CN1942724A - 用于空气冷却冷却器的电子部件冷却系统 - Google Patents

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Abstract

一种冷却器系统10包括制冷剂回路90，该制冷剂回路90进一步包括压缩机60、空气冷凝器装置70以及蒸发器装置80，它们被连接在第一闭合制冷剂回路90中。马达40与压缩机60相连，以驱动压缩机60，驱动部分30与马达40相连，以向马达40供给电力，电源/控制板50对制冷剂回路90进行控制。电源/控制板50和冷凝器装置70连接于第二闭合冷却剂回路100中。第二闭合冷却剂回路100对外壳120和/或在外壳120之内、被设置在激冷板110上的部件115提供冷却。尽管外壳120没有湿度控制器件，在外壳120内部基本上可防止冷凝物的形成。

Description

用于空气冷却冷却器的电子部件冷却系统
技术领域
一般而言，本发明涉及一种电子元件冷却系统。更具体地说，本发明步及一种用于空气冷却的冷却器系统的电源和/或控制部件的冷却系统。
背景技术
与冷却器系统的供电有关的电气部件在运行中产生大量的热。由于这些部件一般容纳于基本上密封的不使元件暴露的紧凑外壳内，外壳内部由电力电子部件(power electronic components)产生的热量必须散逸，以防止损坏这些部件。在运行期间处于外壳内、产生特别多的热量的电力电子半导体部件一般用激冷板(chill plate)来冷却。激冷板由高导热率材料构成，其包括内部通道，这些内部通道构成使工作流体或制冷剂流体循环以便冷却电气部件的热传送流体回路的一部分。流过热传送流体回路的工作流体与激冷板通道呈热交换关系，以便从激冷板排出热能。热传送流体回路可以是用于外壳的单独的冷却系统的一部分，以散逸来自激冷板的热能。热传送流体回路也可以结合到冷却器系统中作为制冷回路的一部分或者作为冷凝器流体回路的一部分。电气部件安装在激冷板的外部上，并借助于导热性利用激冷板汲取电气部件的热能。接着通过对流将传递至激冷板的热能传递给流入流体回路通道中的工作流体。
封装于外壳内的其它电气部件在工作中产生少量热能，因此不需要激冷板。对于这些部件，可使与上述回路类似的附加热传送流体回路延伸到外壳的基本上封闭的空间内，并与在外壳内侧运行以使空气在外壳内循环的风扇联合来实现热散逸。然而，在热传送流体回路内的工作流体温度低于机柜内的露点温度时，可能在外壳内形成冷凝物。由于冷凝物可能损坏电气部件，因此冷凝是人们所不希望的。于是，为了防止冷凝物的形成，需要单独的温度监测及控制系统来防止外壳内部温度达到低于露点温度的水平。
因此，需要这样一种用于处于冷却器系统电器外壳内的电气部件的冷却系统，其不需要单独的温度监测及控制系统基本上能防止外壳内形成凝结物。
发明内容
本发明提出一种包括制冷剂回路的冷却器系统，该制冷剂回路包括由马达驱动的压缩机、具有至少一个盘管的空气冷凝器装置、以及蒸发器装置，它们连接于第一闭合制冷剂回路中。电气/电子电源控制板为制冷剂回路的运行提供电力和/或控制。该电源/控制板内装有电气/电子电源/控制部件并且包括冷却这些部件的冷却系统，该冷却系统与空气冷凝器装置的至少一个盘管流体连通。
本发明还提出一种用于控制具有制冷剂回路的冷却器系统运行的电源/控制板，该制冷剂回路包括由马达驱动的压缩机、具有至少一个盘管的空气冷凝器装置、以及蒸发器装置，它们连接于第一闭合制冷剂回路内。电源/控制板包括基本封闭的、具有多个部件的外壳。该外壳与空气冷凝器装置的至少一个盘管流体连通。
本发明的一个优点是，由于将用于电源/控制板的冷却系统结合进冷却器系统中，因此部件数减少。
本发明的另一优点是，它基本可防止在电源/控制板内形成凝结物。
本发明的又一优点是，它不需要单独的温度监测和控制系统。
