CN102637542A - 基于液态金属或其合金循环散热的大容量直流断路器用散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属或其合金循环散热的大容量直流断路器用散热器，通过熔点低于室温的金属或其合金工质的流动来带走高温部件的热量，以快速降低其温升过高部位的温度来解决大容量直流断路器所带来的发热功率密度高、散热困难的问题。具体结构包括：散热器的结构、液态金属流动的驱动方式、远端散热方式等。该散热技术的优点在于：散热效率高、体积尺寸小、散热结构灵活、适用面宽、对环境污染小。在液态金属流动的驱动方式上本发明提出在直流断路器散热装置中利用电激励和磁激励的两种液态金属驱动方式。

Description

基于液态金属或其合金循环散热的大容量直流断路器用散热器

技术领域：

本发明涉及开关电器的散热技术，特别涉及将低熔点的液态金属或其合金作为工质运用于大容量直流断路器的散热，并通过电激励和永磁激励两种方式来分别实现液态金属或其合金工质的驱动。

背景技术：

直流供电系统具有系统稳定性好、线路损耗小、输送电能功率密度高以及环境污染小等优点，不仅在高压直流输电领域得到广泛应用，而且在轨道交通、冶金、舰船等中低压领域的应用也日益增多。同时，直流供电系统在国防领域也倍受瞩目。随着国防重大装备和民用关键设施的快速发展，对直流供电系统容量的需求也逐渐增大。随着直流供电系统容量的提升，直流断路器通流能力的要求越来越高。对于大容量的直流断路器的设计来说，热设计成为断路器设计中的关键问题之一，热设计的好坏直接影响直流断路器的运行性能和可靠性。随着直流断路器高电压、大电流、小型化的发展趋势，热设计成为制约其发展的一个重要因素。研究人员面临的一个新问题是如何将直流断路器高温部件产生的大量热量安全、迅速而有效的散发到外界环境中。

解决开关电器中的热问题存在控制发热量和加强散热两种途径。通过控制热源的发热量解决开关电器热问题，包括：增加导电回路的截面，采用导电性能好的材料，设计稳定可靠的接触连接等。通过加强散热途径解决开关电器热问题，目前主要是在大容量的断路器中采用散热片、水冷或风冷等传统的强化散热措施。由于散热片散热效率不高，通常需要安装多处散热片，这种采用传统的单纯依靠增加散热片的表面积来加速散热的方法，占用较大的体积和使用较多的材料，在开关电器小型化发展中不是一种值得推广的散热方法。而最近几年起步的开关电器水冷系统，虽然从散热性能上看水冷比较占优势，而且不会受外界环境影响，散热强度容易调节，但是水作为传热工质会有管道内部材料腐蚀的问题。而且水冷散热器中的制冷液属于耗品，需要定时更换。风冷系统虽然具有结构简单、降温较快、经济性好和故障率低的优点，但是它消耗的功率和工作噪声都比较大。由此可见，随着直流断路器向更大容量、更高电压等级、更大电流以及更小型化的趋势发展，发明性能更优良的断路器用散热器，具有现实的技术前景和应用需求。

中国科学院理化技术研究所于2002年首次提出液态金属芯片散热新技术，并对该技术其进行了理论和实验研究。美国Nanocoolers公司也开展了液态金属芯片散热技术方面的研究工作。液态金属散热技术的发展及其在多个领域的使用和研究，为它在断路器散热设计中的使用提供了可能，从而也使得通过对温升过高部位的快速冷却方式解决大容量直流断路器中的热问题成为可能。

基于上述考虑本发明拟利用液态金属优异的导热性能和良好的流动性，将液态金属或其合金应用到大容量直流断路器中，以快速降低温升过高部位的温度。该方法在开关电器热设计中是首次尝试，在国内外公开出版的文献及专利中，未见相关报道。

发明内容：

本发明的目的是：将液态金属或其合金作为工质应用于大容量直流断路器的散热，采用流体循环冷却的快速散热方法，解决直流断路器容量提高和断路器小型化设计中的散热问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的大容量直流断路器用液态金属或其合金循环散热技术及散热器，具体包括：

直流断路器的发热体和外部散热片之间通过环形封闭管道相连接，构成连通回路，管道内装填有低熔点金属或其合金工质，断路器发热体、管道内的液体金属或其合金工质和外部散热片分别构成断路器散热装置的发热、热传输和热发散环节；

