CN201115201Y - 基于热管散热系统的新型功率柜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于热管散热技术的新型功率柜，包括柜体和装在柜体内的控制元件(12)、功率元件及散热部件，其中散热部件为热管散热器(1)，与功率元件装在一起。本实用新型由于首次引入热管散热器，因此与现有技术相比具有的主要优点是：可提高柜内散热效率；可节省风机及其附加辅助设备；噪声可降低至20分贝，是传统功率柜散热方式的1/3；使用寿命长，以及可工作于带微粉尘的恶劣环境下。

Description

基于热管散热系统的新型功率柜

技术领域

本实用新型涉及电器设备领域，特别是涉及基于热管散热技术的新型功率柜。

背景技术

众所周知，励磁功率柜的可控硅、二极管或绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，缩写为IGBT)等功率元件通常工作于大电流高电压的工况，单位时间发热量大，温升高，为确保功率元件安全可靠运行，必须对其散热冷却，保证其工作温度不超过允许范围。传统的解决方案都是采用实心铸铝(或铜)材散热器加强迫风冷方式，即依靠轴流或离心风机的高速旋转，促使大量冷热空气对流，以加速功率柜内外热交换，降低功率元件工作温度。强迫风冷方式要求风源清洁，不适应带粉尘较多的环境如火力发电厂、电解铝厂等。为了达到大量冷热空气对流，一般要求柜体采取密封风道形式设计，这导致对安装于风道内的功率元件检查维修困难，同时轴流或离心风机噪声大，其可靠性直接影响整个功率柜的散热可靠性。这些因素都对大功率励磁功率柜的安全稳定运行造成了不利影响。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种以热管散热器为核心的新型功率柜，以解决传统励磁功率柜散热方式的诸多缺点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：包括柜体和装在柜体内的控制元件、功率元件及散热部件，其中散热部件为热管散热器，与功率元件装在一起。

本实用新型由于首次引入热管散热器，因此与现有技术相比具有以下主要优点：

其一.可提高柜内散热效率：

一是由于热管的有效导热系数可以做到0.02K/W，比同样直径实心铜铝散热器的导热系数大1000倍以上；二是由于热响应速度最快可达20s，比传统功率柜要快2-3倍；三是由于散热面积是同等质量传统散热器的2倍；因此可使柜内散热效率高达95％，是传统功率柜的2～3倍。

其二.可节省风机及其附加辅助设备：

在额定电流以下不需要风机即可安全运行，可使柜内平均温升控制为30℃以内。可简化结构，减轻重量，本柜同体积散热器的重量是传统功率柜的2/3。

其三.噪声可降低至20分贝，是传统功率柜散热方式的1/3。

其四.采用铜质热管散热器，使用寿命可延长至20年以上，而传统功率柜散热方式只有10年。

其五.可工作于带微粉尘的恶劣环境下。

附图说明

图1是本实用新型的主视图。

图2是图1的左视图。

图3是图1中热管散热器1的结构放大示意图。

图4是图3的左视图。

图中：1.热管散热器；2.吊装支架；3.顶板；4.眉头；5.移动立柱；6.侧横梁；7.散热器安装梁；8.阻容安装梁；9.前门；10.后门；11.走线槽；12.控制元件；13.电气元件分板；14.热管固定板；15.热管；16.散热片；17.螺柱；18.铜排；19螺栓；20.压紧调节螺栓；21.压接金属板；22.金属板；23.平行金属板。

具体实施方式

本实用新型提供的基于热管散热技术的新型功率柜，其结构如图1和图2所示：包括柜体和装在柜体内的控制元件12、功率元件及散热部件，其中散热部件为热管散热器1，与功率元件装在一起。

所述的热管散热器1的结构如图1、图3和图4所示：由热管15和散热片16组成，二者套连且焊接固定。热管15呈倾斜安装，其轴线与水平面的夹角为10-20度，一般可选用15度；这样便于工作物质放热后冷凝成液体从热管散热器1的左端(冷凝端)返回热管散热器1的右端(吸热端)，使可控硅、二极管或IGBT等发热元件及时降温而得到保护。散热片16的设计要充分考虑功率元件的散热需求，可通过改变合理选取散热片16的材料、设计散热片的结构增加或减小散热面积。热管散热器1可由铜制成，铜表面镀有锡，以防止生锈。热管15可市购，是一种新型的导热器件，其导热原理主要是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量，由管壳、吸液芯和端盖三个部分组成；热管内部是接近真空的腔型结构，充有工作流体，两端分别为吸热端和冷凝端。

