CN210986861U - 适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于变频柜的散热技术领域，公开了一种适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，包括柜体、变频系统和散热系统；散热系统包括散热器、散热风机和用于控制散热风机工作状态的控制模块；变频系统若干个与散热器接触的大功率器件；控制模块上连接有若干个用于检测散热器温度的温度传感器；柜体内部有若干个柜层，变频系统、控制模块和散热器设置于柜层内，柜体上设置有进气口和排气口，散热风机嵌入安装于排气口中。本技术方案的散热系统结构简单、控制方便，相较于水冷系统，不需要液体循环系统，采用风冷的散热方式，触及散热面积广，能对系统中每个元器件进行散热，散热器和散热风机的配合，将热量带出柜体，达到了良好的散热效果。

Description

适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构

技术领域

本实用新型属于变频柜的散热技术领域，具体涉及适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构。

背景技术

与传统机械驱动相比，船舶电力驱动能够提高舰船运行的稳定性，具有经济性好、操纵性优良、节省空间、噪声低和节能环保等优势，是当前船舶领域重要的发展潮流和趋势。

船舶电驱动系统主要包括变频系统和冷却系统。其中，变频系统中包含有大容量电力电子装置模块，如整流模块、逆变模块等等。电力电子装置模块包含了大量功率器件，在系统工作过程中，功率器件发热产生大量的热量，使系统的工作环境不断升温，而发热是电子元器件和线路老化、损坏的主要原因，若没有一套优良的冷却系统，则会造成电驱动系统老化快，不仅会造成不小的经济损失，还会对人类的生命安全造成极大的威胁。因此，通过冷却系统及时将热量从设备中带走，从而将这些设备的温度维持在允许范围内，对于维持船舶电驱动系统的稳定可靠运行非常重要。

现代船舶电驱动系统的主要冷却方式有风冷和液冷两种。由于整个船舶系统需要冷却的设备比较多，且分布存在一定的分散性。因此，在船舶系统中，多采用中央液体冷却装置，较少采用强迫风冷的散热方式，中央液体冷却装置的冷却范围不广，导致部分分散部件的降温效果不佳。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提出一种适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，采用的散热方式,在给定的结构边界条件下，通过风道的优化设计和散热风机的热管理，从而将电驱动变频柜的温升维持在允许范围内，保证船舶电驱动系统的安全可靠运行。

具体通过以下技术方案实现：

适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，包括柜体、变频系统和散热系统，其特征在于：所述散热系统包括散热器和散热风机，以及用于控制散热风机工作状态的控制模块；所述变频系统包括若干个小功率器件和若干个大功率器件，需要说明的是，这里的小功率器件和大功率器件，其功率的大小是相对而言的，根据工业现场使用实际，可以人为划分，只要设定判定阈值即可，高于设定阈值的即为大功率器件，反之则为小功率器件；由于大功率器件会产生大量热量，因此将大功率器件与散热器接触；所述控制模块上连接有若干个用于检测散热器温度的温度传感器，温度传感器将检测到的热量转换成电信号传输到控制模块，控制模块对接收到的信号进行判断，从而控制散热风机电源电路的通断，进一步控制散热风机的工作状态；优选地，根据工业使用现场实际，综合考虑实现成本及耐用性和可实现性，所述控制模块可以是使用工业单片机（如80C51等），工业单片机根据温度传感器测得的散热器温度通过电信号控制所述散热风机运转或停止，工业单片机通过外设设备即可写入、删除、修改控制程序；进一步的，控制模块还可以采用PLC控制器配合如伺服驱动器等工业控制单元来实现上述功能；所述柜体内部有若干个柜层，变频系统、控制模块和散热器设置于柜层内，柜体前面设置有柜门，控制模块和变频系统的接口面朝柜门设置，柜体上设置有进气口和排气口，进气口设置于柜门上，排气口设置于柜体的后面或侧面，散热风机以嵌入的方式安装于排气口中。进气口的尺寸是在保证所需通风量的条件下，结合散热器的风道大小确定；散热器的尺寸是根据功率器件的功率大小，并结合散热仿真结果确定；排气口的尺寸是根据散热风机的尺寸大小确定；散热风机的尺寸和功率根据变频系统的发热功率确定。冷却气体从进气口进入被散热风机从排气口抽出，同时带走柜体中功率器件所产生的热量。

所述变频系统的大功率器件和小功率器件分开设置于不同的柜层内，控制模块设置于大功率器件所在的柜层内，柜体上、大功率器件所在柜层处设置有进气口和排气口，排气口中嵌入安装有散热风机。

