用于冷却母线电容器的装置和方法
【专利摘要】一种用于冷却母线电容器的装置和方法。本发明提供了一种用于冷却电力部件的装置，该装置包括：第一夹持部，该第一夹持部具有第一弓形接合表面和第一接合面；第二夹持部，该第二夹持部具有第二弓形接合表面和第二接合面；挠性传热垫；以及电力部件。电力部件联接至挠性传热垫，使得挠性传热垫基本上包围该电力部件，第一夹持部与第二夹持部构造成相联接，使得第一弓形接合表面和第二弓形接合表面形成轮廓形成为接纳电力部件的开口，并且第一接合面与第二接合面彼此相邻。
【专利说明】用于冷却母线电容器的装置和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]不适用
[0003]关于联邦政府资助研发的声明
[0004]不适用
【背景技术】
[0005]文中所公开的主题总体上涉及工业控制系统，并且更具体地涉及为与工业控制系统相关联的电力部件提供冷却机构的系统和方法。
[0006]工业控制系统就其本身性质而言处于各种环境中。这些环境中的一些环境可能具有各种由空气所带来的会损坏电气部件的污染。替代性地，某些环境可能需要用水和/或其他化学制品定期清洁，但水和/或其他化学制品也会损坏敏感的电气和电力部件。此外，一些环境可能需要压力冲洗，从而需要电气外壳来防止液体接触电气部件而导致损坏的或危险的情况。因此，工业控制系统在包含潜在污染的环境中的安装可能需要专门的安装系统来保护电气部件。
[0007]当工业控制系统安装在需要使工业控制系统与潜在污染隔开的环境中时，电气部件通常布置在外壳中。这些外壳根据所需的密封等级通常可以设计成防止液体的进入或者在某些情况下防止外部空气进入。由于这些密封的外壳通常比标准的电气外壳更昂贵，因此，这些密封的外壳通常被定尺寸成容置多个部件从而可以减少所需的外壳的数目。这往往导致通向各个设备和流程以及来自各个设备和流程的线缆管道路线很长，因此增大了系统的成本和复杂性。
[0008]另外，这些外壳的密封性质要求这些外壳通常比非密封的外壳大以适应内部电气部件所产生的热。由于外壳会被要求相对于外部空气密封，因此对内部电气部件的有效冷却是困难的并且通常需要使外壳的尺寸相当大以确保热量可以被充分地耗散。这种额外的尺寸还增大了外壳的材料成本并且需要将更多的工业环境不动产分配给这些外壳。除需要用于材料和安装的额外资本以外，这种空间的低效使用还会对工业环境的效率和利用产生极大的影响。
[0009]可以使用诸如散热器之类的被动散热装置来耗散上述部件所产生的热。另外，散热器可以与诸如搅拌风扇之类的主动冷却装置配合使用，或者在可行的情况下散热器可以代替主动冷却装置使用。散热器需要外壳中的额外的空间并且需要足够的风量来有效地耗散所产生的热。此外，散热器因其几何特征而可能难以应用于某些电力部件。主要的示例为诸如用作用于变频驱动器的母线电容器之类的电力电容器。这些装置通常是圆柱形的并且在一些情况下是脆的。试图用散热器带走来自电力电容器的热可能较困难，原因在于散热器依赖于与该装置的热效率联接来适当地耗散来自所述部件的热。热效率联接通常通过将尽可能多的部件布置成以紧密的物理连接的方式与散热器接触来实现，从而确保来自该部件的热可以容易地传递至散热器。
[0010]通常，所述部件在部件的大致平坦部分上连接至散热器以允许以最大的表面区域与散热器接触。这些大致平坦表面通常还为部件的最牢固的部分，从而允许部件与散热器之间的牢固的联接。然而，电容器并且特别是电力电容器的形状通常是圆柱形，从而使得难以将散热器联接至电容器。此外，圆柱形电容器容易因很小的力而变形。电力电容器的变形会不利地影响电容器的特性，甚至导致故障，这会导致计划外的维修停工。这种情况因许多电力电容器的不一致性而变得更加复杂，从而使得难以生产可以联接至电力电容器以在防止电力电容器的物理变形或损坏的同时允许有效的冷却的散热器。
[0011 ]因此，具有下述装置和方法将是有利的:该装置和方法允许散热器安全且有效地联接至诸如电容器之类的电力部件，以在减小对电力部件的物理损坏的可能性的同时有效地冷却该电力部件。
【发明内容】
