专利名称：保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型所属技术领域为电力电子技术。更具体讲属于大功率晶闸管、可控硅、电力电子模块(是全数字移相触发集成电路与晶闸管集成于一体的大型集成块)的风冷、温升监控技术。
技术背景电力电子元件如整流管、晶闸管等工作时内部芯片产生耗散热，必需用适当的散热器来冷却元件，以保证P-N节温升不超过容许值，以2500安的元件为例，其内部耗散热超过3KW。对于电力电子模块来说散热也是必不可少的，以最大输出电流2000A电力电子模块为例，内部P-N节耗散热也在2KW以上。因此模块专业生产厂—淄博银河高技术开发有限公司在它的产品说明书中写道“散热条件的好坏是影响模块能否安全工作的重要因素。良好的散热条件不但能够保证模块可靠工作、防止模块过热烧毁，而且能够提高模块的电流输出能力。建议用户在使用大规格模块的时候尽量选择带过热保护功能的模块。当然，即便模块带过热保护功能而散热器和风机也是不可缺少的”。
目前对电力电子元件、模块的冷却方式有三种，即自然冷却、水冷、风冷。其中自然冷却只能对小功率的电力电子元件、模块使用，对于大功率电力电子元件、模块因耗散热多，要使用自冷必需加大散热器对流散热面积，这同时也必然会增大散热器内部金属材料导热热流的路程，从而使散热面温度下降，散热能力减弱，以至于抵消了增大散热器面积的效果，可见大功率电力电子元件、模块使用自然冷却是不可行的。
至于使用水冷，必需配备庞大的冷却水系统，造价高，安全性也差，对移动性设备使用水冷散热很不方便。
综上可认定电力电子元件(含晶闸管、可控硅、电力电子模块)的风冷散热是不可缺少的，也是特别重要的最佳方案。
但目前对强迫风冷没有统一的严格要求，模块生产厂仅建议风机对散热器翅片成30°-45°送风即可，由此而引出诸多问题1)、用户对风机安装不规范造成风机效率普遍较低，影响电力电子元件、模块出力水平。
2)、没有风冷控制措施，往往风机停转操作者不知道，很易烧毁电力电子元件、模块。造成生产事故和电力电子元件、模块的报废损失。
3)、由于所在散热器上没设置温度开关，当电力电子元件、模块温升超过额定极限值时操作者无法知道，易造成电力电子元件、模块烧毁。
正因为目前电力电子元件、模块对风冷的要求不规范，对风冷、温升没有监控保护措施，往往用超额定容量的办法选元件、模块(即大马拉小车的办法)，来确保电力电子元件、模块的使用安全，这无疑造成资源浪费。
自从换代产品—电力电子元件、模块问世投入使用以来，不断总结经验、用先进的科技成果做了不少改进，此次推出的“保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置”是改进模块使用方法的重要进步之一，它有利于模块技术的推广应用，促进高科技产品的发展。
发明内容
本实用新型设计为风道式风冷散热，由金属板(或非金属板)围成截面为“”型，缺口面由散热器来围堵，形成一个完整的风道。风道下边是风机，向上吹风，风道上面是迎风板。迎风板由薄金属板(或薄非金属板)制成，为长方形，与长边平行距前2/3，离后1/3处串一细轴，令迎风板受风力时能依转轴上下摆动。又利用杠杆原理使微动开关与迎风板联动，有风力时微动开关“通”，无风力时微动开关“断”。通、断信号接入本实用新型的特设电路中，实现有风力时主电路送电，无风力时主电路停止送电。
又在散热器正面距模块四边15mm～50mm区间安装温度开关，温度开关为常闭接点，当电力电子元件、模块温升超标时，温度开关常闭接点变成“开断”状态，令本实用新型的特设电路中交流接触器线圈失电，主电路停止送电。
综上，通过微动开关、温度开关、特设电路，可实现有风力、并模块温升正常时主电路送电。无风力、或模块温升超标时主电路停止送电，进而确保电力电子元件、模块运行状态最佳，工作绝对安全可靠。
此外，本实用新型的风冷散热结构机理具有可提高散热器散热效率和可增加电力电子元件、模块使用功率的优点，使用本实用新型可将模块、散热器制造的相对小些，可节约稀有金属和铝材。为什么能有上述优点？其科学根据如下1、散热器安装在风道中散热最好的位置，风道聚风、风力不飞散不损失，风机效率及散热器散热效率均得到提高。
2、风道进口截面大于风道出口截面，根据流体连续性方程V1A1＝V2A2＝qV其中V1V2分别为风道进出口的风速，A1A2分别为风道进出口的截面积，qV为体积流量，本题A1＞A2，依据以上方程得知V2＞V1，即风道上部出口风速应大于风道下边风机向上吹的原风速。风冷机构运作过程是开机时先给风机送电，在风机已吹风但迎风板尚未完全被风吹开的短时间内，风机的工作点相当于受扰动而发生偏离，但很快可自动回复稳定的工作点，本题流体是纯净空气，密度、粘度无大变化，而且风道设计合理，能形成顺畅的流线，，风机性能曲线与管道特性曲线基本没变，仅吹向散热器翅片的风速提高了，这将使散热器的散热效率得到提高，其原因何在？这要从流动边界层和热边界层理论说起，原来流体的运动有层流和紊流两种流动状态，决定流体流动状态的因素是流体的流速w、流体的运动粘度v和流道截面有代表性的几何尺寸l，因流速w比较容易进行人工控制，影响较为显著。通常将上述三个量综合成一个无因次量，称雷诺准则，以Re表示。Re＝wl/v，可以用Re数值的大小来判断流体流动的状态，Re越大，流体的运动越剧烈，紊流的程度就越显著，对本实用新型来说，由于风道内平均风速提高，使冷空气与散热器翅片间边界层紊流成分增加，Re增大，放热系数(α)增大[α＝f(Re)]，放热系数是表征放热过程强弱的量，因此本实用新型的散热效率获得明显提高，提高程度请参阅实验报告(见附件)。
