CN103597918A - 可变频驱动散热器总成 - Google Patents

Abstract

公开一种用于冷却电力电子模块，如可变频驱动的散热器总成。所述散热器总成包括外壳和散热器结构。所述外壳界定用于封闭所述电力电子模块的内室且还界定在所述内室外部的冷却空气流动通道。所述散热器结构按照与所述内室成传导性热传递关系布置且具有被安置在所述外冷却空气流动通道内与所述冷却空气流动成对流性热传递关系的热传递表面。

Description

可变频驱动散热器总成

相关申请的交叉引用

本申请引用并要求2011年5月17日提交的以VARIABLEFREQUENCY DRIVE HEAT SINK ASSEMBLY为标题的美国临时申请第61/487,078号的优先权和权益，所述申请是以引用其全文的方式并入本文。

发明背景

本发明基本上是关于可变频驱动的冷却，且更特定地说，是关于与运输制冷单元的制冷剂蒸气压缩机关联的可变频驱动的冷却。

电力电子装置常常用于控制和/或操纵例如被供应到各种不同的电动装置的电力的频率和/或电压的特性。例如，可变频驱动常常与可变速发动机连用用于控制发动机的速度。可变速发动机与压缩机、水泵、风扇和其它装置连用。例如，制冷剂蒸气压缩机，如，但不限于涡旋式压缩机、往复式压缩机和螺杆式压缩机，以支持在各种操作速度下驱动压缩机的压缩机构。当压缩机构的操作速度变小时，压缩机的输出能力变小，和相反地当压缩机构的操作速度变大时，压缩机的输出能力变大。可变频驱动可操作以改变供应给压缩机的驱动发动机的电力的频率，从而改变发动机的操作速度，和因此改变压缩机的操作速度和输出能力。

运输制冷单元常常与运输容器连用用于维持货箱(其中易腐货物，如例如，但不限于，生鲜产品)被保存在指定温度范围内的温度下以保持新鲜和将运送期间的腐败减至最小。运输制冷单元包括被布置在货箱外部的制冷剂蒸气压缩机和冷凝器/气体冷却器和被布置在货箱的封闭空间内的蒸发器。压缩机、冷凝器/气体冷却器和蒸发器是按照在制冷循环中的串联制冷剂流动关系被连接在制冷剂回路中。当操作制冷单元时，空气从货箱内被抽出，与制冷剂成热交换关系地通过蒸发器，制冷剂循环通过制冷剂回路从而冷却空气，和空气被供应返回到货箱。

为了实现准确温度控制同时维持系统操作效率，需要响应于制冷负荷要求改变制冷单元的制冷输出能力。例如，在货箱暴露于周围环境后的温度下调期间，如在将货物装载到货箱中期间，制冷单元的压缩机一般在最大输出能力下操作。然而，在下调后的长期温度维持操作模式期间，制冷单元的压缩机是在低功率下，而且经常在接近零功率下操作。

改变制冷单元的制冷功率的一种方法是利用如先前所论述的可变频驱动修改被供应到驱动压缩机的电动发动机的电力的频率以改变压缩机的速度。然而，采用可变频驱动控制与运输制冷单元相连的压缩机速度给充分冷却可变频驱动的电力电子设备以维持可变频驱动的可靠性和功能提出了挑战。这种挑战对于操作环境、货物冷却要求和电力电子设备热输出在宽范围内变化的运输制冷应用来说甚至更为复杂。

发明概要

在一个方面，提供用于在所有周围条件和功率消耗水平下将可变频驱动的电力电子设备保持在低于指定临界温度的温度下的可变频驱动散热器总成。

在一个方面，提供用于将可变频驱动的电力电子设备容置在密封封闭中以保护电力电子设备避免暴露于潜在腐蚀性周围条件的可变频驱动散热器总成。

在一个方面，提供可变频驱动散热器总成，其具有供越过和横跨与被隔离在所述外壳内的封闭室中的可变频驱动的电力电子设备关联的散热器结构引导冷却空气的流动通过的外壳。

公开了用于冷却电力电子模块的散热器总成。散热器总成包括外壳和散热器结构。外壳界定用于封闭电力电子模块的内室且还界定在内室外部的冷却空气通道。散热器结构按照与内室成传导性热传递关系布置和具有被安置在外部冷却空气流动通道内的热传递表面。风扇被布置成与外壳操作关联用于使冷却空气的流动横跨和越过热传递表面通过外部通道。散热器结构的热传递表面因此按照与冷却空气的流动成对流性热传递关系布置，从而将热从内室经由外部热传递表面移除同时将电力电子模块从冷却空气的流动隔离。

