專利名稱：集成的風扇馬達和控制器殼體的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及電子器件冷卻，并且更具體地涉及用于風扇馬達控制器的空氣冷卻。
背景技術：
風扇通常用于從電子部件驅散熱量，由此避免部件的失效并且延長部件的壽命。一些飛機中的電子部件(包括馬達控制器)通常位于安裝在風扇殼體上的馬達控制器殼體中。常規地，用附近的風扇所循環的空氣流來冷卻安裝在這些馬達控制器殼體中的電子器件。一些這種冷卻系統將相對冷的空氣從風扇下游的風扇導管的區域轉向，并且使該空氣經過殼體，然后在殼體中的排放口處將其釋放到環境中。其他常規的冷卻系統借助于罩殼中的出口從環境吸入用于冷卻的空氣，并且借助于空氣通路將該空氣抽吸通過殼體，該空氣通路從殼體到風扇緊鄰上游的風扇導管的區域。在飛機中，提供冷卻空氣流的風扇可以是空氣管理系統的一部分。相比風扇的總空氣流體積而言，用于冷卻的空氣的量通常小(通常在2%的量級上)，從而不會擾亂正常的風扇功能，例如機艙或盥洗室空氣循環或者用于電子艙冷卻。常規風扇馬達控制器組件包括具有平基座的盒狀風扇馬達控制器殼體，該扁平基座經由中間的熱界面安裝到相鄰的圓柱形風扇導管，這增加了總的組件的成本和重量。另夕卜，許多風扇馬達控制器殼體包括布置在高熱量部件附近的機械翅片，以增大散熱表面積。這些翅片也增加了總的組件的成本和重量。通常期望的是，風扇馬達控制器硬件的占用空間盡可能小。然而，發熱電子器件的封裝密度的任何增加均使得有必要對散熱進行相應的改善，以避免過度的部件退化。因此，需要一種能夠在較低成本和重量的情況下增大冷卻的風扇馬達控制器殼體。
發明內容
本發明涉及一種電子器件冷卻系統，其包括管狀風扇導管和電子器件殼體。所述管狀風扇導管具有風扇導管罩殼，所述風扇導管罩殼容納風扇，所述風扇具有轉子葉片和定子翼片。所述電子器件殼體直接安裝在所述管狀風扇導管上，使得所述電子器件殼體和所述風扇導管罩殼一起封閉了內部空間。冷卻空氣流路徑從所述管狀風扇導管的高壓力區域通過入口孔延伸進入所述內部空間并且從排泄孔出來并進入周圍環境。所述電子器件冷卻系統還包括安裝在所述內部空間中的三個電子器件支架。第一電子器件支架定位成緊鄰所述入口孔，位于所述風扇導管上。第二電子器件支架定位在所述定子翼片的緊鄰徑向外側，位于所述風扇導管上。第三電子器件支架定位成緊鄰所述排泄孔，位于所述殼體上。
圖1是風扇馬達控制器組件的透視圖。圖2是圖1的風扇馬達控制器組件的剖視圖。圖3是圖1的風扇馬達控制器組件的風扇導管的透視圖。圖4是圖1的風扇馬達控制器組件的透明透視圖，示出了風扇馬達控制器殼體中的部件。圖5A和5B是圖4的風扇馬達控制器殼體的一個面板的透視圖。圖6是圖1的風扇馬達控制器殼體的另一個面板的透明透視圖。
具體實施例方式圖1是風扇馬達控制器組件10的透視圖。風扇馬達控制器組件10包括殼體12和風扇導管14。殼體12是容納馬達控制器電子部件的盒狀結構，所述電子部件產生熱量。殼體12由剛性、導熱材料形成，例如鋁。風扇導管14是容納風扇(見圖2)的基本圓柱形導管，該風扇在激活時沿空氣流方向驅動空氣，由此在風扇導管14中產生高和低相對壓力的區域(見圖2下方)。風扇導管14可以例如是用于飛機空氣管理系統的鋁導管，諸如機艙或盥洗室空氣導管或電子器件冷卻空氣源。如圖所示，殼體12是由一個頂面板16、兩個前/后面板18和兩個側面板20組成的五面結構。頂面板16和側面板20基本是矩形的，而前/后面板18被成形為符合風扇導管14的相鄰表面的圓柱形。在所示實施例中，前/后面板18是八個面的面板。在其他實施例中，前/后面板18可以具有符合風扇導管14的表面的其他形狀。在一些實施例中，如同兩個側面板20那樣，前/后面板18 二者也是相同的。