СМЕСИТЕЛЬНАЯ МАГИСТРАЛЬ И СПОСОБ Российский патент 2015 года по МПК H01L23/46 

ПРЕДПОСЫЛКИ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Варианты выполнения раскрытого в настоящем документе объекта изобретения, как правило, относятся к способам и системам, более конкретно к механизмам и способам более эффективного охлаждения электрических элементов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Силовые преобразователи широко используются в различных областях применения для управления потоком энергии или преобразования напряжения, тока или частоты, необходимых для подключения к двигателю или к генератору или сопряжения с электрической сетью. Некоторые из этих применений включают электромашинный привод для нефтяной и газовой, металлургической промышленности, водных ресурсов, горнодобывающей промышленности и судостроения, а также преобразователи мощность-частота для возобновляемых источников энергии (ветряных, солнечных) и электроэнергетики.

[0003] Некоторые из основных элементов силового преобразователя (или частотно-регулируемого привода, который является особым типом силового преобразователя, питающего электродвигатели) представляют собой силовые полупроводниковые переключатели. В процессе своей работы силовые полупроводниковые переключатели генерируют потери мощности, то есть токи проводимости и токи коммутации (включения и выключения). Примеры этих силовых полупроводниковых переключателей включают, но не ограничиваются этим: биполярный транзистор с коммутируемым затвором (IGCT), биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), транзистор с инжектированным затвором (IEGT), тиристор (ЕТТ или LTT), диод в пластмассовом плоском корпусе (кремниевые пластины в керамическом корпусе наподобие хоккейной шайбы) или IGBT, МОП-транзистор (MOSFET), диоды в пластмассовом модульном корпусе и т.д. Рабочая мощность, характеристики и надежность этих силовых полупроводниковых переключателей чувствительны к температуре их р-n перехода по таким причинам, как снижение рабочих характеристик при выключении при более высоких температурах р-n перехода, локализованные горячие точки из-за локальных токов проводимости и т.д.

[0004] Для достижения охлаждения таких переключателей и для поддержания температуры их р-n перехода в пределах их рабочего диапазона применяется жидкостное охлаждение, которое является эффективным средством для удаления тепла, сгенерированного в результате потерь мощности во время работы силовых переключателей. Жидкостное охлаждение, например водяное охлаждение, использует поток жидкости для отвода тепла от охлаждающего элемента (например, теплоотвода или холодной пластины), присоединенного к электрическому элементу (например, силовому полупроводниковому переключателю). Благодаря непосредственному контакту между поверхностями охлаждающего элемента и электрического элемента тепло передается от элемента, имеющего более высокую температуру (электрического элемента) к элементу, имеющему более низкую температуру (охлаждающему элементу). Для диспергирования тепла, передаваемого в охлаждающий элемент, вокруг охлаждающего элемента и/или через него пропускается жидкость. Поток жидкости затем доставляется от электрического элемента в место, подлежащее охлаждению. Такое место может представлять собой теплообменник вода-вода или вода-воздух, который рассеивает тепло в градирню или в окружающий воздух.

[0005] Следует отметить, что для силового блока подложка имеет гальваническую развязку от электродов силовых полупроводниковых переключателей, тогда как для устройств в пластмассовом плоском корпусе поверхность полюса силового полупроводникового переключателя электрически соединена с электродами силовых полупроводниковых переключателей. Эта конструкция подразумевает, что для предотвращения короткого замыкания в теплоотводах переключателей в пластмассовом плоском корпусе должна использоваться деионизированная вода, если контур жидкостного охлаждения соединяет вместе различные электрические элементы.

[0006] Пример системы 10 охлаждения показан на Фиг.1. Система 10 охлаждения содержит различные охлаждающие элементы. Охлаждающие элементы могут представлять собой теплоотводы, трубы, клапаны, магистрали и т.д. Некоторые из охлаждающих элементов связаны с электрическими элементами силового блока 12 из трех столбцов. Столбец может содержать комбинацию охлаждающих элементов и электрических элементов. Силовой блок 12 содержит три столбца 12а-12с из различных электрических элементов. Электрические элементы могут представлять собой силовые полупроводниковые переключатели, имеющие силовой блок из трех столбцов, но также могут представлять собой сопротивления, индуктивности, конденсаторы и изоляторы при наличии других устройств преобразования энергии. Указанные три столбца могут быть одинаковыми или разными. Столбец 12а может содержать силовые полупроводниковые переключатели 14 и соответствующие теплоотводы 16. Количество силовых полупроводниковых переключателей и их соединений зависит от топологии электрической схемы. Топология системы охлаждения может следовать топологии силового блока или может быть другой. Первый и второй изоляторы 18 и 20 электрически изолируют столбец от металлического корпуса силового блока.

[0007] Для формирования контура жидкостного охлаждения для заданного количества охлаждаемых жидкостью электрических элементов охлаждающие элементы, которые находятся в контакте с электрическими элементами или являются их частью, сообщаются друг с другом посредством текучей среды. Иллюстративная топология охлаждения показана на Фиг. 1. Система 10 охлаждения выполнена так, что жидкость протекает по первому контуру, который содержит первую жидкостную впускную магистраль 30, параллельные охлаждающие ветви 35 и первую жидкостную выпускную магистраль 32; а также по второму контуру, который содержит вторую жидкостную впускную магистраль 31, последовательные ветви 37 и вторую жидкостную выпускную магистраль 33. Впускные магистрали имеют впускное отверстие 34, которое выполнено с возможностью приема жидкости под давлением. Давление обеспечивается насосом.

