具有冷却布置的电力电子装置 【技术领域】
本发明涉及包括用于冷却电力电子器件的冷却布置的电力电子装置， 特别是变频器。 具体而言， 本发明涉及其电功率超过 10kW 并且可能达到甚至兆瓦的电力电子装 置。因此需要有效冷却， 以便保证装置的恰当工作。
对于许多应用， 最便利的冷却方法是通过一个或者多个风扇引起的气流进行冷 却。 在空气冷却的电力电子装置中， 也有各种风扇和冷却布置， 并且特定系统的要求取决于 装置设计所针对的应用。
背景技术
US 2006/0158847 A1 公开一种用于电子装置如变频器的冷却设备。 该冷却设备包 括单个径向扇。
US 2007/0258219 A1 公开一种具有适当数目的相邻风扇的空气冷却的电力电子 器件模块。发明内容
本发明的目的在于创建一种电力电子装置， 其具有尺寸紧凑并且噪声水平可接受 的、 允许相对有效冷却的新冷却布置。
本发明的目的由一种电力电子装置如变频器实现， 该装置包括 ： 容纳电力电子部 件的壳 ； 以及至少两个相邻轴向风扇， 连接到壳， 用于将气流从外界引入壳中， 以便冷却电 力电子部件。另外， 该装置具有从至少两个相邻轴向风扇之间向壳外延伸以便减少风扇所 致噪声的分割壁。
本发明提出一种具有尺寸紧凑并且噪声水平可接受的、 允许相对有效冷却的新冷 却布置的电力电子装置。
借助与电力电子装置的壳连接的轴向流风扇， 来实现紧凑尺寸和有效气流。这样 的大功率风扇通常有噪声， 但是噪声水平因装置的前述配置而减少却无碍于气流。
在无单独 AC 转换器的情况下， 常常也可以驱动这样的风扇， 这也有助于装置的紧 凑尺寸。
本发明的概念也允许若干提供进一步优点的有用和有利实施例。
根据一个实施例， 各相邻风扇具有外径 d， 并且分割壁在与气流的方向相反的方向 上向壳外延伸。在这一相反方向上， 分割壁延伸长度 l， 从而使得长度 l 在外径 d 的 50％与 100％之间， 比如在外径 d 的 60％与 80％之间。
根据一个实施例， 分割壁在与气流的方向垂直的方向上具有高度 h， 从而使得高度 h 在外径 d 的 50％与 300％之间， 比如在外径 d 的 100％与 200％之间。用于高度 h 的更加 受到限制的范围是在外径 d 的 120％与 170％之间， 并且用于许多应用的特别良好的值为外 径 d 的 150％或者约 150％。根据一个实施例， 分割壁与气流的方向基本上平行。
根据一个实施例， 相邻轴向风扇和分割壁都固接到壳的共同面。
根据一个实施例， 通过将至少一对所述相邻风扇设置为相对于彼此成角度 α 来 实现进一步降噪。
根据一个实施例， 角度 α 在 6 度与 50 度之间， 比如在 10 度与 20 度之间。
根据一个实施例， 风扇设置成使得离开该对所述相邻风扇的气流朝向彼此倾斜。
根据一个实施例， 相邻风扇的旋转轴基本上彼此汇合于远点， 从而使得可以在旋 转轴 8 之间测量角度 α。这是其中旋转轴沿着共同平面延伸的情况。
根据另一实施例， 相邻风扇的旋转轴并未彼此汇合， 而是相对于共同参考平面而 斜倾。 然后， 旋转轴相对于参考平面具有倾角 β， 并且可以在旋转轴在参考平面上的投影之 间测量角度 α。
根据一个实施例， 倾角 β 少于 5 度。
如根据上文公开内容清楚的那样， 本发明可以应用于需要冷却的大量各种应用 中。 附图说明
为了更完整理解本发明及其优点， 现在借助例子并且参照以下附图描述本发明， 其中 ：
图 1 呈现根据一个实施例的变频器 ；