在其他實施例中，每個面板可顯現出小的差別，例如在冷卻或附接孔(下面討論)的位置中。與風扇導管14 一樣，面板16、18和20由剛性熱導體形成，例如鋁或鋁合金。在一些實施例中，每個面板16、18或20是單獨的件。在其他實施例中，面板16、18和20的一些子集可以被鑄造或焊接到一起成為單件。殼體12與風扇導管14 一起形成封閉的內部空間。殼體12可栓接或焊接到風扇導管14。在一些實施例中，面板16、18或20中的一個或多個是可去除的，從而允許訪問殼體12內部的電子部件。盡管是基本圓柱形的，但如圖3所示以及下面關于圖3所描述的，風扇導管14包括與殼體12的位置重合的平的側面部分。圖2是穿過圖1的剖切線2-2的馬達控制器組件10的剖視圖。如上面說明的，馬達控制器組件10包括殼體12和風扇導管14。風扇導管14包含位于導管罩殼26內的轉子葉片22和定子翼片24。盡管僅僅示出了轉子葉片22和定子翼片24的一級，但一些實施例可包括多級的交替的轉子葉片和定子翼片。如上面關于圖1討論的，殼體12具有由導管罩殼26以及面板16、18和20形成的內部空間28。在一些實施例中，如圖3所示以及下面關于圖3所描述的,導管罩殼26的限定內部空間28的部分包括基本平的表面,其偏離了風扇導管14的大致圓柱形狀。風扇導管14通過入口孔30a和30b (共同稱為入口孔30)被流體地連接到內部空間28，并且內部空間28通過排泄孔32被流體地連接到環境。入口孔30是在高壓力位置處通過風扇導管14的外部鑄造或鉆出的孔。來自入口孔30的空氣偏轉出風扇導管14并進入內部空間28以冷卻電子器件。多個排泄孔32位于面板18和20上，以從內部空間28排出空氣。如下面關于圖4、5A、5B和6所描述的，排泄孔32被巧妙地定位以抽吸空氣通過電子部件。由入口孔30a和30b從風扇導管14轉向的空氣進入并且循環遍及內部空間28，從而冷卻其內的電子部件，然后通過排泄孔32離開。空氣從排泄孔32被排出到周圍環境(處于低相對壓力)。在一些實施例中，排泄孔32也可存在于面板16中。殼體12容納各種產熱電子部件并且對其提供冷卻，所述電子部件包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊100、自耦變壓器整流器單元(ATRU) 102、相間變壓器(IPT) 104以及感應器106。在許多實施例中，諸如各種類型的印刷線路板的其他電子部件也位于殼體12中以便冷卻。另外，如下面關于圖4和6描述的，一些電子部件安裝在側面板20上。如圖所示，IGBT模塊100和ATRU 102安裝在導管罩殼26上，并且被來自通過入口孔30排放到內部空間28的空氣的直接空氣冷卻(對流)以及通過導管罩殼26到風扇導管14的主空氣流中的間接空氣冷卻(傳導)的組合所冷卻。如下面關于圖4、5A、5B和6描述的，IPT 104、感應器106以及安裝在面板16、18和20上的其他部件主要通過直接空氣冷卻被冷卻。IGBT模塊100直接安裝在風扇導管罩殼26上。IGBT模塊100被來自入口孔30a的空氣流對流地冷卻，并且通過風扇導管罩殼26和定子翼片24經由采用風扇導管14的主空氣流的間接空氣冷卻被傳導地冷卻。在所示實施例中，有六個入口孔30a，每個其定子翼片24重充當冷卻翅片，提供增大的表面積，以便將熱量散到風扇導管14的空氣流中。從風扇導管14轉向的空氣經過并圍繞ATRU 102流動，提供直接空氣冷卻。在一個實施例中，如美國專利申請No. 13/050509所描述的，ATRU 102可以是由安裝在導管罩殼26上的支撐結構支撐的輕重量變壓器，本申請是該美國專利申請的部分連續申請。在其他實施例中，ATRU 102可以是熱罐封中的常規變壓器組件。