外部热传递表面可以包括从外壳向外延伸到外部流动通道中的多个外部热传递鳍片。多个外部热传递鳍片可以从按照与所述内室成传导性热传递关系布置的散热器结构的基部向外延伸到尖端部分。多个外部热传递鳍片可以按照隔开关系布置从而界定在流动通道内的多个流动子通道。在实施方案中，多个外部热传递鳍片可以具有沿纵向扩张的弓形轮廓。为了促进冷凝液从热传递鳍片排水，可以在多个外部热传递鳍片中形成多个冷凝液排水水槽。多个外部热传递鳍片可以与外壳形成一体。

在实施方案中，散热器总成构成可变频驱动散热器总成，其包括可变频驱动模块、界定用于封闭可变频驱动的内室且还界定在内室外部的流动通道的外壳、按照与内室成传导性热传递关系布置和具有被安置在外部流动通道内的热传递表面的散热器结构，和与外壳操作关联用于使冷却流动横跨和越过散热器结构的热传递表面通过外部流动通道的风扇。在实施方案中，可变频驱动散热器总成可以被架置到在运输制冷单元上的支撑板，同时使外部热传递鳍片的尖端毗邻支撑板。当被架置在运输制冷系统上时，可变频驱动散热器模块可以被安置在被冷凝器/气体冷却器风扇经由运输制冷单元抽取的空气流动的路径中。

公开了冷却电力电子模块的方法。所述方法包括步骤：提供界定用于封闭电力电子模块的内室和界定在所述内室外部的流动通道的外壳，提供具有外部热传递表面的散热器结构、将散热器结构的外部热传递表面按照与内室成传导性热交换关系布置，和使冷却空气流动横跨和越过外部热传递表面通过流动通道从而将热从内室经由外部热传递表面移除同时将电力电子模块从冷却空气的流动隔离。所述方法还可以包括给外部热传递表面提供延伸到流动通道中的多个外部热传递鳍片的步骤。所述方法还可以包括使冷却空气流动在4至20毫米/秒/瓦特电力电子模块的热释放的范围内的空气流动速度下通过流动通道的步骤。

附图简述

为了进一步理解本公开，将参考以下详细描述，并将其与附图一并阅读，其中：

图1是配备有制冷单元，其中侧壁的一部分和天花板被移除的制冷运输容器的透视图；

图2是被架置到图1容器的前向壁的制冷单元的前面的透视图；

图3是本文中所公开的被架置到图2运输制冷单元的支撑板的可变频驱动散热器总成的示例性实施方案的透视图；

图4是从运输制冷单元移除的图2可变频驱动散热器总成的底侧的透视图；

图5是图4可变频驱动散热器总成的底侧的平面图；和

图6是大体沿线6-6剖开的图5可变频驱动散热器总成的散热器结构的横截面正视图。

具体实施方式

首先参考图1，描绘用于船只甲板运输或通过船只、铁路或公路联合运送的制冷货物容器(基本上参考10)的示例性实施方案。货物容器10具有由前向壁或前壁12、背壁或后壁14、一对相对侧壁13和15、天花板16和地板18形成的箱形结构。箱形结构界定货物空间，本文称为货箱11，其中待运输的货物100的桶、纸板箱或托盘被堆置在地板18上。后壁14具有可供穿过以进入货箱以将货物装载到容器10中的一个或多个门(未示出)。当门关闭时，在容器10内建立大体气密密封货物空间，其防止内侧空气逃离货箱11。

运输制冷单元20被架置到容器10的壁。基本上来说，运输制冷单元20被容纳在容器10的前向壁12的开口中和使外围被包围地架置到容器10的前向壁12，例如如图1中所描绘，用于调节制冷室，即容器10的货箱11内的空气。现在同时参考图2，运输制冷单元20包括具有关联压缩机驱动发动机的压缩机22、从货箱11隔离的冷凝器/气体冷却器模块(未示出)和包括与被界定在容器10内的货箱11操作关联的蒸发器风扇和发动机总成的蒸发器模块。运输制冷单元可以合并各种额外组件，包括但不限于，过滤器-干燥器、膨胀装置、中间冷却器、容纳器、节约装置、闪蒸罐和各种控制阀。

