專利名稱：用以冷卻制冷壓縮機(jī)驅(qū)動裝置動力電子器件的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以冷卻與制冷壓縮機(jī)相關(guān)的變頻驅(qū)動裝置的電子器件的方法和設(shè)備。
使用在許多制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)通常需要對壓縮機(jī)的電動機(jī)速度進(jìn)行嚴(yán)密的控制，以在變化的負(fù)荷條件下將該系統(tǒng)保持在需要的限定范圍內(nèi)。因此壓縮機(jī)裝配有變頻驅(qū)動裝置(VFD)，變頻驅(qū)動裝置包含有絕緣柵雙極晶體管形式的動力電子器件，該電子器件可能會過熱，因此需要冷卻。給這些電子器件提供冷卻、通常所能接受的方法是將晶體管安裝在一散熱片上，并且通過在散熱片內(nèi)部或周圍循環(huán)散熱劑，從而將熱量從散熱片上帶走。散熱片和冷卻系統(tǒng)的性能成了決定VFD容量的主要因素。
散熱片通常是相對較大的塊狀材料的形式，它具有很好的熱傳導(dǎo)和熱慣性性能。一流通通道形成在塊狀物中，散熱劑通過該通道循環(huán)，它吸收了過多的熱量且將其帶出系統(tǒng)。
用水來冷卻VFD散熱片已被證明是冷卻VFD晶體管的一種滿意的方法，但是，水冷卻難以控制，并且散熱片溫度有時會超出需要的運行范圍。這又會產(chǎn)生VFD電子器件的過熱和阻礙制冷系統(tǒng)的運作。此外，水冷卻回路需要額外的水控制構(gòu)件，例如水泵、熱交換器及需要將熱量從晶體管傳送到外部環(huán)境的此類裝置。此類冷卻裝置一般較為復(fù)雜、成本高且需要很大的安裝空間。
因此本發(fā)明的一個基本目的是改進(jìn)制冷系統(tǒng)。
一種閉合回路制冷系統(tǒng)可以達(dá)到該目的，該系統(tǒng)具有通過制冷管路串聯(lián)連接的一冷凝器、一蒸發(fā)器和一壓縮機(jī)及位于一個制冷管路中用來調(diào)節(jié)在冷凝器和蒸發(fā)器之間從高壓流向低壓的制冷劑的一膨脹器。一變頻驅(qū)動裝置與壓縮機(jī)相連，它包含有會產(chǎn)生熱量的絕緣柵雙極晶體管形式的電子器件，該電子器件需要加以冷卻。該電子器件與較好熱傳導(dǎo)性能的塊狀材料安裝成具有熱傳導(dǎo)關(guān)系。該塊狀材料作為散熱片將熱量從動力電子器件上帶走。設(shè)置了一流通回路，以將制冷劑從系統(tǒng)的冷凝器通過散熱片傳送到系統(tǒng)壓縮機(jī)的入口。一膨脹閥安裝在流通回路中，它控制在回路中流動的制冷劑的膨脹，由此給散熱片和其上的電子器件提供冷卻。
為了更好地理解本發(fā)明的這些和其他目的，結(jié)合附圖，參見以下本發(fā)明的詳盡描述，在附圖中

圖1是結(jié)合本發(fā)明的一制冷系統(tǒng)的示意圖；圖2是涉及本發(fā)明又一實施例的與圖1類似的示意圖；圖3仍然是涉及本發(fā)明又一實施例的示意圖；圖4是本發(fā)明另一實施例的示意圖；以及圖5是適于使用在本發(fā)明實踐中的一溫度膨脹控制閥的放大后的側(cè)視圖。
首先參見圖1，它簡要示出了以10標(biāo)示的一制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了卡諾制冷循環(huán)，該循環(huán)具有可操作地連接到各種系統(tǒng)構(gòu)件上的一系列制冷管路12。該系統(tǒng)還具有通過一制冷管路12連接到一壓縮機(jī)15出口側(cè)的一冷凝器13。而該冷凝器又與一蒸發(fā)器17相串聯(lián)，蒸發(fā)器17的出口借助于一制冷管路連接到該壓縮機(jī)的入口側(cè)，以完成該系統(tǒng)的回路。一膨脹器20安裝在冷凝器和蒸發(fā)器之間的制冷管路上，它將從冷凝器出來的高壓制冷劑通過膨脹而使其成為低溫低壓。膨脹器可以是此類裝置中的任何一種，例如本領(lǐng)域中眾所周知和使用的節(jié)流閥或毛細(xì)管。
