CN109690763B - 具有封闭壳体和冷却装置的开关柜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关柜，具有封闭的壳体和冷却装置，冷却装置用于冷却可以布置在壳体(2)内部的电气和/或电子的器件(4、34、36、38)，开关柜包括封闭的第一冷却回路(6)。第一冷却回路(6)包含第一冷却介质，其用于将运行时由器件中的至少一个(4)产生的热量从壳体(2)排出。第一冷却回路(6)与布置在壳体(2)内部的第一换热器(8、18)相连，其用于将热量从器件中的至少一个(4)转移到第一冷却介质上，并且第一冷却回路在壳体(2)外部与第二换热器(14)相连，其用于将热量释放到外部冷却介质上。第二换热器(14)布置在第一换热器(8、18)的上方。第一冷却回路(6)、第一冷却介质和第一和第二换热器(8、18；14)设计用于按照两相热虹吸原理实现热量传输。

Description

具有封闭壳体和冷却装置的开关柜

技术领域

本发明涉及一种开关柜，具有封闭壳体和冷却装置，冷却装置用于冷却能布置在壳体内部的电气和/或电子器件。

背景技术

工艺设施的、机床的或者制造装置的不直接位于机器中的电气和电子组件(例如传感器)出于多种原因安置在独有的壳体中。壳体还应在其内腔中为这些组件提供防尘和防水保护，此外它还应服务于内部结构的支撑和构建，并且应防止布置在其内腔中的器件过热等。

然而，在用于高防护类型的壳体结构设计、例如用于防护等级IP54或防护等级IP65的壳体结构设计、或者用于户外应用的壳体结构设计中，需要针对布置在壳体中的器件散热的特别措施。

因此，在高防护类型的气冷壳体中设置有用于冷却空气的过滤装置，例如布置在气流中的过滤垫。借此可以实现直至防护等级IP54的防护。然而这种情况的缺点是必须定期清洁或更换过滤器。

对于户外应用来说也使用所谓的直插冷却系统(Durchsteckkuehlung)，其中，直接利用环境空气来冷却高损耗功率的器件、例如半导体功率模块。直插冷却系统包括一个布置在壳体壁中的冷却器。在壳体内部，在冷却器上安装器件，冷却器的冷却肋布置在壳体外部。在此，冷却器必须针对“不干净的”空气来设计尺寸，这就需要有较大的冷却肋间距并进而需要冷却器具有相应大程度的尺寸。此外，根据安装现场和壳体的周围环境，冷却器可能难以清洁。其他布置在壳体中的器件的运行热量就必须额外地被排出，该过程例如经由利用布置在气流中的过滤垫实现的空气冷却来进行。

布置在壳体中的器件的高损耗功率也可以经由液体冷却被排出。然而仅仅在少数应用情况下存在液体冷却回路、例如水冷回路。

最后，为了冷却布置在壳体中的器件而使用空调设备。然而空调设备必须被维护，例如为了更换过滤器而维护，并且空调设备需要用于运行的额外能量。

在美国专利申请公开文件US 2015/0217829A1中记载了一种用于计算机或其他电子设备的扁平构造的冷却装置，它按照热虹吸原理工作。热虹吸冷却装置连同一个待冷却的热源(通常是CPU(中央处理单元))一起布置在计算机壳体中，并且热虹吸冷却装置包括放置在热源上的蒸发器和水平布置在旁边的冷凝器。冷凝器包括冷却肋，冷却肋将热量释放到气流上。气流在经过冷却肋以后可以经由抽吸口离开壳体。

在美国专利申请公开文件US 2014/0090814A1中记载了一种用于电子设备的热虹吸冷却装置。在这种应用情况下，热虹吸冷却装置与待冷却的半导体构件(文中是CPU)一起并且连同其他构件被安装到服务器壳体中。在服务器壳体内部，将配属于热虹吸冷却装置的冷凝器布置在空气通道中，使得借助鼓风机能够为冷凝器供应来自外面的冷却空气。