图 2 呈现根据另一实施例的变频器 ；
图 3 呈现图 1 的变频器在一种可能构造中的横截面 ；
图 4 呈现图 1 的变频器在根据第一实施例的构造中的横截面 ；
图 5 是图 4 的变频器中的结构细节的示意图 ；
图 6A 和 6B 呈现图 1 的变频器在根据第二实施例的两种修改构造中的横截面 ；
图 7A 和 7B 是图 6A 和 6B 的变频器中的结构细节的示意图 ；
图 8 呈现图 1 的变频器在根据第三实施例的构造中的横截面 ；
图 9 呈现具有三个风扇的变频器的一个实施例 ；
图 10 呈现具有三个风扇的变频器的另一实施例 ；
图 11 呈现具有四个风扇的变频器的一个实施例 ；
图 12 呈现具有四个风扇的变频器的另一实施例 ；
图 13 呈现具有四个风扇的变频器的又一实施例 ； 并且
图 14 呈现具有三个风扇的变频器的又一实施例。 具体实施方式
图 1 呈现变频器的壳 1。该变频器在壳 1 内包括电力电子部件 ( 未示出 )， 这些部 件散热并且需要冷却。图 1 的变频器为空气冷却型。因此， 壳 1 的前面 2 限定充当空气入 口 3 的两个孔。图 1 也示出适配到空气入口 3 中用于吹动壳内的冷却空气的两个相邻风扇 4。图中的箭头描绘风扇 4 在它们操作时引起的空气移动。在图 1 的实施例中， 壳在它的背 面包括空气出口， 该出口位于相对于正面 2 而言的壳的相反端。然而壳 1 的背面在图中不可见。如果希望， 则也有可能将空气出口定位于壳的其它面。例如， 可以导引空气在壳内流 通并且经过在壳的正面 2 或者侧板的空气出口引向壳外。
风扇数目不受限制， 而是可以根据各变频器应用的要求来选择。图 2 示出一种这 样的修改， 其具有装配到壳 1 中的四个相邻风扇 4。
在根据实施例的变频器中， 功率耗散明显。变频器的电功率可以例如在 10kW 与 5MW 之间。于是， 在壳 1 内耗散的热功率可能很明显。为了借助空气冷却来有效地冷却电力 电子部件， 变频器具有充足数目的空气风扇 4。
根据实施例， 风扇 4 为轴向流动型。轴向气流风扇包括附着到中心轮轴的多个叶 片， 并且在操作中， 中心轮轴围绕旋转轴旋转， 其中叶片在气流未偏转的情况下， 使空气在 与旋转轴基本上平行的流向上流动。在本文件中， 风扇的方向是指这样的非偏转主要流向 的方向， 并且同时也是指旋转轴的方向。
根据实施例的风扇 4 本身功率也相对大， 以便实现经过壳 1 的必需气流。各风扇 4 的功率可以例如在 10W 与 1000W 之间。在功耗更高的装置中， 通常使用输入功率至少为 50W 的风扇 4。这样的风扇的例子包括输入功率为 67W 的 Papst 6314/2TDHHP 和输入功率 为 82W 的日本 Servo D1751S24B8ZP300。 噪声水平在这样的风扇操作时可以范围为 65dB 至 85dB。 在一个实施例中， 从在 10kW 与 500kW 之间选择变频器的电功率， 并且风扇 4 的输 入功率在 60W 与 200W 之间。
图 1 示出具有风扇 4 和空气入口 3( 占用壳 1 的正面区域的大部分 ) 的变频器的 一种紧凑布置。这有助于实现相对于壳 1 的尺寸而言的高冷却气流。一个弊端在于两个相 对高功率风扇 4 造成明显的噪声。
图 3 呈现根据本发明实施例的无降噪修改的根据图 1 的变频器的基本配置。图 3 是变频器的示意俯视横截面图， 该图示出壳 1、 电力电子部件 5、 空气入口 3、 两个相邻风扇 4 和在壳 1 的背面的空气出口 6。
