CN112789957B - 带有单独的内部空间的变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变流器(1)，其包括具有第一内部空间(3)和第二内部空间(4)的变流器壳体(2)，其中，第一内部空间(3)相对于第二内部空间(4)分开地布置，其中，第一内部空间(3)的一部分伸入到第二内部空间(4)中并形成热交换器通道(5)，其中，变流器(1)能运行为使得在第一内部空间(3)内形成气态热流循环(6)，该气态热流循环通过热交换器通道(5)的第一入口(15)流入，并通过热交换器通道(5)的第一出口(16)流出，其中，第二内部空间(4)形成冷却通道(7)，其中，变流器(1)能够运行为使得形成流过冷却通道(7)的气态冷却流(8)，该冷却流环流热交换器通道(5)，并且其中，冷却通道(7)在与热交换器通道(5)重叠的区域中布置为，使得气态热流循环(6)的第一流动方向(9)相关于气态冷却流(8)的第二流动方向(10)基本上垂直地或者平行地延伸。

Description

带有单独的内部空间的变流器
技术领域
本发明涉及一种变流器，该变流器包括具有第一内部空间和第二内部空间的变流器壳体，其中，该第一内部空间与第二内部空间分开地布置，并且在变流器的运行期间在第一内部空间中产生的第一损失热能够至少部分地导出到第二内部空间中，并且第一内部空间由此至少部分地散热。
背景技术
在驱动技术中，例如变流器的电气或电子结构元件在运行过程中经常遭受侵蚀性的环境影响，例如飞溅的水或灰尘，如果忽视保护措施，则能够对结构元件的可用性或使用寿命产生负面影响。
作为用于防止变流器及其特别是控制单元和调节单元等电子结构元件由于上述环境影响而发生损坏的最简单的措施，能够将这些电子结构元件或组合成电子结构元件的电子结构元件由壳体包住。
例如利用标准DIN EN 60529中的IP保护类型来确定根据变流器的应用类型和应用位置应对负面的环境影响所需的隔离度。该标准将保护类型限定为防止与电子结构元件的直接接触，但也防止固体和液体侵入变流器。
然而，电子结构元件或组件的这种隔离的问题在于，在变流器的运行期间例如通过电子结构元件的电损失产生了所谓的损失热。该损失热必须从电子结构元件(例如处理器、无源结构元件等)导出，因为由于热量产生会降低相关电子结构元件的效率，或者它们也可能被破坏。
在已知的解决方案中，在变流器中以这种方式密封的区域的散热例如经过变流器内部的空气循环和/或表面对流来执行。然而，这仅能够实现导出有限量的热量，尤其当为高功率等级的变流器提供高保护等级时。
替代地，已知例如更高的保护等级和更高的功率等级的用于变流器的冷却系统，其中，借助于空气循环经过技术方面复杂的过滤器来执行损失热的导出。这些具有过滤器的冷却系统价格昂贵，需要大量维护并且通常需要具有高能量需求的风扇，以便克服高空气阻力并保证所需的空气流量。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种变流器，该变流器具有用于高保护等级的分开的内部空间，以便相比现有技术在至少相同的散热效率的情况下更加省力地密封的内部空间的产生损失热的电子结构元件散热。
该目的通过具有本发明所述特征的变流器来实现。
为了实现该目的，提出了一种变流器，该变流器包括具有第一内部空间和第二内部空间的变流器壳体，其中，该第一内部空间与第二内部空间分开地布置，其中，第一内部空间的一部分伸入到第二内部空间中并形成热交换器通道，其中，变流器能够运行为，使得在第一内部空间内形成气态热流循环，该气态热流循环通过热交换器通道的第一入口流入，并通过热交换器通道的第一出口流出，其中，第二内部空间形成冷却通道，其中，变流器运行为，使得形成穿过冷却通道流动的气态冷却流，该气态冷却流环流热交换器通道，并且其中，冷却通道在与热交换器通道重叠的区域中布置为，使得气态热流循环的第一流动方向相关于气态冷却流的第二流动方向基本上垂直或平行地延伸。
有利地，能够经过热交换器通道在变流器的两个分开的内部空间之间执行热交换，其中，在变流器运行期间，第一内部空间的气态热流循环能够经过热交换器通道将其携带的热量释放给在第二内部空间的冷却通道中的气态冷却流，并且由此释放的热量能够借助于气态冷却流排出到第二内部空间中。因此在热交换时两种热流都不会混合他们相应的气态介质。
如果气态热流循环的第一流动方向相对于气态冷却流的第二流动方向基本上垂直地延伸，则被引导的气态冷却流能够以有利的方式同时在较宽的前部上吸收被引导的气态热流循环的热量。
