ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ВЕНТИЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ОХЛАЖДАЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ И СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
COOLING DEVICE, VALVE INVERTER WITH COOLING DEVICE AND VALVE INVERTER COOLING METHOD

Изобретение относится к охлаждающему устройству для охлаждения электрических компонентов вентильного преобразователя. Далее изобретения относится к вентильному преобразователю, который включает в себя соответствующее изобретению охлаждающее устройство. Кроме того, изобретение относится к способу охлаждения электрических компонентов вентильного преобразователя.
Как правило, при эксплуатации вентильного преобразователя возникают мощности потерь, которые следует объяснять ограниченным коэффициентом полезного действия использованных электрических компонентов вентильного преобразователя. Наибольшие мощности потерь имеют, например, преобразователи постоянного тока в переменный ток (обратные преобразователи), уравнительные резисторы, конденсаторы промежуточного контура или дополнительные компоненты, как например выпрямители тока. Электрические компоненты требуют, следовательно, постоянного отвода тепла, созданного их мощностью потерь, чтобы была обеспечена надежность эксплуатации вентильного преобразователя.
Уровень техники различает воздушное охлаждение и жидкостное охлаждение. Как правило, охлаждаемые электрические компоненты привинчены к охлаждающему телу, которое находится в тепловом контакте с охлаждающей текучей средой. Далее электрические компоненты закрепляются на токопроводящей шине, например при помощи винтового соединения.
Из уровня техники известны вентильные преобразователи, которые охлаждаются при помощи термосифона. В термосифоне мощность потерь используется для того, чтобы испарять жидкость. Благодаря испарению текучей среды от электрических компонентов оттягивается тепло, вследствие чего они охлаждаются. Возникший благодаря испарению пар подается затем в теплообменник, который благодаря конденсации текучей среды выдает тепло в окружающую вентильный преобразователь среду. Сконденсированная текучая среда (жидкость) подается обратно к охлаждаемым электрическим компонентам, так что образуется замкнутый цикл из испарения и конденсации. Для поддержки циркуляции, например против ускорения свободного падения, она может иметь капиллярные структуры для текучей среды.
В основе данного изобретения лежит задача предоставить охлаждающее устройство для охлаждения электрических компонентов вентильного преобразователя, которое делает возможным улучшенное охлаждение упомянутых электрических компонентов.
Задача решается с помощью охлаждающего устройства с признаками независимого пункта 1 формулы изобретения, с помощью вентильного преобразователя с признаками независимого пункта 11 формулы изобретения, а также с помощью способа с признаками независимого пункта 13 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения указаны предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования изобретения.
Соответствующее изобретению охлаждающее устройство для охлаждения электрических компонентов вентильного преобразователя включает в себя, по меньшей мере, одну охлаждающую пластину с первой и второй областью охлаждения, причем области охлаждения термически соединены с устройством испарительного охлаждения. Согласно изобретению охлаждающее устройство имеет, по меньшей мере, один первый управляющий элемент, при помощи которого может регулироваться мощность охлаждения устройства испарительного охлаждения, по меньшей мере, одной из областей охлаждения.
В качестве электрических компонентов рассматриваются в частности все компоненты или конструктивные элементы или конструктивные части вентильного преобразователя, которые во время эксплуатации вентильного преобразователя имеют тепловую мощность потерь и создают таким образом тепло или отходящее тепло. В частности электронные компоненты рассматриваются в качестве электрических компонентов.
Устройством испарительного охлаждения согласно данному изобретению является любое устройство, которое благодаря фазовому переходу охлаждающей текучей среды, например испарению или вскипанию охлаждающей текучей среды, подходит для охлаждения или для предоставления мощности охлаждения для областей охлаждения.
Охлаждающая пластина или две области охлаждения предусмотрены в частности для расположения охлаждаемых электрических компонентов. Электрические компоненты могут подразделяться типичным образом на два класса, причем электрические компоненты первого класса имеют сравнительно высокую мощность  потерь (имеющие большие потери компоненты), а электрические компоненты второго класса имеют сравнительно низкую мощность потерь (имеющие малые потери компоненты).