冷凝器/气体冷却器模块包括被架置在位于货箱11外部的制冷单元20的前段中且基本被安置在冷凝/气体冷却器风扇24后方的制冷剂排热热交换器(未示出)。冷凝器/气体冷却器风扇24经由在制冷单元20的前下部处的开口25抽取周围室外空气，然后使那些空气通过在前面板21后方的冷凝器/气体冷却器热交换器并将那些空气排出返回到室外环境中。蒸发器风扇和发动机总成26从货箱11抽取回流空气，使回流空气和经准许且可以与其混合的任何新鲜室外空气通过用于箱环境调节的蒸发器热交换器(未示出)，和将那些经调节的空气作为供应空气递送返回到容器10的货箱11中。

可变频驱动散热器总成30被架置到运输制冷单元20的结构，例如在前面板21后方的支撑板28。可变频驱动散热器总成30相对于冷凝器/气体冷却器风扇24安置，以使被冷凝器/气体冷却器风扇24抽入单元20中的一部分周围室外空气越过可变频驱动散热器总成30的外部。虽然在本文中被描述成被架置在运输制冷单元上的可变频驱动散热器总成，但应理解本文中所公开的散热器总成可以适用于冷却在其它应用中的其它电力电子模块。应理解可变速驱动的应用不限于制冷系统压缩机。例如，可以利用与压缩机共享的可变速驱动或分离式可变速驱动在各种不同速度下驱动一个或多个风扇或泵。

现在参考图3至图6，描绘本文中所公开的可变频驱动散热器总成30的示例性实施方案。可变频驱动散热器总成30包括界定用于封闭可变频驱动模块36的内室34且还界定外部流动通道38的外壳32。外壳32还包括在外壳32的第一末端处的冷却空气入口开口40和在与外壳32的第一末端纵向相对的外壳32的第二末端处的冷却空气出口开口42。外壳32可以具有盖子35，其形成覆盖室34的外壳32的一部分且被可释放固定至外壳32。盖子35可以被移除以提供室34的进入口用于安装、移除或维修可变频驱动模块36。当例如通过螺钉、可释放紧固件或类似物件将盖子35固定至外壳32时，提供气密封闭用于保护可变频驱动模块36和其组件避免暴露于冷却空气流动。

可变频驱动散热器总成30还包括用于使冷却空气通过外部流动通道38的冷却空气风扇44。冷却空气风扇44可以被架置在冷却空气入口开口40或冷却空气出口开口42中。在任一种配置中，冷却空气风扇44可操作以从可以至少部分被冷凝器/气体冷却器风扇24抽入运输制冷单元20中的周围空气流动抽取周围空气。在所描绘的实施方案中，冷却空气风扇44被架置在冷却空气入口开口40中且可操作以将周围空气抽入和通过入口导管45和通过外部流动通道38，以经由在流动通道38的纵向相对末端处的冷却空气出口开口42离开。冷却空气风扇44本身可以是由可变频驱动模块36驱动的可变速风扇。冷却空气风扇44的速度可以响应于可变频驱动模块36的电力电子设备的温度测定和与临界温度的比较而变化。在一个实施方案中，冷凝器/气体冷却器风扇24可以提供通过流动通道38的冷却空气流动用于冷却可变频驱动模块36。

可变频驱动散热器总成30还包括散热器结构，其界定被布置在外部流动通道38内和在封闭可变频驱动模块36的室34外部的热传递表面。当冷却空气风扇44处于操作中时，冷却空气风扇44使周围空气横跨和越过散热器结构46的热传递表面通过外部流动通道38用于冷却可变频驱动模块36的电力电子设备，如例如，但不限于，绝缘闸双极晶体管(IGBT)或其它电力半导体装置和电容器。按照这种方式，可变频驱动模块36的电力电子设备可以在不与周围空气直接接触下得到有效冷却，从而避免电力电子设备与潮湿的高氯含量海洋空气或在高湿度条件中的陆地空气的直接接触所伴随的潜在电力电子设备腐蚀和侵蚀。

散热器结构的热传递表面可以包括在外壳32的外部上从外壳32的基底50向外延伸到流动通道38中的多个热传递鳍片48。多个热传递鳍片48可以按照侧向隔开关系排列和沿流动通道38基本纵向延伸，从而将流动通道分割成在各组相邻热传递鳍片40之间的多个子通道52。

在实施方案中，每个热传递鳍片48可以按照彼此界定流动通道36的外壳32的纵向延伸上侧壁54和下侧壁56从外壳32的基底50向外延伸的相同程度向外延伸。经过这样建造，当可变频驱动散热器总成30被架置到在运输制冷单元20上的支撑板28时，各个热传递鳍片48的尖端部分和外壳32的上侧壁和下侧壁54、56的尖端部分将全部接触支撑板28的表面。

