CN117795662A - 用于制冷剂压缩机的电力电子器件冷却环路 - Google Patents
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Abstract
根据本公开的一个示例的制冷剂系统包含与冷凝器、蒸发器以及压缩机连通的主制冷剂环路。热交换器被布置成冷却电子部件。所述热交换器具有冷却管线和散热器，所述冷却管线被构造成从所述主制冷剂环路接收制冷剂，所述散热器与所述电子部件周围的空气连通。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年9月17日提交的美国临时申请第63/245，466号的优先权。
背景技术
制冷剂压缩机被用来经由制冷剂环路使制冷剂在冷冻机或热泵中循环。除了压缩机之外，已知制冷剂环路还包含冷凝器、膨胀装置以及蒸发器。一些压缩机通过将制冷剂从主环路输送至马达和/或电力电子器件而为马达和/或相关联的电力电子器件提供冷却。
发明内容
根据本公开的一个示例的制冷剂系统包含与冷凝器、蒸发器以及压缩机连通的主制冷剂环路。热交换器被布置成冷却电子部件。所述热交换器具有冷却管线和散热器，所述冷却管线被构造成从所述主制冷剂环路接收制冷剂，所述散热器与所述电子部件周围的空气连通。
在前述内容的另一个示例中，所述散热器具有与空气流动接触的多个翅片。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述多个翅片具有百叶窗式布置。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述多个翅片具有多个百叶窗板。所述多个翅片具有在8mm至24mm之间的翅片高度。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述多个翅片具有在所述翅片高度的70％至100％之间的翅片长度。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述多个翅片具有在每英寸10至30个翅片之间的翅片间距。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述多个翅片具有在20至55度之间的百叶窗板角度。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述多个翅片在所述多个百叶窗板之间具有在1mm至3mm之间的距离。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述多个翅片具有在0.5mm至3mm之间的翅片厚度。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述压缩机为无油离心式压缩机。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，至所述热交换器的制冷剂和空气受到主动控制。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述电子部件为绝缘栅双极晶体管(IGBT)、软启动和可控硅整流器(SCR)中的至少一种。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述热交换器包含面板、具有一个或多个通道的背板。所述散热器固定至所述背板。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述散热器经由盖和多个紧固件固定至所述背板。所述盖包含用于空气的流动的管道。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述系统被构造成使液体制冷剂进入膨胀阀，然后经由连接至前面板的入口进入所述热交换器。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述压缩机为无油离心式压缩机。所述热交换器包含面板、具有一个或多个通道的背板。所述散热器固定至所述背板。所述散热器经由盖和多个紧固件固定至所述背板。所述盖包含用于空气的流动的管道。所述散热器具有与空气流动接触的多个翅片，并且所述多个翅片具有百叶窗式布置。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述多个翅片具有多个百叶窗板。所述多个翅片具有在8mm至24mm之间的翅片高度。所述多个翅片具有在所述翅片高度的70％至100％之间的翅片长度。所述多个翅片具有在每英寸10至30个翅片之间的翅片间距。所述多个翅片具有在20至55度之间的百叶窗板角度。所述多个翅片在所述多个百叶窗板之间具有在1mm至3mm之间的距离，并且所述多个翅片具有在0.5mm至3mm之间的翅片厚度。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述热交换器包含微通道蒸发器。
