CN102481649B - 具有包括定位在与远离工件的表面的不同距离处的两个臂部的至少一个回路元件的感应焊接装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于连接太阳能电池(1)的焊接设备，所述焊接设备包括连接设有焊接介质的电池导电印制线与导电体的热源。热源具有高频发生器和感应器回路(32)，其中高频电流流产生高频磁场以在导电印制线和沿着导电印制线布置的导电体中感生涡电流，所述涡电流产生焊接操作所需的热量。感应器回路(30)包括U形回路元件，所述回路元件在被定位成更靠近导电体的一个臂部(31)中具有狭窄部和加宽部。加宽部处的铁氧体珠子(31)和铁氧体管聚集磁场以优化焊接区中的热量形成，因此也节省能量。
Description
相关专利申请的交叉参照
当前申请是2009年3月20日提交的第12/408,054号的美国专利申请的部分延续申请，其要求具有2008年3月20日提交的第61/038,161号的美国临时专利申请的权益。
技术领域
本发明涉及一种用于为焊接过程产生热量以连接硅太阳能电池与扁铜线的感应焊接装置。
背景技术
通过电连接多组硅太阳能电池得到晶状光电模块的产品。典型地，通过扁铜线(条带)将各个电池连接成公知为串的电串联布置。电池与电池串连接通常使用焊接过程以将扁铜线连接到电池的前表面和后表面来实现。
EP 1748495A1中公开了用于通过感应焊接形成太阳能电池串的方法和设备的基本原理。从EP 1748495A1的专利说明书中，已知一种用于电连接多个太阳能电池的焊接设备，其中导电印制线设置在电池的表面上，所述导电印制线可以应用导电条带。导电条带通过热源可与导电印制线电连接，并通过感应加热该热源来加热导电印制线和导电条带并熔化连接导电条带与导电印制线的焊接介质。
在具体的焊接方法中，使用在Komax串接机上(Komax AG，Dierikon，Switzerland)，预镀锡扁铜线通过压紧销被保持在适当的位置，并且通过靠近太阳能电池放置的水冷却感应线圈产生热量。用于焊接一个太阳能电池所需的压紧销和感应线圈合并在被称作为焊接头的一个装置中。可垂直移动的焊接头放置在保持电池和布线对齐的设备上。
当焊接头下降时，可自由垂直移动的压紧销由其重量提供保持力。基于太阳能电池的尺寸和待连接的扁平线的数量，大量感应线圈和压紧销必须被集成到焊接头中。每一个感应线圈需要用于电源和冷却回路的相关联的控制硬件。
美国专利No.6,510,940B1和美国专利申请公开No.2006/0219352A1示出了Komax串接机的示例。
当今的“标准”线圈具有开口，陶瓷压紧销通过所述开口以允许在焊接期间固定条带。线圈的激活部分对称地位于条带的每一侧，并且当铜管紧靠在一起时，铜管中的线圈激活水平抵消。因此，线圈的大部分激活部件没有在条带上，使得产生的大量能量在电池的金属层中，而不是在铜条带中。这表示产生的大量热量必须流过电池以到达条带，其中热量在条带处熔化焊料。
发明内容
本发明涉及一种通过感应原理为焊接过程产生热量的焊接设备。
由本发明获得的优点在于通过研制一种将其能量尽可能地聚集到铜条带中而不是聚集到太阳能电池的金属层中的线圈来减小电池破损率。这样，可以通过更加直接地加热需要接收热量的材料而不是加热电池的金属层并基于来自所述材料的热量改进焊接过程。对于使用者有利地是与现用的线圈相比使用者现在可以以甚至更少的热量在电池中进行焊接。
本发明的另一个优点是其降低硅太阳能电池和扁平线的不同热膨胀的影响。这能够通过垂直于扁平线的伸长度(elongation)布置多个线圈来实现。在焊接过程期间线圈以时滞的方式被接连地激活。