PCT公开文件WO 2008/108777A1同样也披露了一种用于电子设备的扁平构造的热虹吸冷却系统，它连同产生热量的构件一起被安装在一个壳体中。在壳体中，在两个对置的扁平侧上开设有孔。通风机产生气流，气流将构件产生的热量从壳体中排出。

在德国实用新型专利文件DE 20 2012 008 740U1中记载了一种用于功率电子件变流器的冷却系统，它具有初级冷却流以用于经由热交换器来冷却次级冷却回路。次级冷却回路与功率电子件构件导热地相连并且实施成热虹吸冷却回路。热交换器至少部分是冗余的，所以它们能够在不中断运行的情况下被另一个相同类型的热交换器替换。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种开关柜，具有封闭的壳体和鲁棒且低维护的冷却装置，该冷却装置用于冷却能安置在壳体中的电气和/或电子器件。

该目的通过根据本发明的具有封闭的壳体和冷却装置的开关柜得以解决。据此，前文所述的开关柜包括封闭的第一冷却回路，第一冷却回路包含第一冷却介质，第一冷却介质用于将运行时由器件中的至少一个器件产生的热量从壳体排出，其中，第一冷却回路在壳体内部与第一换热器相连，第一换热器用于将热量从至少一个器件转移到第一冷却介质上，并且第一冷却回路在壳体外部与第二换热器相连，第二换热器用于将热量释放到外部冷却介质上，其中，第二换热器布置在第一换热器的上方，并且其中，第一冷却回路、第一冷却介质和第一和第二换热器设计用于按照两相热虹吸原理实现热量传输，并且其中，冷却回路包括用于第一冷却介质的导管，导管经由穿引部以密封的方式从壳体引出，并且导管将第一换热器与第二换热器相互连接。

按照两相热虹吸原理实现的热量传输使得利用冷却介质的蒸发热能够实现高热流密度。经由小横截面就可以传输大量的损耗热量。冷却介质的运输一般而言是被动进行的，也就是说在没有例如循环泵这样的辅助工具的情况下进行。冷却剂仅仅基于重力在冷却回路中循环，由此用于冷却的低能量收支。因此，冷却装置能够以低维护的构造排出高损耗功率。

因为利用这种冷却设计方案除了壳体中的管路穿引以外不需要为冷却回路设置任何其他开口，所以能够简单地实现高IP防护类型，例如IP65。

在冷却装置的一个有利设计方案中，第一换热器实施成冷却器，以用于与器件中的至少一个器件导热地连接。从器件到冷却介质的热量传输直接地通过经由冷却器的热引导来实现。冷却介质在冷却器的表面处吸收被传输的热量并且由此蒸发这些热量。

在冷却装置的另一有利设计方案中，第一换热器设计用于安装至少一个功率半导体。冷却装置的这种设计方案用在要排出高损耗功率的变流器柜中。

在冷却装置的特别有利的设计方案中，冷却装置包括封闭的第二冷却回路，第二冷却回路用于冷却布置在封闭壳体内的至少一个电气和/或电子的其他器件，第二冷却回路包含第二冷却介质，第二冷却介质用于将运行时由至少一个其他器件产生的热量从壳体排出，其中，第二冷却回路在壳体内部与第三换热器相连，第三换热器用于将热量从至少一个其他器件转移到第二冷却介质上，并且第二冷却回路在壳体外部与第四换热器相连，第四换热器用于将热量释放到外部冷却介质上，其中，第四换热器布置在第三换热器的上方，并且第二冷却回路、第二冷却介质和第三换热器以及第四换热器设计用于按照两相热虹吸原理实现热量传输。第二冷却回路用于冷却内部器件，相比于经由第一冷却回路散热的器件，内部器件在运行时必须遵守其他的热学边际条件。

