CN111654997B - 车辆走行风冷式散热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车辆走行风冷式散热系统及方法，涉及车辆电力电子器件的散热技术领域。用于解决在走行风不足以满足散热需求的特殊工况下，依然维持变流设备的正常运行的技术问题。本发明的车辆走行风冷式散热系统，包括散热单元、风机以及控制单元，当走行风不足以维持散热需求时，控制单元控制风机开启，从而加强散热单元的换热能力。

Description

车辆走行风冷式散热系统及方法

技术领域

本发明涉及车辆电力电子器件的散热技术领域，特别地涉及一种车辆走行风冷式散热系统及方法。

背景技术

当前轨道交通行业中，走行风冷散热系统主要适用于车辆大功率变流设备的散热，尤其在地铁车辆的变流设备的散热上使用较多。地铁变流设备的散热系统多使用强制风冷系统或走行风冷系统，其中走行风冷系统是将散热器暴露在外环境中，利用车辆运行的走行风对其进行冷却，具有节能、低噪声、结构简单、故障项点少以及维护简便等优点。

当前走行风冷散热系统的结构主要包括散热器和测温装置，其安装特征为在散热器基板的一侧安装IGBT，并通过密封圈密封在变流柜中，基板的另一侧嵌入若干热管的蒸发端，热管中部装有多组散热片，并使用散热器外罩罩住热管和散热片。热管及散热片以及外罩等结构暴露在外环境中，通过地铁运行的走行风对散热片和热管进行对流换热冷却，从而达到控制IGBT温度的目的。

在实际运行中，当车速长持续以较低车速运行时，走行风的风速也较小，而此时变流设备仍然有一定的热损耗，走行风的风速可能不足以支持散热器的冷却需求，因此导致散热器和变流设备的温度过高而影响车辆的正常运行。此外，当出现车辆载荷增加而导致热损耗增加、环境温度过高等特殊工况时，散热器也可能随之温度过高。因此，保证散热器在走行风不足以满足散热需求的特殊工况下，依然维持变流设备的正常运行，是散热器设计的重要考虑因素。

发明内容

本发明提供一种车辆走行风冷式散热系统及方法，用于解决在走行风不足以满足散热需求的特殊工况下，依然维持变流设备的正常运行的技术问题。

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种车辆走行风冷式散热系统，包括：

散热单元，其与车辆中的发热元件相连，车辆运行时产生的走行风从所述散热单元的侧部吹入，以调节所述发热元件的温度；

风机，其设置在所述散热单元上，所述风机选择性地开启以对所述散热单元强制换热；以及

控制单元，其与所述风机相连，所述控制单元根据所述发热元件的温度控制所述风机选择性地开启。

在一个实施方式中，所述散热单元上设置有用于测量所述发热元件温度的测温元件，所述测温元件与所述控制单元电连接以向所述控制单元发送所述发热元件的温度信号，

当所述发热元件的温度T大于设定的最高温度Tmax时，所述控制单元控制所述风机开启。

在一个实施方式中，所述风机设置在所述散热单元的下侧，所述风机开启时以向上鼓风的方式对所述散热单元强制换热。

在一个实施方式中，所述风机的数量为一个或多个。

在一个实施方式中，所述控制单元集成于所述车辆的控制系统之内，或者所述控制单元独立于所述车辆的控制系统之外。

在一个实施方式中，所述散热单元包括：

基板，其一侧与所述发热元件贴合；

散热热管，其倾斜地设置在所述基板上与所述发热元件相对的一侧，所述散热热管的冷凝段向上倾斜，所述散热热管的蒸发段伸入所述基板中；以及

散热片，所述散热片在所述基板的高度方向上层叠设置，所述散热热管贯穿所述散热片。

在一个实施方式中，所述基板中还设置有均温热管或均热板，所述均温热管或均热板的一些部分设置在所述基板的热源区，所述均温热管或均热板的另一些部分设置在所述基板的非热源区。

在一个实施方式中，所述基板上还设置有外罩，所述散热热管和所述散热片均设置在所述外罩中，所述外罩的侧壁设置有通风孔。

在一个实施方式中，所述测温元件为热电偶、热电阻、温度继电器或温度传感器。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种车辆走行风冷式散热方法，其包括以下步骤：控制单元根据车辆中发热元件的温度控制风机选择性地开启对散热单元强制换热。

