專利名稱：保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型所屬技術領域為電力電子技術。更具體講屬于大功率晶閘管、可控硅、電力電子模塊(是全數字移相觸發集成電路與晶閘管集成于一體的大型集成塊)的風冷、溫升監控技術。
技術背景電力電子元件如整流管、晶閘管等工作時內部芯片產生耗散熱，必需用適當的散熱器來冷卻元件，以保證P-N節溫升不超過容許值，以2500安的元件為例，其內部耗散熱超過3KW。對于電力電子模塊來說散熱也是必不可少的，以最大輸出電流2000A電力電子模塊為例，內部P-N節耗散熱也在2KW以上。因此模塊專業生產廠—淄博銀河高技術開發有限公司在它的產品說明書中寫道“散熱條件的好壞是影響模塊能否安全工作的重要因素。良好的散熱條件不但能夠保證模塊可靠工作、防止模塊過熱燒毀，而且能夠提高模塊的電流輸出能力。建議用戶在使用大規格模塊的時候盡量選擇帶過熱保護功能的模塊。當然，即便模塊帶過熱保護功能而散熱器和風機也是不可缺少的”。
目前對電力電子元件、模塊的冷卻方式有三種，即自然冷卻、水冷、風冷。其中自然冷卻只能對小功率的電力電子元件、模塊使用，對于大功率電力電子元件、模塊因耗散熱多，要使用自冷必需加大散熱器對流散熱面積，這同時也必然會增大散熱器內部金屬材料導熱熱流的路程，從而使散熱面溫度下降，散熱能力減弱，以至于抵消了增大散熱器面積的效果，可見大功率電力電子元件、模塊使用自然冷卻是不可行的。
至于使用水冷，必需配備龐大的冷卻水系統，造價高，安全性也差，對移動性設備使用水冷散熱很不方便。
綜上可認定電力電子元件(含晶閘管、可控硅、電力電子模塊)的風冷散熱是不可缺少的，也是特別重要的最佳方案。
但目前對強迫風冷沒有統一的嚴格要求，模塊生產廠僅建議風機對散熱器翅片成30°-45°送風即可，由此而引出諸多問題1)、用戶對風機安裝不規范造成風機效率普遍較低，影響電力電子元件、模塊出力水平。
2)、沒有風冷控制措施，往往風機停轉操作者不知道，很易燒毀電力電子元件、模塊。造成生產事故和電力電子元件、模塊的報廢損失。
3)、由于所在散熱器上沒設置溫度開關，當電力電子元件、模塊溫升超過額定極限值時操作者無法知道，易造成電力電子元件、模塊燒毀。
正因為目前電力電子元件、模塊對風冷的要求不規范，對風冷、溫升沒有監控保護措施，往往用超額定容量的辦法選元件、模塊(即大馬拉小車的辦法)，來確保電力電子元件、模塊的使用安全，這無疑造成資源浪費。
自從換代產品—電力電子元件、模塊問世投入使用以來，不斷總結經驗、用先進的科技成果做了不少改進，此次推出的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置”是改進模塊使用方法的重要進步之一，它有利于模塊技術的推廣應用，促進高科技產品的發展。
發明內容
本實用新型設計為風道式風冷散熱，由金屬板(或非金屬板)圍成截面為“”型，缺口面由散熱器來圍堵，形成一個完整的風道。風道下邊是風機，向上吹風，風道上面是迎風板。迎風板由薄金屬板(或薄非金屬板)制成，為長方形，與長邊平行距前2/3，離后1/3處串一細軸，令迎風板受風力時能依轉軸上下擺動。又利用杠桿原理使微動開關與迎風板聯動，有風力時微動開關“通”，無風力時微動開關“斷”。通、斷信號接入本實用新型的特設電路中，實現有風力時主電路送電，無風力時主電路停止送電。
又在散熱器正面距模塊四邊15mm～50mm區間安裝溫度開關，溫度開關為常閉接點，當電力電子元件、模塊溫升超標時，溫度開關常閉接點變成“開斷”狀態，令本實用新型的特設電路中交流接觸器線圈失電，主電路停止送電。
綜上，通過微動開關、溫度開關、特設電路，可實現有風力、并模塊溫升正常時主電路送電。無風力、或模塊溫升超標時主電路停止送電，進而確保電力電子元件、模塊運行狀態最佳，工作絕對安全可靠。
