CN105593526A - 通风装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通风装置，其具有用于驱动至少一个叶轮(34,36)的、在相对叶轮沿轴向布置的流体通道(18)中构成的电机装置(24,26)，具有构成用于电机装置的整流器和/或镇流器电子元件的、与电机装置串联并且在电路载体上实现的电子组件(38,40)，和具有设计用于沿轴向将电机装置固持在流体通道上或流体通道内的支架单元(14)，其中至少部分地构成流体通道的内部圆周的支架单元由导热材料构成，其中，支架单元在与流体通道径向对置的外侧部段(16)上具有装配和冷却面，该装配和冷却面用于与电路载体和/或设置其上的电力电子构件导热地配合作用。

Description

通风装置及其应用

本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的通风装置。此外本发明还涉及这种通风装置在电力电子学领域的应用，例如在通信技术、数据服务器和传输技术的领域中，其中对这种通风装置的通风功率具有较高的功率要求。

由现有技术普遍已知此类型的通风装置，典型地是电动机装置(作为具有被驱动的叶轮的单独通风机电机，更常见的是作为由两个或多个具有各自配属的叶轮的电机组成的装置)在支架单元上被保持在流体通道中；壳体或框架结构然后沿轴向(也就是沿通一个/多个风电机的旋转轴线)包围支架单元并且因此形成一个模块化的通风器，其可以被安装在(通常预设的)通风横截面中。

这种普遍已知和前述类型的通风装置尤其常常与所谓的高性能系统、也即高功率通风器所需的通风要求相结合。常见的是，这种通风模块在流体通道的横截面直径(相应地所配属的通风器壳体的边长)通常在9至15厘米之间、电功率为200瓦和更多的情况中应用，其中，在电动机装置借助多个电动机的技术方案中叶轮既可以实现同向、也可以实现反向的旋转原理。

这种电功率级常常与在安装标准方面(并且由此既在待实现的流体通道的最大直径也在装置的最大轴向延伸范围方面)有限的空间规定相结合，其要求既在流体技术方面、而且也在通常为各个单独的通风电机所分别配属的电力电子元件方面进行优化：为了最佳的流体(空气)导通，流体通道中的有效的流体横截面应该尽可能不被支杆、载体、其他结构或类似零件影响，其中中央布置的电机装置同样应该占用最小化的横截面。同时在所述电功率范围中为了控制或通信所用的功率半导体会引起在各自所述的电路载体上的不利的生热，这又产生优化的问题，即在热力学方面有利的、更大的电路载体自身对流体通道中有效的流体横截面产生不利的作用，与此相反地这种电路载体的紧凑的构造由于可实现的最大温度常常限制了可达到的电功率。此外不利的是，由现有技术已知的电路载体在轴向上接近分别配属的通风电机地布置并且被保持在支架单元上，通过这种布局不仅使得流体通道中的流体介质较差地通风(例如由于周围空气速度较小)，而且占用了轴向结构空间，其在与允许的轴向延伸的交互作用中附加地限制了有效构件的可能的结构长度。所述方面在高功率通风装置中是很关键的，因为相应的高功率的镇流电子元件除了合适的冷却还需要具有高轴向结构空间需求的电子结构元件、例如具有直至mF范围的电容的电解液电容器。

由现有技术潜在的容易想到的优化方案在于，在相同机械尺寸的情况下通过使用借助所谓稀土磁性材料形成的永磁体实现通风功率；这种材料实现了很高的磁场强度和有效构件的可能的更小的体积，但是也导致了明显升高的材料和制造成本，因此基于对这种类型的通风装置的成本低廉的大规模或批量制造方面的考虑而期望变形方案。

由DE10204830B4已知一种在通风框架内的此种类型的支架单元，其中支架单元这样散热地构成，使得尤其在轮毂区域(也就是在流体通道的中央)中产生的或吸收的热量通过支杆向侧面边缘区域排出，所述支杆横向于流体通道的横截面。当这种技术原理上也可能将电力电子元件-电路载体的产热导入到轮毂区域中时，同样存在这样的问题，即相应的支杆或肋片既要在材料方面具有优良的导热，而且为了尽可能有效的散热需要具有尽可能大的导热横截面。但是这又会损害流体通道中有效的流体空间，因此这种解决方案对于在此类型的通风装置的轮毂区域中散热来说被视为是不利的并且需要改良。