[0008] Параллельная ветвь 35 может содержать входящую трубу 20, компенсатор 36 давления, теплоотвод 16, другой компенсатор 40 давления и исходящую трубу 22. Последовательная ветвь 37 может содержать входящую трубу 38, несколько теплоотводов 16, соединительные трубы 42 и исходящие трубы 44. Следует отметить, что последовательная ветвь содержат два или большее количество теплоотводов или эквивалентных устройств, соединенных последовательно. Таким образом, система 10 охлаждения содержит соединения различных типов, например последовательные или параллельные, или комбинацию последовательных и параллельных соединений.

[0009] Последовательные жидкостные соединения для всех охлаждающих элементов имеют меньшую величину суммарного потока жидкости, но более высокий перепад давления, чем параллельные соединения. Следовательно, такие соединения потребуют использование насоса с увеличенным напором и более высокой нагрузкой на охлаждающие элементы. Это делает контур жидкостного охлаждения подверженным протечкам из-за более высокого давления. Другим отрицательным фактором для последовательного жидкостного контура является то, что температура ниже по потоку от охлаждающего контура продолжает расти по мере того, как теплота накапливается от одной ступени охлаждения к следующей. Эта теплота ухудшает охлаждающий эффект для элементов в нижнем течении охлаждающего контура. В этом случае желательно размещать силовые полупроводниковые переключатели, которые имеют более высокую мощность рассеивания и более чувствительны к температуре р-n перехода, выше по потоку контура жидкостного охлаждения.

[0010] Параллельные жидкостные соединения для всех охлаждающих элементов приводят к меньшему перепаду давления по сравнению с последовательным жидкостным соединением. Тем не менее параллельные жидкостные соединения имеют больший суммарный поток жидкости, то есть требуется большее количество жидкости. Важным ограничивающим фактором этой конструкции является то, что, поскольку все параллельные охлаждающие ветви должны иметь одинаковый ΔР (перепад давления), результирующий поток жидкости для каждой ветви может не достичь необходимой величины. Чтобы решить эту проблему, необходима сложная конструкция, либо путем введения дополнительных элементов для устранения дисбаланса ΔР (таких как змеевики 36 или 40), либо путем тщательного подбора диаметра каждой параллельной охлаждающей ветви. В качестве альтернативы клапан регулирования потока может управляться вручную для регулировки распределения потока, чтобы обеспечить достижение необходимой величины потока в каждой из параллельных жидкостных ветвей.

[0011] Возвращаясь к Фиг. 1, в зависимости от точной конструкции силового блока 12 из трех столбцов возможно, что электрические элементы в столбце 12а имеют более высокую рабочую температуру, чем электрические элементы в столбцах 12b и 12с. Таким образом, охлаждающая жидкость, выходящая из электрических элементов столбца 12а, будет иметь высокую температуру.

[0012] Для этой конкретной конструкции исходящие трубы 22 теплоотводов, выходящие из столбца 12а, непосредственно соединены с первой магистралью 32 для выпуска воды таким образом, что высокотемпературная жидкость не используется повторно для охлаждения элементов столбцов 12b и 12с. Однако, поскольку температура охлаждающей жидкости, выходящей из соединительных труб 42, не высока, эта охлаждающая жидкость используется для охлаждения охлаждающих элементов столбца 12с, перед тем, как охлаждающая жидкость подается во вторую магистраль 33 для выпуска воды.

[0013] Тем не менее, охлаждающая конструкция, изображенная на Фиг. 1, имеет тот недостаток, что для различных ветвей необходимы компенсаторы давления (устройства 36 и 40), а также для охлаждения силового блока 12 из трех столбцов необходимы четыре магистрали для воды (две впускных и две выпускных).

[0014] Другая охлаждающая конструкция показана на Фиг. 2. На Фиг. 2 изображена система 50 охлаждения, которая использует одну жидкостную впускную магистраль 52, одну жидкостную выпускную магистраль 54 и несколько труб 56 для переноса охлаждающей жидкости из первого теплоотвода 58 во второй теплоотвод 60 и в третий 62 теплоотвод. Однако этот подход имеет следующий недостаток. Предположим, что силовой полупроводниковый переключатель 66 работает при более высокой температуре, чем силовые полупроводниковые переключатели 63 и 64, сообщающиеся с теплоотводами 60 и 58. В этом случае охлаждающая жидкость из теплоотводов 58 и 60, будучи уже нагрета, не будет достаточно охлаждать теплоотвод 62 силового полупроводникового переключателя 66. Таким образом, силовой полупроводниковый переключатель 66, будучи недостаточно охлажденным, подвержен преждевременному выходу из строя, что является нежелательным. Другая конструкция, которая обеспечивает возможность избежать этого недостатка в конструкции, показанной на Фиг. 2, представляет собой использование выделенных охлаждающих контуров для конкретных горячих силовых полупроводниковых переключателей. Тем не менее эта последняя конструкция требует более сложной системы охлаждения и большее количество труб, что также нежелательно.

[0015] Соответственно существует потребность в создании систем и способов, которые исключают вышеописанные проблемы и недостатки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] В соответствии с одним иллюстративным вариантом выполнения предложена система жидкостного охлаждения для устройства преобразования энергии. Система жидкостного охлаждения содержит первую ступень охлаждения, которая содержит первые охлаждающие элементы устройства преобразования энергии, причем охлаждающие элементы соединены с формированием параллельных охлаждающих ветвей; смесительную магистраль, выполненную с возможностью проточного сообщения с параллельными охлаждающими ветвями с обеспечением смешивания потоков охлаждающей жидкости из параллельных охлаждающих ветвей в смесительной магистрали; и вторую ступень охлаждения, которая содержит вторые охлаждающие элементы, причем для охлаждающей жидкости, протекающей через систему охлаждения, вторая ступень охлаждения соединена последовательно с первой ступенью охлаждения. Потоки охлаждающей жидкости из первой ступени охлаждения смешиваются в смесительной магистрали перед подачей во вторую ступень охлаждения.