在所描绘的实施方案中，热传递鳍片48沿其纵向范围呈弓形，最佳如图4和图5所示。在弓形热传递鳍片48的竖直平面轮廓中的向上凸面促进冷凝液从热传递鳍片48的表面的排水。在实施方案中，弓形鳍片48具有标称曲率半径和通道长度，其中标称曲率半径对通道长度的比具有在0.5至3.0的范围内且更严格地说，在0.8至1.5的范围内的值。冷凝液因在流动通过流动通道38的周围冷却空气中的水分的冷凝而可以形成在热传递鳍片48的表面上。此外，热传递鳍片48可以按照与外壳32的侧壁54、侧壁56不相同的程度向外延伸，从而相对于上侧壁和下侧壁54、56缩短以在被架置到支撑板28时在热传递鳍片48的尖端部分与支撑板28之间提供足以允许冷凝液从热传递鳍片48的尖端部分排走的间隙。为了进一步促进冷凝液从热传递鳍片48的表面的排水，可以给多个热传递鳍片48提供水槽58用于收集冷凝液并将所收集的冷凝液排到热传递鳍片48的尖端部分以外。水槽58可以与热传递鳍片48形成一体。

外壳32可以由铝、铝合金或具有相对高热导率的其它材料形成。外壳32可以通过挤压或通过铸造形成。在所描绘的实施方案中，外壳32包括从铝合金铸造的外壳，同时在铸造过程期间使热传递鳍片48与外壳32形成一体。此外，在所描绘的实施方案中，外壳32经过铸造以提供向外延伸到流动通道38中且对室34开放的电容器阱60用于容纳构成可变频驱动模块36的组件的电容器。

在所描绘的实施方案中，热传递鳍片48形成具有沿纵向方向向上凸的弓形轮廓，其促进冷凝液排水。应理解在其它实施方案中，热传递鳍片40可以是按照平行隔开关系纵向延伸的平板鳍片或波浪形鳍片。此外，热传递鳍片48可以具有从基底到尖端的均一厚度或从基底到尖端向内渐缩。在例如均一厚度实施方案中，热传递鳍片可以具有在3至4毫米(0.12至0.157英寸)的范围内的厚度且在10至11毫米(0.39至0.43英寸)的范围内的间隔下侧对侧地隔开。在渐缩鳍片实施方案(促进具有与外壳32形成一体的热传递鳍片48的外壳的铸造)中，热传递鳍片48可以例如具有在鳍片基底在3至4毫米(0.12至0.157英寸)的范围内的厚度和以大于1度且小于1.5度的斜率向内倾斜的侧面。

根据本文中所公开用于冷却电子电力模块的方法，热可以从外壳32的内室34经由外部热传递表面48被移除同时将电力电子模块，如，但不限于可变频驱动36从冷却空气的流动隔离。所述方法包括步骤：提供界定用于封闭电力电子模块的内室34和界定在内室34外部的流动通道38的外壳32；提供具有包括外部热传递鳍片48的外部热传递表面的散热器结构；将散热器结构的外部热传递表面按照与内室34成传导性热交换关系布置；和使冷却空气流动横跨和越过外部热传递表面通过流动通道从而将热从内室经由外部热传递表面移除，同时将电力电子模块从冷却空气的流动隔离。为了实现充分对流性热传递以确保将可变频驱动36的电力电子设备或其它电力电子模块冷却到低于与本文中所公开的方法相符的85℃(185°F)临界温度的温度，可以使冷却空气流动在4至20毫米/秒/瓦特电力电子模块的热释放的范围内的空气流动速度下通过流动通道。

本文中所使用的术语是出于描述的目的，而非限制。本文中所公开的特殊结构和功能细节不应被理解为限制，而是仅仅作为教授本领域技术人员使用本发明的基础。本领域技术人员还将明白可以在不脱离本发明的范围下用于取代参考本文中所公开的示例性实施方案而描述的元件的等效物。

虽然已参考如图所图示的示例性实施方案示出和描述本发明，但本领域技术人员将明白可以在不脱离本发明的精神和范围下实施各种修改。因此，本公开不希望限制于所公开的特定实施方案，而是希望本公开将包括落于随附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (23)

