式冷却器1的入口2，和第三流路部分13连接到水冷式冷却器1的出口3。

在如上所述的相关技术的水冷式冷却器1中，冷却水通过入口2引入，穿过第一和第二流路部分11和12，然后进入到第三流路部分13。在这种情况下，因为第三流路13被冷却针片15划分为多个流路，所以已经进入到第三流路13的冷却水被分配给多个流路以穿过第三流路部分13。在这个过程中，冷却水与冷却针片15接触，迅速冷却像电源模块那样产生了大量热量的部件。在冷却水交替地穿过接续的第二流路部分12和第三流路部分13之后，然后通过出口3排出。这个顺序的过程被重复地执行。

然而，相关技术的水冷式冷却器1具有以下的问题。也就是说，因为冷却水的流路在曲线部分即在第二流路12处是弯曲的，所以由于离心力的作用冷却水被集中到外侧，导致冷却水不均匀分配。另外，因为外侧的流度相对更快，所以产生了漩涡从而劣化了冷却水流。为了克服上述问题，多个冷却针片可以形成在第二流路部分12中，但是在这种情况下，水冷式冷却器1的制作成本和重量就会增加，从而导致使用具有水冷式冷却器1的逆变器的电动车的重量增加，并导致电动车性能恶化的问题。

发明内容

因此，为了解决上述问题，已经构想出本文中描述的各种特征。

本发明的一个方案提供了一种水冷式冷却器，其通过改进冷却水流路能够均匀分配冷却水和防止漩涡产生，从而提高冷却效率和减少成本和重量。

根据本发明的一个方案，提供了一种水冷式冷却器，其中冷却水流路在至少一侧形成并且包括入口和出口以允许冷却水流动，冷却水流路包括在入口和出口之间形成的一个或多个弯曲面，弯曲面形成为与线性面接续，且线性面包括用来将冷却水流路分割为多个通路的一个或多个冷却针片，其中包括弯曲面的冷却水流路包括沿着弯曲面将冷却水流路分割为多个通路的引导针片(guide pin)。

引导针片可以形成为它从冷却针片整体地延伸出来，其上部流入端(upper flow end)可以位于弯曲面开始之前的位置，且一个引导针片可以形成为对应于每一个弯曲面。

根据本发明的另一方案，提供了一种水冷式冷却器，其中冷却水流路在至少一侧形成且包括入口和出口以允许冷却水流动，其中冷却水流路包括：第一流路部分，其线性地连接到入口；第二流路部分，其是弯曲的并连接到第一流路部分；和第三流路部分，其线性地连接到第二流路部分，且被一个或多个形成在其中的冷却针片分割为多个通路，其中引导针片形成在第二流路部分中，以将所述第二流路部分分割为多个通路。

引导针片可以形成在沿宽度方向平分第一流路部分的宽度的位置处，以及引导针片的上部流入端可以在平面上与冷却针片的上部流入端重叠。

引导针片可以形成为使得其上部流入端的一部分属于第一流路部分，和冷却针片的上部流入端的一部分属于第二流路部分。

引导针片可以形成为整个从冷却针片延伸，以及第一流路部分可以形成为使得它的截面积不大于第二流路部分或第三流路部分的截面积。

根据本发明的另一方案，提供了一种逆变器，包括：逆变器本体，其包括产生热量的电气电子元件；和水冷式冷却器，其安装在逆变器本体内，并且与电气电子元件接触以对由电气电子元件产生的热量进行冷却，其中水冷式冷却器具有前述的特征。

通过结合附图和本发明的下述详细说明，本发明的上述以及其它目的、特征、方案和优势将变得更加明显。

附图说明

图1为显示相关技术水冷式冷却器中的冷却水流路的俯视图；

图2为显示了根据本发明的示例性实施例的采用水冷式冷却器的逆变器的内部的立体图；

图3为图2中的逆变器的水冷式冷却器的立体图；

图4为图3中的水冷式冷却器的俯视图；

图5为显示了图4中的水冷式冷却器的主要部分的放大俯视图；

图6为显示了在根据本发明的示例性实施例的水冷式冷却器中冷却水的流动状态的俯视图；

图7为显示了在根据本发明的示例性实施例的水冷式冷却器中冷却水的整流状态的俯视图。

具体实施方式

现在将参考附图来描述根据本发明的示例性实施例的水冷式冷却器。

图2为显示了根据本发明的示例性实施例的采用水冷式冷却器的逆变器的内部的立体图。图3为图2中的逆变器的水冷式冷却器的立体图。图4为图3中的水冷式冷却器的俯视图。图5为显示了图4中的水冷式冷却器的主要部分的放大俯视图。

