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空调用电气元件的冷却技术综述

发表日期:2021/1/26 10:11:26 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

1902年,电力推动的空气调节系统首次由威利斯·开利发明,而后的一个多世纪里,空调制冷技术不断创新、发展,当前空调制冷技术已全面渗透至多个科学研究、生产技术领域,用于调节气温、冷藏冷冻、加工食品等使用环境。如今,节能和环保是科学技术发展的两大议题,对于制冷和空调行业,应在降低能耗的基础上,注重新技术的研发和应用,以适应21世纪的能源战略新需求,这具有重要的实践、研究意义。

在空调运行能耗方面,室外机控制主板上的元器件在工作时会产生大量的热量,这些热量如果不能及时散去,会引起主板温度过高,从而可能造成主板损坏,及热量损失。本文以空调用电气元件的冷却技术为研究对象,重点分析全球及中国范围内关于空调用电气元件的冷却相关技术的申请量、技术来源国、技术发展状况以及典型技术方案等信息。

1  空调电气元件冷却技术概述

1.1  空调用电气元件冷却技术

空调用电力电子设备散热的实现方式主要取决于产品总的热损耗,电子器件允许的节温,工作环境以及设备安装方式等条件。

1.1.1  空调用电气元件散热情况

目前,空调器的电气元件多安装于室外机内部,电气部件如电控板等在运行速度加快时,设备的功耗迅速升高,单位时间内产生热量增多,但体积的缩小又使得产品的散热面减小,造成高热流密度。表1列举了空调室外机各个电控部分的仿真温度,其中为室外机电控板的平均温度相对于环境温度的温升。

表1  室外机各电控板温度结果(环境温度:35 ℃)

由表1可知,室外机电控板在夏季使用时由于设备功耗,在电气元件周围形成了相对于室外环境温度的较高升温幅度,选取合适的散热方式来保证产品里的各个电子元件的温度都在其限定的控制范围内,确保设备能在特定的使用环境中低于正常运行的最高限制温度,从而实现产品的可靠运行,延长产品的使用寿命,提升运行性能,也能节约成本和资源。

1.1.2  空调用电气元件冷却技术

目前,常规在电气元件产品上使用的冷却方式有自然冷却、强制风冷、热管冷却、液体循环冷却等。

1)自然冷却

自然冷却也被称为“自冷式”冷却,即不借助外力,依靠自身外表面进行散热,其原理是空气在受热之后产生密度差,冷热空气的上下流动形成与发热物体之间的热交换。此种冷却方式的特点是结构单一,无需维护,不产生噪声。但是其散热能力非常有限,在电气元件中一般只应用于小功率产品中。

2)强制风冷

空气强迫对流冷却技术借助于风扇或鼓风机,高速的空气掠过发热体表面,界层热阻的减小增大了空气与发热体之间的对流换热系数,使空气带走的热量显著增加。有资料表明,通过风扇选型与散热器设计的合理匹配,强迫风冷的散热效率是自然冷却的2~4倍,也是目前较为普遍的散热技术。

3)液体循环冷却

对于大功率变频器等电气元件,采用单纯的空冷技术已不能满足冷却与空间要求,一般而言,液体冷却比空气冷却更加有效,液体循环冷却是通过工质带走设备工作时发生的热量,在一个相对密闭的环境下仍然可以将系统元器件产生的热量带走,水冷散热不仅可以削弱风道对散热所起的作用,也同时解决了静音、能效、局防护等问题。

1.2  空调用电气元件冷却技术领域申请概况

本文选择CNABS中文检索数据库以及VEN检索数据库,通过分类号F24F1/24,辅助以关键词空调,室外机,散热,冷却,电控,控制,电路等的限定得到了相关的专利文献,通过降噪以及人工筛选后构成了本文研究的专利申请数据库。通过对检索所获得的该领域的专利申请进行统计与分析研究,得到空调用电气元件冷却技术统计结果如下。

1.2.1  全球专利申请发展态势及来源国分布

图1列举了中国及全球空调用电气元件冷却技术申请量的年度分布。从图1可以看出,与1994年就已出现关于空调用电气元件冷却技术的专利,但直到2010年,全球申请量才开始逐渐上升,总体上看,空调用电气元件冷却技术发展可分为3个阶段,第一阶段为1994—2010年,这个阶段的专利申请量基本呈现平缓增长趋势,申请量变化较小,属于空调用电气元件冷却技术的第一个增长期;第二阶段是2010—2015年,这个阶段的专利申请量进入较快增长的时期,属于该领域逐步发展壮大的阶段,2015年申请量达到最高;第三阶段是2015—2018年,这个阶段专利申请量处于平稳回落阶段,这是由于空调用电气元件冷却技术已较为成熟,逐渐步入于瓶颈期,技术创新难度较大。而关于中国国内的专利申请,直到2009年才出现一项关于空调用电气元件冷却技术的专利,相关的研究起步较晚,但2013年后中国国内申请数量迅速增长,也越来越与国际申请量的增长态势趋于一致,说明中国的企业越来越重视空调用电气元件冷却技术的研发,同时也说明中国市场越来越被众多企业看重。