ATRU 102包括空氣通道，來自風扇導管14的高壓力區域的空氣可以穿過該空氣通道以冷卻ATRU 102。在一些實施例中，這些空氣通道與入口孔30b匯合，使得內部空間28 (低相對壓力)和風扇導管14的高壓力區域(高相對壓力)之間的壓力差抽吸空氣通過ATRU 102。通過將IGBT模塊100和ATRU 102直接安裝在風扇導管罩殼26上，風扇馬達控制器組件10能夠給兩個部件提供充分的冷卻，而不依賴于電子部件和風扇導管14之間的沉重的熱界面。另外，將定子翼片24用作冷卻翅片使得無需獨立的帶翅片的換熱器，從而在沒有降低冷卻容量的情況下進一步減小質量。圖3是風扇導管14的透視圖，示出了風扇導管罩殼26，其具有入口孔30 (包括入口孔30a和入口孔30b)、平的支座34、熱界面36和附接孔38。如上面關于圖1和2描述的，風扇導管罩殼26形成了風扇導管14的外部，并且入口孔30提供了通過內部空間28(見圖2)的冷卻空氣流。附接孔38是鉚釘孔或螺釘孔，其允許前/后面板18和側面板20被栓接到風扇導管罩殼26。在一些實施例中，通過從附接孔38擰下螺栓或螺釘，一些面板18和20可以是可去除的。如前面提到的，一些面板18和20可以焊接在風扇導管罩殼26上的適當位置。平的支座34提供用于諸如IGBT 100和ATRU 102的電子部件的傳導平臺。通過將平的支座34鑄造到風扇導管罩殼26中，風扇馬達控制器組件10能夠避免使用常規的、分離的、平的電子器件平臺，其通過沉重的熱界面連接到風扇導管罩殼26的圓柱形表面。因此，平的支座34提供了電子部件的更加直接的傳導冷卻，而同時允許減小風扇馬達控制器組件10的總質量。風扇馬達控制器組件10的一些實施例還包括一個或多個熱界面層36，其可以例如是常規的傳導材料(例如，Thermstrate)的熱墊。熱界面層36是薄且輕重量的，并且形成了電子部件和風扇導管罩殼26之間的熱界面，其不會顯著增加風扇馬達控制器組件10的質量。圖4是風扇馬達控制器組件10的透明透視圖，示出了安裝在內部空間28中處于面板18和20上的部件，包括IPT 104、感應器106、差模(DM)感應器108、電阻器110、電容器112和多個印刷線路板以及其他電子部件。如前面描述的，風扇馬達控制器組件10包括殼體12和風扇導管14。殼體12由頂面板16、兩個前/后面板18以及兩個側面板20形成，并且被排泄孔32 (包括排泄孔32a、32b、32c和32d)穿透。IPT 104和感應器106安裝在一個前/后面板18上，而DM感應器108、電阻器110和電容器112安裝在一個側面板20上。這些部件被通過面板18或20的傳導散熱以及被流過或穿過電子部件的直接空氣流所冷卻。一些部件(例如電容器112)需要極少的冷卻或不需要冷卻。其他部件(例如IPT 104和感應器106)必須能夠耗散大量的熱以最小化部件的退化。面板16、18和20中的排泄孔32從內部空間28排出空氣，由此產生從風扇導管14通過內部空間28并進入環境中的連續冷卻空氣流。具體地，排泄孔32a通過頂面板16排出空氣，排泄孔32b和32c通過前/后面板18 (見下面的圖5A和5B)排出空氣，并且排泄孔32d通過側面板20 (見下面的圖6)排出空氣。排泄孔32b位于IPT 104的安裝位置以抽吸空氣通過IPT 104，以便獲得增強的直接空氣冷卻。排泄孔32c位于感應器106的安裝位置以類似地抽吸空氣通過感應器106，以便獲得直接空氣冷卻。排泄孔32d位于風扇導管14附近，并且提供空氣流通過側面板20，但是并不位于DM感應器108或電阻器110的安裝位置，因為這些部件相比IPT 104或感應器106需要較少的冷卻。總之，排泄孔32抽吸空氣通過必須耗散最多熱量的電子部件，而安裝在面板16、18和20上的其他部件僅由在內部空間28中且通過內部空間28的一般性空氣流冷卻。