Предпочтительно для устройства испарительного охлаждения не требуются подвижные компоненты, например насосы. Преимуществом устройства испарительного охлаждения является, следовательно, то, что оно, как правило, самостоятельно управляется или регулируется. Например, с увеличением мощности потерь создается больше пара. Вследствие этого повышается потеря давления в трубопроводах устройства испарительного охлаждения. Повышенная потеря давления вызывает повышенное давление в испарителе устройства испарительного охлаждения, так что температура испарения охлаждающей текучей среды повышается. Повышенная вследствие этого температура пара повышает одновременно плотность пара, так что потеря давления снова уменьшается. Кроме того, температура испарения охлаждающей текучей среды зависит от температуры конденсации охлаждающей текучей среды, которая в свою очередь зависит от температуры охлаждающей текучей среды как таковой.
Согласно изобретению охлаждающее устройство имеет две области охлаждения. При этом согласно изобретению мощность охлаждения, по меньшей мере, одной из областей охлаждения может регулироваться первым управляющим элементом. Вследствие этого возникают две области охлаждения, которые могут иметь различную мощность охлаждения. Другими словами мощность охлаждения, по меньшей мере, одной из областей охлаждения может адаптироваться к мощности потерь расположенных в этой области охлаждения электрических компонентов.
Например, первая область охлаждения предусмотрена для электрических компонентов с высокой мощностью потерь, причем мощность охлаждения первой области охлаждения может регулироваться управляющим элементом. Следовательно, мощность охлаждения для имеющих большие потери электрических компонентов может повышаться при помощи управляющего элемента. Кроме того, мощность охлаждения устройства испарительного охлаждения внутри второй области охлаждения может оказываться меньшей по сравнению с первой областью охлаждения. В итоге охлаждение электрических компонентов вентильного преобразователя при помощи соответствующего изобретению охлаждающего устройства становится вследствие этого более эффективным. При помощи соответствующего изобретению охлаждающего устройства становится, следовательно, возможным регулировать или контролировать мощность охлаждения устройства испарительного охлаждения, по меньшей мере, в двух областях охлаждения охлаждающей пластины. Вследствие этого может регулироваться и адаптироваться температура, по меньшей мере, в одной из областей охлаждения.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения охлаждающее устройство включает в себя второй управляющий элемент, при помощи которого может регулироваться мощность охлаждения устройства испарительного охлаждения дальнейшей области охлаждения.
Предпочтительно вследствие этого мощность охлаждения устройства испарительного охлаждения может регулироваться в двух областях охлаждения охлаждающего устройства. Вследствие этого повышается предпочтительно эффективность охлаждающего устройства. Это имеет место, потому что, например, первая область охлаждения предусмотрена для имеющих большие потери электрических компонентов, а вторая область для имеющих малые потери электрических компонентов, и соответствующая мощность охлаждения может адаптироваться к охлаждаемым компонентам в двух областях охлаждения отдельно друг от друга. Другим словами мощность охлаждения внутри областей охлаждения может адаптироваться к электрической мощности потерь расположенных в областях охлаждения электрических компонентов.
В предпочтительном усовершенствовании изобретения устройство испарительного охлаждения выполнено в виде тепловой трубы, в частности в виде тепловой трубки (Heat–Pipe) или двухфазного термосифона.
Вследствие этого эффективность охлаждающего устройства повышается предпочтительным образом дополнительно. Как правило, тепловая труба имеет испаритель, конденсатор и систему трубопроводов для охлаждающей текучей среды, которая внутри испарителя испаряется, внутри конденсатора конденсируется и направляется при помощи системы трубопроводов.
Поэтому наиболее предпочтительно, если устройство испарительного охлаждения имеет два испарителя для испарения охлаждающей текучей среды, причем два испарителя, по меньшей мере, частично выполнены посредством двух областей охлаждения охлаждающей пластины.