附图说明
对本领域的技术人员的而言本发明的上述以及其它优点将从根据附图考虑的优选的实施例的以下详细说明变得更加清楚，其中：
图1是电连接成电池串的多个太阳能电池的示意性立体图；
图2是具有感应器回路的焊接头的立体图；
图3是图2中所示的具有压力脚的感应器回路的立体图；
图4是图3中所示的感应器回路的立体图；
图5是图3中所示的感应器回路的平面图，其中感应器回路的有效长度是可设定的；
图5a是图5中所示的感应器回路的可选实施例的平面图；
图6是图3中所示的感应器回路的连接件的放大立体图；
图7是具有与太阳能电池的上表面平齐并平行于太阳能电池的上表面的现有技术焊接头的立体图；
图8是根据本发明的处于下侧位置的感应线圈的立体图；
图9是图8中所示的处于上侧位置的感应线圈的立体图；
图10是图8中所示的感应线圈的侧视图；
图11是根据本发明的感应线圈的可选实施例的立体图；
图12是图11中所示的感应线圈的正视图；
图13是图11中所示的具有线圈保持块的多个感应线圈的立体图；和
图14是用于根据本发明的多个感应线圈的控制系统的方框图。
具体实施方式
2008年3月20日提出申请的美国临时专利申请第61/038,161号和2009年3月20日提出申请的美国专利申请第12/408,054号通过引用在此并入。
以下详细说明和附图描述和示出了本发明的示例性实施例。所述说明和附图用于使本领域的技术人员能够实现和使用本发明，而不是用于以任意方式限制本发明的保护范围。对于所公开的方法，所示的步骤实际上是示例性的，因此，步骤的顺序不是必须或关键的。
图1显示了第一太阳能电池1、第二太阳能电池2和第三太阳能电池3。太阳能电池1、2、3也被称为光电电池并将光中所含有的辐射能转换成电能。各个电池中产生的电压在电池上侧5的导电印制线4与图1中不可见的电池下侧6的导电印制线之间形成。如果电池上侧5的导电印制线4和电池下侧6的导电印制线在电路中连接到诸如欧姆电阻或电池的电负载，则电流流动，并且由太阳能电池产生的能量分别在负载中被消耗或被储存在电池中。多个太阳能电池一起电连接成串。多个串形成还被称为面板的模块。在电池上侧5的导电印制线4上和在电池下侧6的导电印制线上，太阳能电池串联连接。各个电池的电压因此增加，并且较薄的导电体7可以使用将所述电池连接在一起。
在图1中，第一太阳能电池1、第二太阳能电池2和第三太阳能电池3一起电连接成电池串8。导电体7连接第一太阳能电池1的电池上侧5的导电印制线4与第二太阳能电池2的电池下侧6的导电印制线。导电体7连接第二太阳能电池2的电池上侧5的导电印制线4与第三太阳能电池3的电池下侧6的导电印制线。
导电印制线4与导电体7之间的连接通过焊接操作产生，其中热源加热导电体7和设有焊接介质的导电印制线4，并且诸如软焊料的焊接介质熔化，从而使得液态焊接介质润湿导电印制线4和导电体7。在热量的影响下，固体导电连接形成在导电印制线4与导电体7之间。
为了产生焊接连接，可以使用不同类型的热量生成。如上所述，基于感应原理操作的热源尤其有利，其中高频发生器在感应器回路中产生具有例如800kHz到900kHz的频率的高频电流，这从而产生高频磁场。
图2显示了配备有三个感应器回路21的焊接头10。线性导向件11布置在台12上，其中导向件的线性导向件11用作滑块13，所述滑块通过电动机14可由箭头P1所示上下移动。滑块13用作用于壳体15的支撑件，其中接线板16、导向块17、用于感应器回路21的调节轴18、和压力脚27布置在所述壳体15上。为每一个感应器回路21设置调节轴18，感应器回路21的位置和压力脚27的位置借助于所述调节轴通过调整螺母18.1在太阳能电池的各个导电印制线4上可被手动对准。回路元件24设定到例如由塑料形成的板19中，所述板布置在导向块17上(图3)。每一个压力脚27可在导向块17中的垂直钻孔17.1中自由移动(图4)。当焊接头10在太阳能电池1、2、3的方向上下降时，压力脚27依靠在导电体7上，并且通过压力脚自身的重量将导电体7推压到导电印制线4上。
