CN102105039A - 具有冷却布置的电力电子装置 - Google Patents

Abstract

一种具有冷却布置的电力电子装置，包括容纳电力电子部件(5)的壳(1)。至少两个相邻轴向风扇(4)连接到壳(1)，用于将气流从外界引入壳(1)中，以便冷却电力电子部件(5)。另外，该装置包括从在至少两个相邻轴向风扇(4)之间向壳(1)外延伸以便减少风扇所致噪声的分割壁(9)。这样的冷却布置提供一种尺寸紧凑并且噪声电平噪声水平也可接受的具有有效冷却的电力电子装置。

Description

具有冷却布置的电力电子装置

技术领域

本发明涉及包括用于冷却电力电子器件的冷却布置的电力电子装置，特别是变频器。

具体而言，本发明涉及其电功率超过10kW并且可能达到甚至兆瓦的电力电子装置。因此需要有效冷却，以便保证装置的恰当工作。

对于许多应用，最便利的冷却方法是通过一个或者多个风扇引起的气流进行冷却。在空气冷却的电力电子装置中，也有各种风扇和冷却布置，并且特定系统的要求取决于装置设计所针对的应用。

背景技术

US 2006/0158847 A1公开一种用于电子装置如变频器的冷却设备。该冷却设备包括单个径向扇。

US 2007/0258219 A1公开一种具有适当数目的相邻风扇的空气冷却的电力电子器件模块。

发明内容

本发明的目的在于创建一种电力电子装置，其具有尺寸紧凑并且噪声水平可接受的、允许相对有效冷却的新冷却布置。

本发明的目的由一种电力电子装置如变频器实现，该装置包括：容纳电力电子部件的壳；以及至少两个相邻轴向风扇，连接到壳，用于将气流从外界引入壳中，以便冷却电力电子部件。另外，该装置具有从至少两个相邻轴向风扇之间向壳外延伸以便减少风扇所致噪声的分割壁。

本发明提出一种具有尺寸紧凑并且噪声水平可接受的、允许相对有效冷却的新冷却布置的电力电子装置。

借助与电力电子装置的壳连接的轴向流风扇，来实现紧凑尺寸和有效气流。这样的大功率风扇通常有噪声，但是噪声水平因装置的前述配置而减少却无碍于气流。

在无单独AC转换器的情况下，常常也可以驱动这样的风扇，这也有助于装置的紧凑尺寸。

本发明的概念也允许若干提供进一步优点的有用和有利实施例。

根据一个实施例，各相邻风扇具有外径d，并且分割壁在与气流的方向相反的方向上向壳外延伸。在这一相反方向上，分割壁延伸长度l，从而使得长度l在外径d的50％与100％之间，比如在外径d的60％与80％之间。

根据一个实施例，分割壁在与气流的方向垂直的方向上具有高度h，从而使得高度h在外径d的50％与300％之间，比如在外径d的100％与200％之间。用于高度h的更加受到限制的范围是在外径d的120％与170％之间，并且用于许多应用的特别良好的值为外径d的150％或者约150％。

根据一个实施例，分割壁与气流的方向基本上平行。

根据一个实施例，相邻轴向风扇和分割壁都固接到壳的共同面。

根据一个实施例，通过将至少一对所述相邻风扇设置为相对于彼此成角度α来实现进一步降噪。

根据一个实施例，角度α在6度与50度之间，比如在10度与20度之间。

根据一个实施例，风扇设置成使得离开该对所述相邻风扇的气流朝向彼此倾斜。

根据一个实施例，相邻风扇的旋转轴基本上彼此汇合于远点，从而使得可以在旋转轴8之间测量角度α。这是其中旋转轴沿着共同平面延伸的情况。

根据另一实施例，相邻风扇的旋转轴并未彼此汇合，而是相对于共同参考平面而斜倾。然后，旋转轴相对于参考平面具有倾角β，并且可以在旋转轴在参考平面上的投影之间测量角度α。