在前述内容中的任一项的另一个示例中，所述电子部件为绝缘栅双极晶体管、软启动和可控硅整流器中的至少一种。
根据下面的说明书和附图可以最好地理解这些和其它特征，下面为简要描述。
附图说明
图1示意性地示例说明示例性制冷剂环路。
图2示例说明示例性压缩机。
图3示例说明带有示例性热交换器的示例性压缩机。
图4A示例说明所述示例性热交换器的等距视图。
图4B示例说明所述示例性热交换器的分解图。
图4C示例说明所述示例性热交换器的分解图。
图5A示例说明具有示例性热交换器的另一个示例性压缩机。
图5B示例说明所述示例性热交换器的等距视图。
图6A示例说明示例性散热器布置。
图6B示例说明另一个示例性散热器布置。
图6C示例说明另一个示例性散热器布置。
图6D示例说明另一个示例性散热器布置。
图6E示例说明另一个示例性散热器布置。
图6F示例说明另一个示例性散热器布置。
图7A示例说明示例性散热器布置的侧视图。
图7B示例说明示例性散热器布置的俯视图。
图8A示例说明示例性热膨胀阀。
图8B示例说明示例性电磁阀。
图8C示例说明示例性电子膨胀阀。
图8D示例说明示例性毛细管。
图9A示例说明示例性散热器制造方法。
图9B示例说明另一个示例性散热器制造方法。
图9C示例说明另一个示例性散热器制造方法。
图9D示例说明另一个示例性散热器制造方法。
图9E示例说明另一个示例性散热器制造方法。
图9F示例说明另一个示例性散热器制造方法。
图10A示例说明示例性微通道蒸发器。
图10B示例说明所述示例性微通道蒸发器。
图10C示例说明所述示例性微通道蒸发器。
图10D示例说明所述示例性微通道蒸发器和示例性散热器。
图11示例说明另一个示例性微通道蒸发器。
具体实施方式
图1示意性地示例说明制冷剂冷却系统10。制冷剂系统10包含与一个或多个压缩机14、冷凝器16、蒸发器18、以及膨胀装置20连通的主制冷剂环路或回路12。该制冷剂系统10可以用于例如冷冻机或热泵中。虽然示出制冷剂系统10的特定示例，但是本公开延伸至其它制冷剂系统构造。例如，主制冷剂环路12可以包含位于冷凝器16下游和膨胀装置20上游的节热器。例如，制冷剂冷却系统10可以为空调系统。
图2示例说明示例性压缩机14。例如，压缩机14可以为无油离心式压缩机。示例性压缩机14可以为两级离心式压缩机，包含在第二叶轮上游的第一叶轮。在其它实施例中，可以使用其它多级压缩机。叶轮由马达驱动。叶轮和马达容纳于壳体22内。电力电子器件24也布置于壳体22内，并且可以包含例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和可控硅整流器(SCR)。电力电子器件24还可以包含直流-直流转换器、缓冲器和/或电容器以及其它可能的电气部件。
一些已知的压缩机依靠制冷剂来冷却电力电子器件，并且冷却路径终止于蒸发器或压缩机抽吸部中。热量经由制冷剂从电力电子器件传递出去。然而，在某些情况下，需要高蒸发器温度，例如高于20℃，这导致更高的电力电子器件运行温度。这些更高的电力电子器件运行温度可能导致安全性和可靠性问题。本文中所示出和所描述的热交换器布置示例增加额外的冷却环路，以提高电力电子器件上的热耗散并且使用单独的制冷循环来防止电子器件过热。
参考图3，并且继续参考图2，可以使用具有热交换器30的冷却环路31对压缩机14进行冷却。示例性热交换器30经由额外的制冷循环使用制冷剂流来冷却电力电子器件24。例如，制冷剂可以为来自马达冷却通道或主制冷剂环路12的液体制冷剂。
图4A至图4C示例说明示例性热交换器30。具有热交换器30的冷却环路31作为额外的制冷循环运行，以从电力电子器件移除热量。图4A示例说明热交换器30的等距视图。热交换器30通常包含前面板32、背板34以及散热器36。来自源38的液体制冷剂首先进入膨胀阀，然后经由连接至前面板32的入口40进入热交换器30。例如，源38可以为马达冷却通道或主制冷剂环路12。膨胀阀42可以为例如热膨胀阀80，或另一种类型的阀，如本文中进一步解释说明的那样。在膨胀阀42之后，液体制冷剂变成两相流并且经历温度的下降。制冷剂然后流动通过前面板32，并且开始从散热器36吸收热量，这使得制冷剂蒸发并且汽化。也就是说，热交换器30作为蒸发器运行。制冷剂然后经由后出口阀44返回至主制冷剂环路12中的压缩机14。例如，后出口阀44可以在压缩机抽吸部或蒸发器18处排放来自冷却环路31的制冷剂。