在第一测试设置中， 当在如图 3 中所示变频器的基本构造中一次使用一个风扇 4 时测量噪声。 风扇之一是输入功率为 67W 的 Papst 6314/2TDHHP， 而另一风扇是输入功率为 82W 的日本 Servo D1751S24B8ZP300。发现当一次一个地操作风扇时， 在参考点测量的噪声 水平对于 Papst 6314/2TDHHP 风扇为 74.0dB 而对于日本 Servo D1751S24B8ZP300 风扇为 70.3dB。因此， 在同时操作两个相邻风扇 4 时， 图 3 的基本构造应当造成比上述值高约 3dB 的噪声水平。
图 4 呈现包括根据第一实施例的降噪布置的根据图 1 的变频器的示意俯视横截面 图。在第一实施例中， 相邻风扇 4 适配于斜倾布置， 使得主要气流方向朝向彼此倾斜。
图 5 更接近地示出图 4 的斜倾布置。图 5 示出风扇 4 和覆盖图 4 中所示空气入口 3 的栅栏 7。图 5 也描绘风扇 4 的旋转轴 8 和在轴之间的角度 α。因此， 风扇 4 被设置为相 对于彼此成角度 α。在图 5 的实施例中， 两个旋转轴 8 沿着图 5 中描绘的横截面的平面延 伸。角度 α 的方向使得旋转轴 8 朝向彼此倾斜。因此在图 5 中， 横截面的平面可适用于作 为用于限定角度的参考平面。然而， 也有如下实施例， 其中风扇 4 中的一个或者多个也可以 在垂直方向上斜倾， 因此需要限定用于这些角度的更一般性的参考平面。
一般而言， 用于这些角度的参考平面穿过风扇的中心轮轴， 并且跟随离开风扇的
空气的主要非偏转流向。空气的这样的主要流向当然在实际装置设置中有些为假想， 因为 壳 1 和其它环境因素总是至少在某一程度上引导气流。然而， 作为本领域技术人员的读者 将理解， 需要参考平面以便清楚地限定这些角度， 而不应当归于其它技术含义。
如根据上文讨论所清楚的那样， 风扇 4 也可以被适配成使得旋转轴 8 相对于参考 平面 ( 比如图 5 中的横截面平面 ) 成角度延伸。然后， 旋转轴 8 相对于参考平面限定角度 β。这一角度 β 与角度 α 正交并且可以针对各风扇 4 来个别地设置。因此， 在具有两个 风扇 4 的一个实施例中， 第一和第二风扇 4 分别具有第一和第二角度 β1 和 β2。在典型实 施例中， 角度 β1 和 β2 的绝对值基本上相等， 但是角度方向相反。角度 β1 和 β2 的绝对值 可以例如少于 10 度。更典型地， 角度 β1 和 β2 的绝对值少于 5 度。在角度 β1 和 β2 的绝 对值少于 2 度的情况下， 可以认为该实施例基本上对应于图 4 和图 5 的实施例。
在图 4 和图 5 中， 角度 α 为 10 度。一般而言， 角度 α 可以例如在 6 与 50 度之间。 在角度更少的情况下， 它不足以辅助降噪。另一方面， 更大角度从气流观点而言并非有益， 并且也导致壳 1 中的空间使用的低效。 当考虑到这些方面时， 有望针对多数应用， 可以在 10 度与 20 度之间的范围中发现用于角度 α 的良好值。
在对第二测试设置进行的测量中， 也发现约 10 度的角度对减少风扇的噪声有效 而无碍于冷却空气的流动。第二测试设置在其它方面对应于上述第一测试设置， 除了在相 邻风扇 4 的轴 8 之间有约 10 度的角度 α。角度 β1 和 β2 可忽略不计， 即少于 2 度。当同 时操作两个日本 Servo D1751S24B8ZP300 风扇时测量出 65.8dB 的噪声水平。因此， 在参考 点的噪声水平比在操作仅一个风扇 4 时低约 4.5dB。如果考虑到噪声水平在使用两个相同 风扇 4 而不是一个风扇时应当已经升高， 可以推断借助角度 α 实现明显降噪。
