專利名稱：一種防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種防爆變壓器的散熱裝置，尤其是一種防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散熱裝置。
背景技術(shù)：
目前，防爆變壓器及各類干式、濕式變壓器經(jīng)過近百年的研發(fā)過程，變壓器的散熱問題得到了較好的解決，散熱方式大致可分為風(fēng)冷式、水冷式等，這些方式的共同特點就是需要外接電源作為散熱介質(zhì)流動的能量。近幾年，隨著環(huán)保低碳的世界性課題的提出，新能源和新的研發(fā)技術(shù)不斷地涌現(xiàn)，太陽能作為新能源的一種，其技術(shù)日益成熟，太能能電池板的效率在不斷地提高，相關(guān)半導(dǎo)體原器件及應(yīng)用技術(shù)也有了新的發(fā)展，為太陽能半導(dǎo)體制冷提供可行性的技術(shù)。本發(fā)明嘗試采用太陽能半導(dǎo)體制冷為變壓器散熱，改變了采用傳統(tǒng)散熱方式，克服了需要外接電源的不足，所需的能量全部由太陽能電池提供，雖然目前太陽能電池的效率不夠理想，但是這為我們改進變壓器散熱方式提供了新的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有變壓器散熱大都需要外加動力，造成額外能源浪費的問題， 提供了一種節(jié)能、環(huán)保型的防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散熱裝置。利用太陽能電池為半導(dǎo)體制冷芯片供電能，根據(jù)半導(dǎo)體材料的熱電能量轉(zhuǎn)換特性，半導(dǎo)體材料會在其冷熱端分別進行吸熱和放熱，達到制冷的效果，通過半導(dǎo)體冷端的制冷效果對防爆變壓器進行散熱。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散射裝置，包括太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)和半導(dǎo)體制冷裝置，所述散熱裝置安裝在防爆變壓器的上方，所述半導(dǎo)體制冷裝置的冷端設(shè)置在靠近防爆變壓器的一側(cè)，熱端通過熱管散熱裝置引到防爆變壓器的防爆外殼的外側(cè)，太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)安裝在所述防爆外殼上。其中，所述太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組件，電子控制器和蓄電池組成，所述太陽能電池組件由單晶硅太陽能電池和非晶硅電池并聯(lián)組成，為半導(dǎo)體制冷裝置中的半導(dǎo)體制冷芯片組和風(fēng)扇提供電能，所述電子控制器用于控制整個發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并保護蓄電池，多余的電能由電子控制器輸送到蓄電池儲存，并在太陽能電池組件無法正常工作時使用。所述半導(dǎo)體制冷裝置包括半導(dǎo)體制冷芯片組，銅片，絕緣層，冷端散熱片，風(fēng)扇和熱端散熱片，所述半導(dǎo)體制冷芯片組設(shè)置在半導(dǎo)體制冷裝置的中部，兩側(cè)各安裝一銅片，銅片外側(cè)分別設(shè)置絕緣層，絕緣層外側(cè)分別設(shè)置冷端散熱片和熱端散熱片，所述冷端散熱片外側(cè)安裝風(fēng)扇。所述太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)與熱端散熱片的距離為35cm。所述半導(dǎo)體制冷芯片組組包括多塊半導(dǎo)體制冷芯片，由多個N型和P型半導(dǎo)體相互排列而成。所述絕緣層采用絕緣陶瓷材料。所述冷端散熱片采用鰭片型結(jié)構(gòu)，由壓固工藝加工而成，每一頁鰭片都可與所述銅片通過絕緣層接觸。
