CN103310925B - 陶瓷电阻器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种陶瓷电阻器系统。该陶瓷电阻器系统包括：陶瓷电阻器本体，呈中空结构，其中空部分的至少部分侧壁上具有若干条毛细微槽，该毛细微槽沿平行于陶瓷电阻器本体中心轴线的方向延伸，并朝向陶瓷电阻器本体中心轴线的方向开口；两连接头，呈中空管状结构，分别密封固定于陶瓷电阻器本体的两端，且陶瓷电阻器本体的中空部分连接至该两连接头的中空部分；以及风冷冷凝器，其冷却工质进口和冷却工质出口分别通过冷却工质管路连接至两连接头内部的中空部分。本发明陶瓷电阻器省去冷却水处理系统，减小了散热系统体积，简化了系统构造。
Description
技术领域
本发明涉及功能陶瓷技术领域，尤其涉及一种陶瓷电阻器系统。
背景技术
目前，采用陶瓷材料制备大功率电阻器已经成为一种趋势，而对于大功率陶瓷电阻器而言，其散热问题是必须要解决的问题。如果散热问题解决不好，不仅陶瓷电阻器本身的性能会受到影响，甚至会引发安全隐患。
目前电力系统中传统的大功率电阻如氧化锌电阻、大功率陶瓷电阻器等，主要采用的是强制水冷系统，这种方法的散热性能远高于强制风冷系统，但是冷却水在高电压的作用下工作会产生电离，导致电力设备的短路，为此冷却系统设计成内外两种循环，内循环采用去离子水作为工质，同时加装水处理系统用于过滤内循环中产生的导电离子，将大功率电阻产生的热量由内循环带走后，经中间换热器释放给外循环水冷系统，由外循环冷却水带走大功率电阻的热量。
然而，在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术陶瓷电阻器系统存在如下技术缺陷：
(1)复杂的冷却系统增加了系统体积，降低了系统的换热效率，提高了系统的运行成本，限制了整个系统向集成化方向发展；
(2)陶瓷电阻器与散热系统之间的接触热阻会引起陶瓷电阻器内部温度梯度过大，极易导致应力过大产生电阻器变形、断裂等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种陶瓷电阻器系统，以简化其系统构造，增强换热效率。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种陶瓷电阻器系统。该陶瓷电阻器系统包括：该陶瓷电阻器系统包括：陶瓷电阻器本体，呈中空结构，其中空部分的至少部分侧壁上具有若干条毛细微槽，该毛细微槽沿平行于陶瓷电阻器本体中心轴线的方向延伸，并朝向陶瓷电阻器本体中心轴线的方向开口；两连接头，呈中空管状结构，分别密封固定于陶瓷电阻器本体的两端，且陶瓷电阻器本体的中空部分连接至该两连接头的中空部分；以及风冷冷凝器，其冷却工质进口和冷却工质出口分别通过冷却工质管路连接至两连接头内部的中空部分。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明陶瓷电阻器具有以下有益效果：
(1)省去冷却水处理系统，减小了散热系统体积，简化了系统构造；
(2)陶瓷电阻器本体所产生的热量直接传导至冷却介质，从而增强了换热效率，提高了散热热流密度和总散热量，有效地控制了大功率电子及光电子器件的工作温度，保证并提高了器件的工作性能；
(3)将电阻和散热部件合成一体，不存在接触热阻，解决了当前大功率电阻中冷却系统的取热与散热问题，克服了由于陶瓷电阻器内部温度梯度过大导致的电阻断裂等问题。
附图说明
图1为本发明第一实施例陶瓷电阻器系统的结构示意图；
图2A为图1所示陶瓷电阻器系统中陶瓷电阻器本体与连接头的剖面示意图；
图2B为本发明第二实施例陶瓷电阻器系统中陶瓷电阻器本体与连接头的剖面示意图；
图3A为图2A所示陶瓷电阻器本体沿A-A′方向的剖视图；
图3B为陶瓷电阻器本体中空部分侧壁的毛细微槽为圆形时沿A-A′方向的剖视图；
图4为本发明第三实施例陶瓷电阻器系统的结构示意图；
【本发明主要元件符号说明】
1-陶瓷电阻器本体；2-毛细微槽；
3-连接头；4-冷却工质管路；
5-风冷冷凝器；6-水冷冷凝器；
7-电极；8-绝缘件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本发明提供了一种陶瓷电阻器系统。该陶瓷电阻器系统中的陶瓷电阻器本体直接加工为取热器，从而省略了冷却水处理系统，避免了发热体与散热系统之间的接触热阻，克服了由于电阻内部温度梯度过大而导致的应力过大产生的电阻变形、断裂等问题
在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种陶瓷电阻器系统。图1为本发明第一实施例陶瓷电阻器系统的结构示意图。图2A为图1所示陶瓷电阻器系统中陶瓷电阻器本体与连接头的示意图。请参照图1和图2A，该陶瓷电阻器系统包括：陶瓷电阻器本体1，呈中空结构，其中空部分的侧壁上具有若干条毛细微槽2，该毛细微槽沿平行于所述陶瓷电阻器本体中心轴线的方向延伸，并朝向所述陶瓷电阻器本体中心轴线的方向开口；两连接头3，呈中空管状结构，分别密封固定于所述电阻器本体1的两端，且所述陶瓷电阻器本体1的中空部分分别连接至该两连接头3的中空部分；风冷冷凝器5，其冷却工质进口和冷却工质出口分别通过冷却工质管路4连接至所述两连接头内部的中空部分。
