一种矿用隔爆型变频器箱及其散热系统

本发明涉及矿用隔爆型变频器箱涉及领域，尤其涉及一种矿用隔爆型变频器箱及其散热系统。

背景技术：

随着大功率电力电子元器件的发展，功率元件单位体积内的发热量也相应增加。在大功率变频器等设备中功率开关器件的电能损耗尤其突出，这部分消耗功率会转变为热量导致功率器件管芯发热、结温升高，如果不能有效、及时地将此热量释放，必会影响到器件的工作性能，从而降低系统工作的可靠性，甚至损坏器件。从而导致整个系统的崩溃，带来人员和财产损失。矿用隔爆型变频器箱的所有电子元器件全部安装在密封的隔爆箱体内部，更加不利于散热。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种矿用隔爆型变频器箱及其散热系统，能够在满足隔爆性能条件下，高效地对功率元件热量进行热传导。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统，包括热传导模块、强迫风冷模块、导流模块和单片机控制模块；

所述热传导模块包括散热基板、钢法兰、若干热管，所述散热基板包括相对的第一表面和第二表面，igbt功率元件通过导热硅脂安装于所述散热基板的第一表面上，所述钢法兰固定安装于所述散热基板的第二表面一侧，所述钢法兰远离所述散热基板的一面固定安装于变频器箱体后壁板的内侧，所述钢法兰与所述变频器箱体后壁板组成隔爆结合面，所述热管的一端固定安装于所述散热基板的第二表面上，所述热管的另一端贯穿所述钢法兰伸出于变频器箱体外；

所述强迫风冷模块包括散热翅片和风机，所述散热翅片插接于若干所述热管上，所述风机安装于所述变频器箱体后壁板的外侧，且位于所述散热翅片的下方；

所述导流模块安装于所述散热翅片的正下方，所述导流模块的进风端与所述风机的出风口相连，所述导流模块的出风端与所述散热翅片的底端相连，所述导流模块用于调整风向；

所述单片机控制模块包括温度传感器和控制芯片，所述温度传感器用于收集所述散热基板的温度值，所述控制芯片的信号输入端与所述温度传感器相连，所述温度传感器将收集的温度值传输至所述控制芯片内，所述控制芯片的信号输出端与所述风机相连，所述控制芯片将所述温度传感器收集的温度值与其内部的预定值进行对比，进而控制所述风机的开启和关闭。

优选地，将所述散热基板的安装面的宽度方向及长度方向分别定义为x方向及y方向，将垂直于所述散热基板的安装面的方向定义为z方向，所述风机安装于x方向上，且绕x方向旋转，所述导流模块包括三块整风导流板，三块所述整风导流板与所述散热翅片的底面、所述变频器箱体后壁板的外侧面围成具有一个开口面的导流空间，所述开口面与所述风机的出风口相对，所述风机输出的冷却汽流进入所述导流空间内，气流向上与所述散热翅片强迫对流进行散热。

优选地，将正对所述风机放置的整风导流板定义为第一整风导流板，所述第一整风导流板沿x方向倾斜设置，且靠近所述风机的一端较远离所述风机的一端低。

优选地，所述第一整风导流板与所述散热翅片的底面之间的夹角φ为35°或45°或55°或65°。

优选地，将所述散热基板的安装面的宽度方向及长度方向分别定义为x方向及y方向，将垂直于所述散热基板的安装面的方向定义为z方向，所述风机安装于y方向上，且绕y方向旋转，所述导流模块包括三块整风导流板，三块所述整风导流板与所述散热翅片的底面、所述变频器箱体后壁板的外侧面围成具有一个开口面的导流空间，所述开口面与所述风机的出风口相对，所述风机输出的冷却汽流进入所述导流空间内，气流向上与所述散热翅片强迫对流进行散热。