通过下面结合附图对优选实施方式的更详细的说明，本发明的其它特点与优点将更加明显，附图作为例子示出了本发明的原理。
附图说明
图1示意性地示出了可与本发明一起使用的制冷系统的一实施方式；
图2示意性地示出了可用于本发明的VSD的一实施方式；
图3示意性地示出了用于本发明的电源/控制板结构的一实施方式；
图4示意性地示出了用于本发明的电源/控制板结构的另一实施方式；
图5-6的每一幅附图示出了使用本发明的空气冷却的冷却器系统的主冷凝器盘管的一实施方式。
只要可能，在全部附图中用相同的附图标记表示相同或相似的部分。
具体实施方式
图1概略地示出了本发明的系统配置。冷却器系统10包括为联合变速驱动部分(VSD)30供电的AC电源20以及向驱动压缩机60的马达40供电的电源/控制板50，这由位于电源/控制板50内部的控制部分控制。在本发明的一实施方式中，VSD 30的所有部件均容纳于电源/控制板50之内。AC电源20将单相或多相(例如，三相)固定电压和固定频率的交流电由交流电网或设置于本地的配电系统供给VSD 30。压缩机60、冷凝器70和蒸发器80形成第一闭合制冷剂回路90。压缩机60压缩制冷剂蒸气并通过排出管路将蒸气传送到冷凝器70。压缩机60可以是任何合适类型的压缩机，例如，离心式压缩机、往复式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机等。由压缩机60传送到冷凝器70的制冷剂蒸气与冷凝器70周围并循环流过冷凝器70的空气进行热交换，作为与周围环境空气热交换的结果制冷剂蒸气相变为制冷剂液体。冷凝的液态制冷剂从冷凝器70流过膨胀装置(未示出)到达蒸发器80。于是，第一闭合制冷剂回路90中循环的与蒸发器80热交换的流体能为内部空间提供冷却。类似地，冷凝器70的一部分与电源/控制板50形成对装于电源/控制板50中的部件提供冷却的第二闭合冷却剂回路100。
值得注意的是，本发明的冷却器系统10可以采用VSDs 30、马达40、压缩机60、冷凝器70和蒸发器80的多种任意组合。
电源/控制板50可以包括多种不同的部件，如模数(A/D)转换器、微处理器、非易失性存储器和接口板，以控制冷却器或制冷系统10的运行。电源/控制板50还可用来控制VSD 30、马达40和压缩机60的运行。制冷系统10包括许多图1未示出的其它特点。为简化附图以便于说明，这些特点被有意省略。
VSD 30接收来自AC电源20的具有特定的固定线电压和固定行频的交流电，并将交流电以所需电压和所需频率提供给马达40，可改变所需电压和所需频率以满足特定需求。优选的是，VSD 30可向马达40提供比马达40的额定电压和频率高的电压和频率及低的电压和频率的交流电。图2示意性地示出了VSD 30的一实施方式中的一些部件。VSD 30可具有三段：转换器段32、DC链路段(DC link stage)34、以及反相器段36。转换器32将来自AC电源20的固定行频、固定线电压的交流电转换成直流电。DC链路34对来自转换器32的直流电进行滤波，并设有如电容器和/或电感器之类的蓄能部件。最后，反相器36将来自DC链路34的直流电转换成用于马达40的可变频率、可变电压的交流电。
对本发明而言，只要VSD 30可将合适的输出电压和频率提供给马达40，至于转换器32、DC链路34和反相器36的具体结构无关紧要。例如，为了从VSD 30获得大于VSD 30的输入电压的输出电压，转换器32可以是与升压DC/DC转换器耦联以便给DC链路34提供升高的直流电压的二极管或晶闸管整流器。在另一实例中，转换器32可以是由自耦变压器和电感器提供的二极管或晶闸管整流器。在又一实例中，转换器32可以是向DC链路34提供升压的直流电压以便从VSD 30获得大于VSD 30输入电压的输出电压的具有绝缘栅双极晶体管(IGBTs)的脉冲宽度调制升压整流器。在本发明的一优选实施方式中，VSD 30可以提供至少是马达40的额定电压和频率两倍的输出电压和频率。此外，应当理解的是，只要VSD 30可向马达40供给合适的输出电压和频率，VSD 30可结合与图2所示的部件不同的部件。
