CN104094681A - 用于电气壳体的机械热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于从电气外壳转移热量的系统。电气外壳限定了壳体区域，一个或多个电气设备容纳在该壳体区域中。热泵延伸穿过电气外壳，该热泵限定了配置成传送流体的通道，该流体用以从一个或多个电气设备转移热量。电气外壳大体上相对于热泵通道密封，并且相对于电气外壳之外的其他区域密封。

Description

用于电气壳体的机械热泵
技术领域
本申请主要涉及用于从电气壳体(例如，接线盒)中的发热电气设备转移热量的系统和方法。
背景技术
诸如导体、组合器、开关、控制器、熔丝、熔丝支架、配电模块和接线端子的电气设备产生热量，必须消散这些热量以调节这些设备以及周围元件或结构的温度。电气设备可以容纳在各种类型的壳体或外壳中。一些电气设备壳体具有至少一个开放面，或者具有明显的开口，以允许通过穿过壳体且越过电气设备表面的气流从电气设备上移除热量。其他电气设备壳体大部分被封闭，并且在一些情况下相对于周围环境密封。例如，高电压、高电流(直流电流)的太阳能发电系统的电气部件可以容纳在密封的外壳(例如具有NEMA4X等级的外壳)中以提供耐水性或防水性。从这些外壳移除热量是相对较困难的，因为它们不包括允许气流在发热部件之上流动的开口。
发明内容
本发明的一些实施方式提供了从容纳在密封的外壳(例如，用于高电压太阳能系统的密封接线盒)中的发热电气设备转移热量的系统。这些系统可以包括一个或多个限定了通道的机械热泵，这些通道延伸穿过密封的外壳。空气流动通过这些通道以将热量从密封的外壳带走(并且因此将热量从发热电气设备带走)。
在本发明的一个方面中，提供了一种用于从电气外壳转移热量的系统。电气外壳限定了壳体区域，一个或多个电气设备容纳在该壳体区域中。热泵延伸穿过电气外壳，该热泵限定了配置成传送流体的通道，该流体用以从一个或多个电气设备转移热量。电气外壳大体上相对于热泵通道密封，并且相对于电气外壳之外的其他区域密封。
在本发明的另一方面中，该系统包括大体上垂直延伸穿过电气外壳的多个热泵，每个热泵限定了配置成传送流体的通道，该流体用以从一个或多个电气设备转移热量。每个热泵通道均可以是锥形的，从而热泵通道顶端的横截面面积小于热泵通道底端的横截面面积。电气外壳大体上相对于多个热泵通道密封，并且相对于电气外壳之外的其他区域密封。
附图说明
图1A和1B示出了根据一些实施方式的用于冷却电气壳体中的电气设备的示例性热转移系统；
图2示出了根据一些实施方式的包括风扇的热转移系统的构造，其中，该风扇用于增加穿过热泵通道的气流；
图3示出了根据一些实施方式的包括垂直延伸的热泵的示例性热转移系统，其中，该热泵形成在电气壳体的一个侧面上；
图4示出了根据一些实施方式的包括热泵的示例性热转移系统，其中，该热泵水平延伸穿过电气壳体；
图5示出了根据一些实施方式的包括热泵的示例性热转移系统，其中，该热泵对角地延伸穿过电气壳体；
图6示出了根据一些实施方式的包括热泵的示例性热转移系统，其中，该热泵具有大体上垂直的、锥形的通道；
图7示出了根据一些实施方式的包括热泵的示例性热转移系统，其中，该热泵具有大体上水平的、锥形的通道。
具体实施方式
通过参考附图阅读下文中非限制性、示例性的实施方式的说明，可以更好地理解本发明，在附图中，每幅图中类似的部件由相同的参考字符标识。
本发明涉及从容纳在密封外壳(例如，用于高电压太阳能系统的密封接线盒)中的发热电气设备转移热量的系统。这些系统可以包括一个或多个机械热泵，机械热泵限定了延伸穿过密封外壳的通道，其中，空气流动穿过通道以将热量从密封外壳带走。术语“电气设备”包括任何电子器件、电路元件或电导体(例如接线或电连接器)。仅作为实例而言，电气设备可以包括导体、组合器、开关、控制器、熔丝、熔丝保持器、配电模块、接线端子等。在一些示例性实施方式中，电气设备是高电压和/或高电流系统的部件——例如，高电压(例如1000V+)、高电流(2000A+直流电)的太阳能发电系统——容纳在密封外壳中，例如具有NEMA4X等级的外壳。本文所讨论的系统可以与以A/C或DC电流运行的或承载A/C或DC电流的电气设备一起使用。