以下分别对本发明陶瓷电阻器系统的各个部分进行详细说明。
如图2A所示，所述陶瓷电阻器本体的中空结构包括：腔体，所述毛细微槽分布于所述陶瓷电阻器本体对应该腔体的侧壁；上、下通孔，所述腔体分别通过该上、下通孔连接至所述两连接头的中空部分，所述陶瓷电阻器本体对应的该上、下通孔的侧壁没有毛细微槽。
一般情况下，腔体的横截面尺寸大于上、下通孔的横截面尺寸。当然，该腔体的横截面尺寸也可以等于上、下通孔的横截面尺寸。在这种情况下，腔体和上、下通孔将合为一体。此外，腔体可以为圆筒状、立方状，球状等等。考虑到制作的方便性，该腔体优选为圆筒状，如图2A所示。
对于圆筒形的陶瓷电阻器本体1的中间部分而言，其内径r和外径R的比例介于0.8:1～0.5:1之间。一般情况下，陶瓷电阻器本体1的内径在2～15cm范围内，外径在2.5～30cm范围内，壁厚在0.25～7.5cm范围内。
图3A为图2A所示陶瓷电阻器本体沿A-A′方向的剖视图。请参照图3A，该毛细微槽2的横截面形状为矩形，深度在0.5mm，宽度在0.3mm。此外，该毛细微槽的横截面还可以为圆形(如图3B所示)，椭圆形、梯形等形状，其尺寸满足：进入陶瓷电阻器本体1内最深处的深度在0.2～0.8mm，横截面最宽处的宽度在0.2～0.8mm范围内，只要能够保证冷却工质沿该毛细微槽流动即可。优选地，该毛细微槽的横截面形状为梯形，且靠近陶瓷电阻器本体1中心轴线的顶边的长度小于远离陶瓷电阻器本体1中心轴线的底边的长度。
需要注意的是，在图2A所示的陶瓷电阻器本体1中，只是圆筒状腔体部分分布有毛细微槽。而上、下通孔部分并没有毛细微槽。这主要是由于在上下通孔部分制作微槽工艺较为复杂，成本较高。只在腔体部分制作微槽可以在保证制冷效果的前提下，尽可能的降低成本。当然，本发明也不排除同时在腔体部分和上、下通孔部分具有毛细微槽的实施例。
由于陶瓷电阻器本体1的半径大于连接头3的半径。因此，陶瓷电阻器本体1的两端可以一次性聚收为与连接头3相匹配的形状，如图2A所示。然而，此种形状的陶瓷电阻器本体1经常在其交接部分损坏。因此，在本发明的第二实施例中，电阻器本体1的中间部分还可以逐渐聚收为与连接头3相匹配的形状，如图2B所示。
通常情况下，陶瓷电阻器本体1为千瓦量级的电阻，其主要成分为氧化铝、锰和钛，经过一定的煅烧工艺加工成大功率电阻。本领域技术人员应当清楚，本发明同样适用于主要成分为其他材料陶瓷电阻器。
本实施例中的连接头3为绝缘连接头，直接连接至冷却工质管路，此处绝缘连接头兼具绝缘作用，以实现陶瓷电阻器本体1和冷却工质管路4的电隔离。从而电极7可以直接焊接到电阻器本体1上，如图2A所示。
此外，连接头3还可以为金属连接头，此时电极7可以直接接在该金属连接头上。在这种情况下，在金属连接头和冷却工质管路4之间应当具有绝缘件8，以实现金属连接头和冷却工质管路之间的电隔离，以确保安全，如图2B所示。
请参照图1，风冷冷凝器5的冷却工质进口和冷却工质出口分别通过冷却工质管路4连接至两金属连接头内部的中空部分，实现对冷却工质的冷却。本领域技术人员应当清楚，工质冷却部件还可以采用水冷冷凝器6，如图4所示。而冷却工质管路的长度应当介于10cm～1000cm范围内。
本实施例中，采用去离子水作为冷却工质。根据不同的工作条件，本领域技术人员也可以选择乙醇或其他高电压下不电离的制冷剂作为冷却工质。冷却工质的充液量应保证冷却工质液面的最底端高于毛细微槽的最底端，一般情况下考虑到陶瓷电阻器中空部分的容积及管路的长度应当满足冷却工质占整个系统内部空间的20％～50％，即满足：
L＝(V1+V2+V3)×a
其中，L为冷却介质的体积，V1为陶瓷电阻器本体中空部分的容积；V2为连接头和冷却工质管路部分的容积，V3为冷凝器所容纳冷却工质的容积，a为充液量系数，根据电阻的功率不同，20％≤a≤50％冷却工质。
以下介绍图1所示陶瓷电阻器系统的工作过程：在正式工作之前，首先将非金属连接头3固定于陶瓷电阻器本体1上，并用冷却工质管路4连接非金属连接头3和风冷冷凝器5；而后对冷却工质管路抽真空后罐装足够量的冷却工质；最后将电极7焊接在陶瓷电阻体本体1的两端，在其两端施加电压。陶瓷电阻器本体1内部的毛细微槽从自身内部取热并驱动冷却工质流动，在高效取热后通过热输运管路将热量传输到冷凝器，液体工质冷凝后从冷凝器回流到陶瓷电阻器本体内部，形成一个完整的热力循环。
本实施例中，依靠热驱动力产生的陶瓷电阻器本体1和风冷冷凝器5之间的压差完成汽液两相在热输运管路和整个系统内的流动，是完全不需要外加驱动力的被动式循环，实现了散热系统体积小、散热热流密度高、总散热量大等优点，从而极大的简化了系统架构。
此外，将大功率的陶瓷电阻器本体直接作为取热器，避免了发热体与散热系统之间的接触热阻，克服了由于散热系统散热所引起的陶瓷电阻内部温度梯度过大而导致的应力过大产生的电阻变形、断裂等问题。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明陶瓷电阻器系统有了清楚的认识。
