專利名稱：基于液態金屬或其合金循環散熱的大容量直流斷路器用散熱器的制作方法
技術領域：
本發明涉及開關電器的散熱技術，特別涉及將低熔點的液態金屬或其合金作為工質運用于大容量直流斷路器的散熱，并通過電激勵和永磁激勵兩種方式來分別實現液態金屬或其合金工質的驅動。
背景技術：
直流供電系統具有系統穩定性好、線路損耗小、輸送電能功率密度高以及環境污 染小等優點，不僅在高壓直流輸電領域得到廣泛應用，而且在軌道交通、冶金、艦船等中低壓領域的應用也日益增多。同時，直流供電系統在國防領域也倍受矚目。隨著國防重大裝備和民用關鍵設施的快速發展，對直流供電系統容量的需求也逐漸增大。隨著直流供電系統容量的提升，直流斷路器通流能力的要求越來越高。對于大容量的直流斷路器的設計來說，熱設計成為斷路器設計中的關鍵問題之一，熱設計的好壞直接影響直流斷路器的運行性能和可靠性。隨著直流斷路器高電壓、大電流、小型化的發展趨勢，熱設計成為制約其發展的一個重要因素。研究人員面臨的一個新問題是如何將直流斷路器高溫部件產生的大量熱量安全、迅速而有效的散發到外界環境中。解決開關電器中的熱問題存在控制發熱量和加強散熱兩種途徑。通過控制熱源的發熱量解決開關電器熱問題，包括增加導電回路的截面，采用導電性能好的材料，設計穩定可靠的接觸連接等。通過加強散熱途徑解決開關電器熱問題，目前主要是在大容量的斷路器中采用散熱片、水冷或風冷等傳統的強化散熱措施。由于散熱片散熱效率不高，通常需要安裝多處散熱片，這種采用傳統的單純依靠增加散熱片的表面積來加速散熱的方法，占用較大的體積和使用較多的材料，在開關電器小型化發展中不是一種值得推廣的散熱方法。而最近幾年起步的開關電器水冷系統，雖然從散熱性能上看水冷比較占優勢，而且不會受外界環境影響，散熱強度容易調節，但是水作為傳熱工質會有管道內部材料腐蝕的問題。而且水冷散熱器中的制冷液屬于耗品，需要定時更換。風冷系統雖然具有結構簡單、降溫較快、經濟性好和故障率低的優點，但是它消耗的功率和工作噪聲都比較大。由此可見,隨著直流斷路器向更大容量、更高電壓等級、更大電流以及更小型化的趨勢發展，發明性能更優良的斷路器用散熱器，具有現實的技術前景和應用需求。中國科學院理化技術研究所于2002年首次提出液態金屬芯片散熱新技術，并對該技術其進行了理論和實驗研究。美國Nanocoolers公司也開展了液態金屬芯片散熱技術方面的研究工作。液態金屬散熱技術的發展及其在多個領域的使用和研究，為它在斷路器散熱設計中的使用提供了可能，從而也使得通過對溫升過高部位的快速冷卻方式解決大容量直流斷路器中的熱問題成為可能。基于上述考慮本發明擬利用液態金屬優異的導熱性能和良好的流動性，將液態金屬或其合金應用到大容量直流斷路器中，以快速降低溫升過高部位的溫度。該方法在開關電器熱設計中是首次嘗試，在國內外公開出版的文獻及專利中，未見相關報道。

發明內容
本發明的目的是將液態金屬或其合金作為工質應用于大容量直流斷路器的散熱，采用流體循環冷卻的快速散熱方法，解決直流斷路器容量提高和斷路器小型化設計中的散熱問題。本發明的技術方案如下本發明提供的大容量直流斷路器用液態金屬或其合金循環散熱技術及散熱器，具體包括直流斷路器的發熱體和外部散熱片之間通過環形封閉管道相連接，構成連通回路，管道內裝填有低熔點金屬或其合金工質，斷路器發熱體、管道內的液體金屬或其合金工質和外部散熱片分別構成斷路器散熱裝置的發熱、熱傳輸和熱發散環節；所述的連接管道的管壁采用雙層復合結構，管壁外層選用耐高溫的塑料、硅橡膠、陶瓷等絕緣材料，管壁內層為金屬銅管，管壁外層緊密包裹內層。管壁上設置有用于驅動管內低熔點液體金屬或其合金工質流動的微型電磁泵，電磁泵的設計方案有兩種第一種方案是采用永磁激勵驅動方式，包括一個用于在液態金屬或其合金兩側提供垂直管道方向的電流的直流電源(含有電源、導線、電極和絕緣層等)，一個用來產生與管道內電流垂直的磁場的永磁鐵模塊(含片狀娃剛疊片結構)；永磁體模塊可用一對相反磁極的永磁體相對面布置而成，也可用多片磁極相反的永磁體分布式布置而成，其中位于管道壁同一側的永磁體極性相同，液態金屬或其合金在永磁體之間流動。