断路器散热结构的制作方法

断路器散热结构
1.本发明要求申请日为“2021-04-29”、申请号为“2021209173730”、名称为“断路器散热结构”的中国专利申请的优先权，其全部内容结合于本技术之中。
技术领域
2.本发明涉及电气设备技术领域，尤其涉及断路器产品，更具体来说是一种断路器散热结构。


背景技术：

3.断路器是电气设备中的常用器件，其除了起控制作用外，还具有一定的保护功能，被广泛应用于低压配电系统的各级进出线、各种机械设备的电源控制和用电终端的控制和保护。典型的断路器按安装方式分为插入式、固定式和抽屉式，其中以插入式断路器使用最为广泛。现有插入式断路器通常采用机械开关+电子固态开关相结合的模式，以便提高响应速度及控制精度。对于带有电子固态开关的断路器来说，所采用的功率半导体器件(如mosfet/igbt)在运行过程中产生热量较多且比较集中，导致在单位面积上热量集聚较多，需要及时有效地进行散热。但是，普通插入断路器一般采用塑料壳体，通过自然辐射散热的方式将工况环境下机器产生的功耗散发出去，而塑料壳体是热的不良导体，由此不能很好地进行散热，因而存在温升过高而使产品出现故障的风险。另外，普通插入式断路器在与机框配合时总是存在间隙装配，热量是以辐射的方式自然散发，由此导致产品导热能力差。这些因素导致这种带有电子固态开关的断路器热量不能及时地传导出去，从而影响产品的可靠性和安全持久工作。有鉴于此，本发明有必要为解决以上各种缺陷而设计新型的断路器散热结构。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明目的在于提供一种断路器散热结构，以便保证断路器使用的安全性和可靠性。
5.为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是：
6.一种断路器散热结构，该断路器主回路串联有安装于元件基板的功率半导体元件，断路器壳体对应于元件基板位置开设有散热窗，散热窗处安装有与元件基板贴合的散热器，其中在沿垂直于元件基板安装面的方向上，散热器外轮廓投影区域至少有部分与散热窗外轮廓投影区域重合。
7.较优的，散热器上部与元件基板贴合，散热器下部外轮廓投影区域全部位于散热窗外轮廓投影区之内。
8.较优的，散热器下部嵌装于散热窗，其中散热器下部凸出于散热窗一侧的断路器壳体外壁。
9.较优的，散热器上部宽于散热器下部，散热器上部凸缘与元件基板边缘容纳于散热窗边槽并通过定位元件限位。
10.较优的，定位元件为散热窗边槽处设置第一弹性元件，第一弹性元件压紧元件基板边缘。
11.较优的，第一弹性元件为l形折片，l形折片倒置并与散热窗边槽位置的断路器壳体连为一体；
12.或者，第一弹性元件为第一压簧，第一压簧的一端附着于散热窗边槽位置的断路器壳体。
13.较优的，断路器壳体在散热窗对侧配置有第二弹性元件，第二弹性元件着力于断路器壳体与机框；
14.和/或，断路器机框上部设置避让部。
15.较优的，第二弹性元件为波纹片，波纹片与散热窗对侧的断路器壳体连为一体；
16.或者，第二弹性元件为第二压簧，第二压簧的一端附着于散热窗对侧的断路器壳体。
17.较优的，散热器上部与元件基板之间加装导热片来用作绝缘体。
18.较优的，断路器壳体为塑料壳体，元件基板为铝基板，散热器为金属散热器。
19.与现有技术相比，本发明设置散热器及相应的散热窗，可以更及时有效地传导元件基板上功率半导体元件所产生的热量。特别地，散热器上的热量可以通过机框进行传导，而不是简单地自然辐射散热，由此散热效率更高，有利于保证断路器使用的安全性和可靠性。
附图说明
20.图1为本发明断路器产品示意图；
21.图2为图1去除壳体顶盖的示意图；
22.图3为图1中配置的断路器散热器结构示意图；
23.图4为图1中壳体顶盖的示意图；
24.图5为图1中壳体底座的示意图；
25.图6为图1中壳体面罩的示意图；
26.图7为图2中的散热器的示意图；
27.图8为图2中的元件基板的示意图。
具体实施方式
28.本发明实施例的基本构思是：针对新型固态断路器由于功率半导体元件在工况下使用产生的热量比较集中，单位面积上热量集聚较多，需要及时高效地把热量散发出去，而传统塑料壳体自然辐射方式不能满足设计要求的问题，采用传导的方式让热量及时高效地导出，以保证产品使用的可靠性和安全性。
29.下面结合附图和具体实施方案来对本发明进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明的保护范围仅限于下述实施方案。
30.参见图1-图8，示出本发明断路器及其散热结构，其针对电子固态开关因功率半导体元件的存在，利用元件基板130和散热器120紧密结合方式来进行散热，使其更符合新型电子开关应用的需求，其中利用塑料材料本身的特性，设计的壳体弹性特征既简化了产品
结构，又使设计的散热器结构更高效地运作，下面进一步详细进行描述。
31.如图1-图8所示，本发明的断路器100具有壳体110，具体可为塑料制成。壳体110内装有机械开关和电子固态开关，它们串联于断路器100主回路，以对电路系统进行控制和保护。一般地，电子固态开关具有较多的功率半导体元件132，它们安装于元件基板130，其中元件基板130具体可以是铝基板，也可以采用其它合适材质构成。