如果气态热流循环的第一流动方向相对于气态冷却流的第二流动方向基本平行地延伸，则被引导的气态冷却流能够以有利的方式在更长的路径上吸收被引导的气态热流循环的热量。
与气态冷却流相比，气态热流循环的两种类型的引导都具有优点，尤其能够通过相应的换热器通道在热交换时的热性能方面的结构设计来进一步改进。
在各个实施例中给出了模块化逆变器的有利设计方案。
在变流器的第一有利设计方式中，第一内部空间至少在变流器运行时形成基本上气密的密封空间。
如果特别是通过气态环境介质(通常是空气)收集的灰尘以及和液体介质在运行期间不能侵入到第一内部空间中，则认为第一内部空间是气密的。
至少第一内部空间被设计针对例如根据IP 5x的DIN EN 60529及更高的IP保护等级的分类，以便被这样地气密密封。
在变流器的另一个有利的设计方式中，变流器设计用于导出在运行中产生的损失热，使得在第一内部空间中产生的第一损失热至少部分地被气态热流循环吸收，以这种方式被吸收的第一损失热至少部分地借助于热交换器通道由气态热流循环传递到第二内部空间的气态冷却流，并借助于气态冷却流排出，并且在第二内部空间中产生的第二损失热由气态冷却流至少部分地吸收，并且借助于气态冷却流而排出。
除了在第一内部空间中产生的损失热之外，该损失热借助于气态热流循环传导到热交换器通道中，并在那里至少部分地散发到第二内部空间的冷却通道中的气态冷却流，气态冷却流能够以有利的方式吸收第二损失热。该第二损失热在第二内部空间中产生或至少被引入到第二内部空间中。
经过热交换器通道由气态冷却流吸收的第一损失热和在第二内部空间中由气态冷却流吸收的第二损失热都通过在冷却通道中形成的气态冷却流排出，这有利地将各个产生损失热的热源散热。
在变流器的另一个有利的设计方式中，变流器能够运行为，使得在第一内部空间中，特别是在热交换器通道中的气态热流循环仅通过自由对流来形成。
优点在于，能够省去用于在第一内部空间中产生气态热流循环的构件。通过自由对流形成气态热流循环例如能够由此被支持，即在第一内部空间中在空间上固定预设的、结构上明确界定的通道能够参与决定气态热流循环的路线和可能的流动方向。
在变流器的另一有利的设计方式中，变流器包括用于第一内部空间的第一流发生器，其中，该第一流发生器运行为，使得在第一内部空间中，特别是在热交换器通道中产生第一强制引导的对流，其形成气态热流循环。
借助于第一流发生器产生强制引导的对流的优点在于，使得气态热流循环快速且稳定地形成，并且通过换热器通道实现了第一损失热的更大的流量，这有助于提高第一内部空间的冷却效率。
在变流器的另一个有利的设计方式中，平行延伸的流动方向遵循共同的方向或相反的方向。
从热的角度来看，在热交换器通道中借助于两个平行但相反方向延伸的流动方向进行热传递是优选的解决方案。但是，如果从结构要求或其他要求的角度来看，平行延伸的流动方向必须在共同的方向上运行，在此还能够通过以下方式实现热交换器通道中的高效的热传递，即例如通过产生强制引导的对流来支持气态热流循环和/或气态冷却流的形成，或者增加热交换器通道的通量体积。
在变流器的另一个有利的设计方案中，热交换器通道具有至少两个彼此间隔开的流动通道，并且直接相对的流动通道形成中间空间，气态冷却流能够穿过该中间空间流动。
各个流动通道之间的中间空间能够有利地被气态冷却流穿流通过，并且因此各个流动通道中的每个都能够基本上被气态冷却流全面地环流。与没有中间空间的流动通道相反，这增加了热交换器通道处的有效面积，在热交换器通道中，气态冷却流能够吸收利用气态热流循环一起携带的第一损失热。
在变流器的另一个有利的设计方式中，流动通道以层叠的方式布置。
流动通道的层叠布置的优点在于，流动通道与精确地延伸的中间空间匹配地布置，这进一步改进了通过气态冷却流对流动通道的环流。
在变流器的另一个有利的设计方式中，变流器能够运行为，使得尤其在冷却通道与热交换器通道重叠的区域中只通过自由对流形成气态冷却流。
优点在于，能够省去用于在第二内部空间中产生气态热流循环的构件。通过自由对流形成气态冷却流例如能够由此得到支持，即在空间上固定预设的、结构明确界定的通道作为在第二内部空间中冷却通道参与决定气态冷却流的路线并且和可能的流动方向。
在变流器的另一个有利的设计方式中，变流器包括用于第二内部空间的第二流发生器，其中，该第二流发生器能运行为，使得在第二内部空间中，特别是在冷却通道与热交换器通道重叠的区域中产生第二强制引导的对流，该对流形成气态冷却流。
