基于蒸发冷却的铝壳电阻器及其工作方法

1.本发明涉及电子设备散热技术领域，尤其涉及一种基于蒸发冷却的铝壳电阻器及其工作方法。


背景技术：

2.进入21世纪以来，高速列车、轨道交通在世界各大城市越来越普遍地出现，与此同时，在列车运行时，其中的电气设备电路中需要用到大量的大功率电阻器。这些电阻器可作为列车的制动电阻、调速电阻、负载电阻、再生电阻等。在这些电阻器接入电路中运行时，电能会转化为热能从而使电阻器温度升高，当电阻器在设计工况下运行时，所产生的热量不足以使电阻丝温度升高至其熔点。但是，电路中经常会出现控制失衡、短路等非设计工况，电阻器产生过热，电阻丝会在几秒钟之内被磨烧而熔断，从而导致电阻器损坏甚至起火，导致制动斩波器、牵引逆变器和电动机的损坏。
3.在非设计工况温度瞬态变化的场合，电阻器内部温度急剧上升，但由于内部材料导热系数的限制，无法将热量有效传递给外部，导致其外部温度并未有大幅上升，因此温度变化导致空气密度变化而形成的自然对流换热作用很弱，此外由于温差很小导致电子设备向外界的辐射换热量很小，这两种原因导致设备无法有效散热。因此，考虑从设备内部优化结构不失为优化散热能力的好方法。
4.此外，一般情况下，电阻丝缠绕在实心电阻芯上，这样电阻芯与电阻丝相接触，导热主要通过电阻芯，而电阻芯的导热系数不够大，因此整个电阻器的散热效果很差，并且实心的电阻芯增加了整个设备的重量，增加了成本。


