一種用於動車牽引變流器的熱管理系統的製作方法
2023-11-05 22:56:02
一種用於動車牽引變流器的熱管理系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於動車牽引變流器的熱管理系統，包括主冷凝器、壓縮機、變流器蒸發器和變流器內循環風機，主冷凝器和壓縮機安裝於動車頂部的空調櫃內，變流器蒸發器和變流器內循環風機安裝於動車底部的變流器櫃體內；壓縮機將製冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽經主冷凝器後送入變流器櫃體，通過管路接入變流器中各功率模塊上；流經各功率模塊後的製冷劑通過管路送入變流器蒸發器，經變流器蒸發器後送回至壓縮機中；變流器內循環風機朝向變流器蒸發器布置，用來對變流器櫃體內腔吹冷風。本發明具有結構布局更加緊湊、能夠提高動車上變流器整體換熱效率、降低外界環境溫度影響等優點。
【專利說明】
—種用於動車牽引變流器的熱管理系統
【技術領域】
[0001]本發明主要涉及到軌道交通的車輛領域，特指一種適用於動車牽引變流器的熱管理系統。
【背景技術】
[0002]現代化高速動車組中，隨著牽引電機功率越來越大，牽引變流器的散熱問題日益凸顯，這其中包括有IGBT和二極體等大功率半導體器件，也包括變壓器、電抗器、電容等器件。上述器件發熱大，實際散熱的熱流密度也越來越大，但是最高耐受溫度有限，而工作溫度及其波動對電力電子器件的壽命和可靠性有非常大的影響；另外，工作溫度對某些器件的通過電流也有直接關係。在這個領域，各種散熱技術層出不窮，各有優缺點，但是現有的設計中已經存在一些瓶頸。
[0003]雖然現有的風冷、水冷、熱管技術，已經非常成熟，但是由於其最終換熱形式還是由空氣帶走熱量，且變流器的工作溫度是在環溫基礎上的正疊加，溫差只能為正數，且決定於每個環節的效率，因此在環溫達到某一個值時，工作溫度會達到並超過允許值。換言之，其換熱效率和能提供的器件工作溫度已經到了極限，在環溫較高的時候無法滿足要求。對於應用而言，隨著鐵路運輸的快速發展，電力機車的使用範圍越來越廣，因此也面臨著越來越惡劣的外界環境，在某些炎熱的地區，環境溫度甚至會高於50°C。同時，上述結構冷卻形式和結構，還需要巨大的外部散熱器將其熱量帶走。採用對流換熱的形式，依靠氣體和液體的熱容帶走熱量，已經無法滿足一些特定情況下的散熱需求。另外，現有的冷卻形式中，被冷卻器件的工作溫度會受到不同工況的發熱功率以及環溫波動的影響，實際上是不穩定的，在長期溫度波動下，器件會因為熱應力產生疲勞老化。而且，由於其換熱面積與溫差和換熱效率有關，而溫差又不宜過大，換熱效率也有極限，因此導致風冷或水冷換熱器的體積較大。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題就在於:針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種結構布局更加緊湊、能夠提高動車上變流器整體換熱效率、降低外界環境溫度影響的用於動車牽引變流器的熱管理系統。
[0005]為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案:
一種用於動車牽引變流器的熱管理系統，包括主冷凝器、壓縮機、變流器蒸發器和變流器內循環風機，所述主冷凝器和壓縮機安裝於動車頂部的空調櫃內，所述變流器蒸發器和變流器內循環風機安裝於動車底部的變流器櫃體內；所述壓縮機將製冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽經主冷凝器後送入變流器櫃體，通過管路接入變流器中各功率模塊上；流經各功率模塊後的製冷劑通過管路送入所述變流器蒸發器，經所述變流器蒸發器後送回至壓縮機中；所述變流器內循環風機朝向變流器蒸發器布置，用來對變流器櫃體內腔吹冷風。
[0006]作為本發明的進一步改進:所述變流器內循環風機布置於變流器蒸發器與壓縮機之間，所述變流器內循環風機的吹風朝向變流器蒸發器。
[0007]作為本發明的進一步改進:所述變流器櫃體內設置有副冷凝器，所述副冷凝器通過管路與主冷凝器形成迴路，所述變流器蒸發器位於副冷凝器與變流器內循環風機之間。