所述熱端散熱片采用熱管散熱結(jié)構(gòu)，由儲熱模塊，導(dǎo)熱模塊和散熱模塊組成。熱量經(jīng)儲熱模塊吸收，通過導(dǎo)熱模塊傳給上方的散熱模塊，散發(fā)到空氣中去。所述導(dǎo)熱模塊為熱管，采用紫銅材料，其毛細結(jié)構(gòu)通過高溫下銅粉燒結(jié)而成。繞結(jié)過程中穩(wěn)定在850 900°C。所述溫度優(yōu)選為850°C，升溫速度為5°C /Min，保護氣體為氮氣，燒結(jié)半小時，取出空冷，然后取出芯棒，再燒結(jié)約半小時。所述熱管的工質(zhì)為丙酮，其充液率為40% -60%。所述半導(dǎo)體制冷裝置還包括隔熱層，采用聚乙烯泡沫塑材料，制成散熱片形狀，放在冷端散熱片和熱端散熱片的鰭片中間。所述半導(dǎo)體制冷裝置的各部件采用螺釘固連，螺釘采用尼布的柱形套隔開，并在裸露處包上泡沫保溫材料。所述冷，熱端散熱片與半導(dǎo)體制冷芯片組之間的各接觸面上均涂有硅脂。本發(fā)明利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用半導(dǎo)體制冷對變壓器進行散熱，相對與傳統(tǒng)的散熱方法，本發(fā)明不需要外接動力，完全依靠太陽能完成對變壓器的散熱，為變壓器散熱探索了一條新的途徑。


圖I一種防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖2太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3電子控制器工作原理圖4半導(dǎo)體制冷裝置結(jié)構(gòu)示意圖5熱管散熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中I-防爆變壓器、2-變壓器繞組、3-變壓器鐵芯、4-變壓器防爆外殼、5-太
陽能半導(dǎo)體制冷裝置、6-底座、7-半導(dǎo)體制冷芯片、8-銅片、9-絕緣層、10-冷端散熱片、 11-風(fēng)扇、12-熱管、13-熱端散熱片、14-太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖給出的發(fā)明對本發(fā)明作進一步的詳細說明。一種防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散熱裝置包括太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)14和半導(dǎo)體制冷裝置5，。如圖I所示，所述散熱裝置安裝在防爆變壓器I的鐵芯3和繞組2的上方，對防爆變壓器I進行散熱。半導(dǎo)體制冷裝置5的冷端設(shè)置在靠近防爆變壓器鐵芯3的一側(cè)，熱端通過熱管散熱裝置引出變壓器防爆外殼4的外側(cè)，將熱量釋放到周圍空氣中。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)14安裝在防爆外殼4上，與熱管散熱裝置散熱片的距離為35cm。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)14將光能轉(zhuǎn)化為電能，為整個散熱裝置提供動力，通過半導(dǎo)體制冷裝置5進行制冷，對變壓器散熱；通過半導(dǎo)體制冷裝置5熱端的熱管散熱裝置對半導(dǎo)體制冷裝置的熱端進行散熱。太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)4的結(jié)構(gòu)如圖2所示，為整個系統(tǒng)提供能源，太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)4由太陽能電池組件、電子控制器和蓄電池組成。太陽能電池組件由一個單晶硅太陽能電池和一個非晶硅電池組成，通過電子裝置并聯(lián)在一起，太陽能電池組件在白天將太陽輻射光能轉(zhuǎn)化為電能，以直流電的形式輸出，在輸出線路上安裝二極管，防止電流的反充，太陽能電池發(fā)出的電能一部分供應(yīng)給半導(dǎo)體制冷裝置，多余的電能由電子控制器輸送到蓄電池并儲存起來，在夜晚和陰天的，太陽能電池組件無法提供正常工作的電流時，將蓄電池中的電能釋放出來，提供給半導(dǎo)體制冷裝置，以滿足其正常工作。采用這種混合電池結(jié)構(gòu)的原因是，非晶硅太陽能電池是直接帶隙材料，對于波長為300 SOOnm 的光比單晶硅有更好的吸收效果，采用混合型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)比采用單一的單晶硅太陽能電池的發(fā)電系統(tǒng)在白天有更長的光電轉(zhuǎn)換時間，即使在陰天或者沙塵天氣非晶硅電池也能正常工作，混合型太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)相對于單一的單晶硅太陽能電池或者非晶硅電池有著更寬的光譜響應(yīng)范圍，系統(tǒng)的整體效率較高，單晶硅太陽能電池選用的型號交大泰陽生產(chǎn)的JDG-M-100S100E，非晶硅太陽能電池選用的型號為創(chuàng)益科技開發(fā)的TRM65A。