本发明所要解决的技术问题因此在于，既在其流动技术的通风属性方面也在其电功率消耗和功率输出属性方面优化前述通风装置。

在此，需要为此实现的前提在于，通过更好地冷却连接在电机装置之前的整流器或镇流器电子元件而提高的电功率可以顺利地被消耗，同时通风装置既在流体通道最大可实现的直径方面(对应空气通道的横截面)、也在装置的最小轴向长度方面实现最小的尺寸。

所述技术问题通过具有独立权利要求的特征的通风装置解决；本发明有利的扩展设计在从属权利要求中描述。在本发明的范畴中一个独立保护范围是要求保护按照本发明的通风装置的应用，该通风装置尤其用于开关柜、电力电子或高频传输电子的系统柜体或空间的通风，并且被证实特别有利于这种性能的功率要求。

以按照本发明有利的方式并且与已知的原理不同，即用于各个通风电机的整流器或镇流器电器的电路载体在轮毂侧接近通风电机地设置，则在本发明的范畴中将这种电路载体在横截面上看向流体通道的外部区域移动，其中以设计上特别适合和有效的方式，按照本发明的支架单元一方面使各个通风电机(电机装置)连同叶轮轮毂式地固定在流体通道的轴向中心处，并且同时通过优选环形的壁部段在外罩侧限定流体通道，并且借助该外罩段在外侧提供有效的用于电路载体的安装和冷却面，因此这些在电加载时产热的组件在与支架单元相互作用时能够被有效地冷却。这以流体技术上有利的方式在支架单元的外罩侧上进行，因此在流体通道外部并且从而不会对流动特性产生不利的影响。同时不仅通过支架单元在外侧部段上的大面积构造而且还通过与流体流相连的内侧冷却实现了电路支架的降温，因此在与前述的从轮毂区域热量导出的技术直接比对中，明显更好的散热相应地实现了有利的电功率。在此，在本发明的框架中，在电路载体和所属的支架单元的外侧部段之间的散热的相互作用中包含有适用的电绝缘，因此(通常由金属材料制成的)支架单元不会使电路载体上功率电器短路。这种效果在本发明有利的扩展设计中能够通过导热的(例如陶瓷的)绝缘膜或其他已知形式的部件实现，其安置在电路载体和支架单元的冷却面之间。

按照扩展设计，在本发明的范畴中，(金属制)支架单元优选通过铸造或挤压工艺制成(作为补充或备选由精密的制造方法)，其中进一步优选地，该支架单元的一体式构造在中央的轮毂部段、外部或外罩部段和位于其间的支杆之间也可以在流体技术上被优化，例如通过(根据在流体通道中各个流动曲线)构造的支杆横截面的弧形、圆形或类似造型实现。其他材料也可以被用于制造支架单元，例如陶瓷，其中在按照本发明的作为冷却面的外部部段的区域中要求有利的散热性质，但是不能在轮毂部段和支架单元的外部或外罩区域之间的连接(支杆)中发生。反而在此，除了各个流体横截面被支杆优化之外，还可以限制支杆数量，其中在本发明的实践中证明在气体动力学方面有利的是不多于4至8个支杆。

本发明考虑到外观上的缺点，即由于电力电子构件连同所属的电路载体移动到通风装置的横截面上的流体通道外部的边缘，在电路载体和各自配属的(轮毂侧)的通风电机之间需要电子线路装置(具有所需的线路横截面)。然而这在设计上和有利的改进方面通过特别巧妙的方式这样解决，即支架单元的支杆被用作这种电导线的线路引导装置，例如通过夹子或类似引导元件，其能够将导线从在边缘侧被固持和冷却的电路支架引导至中间的通风电机(其中进一步优选，支架单元在外罩区域中具有适用的、相对导电部件绝缘的开口或孔用于使导线经过并且因此满足标准方面要求的空气和爬电距离规定)。