图 6A 呈现包括根据第二实施例的降噪布置的根据图 1 的变频器的示意俯视横截 面图。 在第二实施例中， 相邻风扇 4 适配于斜倾布置中使得主要气流方向朝向彼此倾斜。 此 外， 在相邻风扇 4 之间提供分割壁 9 以便分离出自风扇 4 的这些气流。在图 6A 中呈现的修 改中， 风扇 4 适配于壳 1 内。
图 6B 呈现变频器的示意俯视横截面图， 该变频器在其它方面与图 6A 的变频器类 似， 但是具有适配于壳 1 外的风扇 4。如图 6A 和 6B 中可见， 图 6B 中呈现的这一修改也允许 将壳 1 制造得更短， 因为无需在壳 1 内保留用于风扇 4 的空间。
图 7A 和图 7B 分别更接近地示出图 6A 和图 6B 的斜倾布置和分割壁 9。关于角度 和倾斜度， 第二实施例对应于上文相对于图 4 和图 5 已经描述的第一实施例。第二实施例 中的附加特征是在壳 1 外的两个相邻风扇 4 之间固接的分割壁 9。图 7A 和图 7B 也示出实 际风扇 4 适配到其中的风扇壳 14。各风扇壳 14 具有直径 d( 下文也称为风扇 4 的直径 ) 和 深度 a( 下文也称为风扇 4 的深度 )。
分割壁 9 在与空气的流动方向相反的方向上延伸长度 l。长度 l 在图 6A 和图 6B 的实施例中为 11cm。长度 l 是从风扇或者风扇壳 14( 如果有 ) 的最近边缘的水平面测量 的。 在长度太小的情况下， 分割壁 9 不足以辅助降噪。 另一方面， 太长的壁将占用太多空间， 并因此在以噪声低的紧凑结构为目标时将不可接受。在与图 6A 和图 6B 的实施例类似的实 施例中， 例如当风扇 4 的直径在 16cm 与 18cm 之间时， 可以在 8cm 与 16cm 之间选择长度 l。 如上文已经声明的那样， 风扇 4 的直径是指风扇壳 14 的外径， 该外径对于上述两类风扇类 型而言约为 17cm。更一般而言， 分割壁 9 的长度 l 可以选择成在风扇壳 14 的外径的 20％与 130％之 间。有望对于多数应用而言， 可以在风扇壳 14 的外径的 30％与 60％之间的范围中发现用 于长度 l 的良好值。可以根据应用的需要来选择风扇壳本身的外径。典型外径可以范围例 如在 15cm 与 40cm 之间。
一种用于更一般性地限定分割壁 9 的长度 l 的替代方式为参照风扇壳 14 的深度 a。按照这一方式的定义， 分割壁 9 的长度 l 可以选择成在风扇壳 14 的深度 a 的 50 ％与 400％之间。预计对于多数应用而言， 可以在风扇壳 14 的深度的 80％与 200％之间的范围 中发现用于长度 l 的良好值。典型深度可以范围例如在 4cm 与 15cm 之间。
当设计分割壁 9 的长度时， 应当注意形成壁的实际部件比图 6B 和图 7B 中所示实 施例中的上述长度 l 更长。这是因为长度 l 是从风扇壳 14 的边缘 ( 如图 7B 中所示 ) 而不 是从分割壁 9 在图 6B 和图 7B 的实施例中所固接到的前板测量的。