上述的功率元件(整流组件)为主要的发热源，所以紧贴热管散热器1的吸热端，可通过热管的金属夹具固定。金属夹具的主体由两块较大的平行金属板23构成，此平行金属板23通过与其正交的窄长压接金属板21将其下的一个端面非常平滑的半径较小的螺柱17和热管吸热端金属板22压接以及功率元件压接在一起，功率元件处于热管末端金属板22与某一平行金属板23之间。可通过调节两根压紧调节螺栓20将热管吸热端金属板22与可控硅紧紧压接程度。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明，但不限定本实用新型。

本功率柜的柜体由金属支架构建，其内部主要的功能元件包括阻容吸收及控制用电路板12、功率元件及相应的热管散热器1。由图1所示，柜体内部最上层为阻容吸收及控制用电路板12，其构成功率柜的控制系统；柜体的中部分为两层，上面放置有功率元件及相应的热管散热器1，这个部分的详细结构见于图3、图4。如图3、图4所示，功率元件及其相应的热管散热器构成了一个整体，途中左侧的鳍片状结构即为热管散热器1的金属散热片16，四根热管15从左至右向下倾斜15度穿过散热片，热管15的外表面与散热片16紧紧的焊接在一起。热管右端设有一块空心的金属板22，该金属板即为热管的吸热端，其内部充有工作流体。金属板22和功率元件被金属夹具通过螺栓19固定在一起。整个套件(功率元件及其散热器)通过图3中的热管固定板14固定在柜体的热管固定连接螺栓19上，从热管固定连接螺栓19向外引出的铜排18被夹具和热管固定板14牢牢固定，它相当于功率元件的电气引脚。整个功率柜结构简单，很适合拆卸和维修。

图1和图2中还有零部件为吊装支架2、顶板3、眉头4、移动立柱5、侧横梁6、散热器安装梁7、阻容安装梁8、前门9、后门10和走线槽11，这些部件的结构与连接关系均同现有技术。

本实用新型广泛用于采用不同励磁方式的发电机励磁系统，可满足10-900MW容量发电机组的励磁要求，也适用与冶金、化工、矿山、电镀等大功率交直流变换场合。

本实用新型的工作原理是：当热管15的蒸发端受热时，蒸发端的工作流体受热蒸发，此为吸热段，蒸汽沿管腔流动至冷凝端，通过管外部的散热翅片向周围空气介质释放热量，此为放热段。由于热管呈倾斜安装，蒸汽放热后冷凝成液体，依靠重力及管内部特殊材料的毛细作用流回至加热端，如此的循环反复，迅速将热量从热管的加热端传至散热端，最终耗散在周围空气介质中。本功率柜的散热原理即以热管散热器作为核心，功率元件工作时，产生的热量传递至热管吸热端，热管吸热并将热量飞快的传导到散热端，然后经过散热片将热量传递给周围的空气介质。

本实用新型的散热过程是：当功率元件温度升高时，与其紧密相接的热管15的吸热端吸收热量并传递给其内部的工作流体，工作流体吸收一定热量后挥发，并沿着倾斜的热管上升，上升过程中工作流体将热量传递给热管周围的散热片16，并逐步冷凝成液体并在重力及毛细的作用下流回热管的吸热端；如此循环反复，热管便将功率元件发出的热量迅速传递给散热片并散发掉，从而达到保护功率元件之目的。

Claims (5)

1.基于热管散热技术的新型功率柜，包括柜体和装在柜体内的控制元件(12)、功率元件及散热部件，其特征是散热部件为热管散热器(1)，与功率元件装在一起。

2.根据权利要求1所述的功率柜，其特征是所述的热管散热器(1)，其热管(15)的轴线与水平面的夹角为5-8度。

3.根据权利要求2所述的功率柜，其特征是热管(15)的轴线与水平面的夹角为5度。

4.根据权利要求1所述的功率柜，其特征是功率元件通过金属夹具装在热管散热器(1)的吸热端。

5.根据权利要求1所述的功率柜，其特征是热管散热器(1)的材质为铜，铜表面镀有锡。

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