專利名稱：保護電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型所屬技術領域為電力電子技術。更具體講屬于大功率晶閘管、可控硅、電力電子模塊(是全數(shù)字移相觸發(fā)集成電路與晶閘管集成于一體的大型集成塊)的風冷、溫升監(jiān)控技術。
技術背景電力電子元件如整流管、晶閘管等工作時內(nèi)部芯片產(chǎn)生耗散熱，必需用適當?shù)纳崞鱽砝鋮s元件，以保證P-N節(jié)溫升不超過容許值，以2500安的元件為例，其內(nèi)部耗散熱超過3KW。對于電力電子模塊來說散熱也是必不可少的，以最大輸出電流2000A電力電子模塊為例，內(nèi)部P-N節(jié)耗散熱也在2KW以上。因此模塊專業(yè)生產(chǎn)廠—淄博銀河高技術開發(fā)有限公司在它的產(chǎn)品說明書中寫道“散熱條件的好壞是影響模塊能否安全工作的重要因素。良好的散熱條件不但能夠保證模塊可靠工作、防止模塊過熱燒毀，而且能夠提高模塊的電流輸出能力。建議用戶在使用大規(guī)格模塊的時候盡量選擇帶過熱保護功能的模塊。當然，即便模塊帶過熱保護功能而散熱器和風機也是不可缺少的”。
目前對電力電子元件、模塊的冷卻方式有三種，即自然冷卻、水冷、風冷。其中自然冷卻只能對小功率的電力電子元件、模塊使用，對于大功率電力電子元件、模塊因耗散熱多，要使用自冷必需加大散熱器對流散熱面積，這同時也必然會增大散熱器內(nèi)部金屬材料導熱熱流的路程，從而使散熱面溫度下降，散熱能力減弱，以至于抵消了增大散熱器面積的效果，可見大功率電力電子元件、模塊使用自然冷卻是不可行的。
至于使用水冷，必需配備龐大的冷卻水系統(tǒng)，造價高，安全性也差，對移動性設備使用水冷散熱很不方便。
綜上可認定電力電子元件(含晶閘管、可控硅、電力電子模塊)的風冷散熱是不可缺少的，也是特別重要的最佳方案。
但目前對強迫風冷沒有統(tǒng)一的嚴格要求，模塊生產(chǎn)廠僅建議風機對散熱器翅片成30°-45°送風即可，由此而引出諸多問題1)、用戶對風機安裝不規(guī)范造成風機效率普遍較低，影響電力電子元件、模塊出力水平。
2)、沒有風冷控制措施，往往風機停轉(zhuǎn)操作者不知道，很易燒毀電力電子元件、模塊。造成生產(chǎn)事故和電力電子元件、模塊的報廢損失。
3)、由于所在散熱器上沒設置溫度開關，當電力電子元件、模塊溫升超過額定極限值時操作者無法知道，易造成電力電子元件、模塊燒毀。
正因為目前電力電子元件、模塊對風冷的要求不規(guī)范，對風冷、溫升沒有監(jiān)控保護措施，往往用超額定容量的辦法選元件、模塊(即大馬拉小車的辦法)，來確保電力電子元件、模塊的使用安全，這無疑造成資源浪費。
自從換代產(chǎn)品—電力電子元件、模塊問世投入使用以來，不斷總結(jié)經(jīng)驗、用先進的科技成果做了不少改進，此次推出的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置”是改進模塊使用方法的重要進步之一，它有利于模塊技術的推廣應用，促進高科技產(chǎn)品的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型設計為風道式風冷散熱，由金屬板(或非金屬板)圍成截面為“”型，缺口面由散熱器來圍堵，形成一個完整的風道。風道下邊是風機，向上吹風，風道上面是迎風板。迎風板由薄金屬板(或薄非金屬板)制成，為長方形，與長邊平行距前2/3，離后1/3處串一細軸，令迎風板受風力時能依轉(zhuǎn)軸上下擺動。又利用杠桿原理使微動開關與迎風板聯(lián)動，有風力時微動開關“通”，無風力時微動開關“斷”。通、斷信號接入本實用新型的特設電路中，實現(xiàn)有風力時主電路送電，無風力時主電路停止送電。
又在散熱器正面距模塊四邊15mm～50mm區(qū)間安裝溫度開關，溫度開關為常閉接點，當電力電子元件、模塊溫升超標時，溫度開關常閉接點變成“開斷”狀態(tài)，令本實用新型的特設電路中交流接觸器線圈失電，主電路停止送電。
綜上，通過微動開關、溫度開關、特設電路，可實現(xiàn)有風力、并模塊溫升正常時主電路送電。無風力、或模塊溫升超標時主電路停止送電，進而確保電力電子元件、模塊運行狀態(tài)最佳，工作絕對安全可靠。