图4B和图4C示出热交换器30的分解图。如图4B中所示，背板34具有一个或多个通道46。例如，冷却通道46可以具有蜿蜒布置。例如，可以优化通道46的布置以优化热传递速率。制冷剂流动通过这些通道46，并且通道46用作为用于散热器36的蒸发器。散热器36具有多个翅片48。散热器36可以经由盖51和多个紧固件53固定至背板34和前面板32。电力电子器件24周围的来自壳体22的空气通过盖51中的管道50流动至翅片48，并且热量经由传导传递至翅片48。可以使用机械支撑件来将热交换器30固定和支撑于压缩机14上。入口40、热交换器30、以及出口阀44被认为一起限定本公开中的示例性流动管道冷却管线。
在一些示例中，制冷剂的流动受到主动控制。传感元件82可以布置于热交换器30之前，以检测出口40处的制冷剂温度。然后，感温温包(bulb)82可以调节流动速率，以维持期望的冷却。在其它示例中，可以使用被动冷却。在该示例中，膨胀阀42为固定尺寸的膨胀阀。例如，根据应用，固定尺寸的膨胀阀可以在0.05mm至0.5mm之间。在另一个示例中，膨胀阀可以在0.15mm至0.35mm之间。在一些示例中，通过管道50的空气流动也可以受到主动控制。在该示例中，风扇布置于壳体22内，并且被操作以增加或减少通过管道50的空气流量以维持期望的冷却。
图5A示例说明具有热交换器130的另一个示例性压缩机114。在没有另外描述或示出的程度上，压缩机114对应于图4A至图4C的压缩机14，其中相似的零件具有前面附加有“1”的参考数字。在该示例中，热交换器130的尺寸和形状被设置成在壳体内装配于压缩机114的上部部分(如图2所示)。
图5B示例说明示例性热交换器130。在该示例中，背板134具有用于制冷剂流动的通道146。如在该示例中可以看到的，冷却通道146具有从入口140流动至出口144的蜿蜒布置。热传递速率被定义为热传递面积(A)、更复杂的热交换器的校正面积(F)、基于面积和对数平均温差的总热传递系数(U)、以及对数平均温差(ΔTlm)的乘积。冷却通道146被设计成优化制冷剂的接触面积和制冷剂的质量流率。
散热器136具有与空气呈流动接触的多个翅片148。在该示例中，多个翅片148以百叶窗式形式布置。尽管示出示例性翅片形式，但是可以使用其它散热器布置，如本文中进一步示出和描述的。
图6A至图6F示例说明示例性散热器翅片布置。散热器136可以具有多种几何形状。图6A示例说明散热器236，其具有呈矩形布置的多个翅片248。在该示例中，多个翅片248具有矩形形状，并且多个孔249延伸穿过翅片248以用于冷却。图6B示例说明另一个示例性散热器336，其具有呈三角形布置的多个翅片348。图6C示例说明另一个示例性散热器436，其具有呈波浪形布置的多个翅片448。图6D示例说明另一个示例性散热器536，其具有呈错列齿形布置的多个翅片548。图6E示例说明另一个示例性散热器636，其具有带有多个穿孔649的多个翅片648。图6F示例说明另一个示例性散热器736，其具有带有多个百叶窗板749的多个翅片748。散热器的设计和几何形状可以基于特定的压缩机应用的冷却性能、复杂性以及成本来选择。
图7A和图7B示例说明百叶窗式散热器布置的进一步的细节。图7A示出百叶窗式散热器736的侧视图。翅片748以波浪形式布置。例如，翅片748具有的高度752可以在大约8mm至大约24mm之间。翅片748具有的翅片间距754可以在每英寸大约10至30个翅片之间。翅片748具有在弯曲部758之间基本竖直地延伸的多个壁756。在本公开中，基本竖直意味着在相对于散热器的底部的竖直方向上的矢量分量大于在水平方向上的矢量分量。多个百叶窗板749从壁756延伸。百叶窗板749可以为通过切割和弯曲壁756的一部分以形成叶片762和开口764(在图7B中示出)而形成的波纹。百叶窗板749具有长度760。例如，长度760可以在翅片高度752的70％至100％之间。
图7B示出百叶窗式散热器736的俯视图。翅片748具有在基本垂直于翅片高度752的方向上获得的宽度766。沿着翅片748的百叶窗板749以间距768隔开。例如，百叶窗板间距768可以在1mm至3mm之间。例如，翅片厚度770可以在0.5mm至3mm之间。百叶窗板749相对于壁756具有角度772。角度772可以在20°至55°之间。这种百叶窗式翅片设计在示例性无油离心式压缩机热交换器设计中可能特别有益。