[0017] В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложено устройство преобразования энергии, которое содержит силовой блок, содержащий первый и второй электрические элементы; впускную магистраль, проточно соединенную с первой ступенью охлаждения устройства преобразования энергии и выполненную с возможностью подачи охлаждающей текучей среды в первую ступень охлаждения для охлаждения первых электрических элементов, связанных с первой ступенью охлаждения; смесительную магистраль, проточно соединенную с первой ступенью охлаждения и выполненную с возможностью (i) получения из первой ступени охлаждения потоков нагретой охлаждающей жидкости, имеющих различные температуры, (ii) смешивания потоков нагретой охлаждающей жидкости, чтобы они приобрели по существу одну температуру, и (iii) подачи смешанных потоков охлаждающей жидкости во вторую ступень охлаждения устройства преобразования энергии для охлаждения вторых электрических элементов, связанных со второй ступенью охлаждения; и выпускную магистраль, проточно соединенную со второй ступенью охлаждения устройства преобразования энергии и выполненную с возможностью приема смешанных потоков охлаждающей жидкости из второй ступени охлаждения.

[0018] В соответствии с еще одним иллюстративным вариантом выполнения предложен способ охлаждения устройства преобразования энергии. Способ включает подачу охлаждающей жидкости во впускную магистраль; перенос охлаждающей жидкости из впускной магистрали к теплоотводам первой ступени охлаждения устройства преобразования энергии, причем теплоотводы установлены на параллельных охлаждающих ветвях; охлаждение теплоотводов первой ступени охлаждения; прием в смесительную магистраль из параллельных охлаждающих ветвей первой ступени охлаждения потоков нагретой охлаждающей жидкости, имеющих различные температуры; смешивание потоков нагретой охлаждающей жидкости в смесительной магистрали; подачу смешанных потоков охлаждающей жидкости в теплоотводы второй ступени охлаждения устройства преобразования энергии; и сбор смешанных потоков охлаждающей жидкости из второй ступени охлаждения в выпускную магистраль, соединенную со второй ступенью охлаждения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] Прилагаемые чертежи, включенные в настоящее описание и составляющие его часть, иллюстрируют один или несколько вариантов выполнения и вместе с описанием объясняют эти варианты. На чертежах:

[0020] Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение традиционного устройства силового блока с системой охлаждения;

[0021] Фиг. 2 представляет собой другое схематическое изображение традиционного устройства силового блока с системой охлаждения;

[0022] Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение магистральной системы для охлаждения устройства преобразования энергии в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения;

[0023] Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение магистральной системы для охлаждения силового блока с несколькими столбцами в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения;

[0024] Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение теплоотвода магистральной системы для охлаждения;

[0025] Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение магистральной системы для охлаждения силового блока с несколькими столбцами в соответствии с другим иллюстративным вариантом выполнения;

[0026] Фиг. 7-9 иллюстрируют различные формы смесительной водяной магистрали в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения изобретения;

[0027] Фиг. 10 представляет собой еще одно схематическое изображение магистральной системы для охлаждения силового блока с несколькими столбцами в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения; и

[0028] Фиг. 11 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ охлаждения силового блока с несколькими столбцами в соответствии с иллюстративным вариантом выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0029] Приведенное ниже описание иллюстративных вариантов выполнения имеет ссылки на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на разных чертежах обозначают одинаковые или аналогичные элементы. Нижеследующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения. Последующие варианты выполнения обсуждаются для простоты в отношении терминологии и конструкции силового блока с несколькими столбцами с водяным охлаждением. Однако варианты выполнения, которые будут обсуждаться в последующем, не ограничиваются этими силовыми блоками, а могут быть применены к другим блокам или устройствам преобразования энергии, которые имеют элементы, подлежащие охлаждению.

[0030] Ссылка в настоящем описании на «один вариант выполнения» или «вариант выполнения» означает, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в связи с вариантом выполнения, включены в по меньшей мере один вариант выполнения из раскрытого здесь предмета изобретения. Таким образом, появление фраз «в одном варианте выполнения» или «в варианте выполнения» в различных местах по всему описанию не обязательно ссылается на один и тот же вариант выполнения. Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим способом в одном или нескольких вариантах выполнения.

[0031] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения предусмотрена магистральная система охлаждения для охлаждения силового блока с несколькими столбцами. Магистральная система охлаждения содержит жидкостную впускную магистраль, жидкостную выпускную магистраль и смесительную жидкостную магистраль. Охлаждающие элементы проточно соединяют магистрали для циркуляции охлаждающей жидкости через магистрали. Как определено далее, охлаждающие элементы сгруппированы в параллельные и последовательные ветви. К электрическим элементам прикреплены некоторые из охлаждающих элементов. Смесительная жидкостная магистраль собирает потоки охлаждающей жидкости из параллельных ветвей, смешивает их, а затем подает смешанную охлаждающую жидкость в остальные ветви для охлаждения.