[0012]用于冷却电力部件的设备的实施方式包括:第一夹持部，该第一夹持部具有第一弓形接合表面和第一接合面;第二夹持部，该第二夹持部具有第二弓形接合表面和第二接合面;挠性传热垫；以及电力部件。电力部件联接至挠性传热垫，使得挠性传热垫基本上包围该电力部件，第一夹持部与第二夹持部构造成相联接而使得第一弓形接合表面和第二弓形接合表面形成轮廓形成为接纳电力部件的开口，并且第一接合面与第二接合面彼此相邻。
[0013]冷却电力部件的方法的实施方式包括:用挠性传热垫包围电力部件;使电力部件与第一夹持部的第一弓形接合表面相邻地定位;将第二夹持部联接至具有第一弓形接合表面的第一夹持部;使第一弓形接合表面和第二弓形接合表面接合挠性传热垫；以及将第一夹持部紧固至第二夹持部以利用固定装置夹持电力部件和挠性传热垫。
[0014]电力电容器散热夹持装置的实施方式包括:第一夹持部，该第一夹持部与散热器一体地形成，该第一夹持部具有第一大致弓形接合表面和第一接合面;第二夹持部，该第二夹持部具有第二大致弓形接合表面和第二接合面;挠性传热垫；以及圆柱形电力部件。电力部件联接至挠性传热垫，使得挠性传热垫基本上包围该电力部件，第一夹持部与第二夹持部构造成相联接，使得第一弓形接合表面和第二弓形接合表面形成轮廓形成为接纳电力部件的开口，并且第一接合面和第二接合面彼此相邻。
【附图说明】
[0015]下文将参照附图对本发明进行描述，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且:
[0016]图1示出了电力部件夹持组件的示例实施方式的正视图。
[0017]图2为电力部件夹持组件的实施方式的放大图。
[0018]图3为多个电力部件夹持组件的实施方式的正视图。
[0019]图4为一体式散热器夹持装置的实施方式的轴测图。
[0020]图5为一体式散热器夹持装置的实施方式的截面轴测图。
【具体实施方式】
[0021]现在将参照附图对本发明进行描述，贯穿附图，相同的附图标记用以表示相同的元件。在以下描述中，出于说明的目的，陈述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，可能明显的是，本发明可以在不具有这些具体细节的情况下实施。在其他示例中，周知的结构和装置以框图的形式示出以有助于描述本发明。
[0022]图1示出了电力部件夹持装置100的可能的实施方式。单个部件夹持装置100可以具有下部部分102和上部部分104。下部部分102和上部部分104可以是机加工的金属。在一个实施方式中，下部部分102和上部部分104可以是铸造的金属。另外，可以使用如本领域中已知的其他适当的制造方法，诸如金属注射模制(MIM)、冲压等。下部部分102和上部部分104可以由具有导热性和导电性的金属或金属合金。非限制性示例包括钢、铝和铜。在优选实施方式中，下部部分102和上部部分104可以由相同的材料形成以确保上部部分104与下部部分102之间的一致的热膨胀及收缩。
[0023]下部部分102可以具有大致平坦的下表面106，该大致平坦的下表面106可以用于将下部部分102安装至对应的表面。在一个实施方式中，对应的表面可以是散热器。下部部分102还可以具有用于将下部部分102联接至对应的表面的多个附接点108、110。所述多个附接点108、110可以是允许用于将装置紧固的紧固件装置穿过的通孔。另外，附接点108、110可以是允许带螺纹紧固件将下部部分102联接至对应的表面的带螺纹通孔。下部部分102的特征还可以在于延伸出来的安装凸部112、114。附接点108、110可以位于安装凸部112、114上，如图1中所示。替代性地，安装凸部112、114可以用作允许下部部分102被夹持至对应的表面的夹持点。下部部分102还可以具有大致平坦的上表面116。下部部分102还可以具有多个联接孔口 118、120。多个下联接孔口 118、120可以沿着与下表面106和上表面116大致垂直的平面延伸。在一个实施方式中，所述多个下联接孔口 118、120可以从上表面116延伸至下表面106。替代性地，所述多个下联接孔口 118、120可以在上表面116与下表面106之间延伸固定的距离。在一个实施方式中，所述多个下联接孔口可以是带螺纹的。下部部分102还可以具有沿着与上表面116大致平行的平面延伸的大致弓形的下夹持特征部122。在一个实施方式中，下夹持特征部122可以具有下避让(relief)部124。在一个实施方式中，下避让部124可以具有弓形形状。