优选地，将沿x方向对称放置的两块整风导流板分别定义为第一整风导流板和第二整风导流板，且所述第一整风导流板与所述第二整风导流板均沿x方向倾斜放置。

优选地，所述第一整风导流板与yz面的夹角ψ为12°或6°或0°。

优选地，将所述散热基板的安装面的宽度方向及长度方向分别定义为x方向及y方向，将垂直于所述散热基板的安装面的方向定义为z方向，所述风机安装于z方向上，且绕z方向旋转，所述导流模块包括三块整风导流板，三块所述整风导流板与所述散热翅片的底面围成具有一个开口面的导流空间，所述开口面与所述风机的出风口相对，所述风机输出的冷却汽流进入所述导流空间内，气流向上与所述散热翅片强迫对流进行散热。

优选地，将正对所述风机放置的整风导流板定义为第一整风导流板，所述第一整风导流板与所述散热翅片的底面之间的夹角为52°或62°或72°。

优选地，将所述散热基板的安装面的宽度方向及长度方向分别定义为x方向及y方向，将垂直于所述散热基板的安装面的方向定义为z方向，所述风机安装于z方向上，且绕z方向旋转，所述导流模块包括四块整风导流板，四块所述整风导流板与所述散热翅片的底面围成具有一个开口面的导流空间，将沿x方向对称放置的两块整风导流板分别定义为第一整风导流板和第二整风导流板，且所述第一整风导流板与所述第二整风导流板沿x方向倾斜放置，所述开口面与所述风机的出风口相对，将正对所述风机放置的整风导流板定义为第三整风导流板，所述第三整风导流板沿z方向倾斜设置，且靠近所述风机的一端较远离所述风机的一端低，所述导流空间形成一上大下小的类漏斗形，所述风机输出的冷却汽流进入所述导流空间内，气流向上与所述散热翅片强迫对流进行散热。

优选地，所述第三整风导流板与所述散热翅片的底面之间的夹角为52°或62°或72°。

优选地，所述散热基板的第二表面上开设有凹槽，所述热管包括蒸发段与冷凝段，所述蒸发段与所述冷凝段呈l形，且所述蒸发段埋置于所述凹槽内。

优选地，所述温度传感器的型号为ds18b20温度传感器。

优选地，所述控制芯片的型号为lpc1768。

基于相同的发明构思，本发明提供了一种矿用隔爆型变频器箱，包括变频器及上述的散热系统。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统，包括热传导模块、强迫风冷模块、导流模块和单片机控制模块，导流模块安装于散热翅片的正下方，导流模块的进风端与风机的出风口相连，导流模块的出风端与散热翅片的底端相连，导流模块用于调整风向，通过导流模块与风机配合，优化冷却气流流体，使冷却气流方向发生改变，气流向上与散热翅片强迫对流，优化了对流换热效果，在满足隔爆性能条件下，高效地对功率元件热量进行散热工作，降低了矿下设备失控，造成安全隐患的危险性，提高矿下作业的安全性，并实现智能化检测温度以控制风机启动。

2)本发明提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统，散热基板的第二表面上开设有凹槽，热管包括蒸发段与冷凝段，蒸发段与冷凝段呈l形，且蒸发段埋置于凹槽内，可以保证热管的蒸发段与散热基板背板充分热传导接触。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的三维图；

图2为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的左视图；

图3为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的主视剖面图；

图4为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的热管覆盖igbt功率元件的示意图；

图5为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的热管的结构图；

图6为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的热管交错排列示意图；

图7为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的导流模块的示意图；

图8至图9为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的导流模块的对流换热结构示意图；

图10为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的单片机控制模块的安装示意图；

图11为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的自动温控风机电路原理图；

图12为本发明实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的自动温控风机动作流程图；

图13为本发明实施例二提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的导流模块的示意图；

图14至图15为本发明实施例二提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的导流模块的对流换热结构示意图；

图16为本发明实施例三提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的导流模块的示意图；

图17至图18为本发明实施例三提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的导流模块的对流换热结构示意图；

图19为本发明实施例四提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的导流模块的示意图；

图20至图21为本发明实施例四提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的导流模块的对流换热结构示意图；

图22为本发明实施例五提供的一种矿用隔爆型变频器箱的结构示意图。

附图标记说明：

1：热传导模块；11：散热基板；111：凹槽；12：钢法兰；13：热管；131：蒸发段；132：冷凝段；2：强迫冷风模块；21：散热翅片；22：风机；3：导流模块；4：单片机控制模块；5：风机外罩；6：igbt功率元件；7：变频器；71：变频器箱体后壁板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种矿用隔爆型变频器箱及其散热系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例一