在冷却装置的另一特别有利的设计方案中，第三换热器设计用于，将借助气流从至少一个其他器件传输给第三换热器的热量转移到第二冷却介质上。尤其是在损耗功率仅很低的器件中，在运行时产生的热量可以经由吹过其表面的气流排出。借此能够特别简单地构造第二冷却回路。

在另一种有利的设计方案中，第三换热器与布置在壳体中的空气引导部相连。由此能够经由气流进一步增强热量传输。

在另一特别有利的设计方案中，第二和第四换热器形成一个构造单元，以用于将所传输的热量释放到共同的冷却介质上。借此，所有的损耗功率都通过一个共同的外部两相换热器从封闭的壳体中排出。

附图说明

结合下面参考附图详细阐述的实施例描述，本发明的上述属性、特征和优点以及如何它们的方式和方法更清楚易懂。在此以示意图示出：

图1以侧视图示出具有封闭的壳体的开关柜，其具有两个冷却回路，

图2以前视图示出图1所示的开关柜，以及

图3示出了具有水冷装置的外部两相热交换器的一种实施方案。

具体实施方式

工艺设施的、机床的或者制造装置的不直接位于机器中的电气和电子组件(例如传感器)安装在单独的壳体中并且互连。在此，壳体应当为其内腔中的电气和电子器件提供防尘和防水保护。为此，在防护类型或者IP防护等级方面对壳体进行划分。另外，壳体的内腔还为器件提供支撑和结构。合适的壳体空调系统提供过热保护。根据要求，壳体也还可以提供针对电磁影响(EMV)的防护、针对机械影响的防护、针对故意破坏和地震的防护(例如通过使用具有附加支撑杆的壳体)并且在电磁放射方面对周围环境进行屏蔽。这种壳体必要时还应当提供针对触摸到危险电压的防护(防护等级：保护接地或保护绝缘)和防火(用于排烟设备的特殊解决方案)。在下述实施例中，关注的焦点是对内置器件的防尘和防水保护以及壳体内产生的损耗热量的排出。

图1以侧剖面图示出了封闭的壳体2，在壳体中安装用于驱控电驱动器(在此未示出)的电气和电子器件，并且电气和电子器件互相电连接。封闭的壳体2以开关柜的形式实现。电气和电子器件例如设计为用于几百千瓦直至几兆瓦的驱动功率的变频器，并且具有相应的尺寸设计。

为了使变频器(或普遍的电气和电子器件)在恶劣的环境条件下也能够可靠地运行多年，壳体2被密封以防止异物和水、以及污水入侵。电气器件对不同的环境条件的适用性以及额外地为人类提供的针对使用这些器件时的潜在危险的防护通过防护类型来规定。在本申请中，壳体2例如应设计成，对触摸和异物防护的防护等级至少为标号“5”并且防水的防护等级至少为标号“4”。壳体也可以设计用于在安放于户外时为内置器件提供针对有害的环境影响的防护。为了达到如此高的防护类型又或者对于户外应用而言，应特别关注在运行时产生的损耗热量的排导，正如下文中还要详尽说明的那样。

壳体2包含功率半导体模块又或者电力模块4，其在运行时产生特别高的损耗功率。为了排导在运行时产生的损耗热量，例如量级为20千瓦的损耗热量，电力模块4与封闭的第一冷却回路6相连。

冷却回路包括第一换热器8，其经由上升导管10和下降导管12与第二换热器14相连。第二换热器14布置在壳体2外部并且垂直地布置在第一换热器8的上方。各一个穿引部16将上升导管10和下降导管12针对壳体2密封。第一换热器8包括多个集成在电力模块4中的冷却器18，在冷却器上导热地安装了功率半导体(在这里未示出)。在电力模块4中，上升导管10和下降导管12经由集成的导管19与冷却器18相连。