在管道外部，采用多片硅鋼疊片結構將兩對永磁體連接起來，硅鋼疊片可作為磁激勵驅動裝置的定子鐵心，起到減少永磁勵磁回路磁阻的作用。第二種方案是采用電激勵驅動方式，包括一個用于在液態金屬或其合金兩側提供垂直管道方向的電流的直流電源(含有電源、導線、電極和絕緣層等)，一個用來產生與管道內電流垂直的磁場的電勵磁電路,包括勵磁線圈和硅鋼片鐵心等。所述的散熱器遠端外部散熱片，其材質可選為導熱性能較好的鋁合金、黃銅或青銅，散熱片具有空腔結構且雙向開口，散熱器復合材料管道沿散熱器的空腔穿過，液態金屬或其合金工質經過空腔內管道流過，將從高溫部件帶出的熱量經過金屬散熱片快速散失。其空腔橫截面可為長方形、圓形等形狀。散熱器的遠端散熱片，也可不具有空腔結構，直接將散熱片同散熱管道的一面至多個面接觸即可，接觸面用導熱膠固定。所述的散熱片為了增大其表面面積而做成多柵片等結構。所述的液態工質管道橫截面可為圓形或方形，里面裝的是常溫下為液態的金屬工質鎵基合金或或為液態堿金屬及其合金。本發明具有下述優點傳熱效率高，結構形式靈活多樣，散熱可靠性提高，工質循環過程封閉，對環境影響小。本發明所提出的關于大容量直流斷路器用液態金屬或其合金循環散熱的裝置，與待冷卻的斷路器發熱體的表面相接觸并把熱量帶出，采用環形閉合管道，里面裝填的是常溫下為液態的金屬或其合金工質，它能夠在電激勵或永磁激勵下實現環繞管道的工質的循環和驅動。管道的另一端設置有外部散熱片，起到的作用是將管道內的液態金屬或其合金的熱量發散到外界環境去。管道的外表面只能由耐高溫的塑料、硅橡膠、陶瓷等絕緣材料構成，這里主要是考慮到散熱裝置的安全運行。、
本發明利用了液態金屬工質優良的傳熱特性，在斷路器散熱設計中，方法和結構新穎，不同于現行的通過直接在高溫部件加大散熱片的表面積、水冷卻和風冷卻的散熱方法。本斷路器散熱裝置以低熔點金屬或其合金為流動工質，充分利用了低熔點金屬或其合金類材料的比非金屬材料導熱率高和常溫下為液態且粘滯性低的性質，因而具有很好的導熱性能。本發明的關鍵點是把低熔點金屬或其合金作為散熱工質，讓它在環形管道內循環流動，在吸收斷路器高溫部件熱量的同時，也向相對低溫的外置散熱片傳遞熱量，實現熱量產生與釋放的動態平衡。而這里的低熔點金屬或其合金可取為鎵合金，而不是常見的液態 金屬汞，這里主要是從環境安全角度考慮的。鎵合金的熔點可以控制在20°以下，符合我們所說的常溫下為液態這個條件，而且它還比較穩定和環境友好。鎵合金可以起到很好的熱量運輸工具的作用，相對于非金屬液體，利用電磁力驅動也很方便。只需要用磁激勵或電激勵的方式構造一個微型電磁泵，即可正常驅動鎵合金在管道內的流動。這里還需要提出的是，鎵合金的過冷度高，能夠長時間在零度以下環境中保持液態，這對散熱器的正常工作十分有利。結合人們對新型高效率散熱問題的研究，本發明提出的利用低熔點液態金屬或其合金作為流動工質實現熱量在直流斷路器發熱體和散熱片交換的快速傳遞，是實現開關電器高效散熱的新的切入點。


附圖I (a)為永磁激勵驅動的散熱器結構簡圖，圖I (b)為用于驅動液態工質的永磁勵磁的微型電磁泵圖；附圖2(a)為電激勵驅動的散熱器結構簡圖，圖2(b)為用于驅動液態工質的電勵磁的微型電磁泵圖。附圖3為中空腔結構的散熱片的立體結構簡圖；其中1為發熱體；2為永磁鐵；3為直流電源；4為液態金屬管道；5為散熱片；6為通電導體；7為液態金屬流通通道；8為娃鋼片；9為導體；10為絕緣介質；11為永磁體；12為通電線圈。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述實施例一附圖I所示為永磁勵磁驅動的直流斷路器用散熱器。如前所述，散熱器的管道為首尾封閉結構，管道內裝有低熔點液態金屬或其合金工質。從電氣絕緣角度考慮，管道外層選用硅橡膠絕緣材料，內層為金屬銅管，低熔點液體金屬工質在銅管內流動。在散熱器管道的中間裝有永磁激勵的微型驅動泵。該泵的結構見圖1(b)所示。