借助于第二流发生器产生强制引导的对流的优点在于，快速且稳定地形成气态冷却流，并且在冷却通道中通过气态冷却流实现在热交换器通道中由气态热流循环接收的第一损失热以及第二内部空间的第二损失热的更大的流量，这有助于提高第一和第二内部空间的散热的效率。
在变流器的另一个有利的设计方式中，变流器在第二内部空间处具有第二入口和/或第二出口，其中，气态冷却流能够通过第二入口被引入到冷却通道中和/或通过第二出口从冷却通道被引导出去。
借助于入口能够将用于冷却的冷却流引入到第二内部空间的冷却通道中。如果仅设置有入口，则导出损失热的冷却流的溢出然后也能够通过该入口实现，其中，这可能通过流入的气态冷却流相对于流出的气态冷却流的压力平衡来实现。
一个优选的解决方案是存在入口和出口。在此定义了冷却通道的两个路标，例如，对于冷却通道相应地确定了其起点在进口处，并且其终点在出口处。
在变流器的另一有利的设计方式中，变流器包括第一变流器部件，该第一变流器部件至少部分地布置在第一内部空间中，并且在变流器运行中产生或排出第一损失热。
在第一内部空间中的第一变流器部件例如能够是具有处理器以及可能还有其他电子结构元件的变流器的控制组件或调节组件，其有利地在第一内部空间中受到保护，尤其免受破坏性环境影响，特别是像粉尘和液体。
在变流器的另一个有利的设计方式中，变流器包括第二变流器部件，该第二变流器部件至少部分地布置在第二内部空间中并且在变流器运行时产生或排出第二损失热。
在第二内部空间中的第二变流器部件例如是功率半导体开关或具有功率半导体开关的功率半导体模块，其大多具有用于功率半导体开关的直接散热的冷却体。
例如，功率半导体开关也能够作为一个单独构件或作为功率半导体模块的组成部分布置在第一内部空间中(然后作为第一变流器部件)，并且能够直接对功率半导体开关或电源半导体模块进行散热的冷却体器布置在第二内部空间中(然后作为第二变流器部件)。诸如电滤波器或汇流排的其他电气构件也能够作为第二变流器部件布置在第二内部空间中。
附图说明
根据结合附图描述的实施例更加详细地解释本发明的上述特性、特征和优点以及实现它们的方式和方法。图中示出：
图1示出了根据本发明的具有热交换器通道的变流器的示意图，
图2以立体视图示出了根据图1的根据本发明的变流器的换热器通道的示意图，
图3以立体视图示出了用于根据本发明的变流器的另一个热交换器通道的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的具有热交换器通道5的变流器1的示意图。
变流器1具有变流器壳体2，该变流器壳体具有第一内部空间3和第二内部空间4。第一内部空间3与第二内部空间4分开地布置。第一内部空间3能够相对于其整个周围环境气密密封，从而形成气密密封的空间。
在此，第一内部空间3的一部分伸入到第二内部空间4中并形成热交换器通道5。变流器1能够运行为，使得在第一内部空间3内形成气态热流循环6。气态热流循环6在第一流动方向9上的形成在此通过第一流发生器11(例如电风扇)来支持。
气态热流循环6在运行期间从第一变流器部件19吸收第一损失热，该第一变流器部件例如是具有处理器和其他电子结构元件的控制或调节组件。借助于在此通过第一流发生器11产生的强制引导的对流，气态热流循环6通过第一入口15被引入到热交换器通道5中。当气态热流循环6流过热交换器通道5时，气态冷却流8在第二内部空间4的冷却通道7中沿第二流动方向10在热交换器通道5环流。
气态冷却流8至少部分地吸收由气态热流循环6在热交换器通道5处(在气态热流循环6与气态冷却流8的重叠的区域中)携带的第一损失热，并从热交换器通道5中导出该第一损失热。
气态冷却流8的形成在图1中在运行期间通过第二流发生器14来支持，该第二流发生器在此例如布置在变流器1的第二内部空间4中，其中，第二流发生器14给定气态冷却流8的第二流动方向10。气态冷却流8沿第二流动方向10流动穿过第二内部空间4的冷却通道7，其中，伸入第二内部空间4的热交换器通道5布置在冷却通道7中。
气态热流循环6在热交换器通道5的第一出口16处溢出，其中，它已经将第一变流器部件19的大部分的第一损失热输出给气态冷却流8并且气态冷却流8将第一损失热从热交换器通道5排出。在运行期间，气态冷却流8能够从第二变流器部件20吸收第二损失热，并且能够将其从第二变流器部件20排出。