此外，本實用新型的風冷散熱結(jié)構(gòu)機理具有可提高散熱器散熱效率和可增加電力電子元件、模塊使用功率的優(yōu)點，使用本實用新型可將模塊、散熱器制造的相對小些，可節(jié)約稀有金屬和鋁材。為什么能有上述優(yōu)點？其科學根據(jù)如下1、散熱器安裝在風道中散熱最好的位置，風道聚風、風力不飛散不損失，風機效率及散熱器散熱效率均得到提高。
2、風道進口截面大于風道出口截面，根據(jù)流體連續(xù)性方程V1A1＝V2A2＝qV其中V1V2分別為風道進出口的風速，A1A2分別為風道進出口的截面積，qV為體積流量，本題A1＞A2，依據(jù)以上方程得知V2＞V1，即風道上部出口風速應大于風道下邊風機向上吹的原風速。風冷機構(gòu)運作過程是開機時先給風機送電，在風機已吹風但迎風板尚未完全被風吹開的短時間內(nèi)，風機的工作點相當于受擾動而發(fā)生偏離，但很快可自動回復穩(wěn)定的工作點，本題流體是純凈空氣，密度、粘度無大變化，而且風道設計合理，能形成順暢的流線，，風機性能曲線與管道特性曲線基本沒變，僅吹向散熱器翅片的風速提高了，這將使散熱器的散熱效率得到提高，其原因何在？這要從流動邊界層和熱邊界層理論說起，原來流體的運動有層流和紊流兩種流動狀態(tài)，決定流體流動狀態(tài)的因素是流體的流速w、流體的運動粘度v和流道截面有代表性的幾何尺寸l，因流速w比較容易進行人工控制，影響較為顯著。通常將上述三個量綜合成一個無因次量，稱雷諾準則，以Re表示。Re＝wl/v，可以用Re數(shù)值的大小來判斷流體流動的狀態(tài)，Re越大，流體的運動越劇烈，紊流的程度就越顯著，對本實用新型來說，由于風道內(nèi)平均風速提高，使冷空氣與散熱器翅片間邊界層紊流成分增加，Re增大，放熱系數(shù)(α)增大[α＝f(Re)]，放熱系數(shù)是表征放熱過程強弱的量，因此本實用新型的散熱效率獲得明顯提高，提高程度請參閱實驗報告(見附件)。
實驗報告的結(jié)論與以上的理論分析是一致的，風冷效率的提高可增大模塊的使用功率，有資料顯示風冷溫度每下降20℃模塊功率可提高30％，根據(jù)實驗報告提供的數(shù)據(jù)顯示，使用本實用新型可使測溫點溫度由75℃降至63℃，降幅16％，使用功率可提高24％，這一結(jié)論可使我們獲得如下效益1、可將模塊制造的小一點(達到同樣的功率)，此做法能節(jié)省多種稀有金屬。
2、可將散熱器制造的小一點(達到同樣的散熱效果)，此做法能節(jié)省大量鋁材。
3、如果不改變模塊或散熱器的現(xiàn)型規(guī)格(不愿或無意改型投資)，可使模塊的使用壽命得到延長，同樣獲得可觀的經(jīng)濟效益。


附 附圖1為立體圖，圖中1、微動開關 2、迎風板 3、溫度開關 4、電力電子模塊或電力電子元件 5、散熱器 6、集風盒 7、風機 8、左右側(cè)板 9、后擋風板 10、細長軸11、定位角鋼。從圖中可看出由8、9及5構(gòu)成風道。以上各部件的連接均使用標準件。
附圖2、3為風力電氣聯(lián)動圖，圖中1、微動開關 2、迎風板 3、溫度開關 4、電力電子元件、模塊 5、散熱器 6、集風盒 7、風機 8、左右側(cè)板 9、后擋風板 附圖2、3給出有風力和無風力狀態(tài)下迎風板動作情況，又表示出迎風板與微動開關的聯(lián)動關系。
附 附圖4為本實用新型特設電氣電路原理圖，從圖中看到微動開關FK、溫度開關WK與主線路交流接觸器線包KC串聯(lián)，三者與風機FM并聯(lián)，均受控于常開按鈕2AK、常閉按鈕1AK。當按下2AK常開按鈕時風機FM工作，向風道送風，迎風板上揚，微動開關閉合，KC線包得電，主線路送電。之反，風機停轉(zhuǎn)無風，迎風板回位，微動開關開斷，線包失電，主線路停止送電。溫度開關WK為常閉接點，當散熱器溫升超額定極限值時，開關WK變“開斷”，線包KC失電，主線路停止送電。以上兩道保護足以保證電力電子元件、模塊能在最安全最佳狀態(tài)下工作，節(jié)能節(jié)電節(jié)材料，并可使其充分發(fā)揮強大的電力調(diào)控功能。
結(jié)構(gòu)具體實施方式