[0032] Новые системы охлаждения, которые будут обсуждаться в последующем, преимущественно обеспечивают последовательные и более равномерные тепловые характеристики для силовых полупроводниковых переключателей, которые охлаждаются ниже по потоку от жидкостного контура, независимо от рабочих условий. Такие рабочие условия включают: потери мощности, которые распределены не равномерно в силовых полупроводниковых переключателях, подлежащих охлаждению контуром жидкостного охлаждения; и потери мощности, которые являются времязависимыми, т.е. зависят от принципа действия схемы, источника питания (например, сетевого питания) и/или условий нагрузки (например, двигателя и компрессора). В этих условиях для силовых полупроводниковых переключателей выше по потоку и ниже по потоку от жидкостного контура желательно иметь самую эффективную систему охлаждения, пользуясь тем, что некоторые устройства при параллельной конструкции жидкостного охлаждения рассеивают меньше тепла, чем другие. Путем смешивания охлаждающей жидкости после охлаждения параллельных ветвей и до подачи жидкости в расположенные ниже по потоку силовые полупроводниковые переключатели это обеспечивает возможность усреднения температуры жидкости при более низком значении, чем температура жидкости от жидкости с максимальной температурой в ветви с самой большой рассеянной мощностью.

[0033] Кроме того, иллюстративные варианты выполнения, которые будут обсуждаться в дальнейшем, обеспечивают элегантный способ в решении потенциального несоответствия ΔР среди параллельных охлаждающих ветвей. В связи с этим в новых вариантах выполнения не требуется никаких дополнительных элементов устранения дисбаланса ΔР. Кроме того, нет никакой необходимости в тщательном подборе диаметра каждой параллельной охлаждающей ветви или в использовании регулирующих поток клапанов для регулировки распределения потока, чтобы обеспечить необходимую величину потока в каждой из параллельных жидкостных ветвей.

[0034] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, проиллюстрированном на Фиг. 3, предусмотрена система 80 охлаждения для охлаждения нескольких электрических элементов устройства преобразования энергии, причем указанные несколько электрических элементов связаны с охлаждающими элементами. Прежде чем обсуждать детали Фиг. 3, следует ввести пару понятий. Устройство преобразования энергии может быть таким, которое имеет один или несколько столбцов, силовых модулей или комбинацию столбцов и силовых модулей. Таким образом, некоторые из устройств преобразования энергии, к которым применимы варианты выполнения в соответствии с изобретением, могут и не иметь столбцов. Под электрическим элементом понимается один или несколько силовых полупроводниковых переключателей, индуктивностей, конденсаторов, сопротивлений, магистральных шин или изоляторов. Силовой полупроводниковый переключатель может представлять собой активный переключатель, например IGCT, IGBT, MOSFET и т.д., или пассивный переключатель, например диод. Охлаждение для электрических элементов может быть выполнено как часть элемента, например индуктивность с водяным охлаждением, сопротивление с водяным охлаждением, либо как отдельный охлаждающий элемент, присоединенный к электрическому элементу. Охлаждающий элемент включает одно или несколько из: теплоотвода, смесительной магистрали, впускной магистрали, выпускной магистрали, синтезированной струи, водяной трубы, водяной трубки, устройства компенсации давления, спиральной водяной трубки, клапана регулирования давления, изменяющегося диаметра трубы / трубки или теплообменника.

[0035] Возвращаясь к Фиг. 3, система 80 охлаждения может содержать первую ступень 82 охлаждения, которая может быть частично или полностью соединена с жидкостной смесительной магистралью 84, которая, в свою очередь, частично или полностью проточно соединена со второй ступенью 86 охлаждения. Жидкостная смесительная магистраль 84 собирает потоки охлаждающей жидкости из нескольких охлаждающих параллельных ветвей 86а-n первой ступени 82 охлаждения. Число «n» параллельных ветвей равно двум или более. Жидкостная смесительная магистраль 84 смешивает потоки нагретой охлаждающей жидкости, поступающей из нескольких охлаждающих ветвей 86а-n, и подает смешанную охлаждающую жидкость в последовательные охлаждающие ветви 88а-m второй ступени 86 охлаждения, причем «m» равно одному или более. Последовательные охлаждающие ветви 88а-m могут содержать «p» теплоотводов, где «p» равно одному или более. Следует отметить, что число параллельных ветвей 86 не обязательно равно числу последовательных ветвей 88.

[0036] Жидкостная впускная магистраль 90 и жидкостная выпускная магистраль 92 также могут быть предусмотрены для подачи и удаления соответственно охлаждающей жидкости из системы охлаждения. Таким образом, параллельные ветви проточно соединяют магистраль 90 со смесительной магистралью 84, а последовательные ветви проточно соединяют магистраль 84 с жидкостной выпускной магистралью 92. Кроме того, следует отметить, что некоторые ветви 87а-k проточно соединяют 90 с выпускной магистралью 92 без подсоединения к магистрали 84, где «k» - число, равное нулю или большее нуля.

[0037] Вариант выполнения, показанный на Фиг. 3, содержит различные охлаждающие элементы. Например, охлаждающая ветвь 86а содержит трубу 94а и теплоотводы 94b. То же самое справедливо для остальных охлаждающих ветвей первой и второй ступени охлаждения. Теплоотводы могут быть связаны с электрическим элементом. Такой электрический элемент 94с может контактировать с охлаждающим элементом и обмениваться с ним теплом. Количество охлаждающих элементов и электрических элементов может варьироваться от ступени к ступени, как показано на чертеже, и даже от ветви к ветви, как также показано на чертеже. Фиг. 3 представляет собой иллюстративный чертеж и не предназначен демонстрировать точное количество ветвей или элементов и т.д. По этой причине следующий вариант выполнения и чертеж обеспечивает более конкретную систему охлаждения для лучшего понимания иллюстративных вариантов выполнения. Однако последующие чертежи не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение числом столбцов или охлаждающих секций, показанных на этих чертежах.