Другими словами охлаждающая текучая среда, по меньшей мере, частично испаряется расположенными внутри двух областей охлаждения электрическими компонентами. Пар охлаждающей текучей среды направляется затем по системе трубопроводов к конденсатору устройства испарительного охлаждения. Внутри конденсатора устройства испарительного охлаждения охлаждающая текучая среда, по меньшей мере, частично конденсируется и, по меньшей мере, частично выдает при этом поглощенное посредством ее испарения тепло, которое, по меньшей мере, частично соответствует мощности потерь электрических компонентов, в окружающую среду. Сконденсированная охлаждающая текучая среда возвращается затем снова при помощи системы трубопроводов к двум областям охлаждения охлаждающей пластины. При этом устройство испарительного охлаждения имеет два испарителя и один общий конденсатор. Кроме того, два испарителя и общий конденсатор расположены внутри общей системы трубопроводов, причем два испарителя подключены в отношении массового потока охлаждающей текучей среды параллельно.
При этом температура кипения охлаждающей текучей среды может регулироваться или контролироваться, например, при помощи биметаллического регулятора внутри участка трубопровода пара.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения устройство испарительного охлаждения имеет систему трубопроводов для проведения охлаждающей текучей среды, причем система трубопроводов имеет для первой области охлаждения первый участок трубопровода и для второй области охлаждения второй участок трубопровода. Кроме того, мощность охлаждения первого участка трубопровода может при этом регулироваться при помощи первого управляющего элемента, и/или мощность охлаждения второго участка трубопровода может регулироваться при помощи второго управляющего элемента.
Другими словами с областями охлаждения охлаждающего устройства согласованы различные участки трубопровода системы трубопроводов. При помощи первого и/или второго управляющего элемента мощность охлаждения участков трубопровода может регулироваться, например, за счет адаптации массового потока охлаждающей текучей среды или давления охлаждающей текучей среды. При этом первый участок трубопровода выполнен для проведения охлаждающей текучей среды к первой области охлаждения, а второй участок трубопровода для проведения охлаждающей текучей среды ко второй области охлаждения охлаждающего устройства. Внутри областей охлаждения охлаждающая текучая среда испаряется затем, по меньшей мере, частично внутри участков трубопровода созданным в областях охлаждения электрическими компонентами теплом. При этом участки трубопровода подключены в отношении массового потока охлаждающей текучей среды, как правило, параллельно.
В предпочтительном усовершенствовании изобретения, по меньшей мере, один из управляющих элементов выполнен в виде управляющего клапана.
Предпочтительно оба управляющих элемента, то есть первый и второй управляющие элементы, в каждом случае выполнены в виде управляющего клапана. Другим словами система трубопроводов разделяется на первый и второй участок трубопровода, причем для каждого участка трубопровода предусмотрен управляющий клапан. Вследствие этого становится возможным регулировать температуру или мощность охлаждения внутри областей охлаждения. Например, увеличивается потеря давления внутри участка трубопровода, который предусмотрен для имеющих меньшие потери компонентов, вследствие чего меньшее количество охлаждающей текучей среды протекает через указанный участок трубопровода, и таким образом мощность охлаждения сокращается. Другими словами управляющий клапан при этом дросселируется. Вследствие этого температура внутри согласованной с участком трубопровода области охлаждения соответственно повышается. Если дросселируются оба управляющих клапана, то температура повышается внутри областей охлаждения, так как увеличивается общая потеря давления устройства испарительного охлаждения. Если рабочая точка устройства испарительного охлаждения была рассчитана с учетом частичного дросселирования управляющих клапанов, то температура испарения охлаждающей текучей среды понижается при открытии управляющих клапанов.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения охлаждающая пластина включает в себя участки трубопровода.
Вследствие этого предпочтительно улучшается термическое соединение между охлаждающей пластиной и участками трубопровода и таким образом тепловая эффективность охлаждающего устройства.