根据一个实施例，倾角β少于5度。

如根据上文公开内容清楚的那样，本发明可以应用于需要冷却的大量各种应用中。

附图说明

为了更完整理解本发明及其优点，现在借助例子并且参照以下附图描述本发明，其中：

图1呈现根据一个实施例的变频器；

图2呈现根据另一实施例的变频器；

图3呈现图1的变频器在一种可能构造中的横截面；

图4呈现图1的变频器在根据第一实施例的构造中的横截面；

图5是图4的变频器中的结构细节的示意图；

图6A和6B呈现图1的变频器在根据第二实施例的两种修改构造中的横截面；

图7A和7B是图6A和6B的变频器中的结构细节的示意图；

图8呈现图1的变频器在根据第三实施例的构造中的横截面；

图9呈现具有三个风扇的变频器的一个实施例；

图10呈现具有三个风扇的变频器的另一实施例；

图11呈现具有四个风扇的变频器的一个实施例；

图12呈现具有四个风扇的变频器的另一实施例；

图13呈现具有四个风扇的变频器的又一实施例；并且

图14呈现具有三个风扇的变频器的又一实施例。

具体实施方式

图1呈现变频器的壳1。该变频器在壳1内包括电力电子部件(未示出)，这些部件散热并且需要冷却。图1的变频器为空气冷却型。因此，壳1的前面2限定充当空气入口3的两个孔。图1也示出适配到空气入口3中用于吹动壳内的冷却空气的两个相邻风扇4。图中的箭头描绘风扇4在它们操作时引起的空气移动。在图1的实施例中，壳在它的背面包括空气出口，该出口位于相对于正面2而言的壳的相反端。然而壳1的背面在图中不可见。如果希望，则也有可能将空气出口定位于壳的其它面。例如，可以导引空气在壳内流通并且经过在壳的正面2或者侧板的空气出口引向壳外。

风扇数目不受限制，而是可以根据各变频器应用的要求来选择。图2示出一种这样的修改，其具有装配到壳1中的四个相邻风扇4。

在根据实施例的变频器中，功率耗散明显。变频器的电功率可以例如在10kW与5MW之间。于是，在壳1内耗散的热功率可能很明显。为了借助空气冷却来有效地冷却电力电子部件，变频器具有充足数目的空气风扇4。

根据实施例，风扇4为轴向流动型。轴向气流风扇包括附着到中心轮轴的多个叶片，并且在操作中，中心轮轴围绕旋转轴旋转，其中叶片在气流未偏转的情况下，使空气在与旋转轴基本上平行的流向上流动。在本文件中，风扇的方向是指这样的非偏转主要流向的方向，并且同时也是指旋转轴的方向。

根据实施例的风扇4本身功率也相对大，以便实现经过壳1的必需气流。各风扇4的功率可以例如在10W与1000W之间。在功耗更高的装置中，通常使用输入功率至少为50W的风扇4。这样的风扇的例子包括输入功率为67W的Papst 6314/2TDHHP和输入功率为82W的日本Servo D1751S24B8ZP300。噪声水平在这样的风扇操作时可以范围为65dB至85dB。

在一个实施例中，从在10kW与500kW之间选择变频器的电功率，并且风扇4的输入功率在60W与200W之间。

图1示出具有风扇4和空气入口3(占用壳1的正面区域的大部分)的变频器的一种紧凑布置。这有助于实现相对于壳1的尺寸而言的高冷却气流。一个弊端在于两个相对高功率风扇4造成明显的噪声。

图3呈现根据本发明实施例的无降噪修改的根据图1的变频器的基本配置。图3是变频器的示意俯视横截面图，该图示出壳1、电力电子部件5、空气入口3、两个相邻风扇4和在壳1的背面的空气出口6。

在第一测试设置中，当在如图3中所示变频器的基本构造中一次使用一个风扇4时测量噪声。风扇之一是输入功率为67W的Papst 6314/2TDHHP，而另一风扇是输入功率为82W的日本Servo D1751S24B8ZP300。发现当一次一个地操作风扇时，在参考点测量的噪声水平对于Papst 6314/2TDHHP风扇为74.0dB而对于日本Servo D1751S24B8ZP300风扇为70.3dB。因此，在同时操作两个相邻风扇4时，图3的基本构造应当造成比上述值高约3dB的噪声水平。

