УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ УЗЕЛ РАДИАТОРА
UPDATED RADIATOR ASSEMBLY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к транспортным средствам, в которых используются электронные устройства высокой мощности, требующие применения систем охлаждения, а более конкретно к узлу радиатора для уменьшения забивания путей прохождения воздуха.
Уровень техники
Локомотивы и родственные транспортные средства снабжены силовой электроникой, в системе охлаждения которой используют реберные радиаторы, предназначенные для содействия рассеиванию тепла. Такие радиаторы охлаждают посредством принудительной подачи воздуха. В используемых ранее конструкциях радиаторов применяют обычные реберные устройства с одинаковыми расстояниями. Количество ребер и расстояние между ними, а также форма и размер ребер определяют способность радиатора к охлаждению. Примером радиатора, который в настоящее время используют в локомотивах, является радиатор, разработанный компанией Aavid Thermalloy.
В некоторых случаях поток воздуха направляют таким образом, чтобы он проходил через радиатор. Такие конструкции могут быть восприимчивы к забиванию переносимыми по воздуху твердыми загрязнениями, например частицами дыма или копоти дизеля, пыли, грязи и т.д. При забивании эффективность радиатора резко падает, что приводит к слабому охлаждению силовой электроники и к повышенным степеням повреждений вследствие чрезмерных температур, воздействию которых может быть подвергнута электроника.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к усовершенствованному радиатору для уменьшения блокирования пути прохождения воздуха внутри такого радиатора. С этой целью раскрыта система охлаждения для охлаждения силовой электроники на локомотиве, при этом система охлаждения включает в себя реберный радиатор, который имеет проходящий через него впускной канал для прохождения воздуха для достижения множества ребер при уменьшении забивания множества ребер переносимыми по воздуху загрязнениями. Радиатор содержит обходную зону, не имеющую ребер на участке, где ожидается прохождение загрязнений через указанные ребра, поворотную направляющую, которая направляет воздух между указанными ребрами в определенном месте, реберную структуру для уменьшения блокирования, по меньшей мере, на одном ребре из указанных ребер и/или ребра, расположенные непосредственно вблизи во впускном канале для прохождения воздуха.
Еще в одном предпочтительном варианте раскрыт узел радиатора, который минимизирует забивание пути прохождения воздуха, вызываемое загрязнениями. Узел содержит основание, определяющее два размера радиатора, и множество ребер, прикрепленных к основанию и проходящих от него. Узел дополнительно включает в себя впускной канал для прохождения воздуха, через который проходит воздух для достижения множества ребер. Узел включает в себя обходную зону, не имеющую ребер на участке, где ожидается прохождение загрязнений через указанные ребра, поворотную направляющую, которая направляет воздух между указанными ребрами в определенном месте, реберную структуру для уменьшения блокирования, по меньшей мере, на одном ребре из указанных ребра и/или ребра, расположенные непосредственно вблизи во впускном канале для прохождения воздуха.
Краткое описание чертежей
Более конкретное описание изобретения, кратко представленного выше, будет выполнено посредством ссылки на конкретные варианты его осуществления, которые приведены на прилагаемых чертежах. Следует понимать, что эти чертежи изображают только типичные варианты осуществления изобретения и поэтому не предназначены для ограничения его объема, изобретение будет описано и разъяснено с указанием дополнительной специфики и подробностей посредством использования прилагаемых чертежей, на которых:
фиг.1 представляет собой взятый в качестве примера вид известного корпуса с известным реберным радиатором;
фиг.2 представляет собой взятый в качестве примера вариант выполнения реберного радиатора в поперечном сечении, иллюстрирующий центральную обходную зону;
фиг.3 представляет собой взятый в качестве примера вариант выполнения направляющих лопаток внутри корпуса, удерживающего реберный радиатор;
фиг.4 представляет собой вид сверху взятого в качестве примера варианта выполнения реберного радиатора в корпусе, при этом сплошная разделительная стенка корпуса удалена;
фиг.5 представляет собой вид сверху взятого в качестве примера варианта выполнения реберного радиатора внутри корпуса, при этом радиатор расширен в зону впускного канала;
фиг.6 представляет собой подробный вид переходного уплотнения между тепловым ребром и корпусом;
фиг.7 представляет собой радиатор внутри корпуса, при этом корпус не имеет разделительных стенок;
фиг.8 представляет собой взятые в качестве примера конструкции переднего края ребра радиатора;
фиг.9 представляет собой взятые в качестве примера варианты осуществления различных компоновок ребер;
фиг.10 представляет собой взятый в качестве примера известный вариант разделения ребер для обеспечения опоры ребрам;
фиг.11(а) и 11(b) представляют виды взятого в качестве примера варианта выполнения ребер, имеющих изменяющуюся длину;
фиг.12 представляет собой вид сверху взятого в качестве примера варианта осуществления ребер, которым придан определенный контур.