图1  中国、世界空调用电气元件冷却技术申请量

图2、图3为截至2018年底,世界各国在空调用电气元件冷却技术领域的专利申请量,可以看出,中国、日本为主要的申请国,韩国以及美国次之,其他国家各自的申请量所占比例均小于3%,总量为10.5%。由此也可知,我国的空调用电气元件冷却技术发展迅速,整体占比较高。

图2  各原创国专利申请量占比

图3  各原创国专利申请量

1.2.2  全球主要申请人与技术发展趋势对比

图4中列举了截至2018年底,全球排名前十的申请人,可见相关专利技术主要还是来源于各国企业,空调用电气元件的冷却这一较为实用的技术领域,其技术研发对于企业来说,相较于科研院所等研究团体具备更好的研究平台和实用价值。其中,日本的大金工业株式会社以147的申请总量位居第一,我国的空调领域领先企业美的、格力也以较高的申请量紧随其后。

图4  领域内主要申请人专利申请量(截至2018年底,以专利申请优先权号PR为统计字段)

综合来看,我国在空调用电气元件冷却领域的申请量占全球申请量近乎一半,格力、美的与海信等对该领域技术进行了深入的研究,而日本的5个品牌大金、三菱、东芝、富士通、松下占据了世界申请量靠前的地位,这也印证了其在空调领域的发力力度。可以看出各个企业在该领域的研发投入以及足够的产权保护力度。

图5为选取申请量居全球前4的企业,分析逐年专利申请量的趋势图,可看出,大金、三菱企业在空调用电气元件冷却这一领域的起步较早,美的、格力的快速增长期比大金、三菱滞后2~3年,除三菱外,其余3家企业的申请量均于2014—2015年进入下降阶段,这是由于空调用电气元件冷却技术基本成熟完善,以及随科技的发展,空调领域的研发点日趋多元分散化等原因。

图5  大金、美的、格力、三菱申请人专利申请量(至2018年底,以专利申请优先权号PR为统计字段)


2  空调用电气元件冷却技术专利技术发展分析

本章从专利的角度出发,具体分析空调用电气元件冷却的技术发展进程,并对各种研发的热点进行简要分析。

2.1  重点专利的技术分析

在选取重点专利时,主要参考了被引用次数和同族数量两项指标,一般而言,被引频次越高,则说明该项专利在技术发展中所处的位置较关键,在完成指标筛选后,结合通读本领域大量专利文献总结出的关键技术方案,再进行人工筛选,最终得到如下重点核心专利(专利编号为公开号)。

2.1.1  JP2004037082A 空调机的室外机组

申请日为1996年02月28日,申请人TOSHIBA AVE CORP(东芝株式会社),该专利申请是较早公开的空调用电器元件的冷却技术(图6、图7),总计被引用达到21次。空调机的室外机组的电气部件箱容纳压缩机11及送风机10等电气控制部件S,电气部件箱具有安装全部电气控制部件的控制基板P和部件箱本体16,部件箱本体安装支承控制基板且使控制基板位于其上部,控制基板的侧边上安装的电气控制部件上装有散热器20,并设置多组空气导入、导出切缝46、39等。该空调用电器元件冷却技术采用散热翅片与发热电控部件相接触的直接接触式换热,辅助以空气流通带来的对流换热,实现对电气部件的冷却。

图6  空调机的室外机组专利附图

图7  空调机的室外机组专利附图

2.1.2  JP2002228184A电路板及空调器

该专利申请日为2001年01月29日,申请人为DAIKIN IND LTD(大金工业株式会社)。如图8、图9,电箱44是大致矩形的盒状构件,并固定在主壳体41上,电气设备箱44在靠近机械室43的另一端的底部具有排出孔44a,电路板33设置有从前表面穿透到后表面的大量引入孔64,用于将外部空气引入电气部件箱44的控制板45部分。

