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CN116075120A - 组合式液体和空气冷却的功率电子组件 - Google Patents

组合式液体和空气冷却的功率电子组件 Download PDF

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CN116075120A CN202211353572.9A CN202211353572A CN116075120A CN 116075120 A CN116075120 A CN 116075120A CN 202211353572 A CN202211353572 A CN 202211353572A CN 116075120 A CN116075120 A CN 116075120A
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L·莫汉塔
K·鲍里索夫
I·阿吉尔曼
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Abstract

本发明涉及一种组合式液体和空气冷却的功率电子组件，具体而言，涉及一种功率电子组件，其包括一个或多个功率电子装置，以及热交换器，一个或多个功率电子装置安装到该热交换器。热交换器包括热交换器主体和延伸通过热交换器主体的一个或多个流体通路，该热交换器被配置为将热能从一个或多个功率电子装置传递到通过一个或多个流体通路的流体的流中。多个翅片从热交换器主体的外表面延伸。流体的流是从加热、通风和空调(HVAC)系统的冷凝器转移的液体制冷剂的流。

Description

组合式液体和空气冷却的功率电子组件
技术领域
示例性实施例涉及热交换器领域，并且更具体地涉及用于冷却功率电子装置的热交换器。
背景技术
诸如马达驱动器之类的功率电子装置在装置运行期间会产生废热。此外，当功率电子装置升温时，装置的运行效率会降低，从而增加产生的热量。当在制冷系统中用于驱动例如制冷系统的压缩机时，这些装置的有效热集成可能是对于系统整体效率和可靠性的重要方面。因此，系统集成商的目标是将这些部件保持在将最大化系统效率的操作温度范围内。一种集成冷却方式是从制冷系统提供制冷剂以冷却功率电子装置。但是，当你启动或关闭制冷系统时，可能没有足够的液体循环来冷却功率电子装置，这可能会导致启动/关闭期间的过热。缓解此问题的一种方式是提供专用泵以确保在这些时间期间有液体可用，但这是一种昂贵的解决方案。因此，在本领域中仍然需要一种更有效的解决方案来为功率电子装置提供集成冷却，其确保或至少减轻启动/关闭期间的过热。
发明内容
在一个实施例中，功率电子组件包括一个或多个功率电子装置，以及热交换器，一个或多个功率电子装置安装到该热交换器。热交换器包括热交换器主体和延伸通过热交换器主体的一个或多个流体通路，该热交换器被配置为将热能从一个或多个功率电子装置传递到通过一个或多个流体通路的流体的流中。多个翅片从热交换器主体的外表面延伸。流体的流是从加热、通风和空调(HVAC)系统的冷凝器转移的液体制冷剂的流。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，一个或多个功率电子装置固定到热交换器主体的第一外表面，并且多个翅片从热交换器主体的不同于第一外表面的第二外表面延伸。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，第二外表面与第一外表面相对。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，热交换器主体由固定在配合表面处的两个或更多个板形成。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，每个板包括一个或多个流体通路的一部分。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，一个或多个功率电子装置包括加热、通风和空调(HVAC)系统的变频驱动器。
在另一实施例中，功率电子组件包括一个或多个功率电子装置，以及包括两个或更多个壳体壁以部分地包围一个或多个功率电子装置的壳体。两个或更多个壳体壁中的壳体壁被配置为热交换器。热交换器包括热交换器主体和延伸通过热交换器主体的一个或多个流体通路，该热交换器被配置为将热能从一个或多个功率电子装置传递到通过一个或多个流体通路的流体的流中。多个翅片从热交换器主体的外表面延伸。流体的流是从加热、通风和空调(HVAC)系统的冷凝器转移的液体制冷剂的流。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，一个或多个功率电子装置固定到热交换器主体的第一外表面，并且多个翅片从热交换器主体的不同于第一外表面的第二外表面延伸。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，第二外表面限定壳体的外表面。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，第二外表面与第一外表面相对。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，热交换器主体由固定在配合表面处的两个或更多个板形成。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，每个板包括一个或多个流体通路的一部分。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，一个或多个功率电子装置包括加热、通风和空调(HVAC)系统的变频驱动器。
在又另一实施例中，冷却一个或多个功率电子装置的方法包括将一个或多个功率电子装置固定到热交换器，该热交换器包括一个或多个流体通路和多个翅片。使流体的流循环通过一个或多个流体通路以将热能从一个或多个功率电子装置传递到通过一个或多个流体通路的流体的流。热能通过从热交换器的外表面延伸的多个翅片从热交换器消散。流体的流是从加热、通风和空调(HVAC)系统的冷凝器转移的液体制冷剂的流。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，一个或多个功率电子装置固定到热交换器主体的第一外表面，并且多个翅片从热交换器主体的不同于第一外表面的第二外表面延伸。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，第二外表面与第一外表面相对。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，热交换器主体由固定在配合表面处的两个或更多个板形成。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，每个板包括一个或多个流体通路的一部分。