第二变流器部件20例如是具有功率半导体开关和冷却体的功率半导体模块。在图1中，第二变流器部件20布置在第二内部空间4内。但是，也能够第二变流器部件20的仅一部分(例如功率半导体模块的冷却体)布置在第二内部空间4中。然后，与冷却体连接的功率半导体开关能够部分地或完全地布置在第一内部空间3中，然后还通过第一内部空间中的气态热流循环6部分地被冷却。
通过在第二内部空间4处的第二入口17进一步改进气态冷却流8的形成及其热效率，在图1中，该第二入口也是变流器壳体2处的入口，气态冷却流8在吸收第一和/或第二损失热之前，能够从外部引入到第二内部空间中。通过气态冷却流8从第二内部空间4中吸收第一和/或第二损失热之后，气态冷却流8经过第二内部空间4处的第二出口18(在图1中其也是变流器壳体2处的出口)排出到第二内部空间4的外部以排出第一和/或第二损失热。
热交换器通道5具有流动通道12，在该流动通道中在第一流动方向9上形成气态热流循环6，其中，在图1中仅能够示出一个流动通道12。
两个彼此间隔开且直接相对的流动通道12分别形成中间空间13，气态冷却流8穿流过该中间空间13(由于图示类型而仅在图1中隐含地示出)。
在图1中，冷却通道7在与热交换器通道5的重叠区域中布置为，使得气态热流循环6的第一流动方向9相对于气态冷却流8的第二流动方向10平行地延伸并且平行延伸的流动方向9、10遵循相反的方向。
图2以立体图示示出了根据图1的根据本发明的变流器的热交换器通道5的示意图。
图2中的热交换器通道5具有三个流动通道12。在运行中，气态热流循环6携带第一损失热流经过热交换器通道5的第一入口15沿第一流动方向9流动至流动通道12中。彼此间隔开并且彼此直接相对的流动通道12形成两个中间空间13，气态冷却流8穿过该中间空间沿第二流动方向10流动，并至少部分地吸收气态热流循环6的第一损失热并经过冷却通道7将第一损失热从热交换器通道5排出。在至少部分地释放第一损失热之后，气态热流循环6在第一流动方向9上经过第一出口16从热交换器通道5流出。
图3以立体图示出了用于根据本发明的变流器的另一热交换器通道5的示意图。
图3中的热交换器通道5具有七个流动通道12。在运行中，携带第一内部空间的第一损失热的气态热流循环6沿第一流动方向9经过热交换器通道5的第一入口15流入流动通道12中。彼此间隔开且直接相对的流动通道12在此形成六个中间空间13，气态冷却流8穿过该中间空间沿第二流动方向10流动，第一损失热由气态热流循环6至少部分地吸收并且经过冷却通道7从热交换器通道5排出。在至少部分地释放第一损失的热量之后，气态热流循环6沿第一流动方向9经过第一出口16从热交换器通道5流出。
与图1和图2所示的热交换器相反，图3中的冷却通道7被布置在与热交换器通道5重叠的区域中，使得气态热流循环6的第一流动方向9相对于气态冷却流8的第二流动方向10垂直地延伸。

Claims (16)

1.一种变流器(1)，包括具有第一内部空间(3)和第二内部空间(4)的变流器壳体(2)，其中
-所述第一内部空间(3)相对于所述第二内部空间(4)分开地布置，
-所述第一内部空间(3)的一部分伸入到所述第二内部空间(4)中并形成热交换器通道(5)，
-所述变流器(1)能运行为，使得在所述第一内部空间(3)内形成气态热流循环(6)，所述气态热流循环通过热交换器通道(5)的第一入口(15)流入并通过所述热交换器通道(5)的第一出口(16)流出，
-所述第二内部空间(4)形成冷却通道(7)，
-所述变流器(1)能运行为，使得形成通过所述冷却通道(7)流动的气态冷却流(8)，所述气态冷却流环流所述热交换器通道(5)，
-所述冷却通道(7)在与所述热交换器通道(5)重叠的区域中布置为，使得所述气态热流循环(6)的第一流动方向(9)相对于所述气态冷却流(8)的第二流动方向(10)基本上垂直或平行地延伸，并且
其中，所述变流器(1)设计用于导出在运行期间产生的损失热，使得
-在所述第一内部空间(3)中产生的第一损失热至少部分地被气态热流循环(6)吸收，
-这样吸收的所述第一损失热至少部分地借助于所述热交换器通道(5)从所述气态热流循环(6)传递到所述第二内部空间(4)的所述气态冷却流(8)并借助于所述气态冷却流(8)排出，并且
-在所述第二内部空间(4)中产生的第二损失热至少部分地被所述气态冷却流(8)吸收并借助于所述气态冷却流(8)导出。
2.根据权利要求1所述的变流器(1)，其中，所述第一内部空间(3)至少在所述变流器(1)的运行期间形成基本上气密的密封空间。