所述的连接管道的管壁采用双层复合结构，管壁外层选用耐高温的塑料、硅橡胶、陶瓷等绝缘材料，管壁内层为金属铜管，管壁外层紧密包裹内层。管壁上设置有用于驱动管内低熔点液体金属或其合金工质流动的微型电磁泵，电磁泵的设计方案有两种：第一种方案是采用永磁激励驱动方式，包括一个用于在液态金属或其合金两侧提供垂直管道方向的电流的直流电源(含有电源、导线、电极和绝缘层等)，一个用来产生与管道内电流垂直的磁场的永磁铁模块(含片状硅刚叠片结构)；永磁体模块可用一对相反磁极的永磁体相对面布置而成，也可用多片磁极相反的永磁体分布式布置而成，其中位于管道壁同一侧的永磁体极性相同，液态金属或其合金在永磁体之间流动。在管道外部，采用多片硅钢叠片结构将两对永磁体连接起来，硅钢叠片可作为磁激励驱动装置的定子铁心，起到减少永磁励磁回路磁阻的作用。第二种方案是采用电激励驱动方式，包括一个用于在液态金属或其合金两侧提供垂直管道方向的电流的直流电源(含有电源、导线、电极和绝缘层等)，一个用来产生与管道内电流垂直的磁场的电励磁电路，包括励磁线圈和硅钢片铁心等。

所述的散热器远端外部散热片，其材质可选为导热性能较好的铝合金、黄铜或青铜，散热片具有空腔结构且双向开口，散热器复合材料管道沿散热器的空腔穿过，液态金属或其合金工质经过空腔内管道流过，将从高温部件带出的热量经过金属散热片快速散失。其空腔横截面可为长方形、圆形等形状。散热器的远端散热片，也可不具有空腔结构，直接将散热片同散热管道的一面至多个面接触即可，接触面用导热胶固定。所述的散热片为了增大其表面面积而做成多栅片等结构。

所述的液态工质管道横截面可为圆形或方形，里面装的是常温下为液态的金属工质镓基合金或或为液态碱金属及其合金。

本发明具有下述优点：传热效率高，结构形式灵活多样，散热可靠性提高，工质循环过程封闭，对环境影响小。

本发明所提出的关于大容量直流断路器用液态金属或其合金循环散热的装置，与待冷却的断路器发热体的表面相接触并把热量带出，采用环形闭合管道，里面装填的是常温下为液态的金属或其合金工质，它能够在电激励或永磁激励下实现环绕管道的工质的循环和驱动。管道的另一端设置有外部散热片，起到的作用是将管道内的液态金属或其合金的热量发散到外界环境去。管道的外表面只能由耐高温的塑料、硅橡胶、陶瓷等绝缘材料构成，这里主要是考虑到散热装置的安全运行。

本发明利用了液态金属工质优良的传热特性，在断路器散热设计中，方法和结构新颖，不同于现行的通过直接在高温部件加大散热片的表面积、水冷却和风冷却的散热方法。本断路器散热装置以低熔点金属或其合金为流动工质，充分利用了低熔点金属或其合金类材料的比非金属材料导热率高和常温下为液态且粘滞性低的性质，因而具有很好的导热性能。

本发明的关键点是把低熔点金属或其合金作为散热工质，让它在环形管道内循环流动，在吸收断路器高温部件热量的同时，也向相对低温的外置散热片传递热量，实现热量产生与释放的动态平衡。而这里的低熔点金属或其合金可取为镓合金，而不是常见的液态金属汞，这里主要是从环境安全角度考虑的。镓合金的熔点可以控制在20°以下，符合我们所说的常温下为液态这个条件，而且它还比较稳定和环境友好。镓合金可以起到很好的热量运输工具的作用，相对于非金属液体，利用电磁力驱动也很方便。只需要用磁激励或电激励的方式构造一个微型电磁泵，即可正常驱动镓合金在管道内的流动。这里还需要提出的是，镓合金的过冷度高，能够长时间在零度以下环境中保持液态，这对散热器的正常工作十分有利。

结合人们对新型高效率散热问题的研究，本发明提出的利用低熔点液态金属或其合金作为流动工质实现热量在直流断路器发热体和散热片交换的快速传递，是实现开关电器高效散热的新的切入点。