附加地或替代地，在该或其他实施例中，一个或多个功率电子装置包括加热、通风和空调(HVAC)系统的变频驱动器。
附图说明
以下描述不应被视为以任何方式进行限制。参考附图，相似的元件相似地编号：
图1是功率电子组件的实施例的图示；
图2是加热、通风和空调(HVAC)系统的实施例的图示；
图3是功率电子组件的热交换器的实施例的图示；
图4是热交换器的实施例的剖视图；并且
图5是封闭功率电子组件的实施例的透视图。
具体实施方式
在此参考附图以示例而非限制的方式呈现了所公开的装置和方法中的一个或多个实施例的详细描述。
图1中示出了功率电子组件10的实施例。功率电子组件10包括安装到热交换器14的一个或多个功率电子装置12，该热交换器14用于排出和消散由功率电子装置12在操作期间产生的热能。在一些实施例中，功率电子装置12包括可操作地连接到加热、通风和空调(HVAC)系统18的压缩机16的变频驱动器(VFD)。
参考图2，HVAC系统18包括例如蒸汽压缩回路70，该蒸汽压缩回路70包括压缩机16、冷凝器72、膨胀装置74和蒸发器76，它们串联布置并具有流动通过其的一定体积的制冷剂。功率电子组件10连接到蒸汽压缩回路70，使得离开冷凝器72的液体制冷剂的流的一部分被转移通过热交换器14，绕过膨胀装置74并且从热交换器14被引导到蒸发器76。来自冷凝器72的液体制冷剂吸收由功率电子装置12产生的热能。由功率电子装置12产生的这种热能可以使通过热交换器14的制冷剂沸腾，从而将制冷剂的相在热交换器14内从液体改变为蒸气。
现在参考图3，更详细地示出了示例性热交换器14。如所示，热交换器14包括多个延伸通过其的封闭流体通路20，使得诸如例如制冷剂、乙二醇或水的流体22的流能够在其中流动。流体通路20在流体22的流通过其进入热交换器14的热交换器入口26和流体22的流通过其离开热交换器14的热交换器出口24之间延伸。热交换器入口26通过入口歧管30连接到流体通路20以将流体22的流分配到流体通路20，并且类似地，热交换器出口24通过出口歧管28连接到流体通路20。紧邻入口歧管30的下游，提供有随着与热交换器入口26的距离增加而增加的不同直径的孔口80以将来自入口歧管30的流体22的流在所有流体通路20之间平均分配。下文中描述的增强特征将是在各个孔口80下游的流体通路20中。
在一些实施例中，热交换器14由金属材料形成，例如铝、铝合金、钢、钢合金、铜、铜合金等，并且再次参考图1，可以由两个或更多个沿一侧邻接并使用诸如铜焊、焊接、夹紧、压缩、螺栓连接等任何合适的方式接合的板32,34形成。板32,34可各自包括形成在其中的流体通路20、入口歧管30、出口歧管28、热交换器入口26和/或热交换器出口24的一部分。板32,34的配合表面可以构造成彼此对应，例如，装配在一起并密封它们之间的流体回路。板32,34的配合表面可以包括由具有高度精确和精密尺寸控制的工艺形成的精密表面，例如通过计算机数控(CNC)机加工工艺和/或净形状、或近净形状制造工艺。可选地或附加地，密封材料可以设置在板32,34之间以帮助防止从流体回路泄漏。
在操作中，流体22的流(来自冷凝器72的液体制冷剂)在热交换器入口26处进入热交换器14，并通过入口歧管30分配到流体通路20。热交换器14传导来自功率电子装置12的热能，并且热能与流过流体通路20的流体22的流交换，导致功率电子装置12的冷却。流体22的蒸气流然后在出口歧管28处收集并在热交换器出口24处离开热交换器14。
在本公开中，公开了热交换器14的改进热交换器14的性能的特征，其中许多是改进流体22的流(来自冷凝器72的制冷剂)的沸腾性能的特征。提供给热交换器14的流体22的流可以从冷凝器72转移，并且在一些实施例中以具有0％蒸气质量或高达20％蒸气质量的液相进入热交换器14。当前公开的热交换器14可被操作以确保离开热交换器14的流体22的流的蒸气质量具有约25％至约80％的蒸气质量，或在另一实施例中为约40％至约60％，或在另一实施例中为约45%至约55%，或约50%。当来自功率电子装置12的热量被流吸收并用于在从热交换器入口26行进到热交换器出口24时液体制冷剂至蒸汽的相变时，发生蒸汽质量变化。
如图4和5中所示，功率电子装置12可以固定到热交换器14的第一侧面(lateralside，有时也称为横向侧)36，并且多个翅片38可以从热交换器14的与第一侧面36相对的第二侧面40延伸。多个翅片38从第二侧面40向外延伸并且有助于经由通过多个翅片38的气流从功率电子装置12和热交换器14散发热量。
功率电子装置12被封装在壳体42中，该壳体42具有至少部分地包围功率电子装置12的多个壳体壁44。至少一个壳体壁44可以被配置为热交换器14，具有嵌入在壳体壁44中的流体通路20和从外部壳体壁表面46向外延伸的多个翅片38。用作壳体壁44的热交换器14可以允许热交换器14不仅用作用于安装功率电子装置的结构元件，而且用作壳体42的部件。该配置可以确保第二侧面40和多个翅片38暴露于环境空气并且当未建立通过多个流体通路20的流体22的流时通过自然对流排出热量，例如在系统启动或关闭期间。此外，在多于一个壳体壁44被配置为热交换器14的配置中，用于散热的表面积可以大大增加。
通过将一个或多个壳体壁44配置为热交换器14，功率电子组件10的成本可以通过消除分离器壳体壁来降低，并且由于改进的冷却性能和流体22的流在热交换器14中的沸腾改进了组件10的体积和性能。
术语“约”旨在包括与基于提交申请时可用的装置的特定量测量相关的误差程度。
本中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本公开。如本文所用，单数形式“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包括有”指定了所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素部件和/或其组。
尽管已经参考一个或多个示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等效物代替其元件。此外，在不背离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，旨在本公开不限于作为构想用于实施本公开的最佳模式所公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (19)

