用于功率电子器件单元的混合冷却的制作方法

用于功率电子器件单元的混合冷却
1.对相关申请的交叉引用本技术要求在2020年5月5日提交的序号为62/704328的美国临时申请的权益，所述美国临时申请的内容特此以其整体并入。


背景技术：

2.制冷卡车和拖车普遍地用于运输易腐烂商品，诸如，例如农产品、肉、家禽、鱼、乳制品、切花以及其它新鲜或冻结的易腐烂产品。为了保存易腐烂商品，典型地，运输制冷单元(tru)安装到卡车或安装到拖车。运输制冷单元包括用以使制冷剂在运输制冷单元内循环的压缩机。压缩机可被机械地(例如，使用直接机械联接或带驱动)或电气地驱动。当被机械地驱动时，压缩机从车辆发动机得到动力。当被电气地驱动时，压缩机可从发电机或机载电池得到动力。
3.压缩机的占空比(duty cycle)可取决于各种因素而变化，诸如，例如环境温度、货物的类型和体积、对于货物空间的期望的温度以及货物空间打开以便装载或卸载的频率和时长。在大部分的运行时间期间，压缩机可正以小于满负荷运作，并且偶尔可完全切断。出于效率的目的，因此，提供用于使压缩机的运行(例如，速度)变化的控制系统是很常见的。可控制压缩机的运行的一种方式是通过使用功率电子器件单元。例如，功率电子器件单元可用于选择性地使供应到压缩机的功率变化(例如，通过使电流、电压和/或频率变化)。照此，功率电子器件单元在被包括时可为用于运输制冷单元的关键性构件。
4.如果未被适当地冷却，则功率电子器件单元可能过热，过热可能损坏功率电子器件单元内的电路构件(例如，可能使得功率电子器件单元不能运行)和/或引起产品安全问题(例如，起因于热量的生成)。为了防止或至少缓解功率电子器件单元的可能的过热，已探讨液体冷却。例如，在运输制冷单元的蒸汽压缩循环内，先前的运输制冷单元已包括功率电子器件单元，在其中通过使制冷剂的整个体积经过功率电子器件单元(例如，与压缩机串联)而使整个功率电子器件单元冷却。然而，利用来自运输制冷单元的制冷剂来使整个功率电子器件单元冷却可能影响运输制冷单元为易腐烂商品提供高效冷却的能力，因为，添加热源(即，功率电子器件单元)将增大冷却负荷。
5.因此，依然存在对更高效的系统和将对使用于冷却的流体的来源(例如，运输制冷单元)的影响最小化的冷却功率电子器件单元的方法的需求。


技术实现要素：

6.根据一个实施例，提供了蒸汽压缩系统，其包括压缩机、蒸发器以及功率电子器件单元。压缩机包括用于增大工作流体的压力的电驱动马达。蒸发器与压缩机处于流体连通。蒸发器构造成用于将热量从外部介质传递到工作流体。功率电子器件单元用于控制电功率至电驱动马达的传递。功率电子器件单元包括半导体部分和电感器部分。半导体部分包括构造成用于从半导体部分传递热量的至少一个风扇。电感器部分包括构造成用于接收工作流体的至少部分的至少一个管道。工作流体构造成用于从电感器部分传递热量。
7.根据额外或备选的实施例，电感器部分从蒸发器的上游接收工作流体的至少部分。
8.根据额外或备选的实施例，来自电感器部分的工作流体传递到压缩机。
9.根据额外或备选的实施例，来自电感器部分的工作流体传递到蒸发器。
10.根据额外或备选的实施例，由功率电子器件单元生成的热量与传递至电驱动马达的电功率成比例。
11.根据额外或备选的实施例，由功率电子器件单元生成的热量的至少60%来源于半导体部分。
12.根据额外或备选的实施例，由功率电子器件单元生成的热量的少于40%来源于电感器部分。
13.根据额外或备选的实施例，所述至少一个风扇传递来源于半导体部分的热量中的基本上全部。
14.根据额外或备选的实施例，工作流体传递来源于电感器部分的热量中的基本上全部。
15.根据额外或备选的实施例，工作流体是制冷剂。