在一个实施方式中，控制单元所述发热元件的温度，并根据所述发热元件的温度控制所述风机选择性地开启包括以下步骤：

步骤100：获取车辆的发热元件的温度；

步骤200：所述控制单元根据发热元件的温度T判断，所述发热元件的温度T是否小于或等于设定的最高温度Tmax，若否，则控制单元控制风机开启以对散热单元强制换热。

在一个实施方式中，步骤200包括以下步骤：

步骤201：所述控制单元根据发热元件的温度T判断，所述发热元件的温度T是否小于或等于设定的最高温度Tmax，若否，则执行步骤202；若是，则执行步骤203；

步骤202：风机开启以对散热单元强制换热，并执行步骤g；

步骤203：判断散热单元是否达到热平衡；若否，则返回步骤201；若是，者执行步骤204；

步骤204：判断风机的转速N是否在0到设定的最小转速Nmin之间，若是，则执行步骤205；若否，则执行步骤206；

步骤205：关闭风机；

步骤206：根据发热元件的温度调节风机的转速N，并返回步骤100。

与现有技术相比，本发明的优点在于：由于在车辆在低车速下运行时走行风速较低，并且在车辆载荷增加而导致热损耗增加、环境温度过高等特殊工况下运行时，因此走行风不足以使散热单元将发热元件的温度控制在允许范围内，则可能影响车辆的正常运行。因此本发明在通过设置风机以及控制单元，当走行风不足以维持散热需求时，控制单元控制风机开启，从而加强散热单元的换热能力，因此本发明的散热系统在保留了走行风冷式散热系统节能和低噪音等优点的前提下，也保证车辆在特殊工况下仍可以正常运行。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明实施例中车辆走行风冷式散热系统的立体结构示意图；

图2是图1所示的车辆走行风冷式散热系统的主视图；

图3是图1所示的车辆走行风冷式散热系统的左视图；

图4是图1所示的车辆走行风冷式散热系统的俯视图；

图5是本发明实施例中车辆走行风冷式散热系统的控制流程图。

附图标记：

1-热管单元；2-风机；3-测温元件；4-基板；6-散热热管；7-散热片；8-外罩。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-4所示，根据本发明的第一个方面，本发明提供一种车辆走行风冷式散热系统，其包括散热单元1、风机2以及控制单元(未图示)。其中，散热单元1可以是热管散热器或翅片散热器。

需要说明的是，本发明所述的车辆，可以是地铁、高铁、动车等有轨列车。

具体来说，散热单元1可以设置在车辆的下部(下侧)、上部等位置，并与车辆中的发热元件相连，车辆运行时产生的走行风从散热单元1的侧部(左侧或右侧)吹入，以调节发热元件的温度使其冷却。

如上所述，当车辆车速较高时，走行风速也较高，因此走行风从散热单元的侧部吹入能够保证发热元件散热所需的风速要求。然而当车辆车速较低时，走行风速也较低，那么此时的走行风则不足以保证发热元件散热所需的风速要求，继而可能导致发热元件温度过高而影响车辆运行等结果，此外，在环境温度过高或者车辆载荷过高而导致热损耗增加等特殊工况下也会导致该结果。此时，为弥补走行风风速不足导致的上述问题，本发明在散热单元1上设置了风机2，其能够选择性地开启，从而对散热单元强制换热，以加强散热单元1的散热能力。

具体地，在走行风速不足时风机2开启，从而加强散热单元1的散热能力。

如图1和2所示，风机2设置在散热单元1上，并且风机2选择性地开启以对散热单元1强制换热。控制单元与风机2相连，控制单元根据发热元件的温度控制风机2的选择性地开启并控制风机2的运行参数。其中，风机2的运行参数包括转速或频率。

具体地，控制单元根据发热元件的温度控制风机2的开启。例如，发热元件的温度大于设定的最高温度时，即表明此时的走行风已经不足以保证发热元件散热所需的风速要求，因此控制单元控制风机2开启，就可以对散热单元1进行强制换热，从而加强散热单元1的散热能力。

因此，控制单元能够获取发热元件的温度。例如，在散热单元1上设置用于测量发热元件温度的测温元件3，测温元件3设置在发热元件的附近。测温元件3与控制单元电连接以向控制单元发送发热元件的温度。控制单元根据测温元件3测量的温度信号，按照特定的逻辑算法控制风机2的启停和转速。具体的控制逻辑将在下文进行详细地描述。

在一些实施例中，测温元件3可以采用现有的热电偶、热电阻、温度继电器或温度传感器等，本发明对此不再赘述。

进一步地，风机2设置在散热单元1的下侧，风机开启时以向上鼓风的方式对散热单元强制换热。如上所述，车辆运行时产生的走行风从散热单元1的侧部吹入，因此风机以向上鼓风的方式对散热器进行补风。

此外，风机2的数量为一个或多个。如图2所示，风机2的数量为3个，风机2可以根据实际需求进行设置，本发明对此并不进行限定。

控制单元可以集成于车辆的控制系统之内，或者控制单元独立于车辆的控制系统之外，即单独地对散热单元1进行控制。

在一些实施方式中，散热单元1包括基板4、散热热管6和散热片7。其中，基板4作为提供支撑以及安装的平台，其一侧与发热元件贴合，另一侧设置散热热管6和散热片7。

具体地，散热热管6是一种传热元件，其构造为管状结构。散热热管6的内部灌注有工质，其内壁设有槽道或烧结的毛细通道，可以将散热热管6的一端(蒸发端)的热量通过内部工质循环导入另一端(冷凝端)。