32.考虑到功率半导体元件132产生热量较多且比较集中，而塑料壳体110导热性较差的问题，本发明在壳体110对应于元件基板130位置开设有散热窗111，并在散热窗111处安装与元件基板130贴合的散热器120，具体可为金属散热器，其结构规整简单，装配较为容易。具体安装方式为：在沿垂直于元件基板130安装面的方向上，散热器120外轮廓投影区域至少有部分与散热窗111外轮廓投影区域重合，即散热器120至少有部分位于散热窗111范围之内，保证可通过散热窗111进行散热。
33.具体地，散热器上部121与元件基板130贴合，也可以进一步在散热器上部121与元件基板130之间加装导热片(图未示出)来用作绝缘体，其中散热器下部122外轮廓投影区域全部位于散热窗111外轮廓投影区之内。即散热器120主体可贯穿散热窗111，具体可将散热器120下部嵌装于散热窗111，其中散热器120的下部凸出于散热窗111一侧的断路器壳体110的外壁，以便散热器120下部端面接触机框(图未示出)，这样便于散热器120传导从元件基板130上功率半导体元件132产生的热量，并可进一步通过机框进行传导。
34.本发明中，散热器上部121宽于散热器下部122，由此可采用如下安装方式：散热器上部凸缘1211与元件基板边缘131容纳于散热窗边槽114并通过定位元件限位，这样就可将该散热器120与元件基板130贴合并定位于散热窗111处。具体地，定位元件可为散热窗边槽114处设置的第一弹性元件113，其可以压紧元件基板边缘131，安装起来较为简单。此处，第一弹性元件113具体可为l形折片，其倒置并与散热窗边槽113位置的断路器壳体110连为一体，加工容易，定位可靠。可选地，第一弹性元件113也可采用压簧代替，其一端附着于散热窗边槽位置的断路器壳体110，另一端抵住元件基板边缘131以施加压力。
35.本发明中，断路器100的壳体110在散热窗111对侧配置有若干第二弹性元件112，其着力于断路器100的壳体110与机框，当断路器100插入机框时，可以防止断路器产品翘曲，并且可以下压断路器100使金属散热器120与机框底部贴紧，防止两者产生间隙而影响散热效果，由此断路器100可通过机框传导散热。此处，第二弹性元件112可为波纹片(如m型)，数量可为多个，这些波纹片的两端与散热窗111对侧的断路器壳体110连为一体，结构简单可靠。可选地，第二弹性元件112也可采用压簧代替，其一端附着于散热窗对侧的断路器壳体110，另一端可以着力于机框，这样在断路器100插入机框时使其下压。
36.以上实施例的散热结构相较于传统断路器通过塑料壳体或者孔隙的自然辐射的方式更为高效，其通过结合机框和产品的系统设计更好地导出了热量，消除了热量不能及时导出对产品安全性和可靠性的影响。
37.本发明中，断路器100的壳体110具体可由顶盖110a、底座110b及面盖110c卡接组合而成，当然壳体110也可采用其它方式组装而成。此处，顶盖110a和底座110b采用对称结构，它们分别对应具有散热窗半体111a、111b，散热窗边槽半体114a、114b，以及第一弹性元件半体113a、113b，顶盖110a和底座110b对接组合后可形成完整的散热窗111、散热窗边槽114及第一弹性元件113。面罩110c侧面上设置第二弹性元件112，面罩110c与顶盖110a、底
座110b结合为一体，第二弹性元件112起到将断路器100推向散热窗111一侧机框的作用。
38.以上实施例中，断路器100具有壳体110、散热器120、元件基板130以及接线夹140等组件。功率半导体元件装配在元件基板130上并串联在主回路中，元件基板130的底面紧贴散热器120的顶面，或者中间加上导热片作为绝缘体，两者的左、右侧对应装配进到壳体110的散热窗边槽114、第一弹性元件113组成的腔体内，其中散热窗边槽114的底部与散热器上部凸缘1211起限位作用，第一弹性元件113是具有弹性的l形折片，两侧的l形折片分别紧贴元件基板边缘131，使得散热器120与元件基板130紧贴并可靠安装于散热窗111处。
39.当断路器100插入机框时，接线夹140接入机框的母排上，使断路器100上下限位，此时散热器下部凸出壳体100外壁一定高度，在受机框下部挤压作用下连带元件基板130一起向上压缩，元件基板边缘131受到第一弹性元件113的弹性挤压使散热器120紧贴机框，同时为了防止整个产品的翘曲，在壳体110的上壁设置有第二弹性元件112，在产品插入机框后因受到机框顶部挤压而使第二弹性元件112产生形变，使整个产品受到一个向下的反力，驱动散热器下部122的端面更好地紧贴机框底面。因高度限制，断路器的机框上部存在避让部以保证第二弹性元件112制造和装配的可靠性。这样，散热器下部122与机框紧密接触，保证电子固态开关及内部其他导体产生的热量能通过散热器120更好地传导到机框上，由此可以及时高效地散热，时刻保持产品在安全工况下运行。
40.本发明的以上实施例中，通过散热器和含功率半导体元件的元件基板在插入式断路器上的结合应用，可采用热传导的方式使产品和机框配合来进行散热，其中的塑料弹性特征可提升散热器和机框的紧密结合，提升散热效果的高效性，这种散热器方式结构简单，不仅散热高效，而且装配工艺简化，更利于工业化生产制造。
41.本发明虽然以较佳公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。