16.根据本公开的另一方面，提供了一种包括半导体部分和电感器部分的功率电子器件单元。半导体部分包括构造成用于从半导体部分传递热量的至少一个风扇。电感器部分包括构造成用于接收工作流体的至少一个管道。工作流体构造成用于从电感器部分传递热量。
17.根据额外或备选的实施例，由功率电子器件单元生成的热量的至少60%来源于半导体部分。
18.根据额外或备选的实施例，由功率电子器件单元生成的热量的少于40%来源于电感器部分。
19.根据额外或备选的实施例，所述至少一个风扇传递来源于半导体部分的热量中的基本上全部。
20.根据额外或备选的实施例，工作流体传递来源于电感器部分的热量中的基本上全部。
21.根据本公开的另一方面，提供了一种使功率电子器件单元冷却的方法。功率电子器件单元包括带有至少一个风扇的半导体部分和带有至少一个管道的电感器部分。该方法包括用于使工作流体经过管道的步骤。工作流体从电感器部分传递热量。该方法包括用于运行至少一个风扇以从半导体部分传递热量的步骤。
22.根据额外或备选的实施例，该方法进一步包括将电功率从功率电子器件单元传递到压缩机的电驱动马达，压缩机构造成用于改变工作流体的压力。
23.根据额外或备选的实施例，由功率电子器件单元生成的热量与传递至电驱动马达的电功率成比例。
24.根据额外或备选的实施例，由功率电子器件单元生成的热量的至少60%来源于半导体部分，来源于半导体的热量中的基本上全部由所述至少一个风扇传递。
25.根据额外或备选的实施例，由功率电子器件单元生成的热量的少于40%来源于电感器部分，来源于电感器部分的热量中的基本上全部由工作流体传递。
附图说明
26.被视为本公开的主题在说明书的结尾处的权利要求中尤其被指出并且清楚地要求保护。下文对附图的描述不应当以任何方式被认为是限制性的。参考附图，类似的元件同样地编号：图1是根据本公开的一个方面的蒸汽压缩系统的示意性图示，其包括压缩机、冷凝器、蒸发器以及膨胀阀，其中，功率电子器件单元从蒸发器的上游接收工作流体，并且，来自功率电子器件单元的工作流体传递到压缩机。
27.图2是根据本公开的一个方面的蒸汽压缩系统的示意性图示，其包括压缩机、冷凝器、蒸发器以及膨胀阀，其中，功率电子器件单元从蒸发器的上游接收工作流体，并且，来自功率电子器件单元的工作流体传递到蒸发器。
28.图3是根据本公开的一个方面的带有半导体部分和电感器部分的功率电子器件单元的透视图，其在图1和图2中示出。
29.图4是图示根据本公开的一个方面的冷却功率电子器件单元的方法的流程图。
具体实施方式
30.蒸汽压缩系统(例如，并入于运输制冷单元内)普遍地包括压缩机、冷凝器、膨胀阀以及蒸发器。制冷剂循环通过蒸汽压缩系统，以便向介质(例如，卡车/拖车的货物空间内的空气)提供冷却。制冷剂在高压和高焓下通过排放端口离开压缩机。制冷剂然后在高压下流过冷凝器并且将热量放出到外部流体介质(例如，空气源或水源)。制冷剂然后流过使制冷剂膨胀到低压的膨胀阀。在膨胀之后，制冷剂流过蒸发器并且从另一介质(例如，空气)吸收热量。制冷剂然后通过吸入端口再次进入压缩机，从而完成循环。
31.为了增加或减少冷却，可调整压缩机的运行(例如，速度)。例如，为了增加冷却，制冷剂可以以提高的速率在蒸汽压缩系统内循环，并且相反地，为了减少冷却，制冷剂可以以较慢的速率循环。为了控制压缩机的运行，可利用功率电子器件单元。应当理解，功率电子器件单元可为能够使压缩机的速度变化的任何电子装置/系统。功率电子器件单元可包括多个构件，其中的每个可能需要不同的冷却量。例如，特定构件可能产生更多的热量并且因而可能要求更大程度的冷却。在某些实例中，功率电子器件单元的至少部分使用来自(例如，运输制冷单元的)蒸汽压缩系统的制冷剂的至少部分来冷却。为了减少对制冷剂的来源的影响，提供混合冷却系统。混合冷却系统是合并强制空气冷却和液体冷却两者的系统。