1.一种用于冷却电力电子模块的散热器总成，其包括：

外壳，其界定用于封闭所述电力电子模块的内室和界定在所述内室外部的流动通道；和

散热器结构，其按照与所述内室成传导性热传递关系布置和具有被安置在所述外部流动通道内的热传递表面。

2.根据权利要求1所述的散热器总成，其中所述外壳还包括：

冷却空气入口开口和冷却空气出口开口，所述入口开口和所述出口开口与所述外部流动通道流动连通；和

风扇，其与所述外壳操作关联地布置用于使冷却空气的流动横跨和越过所述热传递表面通过所述外部通道。

3.根据权利要求2所述的散热器总成，其中所述风扇被布置在所述外壳的所述冷却空气入口开口中。

4.根据权利要求2所述的散热器总成，其中所述风扇被布置在所述外壳的所述冷却空气出口开口中。

5.根据权利要求2所述的散热器总成，其中所述风扇是可变速风扇。

6.根据权利要求1所述的散热器总成，其中所述热传递表面包括从所述外壳向外延伸到所述外壳的所述流动通道中的多个外部热传递鳍片。

7.根据权利要求6所述的散热器总成，其中所述多个外部鳍片包括多个外部热传递鳍片，所述多个外部热传递鳍片从按照与所述内室成传导性热传递关系布置的所述散热器结构的基部向外延伸到端接所述外壳的边界壁附近的尖端部分。

8.根据权利要求7所述的散热器总成，其中所述多个外部热传递鳍片按照隔开关系布置，从而界定在所述流动通道内横跨所述热传递表面的多个流动子通道。

9.根据权利要求6所述的散热器总成，其中所述多个外部热传递鳍片与所述外壳形成一体。

10.一种可变频驱动散热器总成，其包括：

可变频驱动模块；

外壳，其界定用于封闭所述可变频驱动的内室和界定在所述内室外部的流动通道，

散热器结构，其按照与所述内室成传导性热传递关系布置且具有被安置在所述外部流动通道内的热传递表面；和

风扇，其与所述外壳操作关联用于使冷却空气的流动横跨和越过所述散热器结构的所述热传递表面通过所述外部流动通道。

11.根据权利要求10所述的可变频驱动散热器总成，其中所述风扇被布置在所述外壳的所述冷却空气入口开口中。

12.根据权利要求10所述的可变频驱动散热器总成，其中所述风扇是可变速风扇。

13.根据权利要求10所述的可变频驱动散热器总成，其中所述热传递表面包括多个外部热传递鳍片，所述多个外部热传递鳍片从按照与所述内室成传导性热传递关系布置的所述散热器结构的一部分向外延伸。

14.根据权利要求13所述的可变频驱动散热器总成，其中所述多个外部热传递鳍片按照隔开关系布置从而界定在所述流动通道内的多个流动子通道。

15.根据权利要求14所述的可变频驱动散热器总成，其中所述多个外部热传递鳍片具有沿纵向扩张的弓形轮廓。

16.根据权利要求15所述的可变频驱动散热器总成，其还包括在所述多个外部热传递鳍片中形成的多个冷凝液排水水槽。

17.根据权利要求10所述的可变频驱动散热器总成，其中所述多个外部热传递鳍片与所述外壳形成一体。

18.根据权利要求10所述的可变频驱动散热器总成，其中所述可变频驱动散热器总成是与运输制冷单元连用。

19.根据权利要求10所述的可变频驱动散热器总成，其中所述可变频驱动散热器总成是与用二氧化碳制冷剂加注的运输制冷单元连用。

20.根据权利要求10所述的可变频驱动散热器总成，其中所述可变频驱动散热器总成与压缩机、冷凝器/气体冷却器风扇、蒸发器风扇、水泵和运输制冷单元的可变频驱动冷却风扇中的至少一个操作关联。

21.一种用于冷却电力电子模块的方法，其包括步骤：

提供界定用于封闭所述电力电子模块的内室和界定在所述内室外部的流动通道的外壳；

提供具有外部热传递表面的散热器结构；

将所述散热器结构的所述外部热传递表面按照与所述内室成传导性热交换关系布置；和

使冷却空气流动横跨和越过所述外部热传递表面通过所述流动通道，从而将热从所述内室经由所述外部热传递表面移除，同时使所述电力电子模块从所述冷却空气的流动隔离。

22.根据权利要求21所述的方法，其还包括给所述外部热传递表面提供延伸到所述流动通道中的多个外部热传递鳍片的步骤。

23.根据权利要求21所述的方法，其还包括使所述冷却空气流动在4至20毫米/秒/瓦特所述电力电子模块的热释放的范围内的空气流动速度下通过所述流动通道的步骤。

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