所述柜体上设置有两个以上的散热风机，控制模块对每个散热风机独立控制；散热风机独立启动运行，相互之间不受影响。

散热系统与变频系统共用一个总电源开关，当总电源开关开启，散热系统与变频系统均开始工作，控制系统开始定时检测散热器的温度，当温度传感器测出的温度达到设定值时，散热风机启动运行，直到温度小于设定值后散热风机停止，若散热风机运行期间总电源开关关闭，散热风机立即停止运行。所述散热风机包括单速风机和/或双速风机；单速风机为只有一个档位风速的散热风机，双速风机为有高速和低速两个档位风速的散热风机。

由于控制模块中也存在若干功率器件，为了保证散热效果，使变频系统的散热不受控制模块的干扰，控制模块设置于柜体内部的一侧，变频系统设置于柜体内部的另一侧，并且控制模块与变频系统之间设置有隔膜，所述隔膜由具有较低导热性或没有导热性的材料制成。

所述柜体由合金材料制成，且柜体表面涂有防腐防锈材料。合金材料具有较高的可塑性，具有高硬度、高耐磨性，因此，合金材料制成的柜体对变频系统起到支撑和保护作用；合金材料具有较高的熔点，当柜体中发生电路故障或其他危险情况，柜体可将危险屏蔽在柜体内，保护操作者的安全；合金材料良好的导热性，能导出柜体中的部分热量。另外，高温容易加快金属与空气中的氧气或其他物质反应，进一步导致金属生锈变腐，因此，柜体表面涂有防腐防锈材料，最大限度减小合金材料与空气的接触，以增加柜体的使用寿命，进一步延长变频系统的使用寿命，也为操控员的生命安全提供了保障。

所述进气口中安装有与进气口尺寸相对应的风窗，用于调节风量，进气口尺寸根据所需通风量确定。

为加强散热，所述散热器与所述散热风机之间设置有气体导流罩。

热管是传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。所述散热器表面还设置有热管，当系统中的功率器件的发热功率增大时，通过热管导热，能起到很好的保护作用。

本实用新型的有益效果是：

（1）本技术方案的散热系统是采用风冷的散热方式，触及散热面积广，能对系统中每个元器件进行散热；散热器和散热风机的配合，将热量带出柜体，达到了良好的散热效果；

（2）本技术方案结构简单、控制方便，相较于水冷系统，不需要液体循环系统，在散热系统中加入了控制模块，实现了散热风机的自动启动和关闭，进一步实现了散热系统的自动化；

（3）控制模块与变频系统分开布置，且控制模块与变频系统设置有隔膜，降低散热干扰，提高系统的可靠性；

（4）柜体中设置若干个柜层，将发热源分开布置，并用多台散热风机分别散热，避免各发热源之间相互影响，提高了散热效率和系统可靠性；

（5）散热器表面还设置有热管，增加了导热质量，进一步保证了元器件工作环境的安全性；

（6）控制模块对散热风机独立控制，多个散热风机的运行，相互之间不受影响，达到了节约用电的效果。

附图说明

本实用新型的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1是柜体内部布局示意图；

图2是柜体外部正视图；

图3是柜体外部后视图；

图4是柜体内部布局局部侧面结构图；

图5是气体导流罩结构示意图；

图中：

1、柜体；1.1、柜层；1.1.1、顶层；1.1.2、中间层；1.1.3、底层；1.2、柜门；2、变频系统；2.1、大功率器件；2.2、小功率器件；3、散热系统；3.1、控制模块；3.2、散热器；3.3、散热风机；3.4、温度传感器；4、进气口；5、排气口；6、风窗；7、气体导流罩；8、热管；9、隔膜。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本实用新型目的技术方案，需要说明的是，本实用新型要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

本实施例公开了一种适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，作为本实用新型一种基本的实施方案，包括柜体1、变频系统2和散热系统3；散热系统3包括散热器3.2和散热风机3.3，以及用于控制散热风机3.3工作状态的控制模块3.1；变频系统2包括若干个小功率器件2.2和若干个与散热器3.2接触的大功率器件2.1；控制模块3.1上连接有若干个用于检测散热器3.2温度的温度传感器3.4；所述柜体1内部有若干个柜层1.1，变频系统2、控制模块3.1和散热器3.2设置于柜层1.1内，柜体1上设置有进气口4和排气口5，散热风机3.3嵌入安装于排气口5中。