图4呈现包括根据第一实施例的降噪布置的根据图1的变频器的示意俯视横截面图。在第一实施例中，相邻风扇4适配于斜倾布置，使得主要气流方向朝向彼此倾斜。

图5更接近地示出图4的斜倾布置。图5示出风扇4和覆盖图4中所示空气入口3的栅栏7。图5也描绘风扇4的旋转轴8和在轴之间的角度α。因此，风扇4被设置为相对于彼此成角度α。在图5的实施例中，两个旋转轴8沿着图5中描绘的横截面的平面延伸。角度α的方向使得旋转轴8朝向彼此倾斜。因此在图5中，横截面的平面可适用于作为用于限定角度的参考平面。然而，也有如下实施例，其中风扇4中的一个或者多个也可以在垂直方向上斜倾，因此需要限定用于这些角度的更一般性的参考平面。

一般而言，用于这些角度的参考平面穿过风扇的中心轮轴，并且跟随离开风扇的空气的主要非偏转流向。空气的这样的主要流向当然在实际装置设置中有些为假想，因为壳1和其它环境因素总是至少在某一程度上引导气流。然而，作为本领域技术人员的读者将理解，需要参考平面以便清楚地限定这些角度，而不应当归于其它技术含义。

如根据上文讨论所清楚的那样，风扇4也可以被适配成使得旋转轴8相对于参考平面(比如图5中的横截面平面)成角度延伸。然后，旋转轴8相对于参考平面限定角度β。这一角度β与角度α正交并且可以针对各风扇4来个别地设置。因此，在具有两个风扇4的一个实施例中，第一和第二风扇4分别具有第一和第二角度β₁和β₂。在典型实施例中，角度β₁和β₂的绝对值基本上相等，但是角度方向相反。角度β₁和β₂的绝对值可以例如少于10度。更典型地，角度β₁和β₂的绝对值少于5度。在角度β₁和β₂的绝对值少于2度的情况下，可以认为该实施例基本上对应于图4和图5的实施例。

在图4和图5中，角度α为10度。一般而言，角度α可以例如在6与50度之间。在角度更少的情况下，它不足以辅助降噪。另一方面，更大角度从气流观点而言并非有益，并且也导致壳1中的空间使用的低效。当考虑到这些方面时，有望针对多数应用，可以在10度与20度之间的范围中发现用于角度α的良好值。

在对第二测试设置进行的测量中，也发现约10度的角度对减少风扇的噪声有效而无碍于冷却空气的流动。第二测试设置在其它方面对应于上述第一测试设置，除了在相邻风扇4的轴8之间有约10度的角度α。角度β₁和β₂可忽略不计，即少于2度。当同时操作两个日本Servo D1751S24B8ZP300风扇时测量出65.8dB的噪声水平。因此，在参考点的噪声水平比在操作仅一个风扇4时低约4.5dB。如果考虑到噪声水平在使用两个相同风扇4而不是一个风扇时应当已经升高，可以推断借助角度α实现明显降噪。

图6A呈现包括根据第二实施例的降噪布置的根据图1的变频器的示意俯视横截面图。在第二实施例中，相邻风扇4适配于斜倾布置中使得主要气流方向朝向彼此倾斜。此外，在相邻风扇4之间提供分割壁9以便分离出自风扇4的这些气流。在图6A中呈现的修改中，风扇4适配于壳1内。

图6B呈现变频器的示意俯视横截面图，该变频器在其它方面与图6A的变频器类似，但是具有适配于壳1外的风扇4。如图6A和6B中可见，图6B中呈现的这一修改也允许将壳1制造得更短，因为无需在壳1内保留用于风扇4的空间。

图7A和图7B分别更接近地示出图6A和图6B的斜倾布置和分割壁9。关于角度和倾斜度，第二实施例对应于上文相对于图4和图5已经描述的第一实施例。第二实施例中的附加特征是在壳1外的两个相邻风扇4之间固接的分割壁9。图7A和图7B也示出实际风扇4适配到其中的风扇壳14。各风扇壳14具有直径d(下文也称为风扇4的直径)和深度a(下文也称为风扇4的深度)。