如图2所示，根据本发明的示例性实施例的包括水冷式冷却器的逆变器包括：一侧敞开的逆变器主体110；安装在逆变器主体110内的水冷式冷却器120；电源模块131；和安装在水冷式冷却器120内的板132；和盖住逆变器主体110的敞开侧的盖子140。

水冷式冷却器120可以具有一侧敞开的箱状的形状或板状的形状。水冷式冷却器120可以由具有良好导热性的材料制成，诸如铝。因为水冷式冷却器120需要包括引导针片123或冷却针片124，因此，优选地，水冷式冷却器120通过对熔融金属施压的浇铸方法、通过形成精密铸模而用来获取高等级的铸件的精密铸造方法来制成，这不同于普通的砂型铸造方法。特别地，铸造方法具有如下的许多优点：允许高速大量生产、尺寸精密、表面平滑、轻质铸模、减少切割工序等。

水冷式冷却器120包括形成在外表面，即与逆变器主体110接触的表面，上的冷却水流路121，从而冷却由电源模块131等产生的热量。

为了扩大水冷式冷却器120和冷却水之间的接触面积和延长接触时间段，冷却水流路121通常可以形成为锯齿形。然而，取决于安装在逆变器主体110内的电源模块131的位置和取决于构成电源模块131的电源转换元件的数量或电源转换元件的位置，冷却水流路121可以具有各种其他的形状。

如图3和图4所示，冷却水流路121包括：线性地连接到入口122的第一流路部分121a；第二流路部分121b，其从第一流路部分121开始弯曲并由引导针片121(稍后描述)划分为多个通路；和第三流路部分121c，其线性地连接到第二流路部分121b，包括形成在其中的一个或多个冷却针片124以便划分为多个通路，且连接到出口125。

第一流路部分121a可以具有比第二流路部分121b或第三流路部分121c的截面积更小的截面积，并且第一流路部分121a的截面积可以具有其从入口122朝向第二流路部分121b逐渐扩大的形状。

第二流路部分121b从第一流路部分121a开始以大致直角方向弯曲，且它的弯角部分形成为是导圆的。第二流路部分121b的截面积大于第一流路部分121a的截面积，或者可以小于或大于第三流路部分121c的截面积。第二流路部分121b包括具有与第二流路部分121b相似形状的引导针片123。

引导针片123从大致定位在冷却针片124中间的一个冷却针片延伸而出，且如图5所示，优选地，引导针片123的上部流入端，即最靠近入口122的端部，包括在第一流路部分121a的范围内的线性部分123a，从而均匀分配在第一流路部分121a中的冷却水。可以形成多个引导针片123；然而，在这种情况下，在弯曲的引导针片123之间的空间将会太窄，而引起制造水冷式冷却器120时的缺陷。因而，优选地，可以在第二流路部分121b中形成一个引导针片，以及该个引导针片可以被定位在截面的中心以便将第二流路部分121b平分(w1＝w2)。

如图5所示，优选地，按照冷却水流动的方向的引导针片123的端部延伸到位置(L)以便在平面上与冷却针片124重叠，从而允许冷却水直接从第一流路部分121a流动到第三流路部分121c，或者允许冷却水流动被平均分配到第二流路部分121b，而不是被完全集中到第二流路部分121b的外侧通路。

第三流路部分121c形成为与第一流路部分121a大致平行。第三流路部分121c的入口和出口都窄，且入口和出口之间的空间相对较大。为了划分第三流路部分121c，冷却针片124形成在第三流路部分121c中。

冷却针片124以不同的间隔形成，但是优选地，为了允许冷却水被平均分配，它们以相同的间隔设置。冷却针片124形成为使得针片之间的间距在较多热量产生的区域较窄而针片之间的间距在较少热量产生的区域较宽。