图2显示了具有三个平行导电印制线4的太阳能电池。通过所示的焊接头10，借助于三个感应器回路21，三个导电印制线4可以沿着其整个电池长度被同时焊接。
如果具有两个导电印制线4的太阳能电池被处理或焊接，则接线板16、具有感应器回路21的导向块17、和压力脚27被移除。对于具有超过三个导电印制线4的太阳能电池，焊接头10还可以被构造成大于如图所示的焊接头，并且具有超过三个感应器回路21。
接线板16用作对于感应器回路21的支撑件，并包括水连接装置、电连接装置和在感应器回路21中产生高频电流的高频发生器。
图3显示了没有板19并布置在焊接头10上的感应器回路21。感应器回路21由连接件22、供给元件23、和U形回路件24构成，且所述“U”形回路件的至少一个臂部为波状。供给元件23和元件24具有中空导电体形式，并使诸如水的冷却剂流过所述供给元件23和所述回路元件24。供给元件23由彼此紧密靠近的两个管23.1、23.2构成，所述两个管将冷却剂供给至回路元件24并将所述冷却剂从回路元件24排出(图5)。回路元件24由形成为具有两个臂部21.1的U形形状并近似接近发夹形状(图5)的管构成。管的自由端与供给元件23的管连接。供给元件23的管和回路元件24的管由诸如铜的导电材料形成。如图5、5a中所示，U形管具有狭窄部25和加宽部26。如以上进一步所示，狭窄部25和加宽部26用于优化焊接区中的热形成，并因此还能够节省能量。每一个加宽部26都为例如由陶瓷形成的将导电体7推压到导电印制线4上的磁场中和压力脚27提供到焊接点的通道。通过图3中所示的感应器回路21，太阳能电池1、2、3的电池上侧5的导电印制线4的整个长度可以在一个焊接操作中焊接到导电体7。感应器回路21的磁场，或更具体地导电印制线4和导电体7中的涡电流还可以同时加热导电印制线和导电体，并且熔化电池下侧6的焊接介质，并在导电印制线4与导电体7之间产生焊接接头。
图4和图5显示了其有效长度可设定的感应器回路21。回路元件24的尺寸对应于图3的回路元件24的尺寸。基于需要，或者基于待焊接的太阳能电池的尺寸，可以减小该有效长度。插入加宽部26中的螺钉28或插入加宽部26中的螺栓28使回路元件24短路。高频电流可以从高频发生器流动并仅相对于螺钉或螺栓28产生磁场。螺钉或螺栓28可以可释放地与焊接头连接并被手动或机械插入。额外的压力脚27已经被移除，或者被固定在较高位置，并且用于螺钉28的螺栓28.1已经通过对应于螺钉28的钻孔17.1插入加宽部26中。
加宽部26和狭窄部25的形状还取决于制造技术。用于优化电力消耗的关键主要在于管之间交替减小和扩大的距离。在图5的示例中，加宽部26和狭窄部25的弯曲半径被选择为较大，使得回路元件24可以在一个弯曲操作中从一个管被制造成为一体件。如果选择具有小弯曲半径的形状，例如，之字形形状，则对于加宽部26和狭窄部25来说回路元件24必须从各个元件被组装。
图5a显示了具有相对于弯曲半径仍然可以通过一个弯曲操作制造的形状的回路元件24。管，更具体地，U形回路元件24的一个臂部21.1形成为平直的，而回路元件24的另一个腿部21.1形成为具有加宽部26和狭窄部25的波状。加宽部26设有弧形部分26.1，而狭窄部25设有平直部分25.1，且压力脚27配合到加宽部26中。