在兩塊太陽能電池的正極輸出線路上均設(shè)有單向二極管，在太陽能電池系統(tǒng)中起到單向?qū)ǖ淖饔?，防止電流的反充流通。電子控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，對蓄電池起到充電保護和過放電保護的作用，同時由于太陽能電池的輸出具有非線性性，為了使光能盡可能的轉(zhuǎn)化為電能，電子控制器還具有最大功率點跟蹤的功能，本發(fā)明采用用脈寬調(diào)制的方法來實現(xiàn)最大功率點跟蹤，其工作原理如圖3所示，其中控制電路以C8051F020單片機為控制核心，通過霍爾電壓/電流傳感器分別對非晶娃電池和單晶娃電池輸出電壓和輸出電流進行采樣，采樣信號經(jīng)過處理后送到單片機進行處理，并輸出PWM波來控制開關(guān)管的占空比，從而實現(xiàn)混合型太陽電池的最大功率輸出。其中，輸出電壓的采樣采用霍爾電壓傳感器VSM025A，輸出電流的采樣采用霍爾電流傳感器CSM020CG，單片機選用C8051R)20 單片機，開關(guān)管采用采用場效應(yīng)管IRF540，蓄電池選用成都騰龍電子科技有限公司生產(chǎn)的 BT-HSE-120-12型蓄電池，額定電壓12V，容量為120Ah。半導(dǎo)體制冷裝置5利用半導(dǎo)體材料熱電能轉(zhuǎn)換的特性，通過半導(dǎo)體制冷，達到散熱效果，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。其核心是半導(dǎo)體制冷芯片組7，半導(dǎo)體制冷芯片組7放置在半導(dǎo)體制冷裝置5的中部，半導(dǎo)體制冷芯片組7是由多個N型和P型半導(dǎo)體互相排列而成， 而N-P外側(cè)采用銅片8相互連接形成完整線路。為更好的絕緣，在銅片8外側(cè)分別設(shè)有陶瓷絕緣層9，在絕緣層9外側(cè)分別設(shè)有冷端散熱片10和熱端散熱片13。同時為了減少冷熱端散熱片之間的漏熱，在冷端散熱片10和熱端散熱片13之間設(shè)有隔熱層，將冷端散熱片10和熱端散熱片13隔開。冷端散熱片10采用鰭片式結(jié)構(gòu)，同時在冷端散熱片10上加裝風(fēng)扇11，風(fēng)扇11由太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)14提供電源，以加速熱量的交換。熱端散熱片 13的結(jié)構(gòu)為一種熱管散熱裝置。半導(dǎo)體制冷芯片組7和冷端散熱片風(fēng)扇11均由太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)14進行供電。半導(dǎo)體制冷裝置5的各組成部分通過四個螺釘進行固連，螺釘不直接與冷端散熱片10和熱端散熱片13連接，采用尼龍材質(zhì)的柱形套隔開，并在裸露處包上泡沫材料保溫，減少散熱片通過螺釘?shù)膫鳠帷Ｋ霭雽?dǎo)體制冷芯片組7可包括多塊半導(dǎo)體制冷芯片，選用的型號為TEC1-12704，工作電壓為15. 4V，最大制冷功率33. 4W，最大溫差為67°C，長為40mm，寬為40mm，高為4. 7mm,以碲化鉍為基體的三元固溶體合金，其中P型是 Bi2Te3-Sb2Te3, N型是Bi2Te3-Bi2Se3，采用垂直區(qū)熔法提取晶體材料半導(dǎo)體材料。冷、熱端各有40mm*40mm*2. 5mm的銅片8，在冷熱端散熱片和半導(dǎo)體制冷芯片組7之間的各接觸面上都涂有娃脂，減少熱阻。所述冷端散熱片10，采用壓固工藝加工而成，采用翅片型結(jié)構(gòu)，首先將很多片很薄的鰭片重疊擠壓在一起，然后在經(jīng)過拋光打磨工藝加工而成，這種鰭片型散熱片的每一頁鰭片都可以與半導(dǎo)體冷端銅片8接觸，具有很好的熱傳遞能力，在冷端散熱片10頂部安裝有風(fēng)扇11，目的是為了加速冷熱空氣的對流，加速熱交換，將冷空氣迅速擴散，采用直流風(fēng)扇，由太陽能電池提供電源，額定電壓為12V，額定電流為O. 08A。所述熱端散熱片13，采用熱管散熱結(jié)構(gòu)，熱管散熱裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，由儲熱模塊，導(dǎo)熱模塊和散熱模塊三部分組成，熱量經(jīng)由底座(儲熱模塊)吸收，通過熱管12(導(dǎo)熱模塊)傳統(tǒng)給上方的鰭片(散熱模塊)，最終發(fā)散到空氣中去。熱管12選用燒結(jié)工藝制成的熱管，其毛細結(jié)構(gòu)是通過高溫下銅粉燒結(jié)制造而成，采用紫銅材料，管外徑為Φ 10mm，壁厚