参看图1至图12所示，本实施例提供了一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统，包括热传导模块1、强迫风冷模块2、导流模块3和单片机控制模块4；

参看图2所示，热传导模块1包括散热基板11、钢法兰12、若干热管13，散热基板11包括相对的第一表面和第二表面，参看图1所示，igbt功率元件6通过导热硅脂安装于散热基板11的第一表面上，钢法兰12固定安装于散热基板11的第二表面一侧，钢法兰12远离散热基板11的一面固定安装于变频器箱体后壁板71的内侧，钢法兰12与变频器箱体后壁板71组成隔爆结合面，满足防爆需求，热管13的一端固定安装于散热基板11的第二表面上，热管13的另一端贯穿钢法兰12伸出于变频器箱体外，热管13的作用是将igbt功率元件6传导至散热基板11的热量高效传导至变频器箱体外部的风机外罩5内，igbt功率元件6为变频器7工作过程中充当整流工作以及逆变工作的发热单元，igbt功率元件6作为变频器7工作中的核心控制元件，必须保证其正常工作。igbt功率元件6的损耗包括导通损耗以及开关损耗，由于其热损耗数值巨大，热源面积小，功率元件单位体积内的发热量大，所以需要配备专门散热系统对其进行散热；

热传导模块1的作用是连通隔爆变频器箱体的内外，根据隔爆变频器箱体需求，箱体密闭内外隔绝，不能在箱体内直接进行散热工作，故igbt功率元件6安装在散热基板11上，配合安装在散热基板11背部的热管13伸出隔爆型变频器箱体进行热传导，钢法兰12的结构是为了保障隔爆箱体的隔爆性；

在本实施例中，热管13倾斜向上设置，由牛顿冷却定律可知，增加散热表面积和对流换热系数，能增加散热器与环境之间的对流换热量进而提高散热效果，倾斜设置的热管13与散热翅片21之间形成的有效散热面积较平直放置的热管与散热翅片之间形成的有效散热面积大，参看图6所示，在本实施例中，热管13交错排布，强化了热管13的散热性能；

参看图4、图5所示，在本实施例中，散热基板11的第二表面上开设有凹槽111，热管13包括蒸发段131与冷凝段132，蒸发段131与冷凝段132呈l形，且蒸发段131埋置于凹槽111内，可以保证热管的蒸发段与散热基板背板充分热传导接触，且热管13的蒸发段131于散热基板11背板处面积完全覆盖散热基板11正面贴装的igbt功率元件6组成的面积，热管导热面积完全覆盖发热源，构建优异的传热导效果。

强迫风冷模块2包括散热翅片21和风机22，散热翅片21插接于热管13上，风机22安装于散热翅片21的下方；

风机22因隔爆需求不可安装在钢法兰12的面上，需安装在变频器箱体后壁板71的外侧，风机22的功率为115w，风叶直径为250mm，风量为980cfm；散热翅片21的厚度为0.8mm，间距为5mm，分为两组分别与两组相邻热管13串接在一起，形成70个散热翅片阵列，即构建成370mm*204mm*445mm的对流换热区域；风机22通过与热管13及散热翅片21组成散热区域进行强迫对流，进行强迫风冷散热。

导流模块3安装于散热翅片21的正下方，导流模块3的进风端与风机22的出风口相连，导流模块3的出风端与散热翅片21的底端相连，导流模块3用于调整风向；

散热翅片21组成的散热区域为长方体区域，其长宽高尺寸为370mm*204mm*445mm，若在对流换热区域正下方采用风机22水平放置直接对其进行散热，风机22叶片直径越大，位于在长方体散热区域内的风机22面积越大，冷却效果相对较强，但是暴露在长方区域外的风机22部分也越多，该部分冷却气流无法与散热翅片21组成的散热区域进行散热工作，造成了极大的浪费；若采用多个风机22共同散热，首先增大了隔爆变频器箱体的故障点，增加了大量维护成本，另外在多个风机22的散热情况下，需减小风叶半径，风量会受到极大影响，其散热效果会大打折扣；故本实施例采用导流模块3辅助风机22优化风道，使冷却气流与散热系统更高效的接触，提高散热系统的散热效果；