需要冷卻的物質(zhì)流經(jīng)與低溫制冷劑有熱傳遞關(guān)系的蒸發(fā)器。在冷卻過程中吸收了熱量的制冷劑在一相當(dāng)?shù)偷膲毫ο卤徽舭l(fā)，而后制冷劑蒸汽被傳送到壓縮機(jī)入口，以通過該系統(tǒng)再次循環(huán)。
該壓縮機(jī)的電動機(jī)裝配有控制發(fā)動機(jī)速度的變頻驅(qū)動裝置(VFD)25。該裝置以虛線示出在圖1中。在該領(lǐng)域中眾所周知，VFD一般容納有需要冷卻的動力電子器件，以使驅(qū)動裝置能在該系統(tǒng)運行范圍中的最優(yōu)條件下運作。在實踐中，需要冷卻的電子器件通常是圖中以27簡要示出的絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。如上所述，迄今該電子器件是通過將其與一散熱片放置成熱傳遞關(guān)系和循環(huán)冷卻水進(jìn)行冷卻的。此類冷卻系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，需要較大的空間，且難以控制。
如圖1所示，VFD的電子器件直接安裝在一散熱片30上，散熱片30形成了在此所說的VFD蒸發(fā)器29的一部分。該散熱片是用具有較高熱傳導(dǎo)系數(shù)的塊狀材料構(gòu)造，因此該電子器件所產(chǎn)生的熱能被快速傳遞走且吸入到散熱片中。一內(nèi)部流通通道32安裝該塊狀材料中。該通道沿一彎曲路徑通過該塊狀材料，以提供通道和散熱片之間最大的接觸面。在實踐中，該流通通道可以是嵌入散熱片中的一段銅管或者類似物，并且它具有一入口33和一出口34。
內(nèi)部流通通道的入口33通過一供給管36連接在該系統(tǒng)冷凝器的制冷劑出口35上。而該流通通道的出口通過一排放管39連接在壓縮機(jī)入口上。以40標(biāo)示的一控制閥容納在供給管中，通過控制閥，制冷劑從較高的冷凝器壓力調(diào)節(jié)到一較低的壓力，由此給散熱片提供低溫的制冷劑來冷卻該電子器件。
控制閥40的細(xì)節(jié)示出在圖5中。該閥具有嵌入散熱片中的一探測頭42，探測頭42盡可能地接近該電子器件，以最佳地測定運行溫度。該閥可以是能對探測頭所感應(yīng)的溫度作出響應(yīng)的一溫控閥，或者是能對散熱片中溫度變化所導(dǎo)致的在探測頭處的壓力變化作出響應(yīng)的一溫度膨脹閥。在本實施例中，該閥是一個溫度膨脹閥，它具有安裝在殼體44內(nèi)部的一橫隔膜43。依據(jù)散熱片的溫度，球狀測頭的壓力有所變化，隨之設(shè)定了橫隔膜的上側(cè)腔體45上的壓力。橫隔膜下側(cè)腔體46上的壓力由一預(yù)設(shè)的可調(diào)節(jié)彈簧47和一均壓端口49來決定，均壓端口49在腔體的低壓側(cè)和閥門體50的低壓側(cè)之間延伸。橫過該閥的橫隔膜的壓力平衡使閥門體定位在閥通道中，由此控制提供給散熱片的冷卻量。較佳地，將散熱片的溫度控制在90°F至140°F的范圍內(nèi)。
從以上公開可以看出，帶有內(nèi)部流通通道的散熱片可作為用于VFD的制冷劑蒸發(fā)器，通過利用制冷循環(huán)給電子器件提供嚴(yán)密控制的冷卻，以從VFD中除去熱量?？梢钥闯?，傳遞到VFD蒸發(fā)器中制冷劑的熱量被該系統(tǒng)的壓縮機(jī)傳導(dǎo)至該系統(tǒng)的冷凝器，在那里，熱量被排放到冷凝器冷卻回路中。
圖2描述的是本發(fā)明的另一實施例，其中相同的構(gòu)件用圖1中相同的標(biāo)號來標(biāo)示。在本發(fā)明的該實施例中，VFD蒸發(fā)器的排放管39連接到系統(tǒng)蒸發(fā)器17中，且與流經(jīng)該蒸發(fā)器進(jìn)行處理的制冷劑結(jié)合在一起。所示的閥探測頭42安裝在VFD蒸發(fā)器的排放管上，而不是嵌入在散熱片中。該探測頭將溫度信息反饋給控制閥40，而控制閥40根據(jù)所感應(yīng)的制冷劑溫度來設(shè)定閥門體的位置，從而將散熱片的溫度保持在冷卻電子器件需要的運行范圍之內(nèi)。