Подробное описание изобретения
Далее со ссылками на чертежи будут описаны взятые в качестве примера варианты осуществления изобретения. Однако следует отметить, что хотя в настоящем изобретении описаны различные новые идеи или усовершенствования, которые могут быть использованы в системе с радиатором, эти усовершенствования могут быть использованы по отдельности при одиночном применении, либо различные сочетания, включающие сразу все варианты, могут быть использованы совместно. При этом описанные здесь варианты, взятые в качестве примера, не следует рассматривать как отдельные изобретения, поскольку они также могут быть использованы совместно.
На фиг.1 представлен обычный радиатор, который в настоящее время используют для охлаждения силовой электроники в локомотиве. Радиатор 10 расположен в корпусе 12, который направляет поток 13 воздуха через этот радиатор 10. Радиатор 10 удерживают в определенном положении посредством его расположения между двумя сплошными разделительными стенками 27, отделяющими этот радиатор от впускных каналов 19 для потока воздуха. Радиатор 10 имеет ребра 14, посредством которых направляют поток воздуха. Когда поток 13 воздуха проходит через корпус хотя бы по каналам для впуска потока воздуха или проходным путям 19 и на него воздействуют изгибы 15 в корпусе 12, более тяжелые загрязнения будут принудительно выходить наружу от радиуса изгиба и наталкиваться на центр 17 поверхности 18 радиатора, где сходятся два впускных пути. Это явление дополнительно контролируют посредством испытания радиатора 10 на всасывание загрязнений воздухом. Как только забивание загрязнениями начинается в центре 17 радиатора, такое забивание далее продолжает расти по поверхности 18 радиатора.
На фиг.2 представлен взятый в качестве примера вариант выполнения реберного радиатора в поперечном сечении, иллюстрирующий центральную обходную зону. Посредством создания в радиаторе 10 по его центру обхода 20 будет создан открытый канал 20 через центр ребер 14 радиатора, который позволяет загрязнениям проходить через радиатор 10 без осаждения на впускную поверхность 18 радиатора 10. Для компенсации удаления ребер 14 общий размер радиатора 10 изменяют по всей его ширине, по высоте ребер, длине, а также в отношении количества ребер для обеспечения эквивалентной тепловой характеристики по сравнению с первоначальным радиатором. Это достигают посредством постоянного расстояния между ребрами 14 и большего расстояния в обходной зоне 20 либо посредством постепенного увеличения расстояния между ребрами 14 по направлению к центру 17 радиатора 10. Специалисты в данной области техники легко поймут, что в зависимости от того, куда направлен поток воздуха и где следует ожидать наибольшую концентрацию осаждаемых загрязнений, обходная зона 20 необязательно должна находиться в центре 17 поверхности 18, а может быть расположена там, где ожидается наивысшая концентрация загрязнений.