参看图7至图9所示，在本实施例中，将散热基板11的安装面的宽度方向及长度方向分别定义为x方向及y方向，将垂直于散热基板11的安装面的方向定义为z方向，风机22安装于x方向上，且风机22与散热翅片21的右侧面持平，且绕x方向旋转，导流模块3包括三块整风导流板，三块整风导流板与散热翅片21的底面、变频器箱体后壁板71的外侧面围成具有一个开口面的导流空间，开口面与风机22的出风口相对，风机22输出的冷却汽流进入导流空间内，气流向上与散热翅片21强迫对流进行散热；

作为本实施例的一个优选例，将正对风机22放置的整风导流板定义为第一整风导流板，第一整风导流板沿x方向倾斜设置，靠近风机22的一端较远离风机22的一端低，且第一整风导流板的中心与风机22的中心对应；作为本实施例的一个优选例，第一整风导流板与散热翅片21的底面之间的夹角φ为35°或45°或55°或65°，风机22提供的冷却气流遇到导流模块3，冷却气流从类圆柱优化为长方体冷却气流，方向发生改变，气流向上与散热翅片21强迫对流，进风端导流板与散热翅片21的底面之间的夹角φ为变量，改变其导流斜率，增加冷却气流与散热翅片21以及热管13的有效受风面积，强化散热效果；

单片机控制模块4包括温度传感器和控制芯片(图中未示出)，温度传感器用于采集散热基板11的温度值，控制芯片的信号输入端与温度传感器相连，温度传感器将收集的温度值传输至控制芯片内，控制芯片的信号输出端与风机22相连，控制芯片将温度传感器收集的温度值与其内部的预定值进行对比，进而控制风机22的开启和关闭；

在本实施例中，温度传感器的型号为ds18b20温度传感器，ds18b20温度传感器的阻值根据温度变化而变化，其贴于散热基板11的第一表面上，灵敏检测温度变化情况，控制芯片的型号为lpc1768，其用于接收温度传感器采集到的温度值数据，并将接收到的温度值数据与其内部预设的温度值进行对比，参看图11、图12所示，当温度传感器采集到温度值低于预设值时，风机22不开启，当温度传感器采集到温度值高于预设值时，控制芯片控制风机开启。

本实施例提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统，包括热传导模块1、强迫风冷模块2、导流模块3和单片机控制模块4，导流模块3安装于散热翅片21的正下方，导流模块3的进风端与风机22的出风口相连，导流模块3的出风端与散热翅片21的底端相连，导流模块3用于调整风向，通过导流模块3与风机22配合，优化冷却气流流体，使冷却气流方向发生改变，气流向上与散热翅片强迫对流，优化了传热导效果，在满足隔爆性能条件下，高效地对功率元件热量进行热传导，降低了矿下设备失控，造成安全隐患的危险性，提高矿下作业的安全性，并实现智能化检测温度以控制风机启动。

实施例二

参看图13至图15所示，本实施例提供了一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统，包括热传导模块1、强迫风冷模块2、导流模块3和单片机控制模块4，本实施例与实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的不同之处在于风机22的安装位置及导流模块3的结构，故对于与实施例一相同的机构将不予累述，主要介绍风机22的安装位置及导流模块3的结构；

将散热基板11的安装面的宽度方向及长度方向分别定义为x方向及y方向，将垂直于散热基板11的安装面的方向定义为z方向，

在本实施例中，风机22安装于y方向上，且绕y方向旋转，导流模块3包括三块整风导流板，三块整风导流板与散热翅片21的底面、变频器箱体后壁板71的外侧面围成具有一个开口面的导流空间，开口面与风机22的出风口相对，导流模块3固定于风机外罩5上，导流模块3的底端高度与风机22持平，风机22输出的冷却汽流进入导流空间内，气流向上与散热翅片21强迫对流进行散热；