因此，排泄孔32被巧妙地定位以提供直接通過最需要冷卻的部件的空氣流。在所示實施例中，排泄孔32a、32b和32d以及入口孔30a是直徑為O. 2英寸(5.1 mm)的圓孔，排泄孔32c是直徑為O. 125英寸(3. 2 mm)的圓孔，并且入口孔30b是O. 312X0. 188英寸(7.9X4.8 mm)的腎形孔。在性質上，入口孔30的尺寸被選擇成在不削弱風扇的操作的情況下通過使過剩的空氣轉向而為馬達控制器電子器件提供充足的冷卻空氣流。入口孔30僅僅使通過風扇導管14的空氣流的大約2%轉向，這對于風扇的操作的影響可忽略不計。盡管排泄孔32的尺寸并不關鍵，但是入口孔30和排泄孔32 二者必須足夠大以避免被灰塵或碎屑堵塞，而又足夠小以使得空氣流集中在產熱電子器件周圍。其次，排泄孔32提供了用于在啟動期間從風扇馬達控制器組件10排出濕氣的裝置。圖5A和5B是殼體12的一個前/后面板18的透視圖。圖5A示出了前/后面板18的外部視圖，而圖5B示出了前/后面板20的內側。前/后面板18具有排泄孔32b和32c，并且支撐IPT 104和感應器106。每個IPT 104包括多個纏繞芯114，多個纏繞芯114被空間116隔開，空間116與排泄孔32b重合。環境(低相對壓力)和內部空間28 (高相對壓力)之間的壓力差抽吸冷卻空氣通過空間116并且經由排泄孔32b出去。相對于來自內部空間28中的一般性空氣循環的對流冷卻而言，該直接通過IPT 104的空氣流提供了增強的冷卻。前/后面板18包括感應器支架40，也即平臺，感應器106附接到感應器支架40以便進行冷卻。感應器支架40包括多個感應器空氣通路42，其從內部空間28延伸到排泄孔32c。空氣被從內部空間28抽吸通過空氣通路42并且藉由前面討論的環境和內部空間28之間的壓力差流出排泄孔32c。相對于來自內部空間28中的一般性空氣循環的對流冷卻而言，冷卻空氣通過感應器空氣通路42的流動為感應器106提供了增強的冷卻。排泄孔32b和32c的定位將空氣抽吸通過空間116和感應器空氣通路42，從而在不顯著增加風扇馬達控制器組件10的質量的情況下增加了從IPT 104和感應器106的可能的散熱。圖6是殼體12的一個側面板20的透明透視圖。側面板20具有排泄孔32d并且支撐DM感應器108、電阻器110和電容器112。電容器112產生可忽略的熱量。DM感應器108和電阻器110是實質性的產熱器件，其必須被冷卻以避免部件損壞并最小化退化。不同于IPT 104或感應器106，DM感應器108和電阻器110僅被內部空間28中的循環空氣流冷卻；排泄孔32d位于側面板20和風扇導管罩殼26的相交處附近，從而不抽吸冷卻空氣通過DM感應器108或電阻器110。在期望額外冷卻的替代實施例中，如關于圖5A和5B中的排泄孔32b和32c描述的，電子部件和排泄孔32d可被重新定位以重合。在所示實施例中，排泄孔32a、32b、32c和32d共同提供通過內部空間的空氣循環，其直接冷卻產熱的電子部件。通過內部空間的空氣循環。風扇馬達控制器組件10為電子部件提供了對流和傳導冷卻，所述電子部件包括IGBT模塊100、ATRU 102、IPT 104、感應器106、DM感應器108和電阻器110。較熱的部件由被經由入口孔30a和30b以及排泄孔30b和30c引導通過該部件或在該部件附近的空氣流冷卻。IGBT模塊100和ATRU 102產生風扇馬達控制器組件10內的電子部件的最多熱量，并且與風扇導管14的風扇導管罩殼26直接熱接觸，其中，定子翼片24充當冷卻翅片以在大的表面積上散熱。風扇馬達控制器組件10中的部件、入口孔和排泄孔的位置提供了相對于現有技術而言增強的冷卻，而同時在降低重量的情況下將部件集中在較小的空間內。