При этом наиболее предпочтительно, если участки трубопровода выполнены посредством отверстий внутри охлаждающей пластины.
Вследствие этого дополнительно улучшается термическое соединение между охлаждающей пластиной и участками трубопровода или между охлаждающей пластиной и охлаждающей текучей средой внутри участков трубопровода.
В предпочтительном усовершенствовании изобретения, по меньшей мере, один из участков трубопровода имеет множество соединенных по отношению к охлаждающей текучей среде параллельно с возможностью проведения текучей среды каналов текучей среды, причем каналы текучей среды распространяются в пространстве параллельно друг к другу.
При этом каналы текучей среды могут быть предпочтительно выполнены посредством отверстий внутри охлаждающей пластины. Предпочтительно охлаждающая текучая среда распределяется благодаря каналам текучей среды внутри областей охлаждения по большой площади. Вследствие этого может отводиться наибольшее количество тепла.
Далее электрические компоненты вентильного преобразователя располагаются, как правило, на различных геодезических высотах. Так как вдоль охлаждающей пластины давление охлаждающей текучей среды изменяется, изменяется также ее температура испарения вдоль охлаждающей пластины. Дополнительно благодаря переданной на охлаждающую текучую среду тепловой энергии повышается ее температура вдоль охлаждающей пластины. Следовательно, для установления максимально однородного распределения температуры и давления является предпочтительным предусматривать множество каналов текучей среды. Благодаря множеству каналов текучей среды, в частности соединенных параллельно с возможностью проведения текучей среды каналов текучей среды, массовый поток охлаждающей текучей среды может активно регулироваться, и температура вдоль охлаждающей пластины может удерживаться приблизительно на одном уровне.
Согласно изобретению охлаждающая пластина выполнена, по меньшей мере, из двух частей, причем первая часть охлаждающей пластины включает в себя первую область охлаждения, а вторая часть охлаждающей пластины вторую область охлаждения.
Вследствие этого возникает предпочтительно модульная конструкция. Кроме того, улучшается термическая изоляция между первой областью охлаждения и второй областью охлаждения.
Соответствующий изобретению вентильный преобразователь включает в себя охлаждающее устройство согласно данному изобретению или согласно одному из его вариантов осуществления.
Возникают аналогичные и равнозначные вышеуказанному соответствующему изобретению охлаждающему устройству преимущества соответствующего изобретению вентильного преобразователя.
Наиболее предпочтительно вентильный преобразователь имеет первый и второй класс электрических компонентов, причем первый класс электрических компонентов имеет более высокую тепловую мощность потерь, чем второй класс электрических компонентов, и компоненты первого класса расположены в первой области охлаждения, а компоненты второго класса во второй области охлаждения, причем при помощи первого управляющего элемента мощность охлаждения устройства испарительного охлаждения внутри первой области охлаждения может повышаться по сравнению с мощностью охлаждения устройства испарительного охлаждения внутри второй области охлаждения.
Другими словами первая область охлаждения охлаждающего устройства предусмотрена для имеющих большие потери электрических компонентов, например для биполярных транзисторов с изолированным затвором (англ.: Insulated–Gate Bipolar Transistor, кратко IGBT). Вторая область охлаждения охлаждающего устройства предусмотрена для имеющих меньшие потери электрических компонентов, например конденсаторов. Вследствие этого мощность охлаждения предпочтительным образом максимально адаптируется к мощности потерь электрических компонентов вентильного преобразователя и таким образом оптимизируется. Вследствие этого повышается энергетическая эффективность самого вентильного преобразователя.
При этом охлаждающая текучая среда или ее конденсат распределяется, как правило, системой трубопроводов в обе области охлаждения. В уровне техники через параллельно сообщающиеся каналы текучей среды, которые согласованы с областями охлаждения, на температуру кипения охлаждающей текучей среды внутри области охлаждения, которая предусмотрена для имеющих малые потери компонентов, оказывается влияние и она определяется имеющими большие потери компонентами. Для предотвращения этого влияния согласно изобретению предусмотрен, по меньшей мере, один первый управляющий элемент, при помощи которого мощность охлаждения внутри областей охлаждения может регулироваться отдельно друг от друга.