可以控制制冷剂的流动控制以维持冷却性能。图8A至图8D示例说明用于主动流动控制的示例性部件。图8A示例说明可以用来控制制冷剂的流动的热膨胀阀(TEV)80。热膨胀阀80根据热交换器输出温度通过传感感温包82调节流出热交换器30的制冷剂。热膨胀阀80提供具成本效益的设计。阀80可以响应于来自控制器84的指令而选择性地打开和关闭。示意性地示例说明的控制器84可以用可执行指令编程，以用于与压缩机14的各种部件交互以及操作压缩机14的各种部件。控制器84被构造成接收来自压缩机14的信息，并且被构造成解释该信息并且向压缩机14的各种部件发出命令。控制器84可以包含硬件和软件。进一步，控制器84可以另外包含处理单元和非暂时性存储器，以用于执行压缩机14的各种控制策略和模式。
图8B示出电磁阀280，所述电磁阀可以用来在另一个示例中控制制冷剂。电磁阀280可以通过外部传感器和处理器来控制流动，以驱动非均匀质量流动系统中的性能。电磁阀280还可以需要较小的空间来优化压缩机的尺寸。图8C示出电子膨胀阀(EEV)380，所述电子膨胀阀可以用来在另一个示例中控制制冷剂。EEV 380包含小型微处理器，所述小型微处理器从温度传感器读取数据，以确定容许多少流量通过。EEV 380的工作效率非常高，但是由于复杂性增加，成本可能更高。
图8D示出毛细管480，所述毛细管可以用来在另一个示例中控制制冷剂。毛细管480通过经由小管在两侧之间产生固定的压差而运行。例如，管可以具有在大约0.5mm至1.0mm之间的直径。毛细管480非常简单，因为它们具有固定尺寸并且没有移动零件，这使得磨损和维护很少。然而，毛细管480需要固定量的制冷剂并且提供恒定的压差。
可以基于系统的特定需求(比如效率、空间以及成本)来选择特定的流动控制方法。尽管示出并且描述了示例性流动控制方法，但是可以使用其它流动控制方法。进一步，尽管关于制冷剂描述了流动控制，但是也可以主动控制穿过散热器的空气。例如，风扇可以布置于壳体22内部。风扇可以用来将壳体22内的空气抽吸穿过散热器36。对制冷剂和/或空气的主动冷却控制可以改善热交换器30的整体冷却性能。
如图9A至9F中所示，散热器36可以通过多种制造工艺中的一种或多种来制造。在一个示例中，散热器36可以经由机加工工艺190制成。例如，机加工适用于单件设计。散热器36可以经由压铸工艺290形成，所述压铸工艺可以以相对低的价格提供复杂的设计。散热器36可以经由挤压工艺390形成，所述挤压工艺容许形成特定翅片几何形状。散热器36可以用搅拌摩擦焊接工艺490形成，所述搅拌摩擦焊接工艺可以无缝地连接散热器36，以实现设计方面的复杂的表面。散热器36可以经由用于组装翅片48的硬钎焊工艺590形成。散热器36可以经由3D打印工艺690形成，所述3D打印工艺可以提供复杂的几何形状。在一些示例中，散热器36可以用锻造工艺形成。进一步，散热器36可以用上述工艺的组合形成。制造方法可以取决于特定的散热器设计。
示例性热交换器基本上类似于热交换器130，除了前面板32和背板34被图10A至10C中所示的微通道蒸发器232代替。示例性微通道蒸发器232包含多个微通道292，所述多个微通道在其各自的端部处分别通过入口集管295和出口集管296连接。微通道板可以焊接或硬钎焊至入口和出口分配集管295、296，并且集管295、296可以配备有连接配件297，比如一些示例中的O形环、螺纹件、硬钎焊配件或焊接配件。在一些示例中，如图10D中所示，具有多个翅片248的散热器236可以放置于微通道蒸发器232的表面处。在一些示例中，散热器可以被构造成类似于本文中所公开的散热器36、136。尽管在示例中示出沿着集管295、286延伸的一排微通道，但是也可以考虑其它微通道构造。如图11中所示，在另一个示例性微通道蒸发器332中，可以使用多排微通道392并且所述多排微通道可以在其之间包含多个翅片398。
优化的散热器设计可以增强主动冷却系统中的冷却性能。所公开的热交换器设计使空气循环，以经由对流吸收从电力电子器件生成的热量。空气中的热能然后被传递至流动通过热交换器的制冷剂。这种布置允许电力电子器件的有效冷却，这容许压缩机被用于更广泛的应用中，这些应用先前可能受到环境温度的限制。这种布置还具有非常小的封装，从而容许热交换器装配于压缩机壳体22内。
应当理解的是，在上文中参考压缩机14相对于其上安装有压缩机14的表面(亦即，地面或地板表面)的正常运行姿态使用比如“上部”和“顶部”的方向术语。进一步，这些术语在本文中是为了解释说明的目的而使用的，不应当被认为是限制性的。比如“大致上”、“基本上”、以及“大约”的术语不是无边界术语，并且应当被解释为与本领域技术人员解释这些术语的方式一致。
应当理解的是，尽管在这些示例性实施例中公开并且示例说明特定的部件布置，但是其它布置也可以受益于本公开的教导。
尽管不同的示例具有图示中所示的特定部件，但是本公开的实施例不限于这些特定组合。可以将一个示例的一些部件或特征与另一个示例的特征或部件结合使用。另外，伴随本公开的各个附图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被放大或缩小以示出特定部件或布置的某些细节。