此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：
(1)陶瓷电阻器本体还可以是圆筒形之外的其他形状，例如立方体形或圆锥形等，并且内部的空腔还可以为其他的规则形状或不规则形状，同样不会影响到本发明的实施。
综上所述，本发明提供一种陶瓷电阻器系统。在该陶瓷电阻器系统的陶瓷电阻器本体加工毛细微槽用于强化电阻内部的取热和驱动冷却工质的流动，从而直接将陶瓷电阻器本体和散热系统合成一体，不存在接触热阻，从根本上克服了由于电阻内部温度梯度过大导致的电阻断裂等问题，并且该系统不需要冷却水处理系统，实现了散热系统体积小、散热热流密度高、总散热量大的冷却方法及其装置。
以上所述的具体实施例，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例而已，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。
Claims (12)
1.一种陶瓷电阻器系统，其特征在于，包括：
陶瓷电阻器本体，呈中空结构，其中空部分的至少部分侧壁上具有若干条毛细微槽，该毛细微槽沿平行于所述陶瓷电阻器本体中心轴线的方向延伸，并朝向所述陶瓷电阻器本体中心轴线的方向开口；
两连接头，呈中空管状结构，分别密封固定于所述陶瓷电阻器本体的两端，且所述陶瓷电阻器本体的中空部分连接至该两连接头的中空部分；以及
冷凝器，其冷却工质进口和冷却工质出口分别通过冷却工质管路连接至所述两连接头内部的中空部分；
其中，冷却工质的量满足：L＝(V1+V2+V3)×a，L为冷却介质的体积，V1为陶瓷电阻器本体中空部分的容积；V2为连接头和冷却工质管路部分的容积，V3为冷凝器所容纳冷却工质的容积，a为充液量系数，满足：20％≤a≤50％。
2.根据权利要求1所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述毛细微槽的横截面形状为以下形状中的一种：矩形、圆形、椭圆形和梯形。
3.根据权利要求2所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述毛细微槽的横截面形状为梯形，且该梯形的靠近陶瓷电阻器本体中心轴线的顶边的长度小于远离陶瓷电阻器本体中心轴线的底边的长度。
4.根据权利要求2所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述毛细微槽的尺寸满足：其进入陶瓷电阻器本体内最深处的深度在0.2～0.8mm；其横截面最宽处的宽度在0.2～0.8mm范围内。
5.根据权利要求1所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述陶瓷电阻器本体的中空结构包括：
腔体，所述毛细微槽分布于所述陶瓷电阻器本体对应该腔体的侧壁；
上、下通孔，所述腔体分别通过该上、下通孔连接至所述两连接头的中空部分，所述陶瓷电阻器本体对应的该上、下通孔的侧壁没有毛细微槽。
6.根据权利要求5所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述腔体为圆筒状腔，其内径和外径的比例介于0.8:1～0.5:1之间。
7.根据权利要求6所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述圆筒状腔的内径介于2～15cm之间，外径介于2.5～30cm之间；所述陶瓷电阻器本地的壁厚介于0.25～7.5cm之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述陶瓷电阻器本体的两端一次性或逐渐聚收为所述连接头相匹配的形状。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述陶瓷电阻器本体由氧化铝、锰和钛经过煅烧工艺制备而成。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述冷凝器为风冷冷凝器或水冷冷凝器。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于，所述冷却工质为：高电压下不电离的制冷剂；
所述冷却工质的充液量满足：冷却工质液面的最底端高于毛细微槽的最底端。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的陶瓷电阻器系统，其特征在于：
所述连接头的材料为绝缘材料，外部电极直接焊接于所述陶瓷电阻器本体上；或
所述连接头的材料为金属材料，外部电极焊接在该金属连接头上；该陶瓷电阻器系统还包括：绝缘件，密封设置于所述连接头和冷却工质管路之间，用于实现连接头与冷却工质管路之间的绝缘。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160210 |