冷却回路6填充有冷却剂并且按照两相热虹吸原理工作。在此利用了冷却剂的潜在蒸发热，以便将运行时产生的损耗热量从冷却器18传输给第二换热器14。两相热虹吸原理的应用允许在热传输功率很高的同时实现冷却回路6的特别简单的构造。因为冷却剂的温度在应用两相热虹吸原理时不可能超过蒸发温度，所以在这里可以使用常见的冷却剂，这些冷却剂的蒸发温度在运行时不会超过最大允许的半导体温度。冷却介质回路6中的冷却剂的传输仅仅通过重力实现，所以不需要用于冷却剂循环的额外的冷却剂泵。

第二换热器14实施成两相空气热交换器，并且第二换热器包括通风机20，通风机用于经由通风机20产生的气流强迫热量传输到周围环境。穿过热交换器14的气流用箭头21指出。当热交换器14关于热量运输方面能宽裕地设计尺寸时，那么在压力稳定性和气量方面对通风机20的设计没有太多要求。此时，例如可以使用标准通风机或标准风扇，正如它们也用于楼宇空调系统中那样。

在壳体2中布置有第二冷却回路22，它同样借助冷却剂按照两相热虹吸原理将热量从壳体2的内部传输到周围环境。冷却剂的蒸发温度在运行时不会超过冷却所必需的最大空气温度。

第二冷却回路22包括第三换热器24，其经由上升导管26和下降导管28与第四换热器30相连。第四换热器30布置在壳体2外部并且在第三换热器24的垂直上方。上升导管26和下降导管28经由穿引部16针对壳体2密封住。内部的第三换热器24与通风机32相连，通风机产生壳体2内部的强制气流，该强制气流用箭头21表示。

第二冷却回路22用于为布置在壳体2内部的其他器件散热，这些其他器件仅仅释放很低的损耗热量并且在这些器件中因此可以不用直接连接到冷却回路上，或者说考虑到要排出的热量，不值得那么麻烦地接到冷却回路上。对此参见在图2中所示的变频器的前视剖面图。这些其他器件运行时的损耗热量具有比半导体模块4的损耗功率密度更低的损耗功率密度，从而经由强制气流可以充分地散热。针对其他器件，在图2中示例性地示出了变压器34、电容器组件36、开关组件38。然而，在运行时产生热量的其他器件也可以安装到壳体2中，它们例如是扼流器、汇流排等。

为了沿着所有待散热的器件引导气流，设置有空气引导部40。空气引导部40形成空气通道，在空气通道中，已散热的气流从第三换热器24上方的区域被引入到壳体2的下方区域中。气流此时通过空气引导部40沿着壳体2的侧壁被向下引导。气流在壳体2的下方区域中再次进入到壳体2的内腔中。在向上的路径上，空气在没有其他空气引导元件的情况下或者利用额外的空气引导部(未示出)在壳体内部自由流动，并且此时吸收其他器件34、36、38的损耗热量。随后，在第三换热器24中，变热的空气将它们吸收的热量作为冷却剂的蒸发热再次释放。

第一冷却回路6和第二冷却回路22的外部换热器14和30优选地作为一个构造单元布置在一个共同的壳体42中。通风机18在这两个换热器14和30中产生气流，在冷却剂中运输的潜在热量经由该气流释放到作为外部冷却介质的穿流过的空气上。

图3示意性示出了外部换热器14、30的替代实施方案。在该实施方式中，使用水作为外部冷却剂，水由封闭的外部水冷回路44供应。在图3中仅仅示出了外部水冷回路44到换热器14、30的流入和流出导管46。当安置现场已经存在用于其他待冷却的设施部件或运行单元的水冷回路时，适于实现这种外部冷却。