在本发明有利的扩展设计中，按照本发明的在支架单元的外部部段上的装配和冷却面通过适用的整平结构、优选是支架单元的在横截面中多边形(例如八角形的)外部轮廓实现(其中用于流体通道的内部轮廓通常是空心圆柱形或环形的)。这种角状外轮廓不仅实现了紧凑的和容易安装的外部形状，而且这种组件可以特别简单地集成在按照本发明改进的框架或壳体结构中，其在与(金属)支架单元配合作用时使得通风装置作为支架或壳体模块紧凑地形成。具体地按照扩展设计并且有利地规定，这种框架或壳体单元合适地容纳支架单元，例如沿轴向在一侧或两侧集成支架单元。这种框架或壳体单元在本发明的范畴中以特别简单的方式由塑料材料实现。这不仅在制造技术上是有利的并且适合大批量，而且之前讨论的支架单元的散热和冷却属性还实现了本发明有利的属性，即不必令整个壳体由(导热的)金属材料和类似材料制成。这种壳罩形的壳体元件构成了通风装置的外部轮廓，其中常常设置或实施正方形的外部轮廓，并且其中这种正方形横截面轮廓以理想的紧凑方式具有对应流体通道的直径(连同支架单元或壳罩的壁厚在内)的棱边长度。

若这种框架或壳体结构然后与支架单元的按照本发明的整平的外部轮廓组装，则以按照本发明的有利的方式在角区域中形成用于容纳电路载体的内部空间，其向内被支架单元的外罩部段或外部部段限定并且向外以及沿轴向被壳罩的壁部段或角-壁部段限定；本发明因此有利的实现了对于流体通道的优选空心圆柱形的结构而在壳体的各个角部没有使用的空间能够有效地用于容纳和冷却电路载体。

在本发明优选实施形式的范畴中进一步的改进基于这样的发明构思，即，通过在框架或壳体单元的优选的端侧壁区域中合适尺寸的通孔，使得这种内部空间被附加地通风:不仅通过这种扩展设计的通孔(对应所选择的开口横截面)获得附加的空气，用于在各个电路载体的支承部位中进行热交换，而且这种通孔的布局可以这样设置，使得在通风装置的进口和出口之间形成(在横截面方面与开口宽度相应地受限地)空气旁路，其用于有效地冷却(当然是通过具有支架单元的热端冷却的)电路载体，并且因此附加地改进了电功率性质(同时通过空气旁路会略微削减原来的通风效率)。

相较而言，本发明原则上还能够借助单个转子电机实现(其中按照本发明的电机装置具有带有配属的叶轮的单个的通风电机)，本发明被证实是特别有效率的是，一对通风电机(进一步优选地分别实施为具有无电刷整流器的外转子)沿轴向相互在轮毂侧被支架单元固持，并且配属的通风叶轮要么同向要么反向地按照各自通风机原理被驱动。与通风电机的各个数量相对应地，所属的控制电器和电力电子元件位于配属的电路载体上，其中在热技术上有利的是，多个电路载体适当地围绕支架单元的外周分散地布置，例如在有一对电路载体(例如一对通风电机)时它们相互对置地布置，进一步优选地是布置在各个内部空间或在支架单元和靠外的壳罩之间的腔室中。由本发明的基础构思可知，本发明也不局限于两个电机，反而也可以按照本发明的方式设置和安装多个对应各自的通风机原理和通风目的对徐的单元，其中，本发明并不局限于按照本发明的电路载体(或设置其上的具有各个构件的功率电器)设置在唯一一个单独的支架单元上，例如导线板上。反而本发明在变型中还可以规定，为单个电机(或者为多个电机)设置的整流器或镇流器电器分布在多个电路载体上，它们然后再次适宜于沿着支架单元的外周布置并且适宜于导热地被固定。

本发明最终以特别巧妙的方式实现所设立的目的，即在轴向(和径向)紧凑性方面优化通风装置的已知的实施和结构方案，其中通过明显改进的冷却而提高电功率并且尽管如此实现一种可廉价制造、要求较小的构件耗费并且可简单装配的装置。相应地本发明包含构造按照本发明形式的通风装置，其以按照本发明的轴向装置设置通风电机，它们不配属电子组件、尤其不配属轴向导线板，反而所述导线板仅以按照本发明的方式在径向的边缘侧并且在流体通道的外部导热地布置。同样被本发明所包含的是，电机装置的通风电机的实现不使用昂贵的稀土永磁体，因此本发明尤其还在大批量生产和效率方面具有显著的优点。