[0024]上部部分104可以具有安装表面126。安装表面126可以定形状成联接至下部部分102的上表面116。在一个实施方式中，安装表面126可以是大致平坦的以与上表面116齐平联接。上部部分104可以具有沿着与安装表面126大致垂直的平面延伸的多个上联接孔口128、130。上联接孔口 128、130可以定位成与下联接孔口 118、120对准以允许紧固件插入穿过上联接孔口 128、130和相应的下联接孔口 118、120。上联接孔口 128、130可以具有与下联接孔口 118、120相同的直径。替代性地，上联接孔口 128、130可以具有比下联接孔口 118、120的直径略大的直径以允许制造公差。在一个实施方式中，上联接孔口 128、130的直径可以比下联接孔口 118、120的直径大出约5%至大约20%。上部部分104可以具有沿着与安装表面126大致平行的平面延伸的大致弓形的上夹持特征部132。上夹持特征部132可以具有上避让部134。在优选实施方式中，上夹持特征部132可以与下夹持特征部122成镜像。
[0025]当下部部分102与上部部分104联接时，下夹持特征部124和上夹持特征部134可以形成大致环形夹持孔口 136。在一些实施方式中，当下部部分102与上部部分104联接时，下夹持特征部124和上夹持特征部134可以形成多个侧避让特征部138、140。侧避让特征部138、140可以定位成与下避让特征部124和上避让特征部134成大约九十度，但也可以设想其他位置。
[0026]现在转向图2，可以看到夹持孔口136的放大图。夹持孔口 136可以接纳电力部件200。在一个实施方式中，电力部件200的形状可以是圆柱形。在特定的实施方式中，电力部件200可以是电容器。通常，夹持孔口 136可以定轮廓成接纳电力部件。电容器一一包括电力电容器一一可以呈各种尺寸。在一个实施方式中，电力部件夹持装置100可以夹持直径为大约22mm至大约35mm的电容器。然而，夹持孔口也可以定尺寸成容置直径小于22mm的电容器以及直径大于35mm的电容器。另外，电力部件夹持装置100可以夹持任意类型的圆柱形电容器。此外，应当知晓，各个图中示出的电容器的图示仅是出于说明的目的而不应当被认为是限制。
[0027]继续参照图2，电力部件200可以被观察到位于下部部分102与上部部分104之间的夹持孔口 136中。在一个实施方式中，电力部件200可以被介电绝缘体202部分地或完全地包围。在一个实施方式中，介电绝缘体202可以为包围电力部件200的胶带。替代性地，介电绝缘体202可以是诸如能够应用于电力部件200的聚酰亚胺薄膜之类的介电薄膜。介电绝缘体可以具有大约IMil至大约5Mil的厚度，或者具有更大或更小的厚度。介电绝缘体202可以具有大约600伏特至大约1000伏特的电绝缘额定值。然而，在某些应用中，介电绝缘体202可能需要大于1000伏特的电绝缘额定值。
[0028]电力部件200可以被诸如导热垫204之类的适形导热材料包围。导热垫204可以用于防止电力部件200与电力部件夹持装置100之间的气隙以使热导率最大。因此，导热垫204可以用于将来自电力部件的热有效地传递至夹持装置100。在一个实施方式中，导热垫204可以具有大约1.0W/mk或更大或更小的热导率。导热垫204可以具有大约0.508mm至大约6.350mm的厚度，或者具有更大或更小的厚度。在优选实施方式中，导热垫204可以具有大约2.0mm的厚度。导热垫204可以在一侧或两侧上具有类似粘合剂的粘性物，以便在导热垫204被放置就位时减少导热垫204的运动。替代性地，可以利用涂覆至导热垫204和电力部件200的粘合剂将导热垫204附接至电力部件200。在其他实施方式中，可以通过靠着夹持孔口 136中的电力部件200压缩导热垫204而使导热垫204被保持就位。导热垫204可以具有适形构造以使得可以在无需向电力部件200施加显著压力的情况下压缩导热垫204。导热垫204可以具有挠性结构以允许导热垫204围绕电力部件200成形。