現(xiàn)參見圖3，所示的仍然是本發(fā)明的另一實施例，其中相同的標(biāo)號再次用來標(biāo)示與以上相同的構(gòu)件。在本發(fā)明的該另一實施例中，控制閥40安裝在VFD蒸發(fā)器29的排放管中，在此情況下，控制閥40直接連接在壓縮機(jī)入口處。但是，如上所述，排放管也可以直接連接在該系統(tǒng)上。溫度探測頭42嵌入VFD蒸發(fā)器的散熱片30中，且給控制閥提供相關(guān)的溫度信息。一般從系統(tǒng)冷凝器出來的制冷劑的溫度低于140°F，因此分流入VFD蒸發(fā)器的制冷劑很好地處在冷卻電子器件所需的散熱片溫度范圍之內(nèi)。
圖4所示的仍然是本發(fā)明的另一實施例，其中相同的標(biāo)號再次用來標(biāo)示與以上相同的構(gòu)件。在本發(fā)明的該實施例中，從系統(tǒng)冷凝器出來的制冷劑的一部分通過溫控閥40膨脹進(jìn)入VFD蒸發(fā)器29中。溫度探測頭42還是嵌在散熱片30中，且給微處理器50相關(guān)溫度信息，微處理器50編有處理數(shù)據(jù)的程序，且給控制閥發(fā)出控制信號。其他系統(tǒng)相關(guān)信息也可以送給微處理器，再經(jīng)微處理器處理后達(dá)到需要的閥設(shè)定值，以在系統(tǒng)總體性能消耗最小的條件下給電子器件提供冷卻。
從以上的公開可證實，本發(fā)明是對制冷壓縮機(jī)的變頻驅(qū)動裝置的動力電子器件加以冷卻的一種簡單有效的解決辦法。本系統(tǒng)消除了傳統(tǒng)的水冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性，并且易于安裝，且更能夠控制冷卻過程。因為其有效性，本系統(tǒng)允許比已有技術(shù)中當(dāng)前使用在一制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)驅(qū)動裝置中的那些器件容量更大的電子器件的更為廣泛的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種用于變頻驅(qū)動裝置的動力電子器件的冷卻設(shè)備，所述變頻驅(qū)動裝置用以控制一制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的電動機(jī)，其特征在于一制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)還具有通過制冷管路串聯(lián)連接的一壓縮機(jī)、一冷凝器和一蒸發(fā)器及位于其中一個所述制冷管路中來調(diào)節(jié)在冷凝器和蒸發(fā)器之間流動的制冷劑的一膨脹器，連接在壓縮機(jī)的電動機(jī)上的一變頻驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置包含有需要冷卻的動力電子器件，使制冷劑的一部分從系統(tǒng)冷凝器分流至壓縮機(jī)入口的一個回路，安裝在所述回路中一變頻驅(qū)動蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器與所述變頻驅(qū)動裝置的電子器件存在熱傳導(dǎo)關(guān)系；所述回路中的一控制閥，所述控制閥用以膨脹制冷劑，使其通過所述回路從系統(tǒng)冷凝器處的壓力達(dá)到壓縮機(jī)入口處的壓力，由此冷卻所述電子器件。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述變頻驅(qū)動蒸發(fā)器具有一散熱片，所述散熱片用具有較高熱傳導(dǎo)系數(shù)的塊狀材料制成，所述流通通道穿過所述塊狀材料，其中，所述動力電子器件與所述散熱片安裝成具有熱傳導(dǎo)關(guān)系。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，還具有一溫度探測頭，所述探測頭給所述閥提供相關(guān)的散熱片溫度信息，由此所述閥響應(yīng)所感應(yīng)到的溫度而打開或閉合。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述溫度探測頭嵌響應(yīng)在所述散熱片中。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述探測頭安裝在所述流通回路中的散熱片的下游。