图1A和1B示出了用于冷却位于电气壳体14中的电气设备12的示例性热转移系统10A。图1A示出了三维视图，而图1B示出了从图1A中的线1B-1B处截取的横截面侧视图。如所示的那样，系统10A包括大体上垂直延伸穿过电气壳体14的一对机械热泵20A和20B，其中电气壳体14可以固定到表面或墙壁24。每个热泵20限定垂直通道22，用以使空气或其他流体通过热泵20，从而提供远离电气壳体14的对流(convective)热转移，例如由电气设备12产生的热。
在一些实施方式中，电气壳体14可以限定电气设备壳体区域16，其大体上或完全地相对于电气壳体14之外的区域密封，并且大体上或完全地相对于热泵通道22密封。因此，电气壳体14可以大体上或完全地耐水或防水，这对于室外外壳来说是尤其有用的。
在图1A和1B所示的实施方式中，热泵20可以与电气壳体14一体形成，从而特定的壁30既作为热泵20的外部壁，又作为电气壳体14的内部壁，其中，壁30将密封的壳体区域16与热泵通道22隔开。可选地，热泵20可以与电气壳体14分开形成，从而热泵20插入到由电气壳体14的内壁所限定的通道中。
每个热泵通道22从限定第一端开口34的第一端32延伸至限定第二端开口38的第二端36。每个开口34和38可以具有任何合适的形状和/或尺寸。开口34和38可以具有相同的形状和/或尺寸，或者具有不同的形状和/或尺寸。此外，开口34和38之间的通道22可以具有任何合适的形状。例如，通道22可以是直的，在一个或多个方向上弯曲，在一个或多个方向逐渐变细，可以包括任何数量的转弯，可以呈迂回或迷宫(labyrinth)形，可以分支成多个通道，或者可以具有任何其他形状或构造。在图1A和1B所示的实施方式中，开口34和38是直的且尺寸和形状相同，并且各个通道22是直且平行的。
此外，热泵20可以位于电气壳体14的一个外部侧面上(例如，电气壳体14的一个外部壁也作为热泵20的壁，例如下文讨论的图2中所示)，或者可以与电气壳体14的外部侧面隔开。在图1A和1B所示的实施方式中，热泵20位于电气壳体14的后壁40附近，但与该后壁隔开。因此，如图1B中最佳展示的那样，壳体区域16完全地围绕每个热泵20的外部周界延伸。此外，每个开口34和38的周界位于电气壳体14的外部周界内，并且与电气壳体14的外部周界隔开。在其他实施方式中，例如，如图2中所示，开口34或38中的一个或二个的周界可以与电气壳体14的外部周界共享一个或多个边缘。
每个热泵20可以延伸至或超出电气壳体14的上表面50或下表面52。每个热泵20可以包括用于增加热转移和/或按照期望引导气流的元件。例如，可以在通道22中提供翅片、折流板、脊、隔板(screen)或其他元件。在图1A所示的实施方式中，每个热泵20在通道22内包括叉指形(inter-digitated)元件46以增加暴露于流动通过通道22的空气的表面面积，从而增加传导性热转移。
每个电气设备12可以直接安装在一个或多个热泵20的一个或多个壁上，或者安装在物理上紧邻一个或多个热泵20的一个或多个壁的结构上，或者安装在电气壳体14的壁上并与热泵20隔开，或者以其他方式安装在壳体区域16内。例如，图1A和1B示出了安装在导热安装板60上的示例性电气设备12A，该导热安装板60安装在热泵20A的壁上；示出了直接安装在热泵20B的壁上的示例性电气设备12B；并且示出了未安装在任何热泵20上的示例性电气设备12C(仅在图1B中示出)。
在运行时，电气设备12产生热量，这些热量通过对流、传导(例如，在电气设备12直接安装到热泵20上或安装到与热泵20接触的导热结构(例如：板60)的情况下)和/或辐射转移至热泵20的一个或多个壁上。热泵20的一个或多个热的壁使通道22内的空气变热，这使得空气穿过通道22上升，由此促进了向电气壳体14之外的传导性热转移。
本文讨论的任意热转移系统可以包括任何主动、任何被动或主动设备以推动或增加通过热泵通道22的气流。例如，热转移系统38可以包括被动元件(例如具有翅片的散热器)或主动元件(例如风扇)等。图2示出了包括风扇42的热转移系统10A的构造，风扇42用于增加通过通道22的气流，进一步促进向电气壳体14之外的传导性热转移。