[0029]图2示出了包围电力部件200并且被上部部分104和下部部分102压缩的导热垫204。当导热垫204被压缩时，适形构造可以使导热垫204移动并填充在夹持孔口 136的下避让特征部124、上避让特征部134以及侧避让特征部138、140中的空间中。允许导热垫204扩张到所述多个避让特征部124、134、138、140中可以在减小因上部部分104与下部部分102之间的压缩而施加在电力部件上的压力的同时允许电力部件紧固在夹持孔口 136中。这在试图在不损坏装置的结构一体性的同时建立与诸如电容器之类的电子部件的热连接的情况下可能是关键的。
[0030]简要地参照图1，夹持孔口136的直径可以比位于夹持孔口中的电力部件200的直径大出大约5%至大约10%。然而，根据需要，夹持孔口 136的直径可以比电力部件200的直径大10%或小5%。上避让孔口 134和下避让孔口 124的直径可以为电力部件200的直径的大约30%至大约40%。侧避让孔口 138、140的直径可以为电力部件200的直径的大约50%至大约 60 %。
[0031]现在参照图3，可以观察到多电力部件夹持装置300ο多电力部件夹持装置300具有下部部分302和上部部分304。下部部分302可以包括多个大致弓形下夹持特征部306、308、310、312。上部部分304可以包括多个大致弓形的上夹持特征部314、316、318、320。下部部分302可以具有沿着与下安装表面328大致垂直的平面延伸的多个联接孔口 322、324、326。上部部分304可以具有能够沿着与安装表面336大致垂直的平面延伸的多个上联接孔口 330、332、334。上联接孔口 330、332、334能够定位成与下联接孔口 322、324、326对准以允许紧固件插入穿过上联接孔口 330、332、334和相应的下联接孔口 322、324、326从而将下部部分302联接至上部部分304。
[0032]当下部部分302与上部部分304联接时，下夹持特征部306、308、310、312和上夹持特征部314、316、318、320能够形成多个大致环形的夹持孔口 338、340、342、344。环形夹持孔口 338、340、342、344中的每一者均可以包括如图1中所示的下避让特征部、上避让特征部和侧避让特征部。此外，夹持孔口 338、340、342、344可以与图1的单个夹持孔口 136类似地定尺寸。尽管多电力部件夹持装置300在图3中被示出为具有四个夹持孔口 338、340、342、344，然而，应当知晓，所公开的多电力部件夹持装置300也可以具有多于四个的夹持孔口或少于四个的夹持孔口。
[0033]电力部件夹持装置的另一实施方式可以在图4中观察到。图4示出了一体式散热器夹持装置400。在该实施方式中，下夹持部402可以一体地形成到散热器组件404中。在一个实施方式中，下夹持部402和散热器组件404可以铸造成单个组件。在替代性实施方式中，下夹持部402和散热器组件404可以被机加工成形成一体式散热器夹持装置400。在一个实施方式中，散热器夹持装置可以利用铝合金构造而成。尽管在散热器夹持装置的构造中可以使用各种类型的材料，但是应当选定具有足以耗散电力部件所产生的热的材料。在优选实施方式中，散热器夹持装置402应当具有1°C/W或以上的热阻(在电力部件与下夹持部402和散热器组件404相接的位置之间测得)。
[0034]散热器404可以具有用于增大散热器404的表面面积从而增大散热器的热导率的多个翅片406。在一些实施方式中，夹持件和散热器可以耗散的电容器所产生的热的量多达自由对流冷却所耗散的量的两倍。这可以消除对电力部件的主动冷却(例如强制空气流动)的需要。尽管散热器404示出了直翅片散热器设计，但是在散热器夹持装置400中也可以使用其他类型的散热器设计。例如，如果适用，可以使用针式翅片、外扩式翅片或其他翅片设
i+o