1.0mm，燒結(jié)層厚1mm，以純度為99. 5 %的銅粉作為粉末體，銅粉單體粒徑控制在75 150 微米，在銅粉中添加5 %的工業(yè)鹽造孔劑，工業(yè)鹽造孔劑能夠改善了燒結(jié)芯的孔隙結(jié)構(gòu)，提高高毛細力的效果，對熱管的換熱效果起到一定程度的強化作用。燒結(jié)熱管的制作過程如下，首先使用工具將外徑IOmm紫銅管內(nèi)部清除干凈，去除毛刺，然后對紫銅管進行清洗，清洗步驟如下(I)除油用汽油清洗兩次以上；(2)酸洗用體積比為50%的磷酸和體積比為50%的硝酸的混合液在60 70°C 溫度下清洗10 20分鐘，目的在于去除氧化皮，但不可清洗太久，以免腐蝕太深使管件尺寸產(chǎn)生明顯的變化；(3)漂洗酸液處理后立即灌入60 80°C的熱水沖洗三次以上；(4)堿液處理用10%的氫氧化鈉溶液在60 70°C溫度下清洗10 20分鐘；(5)漂洗用清水沖洗20分鐘以上；(6)用干凈空氣把管內(nèi)壁完全吹干。清洗干凈之后獲得內(nèi)外壁皆十分光滑、無氧化物的銅管。此時將一根直徑6mm不銹鋼芯棒插到銅管里，通過定位裝置將不銹鋼芯棒固定在銅管的中央，保證不銹鋼芯棒和銅管的同心度，以保證銅粉填充均勻，將銅管的一端封閉，然后將按比例混合均勻的純銅粉和造孔劑加入到銅管和不銹鋼芯棒的縫隙中，填充完畢后，將銅管的另一端封閉，并壓實粉末，將其放到燒結(jié)爐進行燒結(jié)。燒結(jié)過程中溫度對燒結(jié)出熱管的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用， 一般燒結(jié)溫度在850 900°C之間，本發(fā)明采用的燒結(jié)溫度為850°C，升溫速度為5°C /Min, 以氮氣作為保護氣體，燒結(jié)半小時，取出空冷，然后取出芯棒，再次送入燒結(jié)爐燒結(jié)約半小時。抽出芯棒的目的是為了在燒結(jié)過程中讓氮氣更充分地滲透到粉末顆粒中，起到保護作用。熱管是依靠工質(zhì)的相變進行熱量傳遞，本發(fā)明中熱管的工質(zhì)為丙酮，丙酮的工作溫度在O 120°C之間，用于設(shè)備散熱的熱管最佳充液率為40% 60%，本發(fā)明采用的充液率為60%。所述的隔熱層，采用聚乙烯泡沫塑材料，將聚乙烯泡沫塑材料制作成散熱片的形狀，并將聚乙烯泡沫塑材料的中間開出一個容納銅片的孔，將聚乙烯泡沫塑安放在半導(dǎo)體制冷芯片冷端和熱端散熱片的中間，可以起到減少散熱片之間漏熱的現(xiàn)象本發(fā)明利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，利用半導(dǎo)體制冷對變壓器進行散熱，相對與傳統(tǒng)的散熱方法，本發(fā)明不需要外接動力，完全依靠太陽能完成對變壓器的散熱，為變壓器散熱探索了一條新的途徑。
權(quán)利要求
1.一種防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散射裝置，其特征在于，包括太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)(14)和半導(dǎo)體制冷裝置(5)，所述散熱裝置安裝在防爆變壓器(I)的上方，所述半導(dǎo)體制冷裝置(5)的冷端設(shè)置在靠近防爆變壓器(I)的一側(cè)，熱端通過熱管散熱裝置引到防爆變壓器的防爆外殼(4)的外側(cè)，太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)(14)安裝在所述防爆外殼(4)上，其中，所述太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)(14)由太陽能電池組件，電子控制器和蓄電池組成，所述太陽能電池組件由單晶硅太陽能電池和非晶硅電池并聯(lián)組成，為半導(dǎo)體制冷裝置(5)中的半導(dǎo)體制冷芯片組(7)和風(fēng)扇(11)提供電能，所述電子控制器用于控制整個發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并保護蓄電池，多余的電能由電子控制器輸送到蓄電池儲存，并在太陽能電池組件無法正常工作時使用；所述半導(dǎo)體制冷裝置(5)包括半導(dǎo)體制冷芯片組(7)，銅片(8)，絕緣層(9)，冷端散熱片(10)，風(fēng)扇(11)和熱端散熱片(13)，所述半導(dǎo)體制冷芯片組(7)設(shè)置在半導(dǎo)體制冷裝置(5)的中部，兩側(cè)各安裝一銅片(8)，銅片(8)外側(cè)分別設(shè)置絕緣層(9)，絕緣層(9)外側(cè)分別設(shè)置冷端散熱片(10)和熱端散熱片(13)，所述冷端散熱片外(10)側(cè)安裝風(fēng)扇(11)。