分割壁9在与空气的流动方向相反的方向上延伸长度l。长度l在图6A和图6B的实施例中为11cm。长度l是从风扇或者风扇壳14(如果有)的最近边缘的水平面测量的。在长度太小的情况下，分割壁9不足以辅助降噪。另一方面，太长的壁将占用太多空间，并因此在以噪声低的紧凑结构为目标时将不可接受。在与图6A和图6B的实施例类似的实施例中，例如当风扇4的直径在16cm与18cm之间时，可以在8cm与16cm之间选择长度l。如上文已经声明的那样，风扇4的直径是指风扇壳14的外径，该外径对于上述两类风扇类型而言约为17cm。

更一般而言，分割壁9的长度l可以选择成在风扇壳14的外径的20％与130％之间。有望对于多数应用而言，可以在风扇壳14的外径的30％与60％之间的范围中发现用于长度l的良好值。可以根据应用的需要来选择风扇壳本身的外径。典型外径可以范围例如在15cm与40cm之间。

一种用于更一般性地限定分割壁9的长度l的替代方式为参照风扇壳14的深度a。按照这一方式的定义，分割壁9的长度l可以选择成在风扇壳14的深度a的50％与400％之间。预计对于多数应用而言，可以在风扇壳14的深度的80％与200％之间的范围中发现用于长度l的良好值。典型深度可以范围例如在4cm与15cm之间。

当设计分割壁9的长度时，应当注意形成壁的实际部件比图6B和图7B中所示实施例中的上述长度l更长。这是因为长度l是从风扇壳14的边缘(如图7B中所示)而不是从分割壁9在图6B和图7B的实施例中所固接到的前板测量的。

分割壁9的另一参数为它在与长度l垂直的方向上的高度h。高度h可以例如选择成在风扇壳的外径的50％与300％之间。有望对于多数应用而言，可以在风扇壳的外径的100％与200％之间的范围中发现用于高度h的良好值。用于许多应用的特别好的值为外径d的150％或者约150％。

分割壁9由充分硬的材料如金属或者硬塑料制成，并且在它不含允许气流彼此干扰的孔的意义上而言，优选为统一的。

发现在相邻风扇之间使用分割壁9对于根据第二实施例的装置设置而言，进一步减少噪声水平。通过测量第三测试设置发现，该第三测试设置在别的方面对应于上述第一测试设置，但不同之处在于在相邻风扇4的轴8之间的角度α约为10度并且在风扇4之间的分割壁9的长度l为11mm。角度β₁和β₂可忽略不计，即少于2度。当同时操作两个日本Servo D1751S24B8ZP300风扇时测量到65.6dB的噪声水平。当同时使用两个Papst 6314/2TDHHP风扇时，测量的噪声水平在相同参考点为68.4dB。因此，对于两个同时操作的Papst风扇，这一实施例相对于在这样的风扇中的仅一个接通时进行的测量而言，给出约5.6dB的降噪。

当在第四测试设置中测量噪声时也发现相邻风扇之间的分割壁9有效，该第四测试设置在其它方面依据上述测试设置，但是仅依赖于分割壁9作为降噪手段。分割壁9由塑料制成，并且它的长度l为10cm。角度α、β₁和β₂可忽略不计。当同时操作两个日本Servo D1751S24B8ZP300风扇时测量到70.9dB的噪声水平。当同时使用两个Papst 6314/2TDHHP风扇时，测量的噪声水平在相同参考点为74dB。因此可见，获得了降噪，因为噪声水平并未增加约3dB，该增加是在作为参考而使用的第一测试设置的背景中预计的增加。

因此，表明可以借助分割壁来获得进一步降噪。即使分割壁的效果不如角度α的效果那么大，至少在变频器(其中噪声水平是关键的并且壳1可以容易地容纳分割壁)的这样的应用中提供分割壁仍然是合理的。分割壁本身并不昂贵，并且由于它无碍于冷却气流，所以它是一种在这样的应用中使用的合理且安全的措施。因此在图8中也示出又一实施例，其中图3中所示变频器的基本构造具有如上文相对于图6和图8描述的分割壁。