本发明具有许多优点。尤其是能够以简单和鲁棒的方式冷却布置在高防护类型的壳体内部的产生高损耗功率的电气和电子器件。

尽管在细节上通过优选的实施例详尽阐述和说明了本发明，但是本发明不局限于所公开的实例，并且本领域技术人员可以从中推导出其他变体，而不离开本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种开关柜，具有封闭的壳体(2)和冷却装置，所述冷却装置用于冷却能布置在所述壳体(2)内部的电气和/或电子的器件，所述开关柜包括封闭的第一冷却回路(6)，所述第一冷却回路包含第一冷却介质，所述第一冷却介质用于将运行时由所述器件中的至少一个器件(4)产生的热量从所述壳体(2)排出，其中，所述第一冷却回路(6)在所述壳体(2)内部与第一换热器(8)相连，所述第一换热器用于将所述热量从所述至少一个器件(4)转移到所述第一冷却介质上，并且所述第一冷却回路在所述壳体(2)外部与第二换热器(14)相连，所述第二换热器用于将所述热量释放到外部冷却介质上，其中，所述第二换热器(14)布置在所述第一换热器(8)的上方，并且其中所述第一冷却回路(6)、所述第一冷却介质和所述第一换热器(8)和所述第二换热器(14)设计用于按照两相热虹吸原理实现热量传输，并且其中，所述第一冷却回路(6)包括用于所述第一冷却介质的导管(10、12)，所述导管经由穿引部(16)以密封的方式从所述壳体(2)引出，并且所述导管将所述第一换热器(8)与所述第二换热器(14)相互连接，所述导管(10、12)具有上升导管和下降导管，所述穿引部分别将所述上升导管和所述下降导管相对于所述壳体密封。

2.根据权利要求1所述的开关柜，其特征在于，所述第一换热器(8)实施成冷却器(18)，以用于与所述器件中的所述至少一个器件(4)导热地连接。

3.根据权利要求1所述的开关柜，其特征在于，所述第一换热器(8)设计用于安装至少一个功率半导体。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的开关柜，其特征在于，所述第二换热器(14)包括通风机(20)，并且所述第二换热器设计用于将运输的热量释放给作为外部冷却介质的空气。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的开关柜，其特征在于，所述第二换热器(14)设计用于将运输的热量释放给封闭的外部冷却回路(44)。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的开关柜，具有封闭的第二冷却回路(22)，以用于冷却能布置在封闭的所述壳体(2)内部的至少一个电气和/或电子的其他器件(34、36、38)，所述第二冷却回路包含第二冷却介质，所述第二冷却介质用于将运行时由至少一个所述其他器件(34、36、38)产生的热量从所述壳体(2)排出，其中，所述第二冷却回路(22)在所述壳体(2)内部与第三换热器(24)相连，所述第三换热器用于将所述热量从至少一个所述其他器件(34、36、38)转移到所述第二冷却介质上，并且所述第二冷却回路在所述壳体(2)外部与第四换热器(30)相连，所述第四换热器用于将热量释放到外部冷却介质上，所述第四换热器(30)布置在所述第三换热器(24)的上方，并且所述第二冷却回路(22)、所述第二冷却介质和所述第三换热器(23)和所述第四换热器(30)设计用于按照两相热虹吸原理实现热量传输。

7.根据权利要求6所述的开关柜，其特征在于，所述第三换热器(24)设计用于，将借助气流从至少一个所述其他器件(34、36、38)传输给所述第三换热器(24)的热量转移到所述第二冷却介质上。

8.根据权利要求6所述的开关柜，其特征在于，所述第三换热器(24)包括通风机(32)。

9.根据权利要求6所述的开关柜，其特征在于，所述第三换热器(24)布置在至少一个所述其他器件(34、36、38)的上方。

10.根据权利要求6所述的开关柜，其特征在于，所述第三换热器(24)布置在所述壳体(2)的上方区域中。

11.根据权利要求6所述的开关柜，其特征在于，所述第三换热器(24)与布置在所述壳体(2)中的空气引导部(40)相连。

12.根据权利要求6所述的开关柜，其特征在于，所述第二换热器(14)和所述第四换热器(30)构成一个构造单元(42)，以用于将传输的热量释放到共同的冷却介质上。

Images