在马达40的起动期间，VSD 30可以防止大的冲击电流流向马达40。VSD 30的转换器32可为交流电源20提供具有约为满功率因数的电力。最后，VSD 30调节输入马达40的输出电压和输出频率两者的能力可使VSD30运行在各种对外的和本地的电网(foreign and domestic power grids)上，而不必为不同的电源更换马达40或压缩机60。
优选马达40是能变速运行的感应电机。这种感应电机可以具有包括两极、四极或六极在内的任何合适的极数装置。感应电动机用来驱动压缩机60。压缩机60可根据驱动压缩机60的转子的马达40的输出速度改变输出量。换句话说，马达40的输出速度可控制压缩机60的输出量。例如，马达的低输出速度将导致压缩机的低输出量，而马达较高的输出速度可导致压缩机较高的输出量。
再参看图1，压缩机60在吸入口处接收制冷剂蒸气并在压缩机60中压缩所述制冷剂蒸气。然后压缩机60通过排出管路排出压缩后的蒸气。正如以上讨论的那样，压缩机60的输出量基于压缩机60的运转速度，而此运转速度又取决于由VSD 30供以电力的马达40的输出速度。在第一闭合制冷剂回路90中，由压缩机60传送给冷凝器70的制冷剂蒸气与环境空气、即空气冷凝器进行热交换，并作为与空气进行热交换的结果经历相变而成为制冷剂液体。冷凝的液态制冷剂从冷凝器70流过膨胀装置(未示出)到达蒸发器80。
蒸发器80内的液态制冷剂与如空气或水之类的第二流体进行热交换，以便降低第二流体的温度，然后，通常将第二流体用于向内部空间供冷。作为与第二流体进行热交换的结果，第一闭合制冷剂回路90中蒸发器80内的制冷剂液体经历相变而成为制冷剂蒸气。蒸发器80内的蒸气制冷剂离开蒸发器80并通过吸入管路返回到压缩机60，从而完成第一闭合制冷剂回路90的循环。应当理解的是，只要在蒸发器80中可获得制冷剂合适的相变，在冷却器系统10中，可采用任何合适结构的蒸发器80。
为了确保在第二闭合冷却剂回路100内循环的工作流体的温度不被冷却到低于电源/控制板50周围的环境温度，利用冷凝器70的一部分来除去电源/控制板50内产生的热量。也就是说，来自第二闭合冷却剂回路100的流过冷凝器70内多根盘管或管道的工作流体经由流过环境空气或者温度与冷凝器70周围空气基本上相同的空气而得以冷却，致使工作流体的温度不低于环境空气的温度。于是，实际上被加热的工作流体的温度不会降低到低于流过的环境空气的温度，因此不需要监控装置。
参见图3，电源/控制板50限定出基本封闭的外壳120，用于固定用来控制冷却器系统10运行的电力电子部件和控制部件。外壳120容纳有激冷板110，该激冷板由具有高导热率的材料组成并包括构成第二闭合冷却剂回路100的一部分的内部通道112。在非常小的面积上产生非常多的热量(大功率密度)的电源/控制板50内的部件115、如电力半导体器件被设置在激冷板110上。这种大功率密度部件的例子包括，但不局限于，绝缘栅双极晶体管(IGBT’s)、硅可控整流器(SCR’s)以及二极管整流器。由于在激冷板110与部件115之间的热传导，由部件115产生的热能被激冷板110吸收。在激冷板110的通道112内循环的、如热传送流体或制冷剂流体之类的工作流体与激冷板通道112呈热交换关系，以便从激冷板110排出热能。然后，第二闭合冷却剂回路100中被加热的工作流体返回到冷凝器70，从而完成循环，并与流过冷凝器70的环境空气进行热交换。如前所述，工作流体被冷却到略高于环境温度的温度。