[0035]散热器夹持装置400可以具有用于将散热器夹持装置400联接至单独的结构的多个开口 408、410、412、414。在一个实施方式中，单独的结构可以是电气外壳。替代性地，单独的结构可以是一件设备或机器。散热器夹持装置400还可以具有用于提供与单独的结构的齐平配合的大致平坦的安装表面416。在一个实施方式中，可以将密封垫(未示出)应用至大致平坦的安装表面416以在散热器夹持装置400与单独的结构之间提供密封。密封垫可以为成型密封垫，诸如由橡胶或泡沫类型的材料制成的密封垫。替代性地，密封垫可以呈诸如硅之类的液态密封垫的形式。可以选定密封垫以达到特定的环境等级。在一个实施方式中，可以使用密封垫来达到NEMA 4/4x的环境等级。
[0036]下夹持部402可以一体地形成到散热器夹持装置400中，如图4中所示。下夹持部402可以具有多个下夹持特征部418、420、424、424。在一个实施方式中，下夹持部402可以具有四个夹持特征部;然而，应当知晓，下夹持部402可以具有多于四个的夹持特征部或少于四个的夹持特征部。下夹持部402可以具有多个大致平坦的配合表面426、428、430、432。配合表面426、428、430、432可以定尺寸成与稍后讨论的上夹持部上的对应的配合表面相配合。配合表面426、428、430、432中的一者或更多者可以具有一个或更多个下联接孔口 434、436。在一个实施方式中，下联接孔口可以是带螺纹的。替代性地，所述一个或更多个配合表面426、428、430、432可以具有其他联接机构，例如螺纹杆、舌片和槽特征部等。
[0037]转向图5，可以观察到散热器夹持装置400的剖视图。上联接部502可以联接至下夹持部402。上联接部502可以具有多个上夹持特征部504、506、508、510。上夹持部502可以具有数目与下夹持部402上的下夹持特征部的数目对应的上夹持特征部。上夹持部502可以具有与下联接部402上的配合表面426、428、430、432对应的多个大致平坦的配合表面512、514、516、518。配合表面512、514、516、518中的一者或更多者可以具有一个或更多个上联接孔口 520、522。在一个实施方式中，上联接孔口 520、522可以是带螺纹的。替代性地，所述一个或更多个配合表面512、514、516、518可以具有其他联接机构，诸如螺纹杆、舌片和槽特征部等。
[0038]当下部部分402与上部部分502联接时，下夹持特征部418、420、422、424与上夹持特征部504、506、508、510可以形成多个大致环形夹持孔口 524、526、528、530。环形夹持孔口524、526、528、530中的每一者均可以包括如图1中所示的下避让特征部、上避让特征部和侧避让特征部。此外，夹持孔口 524、526、528、530可以与图1的单个夹持孔口 136类似地定尺寸。
[0039]图5示出了位于夹持孔口528中的电力部件532。电力部件532被导热垫534包围。这提供了利用散热器夹持装置400夹持电力部件532的示例性图示。
[0040]电力部件532可以利用各种方法夹持到散热器夹持装置400中。在一个优选方法中，电力部件532首先被介电带(未示出)包绕并且随后被导热垫534包围。电力部件532随后可以布置到下夹持部402的下夹持特征部422中使得导热垫534在电力部件532的整个长度上或者在该长度的一部分上接触下夹持特征部422。该步骤可以针对安装在下夹持部402中的每个电力部件532重复执行。一旦所有的电力部件532都被布置在下夹持部402中，则可以将上夹持部504联接至下夹持部402。在一个实施方式中，可以使用固定装置将下夹持部402联接至上夹持部504，其中，固定装置延伸穿过上联接孔口 520、522并延伸到下联接孔口434、436中。散热器夹持装置400随后可以被联接至单独的结构。