在本发明范畴中特别有利的是，本发明在所述的高性能应用领域中使用，即尤其与功率、传输和高频电器的环境的通风和冷却相关，本发明或其应用同样不局限于这种使用目的。反而本发明适用于各种使用目的，其中具有有利的流体属性和电机-功率电器的优化的排热的紧凑的构造方式被集成。

本发明其他优点、特征和细节由以下对优选实施例的说明以及结合附图得出；在附图中：

图1以分解图示出本发明的第一实施形式的通风装置的立体图；

图2示出图1的实施例的前视图(正视图)；

图3示出在部分装配状态中(仅在壳体上)的按照图1的通风装置的侧视图；

图4示出沿图2中剖切线IV-IV剖切的剖视图；

图5示出通过图2的视图中的V标注的角部段(内部空间)的细节视图。

在图1至5所示的本发明的通风装置的实施例(其中设计为流体通道直径为12厘米并且所示通风电机对连同叶轮反向指向)在功率消耗在500瓦至600瓦之间的情况下实现了780m³/h的通风量和约579m³/h/1600Pa的工作范围，并且尤其设置用于高频传输电器设备或高功率服务器或计算设备的通风。在此所示的结构特别有利地适用于具有高集成密度和/或高功率密度以及由此产生的高气体动力学的系统阻抗的应用。

具体地在下部壳罩10(图1的视角)和上部壳罩12(二者设计为塑料注塑件)之间固持有由铝铸件一体式形式的支架单元14，其对比图2的俯视图构成具有八角形外周轮廓的外罩16，而在外罩的内部区域中形成空心圆柱状的流动空间18。外罩或外部部段16通过六个一体式成型的支杆部段20与中央轮毂部段22相连，在轮毂部段上(如在图4的纵截面视图中示意示出)固持有通风电机24或26。图4的剖视图附加地示出，与通风电机对24、26的机械连接通过嵌入法兰环22的孔中的、沿轴向(大致沿图4的点划线30)延伸的套筒32实现。实现为外转子的电机24、26以已知方式配属叶轮(34或36，图1)，而不必详细说明它们的设计构造、轴承或叶片尺寸。

为这对通风电机24或26配置了安置在作为电路载体的线路板上的相应的一对电力电子组件38或40。从附图的视角可见，这种矩形构造的电路载体以另外已知的方式具有用于各自配属的通风电机的整流器和镇流器，也即呈现(另外已知的并且未详细显示的)驱动器输出级的功能模块、电流或功率限制器、电源和中间电路(连同EMV构件)以及电机管理装置和转子轴承检测装置的形式。

如附图所示，线路板38或40(同时通过薄的导热和陶瓷的中间层绝缘地)与支架部段16的外罩侧外部的面部段导热地接触；图1以分解图方式示出，在宽度上与支架单元14的相应的侧面相适配的导线板如何导热地安置在金属元件上，因此产生这样的效果，即可以有效地和大面积导热地运行。

图4示出了这种装置在支架单元14的外侧壁区域中的另外的细节。通过适合在外罩区域16的孔42中导引入流体内部空间中的绝缘套筒44和设置在支杆46或48上的绝缘的电线引导件50能够将在各个导线板38、40上的镇流器和电力电子元件连接至各自配属的通风电机24、26，其中所述通风电机(在附图中未详细示出)具有底部侧的电缆引出件，其用于布置相应各支杆引导结构与电子组件的连接。

图5示出图2中局部的详细视图，如何如在支架单元14的外罩部段16一侧和壳罩10的壳体角部段52另一侧之间形成内部部件54，其以理想方式被用于容纳所示的导线板：在此可见的是，在所示的技术方案中不仅导线板的(在图5中左侧的)侧面通过电绝缘层导热地贴靠在流体通道外部的金属外罩16的冷的面部段，而且可以看出，本身就耗费结构空间的电子构件、如示意示出的电容器也能可靠地被容纳；直接可见的是，与此类型现有技术不同的是，所述电子组件、同样对置的另外的组件、仅仅使用现有的结构空间，而不用延长所述装置(在图4中轴线30的延伸范围)的轴向长度，或者伸入到流体空间中。

图1的视图附加地示出，如何按照本发明优选的扩展设计进行该内部空间54的通风并且可以进行附加的散热(通过借助金属元件的散热)。在附图中，上部壳罩12(这相似地适用于下部壳罩10)在各个内部空间54的区域中具有一对孔58(作为具有定义的横截面的通孔)。所述通孔在通风装置的装配的状态中位于进口侧和出口侧上，因此形成附加的流体流动(以主流体通道的旁路的形式)，由此产生的效果是，可以在该内部空间中进行空气交换，其进一步有利于热力学上的优化。