1. 一种功率电子组件，包括：
一个或多个功率电子装置；和
热交换器，所述一个或多个功率电子装置安装到该热交换器，所述热交换器包括：
热交换器主体；
一个或多个流体通路，其延伸通过所述热交换器主体，所述热交换器被配置为将热能从所述一个或多个功率电子装置传递到通过所述一个或多个流体通路的流体的流中；和
多个翅片，其从所述热交换器主体的外表面延伸；
其中，所述流体的流是从加热、通风和空调(HVAC)系统的冷凝器转移的液体制冷剂的流。
2.根据权利要求1所述的功率电子组件，其中，所述一个或多个功率电子装置固定到所述热交换器主体的第一外表面，并且所述多个翅片从所述热交换器主体的不同于所述第一外表面的第二外表面延伸。
3.根据权利要求2所述的功率电子组件，其中，所述第二外表面与所述第一外表面相对。
4.根据权利要求1所述的功率电子组件，其中，所述热交换器主体由固定在配合表面处的两个或更多个板形成。
5.根据权利要求4所述的功率电子组件，其中，每个板包括所述一个或多个流体通路的一部分。
6.根据权利要求1所述的功率电子组件，其中，所述一个或多个功率电子装置包括加热、通风和空调(HVAC)系统的变频驱动器。
7.一种功率电子组件，包括：
一个或多个功率电子装置；
壳体，其包括两个或更多个壳体壁以部分地包围所述一个或多个功率电子装置；
其中，所述两个或更多个壳体壁中的壳体壁被配置为热交换器，所述热交换器包括：
热交换器主体；和
一个或多个流体通路，其延伸通过所述热交换器主体，所述热交换器被配置为将热能从所述一个或多个功率电子装置传递到通过所述一个或多个流体通路的流体的流中；和
多个翅片，其从所述热交换器主体的外表面延伸；
其中，所述流体的流是从加热、通风和空调(HVAC)系统的冷凝器转移的液体制冷剂的流。
8.根据权利要求7所述的功率电子组件，其中，所述一个或多个功率电子装置固定到所述热交换器主体的第一外表面，并且所述多个翅片从所述热交换器主体的不同于所述第一外表面的第二外表面延伸。
9.根据权利要求7所述的功率电子组件，其中，所述第二外表面限定所述壳体的外表面。
10.根据权利要求8所述的功率电子组件，其中，所述第二外表面与所述第一外表面相对。
11.根据权利要求7所述的功率电子组件，其中，所述热交换器主体由固定在配合表面处的两个或更多个板形成。
12.根据权利要求11所述的功率电子组件，其中，每个板包括所述一个或多个流体通路的一部分。
13.根据权利要求7所述的功率电子组件，其中，所述一个或多个功率电子装置包括加热、通风和空调(HVAC)系统的变频驱动器。
14.一种冷却一个或多个功率电子装置的方法，包括：
将所述一个或多个功率电子装置固定到热交换器，所述热交换器包括一个或多个流体通路和多个翅片；
使流体的流循环通过一个或多个流体通路以将热能从所述一个或多个功率电子装置传递到通过所述一个或多个流体通路的流体的流；并且
通过从所述热交换器的外表面延伸的多个翅片使热能从所述热交换器消散；
其中，所述流体的流是从加热、通风和空调(HVAC)系统的冷凝器转移的液体制冷剂的流。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个功率电子装置固定到所述热交换器主体的第一外表面，并且所述多个翅片从所述热交换器主体的不同于所述第一外表面的第二外表面延伸。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二外表面与所述第一外表面相对。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括由固定在配合表面处的两个或更多个板形成所述热交换器主体。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，每个板包括所述一个或多个流体通路的一部分。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述一个或多个功率电子装置包括加热、通风和空调(HVAC)系统的变频驱动器。
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