优选地，如图3和4所示，散热热管6倾斜地设置在基板4上与发热元件相对的一侧。如图4所示，散热热管6的轴线方向与基板4的顶面成一定的夹角，即散热热管6的冷凝段向上倾斜，以提高其换热效率。此外，散热热管6的蒸发段伸入(嵌入)基板4中。散热热管6的蒸发段与基板4可通过钎焊或者过盈配合的方式进行固定。

散热片7在基板4的高度方向上层叠设置，散热热管6在基板4的高度方向上贯穿散热片7，从而能够提高散热单元1的换热面积、提高散热效率。散热片7可以是单独的小片，多个小片通过与散热热管6的焊接和/或与下文所述的外罩8的焊接而得以固定，散热片7还可以是整体的片状结构，在具体实施过程中，散热片7上可以设置允许散热热管6穿过的孔，并使二者通过焊接等方式进行连接。

此外，基板4中还设置有均温热管或均热板(未图示)，均温热管或均热板的一些部分设置在基板4的热源区，均温热管或均热板的另一些部分设置在基板4的非热源区。换言之，均温热管或均热板能够跨越基板4的非热源区和热源区，从而热源区域的热量均匀散步在整个基板4的区域范围内，以提高散热单元1的均温性和散热效率。

均温热管或均热板均可通过钎焊或过盈配合的方式与基板4相连。

基板4上还设置有用于保护散热单元1的外罩8，散热热管6和散热片7均设置在外罩8中，如图4所示，由于散热热管6倾斜地设置在基板4上，因此外罩8也相对于基板4倾斜，即外罩8的其中两个侧壁与散热热管6平行。外罩8的底端则可通过钎焊或过盈配合的方式与基板4相连。

此外，外罩8的侧壁设置有通风孔。如图4所示，外罩8的四个侧壁上均设置有通风孔，通风孔可以是方孔或圆孔，以利于出风，并且可使散热热管6侧暴露在环境中，从而有益于散热。

可以理解地，为了提高散热片7和散热热管6的稳定性，还可以在外罩8的内部设置梁结构或者加强筋。

下面对本发明的控制单元的控制逻辑进行详细地说明。

当车辆启动后，发热元件工作，其开始发热致使其温度升高，通过测温元件3实时测量发热元件的温度。当车速足够快时，走行风较大，通过散热热管6与走行风的换热，使散热单元1达到热平衡，发热元件的温度T低于设定的最高温度Tmax，则发热元件可正常运行。

当车辆车速较低或遇到其它特殊工况时，散热单元1的自然对流或走行风散热不足以维持T≤Tmax，则此时控制单元控制风机2启动，以风机2补风的方法提高散热单元1散热效率。

风机2以转速N启动后，测温元件3继续对发热元件的温度进行测量，若在此转速下，发热元件的温度T开始降低，或者当车辆重新加速后，走行风增大，发热元件的温度T开始降低，则控制单元控制风机2的转速减小，以降低其功耗。

当风机2的转速N低于设定的最小转速Nmin时，则认为无需风机2进行补风，则关闭风机2。

如图5所示，根据本发明的第二个方面，本发明提供一种车辆走行风冷式散热方法，其包括以下步骤。

步骤101：开始。车辆启动，车辆的发热元件开始发热。

步骤100：控制单元获取车辆的发热元件的温度T。具体地，可以通过上文所述的测温元件3来测量发热元件的温度T。

步骤200：控制单元判断发热元件的温度T是否小于或等于设定的最高温度Tmax。若否，即T＞Tmax，则控制单元控制风机2开启以对散热单元1强制换热。

具体来说，步骤200包括以下步骤：

步骤201：控制单元判断发热元件的温度T是否小于或等于设定的最高温度Tmax。若否，即T＞Tmax，则执行步骤202，若是，即T≤Tmax，则执行步骤203。

其中，步骤202为控制单元控制风机2开启以对散热单元1强制换热，也就是说，如果发热元件的温度T大于设定的最高温度Tmax，那么表明此时通过走行风已经不能保证正常运行，则控制单元控制风机2启动。

步骤203：判断散热单元1是否达到热平衡；若否，即散热单元1还未达到热平衡，则返回步骤201，需要重新对发热元件的温度T进行判断；若是，即散热单元1已经达到热平衡，则执行步骤204。

其中，步骤204为控制单元根据风机2的转速N判断，风机2的转速N是否在0到设定的最小转速Nmin之间，即0＜N≤Nmin是否成立，若是，则执行步骤205；若否，即风机2的转速N仍然大于设定的最小转速Nmin，此时表明风机2仍然需要工作，但是其转速需要进行调节，即执行步骤206。