[0008]作為本發明的進一步改進:所述功率模板上設置有冷板，所述製冷劑通入冷板內流動；或者所述功率模板上開設製冷劑流道，所述製冷劑直接通入功率模塊上的製冷劑流道內。
[0009]作為本發明的進一步改進:所述空調柜上與主冷凝器對應的位置上設有一臺以上的主冷凝風機。
[0010]作為本發明的進一步改進:所述主冷凝風機安裝於空調櫃的頂部。
[0011]作為本發明的進一步改進:所述主冷凝器與每個功率器件之間分別設置有製冷劑支路，所述製冷劑支路上設置有電子膨脹閥。
[0012]作為本發明的進一步改進:每一個所述製冷劑支路上均設有快換接頭。
[0013]作為本發明的進一步改進:所有功率器件中的製冷劑在出口端進行匯流，匯流後通過管路導入變流器蒸發器內。
[0014]作為本發明的進一步改進:所述變流器蒸發器與壓縮機之間的管路上還設有背壓閥。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點在於:
1、本發明的用於動車牽引變流器的熱管理系統，結構簡單緊湊，與動車組原有空調系統進行結合，能夠在功能上實現一定互補；本發明採用獨立的製冷系統，可使用較小功率的製冷系統，具有成本較低、節能、響應迅速等優點。整個散熱系統幾乎不受外界環境溫度的影響，能夠應用到較高環溫的工況下，使得變流器的環境適應性更強。
[0016]2、本發明的用於動車牽引變流器的熱管理系統，由於採用獨立的製冷系統，因此可通過提高冷凝溫差來增大換熱效率，因此必要時可設計出更小型的變流器散熱系統。
[0017]3、本發明的用於動車牽引變流器的熱管理系統，散熱器所貼大功率器件發熱量迅速變化時，可通過電子膨脹閥的控制迅速增大製冷劑流量，從而提高散熱容量；通過蒸發器出口和散熱器表面溫度的採集，由控制單元完成相應閥門的調節，從而起到穩定各個器件工作溫度的作用，可大大提高器件壽命和可靠性。
[0018]4、本發明的用於動車牽引變流器的熱管理系統，通過蒸發器除溼，並通過副冷凝器支路對內循環風加熱，大大降低櫃內空氣相對溼度，可大大提高器件壽命，降低故障率；副冷凝器支路可在冷啟動時起到加熱器的作用，以提高變流器內溫度，保護器件不受低溫影響。
[0019]5、本發明的用於動車牽引變流器的熱管理系統，快換接頭的使用可提高維護效率，使得變流器可靈活組合，提高其擴展性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明實施例1的結構原理示意圖。
[0021]圖2是本發明實施例2的結構原理示意圖。
[0022]圖例說明:
1、空調蒸發器；2、空調風機；3、主冷凝風機；4、主冷凝器；5、壓縮機；6、制熱風機；7、斬波電阻；8、電力電子電容；9、變壓器；10、電抗器；11、整流模塊；12、逆變模塊；13、變流器內循環風機；14、變流器蒸發器；15、斬波模塊；16、輔變模塊；17、電子膨脹閥；18、快換接頭；19、背壓閥；20、副冷凝器；21、空調櫃；22、變流器櫃體。
【具體實施方式】
[0023]以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0024]實施例1:如圖1所示，本發明的用於動車牽引變流器的熱管理系統，包括主冷凝器4、壓縮機5、變流器蒸發器14和變流器內循環風機13，主冷凝器4和壓縮機5安裝於動車頂部的空調櫃21內，變流器蒸發器14和變流器內循環風機13安裝於動車底部的變流器櫃體22內。由壓縮機5將系統中的製冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽，通過主冷凝器4將製冷劑的熱量散到環境中，此時製冷劑變成常溫高壓液體送入位於動車底部的變流器櫃體22。進入變流器櫃體22後，製冷劑通過管路接入變流器中各功率模塊(發熱器件)上，變成低溫低壓氣液混合態吸收其熱量，完成熱交換，功率模板包括整流模塊11、逆變模塊12、斬波模塊15和輔變模塊16。流經各功率模塊後的製冷劑通過管路送入變流器蒸發器14，經變流器蒸發器14後送回至壓縮機5中。變流器內循環風機13朝向變流器蒸發器14布置，用來對變流器櫃體22的內腔吹冷風，以帶走其他未通製冷劑部件的熱量，例如:位於變流器櫃體22中的斬波電阻7、電力電子電容8、變壓器9和電抗器10。
[0025]本實施例中，變流器內循環風機13布置於變流器蒸發器14與壓縮機5之間，且變流器內循環風機13的吹風朝向變流器蒸發器14。