Соответствующий изобретению способ охлаждения электрических компонентов вентильного преобразователя согласно данному изобретению отличается тем, что при помощи первого управляющего элемента охлаждающего устройства регулируется мощность охлаждения устройства испарительного охлаждения, по меньшей мере, одной из областей охлаждения.
Возникают аналогичные и равнозначные соответствующему изобретению охлаждающему устройству, а также соответствующему изобретению вентильному преобразователю преимущества соответствующего изобретению способа.
При этом наиболее предпочтительно, если в качестве первого и/или второго управляющего элемента используется управляющий клапан.
Дальнейшие преимущества, признаки и подробности изобретения проистекают из описанных в дальнейшем примеров осуществления, а также на основе чертежа. При этом на чертеже схематично показаны:
фиг. 1 – вентильный преобразователь с известным из уровня техники устройством испарительного охлаждения;
фиг. 2 – вентильный преобразователь с охлаждающим устройством согласно первому варианту осуществления данного изобретения; и
фиг. 3 – дальнейший вентильный преобразователь с охлаждающим устройством согласно второму варианту осуществления данного изобретения.
Аналогичные, равнозначные или равнодействующие элементы могут быть снабжены на фигурах одинаковыми ссылочными позициями.
Фиг. 1 схематично показывает вентильный преобразователь 2, который имеет известное согласно уровню техники охлаждающее устройство 1. При этом охлаждающее устройство 1 выполнено в виде устройства 6 испарительного охлаждения. Устройство 6 испарительного охлаждения включает в себя систему 60 трубопроводов и конденсатор 8.
Внутри шкафа 12 вентильного преобразователя 2 расположена охлаждающая пластина 4. Охлаждающая пластина 4 предусмотрена для размещения электрических компонентов, а также для их охлаждения. Для этого охлаждающая пластина 4 термически соединена с системой 60 трубопроводов устройства 6 испарительного охлаждения. Кроме того, охлаждающая пластина 4 имеет для охлаждения электрических компонентов множество каналов 64 текучей среды, которые в отношении охлаждающей текучей среды подключены внутри системы 60 трубопроводов параллельно с возможностью проведения текучей среды.
Известное из уровня техники охлаждающее устройство 1 имеет две области 410, 420 охлаждения, внутри которых расположены или располагаются электрические компоненты с различной мощностью потерь. Внутри первой области 410 охлаждения расположены, например, имеющие большие потери электрические компоненты, в частности IGBTs. Внутри второй области 420 охлаждения расположены в этом случае имеющие сравнительно малые потери электрические компоненты, в частности конденсаторы. Для охлаждения областей 410, 420 охлаждения предусмотрены каналы 64 текучей среды, которые термически соединены с областями 410, 420 охлаждения и распространяются сквозь них.
Недостатком изображенного уровня техники является то, что мощность охлаждения внутри областей 410, 420 охлаждения, которая предоставляется устройством 6 испарительного охлаждения, необходимо рассчитывать на основе имеющих большие потери компонентов первой области 410 охлаждения.
Для преодоления этого недостатка фиг. 2 показывает вентильный преобразователь с охлаждающим устройством 1 согласно первому варианту осуществления данного изобретения.
Охлаждающее устройство 1 включает в себя снова конденсатор 8, систему 60 трубопроводов, охлаждающую пластину 4, а также две области 410, 420 охлаждения. Далее предусмотрен паросборник 10 для сбора испаренной охлаждающей текучей среды и для возврата испаренной охлаждающей текучей среды в конденсатор 8.
Как уже было показано на фиг. 1, охлаждающее устройство 1, по меньшей мере, частично расположено внутри шкафа 12 вентильного преобразователя 2. Как правило, конденсатор 8 устройства 6 испарительного охлаждения располагается за пределами шкафа 12. Вследствие этого тепло выдается в окружающую вентильный преобразователь 2 среду.