本领域普通技术人员将理解的是，上述实施例是示例性的而非限制性的。也就是说，对本公开的修改将处于权利要求的范围内。因此，应当研究以下权利要求来确定它们的真实范围和内容。
Claims (19)
1.一种制冷剂系统，包括：
与冷凝器、蒸发器以及压缩机连通的主制冷剂环路；以及
被布置成冷却电子部件的热交换器，所述热交换器具有冷却管线和散热器，所述冷却管线被构造成从所述主制冷剂环路接收制冷剂，所述散热器与所述电子部件周围的空气连通。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述散热器具有与空气流动接触的多个翅片。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述多个翅片具有百叶窗式布置。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述多个翅片具有多个百叶窗板，所述多个翅片具有在8mm至24mm之间的翅片高度。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个翅片具有在所述翅片高度的70％至100％之间的翅片长度。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述多个翅片具有在每英寸10至30个翅片之间的翅片间距。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述多个翅片具有在20度至55度之间的百叶窗板角度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个翅片在所述多个百叶窗板之间具有在1mm至3mm之间的距离。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个翅片具有在0.5mm至3mm之间的翅片厚度。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压缩机为无油离心式压缩机。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，至所述热交换器的制冷剂和空气受到主动控制。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子部件为绝缘栅双极晶体管(IGBT)和可控硅整流器(SCR)中的至少一种。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热交换器包含面板、具有一个或多个通道的背板，其中所述散热器固定至所述背板。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述散热器经由盖和多个紧固件固定至所述背板，所述盖包含用于空气的流动的管道。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述系统被构造成使液体制冷剂进入膨胀阀，然后经由连接至所述前面板的入口进入所述热交换器。
16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述压缩机为无油离心式压缩机，所述热交换器包含面板、具有一个或多个通道的背板，其中所述散热器固定至所述背板，所述散热器经由盖和多个紧固件固定至所述背板，所述盖包含用于空气的流动的管道，所述散热器具有与空气流动接触的多个翅片，并且所述多个翅片具有百叶窗式布置。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个翅片具有多个百叶窗板，所述多个翅片具有在8mm至24mm之间的翅片高度，所述多个翅片具有在所述翅片高度的70％至100％之间的翅片长度，所述多个翅片具有在每英寸10至30个翅片之间的翅片间距，所述多个翅片具有在20至55度之间的百叶窗板板角度，所述多个翅片在多个百叶窗板之间具有在1mm至3mm之间的距离，并且所述多个翅片具有在0.5mm至3mm之间的翅片厚度。
18.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热交换器包含微通道蒸发器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述电子部件为绝缘栅双极晶体管和可控硅整流器中的至少一种。
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