根据本发明的示例性实施例的水冷式冷却器具有如下操作效果。

即，在逆变器中，一控制板(未给出附图标记)接收来自逆变器的外部源的信号并传送控制命令到电源板(未给出附图标记)。当信号从控制板传送到电源板时，传送到电源板的信号被传送到一驱动板(未给出附图标记)以执行电源模块131的开关操作，从而驱动逆变器。然后，从电源模块131产生热量，其与在水冷式冷却器120中流动的冷却水进行热交换以便被冷却。

这里，因为水冷式冷却器120中设置的冷却水流路121被构造为锯齿形，所以由于在弯曲的或曲线状的区域处的离心力作用冷却水可能被集中到冷却水流路121的外侧，或者由于流速的差异而有可能产生旋涡。然而，在这种情况下，如图6所示，因为引导针片123形成在弯曲的或曲线状的区域处以将冷却水流路121平分，所以冷却水能够在冷却水流路121中被均匀地分配，而不是被集中到外侧或产生旋涡。从而，因为冷却水能够被均匀分配而不必在水冷式冷却器120中的冷却水流路121中形成多个冷却针片124，所以水冷式冷却器120会更轻、成本低和具有高的冷却效率。

图7为显示了在根据本发明示例性实施例的水冷式冷却器中冷却水的整流状态的俯视图。如图所示，在根据本发明示例性实施例的水冷式冷却器120中，因为引导针片123形成在第二流路部分121b中，所以流过第一流路部分121a的冷却水可以被第二流路部分121b中的引导针片123均匀分配，然后均匀地流到第三流路部分121c。结果，在第二流路部分121b中在内侧的流速和在外侧的流速不会有很大不同，因此能够阻止冷却水的不平衡以及阻止旋涡的产生。因而，冷却水能够被均匀分配。

根据本发明示例性实施例的水冷式冷却器可以被应用到用于诸如前述的混合型汽车、燃料电池汽车、高尔夫球车、铲车的电动车的逆变器上、或用于太阳能发电系统或风力发电站系统的逆变器上。

尽管本发明具体表现为不脱离其特性的若干种形式，但应当知道的是，除非另有说明，以上描述的实施例不会被前述的任何详细描述所限制，而应当以附随的权利要求所限定的范围来进行解释，因而落在权利要求的界线和范围或者这样的界线和范围的等效内的变化和改变都应当被包含在所附随的权利要求中。

Claims (8)

1.一种水冷式冷却器，其中冷却水流路在至少一侧形成并且包括入口和出口以允许冷却水流动，所述冷却水流路包括在所述入口和所述出口之间形成的一个或多个弯曲面，所述弯曲面形成为与多个线性面接续，且每一个线性面包括用来将所述冷却水流路分割为多个通路的多个冷却针片，

其中包括所述弯曲面的冷却水流路包括沿着弯曲面将冷却水流路分割为两个通路的引导针片，

其特征在于，一个引导针片形成在沿宽度方向平分每一个弯曲面的宽度的位置处，且引导针片从上游冷却水流路的冷却针片向下游冷却水流路的冷却针片整体地延伸，并且

其中所述引导针片的上部流入端在平面上与所述冷却针片的上部流入端重叠。

2.如权利要求1所述的冷却器，其中所述引导针片的上部流入端位于弯曲面开始之前的位置。

3.如权利要求1所述的冷却器，其中一个引导针片形成为对应于每一个弯曲面。

4.如权利要求1所述的冷却器，其中所述冷却水流路包括：

第一流路部分，其线性地连接到入口；

第二流路部分，其是弯曲的并连接到所述第一流路部分；和

第三流路部分，其线性地连接到所述第二流路部分，并且被多个形成在其中的冷却针片分割为多个通路，

其中引导针片形成在第二流路部分中，以将所述第二流路部分分割为两个通路。

5.如权利要求4所述的冷却器，其中所述引导针片形成为使得其上部流入端的一部分属于所述第一流路部分。

6.如权利要求4所述的冷却器，其中所述冷却针片的上部流入端的一部分属于所述第二流路部分。

7.如权利要求6所述的冷却器，其中所述第一流路部分形成为使得它的截面积不大于所述第二流路部分或所述第三流路部分的截面积。

8.一种逆变器，包括：

逆变器本体，其包括产生热量的电气电子元件；和

水冷式冷却器，其安装在所述逆变器本体内，并且与电气电子元件接触以对由所述电气电子元件产生的热量进行冷却，

其中所述水冷式冷却器具有权利要求1至7中任何一项中的特征。

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