散热系统3与变频系统2共用一个总电源开关，当总电源开关开启，散热系统3与变频系统2均开始工作，大功率器件2.1在工作时会产生大量热量，而高温会使变频系统2中元器件和线路加快老化、损坏，进一步导致变频系统2老化以及出现故障，因此为了加快大功率器件2.1的散热速度，将大功率器件2.1与散热器3.2接触，利用散热器3.2辅助大功率器件2.1散热；散热器3.2将大功率器件2.1的温度导出后散发到柜体1内部的空气中，在这期间，散热器3.2温度升高，温度传感器3.4将在散热器3.2上检测到的热量转换成电信号传输到控制模块3.1，控制模块3.1设定有安全值T和小于安全值的缓冲值T’，当温度传感器3.4测出的温度达到安全值T时，控制模块3.1控制散热风机3.3启动，散热风机3.3将柜体1内部的高温空气从排气口5抽到柜体1外部，同时冷空气通过进气口4进入柜体1内部，在散热风机3.3工作期间，散热器3.2不断导出大功率器件2.1上的热量，并散发到柜体1内部的空气中，直到温度传感器3.4检测到的温度下降到小缓冲值T’时，散热风机3.3停止运行。若不设置缓冲值T’，散热风机3.3的运行状态便会在安全值T上来回摆动，不仅耗能，还会对散热风机3.3的使用寿命造成影响。只要总电源开关不关闭，散热系统3会持续工作，散热风机3.3会在控制模块3.1的控制下变换运行状态。

实施例2

本实施例公开了一种适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，作为本实用新型一种优选的实施方案，即实施例1中，柜体1采用合金材料制成，且柜体1表面涂有防腐防锈材料；变频系统2的大功率器件2.1和小功率器件2.2分开设置于不同的柜层1.1内，控制模块3.1设置于大功率器件2.1所在的柜层1.1内，控制模块3.1设置于柜体1内部的一侧，变频系统2设置于柜体1内部的另一侧，并且控制模块3.1与变频系统2之间设置有隔膜9，柜体1上、大功率器件2.1所在柜层1.1处设置有进气口4和排气口5，进气口4中安装有与进气口4尺寸相对应的风窗6，排气口5中嵌入安装有散热风机3.3；散热风机3.3为单速风机。

优选的，柜体1包含顶层1.1.1、中间层1.1.2和底层1.1.3，小功率器件2.2工作器件产生的热量少，可通过自然散热冷却，无需设置散热器3.2和散热风机3.3，一般高处更容易散热，因此，为了便于小功率器件2.2自然散热，将小功率器件2.2设置于柜体1的顶层1.1.1；变频系统2的大功率器件2.1较多，将大功率器件2.1设置于柜体1的中间层1.1.2和底层1.1.3。大功率器件2.1与小功率器件2.2分开布置，不仅能避免大功率器件2.1产生的热量对小功率器件2.2造成影响，还能提高散热效率和系统可靠性。控制模块3.1设置于中间层1.1.2的一侧，处于中间层1.1.2的变频系统2大功率器件2.1处于另一侧，控制模块3.1与变频系统2大功率器件2.1之间设置隔膜9；控制模块3.1上也存在一些大功率器件2.1，为了变频系统2的散热效率不受影响，将控制模块3.1用隔膜9隔开，还可设置一个散热风机3.3供控制模块3.1单独使用。柜体1内部升温容易导致柜体1升温，为了防止柜体1与空气加速反应，在柜体1表面涂上防腐防锈材料，减小合金材料的柜体1与空气的接触。进气口4安装风窗6，不仅可以便于调节风量，还可以避免系统在运行过程中吸入不明物体对系统造成危害，也可以防止老鼠等动物进入柜体1咬坏设备。采用单速风机的散热系统3中，控制模块3.1结构简单，控制模块3.1对单速风机的控制过程如下：设定安全值T3和缓冲值T4，当系统启动时，温度传感器3.4将检测到的热量转换成电信号传输到控制模块3.1，控制模块3.1通过判断后控制散热风机3.3的运行状态，步骤如下：

步骤1：启动系统；

步骤2：定时检测温度；

步骤3：判断温度是大于或等于T3，若温度大于或等于T3,则执行下一步，若温度小于T3，则回到步骤2；

步骤4：散热风机3.3启动运行；

步骤5：定时检测温度；

步骤6：判断温度是否小于或等于T4，若温度小于或等于T4，则执行下一步；若温度大于T4，则回到步骤5，

步骤7：关闭散热风机3.3，回到步骤2。

直到系统关闭，即总电源开关关闭，散热系统3停止运行，控制模块3.1对散热风机3.3的控制结束。

实施例3

本实施例公开了一种适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，作为本实用新型一种优选的实施方案，即实施例2中，柜体1上设置有三个散热风机3.3，一个设置于控制模块3.1所在位置的柜体1侧面，另外两个设置于柜体1后面，并且分别处于中间层1.1.2和底层1.1.3的位置；散热风机3.3处于所述散热器3.2的正对面，散热器3.2与散热风机3.3之间设置有气体导流罩7， 散热器3.2上还设置有热管8；柜体1上设置有至少一个双速风机。