附图说明：

附图1(a)为永磁激励驱动的散热器结构简图，图1(b)为用于驱动液态工质的永磁励磁的微型电磁泵图；

附图2(a)为电激励驱动的散热器结构简图，图2(b)为用于驱动液态工质的电励磁的微型电磁泵图。

附图3为中空腔结构的散热片的立体结构简图；

其中：1为发热体；2为永磁铁；3为直流电源；4为液态金属管道；5为散热片；6为通电导体；7为液态金属流通通道；8为硅钢片；9为导体；10为绝缘介质；11为永磁体；12为通电线圈。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例一

附图1所示为永磁励磁驱动的直流断路器用散热器。如前所述，散热器的管道为首尾封闭结构，管道内装有低熔点液态金属或其合金工质。从电气绝缘角度考虑，管道外层选用硅橡胶绝缘材料，内层为金属铜管，低熔点液体金属工质在铜管内流动。在散热器管道的中间装有永磁激励的微型驱动泵。该泵的结构见图1(b)所示。该微型泵嵌在管道的一小段空间内，泵的截面结构与管道截面结构不同。在本例中，铜管道的截面上下宽度可为1cm～1.5cm，然而上下永磁体磁极的间距为0.5mm。根据散热功率需求和调节驱动电磁力的需要，永磁体之间的间距可取为0.3mm～1mm大小。上下永磁体磁极分别采用4块永磁体拼接而成，4块永磁体采用2x2排列方式，2个磁极共采用8块钕铁硼永磁铁。在液态金属管道外部，采用单层厚度为0.23mm的硅钢冲片，硅钢冲片形状为C型，多片(可为10-30片)硅钢片叠成永磁驱动泵的定子，硅钢定子将两个磁极的磁铁在管道外部磁短路。2个永磁磁极、磁极间气隙(实际运行中充满流动的液态金属工质)、定子硅钢构成微型驱动泵的励磁回路，在气隙间产生和管道相垂直的磁场。驱动泵的电流由直流电回路产生，直流电源由散热器控制电路供电，直流电源模块包括电压源、连接导线、管壁内电极、同管壁相绝缘的绝缘衬层、控制单元等，用于产生和励磁磁场和液态金属工质流动方向均垂直的电流。液态金属管壁相对的2个面开孔，并将管壁和直流电源间绝缘和密封填充。在管道的4个面上，永磁体磁极占用2个相对的管壁面，电极占用另2个相对的管壁面。电极、磁极、定子硅钢等和管壁一起进行表面封装。

本例中附图1管道内的液态金属可选为镓合金。镓是银白色金属，熔点29.78℃，沸点则高达2403℃，在30℃时变为发光液体，冷却至0℃而不固化。而镓基合金的性能则更佳，熔点能低至20℃以下(含铟25％的镓合金的熔点为16℃)，膨胀系数和粘度系数也比较小，比较适合作为附图2管道内的液态金属工质。

附图1所示的外部散热片为了增大其表面面积可做成如附图3所示的多栅片结构。附图3所示的散热片结构，采用空腔设计。最后需要指出的是，金属散热器外壳壁在保证坚固性的前提下，应尽量薄，2mm到3mm为佳。

永磁励磁的微型驱动泵的驱动工作原理为：当断路器的高温部件(如母排)需要散热时，散热器的驱动控制单元控制电力电子功率开关器件，接通直流电流回路，在永磁体之间的液态金属产生直流电流，液态金属将受到安培力的作用，沿着散热器管道流动。由于液态金属工质充满管道铜管，永磁体间的液态金属工质将受到的持续的安培力作用，驱动散热器循环工作，将热量从高温部件带到金属散热片，从而为断路器高温点降温。根据高温点温度的大小，散热系统的控制器调节直流电流大小，改变液态金属工质的流速，调节散热器的散热功率。上述为具有控制单元的永磁励磁的液态金属散热器的可控工作方式。为了降低散热器的成本，也可将该驱动泵设计为不控工作方式，即去掉散热系统的控制器单元，散热器所需直流电流直接由220V/380V供电系统经过整流滤波电源提供。这种不控工作方式下液态金属的流速不可调，散热效果没有可控方式好。

