專利名稱：基于熱管散熱系統(tǒng)的新型功率柜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及電器設(shè)備領(lǐng)域，特別是涉及基于熱管散熱技術(shù)的新型功率柜。
技術(shù)背景眾所周知，勵磁功率柜的可控硅、二極管或絕緣柵雙極晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,縮寫為IGBT)等功率元件通常工作于大電流高電壓的工況，單位時間發(fā)熱量 大，溫升高，為確保功率元件安全可靠運行，必須對其散熱冷卻，保證其工作溫度不超過 允許范圍。傳統(tǒng)的解決方案都是采用實心鑄鋁(或銅)材散熱器加強迫風(fēng)冷方式，即依靠 軸流或離心風(fēng)機的高速旋轉(zhuǎn)，促使大量冷熱空氣對流，以加速功率柜內(nèi)外熱交換，降低功 率元件工作溫度。強迫風(fēng)冷方式要求風(fēng)源清潔，不適應(yīng)帶粉塵較多的環(huán)境如火力發(fā)電廠、 電解鋁廠等。為了達到大量冷熱空氣對流， 一般要求柜體采取密封風(fēng)道形式設(shè)計，這導(dǎo)致 對安裝于風(fēng)道內(nèi)的功率元件檢查維修困難，同時軸流或離心風(fēng)機噪聲大，其可靠性直接影 響整個功率柜的散熱可靠性。這些因素都對大功率勵磁功率柜的安全穩(wěn)定運行造成了不利 影響。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種以熱管散熱器為核心的新型功率柜，以 解決傳統(tǒng)勵磁功率柜散熱方式的諸多缺點。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括柜體和裝在柜體內(nèi)的控制元 件、功率元件及散熱部件,其中散熱部件為熱管散熱器，與功率元件裝在一起。本實用新型由于首次引入熱管散熱器，因此與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下主要優(yōu)點其一.可提高柜內(nèi)散熱效率一是由于熱管的有效導(dǎo)熱系數(shù)可以做到0.02K/W，比同樣直徑實心銅鋁散熱器的導(dǎo)熱 系數(shù)大1000倍以上；二是由于熱響應(yīng)速度最快可達20s，比傳統(tǒng)功率柜要快2—3倍；三 是由于散熱面積是同等質(zhì)量傳統(tǒng)散熱器的2倍；因此可使柜內(nèi)散熱效率高達95%，是傳統(tǒng)功率柜的2 3倍。其二.可節(jié)省風(fēng)機及其附加輔助設(shè)備在額定電流以下不需要風(fēng)機即可安全運行，可使柜內(nèi)平均溫升控制為3crc以內(nèi)?？珊喕Y(jié)構(gòu)，減輕重量，本柜同體積散熱器的重量是傳統(tǒng)功率柜的2/3。 其三.噪聲可降低至20分貝，是傳統(tǒng)功率柜散熱方式的1/3。其四.采用銅質(zhì)熱管散熱器，使用壽命可延長至20年以上，而傳統(tǒng)功率柜散熱方式只有io年。其五.可工作于帶微粉塵的惡劣環(huán)境下。3頁
圖1是本實用新型的主視圖。 圖2是圖1的左視圖。圖3是圖1中熱管散熱器1的結(jié)構(gòu)放大示意圖。 圖4是圖3的左視圖。圖中l(wèi).熱管散熱器；2.吊裝支架；3.頂板；4.眉頭；5.移動立柱；6.側(cè)橫梁； 7.散熱器安裝梁；8.阻容安裝梁；9.前門；10.后門；11.走線槽；12.控制元件； 13.電氣元件分板；14.熱管固定板；15.熱管；16.散熱片；17.螺柱；18.銅排；19 螺栓；20.壓緊調(diào)節(jié)螺栓；21.壓接金屬板；22.金屬板；23.平行金屬板。
具體實施方式
本實用新型提供的基于熱管散熱技術(shù)的新型功率柜，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示包括 柜體和裝在柜體內(nèi)的控制元件12、功率元件及散熱部件，其中散熱部件為熱管散熱器1， 與功率元件裝在一起。所述的熱管散熱器l的結(jié)構(gòu)如圖1、圖3和圖4所示由熱管15和散熱片16組成， 二者套連且焊接固定。熱管15呈傾斜安裝，其軸線與水平面的夾角為10 — 20度， 一般可 選用15度；這樣便于工作物質(zhì)放熱后冷凝成液體從熱管散熱器1的左端(冷凝端)返回 熱管散熱器l的右端(吸熱端)，使可控硅、二極管或IGBT等發(fā)熱元件及時降溫而得到保 護。散熱片16的設(shè)計要充分考慮功率元件的散熱需求，可通過改變合理選取散熱片16的 材料、設(shè)計散熱片的結(jié)構(gòu)增加或減小散熱面積。熱管散熱器1可由銅制成，銅表面鍍有錫， 以防止生銹。熱管15可市購，是一種新型的導(dǎo)熱器件，其導(dǎo)熱原理主要是利用工作流體 的蒸發(fā)與冷凝來傳遞熱量，由管殼、吸液芯和端蓋三個部分組成；熱管內(nèi)部是接近真空的 腔型結(jié)構(gòu)，充有工作流體，兩端分別為吸熱端和冷凝端。上述的功率元件(整流組件)為主要的發(fā)熱源，所以緊貼熱管散熱器l的吸熱端，可 通過熱管的金屬夾具固定。金屬夾具的主體由兩塊較大的平行金屬板23構(gòu)成，此平行金 屬板23通過與其正交的窄長壓接金屬板21將其下的一個端面非常平滑的半徑較小的螺柱 17和熱管吸熱端金屬板22壓接以及功率元件壓接在一起，功率元件處于熱管末端金屬板 22與某一平行金屬板23之間。