变频系统2的大功率器件2.1被分布于中间层1.1.2和底层1.1.3，柜体1后面的散热风机3.3风别对中间层1.1.2和底层1.1.3的元器件散热，设置于侧面的散热风机3.3单独给控制模块3.1散热，提高了散热效率，保证了散热效果；控制模块3.1对每个散热风机3.3独立控制，使散热风机3.3相互之间不受影响，达到了节约 用电的效果；设置气体导流罩7，缩小了冷却气体在柜体1内的流动范围，规范了柜体1内热空气的流动方向，减短了冷却气体接受热量后从散热器3.2处流到散热风机3.3处的路程，进一步提高冷却效率，保证散热效果。热管8能增加散热器3.2的导热速度，增加了导热质量，进一步保证了元器件工作环境的安全性；双速风机的风速可以在高速和低速两个档位来回切换，可达到了节约用电的目的。控制模块3.1对单速风机的控制过程如下：设定温度值安全值T1、缓冲值T2、安全值T3、缓冲值T4，其中T1＞T2＞T3＞T4。当系统启动时，温度传感器3.4将检测到的热量转换成电信号传输到控制模块3.1，控制模块3.1通过判断后控制散热风机3.3的运行状态，步骤如下：

步骤1：启动系统；

步骤2：定时检测温度；

步骤3：判断温度是否大于或等于T3，若温度大于或等于T3，则执行下一步，若温度小于T3，则回到步骤2；

步骤4：判断温度是否大于或等于T1，若温度大于或等于T1，则执行下一步，若温度小于T1，则直接执行步骤9；

步骤5：散热风机3.3高速运行；

步骤6：定时检测温度；

步骤7：判断温度是否小于T3，若温度小于T3，则直接执行步骤12，若温度大于或等于T3，则执行下一步；

步骤8：判断温度是否小于或等于T2，若温度小于或等于T2，则直接执行下一步，若温度大于T2，则回到步骤6；

步骤9：散热风机3.3低速运行；

步骤10：定时检测温度；

步骤11：判断温度是否小于或等于T4，若温度小于或等于T4，则执行下一步，若温度大于T4，则回到步骤3；

步骤12：关闭散热风机3.3，回到步骤2。

直到系统关闭，即总电源开关关闭，散热系统3停止运行，控制模块3.1对散热风机3.3的控制结束。

Claims (9)

1.适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，包括柜体（1）、变频系统（2）和散热系统（3），其特征在于：

所述散热系统（3）包括散热器（3.2）和散热风机（3.3），以及用于控制散热风机（3.3）工作状态的控制模块（3.1）；

所述变频系统（2）包括若干个小功率器件（2.2）和若干个与散热器（3.2）接触的大功率器件（2.1）；

所述控制模块（3.1）上连接有若干个用于检测散热器（3.2）温度的温度传感器（3.4）；

所述柜体（1）内部有若干个柜层（1.1），变频系统（2）、控制模块（3.1）和散热器（3.2）设置于柜层（1.1）内，柜体（1）上设置有进气口（4）和排气口（5），散热风机（3.3）嵌入安装于排气口（5）中。

2.如权利要求1所述的适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，其特征在于：所述变频系统（2）的大功率器件（2.1）和小功率器件（2.2）分开设置于不同的柜层（1.1）内，控制模块（3.1）设置于大功率器件（2.1）所在的柜层（1.1）内，柜体（1）上、大功率器件（2.1）所在柜层（1.1）处设置有进气口（4）和排气口（5），排气口（5）中嵌入安装有散热风机（3.3）。

3.如权利要求1所述的适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，其特征在于：所述柜体（1）上设置有两个以上的散热风机（3.3），控制模块（3.1）对每个散热风机（3.3）独立控制。

4.如权利要求3所述的适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，其特征在于：所述散热风机（3.3）包括单速风机和/或双速风机。

5.如权利要求1所述的适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，其特征在于：控制模块（3.1）设置于柜体（1）内部的一侧，变频系统（2）设置于柜体（1）内部的另一侧，并且控制模块（3.1）与变频系统（2）之间设置有隔膜（9）。

6.如权利要求1所述的适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，其特征在于：所述柜体（1）由合金材料制成，且柜体（1）表面涂有防腐防锈材料。

7.如权利要求1所述的适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，其特征在于：所述进气口（4）中安装有与进气口（4）尺寸相对应的风窗（6）。

8.如权利要求1所述的适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，其特征在于：所述散热器（3.2）与所述散热风机（3.3）之间设置有气体导流罩（7）。

9.如权利要求1所述的适用于船舶电驱动变频柜的热管理结构，其特征在于：所述散热器（3.2）上还设置有热管（8）。

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