专利名称：基于热管散热系统的新型功率柜的制作方法
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。
技术背景众所周知，励磁功率柜的可控硅、二极管或绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,縮写为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3crc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io年。其五.可工作于带微粉尘的恶劣环境下。3页
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l.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l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l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l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。
以下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l。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l，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lO和走线槽ll，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。
权利要求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。
专利摘要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。
文档编号H01L23/427GK201115201SQ200720086318
公开日2008年9月10日 申请日期2007年8月6日 优先权日2007年8月6日
发明者罗祥栋, 赵国军 申请人:武汉洪山电工科技有限公司