32.现在参考附图，在图1中示出蒸汽压缩系统100的示意性图示，其包括压缩机110、冷凝器150、蒸发器120以及膨胀阀140，其中功率电子器件单元130从蒸发器120的上游接收工作流体。应当意识到，工作流体可为能够传递热量的任何流体(例如，水、制冷剂、盐水等等)。预想到，工作流体通过功率电子器件单元130的驱动力可为来自蒸汽压缩系统100的压缩机110(例如，在其中不需要与蒸汽压缩系统100的现有的压缩机110分离的额外的压缩机或泵)。压缩机110包括用于增大工作流体的压力的电驱动马达111。预想到，电驱动马达111可为可安装到压缩机110的ac或dc马达。蒸发器120与压缩机110处于流体连通。处于流体连通可被解释为意味着蒸发器120和压缩机110被包括在同一蒸汽压缩系统100内(例如，在其中经过蒸发器120的工作流体也经过压缩机110)。蒸发器120构造成用于将热量从外部介质(例如，空气源或水源)传递到工作流体。
33.功率电子器件单元130用于控制(例如，通过一个或多个有线连接)传递至电驱动马达111的电功率(例如，来自运输制冷单元内的机载电池)。功率电子器件单元130包括半导体部分132和电感器部分131。半导体部分132包括构造成用于从半导体部分132传递热量的至少一个风扇133。电感器部分131包括构造成用于接收工作流体的至少部分(例如，来自蒸发器120的上游)的至少一个管道134。工作流体用于传递来自电感器部分131的热量。
34.一旦工作流体被功率电子器件单元130用于将热量从电感器部分131排除，则其可输送到压缩机110(如在图1中示出的那样)或输送到蒸发器120(如在图2中示出的那样)。在某些实例中，工作流体可从功率电子器件单元130输送到压缩机110和蒸发器120两者。例如，工作流体的部分可从功率电子器件单元130输送到压缩机110，并且，工作流体的部分可从功率电子器件单元130输送到蒸发器120。当电感器部分131所产生的热量未充分地高到足以利用工作流体的全部的冷却能力时，将工作流体从功率电子器件单元130输送到蒸发器120可为有利的。相反地，当电感器部分131所产生的热量充分地高到足以利用工作流体的大部分的冷却能力时，将工作流体从功率电子器件单元130输送到压缩机110可为有利的。
35.由功率电子器件单元130生成的热量可与传递至压缩机110的电驱动马达111的电功率成比例。例如，当较多的电功率传递到电驱动马达111时，功率电子器件单元130可生成较多的热量，并且，当较少的电功率传递到电驱动马达111时，功率电子器件单元130可生成较少的热量。无论所生成的热量的量如何，功率电子器件单元130都可在一个部分中比在另一个部分中生成更多的热量。例如，半导体部分132可比电感器部分131生成更多的热量。在某些实例中，由功率电子器件单元130生成的热量的至少60%来源于半导体部分132。在某些实例中，由功率电子器件单元130生成的热量的少于40%来源于电感器部分131。为了使对蒸汽压缩系统(例如，在运输制冷单元内)的影响最小化，半导体部分132可为空气冷却式(例如，使用一个或多个风扇133)。
36.例如，至少一个风扇133可用于传递来源于半导体部分132的热量中的基本上全部。这可被解释为意味着半导体部分132不可使用工作流体的任何冷却能力来冷却。代替利用工作流体来使半导体部分132和电感器部分131两者冷却，系统100仅仅使用工作流体来使电感器部分131冷却。在某些实例中，工作流体传递来源于电感器部分131的热量中的基本上全部。这可被解释为意味着电感器部分可仅使用工作流体来冷却。然而，应当意识到，一个或多个风扇133可用于排除由电感器部分131生成的热量的至少部分。例如，用于半导体部分132的风扇133可构造成用于指引空气流穿过半导体部分132和电感器部分131两者。然而，预想到，电感器部分131可具有致力于使电感器部分131冷却的单独的风扇(未示出)。