可通過調(diào)節(jié)兩根壓緊調(diào)節(jié)螺栓20將熱管吸熱端金屬板22 與可控硅緊緊壓接程度。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明，但不限定本實用新型。本功率柜的柜體由金屬支架構(gòu)建，其內(nèi)部主要的功能元件包括阻容吸收及控制用電路 板12、功率元件及相應(yīng)的熱管散熱器l。由圖1所示，柜體內(nèi)部最上層為阻容吸收及控制 用電路板12，其構(gòu)成功率柜的控制系統(tǒng)；柜體的中部分為兩層，上面放置有功率元件及 相應(yīng)的熱管散熱器l，這個部分的詳細結(jié)構(gòu)見于圖3、圖4。如圖3、圖4所示，功率元件 及其相應(yīng)的熱管散熱器構(gòu)成了一個整體，途中左側(cè)的鰭片狀結(jié)構(gòu)即為熱管散熱器1的金屬 散熱片16，四根熱管15從左至右向下傾斜15度穿過散熱片，熱管15的外表面與散熱片16緊緊的焊接在一起。熱管右端設(shè)有一塊空心的金屬板22，該金屬板即為熱管的吸熱端， 其內(nèi)部充有工作流體。金屬板22和功率元件被金屬夾具通過螺栓19固定在一起。整個套 件(功率元件及其散熱器)通過圖3中的熱管固定板14固定在柜體的熱管固定連接螺栓 19上，從熱管固定連接螺栓19向外引出的銅排18被夾具和熱管固定板14牢牢固定，它 相當(dāng)于功率元件的電氣引腳。整個功率柜結(jié)構(gòu)簡單，很適合拆卸和維修。圖1和圖2中還有零部件為吊裝支架2、頂板3、眉頭4、移動立柱5、側(cè)橫梁6、散 熱器安裝梁7、阻容安裝梁8、前門9、后門lO和走線槽ll，這些部件的結(jié)構(gòu)與連接關(guān)系 均同現(xiàn)有技術(shù)。本實用新型廣泛用于采用不同勵磁方式的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)，可滿足10-900MW容量發(fā) 電機組的勵磁要求，也適用與冶金、化工、礦山、電鍍等大功率交直流變換場合。本實用新型的工作原理是當(dāng)熱管15的蒸發(fā)端受熱時，蒸發(fā)端的工作流體受熱蒸發(fā)， 此為吸熱段，蒸汽沿管腔流動至冷凝端，通過管外部的散熱翅片向周圍空氣介質(zhì)釋放熱量， 此為放熱段。由于熱管呈傾斜安裝，蒸汽放熱后冷凝成液體，依靠重力及管內(nèi)部特殊材料 的毛細作用流回至加熱端，如此的循環(huán)反復(fù)，迅速將熱量從熱管的加熱端傳至散熱端，最 終耗散在周圍空氣介質(zhì)中。本功率柜的散熱原理即以熱管散熱器作為核心，功率元件工作 時，產(chǎn)生的熱量傳遞至熱管吸熱端，熱管吸熱并將熱量飛快的傳導(dǎo)到散熱端，然后經(jīng)過散 熱片將熱量傳遞給周圍的空氣介質(zhì)。本實用新型的散熱過程是當(dāng)功率元件溫度升高時，與其緊密相接的熱管15的吸熱 端吸收熱量并傳遞給其內(nèi)部的工作流體，工作流體吸收一定熱量后揮發(fā)，并沿著傾斜的熱 管上升，上升過程中工作流體將熱量傳遞給熱管周圍的散熱片16，并逐步冷凝成液體并 在重力及毛細的作用下流回?zé)峁艿奈鼰岫耍蝗绱搜h(huán)反復(fù)，熱管便將功率元件發(fā)出的熱量 迅速傳遞給散熱片并散發(fā)掉，從而達到保護功率元件之目的。
權(quán)利要求1.基于熱管散熱技術(shù)的新型功率柜，包括柜體和裝在柜體內(nèi)的控制元件(12)、功率元件及散熱部件，其特征是散熱部件為熱管散熱器(1)，與功率元件裝在一起。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率柜，其特征是所述的熱管散熱器(1)，其熱管(15) 的軸線與水平面的夾角為5 — 8度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的功率柜，其特征是熱管(15)的軸線與水平面的夾角為5度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率柜，其特征是功率元件通過金屬夾具裝在熱管散熱器 (1)的吸熱端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的功率柜，其特征是熱管散熱器(1)的材質(zhì)為銅，銅表面鍍 有錫。
專利摘要本實用新型公開了一種基于熱管散熱技術(shù)的新型功率柜，包括柜體和裝在柜體內(nèi)的控制元件(12)、功率元件及散熱部件，其中散熱部件為熱管散熱器(1)，與功率元件裝在一起。本實用新型由于首次引入熱管散熱器，因此與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的主要優(yōu)點是可提高柜內(nèi)散熱效率；可節(jié)省風(fēng)機及其附加輔助設(shè)備；噪聲可降低至20分貝，是傳統(tǒng)功率柜散熱方式的1/3；使用壽命長，以及可工作于帶微粉塵的惡劣環(huán)境下。
文檔編號H01L23/427GK201115201SQ200720086318
公開日2008年9月10日 申請日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月6日
發(fā)明者羅祥棟, 趙國軍 申請人:武漢洪山電工科技有限公司