3.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，其中，所述变流器(1)能够被运行为，使得在所述第一内部空间(3)中仅通过自由对流来形成所述气态热流循环(6)。
4.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，所述变流器包括用于所述第一内部空间(3)的第一流发生器(11)，其中，所述第一流发生器(11)能够运行为，使得在所述第一内部空间(3)中形成第一强制引导的对流，所述第一强制引导的对流形成所述气态热流循环(6)。
5.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，其中，平行延伸的所述第一流动方向(9)和所述第二流动方向(10)遵循共同的方向或相反的方向。
6.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，其中，所述热交换器通道(5)具有至少两个彼此间隔开的流动通道(12)，并且其中，在直接相对的流动通道(12)的情况中形成中间空间(13)，所述中间空间能够由所述气态冷却流(8)流过。
7.根据权利要求6所述的变流器(1)，其中，所述流动通道(12)以层叠的方式布置。
8.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，其中，所述变流器(1)能够被运行为，使得仅通过自由对流形成所述气态冷却流(8)。
9.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，所述变流器包括用于所述第二内部空间(4)的第二流发生器(14)，其中，所述第二流发生器(14)能够运行为，使得在所述第二内部空间(4)中产生第二强制引导的对流，所述第二强制引导的对流形成所述气态冷却流(8)。
10.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，所述变流器具有在所述第二内部空间(4)处的第二入口(17)和/或第二出口(18)，其中，所述气态冷却流(8)能够经过所述第二入口(17)被引导进入到所述冷却通道(7)中和/或能够经过所述第二出口(18)从所述冷却通道(7)被引导出去。
11.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，所述变流器包括第一变流器部件(19)，所述第一变流器部件至少部分地布置在所述第一内部空间(3)中并且在所述变流器(1)的运行期间产生或排出第一损失热。
12.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，所述变流器包括第二变流器部件(20)，所述第二变流器部件(20)至少部分地布置在所述第二内部空间(4)中并且在所述变流器(1)的运行期间产生或排出第二损失热。
13.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，其中，所述变流器(1)能够被运行为，使得在所述热交换器通道(5)中仅通过自由对流来形成所述气态热流循环(6)。
14.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，所述变流器包括用于所述第一内部空间(3)的第一流发生器(11)，其中，所述第一流发生器(11)能够运行为，使得在所述热交换器通道(5)中形成第一强制引导的对流，所述第一强制引导的对流形成所述气态热流循环(6)。
15.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，其中，所述变流器(1)能够被运行为，使得在所述冷却通道(7)与所述热交换器通道(5)重叠的区域中仅通过自由对流形成所述气态冷却流(8)。
16.根据权利要求1或2所述的变流器(1)，所述变流器包括用于所述第二内部空间(4)的第二流发生器(14)，其中，所述第二流发生器(14)能够运行为，使得在所述冷却通道(7)与所述热交换器通道(5)重叠的区域中产生第二强制引导的对流，所述第二强制引导的对流形成所述气态冷却流(8)。
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