37.通过将液体冷却限制于仅电感器部分131，功率电子器件单元130对蒸汽压缩系统100的影响被最小化(例如，与将液体冷却用于整个功率电子器件单元130的过程相比，最小化了至少60%)。代替如已在先前的应用中进行的那样使用来自蒸汽压缩系统100的工作流体来使整个功率电子器件单元130冷却，该系统100利用混合冷却技术来仅向电感器部分131提供液体冷却。如上文中所提到的那样，电感器部分131负责由功率电子器件单元130生成的热量的少于40%，其中热量的剩余的量(例如，至少60%)可归属于使用至少一个风扇133来冷却的半导体部分132。
38.应当意识到，由于构件的形状(例如，半导体部分132的形状)的原因，将液体冷却
限制于仅电感器部分131的能力可为可能的。如在图3中所示出的那样，半导体部分132可设计成相对平坦，这可使得半导体部分132比电感器部分131(例如，其可具有复杂的三维结构)更容易利用空气(例如，利用设置于半导体部分132附近的一个或多个风扇133)来冷却。为了向电感器部分131提供液体冷却，一个或多个管道134可用于使工作流体(例如，制冷剂)围绕或通过电感器部分131循环。如所示出的那样，工作流体不可围绕或通过半导体部分132流过管道134，并且照此不可提供针对半导体部分132的任何冷却。如上所述，该冷却方法可减少功率电子器件单元130对工作流体的来源(例如，蒸汽压缩系统100)的影响。
39.在图4中示出使功率电子器件单元130冷却的该方法800。可例如使用图3中所示出的示例性的功率电子器件单元130和/或在图1和图2中所示出的示例性的蒸汽压缩系统来完成该方法800。如上所述，该方法800可设置成用于针对功率电子器件单元130的半导体部分132的强制空气冷却(例如，使用一个或多个风扇133)和针对功率电子器件单元130的电感器部分131的液体冷却(例如，使用一个或多个管道134)。该方法800包括用于将工作流体通过管道134传到功率电子器件单元130的电感器部分131以从电感器部分131传递热量的步骤810。方法800还包括用于运行至少一个风扇133以从功率电子器件单元130的半导体部分132传递热量的步骤820。如上所述，该方法800可相对于将液体冷却用于整个功率电子器件单元130的过程将功率电子器件单元130对工作流体的来源的影响减少至少60%。
40.除非在本文中另外指示或与上下文明显地相矛盾，否则在描述本发明的上下文中使用术语“一”和“一个”和“该”以及类似参考将被解释成涵盖单数形式和复数形式两者。除非另外要求保护，否则本文中所提供的任何示例和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”、“例如”、“比如”等等)的使用仅仅旨在更好地阐明本发明并且未对本发明的范围造成限制。说明书中的语言不应当被解释为指示如对本发明的实践必不可少的任何未要求保护的元件。
41.虽然已参考(一个或多个)示例性实施例而描述本公开，但本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可作出各种改变，并且，等同物可替代其元件。另外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可作出许多修改，以使特定情形或材料适于本公开的教导。因此，旨在本公开不限于作为对于实施本公开而预期的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入权利要求的范围内的所有实施例。