盡管已經參照(一個或多個)示范實施例描述了本發明，但本領域技術人員將會理解的是，在不背離本發明范圍的情況下可作出各種改變并且可以用等同物替換其元件。另夕卜，在不背離本發明的實質范圍的情況下，可作出許多修改以使具體情況或材料適應本發明的教導。因此，所意圖的是，本發明不限于所公開的(一個或多個)具體實施例，而是本發明將會包括落在所附權利要求的范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種電子器件冷卻系統,包括管狀風扇導管，其具有風扇導管罩殼，所述風扇導管罩殼容納風扇，所述風扇具有轉子葉片和定子翼片；電子器件殼體，其直接安裝在所述管狀風扇導管上，使得所述電子器件殼體和所述風扇導管罩殼一起封閉了內部空間；從所述管狀風扇導管的高壓力區域通過入口孔進入所述內部空間并且從排泄孔出來并進入周圍環境的冷卻空氣流路徑；第一電子器件安裝位置，其位于所述風扇導管上、在所述內部空間內并且緊鄰所述入口孔；第二電子器件安裝位置，其位于所述風扇導管上、在所述內部空間內并且從所述定子翼片徑向緊鄰地向外；和第三電子器件安裝位置，其位于所述殼體上、在所述內部空間內并且緊鄰所述排泄孔。
2.如權利要求1所述的電子器件冷卻系統，其中，所述入口孔引導冷卻空氣流直接通過被安裝在所述第一電子器件安裝位置的電子器件。
3.如權利要求1所述的電子器件冷卻系統，其中，所述定子翼片充當冷卻翅片，其從被安裝在所述第二電子器件安裝位置的電子器件散熱到所述風扇的主空氣流路徑中。
4.如權利要求1所述的電子器件冷卻系統，其中，所述排泄孔抽吸冷卻空氣直接通過被安裝在所述第三電子器件安裝位置的電子器件。
5.如權利要求1所述的電子器件冷卻系統，其中，所述第三電子器件安裝位置位于所述排泄孔所經過的平臺上，使得所述排泄孔抽吸冷卻空氣通過所述平臺以冷卻被安裝在所述第三安裝位置的電子器件。
6.—種風扇馬達控制器組件,包括管狀風扇導管，其具有風扇導管罩殼，所述風扇導管罩殼容納風扇，所述風扇具有轉子葉片和定子翼片；電子器件殼體，其直接安裝在所述管狀風扇導管上，使得所述電子器件殼體和所述風扇導管罩殼一起封閉了內部空間；多個入口孔，其穿過所述管狀風扇導管，將所述管狀風扇導管的高壓力區域流體地連接到所述內部空間；多個排泄孔，其穿過所述電子器件殼體，將所述內部空間流體地連接到環境，由此形成從所述管狀風扇導管通過所述入口孔到所述內部空間并且從所述排泄孔出來到周圍環境的空氣流路徑；以及布置在所述內部空間中的多個電子部件，所述多個電子部件包括第一電子部件，其安裝在所述管狀風扇導管上，并且藉由采用所述定子翼片充當冷卻翅片以散熱到所述風扇的主空氣流流動路徑中而通過所述風扇導管被傳導地冷卻； 和 第二電子部件，其安裝在所述電子器件殼體上，位于所述排泄孔中的至少一個的位置處，并且經由通過所述排泄孔的空氣流被對流地冷卻。
7.如權利要求6所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述多個電子部件還包括第三電子部件，所述第三電子部件安裝在所述管狀風扇導管上，位于所述入口孔中的至少一個的位置處，并且經由通過所述入口孔的空氣流被對流地冷卻。
8.如權利要求7所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述電子器件殼體安裝于其上的所述風扇導管罩殼的至少一部分形成平的支座，并且其中，所述第一電子部件和所述第三電子部件安裝在所述平的支座上。
9.如權利要求7所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述第三電子部件緊鄰地安裝在所述入口孔中的至少一個之上，使得進入所述內部空間的空氣直接經過所述第三電子部件。