[0026]本實施例中，功率模板(發熱器件)上設置有冷板，製冷劑通入冷板內流動以實現對功率模塊的冷卻。當然，也可以在功率模板(發熱器件)上開設製冷劑流道，將製冷劑直接通入功率模塊上進行換熱作業即可。
[0027]本實施例中，在空調櫃21上與主冷凝器4對應的位置處設有主冷凝風機3，用來提高主冷凝器4的換熱效率。本實例中主冷凝風機3設置於空調櫃21的頂部，可以理解，在其他實例中根據實際需要，還可以設置於空調櫃21的其他部位，也可以安裝多臺主冷凝風機3。
[0028]實施例2:如圖2所示，本發明的用於動車牽引變流器的熱管理系統，包括主冷凝器4、壓縮機5、變流器蒸發器14和變流器內循環風機13，主冷凝器4和壓縮機5安裝於動車頂部的空調櫃21內，變流器蒸發器14和變流器內循環風機13安裝於動車底部的變流器櫃體22內。由壓縮機5將系統中的製冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽，通過主冷凝器4將製冷劑的熱量散到環境中，此時製冷劑變成常溫高壓液體送入位於動車底部的變流器櫃體22。進入變流器櫃體22後，製冷劑通過管路接入變流器中各功率模塊(發熱器件)上，變成低溫低壓氣液混合態吸收其熱量，完成熱交換，功率模板包括整流模塊11、逆變模塊12、斬波模塊15和輔變模塊16。流經各功率模塊後的製冷劑通過管路送入變流器蒸發器14，經變流器蒸發器14後送回至壓縮機5中。變流器內循環風機13朝向變流器蒸發器14布置，用來對變流器櫃體22的內腔吹冷風，以帶走其他未通製冷劑部件的熱量，例如:位於變流器櫃體22中的斬波電阻7、電力電子電容8、變壓器9和電抗器10。
[0029]本實施例中，變流器內循環風機13布置於變流器蒸發器14與壓縮機5之間，且變流器內循環風機13的吹風朝向變流器蒸發器14。
[0030]本實施例中，功率模板(發熱器件)上設置有冷板，製冷劑通入冷板內流動以實現對功率模塊的冷卻。當然，也可以在功率模板(發熱器件)上開設製冷劑流道，將製冷劑直接通入功率模塊上進行換熱作業即可。
[0031 ] 本實施例中，在空調櫃21上與主冷凝器4對應的位置處設有主冷凝風機3，用來提高主冷凝器4的換熱效率。本實例中主冷凝風機3設置於空調櫃21的頂部，可以理解，在其他實例中根據實際需要，還可以設置於空調櫃21的其他部位，也可以安裝多臺主冷凝風機3。
[0032]本實施例中，主冷凝器4與每個功率器件之間分別設置有製冷劑支路，該製冷劑支路上設置有電子膨脹閥17，利用電子膨脹閥17對製冷劑進行節流，使得壓力降到合適的值，變成低溫低壓液體，以確保蒸發溫度為器件所需要的，同時也保證了節能。由於經過電子膨脹閥17後進入數個電力電子模塊，在其安裝了發熱元件的冷板內蒸發吸熱，其蒸發溫度可根據櫃內的溫溼度調整，以確保不會在冷板上發生凝露現象。
[0033]本實施例中，在每一個製冷劑支路上均設有快換接頭18，例如可以採用扣壓軟管來安裝快換接頭18，方便其在櫃內布局，同時維護和更換時可帶壓拆開。
[0034]本實施例中，所有功率器件中的製冷劑在出口端進行匯流，匯流後通過管路導入變流器蒸發器14內，由變流器內循環風機13對其吹風進行熱交換，使得製冷劑進一步蒸發，同時壓力繼續降低，直到降至壓縮機5可接受的吸氣壓力，以保證壓縮機5的運行安全。
[0035]本實施例中，在變流器蒸發器14與壓縮機5之間的管路上還設有背壓閥19，利用背壓閥19可以進一步將壓力降低至壓縮機5允許的吸氣壓力，以保證其安全運行。
[0036]本實施例中，在變流器櫃體22內還設置有副冷凝器20，副冷凝器20直接通過管路與主冷凝器4形成迴路，用來與變流器內循環風機13配合，提高風冷的效率和風冷的質量。本實例中，將副冷凝器20放在變流器蒸發器14的後端，即變流器蒸發器14位於副冷凝器20與變流器內循環風機13之間，使得內循環風先經過變流器蒸發器14降溫，將空氣中的水蒸氣凝結排出，然後經過副冷凝器20加熱，降低其相對溼度，使得供給變流器櫃體22內風冷器件的空氣為低溫乾燥的空氣。同時，副冷凝器20也可通過控制，以充分調節送風的溫溼度。
[0037]夏天需要製冷空調時，由主冷凝器4出來的製冷劑有一部分進入空調系統的空調蒸發器I中，通過空調風機2吹入動車車廂中，提供給乘客。冬天需要制熱空調時，空調蒸發器I支路關閉，空調風機2停機，而打開副冷凝器20和制熱風機6，將冷凝後的熱風吹入動車車廂中，提供給乘客。