На фиг.3 в качестве примера представлен вариант выполнения направляющих лопаток, закрепленных внутри корпуса, который удерживает реберный радиатор. Введение в корпус лопаток 25, обеспечивающих поворот, может дополнительно повысить эффективность описанной выше компоновки с обходом. Эти лопатки 25 могут быть использованы для более точного управления количеством и определенной частью потока 13 воздуха, которая будет отклонена через обход 17. Обеспечивающие поворот лопатки 25 направляют более тяжелые загрязнения к большему отверстию так, чтобы задержать первоначальное забивание и/или избежать его. Хотя показано только две лопатки 25, может быть использовано множество лопаток 25.
Как описано выше, представленный радиатор 10 устанавливают в пределах двух сплошных разделительных стенок 27, которые действуют так, чтобы расположить радиатор 10 с обеспечением прохождения потока 13 воздуха. Дополнительные идеи, касающиеся компоновки радиатора 10, могут быть применены для увеличения объема радиатора 10 без увеличения его общего размера и/или веса. Увеличение объема обеспечивает возможность удаления/перемещения ребер 14, что, в свою очередь, обеспечивает возможность увеличения зазора между ребрами без видимой соответствующей потери в отношении площади теплообмена.
На фиг.4 и 5 представлена предлагаемая конструкция с двумя альтернативными подходами. Более конкретно, на фиг.4 представлен вид сверху взятого в качестве примера варианта выполнения реберного радиатора внутри корпуса 12, при этом сплошная разделительная стенка корпуса удалена. В этом варианте, взятом в качестве примера, разделительные стенки 27 удалены. В представленном варианте наружные ребра радиатора могут быть выполнены более толстыми, чем внутренние ребра, так, чтобы обеспечить дополнительную конструктивную опору и/или увеличить скорость отвода тепла системы охлаждения.
На фиг.6 представлен подробный вид переходного уплотнения между ребром для отвода тепла и корпусом. Стенки 27 удалены, за исключением наклонной части 31 у конца корпуса 12, которую обеспечивают так, чтобы иметь переходное уплотнение между радиатором 10 и узлом 12, включающим в себя впускной канал 19 для потока воздуха и привариваемую деталь 33. Кроме того, в корпусе 12 расположен паз 35 с ребром для содействия легкому расположению и применению уплотнительного элемента 37, например прокладки, причем предпочтительно с находящимся на одной стороне адгезивом, восприимчивым к действию давления, хотя может быть использован любой уплотнительный материал.
Радиатор 10 выполняют с наружным сплошным ребром 14, которое имеет радиус сопряжения с наклонной частью 31 и соответствующую толщину, чтобы установить его в паз 35 с ребром, и сжимает прокладку 37, проходящую по длине ребра 14. С помощью такого средства радиатор 10 заменяет первоначальный разделитель 27.
Хотя для обеспечения уплотнения между радиатором и основанием предложены переходное уплотнение и наклонная часть, специалистам в данной области техники будет понятно, что для получения такого же соединения возможны другие варианты, в которых ребра 14 радиатора находятся в тепловой связи с основанием. Например, ребра 14 с их прямоугольной формой могут иметь конец, который проходит к привариваемой детали. Аналогично, ребра 14, которые могут быть расположены в канале 19 для впуска потока воздуха, также могут находиться в тепловой связи с каналом 19.
Кроме того, для сохранения постоянного падения давления для обеспечения разделения воздуха по многим параллельным радиаторам предусмотрен управляемый ограничительный элемент 40. Как показано на фиг.7, ограничительный элемент 40 крепят к корпусу 12 узла. Специалисты в данной области техники легко поймут, что если корпус не используют, то этот элемент может составлять часть радиатора. Этот элемент 40 используют для управления падением давления на радиаторе 10 и/или для регулирования этого падения давления благодаря увеличивающимся расстояниям между ребрами 14. Кроме того, что касается корпуса 12, то предусмотрено отверстие 41 для доступа (которое не видно, но место (места) расположения указано стрелками 41 на фиг.7) для содействия осмотру в отношении забивания радиатора 10 тепла и/или его очистке.