[0038] В иллюстративном варианте выполнения, показанном на Фиг. 4, устройство 100 преобразования энергии содержит систему 102 охлаждения и силовой блок 150 с тремя столбцами. Как отмечалось выше, новые признаки также применимы к устройству преобразования энергии, которое имеет меньшее количество столбцов или вообще не имеет столбцов. Тем не менее, в иллюстративных целях далее обсуждается силовой блок с тремя столбцами. Таким образом, силовой блок с тремя столбцами не должен рассматриваться как ограничивающий применимость новых признаков. Система 102 охлаждения содержит первую ступень охлаждения 104 и вторую ступень 106 охлаждения. Каждая ступень охлаждения имеет несколько охлаждающих ветвей. Первая ступень 104 охлаждения содержит параллельные охлаждающие ветви 104а-n, где «n» представляет собой заданное целое число, равное или большее 2. Вторая ступень 106 охлаждения содержит последовательные охлаждающие ветви 106а-m, где «m» представляет собой заданное целое число, равное или большее, чем один, «n» и «m» могут быть одинаковыми или разными.

[0039] На Фиг. 4 показаны параллельные охлаждающие ветви 104а-n, каждая из которых имеет теплоотвод 160. Как обсуждалось выше, возможны другие конфигурации, т.е. меньше или больше теплоотводов в параллельной ветви. Теплоотвод 160 имеет соответствующий электрический элемент 158, как будет обсуждаться далее. Система 102 охлаждения также может содержать жидкостную впускную магистраль 108, жидкостную выпускную магистраль 110 и жидкостную смесительную магистраль 112. Силовой блок с тремя столбцами (иллюстративный вариант выполнения также применим к силовому блоку с несколькими столбцами или к устройству преобразования энергии без столбцов) 150 содержит несколько электрических элементов, например силовые полупроводниковые переключатели 158. Устройство 100 преобразования энергии с тремя столбцами содержит первый столбец 152, второй столбец 154 и третий столбец 156 полупроводниковых приборов. Как отмечалось выше, системой охлаждения может быть охлаждено большее или меньшее количество столбцов. На Фиг. 4 показано, что каждый столбец имеет несколько силовых полупроводниковых переключателей 158, расположенных между несколькими теплоотводами 160. Могут присутствовать другие электрические и охлаждающие элементы.

[0040] Теплоотвод 160 может представлять собой металлическую пластину, которая имеет впускное отверстие 162 и выпускное отверстие 164, соединенные друг с другом посредством канала 166, как показано на Фиг. 5. Обеспечивается возможность поступления воды во впускное отверстие 162, прохождение через канал 166 и выход через выпускное отверстие 164. Канал 166, показанный на Фиг. 5, имеет упрощенную форму. Однако канал 166 может иметь сложные или простые формы. Такой канал также представляет собой охлаждающий элемент и этот канал может быть связан не только с теплоотводом, но и, например, с индуктором с водяным охлаждением. Назначение канала 166 заключается в облегчении теплопереноса от теплоотвода или другого охлаждающего элемента к текучей среде, протекающей через канал.

[0041] Тем не менее, все еще со ссылкой на Фиг. 4, жидкостная впускная магистраль 108 выполнена с возможностью приема охлаждающей жидкости во впускное отверстие 113. Охлаждающая жидкость имеет подходящую температуру для охлаждения электрических элементов. Жидкость распределяется в ряд входящих труб 114, которые передают охлаждающую жидкость в теплоотводы 160 первой ступени 104 охлаждения. Входящие трубы 114 соединены параллельно между жидкостной впускной магистралью 108 и смесительной магистралью 112. Отсюда охлаждающая жидкость поступает в теплоотводы и удаляет тепло, после чего охлаждающая жидкость поступает в исходящие трубы 116, которые переносят нагретую охлаждающую жидкость в жидкостную смесительную магистраль 112.

[0042] Следует отметить, что смесительная магистраль 112 может получать потоки нагретой охлаждающей жидкости из всех теплоотводов 160 первого столбца 152. Таким образом, если один или несколько силовых полупроводниковых переключателей первого столбца 152 работают при более высокой температуре, чем другие силовые полупроводниковые переключатели того же самого столбца, то потоки охлаждающей жидкости, выходящие из этих элементов, смешиваются в смесительной магистрали 112, в результате чего охлаждающая жидкость приобретает по существу постоянную температуру перед распределением в последовательные ветви 106а-m. Другими словами, потоки охлаждающей жидкости, имеющие различные температуры в первой ступени 104 охлаждения, смешиваются вместе, чтобы подать охлаждающую жидкость по существу с однородной температурой в ветви второй ступени 106 охлаждения.

[0043] В иллюстративном варианте выполнения внутри жидкостной смесительной магистрали 112 или соединенным с ней для усиления смешивания потоков охлаждающей жидкости может быть расположен механизм 118. Такой механизм 118 может представлять собой, например, синтезированную струю. Синтезированная струя может быть реализована рядом способов, например, с помощью электромагнитного привода, пьезоэлектрического привода, или даже механического привода, такого как поршень. Каждый привод перемещает мембрану или диафрагму вверх и вниз много раз в секунду, всасывая окружающую текучую среду в камеру, а затем выталкивая ее.

[0044] Жидкостная смесительная магистраль 112 может иметь различные формы в зависимости от механического расположения столбцов в устройстве 100 преобразования энергии. На Фиг. 4 показана жидкостная смесительная магистраль 112, имеющая U-образную форму. Для этой магистрали также могут быть использованы V-образные формы или прямолинейные формы. Однако было замечено, что U-образная форма обеспечивает лучшее и более быстрое смешивание различных потоков жидкости, поступающих из первого столбца. Жидкостная смесительная магистраль 112 может быть соединена (непосредственно или опосредованно) с трубами 114, 116, 120, 122 и 124 различных длин и диаметров. Трубы могут быть изготовлены из коррозионно-стойкого, высокотемпературного и/или гальванического изоляционного материала, например нержавеющей стали или пластмассовых или композитных материалов.