6.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制閥是一溫度膨脹閥，并且還具有能依據(jù)散熱片的溫度給所述閥提供壓力信息的一溫度探測頭。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述探測頭嵌在所述散熱片中。
8.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制閥位于所述散熱片的上游側(cè)。
9.如權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述控制閥位于所述散熱片的下游側(cè)。
10.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，還具有一微處理器，該微處理器被設(shè)置為可接受所述探測頭的輸入數(shù)據(jù)且給所述閥提供一輸出控制信號，以將散熱片溫度保持在需要的溫度范圍之內(nèi)。
11.一種冷卻變頻驅(qū)動裝置(VFD)的動力電子器件的方法，所述變頻驅(qū)動裝置用以控制一制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)的電動機(jī)，其特征在于將VFD的動力電子器件安裝成與一散熱片具有熱傳導(dǎo)關(guān)系，使從制冷冷凝器輸出的制冷劑與散熱片具有熱傳導(dǎo)關(guān)系，將從冷凝器輸出的制冷劑加以膨脹，使其壓力下降至一低壓，以使散熱片溫度保持在需要的范圍之內(nèi)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于還包括以下步驟使從所述散熱片出來的制冷劑進(jìn)入到系統(tǒng)壓縮機(jī)的入口中。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于還包括以下步驟使從所述散熱片出來的制冷劑進(jìn)入到系統(tǒng)蒸發(fā)器中。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于還包括以下步驟在使所述制冷劑與所述散熱片具有熱傳導(dǎo)關(guān)系之前，使所述制冷劑通過一控制閥，從而使其膨脹。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于還包括以下步驟感應(yīng)所述散熱片的溫度，且依據(jù)所述感應(yīng)到的溫度來定位所述控制閥。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于還包括以下步驟感應(yīng)所述散熱片的溫度，將感應(yīng)到的溫度數(shù)據(jù)提供給一微處理器進(jìn)行處理，所述微處理器給所述控制閥提供一輸出信號，以將所述散熱片的溫度保持在需要的范圍之內(nèi)。
全文摘要
用以冷卻變頻驅(qū)動裝置動力電子器件的設(shè)備,該變頻驅(qū)動裝置用于一制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)的電動機(jī)。該電子器件安裝在一散熱片上,來自該系統(tǒng)冷凝器的制冷劑借助于一流通管路通過該散熱片,并且返回到該系統(tǒng)的低壓側(cè)。一控制閥安裝在流通管中,它調(diào)節(jié)通過管路的制冷劑,使散熱片冷卻,以將該電子器件的溫度保持在需要的范圍之內(nèi)。
文檔編號F25B5/02GK1266978SQ0010431
公開日2000年9月20日 申請日期2000年3月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月15日
發(fā)明者邁克爾·A·斯塔克 申請人:開利公司