分割壁 9 的另一参数为它在与长度 l 垂直的方向上的高度 h。高度 h 可以例如选 择成在风扇壳的外径的 50％与 300％之间。有望对于多数应用而言， 可以在风扇壳的外径 的 100％与 200％之间的范围中发现用于高度 h 的良好值。用于许多应用的特别好的值为 外径 d 的 150％或者约 150％。 分割壁 9 由充分硬的材料如金属或者硬塑料制成， 并且在它不含允许气流彼此干 扰的孔的意义上而言， 优选为统一的。
发现在相邻风扇之间使用分割壁 9 对于根据第二实施例的装置设置而言， 进一步 减少噪声水平。通过测量第三测试设置发现， 该第三测试设置在别的方面对应于上述第一 测试设置， 但不同之处在于在相邻风扇 4 的轴 8 之间的角度 α 约为 10 度并且在风扇 4 之 间的分割壁 9 的长度 l 为 11mm。角度 β1 和 β2 可忽略不计， 即少于 2 度。当同时操作两 个日本 Servo D1751S24B8ZP300 风扇时测量到 65.6dB 的噪声水平。 当同时使用两个 Papst 6314/2TDHHP 风扇时， 测量的噪声水平在相同参考点为 68.4dB。因此， 对于两个同时操作的 Papst 风扇， 这一实施例相对于在这样的风扇中的仅一个接通时进行的测量而言， 给出约 5.6dB 的降噪。
当在第四测试设置中测量噪声时也发现相邻风扇之间的分割壁 9 有效， 该第四 测试设置在其它方面依据上述测试设置， 但是仅依赖于分割壁 9 作为降噪手段。分割壁 9 由塑料制成， 并且它的长度 l 为 10cm。角度 α、 β1 和 β2 可忽略不计。当同时操作两个 日本 Servo D1751S24B8ZP300 风扇时测量到 70.9dB 的噪声水平。当同时使用两个 Papst 6314/2TDHHP 风扇时， 测量的噪声水平在相同参考点为 74dB。因此可见， 获得了降噪， 因为 噪声水平并未增加约 3dB， 该增加是在作为参考而使用的第一测试设置的背景中预计的增 加。
因此， 表明可以借助分割壁来获得进一步降噪。即使分割壁的效果不如角度 α 的 效果那么大， 至少在变频器 ( 其中噪声水平是关键的并且壳 1 可以容易地容纳分割壁 ) 的 这样的应用中提供分割壁仍然是合理的。分割壁本身并不昂贵， 并且由于它无碍于冷却气 流， 所以它是一种在这样的应用中使用的合理且安全的措施。因此在图 8 中也示出又一实 施例， 其中图 3 中所示变频器的基本构造具有如上文相对于图 6 和图 8 描述的分割壁。
当然可以用各种方式修改上述实施例。
例如， 风扇 4 的数目可以根据应用的需要而变化。图 2 示出具有四个风扇的变频
器。 在这样的配置中， 有可能成对安装风扇， 例如使得两个左侧风扇如上文所述朝向彼此倾 斜， 而两个右侧风扇也相应地斜倾。如果希望， 则可以在相邻风扇之间提供分割壁。当有数 目为偶数的风扇并且该配置允许将它们视为成对时， 可以允许相同过程。在数目为奇数的 风扇或者风扇未成对的情况下， 有可能的是根据上述实施例安装仅一些风扇 4， 而其余风扇 在未使用上述降噪手段的情况下独自作用。
也有可能的是， 例如三个风扇在三角形配置中都朝向彼此倾斜。图 9 是这样的三 角形配置的示意图， 其中三个风扇 4 都朝向虚线所示共同假想中心轴 10 倾斜。图 9 也示出 将在这样的配置中使用的分割壁 9 的一种可能构造。分割壁 9 由图中所示三个板形成。
图 10 示出一个实施例， 其中三个风扇 4 相邻地放置成行。三个风扇 4 可以放置成 例如使得左侧和右侧风扇朝向处于中心的风扇倾斜。假想中心轴 ( 未示出 ) 与在中心处的 风扇的旋转轴重合， 并且在左侧和右侧的风扇朝向共同假想中心轴倾斜。倾斜角度和其它 参数一般可以按照上文结合其它实施例描述的参数。 也有可能如图中所示在风扇之间提供 分割壁 9。