实施例二

附图2所示为电励磁驱动的直流断路器用散热器。本实施例中的散热器和上个具体实施例中的散热器的主要区别在于，电磁泵中励磁装置中的永磁铁改为了励磁线圈，定子硅钢的形状也同时改变。图2(b)中给出了本实施例中电磁泵的方案。该图中液态金属两侧提供垂直管道方向的电流的直流电源，该直流电源的设计相似于永磁驱动中的直流电源。励磁回路的硅钢冲片的形状为开有气隙的方形硅钢片，气隙宽度约为0.3mm～1mm，用于流过液态金属。液态金属工质和硅钢片定子间垫有绝缘层。励磁线圈绕在定子硅钢中和开口气隙相对的另一侧。励磁线圈的匝数和线径根据驱动功率确定。

电励磁的微型驱动泵的驱动工作原理为：当直流断路器的高温部件需要散热时，该散热器的驱动控制单元控制电力电子功率开关器件，分别接通直流电流回路和励磁电路回路，在永磁体之间的液态金属产生直流电流，并且励磁回路在硅钢定子气隙间产生磁场，液态金属将受到安培力的作用，沿着散热器管道流动。定子硅钢气隙间的液态金属工质将受到的持续的安培力作用，驱动散热器循环工作。根据高温点温度的大小，散热系统的控制器可分别调节直流电流大小和励磁电流大小，或者同时调节直流电流大小和励磁电流大小，改变液态金属工质的流速，调节散热器的散热功率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.基于液态金属或其合金循环散热的大容量直流断路器用散热器，利用常温下或断路器正常工作状态下为液态的金属或其合金工质的流动来快速带走断路器高温部件的热量，其特征在于：包括：用于连接断路器高温部件和远端散热片，并形成循环回路的散热管道；充满散热管道的低熔点的液态金属或其液态合金；远端散热片和用于驱动液态金属或其合金在散热管道内流动的驱动装置。

2.按权利要求1所述散热器，其特征在于：散热结构的散热管道，用于连接断路器的高温部件和远端的散热片，管道截面可为方形、圆形等多种形状，内部充满常温下的液态金属或其合金；管道结构为双层复合结构，外层材料选用耐高温的塑料、硅橡胶、陶瓷等绝缘材料，内部材料选用铜管，内层铜管和外层绝缘层紧密压合在一起。

3.按权利要求1所述所述散热器，其特征在于：散热结构的远端散热片为具有中空腔结构且双向开口的金属散热片，用于将液态金属或其合金从高温部件带出的热量经过散热片快速散失，其空腔横截面可为长方形、正方形等形状。远端散热片具有栅片结构以增大散热面积。

4.按权利要求1所述所述散热器，其特征在于：散热结构的远端散热片，不具有空腔结构，远端散热片同散热管道的一面至三面接触即可，具有栅片结构以增大散热面积。

5.按权利要求1所述散热结构中的驱动部分用于驱动散热管道中液态金属或其合金的流动，有电激励驱动和磁激励驱动两种方式。

6.按权利要求1或2所述所述散热器，其特征在于：散热器结构中，散热管道内装的常温下的工质材料可为镓基合金材料，或为液态碱金属及其合金。

7.按权利要求5所述所述散热器，其特征在于：直流断路器用液态金属或其合金的电激励驱动方式，是通过在液态金属或其合金两侧外加直流电源来提供一个垂直管道方向的电流，同时利用管道外通电导体产生的与管道内电流垂直的磁场，使垂直通过管道的电荷受到沿管道方向的电磁力的作用，从而液态金属或其合金受到沿管道方向的驱动力，驱动液态金属或其合金工质在管道内流动；并根据实际需要，通过调节电流大小或磁场大小改变液态金属或其合金工质在管道里的流速，达到不同的散热效果。

8.按权利要求5所述所述散热器，其特征在于：直流断路器用散热器的液态金属或其合金工质的永磁激励驱动方式，通过在液态金属或其合金两侧外加直流电源提供一个垂直管道方向的电流，利用同管道内电流垂直的磁场，使通过管道的液态工质受到沿管道方向的电磁力的作用，从而液态金属或其合金受到沿管道方向的驱动力，进而驱动液态金属或其合金在管道内流动；并根据实际需要通过调节电流大小改变液态金属或其合金在管道里的流速，达到不同的散热效果。

9.按权利要求8所述所述散热器，其特征在于：永磁体用一对相反NS磁极的永磁体对面布置而成，或者用多片磁极相反的永磁体分布式布置而成，其中同一侧排列布置的永磁体极性相同；为了提高永磁励磁的磁密，在散热管道外部采用叠片硅钢将相对磁极的永磁体连接起来，减小永磁励磁回路的磁阻。

Images