除激冷板112之外，电源/控制板50的外壳120散发来自安置于外壳120内的部件125的热能。部件125通常是物理上比有源电力半导体器件(较低功率密度)大很多的无源器件，并如所指出的那样不一定需要由激冷板112提供增强的热能减小能力。这种较低功率密度部件的例子包括，但不限于，电感器、电阻器、变压器、和中央处理器(CPU)芯片。为了有利于将热能从这些低功率密度部件125上排出，第二闭合冷却剂回路100的一部分延伸通过外壳120。温度略高于环境温度的工作流体流经的第二闭合冷却剂回路100的此部分与外壳120内部的空气170进行热交换。为了增强外壳120内的空气170与第二闭合冷却剂回路100的此部分之间的热交换，还在外壳120内设置了一或多台风机130，以使空气170在外壳120内侧循环。
通过借助于在第二闭合冷却剂回路100中循环的工作流体使外壳内部温度大体高于周围环境的空气温度，也就是说，实际上比周围的空气温度略高，可以有效地防止在外壳120内部形成冷凝物。换言之，即使外壳120周围的环境温度处于露点、即蒸汽(水)开始冷凝的温度，外壳120内部空气170的温度总是高于环境温度，因为电子电源/控制部件加热外壳120内的空气。因此，本发明的冷却结构不需要控制装置来监视或控制外壳120内部空气170的湿度水平或温度。
如图3所示，第二闭合冷却剂回路100包括在返回到冷凝器70进口侧以完成循环之前在冷凝器70出口侧、激冷板110以及位于电源/控制板50内的外壳空气冷却盘管160之间的顺序流体连通部分。换句话说，第二闭合冷却剂回路100由冷凝器70出口侧延伸进入外壳120内直至激冷板110的通道112的进口侧，并且将激冷板110的通道112的出口侧连接到外壳空气冷却盘管160的进口侧，并通过盘管160回到冷凝器70返回侧。
图4示出了具有在返回到冷凝器70进口侧以完成循环之前、在冷凝器70出口侧与电源/控制板50两部分(激冷板110与外壳空气冷却盘管160)之间的并联连接部分的第二闭合冷却剂回路100。该第二闭合冷却剂回路100从冷凝器70出口侧延伸至与激冷板110和外壳空气冷却盘管160的进口侧两者相连的吸入歧管140，连接外壳空气冷却盘管160与激冷板110的出口侧的排出歧管150，并将排出歧管150连接至冷凝器70的返回侧。
应当理解的是，除图3和4示出的第二闭合冷却剂回路100的可能的竖直布置之外，也可将第二闭合冷却剂回路100的每一部分形成为单独的闭合子回路。也就是说，一条子回路可将冷凝器70与外壳空气冷却盘管160的进口和出口侧连接，而另一条子回路可将冷凝器70与激冷板110的进口和出口侧连接。
图5示出了可用于冷凝器70和外壳空气冷却盘管160的热交换器盘管组件200的一种实施方式。热交换器盘管组件200包括多根沿盘管组件200的长度延伸并彼此邻近布置的管道210。多个管接头220连接多根管道210的一对的端部。每一管接头220基本呈U形，并连接邻近的一对管道210以便为流过盘管组件200的管道210和管接头220的流体提供蛇形通路。多根管道210的一根管道210连接到流体进口230，多根管道210的另一根管道210连接到流体出口240。流体进口230和流体出口240可以位于，例如，盘管组件200的底部、盘管组件200的侧部或盘管组件200上的任何其它合适的部位。管道210的数量及它们在盘管组件200中的布置和位置可以根据具体应用的要求而改变。在一种实施方式中，可以在盘管组件200中设置一排高达四十八根的基本平行的管道。更为优选的是，盘管组件200具有基本平行的两排或多排高达十二根的基本平行的管道。管道210优选由铜制成，当然也可使用其它合适的材料。管道210具有预先选定的横截面形状，优选为圆形或椭圆形截面。