[0041]在使用中，散热器夹持装置400可以用于改善电气外壳中的冷却。在一个示例中，散热器夹持装置400可以用以冷却诸如封围在变速驱动应用中的母线电容器之类的电力部件。另外，模块化外壳一一这些模块化外壳允许工业控制系统中的部分工业控制系统定位在其所控制的设备或流程附近一一会特别受益于散热器夹持装置400。一个这种系统例如为罗克韦尔自动启动式生产线。这些模块化外壳可以容纳诸如控制器、变速驱动装置、马达启动器之类的会产生热的工业控制部件。另外，这些类型的模块化外壳可以以不同的程度被密封以抵挡外部污染。例如，模块化外壳可以以NEMA标准或等同标准、诸如NEMA 3x或NEMA 4/4R的额定值来构造。内部工业控制部件所产生的热可能难以在密封外壳中耗散，特别是诸如在变速调节装置中存在的电力部件之类的电力电气部件所产生的热可能难以在密封外壳中耗散。例如，诸如变速驱动装置中的母线电容器之类的电力部件可能会排出大量需要耗散掉的热量。不能使这些部件有效地冷却会减少这些部件的有效寿命。为了提高来自密封的模块化外壳中的部件的热的耗散效率，可以使用诸如搅拌风扇之类的主动冷却装置来使气流经过部件以带走热。然而，搅拌风扇和通常的风扇可能容易发生故障。但是可以使用散热器夹持装置400来更有效地带走来自这些电力部件的热，并且因此能够减少或消除对诸如搅拌风扇之类的主动冷却装置的需要。
[0042]本说明书使用示例来公开本发明并且还使得本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所包含的方法。本发明的可取得专利保护的范围由权利要求限定并且可以包括本领域技术人员所想到的其他示例。如果其他示例具有与权利要求的书面语言无差异的结构元件或者如果这些其他示例包括与权利要求的书面语言具有非实质性差异的等同结构元件，则这些其他示例意在属于权利要求的范围内。
[0043]为了告知公众本发明的范围，做出了所附权利要求。
【主权项】
1.一种用于冷却电力部件的装置，所述装置包括: 第一夹持部(102)，所述第一夹持部具有第一弓形接合表面(122)和第一接合面(116); 第二夹持部(104)，所述第二夹持部具有第二弓形接合表面(132)和第二接合面(126); 挠性传热垫(204); 电力部件(200); 所述电力部件联接至所述挠性传热垫，使得所述挠性传热垫基本上包围所述电力部件； 所述第一夹持部与所述第二夹持部构造成相联接而使得所述第一弓形接合表面和所述第二弓形接合表面形成轮廓形成为接纳所述电力部件的开口(136);以及所述第一接合面与所述第二接合面彼此相邻。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电力部件是圆柱形的。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电力部件是电容器。4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一夹持部和所述第二夹持部包括多个弓形接合表面。5.根据权利要求1所述的装置，还包括联接至所述第一夹持部和所述第二夹持部中的至少一者的散热器(400)。6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一夹持部包括第一附接开口(118)并且所述第二夹持部包括第二附接开口(I28)，多个附接开口沿着与所述第一弓形接合表面和所述第二弓形接合表面垂直的轴线轴向地延伸。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述多个附接开口的轮廓形成为接纳附接装置，所述附接装置构造成轴向地延伸穿过所述第一附接开口和所述第二附接开口。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述附接装置是螺栓。9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一弓形接合表面和所述第二弓形接合表面包括多个槽(124、134、138、140)。10.根据权利要求5所述的装置，其中，所述散热器机械地联接至外壳。
【文档编号】H05K7/20GK105828573SQ201610049205
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】伦纳德·J·戴维斯
【申请人】洛克威尔自动控制技术股份有限公司