当然可以用各种方式修改上述实施例。

例如，风扇4的数目可以根据应用的需要而变化。图2示出具有四个风扇的变频器。在这样的配置中，有可能成对安装风扇，例如使得两个左侧风扇如上文所述朝向彼此倾斜，而两个右侧风扇也相应地斜倾。如果希望，则可以在相邻风扇之间提供分割壁。当有数目为偶数的风扇并且该配置允许将它们视为成对时，可以允许相同过程。在数目为奇数的风扇或者风扇未成对的情况下，有可能的是根据上述实施例安装仅一些风扇4，而其余风扇在未使用上述降噪手段的情况下独自作用。

也有可能的是，例如三个风扇在三角形配置中都朝向彼此倾斜。图9是这样的三角形配置的示意图，其中三个风扇4都朝向虚线所示共同假想中心轴10倾斜。图9也示出将在这样的配置中使用的分割壁9的一种可能构造。分割壁9由图中所示三个板形成。

图10示出一个实施例，其中三个风扇4相邻地放置成行。三个风扇4可以放置成例如使得左侧和右侧风扇朝向处于中心的风扇倾斜。假想中心轴(未示出)与在中心处的风扇的旋转轴重合，并且在左侧和右侧的风扇朝向共同假想中心轴倾斜。倾斜角度和其它参数一般可以按照上文结合其它实施例描述的参数。也有可能如图中所示在风扇之间提供分割壁9。

图11描绘一个实施例，其中前板已经划分成四个弯曲前板13，对应数目的风扇4已经适配到该四个弯曲前板。所有四个风扇4可以朝向虚线所示共同假想中心轴10倾斜。

图12描绘了一个实施例，其中前板已经划分成四个直的前板13，这些前板适配成彼此成角度关系。如图12中所示，有固接到四个前板13中的各前板的风扇4。在这一实施例中，风扇壳14可以固接到前板13，而在风扇壳14与前板13之间无角度，并且仍然有可能借助前板13之间的角度来实现风扇4之间的角度关系。也在这一实施例中，即使并非必须但也有可能朝向共同假想中心轴10倾斜所有四个风扇4。

图13描绘在其它方面与图12的实施例相同但是在装置前面具有分割壁9的一个实施例。

图14描绘一个实施例，其中前板已经依次划分成三个直的前板13。风扇4固接到前板13的外表面，并且在风扇4与关联前板13之间无角度。该实施例在第一与第二风扇4(从图14的左侧计数)之间具有分割壁9和在第二与第三风扇4(同样从图14的左侧计数)之间具有角度α。因此，通过在第二与第三风扇4之间的角度α和在第一与第二风扇4之间的分割壁9来降噪。如图14中可见，第一和第二风扇4以方向与在降噪中使用的角度α相反的角度来设置，因此在这些风扇之间提供分割壁9。然而，由于借助角度α来降噪，在第二与第三风扇4之间无分割壁9，而通过分割壁9的任何进一步降噪并非必需。另外，在第二与第三风扇4之间的分割壁9将从装置的正面向外延伸、因此增加装置的外部尺度。

也在图11至图14的实施例中，倾斜角度和其它参数一般可以按照上文结合其它实施例描述的参数。

如图11至图13中可见，该装置可以包括放置于两个相邻行中的四个风扇，从而使得各风扇4与两个风扇4(一个在相同行中而另一个在相邻行中)形成配对。另外，这样的各配对可以具有设置为相对于彼此成角度α的风扇4，其中角度α如上文结合其它实施例所述。这样的装置当然可以例如包括以相同方式设置的六个或者八个风扇。

图13也示出如上文所述包括放置于两个相邻行中的四个风扇的装置也具有用于各所述风扇的配对的分割壁。

如图11至图14中可见，装置的壳1可以包括具有至少两个相邻前板13的正面2。另外，至少两个相邻前板13中的各前板具有与之固接的至少一个风扇4，并且前板13设置成相对于彼此成角度。同样，角度α如上文结合其它实施例所述。