技术实现要素：

5.基于上述问题，本发明提供一种基于蒸发冷却的铝壳电阻器及其工作方法，能够提高散热效率，增加高功率电阻器的正常工作时间。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
7.一种基于蒸发冷却的铝壳电阻器，包括若干个电阻组件，电阻组件包括电阻丝、电阻芯、管壳、吸液芯和水，所述电阻芯、管壳、吸液芯均为同心的空心圆柱体，吸液芯置于管壳内，电阻芯置于管壳外，所述电阻丝以一定螺距均匀螺旋缠绕于电阻芯上；
8.管壳抽真空后将水充入管壳内，通过毛细作用被吸液芯所吸附；
9.管壳的外壁上还均匀设有肋片，肋片为环肋，以一定间距均匀排布于管壳外壁，电阻芯内壁嵌有与肋片相匹配的槽，使得肋片与电阻芯内壁相接触；
10.作为优选，电阻器还包括壳体，该壳体为上端开口的空心长方体，其底部内壁设有陶瓷片，其余四个内侧壁均设有云母片。
11.作为优选，电阻组件平行设置在壳体中，电阻组件与壳体底部的陶瓷片以及内侧壁的云母片之间均填充有石英砂，且石英砂完全覆盖电阻组件。
12.作为优选，壳体上端通过胶实现密封，胶与该壳体内部的石英砂贴合，以防止壳体
内的石英砂外泄。
13.作为优选，电阻组件的电阻丝均采用镍铬合金丝，陶瓷片以95瓷为成型材料制成，电阻芯以75瓷为成型材料制成。
14.作为优选，电阻组件的管壳材料为347不锈钢管，外壁设置若干均匀分布的环形肋片，肋片截面为矩形，且管壳厚度为1.2-1.5mm。
15.作为优选，电阻组件的吸液芯用镍铬钢斜纹网制成，吸液芯孔隙率为50％，充液率为70％-90％，厚度为0.4mm-0.48mm。
16.作为优选，壳体为铝壳，外壁上设有散热翅片，用于稳态时增大换热面积以增加换热量。
17.作为优选，胶采用了导热系数为0.299w/(m
·
k)的白色有机硅灌封胶。
18.本发明还公开了一种基于蒸发冷却的电阻器的工作方法，在电阻发生短路时，电阻电压迅速增大至750v，导致电阻发热功率迅速增大，且电阻功率密度迅速增大；由于电阻内部填充石英砂导热系数较小，电阻内部的导热过程在较长时间内都占主导作用，即电阻内部热量很难在短时间内传导到外部，计算电阻内部瞬态导热特性能够较准确的表征电阻总体传热特性；原先实心电阻芯的导热系数不大，热量向内部传导缓慢，而基于蒸发冷却的铝壳电阻器，在热量向内部传递时，吸液芯中的水蒸发吸收潜热，从外部传递来的部分热量被吸收，从而延长了电阻器的到达熔点的时间。
19.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
20.本发明公开了一种基于蒸发冷却的铝壳电阻器及其工作方法，基于蒸发冷却的结构与原实心电阻芯结构相比，在热量向内部传递时，吸液芯中的水蒸发吸收潜热，从外部传递来的部分热量被吸收，从而延长了电阻器的到达熔点的时间，此外，管壳外壁带肋，增大了接触面积与导热系数，增大了换热量，有效提高了散热效率，显著增加高功率电阻器的正常工作时间。
附图说明
21.图1是本发明的提出的一种基于蒸发冷却的铝壳电阻器内部结构示意图；
22.图2是本发明的胶、石英砂、陶瓷片相对位置关系示意图；
23.图3是本发明的带肋管壳、吸液芯、水相对位置关系剖面示意图；
24.图4是本发明的带肋管壳、吸液芯、水和空心电阻芯相对位置关系侧面剖视图；
25.图5是本发明的管壳与肋片相对位置的外部轴测图；
26.图6是本发明的电阻芯剖面图。
27.附图标记：1壳体，2胶，3石英砂，4陶瓷片，5云母片，6第一电阻芯，7第二电阻芯，8第三电阻芯，9第一电阻丝，10第二电阻丝，11第三电阻丝，12管壳，13吸液芯，14水，15肋片。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
29.本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
30.应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
31.如图1至图6所示，本发明公开了一种基于蒸发冷却的铝壳电阻器，包括壳体和若干个电阻组件，本实施例中电阻组件的数量为3个，分别为第一电阻组件、第二电阻组件和第三电阻组件。
32.电阻组件包括电阻丝、电阻芯、管壳12、吸液芯13和水14，其中，电阻芯和管壳12为空心圆柱体，管壳12外壁紧贴电阻芯内壁，如图4所示。吸液芯13置于管壳12内壁，截面为圆环状；水14在管壳12抽真空后以适量充入管壳12内，通过毛细作用被吸液芯13所吸附；管壳12的外壁上有若干以一定间距均匀排布的环形肋片15，且各肋片15与电阻芯内壁相抵，如图3、图4所示。电阻芯内壁开有与肋片15相匹配的卡槽，如图6所示，使得肋片15、管壳12与电阻芯内壁紧密接触。
33.第一电阻芯6、第二电阻芯7、第三电阻芯8分别均匀缠绕在第一电阻组件、第二电阻组件和第三电阻组件的管壳12外，第一电阻丝9，第二电阻丝10，第三电阻丝11分别以一定螺距均匀螺旋缠绕于第一电阻芯6、第二电阻芯7、第三电阻芯8上，且第一电阻丝9，第二电阻丝10，第三电阻丝11之间依次串联，以串联第一电阻组件、第二电阻组件和第三电阻组件。
34.壳体1为上端开口的空心长方体，采用铝制成，其底壁的内壁上设有陶瓷片4，其四个侧壁的内壁上均设有云母片5。第一至第三电阻组件平行设置在壳体1内，电阻组件和壳体1底壁陶瓷片4、四个侧壁内壁上的云母片5之间均填充有石英砂3，且石英砂3完全覆盖第一至第三电阻组件。壳体1上端采用胶2封住，胶2和石英砂3贴合，以防止壳体1内的石英砂3外泄，如图2所示。壳体1优选铝壳，外壁上设有散热翅片，用于稳态时增大换热面积以增加换热量。
35.本实施例中第一至第三电阻组件的电阻丝均采用镍铬合金丝，陶瓷片以95瓷为成型材料制成，电阻芯以75瓷为成型材料制成，管壳材料为347不锈钢管，外壁设置若干均匀分布的环形肋片，肋片截面为矩形，且管壳厚度为1.2-1.5mm。第一至第三电阻组件的吸液芯用镍铬钢斜纹网制成，吸液芯孔隙率为50％，充液率为70％-90％，厚度为0.4mm-0.48mm。胶采用了导热系数为0.299w/(m
·
k)的白色有机硅灌封胶。
36.本实施例中壳体内的陶瓷片绝缘、云母片绝缘耐热，石英砂为低导热系数的绝缘材料；壳体采用的铝制材料，高温时会向外界发出热辐射，用于有效散热，壳体外壁上的散热肋片则帮助更快进行散热。
37.本发明的工作原理及工作方法：在电阻发生短路时，电阻电压迅速增大至750v，导致电阻发热功率迅速增大，且电阻功率密度迅速增大；由于电阻内部填充石英砂导热系数较小，电阻内部的导热过程在较长时间内都占主导作用，即电阻内部热量很难在短时间内传导到外部，计算电阻内部瞬态导热特性能够较准确的表征电阻总体传热特性；原先实心电阻芯的导热系数不大，热量向内部传导缓慢，而基于蒸发冷却的铝壳电阻器，在热量向内部传递时，吸液芯中的水蒸发吸收潜热，从外部传递来的部分热量被吸收，从而延长了电阻器的到达熔点的时间。
38.本发明在电阻芯内部安装空心管壳，并在管壳内壁设置吸液芯，在管壳抽真空后向其中充入水，与原来的实心电阻芯相比，设备的重量大大减少，此外，电阻丝的热量传递至管壳后，水蒸发吸收潜热，从而降低了电阻丝的温度；壳体内部填充石英砂，由于石英砂导热系数较小，电阻内部的导热过程在较长时间内都占主导作用，因此内部传热的强化直接减缓了电阻器短路时达到熔点的速度，延长了电阻器的正常工作时间。
39.本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
40.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。