本发明不仅局限于所述实施例；反而存在任意的可行方案在按照本发明的基础原理的范围内使实施例变化。除了通风电机连同所属的叶轮的有效数量，电子组件在各个外边缘上的各个位置也属于这些变型；按照扩展设计，这些电子组件也可以分布在多个支架或导线板上，同样导线板可以供给多个电动机。作为中央元件的支架单元14可以以任意形式构造，除了所示的一体式构造其可以设计为多构件式，具有与示范性的描述的铝不同的材料选择(因此铝镁或铝锌压铸件也适用，备选的是陶瓷材料或类似材料)，在该范畴中任意的、与各种应用目相适配的构造在于，可以在周围的壳体基础结构中合适地调整或改变这种支架单元的外部形状、模块造型或集成模式。

Claims (12)

1.一种通风装置，具有：

用于驱动至少一个叶轮(34,36)的、在相对叶轮沿轴向布置的流体通道(18)中构成的电机装置(24,26)，

构成用于电机装置的整流器和/或镇流器电子元件的、与电机装置串联并且在电路载体上实现的电子组件(38,40)，

和设计用于沿轴向将电机装置固持在流体通道上或流体通道内的支架单元(14)，

其中至少部分地构成流体通道的内部圆周的支架单元由导热材料构成，

其特征在于，支架单元在与流体通道径向对置的外部部段(16)上具有装配和冷却面，该装配和冷却面用于与电路载体和/或设置在所述电路载体上的电力电子构件导热地配合作用。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，支架单元(14)由金属和/或陶瓷材料构成，尤其构成为车削、铣制、铸造和/或挤压组件，和/或具有优选一体式地将外部部段(16)与设计用于固持电机装置的轮毂部段(22)相连的支杆(20、46、48)。

3.按照权利要求2所述的装置，其特征在于，所述支杆(20、46、48)构成或支承在电路载体和电机装置之间的电的线路引导装置(50)。

4.按照权利要求2或3所述的装置，其特征在于，构成环形的和/或空心圆柱形流体通道部段的支架单元(14)在外部部段(16)上具有至少一个整平结构，优选构成在横截面中呈多边形的外部轮廓。

5.按照权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于框架和/或壳体单元(10,12)，所述框架和/或壳体单元在外罩侧和/或轴向上容纳支架单元(14)并且构成流体通道的进口和/或出口，其中与支架单元导热地配合作用的电路载体(38,40)设置在由壁部段(52)、尤其角部壁部段包围的内部空间(54)中。

6.按照权利要求5所述的装置，其特征在于，优选由塑料材料构成的框架和/或壳体单元(10,12)具有多边形、优选正方形的外部轮廓和/或设计为轴向多层的并且用于轴向固持和/或包围支架单元。

7.按照权利要求5或6所述的装置，其特征在于，框架和/或壳体单元(10,12)具有设置用于内部空间通风的、具有预定开口宽度的壁通孔(58)。

8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，借助多个壁通孔构成作为流体通道的旁路的通风路径，该通风路径用于电路载体的附加的散热。

9.按照权利要求1至8之一所述的装置，电机装置具有一对分别驱动叶轮的、优选实施为外转子的无电刷通风电机(24,26)，所述通风电机沿轴向相邻地固持在支架单元(14)上。

10.按照权利要求9所述的装置，其特征在于，为所述通风电机分配一对电路载体(38,40)，所述电路载体围绕流体通道的外周分布地、尤其在横截面中相互对置地、导热地设置在共同的支架单元上。

11.按照权利要求9或10所述的装置，其特征在于，在轴向上不为所述一对通风电机分配电子组件、尤其不分配轴向上相邻的导线板，和/或通风电机的转子具有永磁体，该永磁体不用稀土材料制成。

12.一种对按照权利要求1至11之一所述的通风装置的应用，该通风装置被用于开关柜、信息技术电器、电力电子元件或高频传输电器的系统柜体或空间的通风，其中，模块化构成的通风装置优选实现300瓦以上、进一步优选500瓦以上的功率消耗。