其中，步骤205为关闭风机2。因为此时风机2的转速N已经小于设定的最小转速Nmin，此时可认为不需要风机2进行补风，因此控制单元可以控制风机2关闭。

步骤206为根据发热元件的温度调节风机的转速，并返回步骤100。其中，在执行完步骤202后可以执行步骤206。也就是说，风机2开启后，以一定的转速N进行运行，如果发热元件的温度有降低的趋势，或者走行风加强，那么控制单元使其风机2速降低，并返回步骤100重复上述过程；如果发热元件的温度仍然是升高的趋势，那么控制单元使风机2的转速提高，并返回步骤100重复上述过程。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种车辆走行风冷式散热系统，其特征在于，包括：

散热单元，其与车辆中的发热元件相连，车辆运行时产生的走行风从所述散热单元的侧部吹入，以调节所述发热元件的温度；

风机，其设置在所述散热单元的下侧，所述风机选择性地开启并以向上鼓风的方式对所述散热单元强制换热；以及

控制单元，其与所述风机相连，所述控制单元根据所述发热元件的温度控制所述风机选择性地开启；

所述散热单元上设置有用于测量所述发热元件温度的测温元件，所述测温元件与所述控制单元电连接以向所述控制单元发送所述发热元件的温度信号，

所述散热单元包括：

基板，其一侧与所述发热元件贴合；

散热热管，其倾斜地设置在所述基板上与所述发热元件相对的一侧，所述散热热管的冷凝段向上倾斜，所述散热热管的蒸发段伸入所述基板中；以及

散热片，所述散热片在所述基板的高度方向上层叠设置，所述散热热管贯穿所述散热片；

所述基板中还设置有均温热管或均热板，所述均温热管或均热板的一些部分设置在所述基板的热源区，所述均温热管或均热板的另一些部分设置在所述基板的非热源区；

所述基板上还设置有外罩，所述散热热管和所述散热片均设置在所述外罩中，所述外罩的侧壁设置有通风孔；当所述发热元件的温度T大于设定的最高温度Tmax时，所述控制单元控制所述风机开启；

所述控制单元控制所述风机开启包括以下步骤：

步骤201：所述控制单元根据发热元件的温度T判断，所述发热元件的温度T是否小于或等于设定的最高温度Tmax，若否，则执行步骤202；若是，则执行步骤203；

步骤202：风机开启以对散热单元强制换热，并执行步骤206；

步骤203：判断散热单元是否达到热平衡；若否，则返回步骤201；若是，者执行步骤204；

步骤204：判断风机的转速N是否在0到设定的最小转速Nmin之间，若是，则执行步骤205；若否，则执行步骤206；

步骤205：关闭风机；

步骤206：根据发热元件的温度调节风机的转速N，并返回获取车辆的发热元件的温度的步骤。

2.根据权利要求1所述的车辆走行风冷式散热系统，其特征在于，所述风机设置在所述散热单元的下侧，所述风机开启时以向上鼓风的方式对所述散热单元强制换热。

3.根据权利要求1所述的车辆走行风冷式散热系统，其特征在于，所述风机的数量为一个或多个。

4.根据权利要求1所述的车辆走行风冷式散热系统，其特征在于，所述控制单元集成于所述车辆的控制系统之内，或者所述控制单元独立于所述车辆的控制系统之外。

5.根据权利要求1所述的车辆走行风冷式散热系统，其特征在于，所述测温元件为热电偶、热电阻、温度继电器或温度传感器。

6.一种车辆走行风冷式散热方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制单元根据车辆中发热元件的温度控制风机选择性地开启并以向上鼓风的方式对散热单元强制换热；其中，所述风机设置在所述散热单元的下侧；

控制单元所述发热元件的温度，并根据所述发热元件的温度控制所述风机选择性地开启包括以下步骤：

步骤100：获取车辆的发热元件的温度；

步骤200：控制单元根据发热元件的温度T判断，所述发热元件的温度T是否小于或等于设定的最高温度Tmax，若否，则控制单元控制风机开启以对散热单元强制换热；

步骤200包括以下步骤：

步骤201：所述控制单元根据发热元件的温度T判断，所述发热元件的温度T是否小于或等于设定的最高温度Tmax，若否，则执行步骤202；若是，则执行步骤203；

步骤202：风机开启以对散热单元强制换热，并执行步骤206；

步骤203：判断散热单元是否达到热平衡；若否，则返回步骤201；若是，者执行步骤204；

步骤204：判断风机的转速N是否在0到设定的最小转速Nmin之间，若是，则执行步骤205；若否，则执行步骤206；

步骤205：关闭风机；

步骤206：根据发热元件的温度调节风机的转速N，并返回步骤100。

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