图3示出了用于冷却位于电气壳体14中的电气设备12的示例性热转移系统10B。在该实施方式中，垂直延伸的热泵20形成在电气壳体14内，但位于电气壳体的一个侧面上使得电气壳体14的外壁54形成热泵20的一个壁(或者可选地，热泵的壁可以直接安装在电气壳体14的外壁54上)。因此，顶部开口34的周界与电气壳体14的顶部50的周界共享边缘，并且类似地，底部开口38的周界与电气壳体14的底部52的周界共享边缘。在其他实施方式中，热泵20可以以类似的方式布置在电气壳体14的任意其他的一个外壁或多个外壁上。
图4示出了用于冷却位于电气壳体14中的电气设备12的示例性热转移系统10C。在该实施方式中，热泵20从电气壳体14的第一侧56大体上水平地延伸至第二侧58。在每个热泵通道22上设置有定向排气结构70以辅助和/或导向通过通道22的气流。排气结构70可以包括任何合适的结构，例如翅片或百叶窗，并且排气结构70可以可调整地定位在期望位置。在所示实例中，排气结构70包括相对于热泵通道22呈斜角定位的百叶窗，其可以在图4中的箭头所示的方向上促进气流。
图5示出了用于冷却位于电气壳体14中的电气设备12的示例性热转移系统10D。在该实施方式中，热泵20从电气壳体14的第一侧56对角地延伸至第二侧58。热泵20可以相对于水平方向(即，图5中所示的x轴)以任意角度定向，从而例如在特定温度下提供期望的气流特点。例如，热泵20可以与水平方向成10-80度之间的角度定向。在某些实施方式中，热泵20可以与水平方向成20-45度之间的角度定向。
图6示出了用于冷却位于电气壳体14中的电气设备12的示例性热转移系统10E。在该实施方式中，热泵20大体上垂直地延伸并且具有锥形通道22，锥形通道22可以加速或以其他方式促进空气向上流动通过通道22，从而增加热转移速率。具体地，通道22在x方向和y方向上都是锥形的，使得底部开口38的x和y方向的尺寸都大于顶部开口34的x和y方向的尺寸。因此，底部开口38的横截面面积大于顶部开口34的横截面面积。在其他实施方式中，通道22可以仅在单一方向上呈锥形。在其他实施方式中，通道22可以以任何其他方式呈锥形。
图7示出了用于冷却位于电气壳体14中的电气设备12的示例性热转移系统10F。在该实施方式中，热泵20大体上水平地延伸并且具有锥形通道22，锥形通道22可以加速或以其他方式促进空气以朝着锥形通道22的较小端的方向流动通过通道22，如图7所示。如所示，通道22可以在y方向和z方向上都是锥形的，使得开口38的y和z方向的尺寸都大于开口34的x和y方向的尺寸。因此，开口38的横截面面积大于开口34的横截面面积。在其他实施方式中，通道22可以仅在单一方向上呈锥形。在其他实施方式中，通道22可以以任何其他方式呈锥形。此外，在一些实施方式中，可以在通道22的一端或两端上设置定向排气结构70(例如如上文中结合图4所讨论的)，以辅助和/或导向通过通道22的气流。
因此，本发明良好地适于达成所述的目的和优势，以及那些固有的目的和优势。本文所公开的具体实施方式仅仅是示例性的，因为本发明可以以不同的但对于本领域内具有常规技能并且受益于本文教导的技术人员来说显而易见的等同的方式进行修改和实施。尽管本领域内具有常规技能的技术人员可以做出众多改变，但这些改变包含在本发明的由随附权利要求书所限定的精神和范围内。此外，并不打算局限于本文所示的构造或设计的细节。因此，显而易见，上文中公开的示例性的具体实施方式可以变化或改进，并且所有的这些改变被认为落入本发明的范围和精神内。

Claims (20)

1.一种用于从电气外壳转移热量的系统，包括：
限定了壳体区域的电气外壳，一个或多个电气设备容纳在所述壳体区域中；及
延伸穿过所述电气外壳的热泵，所述热泵限定了配置成传送流体的通道，所述流体用于从所述一个或多个电气设备转移热量；