此外，本實用新型的風冷散熱結構機理具有可提高散熱器散熱效率和可增加電力電子元件、模塊使用功率的優點，使用本實用新型可將模塊、散熱器制造的相對小些，可節約稀有金屬和鋁材。為什么能有上述優點？其科學根據如下1、散熱器安裝在風道中散熱最好的位置，風道聚風、風力不飛散不損失，風機效率及散熱器散熱效率均得到提高。
2、風道進口截面大于風道出口截面，根據流體連續性方程V1A1＝V2A2＝qV其中V1V2分別為風道進出口的風速，A1A2分別為風道進出口的截面積，qV為體積流量，本題A1＞A2，依據以上方程得知V2＞V1，即風道上部出口風速應大于風道下邊風機向上吹的原風速。風冷機構運作過程是開機時先給風機送電，在風機已吹風但迎風板尚未完全被風吹開的短時間內，風機的工作點相當于受擾動而發生偏離，但很快可自動回復穩定的工作點，本題流體是純凈空氣，密度、粘度無大變化，而且風道設計合理，能形成順暢的流線，，風機性能曲線與管道特性曲線基本沒變，僅吹向散熱器翅片的風速提高了，這將使散熱器的散熱效率得到提高，其原因何在？這要從流動邊界層和熱邊界層理論說起，原來流體的運動有層流和紊流兩種流動狀態，決定流體流動狀態的因素是流體的流速w、流體的運動粘度v和流道截面有代表性的幾何尺寸l，因流速w比較容易進行人工控制，影響較為顯著。通常將上述三個量綜合成一個無因次量，稱雷諾準則，以Re表示。Re＝wl/v，可以用Re數值的大小來判斷流體流動的狀態，Re越大，流體的運動越劇烈，紊流的程度就越顯著，對本實用新型來說，由于風道內平均風速提高，使冷空氣與散熱器翅片間邊界層紊流成分增加，Re增大，放熱系數(α)增大[α＝f(Re)]，放熱系數是表征放熱過程強弱的量，因此本實用新型的散熱效率獲得明顯提高，提高程度請參閱實驗報告(見附件)。
實驗報告的結論與以上的理論分析是一致的，風冷效率的提高可增大模塊的使用功率，有資料顯示風冷溫度每下降20℃模塊功率可提高30％，根據實驗報告提供的數據顯示，使用本實用新型可使測溫點溫度由75℃降至63℃，降幅16％，使用功率可提高24％，這一結論可使我們獲得如下效益1、可將模塊制造的小一點(達到同樣的功率)，此做法能節省多種稀有金屬。
2、可將散熱器制造的小一點(達到同樣的散熱效果)，此做法能節省大量鋁材。
3、如果不改變模塊或散熱器的現型規格(不愿或無意改型投資)，可使模塊的使用壽命得到延長，同樣獲得可觀的經濟效益。
附 附圖1為立體圖，圖中1、微動開關 2、迎風板 3、溫度開關 4、電力電子模塊或電力電子元件 5、散熱器 6、集風盒 7、風機 8、左右側板 9、后擋風板 10、細長軸11、定位角鋼。從圖中可看出由8、9及5構成風道。以上各部件的連接均使用標準件。
附圖2、3為風力電氣聯動圖，圖中1、微動開關 2、迎風板 3、溫度開關 4、電力電子元件、模塊 5、散熱器 6、集風盒 7、風機 8、左右側板 9、后擋風板 附圖2、3給出有風力和無風力狀態下迎風板動作情況，又表示出迎風板與微動開關的聯動關系。
附 附圖4為本實用新型特設電氣電路原理圖，從圖中看到微動開關FK、溫度開關WK與主線路交流接觸器線包KC串聯，三者與風機FM并聯，均受控于常開按鈕2AK、常閉按鈕1AK。當按下2AK常開按鈕時風機FM工作，向風道送風，迎風板上揚，微動開關閉合，KC線包得電，主線路送電。之反，風機停轉無風，迎風板回位，微動開關開斷，線包失電，主線路停止送電。溫度開關WK為常閉接點，當散熱器溫升超額定極限值時，開關WK變“開斷”，線包KC失電，主線路停止送電。以上兩道保護足以保證電力電子元件、模塊能在最安全最佳狀態下工作，節能節電節材料，并可使其充分發揮強大的電力調控功能。
結構具體實施方式