在热传递的过程期间，第一热传送流体流经由多根管道210形成的蛇形通路，第二热传送流体横过管道210。多根管道210为第一和第二热传送流体之间的传热提供了界面。流经管道210的第一热传送流体是水或如氨、氯乙烷、氟利昂、含氯氟烃(CFCs)、氢氟碳(HFCs)之类的制冷剂流体及其他天然制冷剂。然而，应当理解的是，任何合适的热传送流体均可用作第一热传送流体。第二热传送流体优选为可根据具体应用在传热过程期间被加热或冷却的空气。当然，应当理解的是，其它合适的热传送流体均可用作第二热传送流体。通常可以如借助风机强制空气流动，当然也可采用静止的空气。与管道210邻接的是多个翅片250。当优选为空气的第二热传送流体流过或横过盘管组件200的管道210与翅片250、而第一热传送流体流经多根管道210时，在第一热传送流体与第二热传送流体之间进行传热。
热交换器盘管组件200具有多个翅片250，以改善热交换器盘管组件200的热传递能力。每一翅片250是薄金属板，优选其由如铜或铝之类的高导电性材料制成，并可包括亲水的涂层。翅片250包括多个用于接收每根管道210的孔260。管道210最好优选为与翅片250成直角地穿过翅片250的孔260。管道和翅片250彼此紧密接触以便在两者之间的进行传热。尽管翅片250与管道可以如通过铜焊或焊接以冶金方式(metallurgically)接合，本发明此优选实施方式采用摩擦或机械方式接合翅片250与管道，如通过轧制来接合。优选将翅片250设置和布置成基本平行的、间隔很小并具有多条用于优选为空气的第二热传送流体通路，以使空气在翅片250之间流动并横向流过管道210。盘管组件200还具有位于翅片250两边的端板270，以便为盘管组件200提供一些结构支撑并且保护翅片250免受损坏。
优选的是，单个热交换器盘管组件200的所有翅片250具有相同的尺寸。根据热交换器盘管组件200的预定用途以及管道210的数量，盘管组件200的翅片250的尺寸范围在宽度方向可从小于1英寸到40英寸，在高度上可达72英寸。翅片的最小厚度优选约为0.002英寸，以避免可能引起的制造麻烦。然而，举例来说，若将整个盘管组件从英寸尺寸按比例放大到英尺尺寸，翅片可以具有非常大的厚度。在一优选实施方式中，翅片的厚度为大约0.006英寸、0.008英寸和0.010英寸。对于翅片的间距而言，翅片之间的距离优选不小于约1/30英寸，否则可能给制造带来麻烦。然而，若整个盘管组件如上所述按比例增大的话，翅片间距可以非常大。在一优选实施方式中，翅片间距设置成从1/8英寸到1/14英寸。
图6示出了利用本发明的空气冷却冷却器冷凝器盘管的一种实施方式。冷凝器盘管300包括多个制冷剂蒸气进口320和制冷剂液体出口330。制冷剂蒸气进口320一般由图6中未示出的制冷剂进口歧管连接。类似地，制冷剂液体出口330一般由也未在图6中示出的制冷剂出口歧管连接。图6示出的盘管以这样的方式循环：即，每一制冷剂出口330由两个制冷剂进口320给料，但是应当理解的是，制冷剂可以许多其它的循环形式流过冷凝器盘管。在空气冷却的冷却器运行期间，过热的制冷剂通过制冷剂蒸气进口320进入盘管，通过盘管翅片350将热量传递给空气冷却的冷却器的周围空气，由于这种热传递制冷剂经历相变从蒸气变为液体，然后通过制冷剂液体出口330作为过冷液体排出盘管。
图6所示的冷凝器盘管300还可以通过如前所述的连接到二次冷却剂进口歧管140和二次冷却剂出口歧管150的回路来冷却电源/控制板50的第二闭合冷却剂回路100的冷却剂。二次冷却剂回路穿过制冷剂回路穿过并与其进行热交换的翅片，并与就是那个相同的翅片350进行热交换。当然，盘管是循环的，以使流过二次冷却剂进口歧管140和二次冷却剂出口歧管150的冷却剂不能流过制冷剂蒸气进口320或制冷剂蒸气出口330。换句话说，盘管的二次冷却剂回路与盘管的制冷剂凝结回路是流动隔离的。尽管图5所示出的二次冷却剂回路设置在盘管的非常靠下的位置，然而，应当理解的是，二次冷却剂回路可以安置于冷凝器盘管的任何地方。