其中，所述电气外壳大体上相对于所述热泵通道密封并且相对于所述电气外壳之外的其他区域密封。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵通道延伸穿过所述电气外壳的两个相对的侧面。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵通道大体上垂直地延伸穿过所述电气外壳的顶侧和底侧。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵通道大体上非垂直地延伸穿过所述电气外壳。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵通道大体上水平地延伸穿过所述电气外壳的两个相对的横向侧面。
6.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述热泵通道从第一端延伸至第二端；及
所述热泵包括位于所述热泵通道的第一端和第二端中的一个或两个处的定向排气结构，以辅助通过通道的流体流。
7.根据权利要求6所述的系统，其中：
所述热泵通道大体上水平地延伸；及
所述定向排气结构相对于所述热泵通道呈斜角地延伸。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵通道是锥形的。
9.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述热泵通道的第一端的位置相对于水平平面高于所述热泵通道的第二端；及
所述热泵通道是锥形的，从而所述热泵通道较高的第一端的横截面面积小于所述热泵通道较低的第二端的横截面面积。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵包括叉指形元件。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热泵大体上位于所述电气外壳内。
12.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述电气外壳的第一壁限定的第一壁周界；及
所述热泵通道的第一端在所述电气外壳的第一壁中限定了开口，所述热泵通道的开口位于所述第一壁周界内并且与所述第一壁周界不同。
13.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述热泵大体上位于所述电气外壳内；及
所述热泵物理上紧邻所述电气外壳的在所述热泵方向上延伸的壁。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电气设备中的至少一个安装在所述热泵的壁上，或者安装在物理上紧邻所述热泵的壁的结构上。
15.根据权利要求1所述的系统，包括多个延伸穿过所述电气外壳的热泵。
16.一种用于从电气外壳转移热量的系统，包括：
限定了壳体区域的电气外壳，一个或多个电气设备容纳在所述壳体区域中；及
大体上垂直延伸穿过所述电气外壳的多个热泵，每个热泵限定了配置成传送流体的通道，所述流体用于从所述一个或多个电气设备转移热量；
其中，每个热泵通道均是锥形的，从而所述热泵通道顶端的横截面面积小于所述热泵通道底端的横截面面积；及
其中，所述电气外壳大体上相对于所述多个热泵通道密封并且相对于所述电气外壳之外的其他区域密封。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述热泵包括叉指形元件。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，每个所述热泵大体上位于所述电气外壳内。
19.根据权利要求16所述的系统，其中：
所述电气外壳的顶部表面限定了顶部表面周界；及
每个热泵通道的顶端在所述电气外壳的顶部表面中限定了开口，每个热泵通道的开口位于所述顶部表面周界内并且与所述顶部表面周界不同。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电气设备中的至少一个安装在所述热泵中至少一个的壁上，或者安装在物理上紧邻所述热泵中至少一个的壁的结构上。
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