图13和图14也示出如上文所述包括具有至少两个相邻前板13的正面2的装置也具有在所述至少两个相邻前板13之间固接的分割壁9。

在相邻风扇4之间的最小距离通常在风扇4的直径d的20％与100％之间。一般而言，在相邻风扇4之间的最小距离可以设计成少于直径d的200％。在相邻风扇具有不同直径的情况下，可以基于具有更小直径的风扇4的直径来计算最小距离。

上文描述仅为了举例说明本发明，而并非限制权利要求书所赋予的保护范围。权利要求书还将覆盖其等效含义而不应按照字面加以理解。

Claims (15)

1.一种电力电子装置，比如变频器，包括：

壳(1)；

所述壳(1)内的至少一个电力电子部件(5)；

至少两个相邻轴向风扇(4)，连接到所述壳(1)，用于将气流从外界引入所述壳(1)中，以便冷却所述至少一个电力电子部件(5)；以及

分割壁(9)，从在所述至少两个相邻轴向风扇(4)之间向壳(1)外延伸，所述分割壁(9)在与所述气流的方向相反的方向上延伸。

2.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中各所述相邻风扇(4)均具有外径d，并且所述分割壁(9)在与所述气流相反的方向上向所述壳(1)外延伸长度l，从而使得所述长度l在所述外径d的50％与100％之间，比如在所述外径d的60％与80％之间。

3.根据权利要求1或者2所述的电力电子装置，其中所述分割壁(9)在与所述气流的方向垂直的方向上具有高度h，从而使得所述高度h在所述外径d的50％与300％之间，比如在所述外径d的100％与200％之间，或者在所述外径d的120％与170％之间。

4.根据权利要求1-3中的任一权利要求所述的电力电子装置，其中所述分割壁(9)与所述气流的方向基本上平行。

5.根据权利要求1-4中的任一权利要求所述的电力电子装置，其中所述电力电子装置的功率至少为10千瓦。

6.根据权利要求1-5中的任一权利要求所述的电力电子装置，其中各所述相邻轴向风扇(4)的功率至少为50瓦。

7.根据权利要求1-6中的任一权利要求所述的电力电子装置，其中所述相邻轴向风扇(4)和所述分割壁(9)两者固接到所述壳(1)的正面(2)。

8.根据权利要求1-7中的任一权利要求所述的电力电子装置，其中至少一对所述相邻风扇相对于彼此成至少6度的角度(α)而设置，比如在6度与25度之间。

9.根据权利要求8所述的电力电子装置，其中所述角度(α)在10与20度之间。

10.根据权利要求8或者9所述的电力电子装置，其中所述角度(α)的方向是离开所述一对所述相邻风扇的所述气流朝向彼此倾斜的方向。

11.根据权利要求8-10中的任一权利要求所述的电力电子装置，其中各所述相邻风扇(4)具有旋转轴(8)，并且在所述旋转轴(8)之间测量所述角度(α)。

12.根据权利要求8-11中的任一权利要求所述的电力电子装置，其中各所述相邻风扇(4)具有在参考平面上具有投影的旋转轴(8)，所述参考平面在所述气流的方向上延伸并且穿过所述相邻风扇(4)的中心点，并且所述旋转轴(8)相对于所述参考平面限定角度(β)，并且其中在所述旋转轴(8)在所述参考平面上的所述投影之间测量所述角度(α)。

13.根据权利要求12所述的电力电子装置，其中所述角度(β)少于5度。

14.根据权利要求1-13中的任一权利要求所述的电力电子装置，包括放置于两个相邻行中的四个风扇，从而使得对于各所述风扇(4)，有一个在相同行中而另一个在相邻行中的两个风扇(4)各自与所述风扇(4)形成配对，并且所述装置包括用于各所述配对风扇(4)的分割壁(9)。

15.根据权利要求1-14中的任一权利要求所述的电力电子装置，其中所述壳(1)包括具有至少两个相邻前板(13)的正面(2)，所述至少两个相邻前板(13)中的各前板均具有与之固接的至少一个风扇(4)，并且其中所述分割壁(9)固接于所述至少两个相邻前板(13)之间。

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