2.一種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)(14)與熱端散熱片(13)的距離為35cm。
3.—種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體制冷芯片組組(7)包括多塊半導(dǎo)體制冷芯片，由多個N型和P型半導(dǎo)體相互排列而成。
4.一種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述絕緣層(9)采用絕緣陶瓷材料。
5.一種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述冷端散熱片(10)采用鰭片型結(jié)構(gòu)， 由壓固工藝加工而成，每一頁鰭片都可與所述銅片(8)通過絕緣層(9)接觸。
6.一種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述熱端散熱片(13)采用熱管散熱結(jié)構(gòu)，由儲熱模塊，導(dǎo)熱模塊和散熱模塊組成，熱量經(jīng)儲熱模塊吸收，通過導(dǎo)熱模塊傳給上方的散熱模塊，散發(fā)到空氣中去。
7.—種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述導(dǎo)熱模塊為熱管(12)，采用紫銅材料，其毛細結(jié)構(gòu)通過高溫下銅粉燒結(jié)而成。
8.一種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，繞結(jié)過程中溫度在850 900°C。
9.一種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述溫度優(yōu)選為850°C，升溫速度為 50C /Min，保護氣體為氮氣，燒結(jié)半小時，取出空冷，然后取出芯棒，再燒結(jié)約半小時。
10.一種如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述熱管(12)的工質(zhì)為丙酮，其充液率為 40% -60% ο
11.一種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體制冷裝置(5)還包括隔熱層，采用聚乙烯泡沫塑材料，制成散熱片形狀，放在冷端散熱片(10)和熱端散熱片(13)的鰭片中間。
12.—種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體制冷裝置(5)的各部件采用螺釘固連，螺釘采用尼布的柱形套隔開，并在裸露處包上泡沫保溫材料。
13.—種如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述冷熱端散熱片(10，13)與半導(dǎo)體制冷芯片組(7)之間的各接觸面上均涂有硅脂。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散熱裝置，包括太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)和半導(dǎo)體制冷裝置，所述散熱裝置安裝在防爆變壓器的上方，所述半導(dǎo)體制冷裝置的冷端設(shè)置在靠近防爆變壓器的一側(cè)，熱端通過熱管散熱裝置引到防爆變壓器的防爆外殼的外側(cè)，太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)安裝在所述防爆外殼上。該散熱裝置解決現(xiàn)有變壓器散熱大都需要外加動力，造成額外能源浪費的問題，提供了一種節(jié)能、環(huán)保型的防爆變壓器太陽能半導(dǎo)體散熱裝置。利用太陽能電池為半導(dǎo)體制冷芯片組供電能，根據(jù)半導(dǎo)體材料的熱電能量轉(zhuǎn)換特性，半導(dǎo)體材料會在其冷熱端分別進行吸熱和放熱，達到制冷的效果，通過半導(dǎo)體冷端的制冷效果對防爆變壓器進行散熱。
文檔編號F25B21/02GK102610368SQ201210063528
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者季中勇, 徐龍霞, 武佩剛, 蘇成勇 申請人:江蘇中聯(lián)電氣股份有限公司