[0045] После смешивания потоков жидкости, собранных из теплоотводов первой ступени 104 охлаждения, жидкостная смесительная магистраль 112 может доставлять смешанную охлаждающую жидкость к другому ряду входящих труб 120. Входящие трубы 120 соединяют жидкостную смесительную магистраль 112 с теплоотводами второй ступени 106 охлаждения и со вторым столбцом 154. Входящие трубы 120 могут быть соединены последовательно с другими трубами, как это описано ниже. Поскольку силовые полупроводниковые переключатели столбцов 154 и 156 могут работать при более низкой температуре, чем переключатели столбцов 152, охлаждающая жидкость из теплоотводов, связанных с электрическими элементами второго столбца 154, подается в теплоотводы, связанные с электрическими элементами третьего столбца 156, через промежуточные трубы 122. Отсюда ряд исходящих труб 124 (соединенных последовательно с входящими трубами 120 и промежуточными трубами 122) принимает нагретую охлаждающую жидкость в жидкостную выпускную магистраль 110. Нагретая охлаждающая жидкость может быть охлаждена посредством теплообменника (не показан) и возвращена в жидкостную впускную магистраль 108 или выпущена наружу.

[0046] Вариант выполнения, показанный на Фиг. 4 может иметь в трех столбцах электрические элементы различных типов. Электрические элементы могут включать силовые полупроводниковые переключатели. Например, силовые полупроводниковые переключатели в столбце 152 могут представлять собой IGCT или IEGT, или IGBT в пластмассовом плоском корпусе с более высокими потерями мощности, чем пассивные переключатели, такие как диоды, тогда как переключатели в столбцах 154 и 156 могут представлять собой диоды. Возможны и другие комбинации силовых полупроводниковых переключателей, как будет понятно специалистам в данной области техники.

[0047] Вариант выполнения, показанный на Фиг. 4, рассматривает силовой блок с тремя столбцами, в котором один столбец 152 имеет элементы с более высокими потерями и большей чувствительностью отказов по температуре, чем элементы двух других столбцов. Однако, когда два столбца имеют электрические элементы с более высокими потерями, на Фиг. 6 показан вариант выполнения, в котором система 200 охлаждения содержит дополнительную жидкостную смесительную магистраль 202, расположенную между вторым столбцом 154 и третьим столбцом 156, то есть вторая ступень 106 охлаждения разделена на вторую ступень 106′ охлаждения и третью ступень 106′′ охлаждения. Для этой конструкции необходимы дополнительные ряды труб 204 и 206 для проточного соединения теплоотводов (или других охлаждающих элементов) второй и третьей ступеней охлаждения с дополнительной жидкостной смесительной магистралью 202. Возможны и другие конструкции, в которых используется больше столбцов и дополнительные жидкостные смесительные магистрали.

[0048] Как уже говорилось ранее, жидкостная смесительная магистраль может иметь V-образную форму, как показано на Фиг.7, или прямолинейную форму, как показано на Фиг. 8, или круглую форму, как показано на Фиг. 9. Жидкостная смесительная магистраль 300, изображенная на Фиг. 7, имеет входящую трубу 302 и исходящую трубу 304, жидкостная смесительная магистраль 400 имеет входящую трубу 402 и исходящую трубу 404, и жидкостная смесительная магистраль 500, показанная на Фиг. 9, имеет входящую трубу 502 и исходящую трубу 504.

[0049] В другом иллюстративном варианте выполнения не все теплоотводы (или другие охлаждающие элементы) секции охлаждения соединены с жидкостной смесительной магистралью. Например, на Фиг. 10 показан такой вариант выполнения, в котором система 600 охлаждения содержит жидкостную впускную магистраль 602, жидкостную смесительную магистраль 604 и жидкостную выпускную магистраль 606. Тем не менее, теплоотвод 608 первой ступени 616 охлаждения соединен с жидкостной смесительной магистралью 604, а затем с теплоотводом 610 второй ступени 618 охлаждения, тогда как другой теплоотвод 612 первой ступени 616 охлаждения непосредственно соединен с теплоотводом 614 второй ступени 618 охлаждения. Возможны другие комбинации соединений между теплоотводами и жидкостной смесительной магистралью, и они также охватываются иллюстративными вариантами выполнения.

[0050] Один или несколько новых иллюстративных вариантов выполнения, описанных выше, предпочтительно обеспечивают равномерное распределение температуры в потоках жидкости, подаваемой для охлаждения силовых полупроводниковых переключателей. Кроме того, один или несколько из этих вариантов выполнения обеспечивает лучшее распределение потока жидкости и/или уменьшение размеров конструкции системы охлаждения, когда переключающие элементы различных столбцов нагреваются при различных температурах.

[0051] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения для устройства преобразования энергии могут иметь место следующие правила. Для параллельных ветвей размещают охлаждающие элементы (например, теплоотводы) с одинаковым падением давления в параллельных соединениях для электрических элементов с высокими потерями, чувствительных к температуре (например, проводящих ток с возможностью выключения, отказа и т.д.). Максимальное количество охлаждающих элементов в параллели ограничено максимально допустимым расходом системы охлаждения. Охлаждающие элементы для наиболее чувствительных к температуре электрических элементов с высокими потерями размещают параллельно в первой ступени охлаждения системы охлаждения, а впоследствии соединяют с впускным отверстием смесительной магистрали.