图 11 描绘一个实施例， 其中前板已经划分成四个弯曲前板 13， 对应数目的风扇 4 已经适配到该四个弯曲前板。所有四个风扇 4 可以朝向虚线所示共同假想中心轴 10 倾斜。
图 12 描绘了一个实施例， 其中前板已经划分成四个直的前板 13， 这些前板适配成 彼此成角度关系。如图 12 中所示， 有固接到四个前板 13 中的各前板的风扇 4。在这一实施 例中， 风扇壳 14 可以固接到前板 13， 而在风扇壳 14 与前板 13 之间无角度， 并且仍然有可能 借助前板 13 之间的角度来实现风扇 4 之间的角度关系。也在这一实施例中， 即使并非必须 但也有可能朝向共同假想中心轴 10 倾斜所有四个风扇 4。
图 13 描绘在其它方面与图 12 的实施例相同但是在装置前面具有分割壁 9 的一个 实施例。
图 14 描绘一个实施例， 其中前板已经依次划分成三个直的前板 13。 风扇 4 固接到 前板 13 的外表面， 并且在风扇 4 与关联前板 13 之间无角度。该实施例在第一与第二风扇 4( 从图 14 的左侧计数 ) 之间具有分割壁 9 和在第二与第三风扇 4( 同样从图 14 的左侧计 数 ) 之间具有角度 α。因此， 通过在第二与第三风扇 4 之间的角度 α 和在第一与第二风扇 4 之间的分割壁 9 来降噪。如图 14 中可见， 第一和第二风扇 4 以方向与在降噪中使用的角 度 α 相反的角度来设置， 因此在这些风扇之间提供分割壁 9。然而， 由于借助角度 α 来降 噪， 在第二与第三风扇 4 之间无分割壁 9， 而通过分割壁 9 的任何进一步降噪并非必需。另 外， 在第二与第三风扇 4 之间的分割壁 9 将从装置的正面向外延伸、 因此增加装置的外部尺 度。
也在图 11 至图 14 的实施例中， 倾斜角度和其它参数一般可以按照上文结合其它 实施例描述的参数。
如图 11 至图 13 中可见， 该装置可以包括放置于两个相邻行中的四个风扇， 从而使 得各风扇 4 与两个风扇 4( 一个在相同行中而另一个在相邻行中 ) 形成配对。另外， 这样的 各配对可以具有设置为相对于彼此成角度 α 的风扇 4， 其中角度 α 如上文结合其它实施例 所述。这样的装置当然可以例如包括以相同方式设置的六个或者八个风扇。
图 13 也示出如上文所述包括放置于两个相邻行中的四个风扇的装置也具有用于 各所述风扇的配对的分割壁。如图 11 至图 14 中可见， 装置的壳 1 可以包括具有至少两个相邻前板 13 的正面 2。 另外， 至少两个相邻前板 13 中的各前板具有与之固接的至少一个风扇 4， 并且前板 13 设置 成相对于彼此成角度。同样， 角度 α 如上文结合其它实施例所述。
图 13 和图 14 也示出如上文所述包括具有至少两个相邻前板 13 的正面 2 的装置 也具有在所述至少两个相邻前板 13 之间固接的分割壁 9。
在相邻风扇 4 之间的最小距离通常在风扇 4 的直径 d 的 20％与 100％之间。一般 而言， 在相邻风扇 4 之间的最小距离可以设计成少于直径 d 的 200％。 在相邻风扇具有不同 直径的情况下， 可以基于具有更小直径的风扇 4 的直径来计算最小距离。
上文描述仅为了举例说明本发明， 而并非限制权利要求书所赋予的保护范围。权 利要求书还将覆盖其等效含义而不应按照字面加以理解。