实验报告的结论与以上的理论分析是一致的，风冷效率的提高可增大模块的使用功率，有资料显示风冷温度每下降20℃模块功率可提高30％，根据实验报告提供的数据显示，使用本实用新型可使测温点温度由75℃降至63℃，降幅16％，使用功率可提高24％，这一结论可使我们获得如下效益1、可将模块制造的小一点(达到同样的功率)，此做法能节省多种稀有金属。
2、可将散热器制造的小一点(达到同样的散热效果)，此做法能节省大量铝材。
3、如果不改变模块或散热器的现型规格(不愿或无意改型投资)，可使模块的使用寿命得到延长，同样获得可观的经济效益。
附 附图1为立体图，图中1、微动开关 2、迎风板 3、温度开关 4、电力电子模块或电力电子元件 5、散热器 6、集风盒 7、风机 8、左右侧板 9、后挡风板 10、细长轴11、定位角钢。从图中可看出由8、9及5构成风道。以上各部件的连接均使用标准件。
附图2、3为风力电气联动图，图中1、微动开关 2、迎风板 3、温度开关 4、电力电子元件、模块 5、散热器 6、集风盒 7、风机 8、左右侧板 9、后挡风板 附图2、3给出有风力和无风力状态下迎风板动作情况，又表示出迎风板与微动开关的联动关系。
附 附图4为本实用新型特设电气电路原理图，从图中看到微动开关FK、温度开关WK与主线路交流接触器线包KC串联，三者与风机FM并联，均受控于常开按钮2AK、常闭按钮1AK。当按下2AK常开按钮时风机FM工作，向风道送风，迎风板上扬，微动开关闭合，KC线包得电，主线路送电。之反，风机停转无风，迎风板回位，微动开关开断，线包失电，主线路停止送电。温度开关WK为常闭接点，当散热器温升超额定极限值时，开关WK变“开断”，线包KC失电，主线路停止送电。以上两道保护足以保证电力电子元件、模块能在最安全最佳状态下工作，节能节电节材料，并可使其充分发挥强大的电力调控功能。
结构具体实施方式
本实用新型结构所用材料为铁、铝、塑料、纸等薄板。其应用范围较广，正有扩大之势，目前可应用于晶闸管智能控制模块、桥式整流模块、双反星整流模块、固态继电器、恒流恒压控制模块、智能电机控制模块、双闭环直流调速模块、直流电机斩波调速模块、变频调速模块等的监控保护。现暂将其规范为4个系列，11种型号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型型号义译 经样机试运转验证效果极佳，现产品图纸已定型，可由工厂生产另部件供给用户，用户自行按产品说明书组装，也可由工厂或代理商代为用户组装。
按以上各技术原理还在继续开发新系列、新型号、新品种。
参考资料 1、热工学 北京林学院主编 1980年版 2、电源技术应用 2005年6期3、流体力学泵与风机ISBN 7-120-0233-6/TK·327 4、功率模块应用手册 赛米控国际公司
权利要求1.一种用于保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置，它由散热器(5))、左右侧板(8)、后档风板(9)、风机(7)、迎风板(2)、微动开关(1)、温度开关(3)组成，其特征在于左右侧板(8)、后挡风板(9)、散热器(5)、围成一个完整的风道，可集聚风力，风道下部装设风机(7)，向上吹风，在风道上部安装迎风板(2)，离迎风板(2)前边线2/3处穿一细长转轴(10)，迎风板(2)受风力可沿转轴上下摆动，并使与其联动的微动开关(1)实现通、断转换，在散热器(5)正面装设温度开关(3)，温度开关(3)、微动开关(1)与主线路交流接触器线包kc串联，三者与风机Fm并联，均受控于常开按钮2AK、常闭按钮1AK。
2.按照权利要求1所述的“保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置”，其特征在于迎风板(2)与微动开关(1)之间采用杠杆原理联动并保证力的平衡，即有风时微的动开关(1)刚好实现‘通’无风时靠重力回位，微动开关(1)转为‘断’。
3.按照权利要求1所述的“保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置”，其特征在于散热器(5)翅片安装于散热最佳的风道中。
4.按照权利要求1所述的“保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置”，其特征在于微动开关(1)、温度开关(3)受本实用新型特设的电气电路控制，实现有风主线路能送上电，无风主线路送不上电，还可实现模块温升超过额定极限值时主电路自动断电。
5.按照权利要求1所述的“保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置”，其特征在于该装置进风口截面大于出风口截面，根据流体连续性原理风速得到提高，又根据放热现象的相似准则Nu＝f(Re)，Re与流体流速成正比关系，故放热效果得到提高。
专利摘要一种用于保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置。电力电子元件、模块在送电中要确保P－N结温升不超额定值，因此必须风冷散热，目前“风机停转”、“温升超标”没有监控手段，易造成元件被烧毁等事故。“保护电力电子元件、模块风冷温升监控装置”由金属板和散热器围成风道，风道下部装设风机，上部装设迎风板，迎风板受风力可使其沿转轴上下摆动，并令与其联动的微动开关实现通、断转换。又在散热器正面装设温度开关，要求当温升超标时，常闭接点断开。通过以上二开关及本实用新型特设的电气电路可实现有风，温升正常送电；无风，温升超标不送电，能确保电力电子元件、模块运行状态最佳。
文档编号H02H5/04GK2886889SQ200620018209
公开日2007年4月4日 申请日期2006年3月22日 优先权日2006年3月22日
发明者袁明千 申请人:袁明千