[0038]由上可知，本發明針對變流器中不同的電力電子器件，在變流器櫃體22分成兩種散熱模式:直接接觸散熱和風冷散熱，對於功率模塊(大功率半導體器件，如IGBT)，採用與冷板直接接觸散熱的方式，其他的器件通過變流器蒸發器14和變流器內循環風機13共同實現供冷風實現散熱。
[0039]在較佳的實施例中，本發明還可以進一步根據系統的實際負荷，可設置相關傳感器採集溫度壓力參數提供給控制系統，由控制系統對節流裝置和壓縮機5進行調節，以保證系統的穩定運行和節能。壓縮機5可以根據實際需要採用變頻壓縮機。
[0040]以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，包括主冷凝器(4)、壓縮機(5)、變流器蒸發器(14)和變流器內循環風機(13)，所述主冷凝器(4)和壓縮機(5)安裝於動車頂部的空調櫃(21)內，所述變流器蒸發器(14)和變流器內循環風機(13)安裝於動車底部的變流器櫃體(22)內；所述壓縮機(5)將製冷劑壓縮成高溫高壓蒸汽經主冷凝器(4)後送入變流器櫃體(22)，通過管路接入變流器中各功率模塊上；流經各功率模塊後的製冷劑通過管路送入所述變流器蒸發器(14)，經所述變流器蒸發器(14)後送回至壓縮機(5)中；所述變流器內循環風機(13)朝向變流器蒸發器(14)布置，用來對變流器櫃體(22)內腔吹冷風。
2.根據權利要求1所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，所述變流器內循環風機(13)布置於變流器蒸發器(14)與壓縮機(5)之間，所述變流器內循環風機(13)的吹風朝向變流器蒸發器(14)。
3.根據權利要求2所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，所述變流器櫃體(22)內設置有副冷凝器(20)，所述副冷凝器(20)通過管路與主冷凝器(4)形成迴路，所述變流器蒸發器(14)位於副冷凝器(20)與變流器內循環風機(13)之間。
4.根據權利要求1或2或3所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，所述功率模板上設置有冷板，所述製冷劑通入冷板內流動；或者所述功率模板上開設製冷劑流道，所述製冷劑直接通入功率模塊上的製冷劑流道內。
5.根據權利要求1或2或3所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，所述空調櫃(21)上與主冷凝器(4)對應的位置上設有一臺以上的主冷凝風機(3)。
6.根據權利要求5所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，所述主冷凝風機(3)安裝於空調櫃(21)的頂部。
7.根據權利要求1或2或3所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，所述主冷凝器(4)與每個功率器件之間分別設置有製冷劑支路，所述製冷劑支路上設置有電子膨脹閥(17)。
8.根據權利要求7所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，每一個所述製冷劑支路上均設有快換接頭(18 )。
9.根據權利要求7所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，所有功率器件中的製冷劑在出口端進行匯流，匯流後通過管路導入變流器蒸發器(14)內。
10.根據權利要求7所述的用於動車牽引變流器的熱管理系統，其特徵在於，所述變流器蒸發器(14)與壓縮機(5)之間的管路上還設有背壓閥(19)。
【文檔編號】H02M1/00GK104362835SQ201410683370
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】馮江華, 胡家喜, 姚磊, 尚敬, 李彥湧, 黃華坤, 王翱岸 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司