專利名稱：基于熱管散熱系統的新型功率柜的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及電器設備領域，特別是涉及基于熱管散熱技術的新型功率柜。
技術背景眾所周知，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。傳統的解決方案都是采用實心鑄鋁(或銅)材散熱器加強迫風冷方式，即依靠 軸流或離心風機的高速旋轉，促使大量冷熱空氣對流，以加速功率柜內外熱交換，降低功 率元件工作溫度。強迫風冷方式要求風源清潔，不適應帶粉塵較多的環境如火力發電廠、 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道形式設計，這導致 對安裝于風道內的功率元件檢查維修困難，同時軸流或離心風機噪聲大，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定運行造成了不利 影響。 發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種以熱管散熱器為核心的新型功率柜，以 解決傳統勵磁功率柜散熱方式的諸多缺點。本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是包括柜體和裝在柜體內的控制元 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，因此與現有技術相比具有以下主要優點其一.可提高柜內散熱效率一是由于熱管的有效導熱系數可以做到0.02K/W，比同樣直徑實心銅鋁散熱器的導熱 系數大1000倍以上；二是由于熱響應速度最快可達20s，比傳統功率柜要快2—3倍；三 是由于散熱面積是同等質量傳統散熱器的2倍；因此可使柜內散熱效率高達95%，是傳統功率柜的2 3倍。其二.可節省風機及其附加輔助設備在額定電流以下不需要風機即可安全運行，可使柜內平均溫升控制為3crc以內。可簡化結構，減輕重量，本柜同體積散熱器的重量是傳統功率柜的2/3。 其三.噪聲可降低至20分貝，是傳統功率柜散熱方式的1/3。其四.采用銅質熱管散熱器，使用壽命可延長至20年以上，而傳統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的結構放大示意圖。 圖4是圖3的左視圖。圖中l.熱管散熱器；2.吊裝支架；3.頂板；4.眉頭；5.移動立柱；6.側橫梁； 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.壓緊調節螺栓；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的新型功率柜，其結構如圖1和圖2所示包括 柜體和裝在柜體內的控制元件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的結構如圖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等發熱元件及時降溫而得到保 護。散熱片16的設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、設計散熱片的結構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，是一種新型的導熱器件，其導熱原理主要是利用工作流體 的蒸發與冷凝來傳遞熱量，由管殼、吸液芯和端蓋三個部分組成；熱管內部是接近真空的 腔型結構，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。可通過調節兩根壓緊調節螺栓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建，其內部主要的功能元件包括阻容吸收及控制用電路 板12、功率元件及相應的熱管散熱器l。由圖1所示，柜體內部最上層為阻容吸收及控制 用電路板12，其構成功率柜的控制系統；柜體的中部分為兩層，上面放置有功率元件及 相應的熱管散熱器l，這個部分的詳細結構見于圖3、圖4。如圖3、圖4所示，功率元件 及其相應的熱管散熱器構成了一個整體，途中左側的鰭片狀結構即為熱管散熱器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。熱管右端設有一塊空心的金屬板22，該金屬板即為熱管的吸熱端， 其內部充有工作流體。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 相當于功率元件的電氣引腳。整個功率柜結構簡單，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，這些部件的結構與連接關系 均同現有技術。本實用新型廣泛用于采用不同勵磁方式的發電機勵磁系統，可滿足10-900MW容量發 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熱管15的蒸發端受熱時，蒸發端的工作流體受熱蒸發， 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，依靠重力及管內部特殊材料 的毛細作用流回至加熱端，如此的循環反復，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到散熱端，然后經過散 熱片將熱量傳遞給周圍的空氣介質。本實用新型的散熱過程是當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部的工作流體，工作流體吸收一定熱量后揮發，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熱管的吸熱端；如此循環反復，熱管便將功率元件發出的熱量 迅速傳遞給散熱片并散發掉，從而達到保護功率元件之目的。
權利要求1.基于熱管散熱技術的新型功率柜，包括柜體和裝在柜體內的控制元件(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. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求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. 根據權利要求1所述的功率柜，其特征是熱管散熱器(1)的材質為銅，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的新型功率柜，包括柜體和裝在柜體內的控制元件(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，因此與現有技術相比具有的主要優點是可提高柜內散熱效率；可節省風機及其附加輔助設備；噪聲可降低至20分貝，是傳統功率柜散熱方式的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 優先權日2007年8月6日
發明者羅祥棟, 趙國軍 申請人:武漢洪山電工科技有限公司