图6显示了感应器回路21的连接件22的细节。连接件22通过穿过钻孔22.1的螺钉可释放地连接到接线板16。水连接装置22.2也连接到接线板16并通过未示出的O形回路在连接器块端部处被密封。用于冷却回路元件24的冷却剂回路因此被封闭。连接件22借助于接触表面22.3电连接到接线板16，且接触表面22.3通过绝缘板22.4被电分离。
图7显示了配备有三个接线板51的现有技术焊接头50。每一个接线板51都用作用于两个压紧销或支撑脚52和感应器回路或线圈53的支撑件，并包括水连接装置、电连接装置和用于在感应器回路53中产生高频电流的高频发生器。
线圈53具有陶瓷压紧销52通过以允许在焊接期间固定条带7的开口。线圈53的激活部分对称地位于条带7的每一侧，并且当铜管紧靠在一起时，铜管中的线圈激活的水平抵消。因此，线圈的主要激活部分没有在条带7上，使得形成的大量能量在电池的金属层中，而没有在铜条带中。这表示产生的大量热量必须流过电池8到达条带7，其中在所述条带处所述热量熔化焊料。
本发明的特征在于感应器回路或线圈30(图8)具有以45度角度定向的回路元件，从而将热量施加到条带或导电体7，并仍然能够使用陶瓷压紧销27。这允许该销在线圈的激活回路之间工作，同时保持其余线圈远离电池1、2、3。因为与现有技术线圈相比，新线圈30具有紧密地接近电池的很少物质，因此这相当有效。为了提高效率，本发明的第二特征在于将由铁氧体材料形成的小珠子31(熔剂集中器)添加到线圈30的回路元件32的每一个回路。图8显示了处于用于焊接的下侧位置中的线圈30。
图9以部分剖开的方式显示了处于上侧位置或升高位置的线圈30。珠子31被机械保持在被定位成邻近用于销27的导向块34的下端的塑料线圈保持块33中。在图8中，保持块33被示出为处于与电池1的上表面相邻的下侧位置。珠子31用作有效地“迫使”电流产生的电磁通量到达线圈管32的相对侧。电磁通量的这种额外集中足以使线圈的效率足够高，从而允许太阳能电池以与线圈21大致相同的速度进行焊接。
如图3和图5所示，线圈21的臂部21.1在平行于电池1的面对表面的水平面中延伸。如图10所示，线圈30定向在相对于电池1的面对表面成45度角度35的平面中。类似于图5a中所示的回路元件24，回路元件31具有平直臂部31.1和具有交替狭窄部和加宽部的臂部31.2。臂部31.1高于臂部31.2，使得加宽部最靠近导电体7，从而聚集能量。
由感应线圈30提供的能量在“点”中的聚集可以用于提高焊接过程。本发明的这种特征在于当线圈垂直于条带定向时能够同时焊剂多于一个条带的多个部分。为了焊接整个长度的条带，需要多个平行线圈。这些线圈可以相对于硅太阳能电池和条带的不同热膨胀而以限定顺序被激活。
图11显示了用于当与连接件22和供给元件23一起使用时同时焊接导电体7中的至少两个导电体的多个焊接部分的第二实施例感应线圈60。如图8所示，第一实施例线圈的回路元件32在平行于正在被焊接的导电体7的纵向轴线的纵向方向上延伸。线圈60包括在相对于正在被焊接的每个导电体7的纵向轴线的纵向方向上横向延伸的回路元件62。由于第二种线圈60的不同定向，因此在每一个导电体7处对于回路元件62的每一个臂部具有两个压紧销27。压紧销27被放置在由铁氧体材料制成的管63中。铁氧体珠子61放置在管63之间以将能量聚集在小点中。
类似于第一种线圈30，线圈60没有定向在平行于太阳能电池1的平面中。回路元件62具有平直臂部62.1和包括交替的狭窄部和加宽部的臂部62.2。回路元件62被成形为通过相对于臂部62.2的加宽部使平直臂部62.1和臂部62.2的狭窄部更加远离电池1的表面而将能量聚集在小区域中。如图12所示，臂部62.2的加宽部向下延伸并紧邻电池1的表面。