該微型泵嵌在管道的一小段空間內，泵的截面結構與管道截面結構不同。在本例中，銅管道的截面上下寬度可為Icm I. 5cm,然而上下永磁體磁極的間距為O. 5mm。根據散熱功率需求和調節驅動電磁力的需要,永磁體之間的間距可取為O. 3mm Imm大小。上下永磁體磁極分別采用4塊永磁體拼接而成，4塊永磁體采用2x2排列方式，2個磁極共采用8塊釹鐵硼永磁鐵。在液態金屬管道外部，采用單層厚度為O. 23mm的硅鋼沖片，硅鋼沖片形狀為C型，多片(可為10-30片)硅鋼片疊成永磁驅動泵的定子，硅鋼定子將兩個磁極的磁鐵在管道外部磁短路。2個永磁磁極、磁極間氣隙(實際運行中充滿流動的液態金屬工質)、定子硅鋼構成微型驅動泵的勵磁回路，在氣隙間產生和管道相垂直的磁場。驅動泵的電流由直流電回路產生，直流電源由散熱器控制電路供電，直流電源模塊包括電壓源、連接導線、管壁內電極、同管壁相絕緣的絕緣襯層、控制單元等，用于產生和勵磁磁場和液態金屬工質流動方向均垂直的電流。液態金屬管壁相對的2個面開孔，并將管壁和直流電源間絕緣和密封填充。在管道的4個面上，永磁體磁極占用2個相對的管壁面，電極占用另2個相對的管壁面。電極、磁極、定子硅鋼等和管壁一起進行表面封裝。本例中附圖I管道內的液態金屬可選為鎵合金。鎵是銀白色金屬，熔點29. 78°C,沸點則高達2403°C，在30°C時變為發光液體，冷卻至(TC而不固化。而鎵基合金的性能則更佳，熔點能低至20°C以下(含銦25%的鎵合金的熔點為16°C )，膨脹系數和粘度系數也比較小，比較適合作為附圖2管道內的液態金屬工質。附圖I所示的外部散熱片為了增大其表面面積可做成如附圖3所示的多柵片結構。附圖3所示的散熱片結構，采用空腔設計。最后需要指出的是，金屬散熱器外殼壁在保證堅固性的前提下，應盡量薄，2mm到3mm為佳。永磁勵磁的微型驅動泵的驅動工作原理為當斷路器的高溫部件(如母排)需要散熱時，散熱器的驅動控制單元控制電力電子功率開關器件，接通直流電流回路，在永磁體之間的液態金屬產生直流電流，液態金屬將受到安培力的作用，沿著散熱器管道流動。由于液態金屬工質充滿管道銅管，永磁體間的液態金屬工質將受到的持續的安培力作用，驅動散熱器循環工作，將熱量從高溫部件帶到金屬散熱片，從而為斷路器高溫點降溫。根據高溫點溫度的大小，散熱系統的控制器調節直流電流大小，改變液態金屬工質的流速，調節散熱器的散熱功率。上述為具有控制單元的永磁勵磁的液態金屬散熱器的可控工作方式。為了降低散熱器的成本，也可將該驅動泵設計為不控工作方式，即去掉散熱系統的控制器單元，散熱器所需直流電流直接由220V/380V供電系統經過整流濾波電源提供。這種不控工作方式下液態金屬的流速不可調，散熱效果沒有可控方式好。實施例二附圖2所示為電勵磁驅動的直流斷路器用散熱器。本實施例中的散熱器和上個具體實施例中的散熱器的主要區別在于，電磁泵中勵磁裝置中的永磁鐵改為了勵磁線圈，定子硅鋼的形狀也同時改變。圖2(b)中給出了本實施例中電磁泵的方案。該圖中液態金屬兩側提供垂直管道方向的電流的直流電源，該直流電源的設計相似于永磁驅動中的直流電源。勵磁回路的硅鋼沖片的形狀為開有氣隙的方形硅鋼片，氣隙寬度約為O. 3_ 1_，用于流過液態金屬。液態金屬工質和硅鋼片定子間墊有絕緣層。勵磁線圈繞在定子硅鋼中和開口氣隙相對的另一側。勵磁線圈的匝數和線徑根據驅動功率確定。
電勵磁的微型驅動泵的驅動工作原理為當直流斷路器的高溫部件需要散熱時，該散熱器的驅動控制單元控制電力電子功率開關器件，分別接通直流電流回路和勵磁電路回路，在永磁體之間的液態金屬產生直流電流，并且勵磁回路在硅鋼定子氣隙間產生磁場，液態金屬將受到安培力的作用，沿著散熱器管道流動。定子硅鋼氣隙間的液態金屬工質將受到的持續的安培力作用，驅動散熱器循環工作。根據高溫點溫度的大小，散熱系統的控制器可分別調節直流電流大小和勵磁電流大小，或者同時調節直流電流大小和勵磁電流大小，改變液態金屬工質的流速，調節散熱器的散熱功率。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的方法及技術內容作出些許的更 動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，仍屬于本發明技術方案的范圍內。