作为本实施例的一个优选例，将沿x方向对称放置的两块整风导流板分别定义为第一整风导流板和第二整风导流板，且第一整风导流板与第二整风导流板均沿x方向倾斜放置，作为本实施例的一个优选例，第一整风导流板与yz面的夹角ψ为12°或6°或0°，风机22提供的冷却气流遇到导流模块3，导流板对风道进行限流优化，本来远离热管13与散热翅片21组成的散热区域的冷却气流继续向上与散热翅片21强迫对流，第一整风导流板与yz面的夹角ψ为变量，改变其导流斜率，增加冷却气流与散热翅片21以及热管13的有效受风面积，强化散热效果。

实施例三

参看图16至图18所示，本实施例提供了一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统，包括热传导模块1、强迫风冷模块2、导流模块3和单片机控制模块4，本实施例与实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的不同之处在于风机22的安装位置及导流模块3的结构，故对于与实施例一相同的机构将不予累述，主要介绍风机22的安装位置及导流模块3的结构；

将散热基板11的安装面的宽度方向及长度方向分别定义为x方向及y方向，将垂直于散热基板11的安装面的方向定义为z方向；

在本实施例中，风机22安装于z方向上，且风机22与散热翅片21的最外侧面持平，且绕z方向旋转，导流模块3包括三块整风导流板，三块整风导流板与散热翅片21的底面围成具有一个开口面的导流空间，开口面与风机22的出风口相对，风机22输出的冷却汽流进入导流空间内，气流向上与散热翅片21强迫对流进行散热；

作为本实施例的一个优选例，将正对风机22放置的整风导流板定义为第一整风导流板，第一整风导流板与散热翅片21的底面之间的夹角为52°或62°或72°，风机22提供的冷却气流遇到导流模块3，冷却气流从类圆柱优化为长方体冷却气流，方向发生改变，气流向上与散热翅片21强迫对流，进风端导流板与散热翅片21的底面之间的夹角为变量，改变其导流斜率，封闭气流的底板长度也随之变化，增加冷却气流与散热翅片21以及热管13的有效受风面积，强化散热效果。

实施例四

参看图19至图21所示，本实施例提供了一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统，包括热传导模块1、强迫风冷模块2、导流模块3和单片机控制模块4，本实施例与实施例一提供的一种矿用隔爆型变频器箱的散热系统的不同之处在于风机22的安装位置及导流模块3的结构，故对于与实施例一相同的机构将不予累述，主要介绍风机22的安装位置及导流模块3的结构；

将散热基板11的安装面的宽度方向及长度方向分别定义为x方向及y方向，将垂直于散热基板11的安装面的方向定义为z方向；

在本实施例中，风机22安装于z方向上，且绕z方向旋转，导流模块3包括四块整风导流板，四块整风导流板与散热翅片21的底面围成具有一个开口面的导流空间，将沿x方向对称放置的两块整风导流板分别定义为第一整风导流板和第二整风导流板，且第一整风导流板与第二整风导流板沿x方向倾斜放置，开口面与风机22的出风口相对，将正对风机22放置的整风导流板定义为第三整风导流板，第三整风导流板沿z方向倾斜设置，且靠近风机22的一端较远离风机22的一端低，导流空间形成一上大下小的类漏斗形，风机22输出的冷却汽流进入导流空间内，气流向上与散热翅片21强迫对流进行散热；

在本实施例中，第一整风导流板与第二整风导流板的进风端端点与远风端端点在x方向之间的间距为55mm，第三整风导流板与散热翅片21的底面之间的夹角为52°或62°或72°，通过构建类漏斗型导流模块，对导流模块3的进风端进行了风道限制，消除了紊流现象，导流斜板与散热翅片21的底面之间的夹角为变量，改变其导流斜率，封闭气流的底板长度也随之变化，此整风导流板增大冷却气流与散热翅片21以及热管13的有效受风面积，并且对冷却气流进入导流模块3进行了引流工作，进一步强化散热效果。

实施例五

参看图22所示，基于相同的发明构思，本实施例提供了一种矿用隔爆型变频器箱，包括变频器7及实施例一至实施例五任意一个实施例所述的散热系统。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。