如图13所示，多个线圈60可以被组装以焊接三个导电体7的相邻部分。四个管63中的每一组都安装在独立的塑料线圈保持块64中。虽然四个线圈60和保持块64被示出为与三个导电体7中的每一个相关联，但是可以使用或多或少的线圈、保持器和导电体。
图14中显示了用于选择性地控制多个感应线圈21、30和60的控制系统70。电源71连接到控制器72的输入部，所述控制器具有连接到多个感应线圈的单独输出。虽然示出了三个感应线圈，但是任意数量的感应线圈可以连接到控制器72。控制器可以被编程以在不同的时间选择性地激活线圈，从而解决待焊接的材料的不同热膨胀的问题。例如，如果对于三个导电体7并排复制图3中所示的线圈21，则控制器72可以同时激活三个线圈，或者以定时顺序单独激活线圈，或者同时激活线圈中的两个并在不同的时间激活另外的线圈。这种操作模式还可以被应用于图9中所示的两个或更多个感应线圈30。
如图13所示，感应线圈60的纵向轴线垂直于导电体7的纵向轴线延伸。如上所述，控制器72可以被操作，从而以定时顺序激活线圈60。例如，控制器72可以依次激活四个线圈，或者单独激活所述线圈，或者以通过任意其它定时顺序的组合激活所述线圈。
根据专利法规的条款，本发明已经说明了代表其的优选的实施例。然而，应该注意的是本发明可以在不背离本发明的精神或保护范围的情况下以不同于具体所示和所述的方式实施本发明。
Claims (21)
1.一种焊接设备，所述焊接设备包括热源，所述热源基于感应原理操作用于连接设有焊接介质的导电印制线与导电体，并且所述焊接设备包括高频电流发生器和连接到所述发生器用于接收高频电流的感应器回路，所述感应器回路包括：
回路元件，所述回路元件具有沿着平行纵向轴线延伸的一对臂部，所述臂部选择性地定位在距离待焊接导电体的表面不同距离的位置；
多个压紧销，所述多个压紧销用于将所述导电体推压到所述表面；和
所述臂部中更靠近所述表面的一个臂部具有多个加宽部，藉此所述压紧销中的每一个在所述加宽部中相关联的一个加宽部处在所述臂部之间通过。
2.根据权利要求1所述的焊接设备，其中，所述臂部在相对于将要焊接所述导电体的所述表面倾斜近似45°的平面中延伸。
3.根据权利要求1所述的焊接设备，包括由铁氧体材料形成的珠子，所述珠子定位在每一个所述加宽部处，其中所述高频电流流过所述感应器回路而产生高频磁场，并且所述珠子将所述磁场聚集在所述加宽部处。
4.根据权利要求1所述的焊接设备，包括线圈保持块，所述线圈保持块沿着所述回路元件延伸并保持所述珠子。
5.根据权利要求1所述的焊接设备，其中，所述回路元件被形成为管，冷却剂在所述管中流动。
6.根据权利要求1所述的焊接设备，其中，所述感应器回路包括连接件和连接在所述连接件与所述回路元件之间的供给元件。
7.根据权利要求1所述的焊接设备，其中，所述感应器回路相对于在所述表面上的至少两个导电体横向延伸，并且其中所述加宽部中的一个邻近所述导电体中的一个，而所述加宽部中的另一个邻近所述导电体中的另一个。
8.根据权利要求7所述的焊接设备，包括由铁氧体材料形成的管，所述管与所述压紧销中的每一个相关联，并且所述相关联的压紧销通过所述管。
9.根据权利要求8所述的焊接设备，包括由铁氧体材料形成的珠子，所述珠子定位在每一个所述加宽部处，其中所述高频电流流过所述感应器回路而产生高频磁场，并且所述珠子将所述磁场聚集在所述加宽部处。
10.根据权利要求9所述的焊接设备，包括线圈保持块，所述线圈保持块定位在每一个所述加宽部处，所述线圈保持块保持所述珠子。