[0052] Для последовательных ветвей охлаждающие элементы с различными перепадами давления и те, которые соединены с менее чувствительными к температуре электрическими элементами, могут быть размещены последовательно, чтобы уменьшить расход. Максимальное количество охлаждающих элементов, которое может быть соединено последовательно, ограничено суммарным допустимым перепадом давления и максимальной температурой на входе последней ступени. Несколько последовательных ветвей охлаждающих элементов (предпочтительно выполненных в соответствии с топологией электрической схемы, например элементы фаз А, В, С в последовательном соединении) могут быть соединены параллельно.

[0053] Что касается использования смесительной магистрали, если потери тех электрических элементов, которые соединены с параллельными охлаждающими элементами, меняются в зависимости от рабочих условий, то потоки охлаждающей жидкости смешивают в смесительной магистрали перед подачей охлаждающей жидкости далее к расположенным ниже по потоку охлаждающим элементам.

[0054] Смесительная магистраль может быть выполнена из алюминия, меди, нержавеющей стали, Тефлона или из шланга из силиконовой резины.

[0055] В соответствии с иллюстративным вариантом выполнения, проиллюстрированным на Фиг. 11, предусмотрен способ охлаждения устройства преобразования энергии. Способ включает этап 1100 подачи охлаждающей жидкости в жидкостную впускную магистраль; этап 1102 передачи охлаждающей жидкости из жидкостной впускной магистрали в теплоотводы первой ступени охлаждения устройства преобразования энергии; этап 1104 охлаждения теплоотводов первой ступени охлаждения; этап 1106 приема в жидкостную смесительную магистраль из первой ступени охлаждения потоков нагретой охлаждающей жидкости, имеющих различные температуры; этап 1108 смешивания потоков нагретой жидкости в жидкостной смесительной магистрали; этап 1110 подачи смешанных потоков жидкости в теплоотводы второй ступени охлаждения устройства преобразования энергии и этап 1112 сбора потоков охлаждающей жидкости из второй ступени охлаждения в жидкостную выпускную магистраль.

[0056] Раскрытые иллюстративные варианты выполнения обеспечивают систему и способ для лучшего охлаждения силового блока с несколькими столбцами и/или преобразователя энергии с несколькими охлаждающими ветвями. Следует понимать, что это описание не предназначено для ограничения изобретения. Напротив, иллюстративные варианты выполнения предназначены для охвата альтернатив, модификаций и эквивалентов, которые включены в рамки сущности и объема изобретения, как это определено прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, в подробном описании иллюстративных вариантов выполнения многочисленные конкретные детали изложены для того, чтобы обеспечить полное понимание заявленного изобретения. Тем не менее, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные варианты выполнения могут применяться на практике без таких конкретных деталей.

[0057] Хотя признаки и элементы настоящих иллюстративных вариантов выполнения описаны в этих вариантах выполнения в конкретных комбинациях, каждый признак или элемент может использоваться отдельно без других признаков и элементов вариантов выполнения, или в различных комбинациях с другими признаками и элементами, раскрытых в настоящем документе, или без них.

[0058] Это описание использует примеры раскрытого предмета изобретения, чтобы обеспечить любому специалисту в данной области техники возможность использования изобретения на практике, в том числе изготавливать и использовать любые устройства или системы и выполнять любые включенные способы. Патентоспособный объем предмета изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые будут очевидны специалистам в данной области техники. Такие другие примеры предназначены быть в пределах объема формулы изобретения.

Изобретение относится к механизмам и способам эффективного охлаждения устройств преобразования энергии. Представлены способ и система охлаждения, которая охлаждает силовой блок в устройстве преобразования энергии. Система жидкостного охлаждения содержит первую ступень охлаждения, которая содержит первые охлаждающие элементы, соединенные с образованием параллельных охлаждающих ветвей, смесительную магистраль, выполненную с возможностью проточного соединения с параллельными охлаждающими ветвями с обеспечением смешивания потоков охлаждающей жидкости из параллельных охлаждающих ветвей в смесительной магистрали, и вторую ступень охлаждения, которая содержит вторые охлаждающие элементы для охлаждающей жидкости, протекающей через систему охлаждения, вторая ступень охлаждения соединена последовательно с первой ступенью охлаждения. Изобретение обеспечивает повышение эффективности охлаждения. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Система жидкостного охлаждения для устройства преобразования энергии, содержащая:
первую ступень охлаждения, содержащую первые охлаждающие элементы устройства преобразования энергии, которые соединены с образованием параллельных охлаждающих ветвей,
смесительную магистраль, выполненную с возможностью проточного соединения с параллельными охлаждающими ветвями с обеспечением смешивания потоков охлаждающей жидкости из параллельных охлаждающих ветвей в смесительной магистрали, и
вторую ступень охлаждения, содержащую вторые охлаждающие элементы, причем для охлаждающей жидкости, протекающей через систему охлаждения, вторая ступень охлаждения соединена последовательно с первой ступенью охлаждения,
при этом потоки охлаждающей жидкости из первой ступени охлаждения смешиваются вместе в смесительной магистрали перед подачей во вторую ступень охлаждения.

2. Система по п. 1, в которой по меньшей мере одна ветвь параллельных охлаждающих ветвей в первой ступени охлаждения содержит несколько охлаждающих элементов.

3. Система по п. 2, в которой указанные несколько охлаждающих элементов представляют собой охлаждающие трубы и теплоотводы, проточно соединенные последовательно.

4. Система по п. 1, в которой охлаждающий элемент из первых или вторых охлаждающих элементов имеет сторону, находящуюся в непосредственном контакте со стороной электрического элемента, или охлаждающий элемент выполнен с электрическим элементом как единое целое.