本實用新型結構所用材料為鐵、鋁、塑料、紙等薄板。其應用范圍較廣，正有擴大之勢，目前可應用于晶閘管智能控制模塊、橋式整流模塊、雙反星整流模塊、固態繼電器、恒流恒壓控制模塊、智能電機控制模塊、雙閉環直流調速模塊、直流電機斬波調速模塊、變頻調速模塊等的監控保護。現暫將其規范為4個系列，11種型號40系列 BM 4080型 BM 4070型 BM 4070型26系列 BM 2635型 BM 2630型 BM 2626型16系列 BM 1630型 BM 1626型 BM 1620型16S系列 BM 16S20型 BM 16S16型型號義譯 經樣機試運轉驗證效果極佳，現產品圖紙已定型，可由工廠生產另部件供給用戶，用戶自行按產品說明書組裝，也可由工廠或代理商代為用戶組裝。
按以上各技術原理還在繼續開發新系列、新型號、新品種。
參考資料 1、熱工學 北京林學院主編 1980年版 2、電源技術應用 2005年6期3、流體力學泵與風機ISBN 7-120-0233-6/TK·327 4、功率模塊應用手冊 賽米控國際公司
權利要求1.一種用于保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置，它由散熱器(5))、左右側板(8)、后檔風板(9)、風機(7)、迎風板(2)、微動開關(1)、溫度開關(3)組成，其特征在于左右側板(8)、后擋風板(9)、散熱器(5)、圍成一個完整的風道，可集聚風力，風道下部裝設風機(7)，向上吹風，在風道上部安裝迎風板(2)，離迎風板(2)前邊線2/3處穿一細長轉軸(10)，迎風板(2)受風力可沿轉軸上下擺動，并使與其聯動的微動開關(1)實現通、斷轉換，在散熱器(5)正面裝設溫度開關(3)，溫度開關(3)、微動開關(1)與主線路交流接觸器線包kc串聯，三者與風機Fm并聯，均受控于常開按鈕2AK、常閉按鈕1AK。
2.按照權利要求1所述的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置”，其特征在于迎風板(2)與微動開關(1)之間采用杠桿原理聯動并保證力的平衡，即有風時微的動開關(1)剛好實現‘通’無風時靠重力回位，微動開關(1)轉為‘斷’。
3.按照權利要求1所述的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置”，其特征在于散熱器(5)翅片安裝于散熱最佳的風道中。
4.按照權利要求1所述的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置”，其特征在于微動開關(1)、溫度開關(3)受本實用新型特設的電氣電路控制，實現有風主線路能送上電，無風主線路送不上電，還可實現模塊溫升超過額定極限值時主電路自動斷電。
5.按照權利要求1所述的“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置”，其特征在于該裝置進風口截面大于出風口截面，根據流體連續性原理風速得到提高，又根據放熱現象的相似準則Nu＝f(Re)，Re與流體流速成正比關系，故放熱效果得到提高。
專利摘要一種用于保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置。電力電子元件、模塊在送電中要確保P－N結溫升不超額定值，因此必須風冷散熱，目前“風機停轉”、“溫升超標”沒有監控手段，易造成元件被燒毀等事故。“保護電力電子元件、模塊風冷溫升監控裝置”由金屬板和散熱器圍成風道，風道下部裝設風機，上部裝設迎風板，迎風板受風力可使其沿轉軸上下擺動，并令與其聯動的微動開關實現通、斷轉換。又在散熱器正面裝設溫度開關，要求當溫升超標時，常閉接點斷開。通過以上二開關及本實用新型特設的電氣電路可實現有風，溫升正常送電；無風，溫升超標不送電，能確保電力電子元件、模塊運行狀態最佳。
文檔編號H02H5/04GK2886889SQ200620018209
公開日2007年4月4日 申請日期2006年3月22日 優先權日2006年3月22日
發明者袁明千 申請人:袁明千