图8  电路板及空调器专利附图

图9  电路板及空调器专利附图

在风扇的作用下,气流与发热控制板45发生强制对流换热,相较于专利1其气流通路方向更加明确,并且通过引入室外机外部空气实现室外机设备的换气,取得了在较低成本下的较好散热效果。

2.1.3  JPWO2011083756A1 制冷装置

该专利申请日为2011年01月05日,申请人为DAIKIN IND LTD(大金工业株式会社)。

如图10、图11,制冷装置包括制冷剂回路20、电子元器件56、57、59以及冷却用部件60,冷却用部件60包括主体部61和制冷剂管62,该制冷剂管62的内部形成有制冷剂流动的制冷剂流路,该部分制冷剂流路位于制冷剂回路20的冷凝器42与膨胀阀43之间,利用制冷剂流路中低压低温的制冷剂打走设备工作时发生的热量,隔热层65抑制在冷却用部件60的内部流动的制冷剂的冷量从冷却用部件60传向周围,使得冷却用部件60对周围空气的冷却得以抑制;该方案采用液体冷却,比空气冷却更加有效,能够在一个相对密闭的环境下仍然可以将系统元器件产生的热量带走。

图10  制冷装置专利附图

图11  制冷装置专利附图

2.1.4  CN202085437U 一种变频空调器散热装置

2011年6月27日,TCL空调器(中山)有限公司申请了该专利。

空调器散热装置,包括散热器1 和半导体制冷片2,以及与散热器1连接的室外机电控板3,半导体制冷片2的热端通过导热硅脂紧密地贴合在散热器1底座的凹槽中,其冷端通过导热硅脂与室外机电控板3紧密贴合(图12、图13)。利用半导体制冷原理,在外电场的作用下,P型半导体实现内部的热量流动,一方面半导体制冷片的冷端吸收来自室外机电控板3上的大功率器件的部分热量,开始制冷,将冷量反过来传给大功率器件,使大功率器件的温度降低,而将热端的热量传递给散热器;另一方面半导体制冷片将大功率器件高于热端的热量通过晶格能的传递,移动到热端并传导给散热器。如上采用半导体制冷片对大功率器件冷却的技术方案,省却了辅助的通风设计,并且不会对整个制冷剂回路造成影响,相比于已有的冷却技术冷却效果更佳,但相应的成本也较高。

图12  制冷装置专利附图

图13  制冷装置专利附图

2.2  专利技术发展演进

通过前述重点专利的分析可以看出,空调用电气元件的冷却技术从实现原理上具有强迫对流换热,制冷剂液体冷却以及半导体制冷冷却这几类有代表性的技术形式,通过对比分析众多典型案例,绘出了如下的专利技术发展演进图。

图14  空调用电气元件的冷却技术发展演进

从图14中专利技术发展演进可以看出,在1990—2000年间空调用电控元件的冷却这一技术问题最初被提出时,申请人研发的冷却技术主要

集中在通过通风实现对流换热,在电控板一侧安装散热翅片等形式,随着后期技术发展以及对于电控板冷却效果需求的提升,于2000— 2010年间陆续出现了通过制冷剂液体冷却和半导体制冷冷却的技术,通过液态工质或制冷板带走设备工作时发生的热量,其中我国的海尔、TCl等电器企业重点研发了半导体冷却的相关技术,如专利CN202085437U是将半导体制冷片的冷端贴合电控板设置,相比于强迫对流换热的冷却形式,其冷却效果不受室外机等设备通风情况的限制,冷却效果更佳;同时,通过设计芯片电流密度、调节膨胀阀开度以助于散热的多种电气元件的冷却方法也被逐步研发,空调用电气元件冷却技术已进入全面成熟的时期。

3  结束语

本文对空调用电气元件冷却技术,以及该领域的专利申请情况进行了统计分析,对部分核心专利进行了详细介绍,并对空调用电器元件冷却技术的发展进行了梳理和分析,可以看出,目前的空调用电气元件冷却技术,整体上可按照原理分为强迫对流换热、制冷剂液体冷却和半导体制冷冷却几大类,寻求高冷却效果、低成本且简单易行的电气部件冷却技术,仍是未来相关技术的发展方向,值得进一步深入研究。

通过对专利技术的了解学习,对本领域技术发展脉络的梳理和分析,有助于帮助审查员熟悉和把握专利技术的分布,所处的发展阶段,重要的申请人等关键信息,有利于准确、快速理解申请文件以及寻找对比文件,为提升审查能效奠定了良好的基础。



本文选自《制冷与空调》2020年12月刊1-6+33页;作者:石晓萌;未经许可,不得转载


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