10.如權利要求7所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述第三電子部件是自耦變壓器整流器單元。
11.如權利要求6所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述第一電子部件是絕緣柵雙極晶體管模塊。
12.如權利要求6所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述第二電子部件是感應器和變壓器中的一個。
13.如權利要求6所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述第二電子部件緊鄰地安裝在所述排泄孔中的至少一個之上，使得經由所述排泄孔離開所述內部空間的空氣直接經過所述第二電子部件。
14.如權利要求6所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述第二電子部件附接到所述排泄孔中的至少一個延伸穿過的平臺，使得經由所述排泄孔離開所述內部空間的空氣經過所述平臺以冷卻所述第二電子部件。
15.如權利要求6所述的風扇馬達控制器組件，其中，所述第一電子部件安裝在所述定子翼片的剛好徑向外側。
16.一種用于冷卻內部空間中的電子部件的方法，所述內部空間形成在電子器件殼體和風扇導管之間，所述風扇導管攜載了轉子葉片和定子翼片，所述方法包括將空氣從所述風扇導管通過入口孔并通過第一電子部件抽吸到所述內部空間中，所述第一電子部件安裝在所述風扇導管上并且定位成緊鄰所述入口孔；將空氣從所述內部空間通過排泄孔并通過第二電子部件排放到周圍環境中，所述第二電子部件安裝在電子器件殼體上并且定位成緊鄰所述排泄孔；以及通過將所述定子翼片用作冷卻翅片以散熱到通過所述風扇導管的主空氣流中而傳導地冷卻第三電子部件，所述第三電子部件安裝在所述風扇導管上并且定位在所述定子翼片的緊鄰徑向外側。
17.如權利要求16所述的方法，其中，經由所述入口孔進入所述內部空間并經由所述排泄孔離開的空氣形成了冷卻空氣流，所述冷卻空氣流從第四電子部件散熱，所述第四電子部件安裝在所述內部空間中但是不位于所述入口孔或所述排泄孔之上。
18.如權利要求17所述的方法，其中，不與電子部件鄰近的其他入口孔和其他排泄孔有助于所述冷卻空氣流。
19.如權利要求16所述的方法，其中，所述第一電子部件是自耦變壓器整流器單元。
20.如權利要求16所述的方法，其中，所述第二電子部件是絕緣柵雙極晶體管模塊，并且所述第三電子部件是感應器或變壓器中的一個。
全文摘要
本發明涉及集成的風扇馬達和控制器殼體。具體地，一種電子器件冷卻系統包括管狀風扇導管和電子器件殼體。管狀風扇導管具有風扇導管罩殼，風扇導管罩殼容納風扇，風扇具有轉子葉片和定子翼片。電子器件殼體直接安裝在管狀風扇導管上，使得電子器件殼體和風扇導管罩殼一起封閉了內部空間。冷卻空氣流路徑從管狀風扇導管的高壓力區域通過入口孔延伸進入內部空間并且從排泄孔出來并進入周圍環境。電子器件冷卻系統還包括安裝在內部空間中的三個電子器件支架。第一電子器件支架定位成緊鄰入口孔，位于風扇導管上。第二電子器件支架定位在定子翼片的緊鄰徑向外側，位于風扇導管上。第三電子器件支架定位成緊鄰排泄孔，位于殼體上。
文檔編號F04D27/00GK103002713SQ20121034055
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月14日 優先權日2011年9月15日
發明者D.帕爾, M.W.梅茨勒, T.J.米爾羅伊, R.P.高文 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司