В представленном в качестве примера варианте на локомотиве может быть использовано множество радиаторов, доходящее до тридцати шести (36). Падение давления на всех радиаторах будет равномерным. Таким образом, если новый радиатор заменит на локомотиве радиатор, находящийся в эксплуатации, то падение давления на новом радиаторе должно совпадать с имеющимися падениями давления на других радиаторах. Для этого ограничительному элементу 40 придают такие размеры, чтобы гарантировать однородное падение давления на заменяющем радиаторе. При таком выполнении один радиатор может иметь ограничительный элемент 40 с иными размерами, чем у другого из них. Это позволяет гарантировать, что все устанавливаемые в дальнейшем радиаторы будут совместимы с радиаторами, находящимися в системе, например в локомотиве.
На фиг.5 представлен вид сверху взятого в качестве примера варианта выполнения реберного радиатора внутри корпуса узла, в котором радиатор проходит в зону впускного канала корпуса. В этом варианте разделительные стенки 27 удалены, и радиатор 10 становится больше, при этом канал 19 для впуска воздуха преобразован для возможности использования объема радиатора.
На фиг.8 представлены взятые в качестве примера конструкции переднего края ребра радиатора. Усовершенствованная конструкция переднего края может содействовать уменьшению степени забивания радиатора 10. В обычной конструкции ребра радиатора, представленной на фиг.8(а), передний край имеет плоскую поверхность. В усовершенствованной конструкции передний край формируют с заостренным, скошенным краем, представленным на фиг.8(b), или с закругленным краем, представленным на фиг.8(с). Эти усовершенствованные конструкции переднего края могут быть применены к переднему краю и/или к заднему краю ребер 14. В случае конструкций ребер, которые не являются сплошными или непрерывными, например разделенных на части ребер или ребер с приращениями, описанных ниже, эти усовершенствованные конструкции переднего края также могут быть удлинены к переднему и/или заднему краям каждого из участков ребер.
Еще одна концепция заключается в улучшении чистоты поверхности для уменьшения налипания загрязнений к поверхности ребер. Для получения ребер, не допускающих прилипания, ребро может быть обработано так, чтобы оно имело весьма высокую чистоту поверхности, либо на него могут быть нанесены покрытия, чтобы создать поверхность, не допускающую прилипания. Тефлон, фторсодержащие полимеры, PFA, политетрафторэтилен и сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена представляют собой лишь некоторые из обычных покрытий, применяемых в промышленности, которые могут быть нанесены.
На фиг.9 представлены взятые в качестве примера варианты различных компоновок ребер. Как показано, раскрыты четыре разных концепции компоновок ребер. Варианты, показанные на фиг.9(а), ребра с приращениями, и на фиг.9(b), прямые ребра, представляют собой известные концепции. Ребра с приращениями имеют части, вытянутые к зоне, где проходит поток воздуха, которые, в свою очередь, могут создать турбулентность. Зона турбулентности может привести к скапливанию загрязнений или к забивке. Конфигурация, показанная на фиг.9(с), представляет собой конструкцию ребра, разделенного на части, которая обеспечивает турбулентность, подобную турбулентности, обеспечиваемой увеличенной конструкцией с приращениями, но без создания краев, выступающих в поток воздуха. При отсутствии частей ребер, выступающих в поток воздуха, вероятность забивания будет уменьшена. На фиг.9(d) представлена волнообразная конструкция ребра, которая также представляет собой попытку увеличения турбулентности и передачи тепла с удалением при этом передних краев, которые способствуют скапливанию загрязнений.
Наряду с обеспечением повышенного сопротивления забиванию, обработка краев ребер и различные конфигурации ребер могут быть выполнены или скомбинированы с другими ключевыми параметрами, такими как изменяемая геометрия ребер (например, толщина, высота и т.д.) и расстояние между ребрами, чтобы отрегулировать и/или уменьшить создание шума радиатором, вызываемого потоком воздуха. Например, как дополнительно показано на фиг.10, для крепления каждого ребра 14 к плите 29 основания на радиаторе 10 обычно используют систему опирания ребер путем крепления охватом с двух сторон. Поскольку толщина ребра обычно невелика, опору выполняют посредством изгиба частей ребра 14 в противоположном направлении и его последующего удержания на основании 29 радиатора. Однако эта технология увеличивает общую стоимость радиатора 10. Посредством использования описанных здесь технологий, в случае которых применяют более толстые ребра 14, а между ребрами 14 обеспечивают большие расстояния, ребра 14 нового радиатора могут быть выполнены более толстыми, например так, как показано на фиг.2, чтобы обеспечить повышенную интенсивность теплопередачи и возможность удержания без использования усложненного и дорогостоящего опорного механизма, требуемого для изогнутых частей ребер в обоих направлениях.