5. Система по п. 1, дополнительно содержащая первые электрические элементы, выполненные с возможностью охлаждения первыми охлаждающими элементами первой ступени охлаждения, и вторые электрические элементы, выполненные с возможностью охлаждения вторыми охлаждающими элементами второй ступени охлаждения.

6. Система по п. 5, в которой первые электрические элементы или вторые электрические элементы включают одно или более из следующего: сопротивление, катушка индуктивности, конденсатор или силовой полупроводниковый переключатель.

7. Система по п. 6, в которой силовой полупроводниковый переключатель представляет собой одно из следующего: IGCT в пластмассовом плоском корпусе, IGBT в пластмассовом плоском корпусе, IEGT в пластмассовом плоском корпусе, SCR, модуль IGBT, MOSFET или диод в пластмассовом плоском корпусе.

8. Система по п. 1, дополнительно содержащая по меньшей мере одну третью ступень охлаждения, последовательно соединенную со второй ступенью охлаждения и содержащую одну или несколько охлаждающих ветвей.

9. Система по п. 1, в которой первая ступень охлаждения связана со столбцом, содержащим силовые полупроводниковые переключатели, а вторая ступень охлаждения связана с двумя столбцами, которые содержат силовые полупроводниковые переключатели.

10. Система по п. 1, дополнительно содержащая:
жидкостную впускную магистраль, проточно соединенную с параллельными охлаждающими ветвями первой ступени охлаждения,
смесительную магистраль, выполненную с возможностью (i) получения из первой ступени охлаждения потоков нагретой охлаждающей жидкости, имеющих различные температуры, (ii) смешивания потоков нагретой охлаждающей жидкости, чтобы они приобрели по существу одну температуру, и (iii) подачи смешанных потоков охлаждающей жидкости во вторые охлаждающие элементы второй ступени охлаждения, и
жидкостную выпускную магистраль, проточно соединенную со вторыми охлаждающими элементами второй ступени охлаждения.

11. Система по п. 10, в которой первая ступень охлаждения дополнительно содержит:
входящую трубу, присоединенную между жидкостной впускной магистралью и теплоотводами первой ступени охлаждения, и
исходящую трубу, присоединенную между теплоотводами первой ступени охлаждения и смесительной магистралью,
причем теплоотводы первой ступени охлаждения связаны с первым столбцом электрических элементов.

12. Система по п. 11, в которой вторая ступень охлаждения дополнительно содержит:
входящую трубу, расположенную между смесительной магистралью и теплоотводами второй ступени охлаждения, связанными со вторым столбцом электрических элементов,
промежуточную трубу, расположенную между теплоотводами второй ступени охлаждения, связанными со вторым столбцом, и теплоотводами второй ступени охлаждения, связанными с третьим столбцом электрических элементов, и
исходящую трубу, расположенную между теплоотводами второй ступени охлаждения, связанными с третьим столбцом, и жидкостной выпускной магистралью,
причем указанные входящая труба, промежуточная труба и исходящая труба соединены последовательно между жидкостной смесительной магистралью и жидкостной выпускной магистралью.

13. Система по п. 1, в которой смесительная магистраль имеет U-образную форму.

14. Система по п. 1, в которой смесительная магистраль имеет V-образную форму, прямолинейную форму или круглую форму.

15. Система по п. 1, дополнительно содержащая смесительный механизм, присоединенный к смесительной магистрали для содействия смешиванию потоков охлаждающей жидкости.

16. Система по п. 1, дополнительно содержащая дополнительную смесительную магистраль, присоединенную между второй ступенью охлаждения и третьей ступенью охлаждения.

17. Устройство преобразования энергии, содержащее:
силовой блок, содержащий первые и вторые электрические элементы, впускную магистраль, проточно соединенную с первой ступенью охлаждения устройства преобразования энергии и выполненную с возможностью подачи охлаждающей текучей среды в первую ступень охлаждения для охлаждения первых электрических элементов, связанных с первой ступенью охлаждения,
смесительную магистраль, проточно соединенную с первой ступенью охлаждения и выполненную с возможностью (i) получения из первой ступени охлаждения потоков нагретой охлаждающей жидкости, имеющих различные температуры, (ii) смешивания потоков нагретой охлаждающей жидкости, чтобы они приобрели по существу одну температуру, и (iii) подачи смешанных потоков охлаждающей жидкости во вторую ступень охлаждения устройства преобразования энергии для охлаждения вторых электрических элементов, связанных со второй ступенью охлаждения, и
выпускную магистраль, проточно соединенную со второй ступенью охлаждения устройства преобразования энергии и выполненную с возможностью приема смешанных потоков охлаждающей жидкости из второй ступени охлаждения.

18. Устройство по п. 17, в котором смесительная магистраль имеет U-образную форму.

19. Устройство по п. 17, дополнительно содержащее охлаждающие ветви, которые соединяют впускную магистраль непосредственно с выпускной магистралью.

20. Способ охлаждения устройства преобразования энергии, включающий:
подачу охлаждающей жидкости во впускную магистраль,
перенос охлаждающей жидкости из впускной магистрали к теплоотводам первой ступени охлаждения устройства преобразования энергии, причем теплоотводы расположены на параллельных охлаждающих ветвях,
охлаждение теплоотводов первой ступени охлаждения,
прием в смесительной магистрали потоков нагретой охлаждающей жидкости, имеющих различные температуры, из параллельных охлаждающих ветвей первой ступени охлаждения,
смешивание потоков нагретой охлаждающей жидкости в смесительной магистрали,
подачу смешанных потоков охлаждающей жидкости в теплоотводы второй ступени охлаждения устройства преобразования энергии и
сбор смешанных потоков охлаждающей жидкости из второй ступени охлаждения в выпускную магистраль, соединенную со второй ступенью охлаждения.