11.根据权利要求1所述的焊接设备，包括连接到所述发生器的控制器，其中所述感应器回路是第一感应器回路，并且所述第一感应器回路和至少第二感应器回路连接到所述控制器，所述控制器操作以在与将来自发生器的电流供应给第二感应器回路的时间不同的时间将来自发生器的电流供应给第一感应器回路。
12.一种用于连接太阳能电池的焊接设备，所述焊接设备包括热源，所述热源基于感应原理操作并连接所述太阳能电池的设有焊接介质的导电印制线与导电体，所述焊接设备包括：
感应器回路，所述感应器回路连接到发生器用于接收高频电流，其中所述高频电流流过所述感应器回路而产生高频磁场，所述感应器回路包括一对臂部，所述一对臂部距离将要焊接所述导电体的导电印制线不同距离沿着平行纵向轴线延伸，所述臂部中的一个具有沿着所述臂部的长度间隔开的加宽部和狭窄部；和
多个压紧销，每一个所述销都在所述加宽部中的一个处在所述臂部之间延伸。
13.根据权利要求12所述的焊接设备，其中，所述臂部在相对于将要焊接所述导电体的表面倾斜近似45°的平面中延伸。
14.根据权利要求12所述的焊接设备，包括由铁氧体材料形成的珠子，所述珠子定位在每一个所述加宽部处，其中所述高频电流流过所述感应器回路而产生高频磁场，并且所述珠子将所述磁场聚集在所述加宽部处。
15.根据权利要求12所述的焊接设备，包括线圈保持块，所述线圈保持块沿着所述回路元件延伸并保持所述珠子。
16.根据权利要求12所述的焊接设备，其中，所述感应器回路相对于在所述表面上的至少两个导电体横向延伸，并且其中所述加宽部中的一个邻近所述导电体中的一个，而所述加宽部中的另一个邻近所述导电体中的另一个。
17.根据权利要求16所述的焊接设备，包括由铁氧体材料形成的管，所述管与所述压紧销中的每一个相关联，并且相关联的所述压紧销通过所述管。
18.根据权利要求17所述的焊接设备，包括由铁氧体材料形成的珠子，所述珠子定位在每一个所述加宽部处，其中所述高频电流流过所述感应器回路而产生高频磁场，并且所述珠子将所述磁场聚集在所述加宽部处。
19.根据权利要求18所述的焊接设备，包括线圈保持块，所述线圈保持块定位在每一个所述加宽部处，所述线圈保持块保持所述珠子。
20.根据权利要求16所述的焊接设备，包括连接到所述发生器的控制器，其中所述感应器回路是第一感应器回路，并且所述第一感应器回路和平行于所述第一感应器回路延伸的至少第二感应器回路连接到所述控制器，所述控制器操作以在与将来自所述发生器的电流供应给所述第二感应器回路的时间不同的时间将来自所述发生器的电流供应给所述第一感应器回路。
21.一种用于连接太阳能电池的焊接设备，所述焊接设备包括热源，所述热源基于感应原理操作并连接所述太阳能电池的设有焊接介质的导电印制线与导电体，所述焊接设备包括：
至少第一和第二感应器回路，所述至少第一和第二感应器回路连接到发生器用于接收高频电流，其中所述高频电流流过所述感应器回路而产生高频磁场，所述第一和第二感应器回路中的每一个包括一对臂部，所述一对臂部距离将要焊接所述导电体的导电印制线不同距离沿着平行纵向轴线延伸，所述臂部中的一个具有沿着所述臂部的长度间隔开的加宽部和狭窄部；
多个压紧销，每一个所述销都在所述加宽部中的一个处在所述臂部之间延伸；和
控制器，所述控制器连接在所述发生器与所述第一和第二感应器回路之间并操作以在与将来自所述发生器的电流供应给所述第二感应器回路的时间不同的时间将来自所述发生器的电流供应给所述第一感应器回路。
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