В обычных радиаторах ребра 14 используют для охлаждения, а крышку и стеночные разделители 27 корпуса 12 используют для управления потоком воздуха. В настоящем изобретении ребра используют как для рассеивания тепла, так и для управления потоком воздуха. Если возвратиться к фиг.5, то согласно ей ребра расположены в канале 19 для потока воздуха. На фиг.11(а), 11(b) и 12 представлены взятые в качестве примера варианты компоновок ребер с изменяющимися длинами. Они показывают только одну сторону ребер в радиаторе отводимого тепла, например сторону радиатора по линии А-А на фиг.5, при этом компоновка ребер отличается от того, что показано на фиг.5. Более конкретно, зоны, обозначенные на каждой фигуре как «впуск», представляют собой ребра на радиаторе, которые расположены в пределах одной стороны канала для прохождения потока воздуха. Как показано, когда ребра находятся в канале 19 для потока воздуха, ребра в этой зоне могут иметь изменяющуюся длину, чтобы обеспечивать направление пути прохождения потока 13 воздуха. Специалисты в данной области техники легко поймут, что эти фигуры приведены лишь в качестве примера, при этом для достижения подобного результата также может быть использовано раскрытое здесь изобретение с другими ребрами, имеющими изменяющуюся длину.
Как показано на фиг.11(а), ребра, находящиеся в канале для потока воздуха, длиннее у наружного края радиатора и затем уменьшаются по длине, чем ближе эти ребра находятся к ребрам радиатора, которые используют в качестве выпуска для потока воздуха. Выпускные ребра также изменяются по длине, при этом ребра 14, более близкие к впускным ребрам, короче, чем ребра, находящиеся далее в сторону от впускных ребер. Еще в одном варианте, взятом в качестве примера, хотя это и не показано, выпускные ребра имеют постоянную длину, при этом каскадные участки впускных ребер будут поворачивать поток воздуха к выпускным ребрам. Еще в одном варианте, взятом в качестве примера и показанном на фиг.11(b), впускные ребра удалены, и канал для прохождения воздуха направляет поток воздуха к ребрам с изменяющейся длиной.
Еще в одном варианте, взятом в качестве примера, который показан на фиг.12, ребра имеют большую длину и криволинейны, позволяя вводить описанные выше лопатки, обеспечивающие поворот, в ребра, что противоположно тому, когда лопатка является частью корпуса. Не каждое ребро должно иметь лопатку. Например, как показано, лопатку как часть ребра имеет каждое другое ребро. Лопатки имеют изменяющиеся длины, и их используют для повышения эффективности поворота и распределения потока воздуха. Хотя на впускных ребрах показаны лопатки, в другом варианте, взятом в качестве примера, впускные ребра могут и не включать в себя лопатки.
Когда используют лопатки с изменяющейся длиной, как описано выше, корпус радиатора может и не понадобиться. Отсутствует необходимость в корпусе, поскольку радиатор направляет поток воздуха и управляет им. При этом в системе охлаждения потребуется одним элементом меньше, что приводит к экономии затрат.
Хотя изобретение описано в том виде, который в настоящее время следует считать предпочтительным вариантом его осуществления, для специалистов в данной области техники будут очевидны многие его варианты и модификации. Соответственно, можно полагать, что изобретение не ограничено представленным конкретным вариантом его осуществления и может быть интерпретировано в пределах полного объема и сущности прилагаемой формулы изобретения.