本實用新型結(jié)構(gòu)所用材料為鐵、鋁、塑料、紙等薄板。其應用范圍較廣，正有擴大之勢，目前可應用于晶閘管智能控制模塊、橋式整流模塊、雙反星整流模塊、固態(tài)繼電器、恒流恒壓控制模塊、智能電機控制模塊、雙閉環(huán)直流調(diào)速模塊、直流電機斬波調(diào)速模塊、變頻調(diào)速模塊等的監(jiān)控保護?，F(xiàn)暫將其規(guī)范為4個系列，11種型號40系列 BM 4080型 BM 4070型 BM 4070型26系列 BM 2635型 BM 2630型 BM 2626型16系列 BM 1630型 BM 1626型 BM 1620型16S系列 BM 16S20型 BM 16S16型型號義譯 經(jīng)樣機試運轉(zhuǎn)驗證效果極佳，現(xiàn)產(chǎn)品圖紙已定型，可由工廠生產(chǎn)另部件供給用戶，用戶自行按產(chǎn)品說明書組裝，也可由工廠或代理商代為用戶組裝。
按以上各技術原理還在繼續(xù)開發(fā)新系列、新型號、新品種。
參考資料 1、熱工學 北京林學院主編 1980年版 2、電源技術應用 2005年6期3、流體力學泵與風機ISBN 7-120-0233-6/TK·327 4、功率模塊應用手冊 賽米控國際公司
權(quán)利要求1.一種用于保護電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置，它由散熱器(5))、左右側(cè)板(8)、后檔風板(9)、風機(7)、迎風板(2)、微動開關(1)、溫度開關(3)組成，其特征在于左右側(cè)板(8)、后擋風板(9)、散熱器(5)、圍成一個完整的風道，可集聚風力，風道下部裝設風機(7)，向上吹風，在風道上部安裝迎風板(2)，離迎風板(2)前邊線2/3處穿一細長轉(zhuǎn)軸(10)，迎風板(2)受風力可沿轉(zhuǎn)軸上下擺動，并使與其聯(lián)動的微動開關(1)實現(xiàn)通、斷轉(zhuǎn)換，在散熱器(5)正面裝設溫度開關(3)，溫度開關(3)、微動開關(1)與主線路交流接觸器線包kc串聯(lián)，三者與風機Fm并聯(lián)，均受控于常開按鈕2AK、常閉按鈕1AK。
2.按照權(quán)利要求1所述的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置”，其特征在于迎風板(2)與微動開關(1)之間采用杠桿原理聯(lián)動并保證力的平衡，即有風時微的動開關(1)剛好實現(xiàn)‘通’無風時靠重力回位，微動開關(1)轉(zhuǎn)為‘斷’。
3.按照權(quán)利要求1所述的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置”，其特征在于散熱器(5)翅片安裝于散熱最佳的風道中。
4.按照權(quán)利要求1所述的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置”，其特征在于微動開關(1)、溫度開關(3)受本實用新型特設的電氣電路控制，實現(xiàn)有風主線路能送上電，無風主線路送不上電，還可實現(xiàn)模塊溫升超過額定極限值時主電路自動斷電。
5.按照權(quán)利要求1所述的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置”，其特征在于該裝置進風口截面大于出風口截面，根據(jù)流體連續(xù)性原理風速得到提高，又根據(jù)放熱現(xiàn)象的相似準則Nu＝f(Re)，Re與流體流速成正比關系，故放熱效果得到提高。
專利摘要一種用于保護電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置。電力電子元件、模塊在送電中要確保P－N結(jié)溫升不超額定值，因此必須風冷散熱，目前“風機停轉(zhuǎn)”、“溫升超標”沒有監(jiān)控手段，易造成元件被燒毀等事故?！氨Ｗo電力電子元件、模塊風冷溫升監(jiān)控裝置”由金屬板和散熱器圍成風道，風道下部裝設風機，上部裝設迎風板，迎風板受風力可使其沿轉(zhuǎn)軸上下擺動，并令與其聯(lián)動的微動開關實現(xiàn)通、斷轉(zhuǎn)換。又在散熱器正面裝設溫度開關，要求當溫升超標時，常閉接點斷開。通過以上二開關及本實用新型特設的電氣電路可實現(xiàn)有風，溫升正常送電；無風，溫升超標不送電，能確保電力電子元件、模塊運行狀態(tài)最佳。
文檔編號H02H5/04GK2886889SQ200620018209
公開日2007年4月4日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者袁明千 申請人:袁明千