冷凝器70优选为空气冷却式，冷凝器70中具有利用分开的和彼此无关的回路的第一闭合制冷剂回路90和第二闭合冷却剂回路100。优选第二闭合冷却剂回路100采用最低的或底部的回路，也就是说，利用冷凝器70的最下部的或最底部的几排盘管。在本优选装置中，第一闭合制冷剂回路90中的制冷剂与第二闭合冷却剂回路100中的工作流体之间的热互作用最小。其次，本优选装置对第二封闭冷却剂回路100、接收最低的气流的冷凝器回路进行重新配置，并使第一闭合制冷剂回路90中的制冷液极不可能过冷。最后，由于充入工作流体的位置可以选取高于第二闭合冷却剂回路100任何其余部分的位置，此结构简化了对第二闭合冷却剂回路100中的工作流体量的监测。尽管第一闭合制冷剂回路90中的制冷剂流体经历了两相流传热循环，但这对第二闭合冷却剂回路100的情况不是必须的。第二闭合冷却剂回路100中的工作流体可以运用单相传热循环或两相流传热循环。
优选第二闭合冷却剂回路100利用成分为丙二醇与水的混合物的工作制冷剂流体来冷却电源/控制板部件115、125。尽管优选丙二醇-水混合物，然而应当理解的是任何合适的盐水或冷却液，如乙二醇-水混合物、或如R22或R134a之类的双相制冷剂均可用于第二闭合冷却剂回路100中。工作流体的所需性质包括：优越的传热特性、低的生产成本、低的毒性和可燃性以及无腐蚀性。
尽管已经参考优选实施方式对本发明进行了描述，但本领域技术人员可以理解，在不超出本发明的范围的前提下，可以对其元件作出各种改变或等同替换。另外，可以作出许多改型来使具体的情况或材料与本发明的教导相适应，而不超出本发明的主要范围。因此，发明并不限于作为实现本发明的最佳方式而描述的具体实施方式，本发明应涵盖落入所附权利要求的保护范围内的所有实施方式。

Claims (16)

1.一种冷却器系统，包括：
制冷剂回路，该制冷剂回路包括由马达驱动的压缩机、具有至少一个盘管的空气冷凝器装置、以及蒸发器装置，它们连接于第一闭合制冷剂回路中；
用于控制所述制冷剂回路运行的电源/控制板，该电源/控制板包括用来冷却电源/控制板的部件的冷却系统，该冷却系统与所述空气冷凝器装置的至少一个盘管流体连通。
2.如权利要求1所述的冷却器系统，其中，所述电源/控制板限定出基本封闭的外壳。
3.如权利要求1所述的冷却器系统，其中，所述冷却系统具有激冷板，该激冷板具有至少一条通道。
4.如权利要求3所述的冷却器系统，其中，所述电源/控制板中的至少一个部件被设置于所述激冷板上。
5.如权利要求2所述的冷却器系统，其中，所述电源/控制板包括设置于所述外壳内以使空气在所述外壳内循环的风机。
6.如权利要求5所述的冷却器系统，其中，所述冷却系统的一部分在所述外壳内部延伸并被设置成与所述风机循环的空气呈热交换关系。
7.如权利要求6所述的冷却器系统，其中，所述电源/控制板内的至少一个部件由所述外壳内部的冷却系统的所述部分冷却。
8.如权利要求1所述的冷却器系统，其中，所述第一闭合制冷回路与所述冷却系统是分开的且彼此无关的回路。
9.如权利要求8所述的冷却器系统，其中，所述冷却系统的至少一个盘管被设置在所述空气冷凝器装置的较低部分。
10.如权利要求8所述的冷却器系统，其中，所述冷却系统的至少一个盘管被设置在所述空气冷凝器装置的最低部分。
11.如权利要求1所述的冷却器系统，其中，所述冷却系统包括乙烯-乙二醇与水的混合物。
12.如权利要求1所述的冷却器系统，其中，所述冷却系统包括丙烯-乙二醇与水的混合物。
13.如权利要求1所述的冷却器系统，其中，所述冷却系统包括两相制冷剂。
14.如权利要求13所述的冷却器系统，其中，所述两相制冷剂是R22。
15.如权利要求13所述的冷却器系统，其中，所述两相制冷剂是R134a。
16.一种用来控制具有制冷剂回路的冷却器系统运行的电源/控制板，该制冷剂回路包括由马达驱动的压缩机、具有至少一个盘管的空气冷凝器装置、和蒸发器装置，它们被连接于第一闭合制冷剂回路中，该电源/控制板包括：
内部具有多个部件的基本封闭的外壳；
该外壳与空气冷凝器装置的至少一个盘管流体连通。
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