權利要求
1.基于液態金屬或其合金循環散熱的大容量直流斷路器用散熱器，利用常溫下或斷路器正常工作狀態下為液態的金屬或其合金工質的流動來快速帶走斷路器高溫部件的熱量，其特征在于包括用于連接斷路器高溫部件和遠端散熱片，并形成循環回路的散熱管道；充滿散熱管道的低熔點的液態金屬或其液態合金；遠端散熱片和用于驅動液態金屬或其合金在散熱管道內流動的驅動裝置。
2.按權利要求I所述散熱器，其特征在于散熱結構的散熱管道，用于連接斷路器的高溫部件和遠端的散熱片，管道截面可為方形、圓形等多種形狀，內部充滿常溫下的液態金屬或其合金；管道結構為雙層復合結構，外層材料選用耐高溫的塑料、硅橡膠、陶瓷等絕緣材料，內部材料選用銅管，內層銅管和外層絕緣層緊密壓合在一起。
3.按權利要求I所述所述散熱器，其特征在于散熱結構的遠端散熱片為具有中空腔結構且雙向開口的金屬散熱片，用于將液態金屬或其合金從高溫部件帶出的熱量經過散熱片快速散失，其空腔橫截面可為長方形、正方形等形狀。遠端散熱片具有柵片結構以增大散熱面積。
4.按權利要求I所述所述散熱器，其特征在于散熱結構的遠端散熱片，不具有空腔結構，遠端散熱片同散熱管道的一面至三面接觸即可，具有柵片結構以增大散熱面積。
5.按權利要求I所述散熱結構中的驅動部分用于驅動散熱管道中液態金屬或其合金的流動，有電激勵驅動和磁激勵驅動兩種方式。
6.按權利要求I或2所述所述散熱器，其特征在于散熱器結構中，散熱管道內裝的常溫下的工質材料可為鎵基合金材料，或為液態堿金屬及其合金。
7.按權利要求5所述所述散熱器，其特征在于直流斷路器用液態金屬或其合金的電激勵驅動方式，是通過在液態金屬或其合金兩側外加直流電源來提供一個垂直管道方向的電流，同時利用管道外通電導體產生的與管道內電流垂直的磁場，使垂直通過管道的電荷受到沿管道方向的電磁力的作用，從而液態金屬或其合金受到沿管道方向的驅動力，驅動液態金屬或其合金工質在管道內流動；并根據實際需要，通過調節電流大小或磁場大小改變液態金屬或其合金工質在管道里的流速，達到不同的散熱效果。
8.按權利要求5所述所述散熱器，其特征在于直流斷路器用散熱器的液態金屬或其合金工質的永磁激勵驅動方式，通過在液態金屬或其合金兩側外加直流電源提供一個垂直管道方向的電流，利用同管道內電流垂直的磁場，使通過管道的液態工質受到沿管道方向的電磁力的作用，從而液態金屬或其合金受到沿管道方向的驅動力，進而驅動液態金屬或其合金在管道內流動；并根據實際需要通過調節電流大小改變液態金屬或其合金在管道里的流速，達到不同的散熱效果。
9.按權利要求8所述所述散熱器,其特征在于永磁體用一對相反NS磁極的永磁體對面布置而成，或者用多片磁極相反的永磁體分布式布置而成，其中同一側排列布置的永磁體極性相同；為了提高永磁勵磁的磁密，在散熱管道外部采用疊片硅鋼將相對磁極的永磁體連接起來，減小永磁勵磁回路的磁阻。
全文摘要
本發明公開了一種基于液態金屬或其合金循環散熱的大容量直流斷路器用散熱器，通過熔點低于室溫的金屬或其合金工質的流動來帶走高溫部件的熱量，以快速降低其溫升過高部位的溫度來解決大容量直流斷路器所帶來的發熱功率密度高、散熱困難的問題。具體結構包括散熱器的結構、液態金屬流動的驅動方式、遠端散熱方式等。該散熱技術的優點在于散熱效率高、體積尺寸小、散熱結構靈活、適用面寬、對環境污染小。在液態金屬流動的驅動方式上本發明提出在直流斷路器散熱裝置中利用電激勵和磁激勵的兩種液態金屬驅動方式。
文檔編號H01H9/52GK102637542SQ20121000346
公開日2012年8月15日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者吳翊, 楊飛, 紐春萍, 榮命哲, 陳駿星溆, 馬瑞光 申請人:西安交通大學