Охлаждающее устройство 1 имеет первый и второй управляющий элемент 41, 42. При этом управляющие элементы 41, 42 выполнены, например, в виде управляющих клапанов.
Далее система 60 трубопроводов имеет первый участок 61 трубопровода, а также второй участок 62 трубопровода. Давление и/или массовый поток охлаждающей текучей среды внутри первого участка 61 трубопровода может регулироваться или контролироваться первым управляющим элементом 41. Аналогично давление и/или массовый поток охлаждающей текучей среды внутри второго участка 62 трубопровода может регулироваться или контролироваться вторым управляющим элементом 42.
Вследствие этого становится предпочтительно возможным регулировать или контролировать мощность охлаждения устройства 6 испарительного охлаждения внутри первой области 410 охлаждения и внутри второй области 420 охлаждения. Например, мощность охлаждения устройства 6 испарительного охлаждения внутри первой области 410 охлаждения повышается по сравнению с мощностью охлаждения устройства испарительного охлаждения внутри второй области 420 охлаждения. Другими словами первая область 410 охлаждения предусмотрена для имеющих большие потери электрических компонентов, а вторая область 420 охлаждения для имеющих малые потери электрических компонентов вентильного преобразователя 2.
Для распределения жидкой охлаждающей текучей среды внутри областей 410, 420 охлаждения предусмотрено множество каналов 64 текучей среды. При этом каналы 64 текучей среды соединены с возможностью проведения текучей среды в каждом случае с соответствующим участком 61, 62 трубопровода. Для наглядности лишь один из каналов текучей среды обозначен ссылочной позицией 64. Каналы 64 текучей среды распространяются внутри своей соответствующей области 410, 420 охлаждения приблизительно параллельно друг к другу в пространстве. Может быть предусмотрено пространственное распространение в виде меандра каналов 64 текучей среды внутри областей 410, 420 охлаждения. Каналы 64 текучей среды проходят на изображенной фиг. 1 приблизительно вертикально.
На фиг. 3 изображен дальнейший вентильный преобразователь с охлаждающим устройством 1 согласно второму варианту осуществления данного изобретения.
Охлаждающее устройство 1 на фиг. 3 включает в себя по существу элементы уже изображенного на фиг. 2 охлаждающего устройства.
Дополнительно к фиг. 2 охлаждающее устройство 1 на фиг. 3 имеет три области 410, 420, 430 охлаждения. Каждая из областей 410, 420, 430 охлаждения соединена соответствующим участком 61, 62, 63 трубопровода с возможностью проведения текучей среды с системой 60 трубопроводов устройства 6 испарительного охлаждения. Для регулирования мощности охлаждения областей 410, 420, 430 охлаждения предусмотрен для каждого участка 61, 62, 63 трубопровода, по меньшей мере, один управляющий элемент 41, 42, 43. При этом управляющие элементы 41, 42, 43 выполнены в виде управляющих клапанов и подключены в отношении охлаждающей текучей среды устройства 6 испарительного охлаждения параллельно.
Далее охлаждающее устройство 1 имеет дополнительно к охлаждающему устройству из фиг. 2 распространяющиеся горизонтально, а также вертикально каналы 64 текучей среды. При этом горизонтальные каналы 64 текучей среды распространяются, по меньшей мере, частично между областями 410, 420, 430 охлаждения.
Благодаря данному изобретению создаются условия для выборочного регулирования или контроля мощности охлаждения внутри областей охлаждения. При этом области охлаждения предусмотрены для имеющих различные потери электрических компонентов вентильного преобразователя. Вследствие этого улучшается энергетическая эффективность охлаждения вентильного преобразователя.
Несмотря на то что изобретение было подробно и детально проиллюстрировано и описано посредством предпочтительных примеров осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами, или другие варианты могут выводиться из них специалистом, не покидая объем защиты изобретения.