CN106409788A - 用于可控硅元件的散热器以及电力机车整流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及散热装置领域，公开了一种用于可控硅元件的散热器和电力机车整流器，其中，所述散热器包括：骨架，其包含基部以及从所述基部的第一侧表面伸出的多个支腿部，多个所述支腿部包括邻近所述第一侧表面两端的两个端部支腿部，所述基部的与所述第一侧表面相反的第二侧表面用于与所述可控硅元件接触；以及多个主散热片，其在两个相邻的所述支腿部之间从所述骨架上沿离开所述基部的方向延伸。本发明的用于可控硅元件的散热器实现了从可控硅元件至各个散热片的传热路径短，且保证了各个散热片的面积较大，拆装方便，结构简单，制造成本低。

Description

用于可控硅元件的散热器以及电力机车整流器

技术领域

本发明涉及一种散热装置，具体地，涉及一种用于可控硅元件的散热器以及具有该散热器的电力机车整流器。

背景技术

目前，我国的直流传动电力机车的整流器都采用可控硅元件组成的相控整流桥，将电气化铁路供电系统的接触网侧的单相输入电压整流成直流电来输出给机车的牵引电机。由于可控硅元件的发热热流密度大，发热量高，因此可控硅元件若长时间工作发热量会很大，需要对可控硅元件进行散热，以便将可控硅元件的温度维持在规定的温度下。若可控硅元件没有充分散热，则会导致可控硅元件的结温超过规定值而被击穿。

目前，为了使得整流器不采用均压均流措施，多数机车的整流器采用了5英寸的大功率可控硅元件，实现一个桥臂只由一个可控硅元件构成。如图1所示，铜散热器的位于5英寸可控硅元件9左侧的多个散热片7分别是具有中间通孔的矩形片材，多个散热片7并排布置，与可控硅元件9接触的铜制圆柱体从中间通孔穿过。散热片7还布置在可控硅元件9的右侧，图7中未示出。套设有散热片的圆柱体与可控硅元件9预先通过中心定位销8进行定位，然后压装机通过对四个压紧螺栓5拧紧，将该圆柱体的表面与可控硅元件紧密接触，从而对该可控硅元件进行散热。但是，由于铜散热器重量大，压装机对5英寸可控硅元件的压紧力常常超出5英寸可控硅元件要求的100kN，造成了设备的组装和拆卸困难且费用较高。而且上述的圆柱体的直径需要大于5英寸可控硅元件的直径，才能使与5英寸可控硅元件的接触表面应力均匀，这样套设在圆柱体上的散热片的面积也会相应地减少。

另外，若将铜散热器更换为重量轻的铝散热器，由于铝的导热系数比铜低，因此铝散热片需要数量上加多或面积加大才能保证5英寸可控硅元件的散热要求。并且，如图1所示，由于散热片7并排布置，来自5英寸可控硅元件的热量沿着圆柱体从距离5英寸可控硅元件最近的散热片传导至最远的散热片，这样，热量传导的距离很长，导致热量散热不充分。因此，在机车整流器的空间已经限制的情况下，难以在有限的空间内将并排布置的铝散热片加多或面积加大，从而导致5英寸的可控硅元件的散热不充分而烧损。

鉴于现有技术的上述缺陷，对于能够在机车整流器的有限空间内使得一个桥臂仅由一个可控硅元件构成的这种大功率可控硅元件充分散热的新型散热器存在需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于可控硅元件的散热器以及具有该散热器的电力机车整流器，其中所述散热器能够使得可控硅元件到散热器的散热元件的传热路径短，且散热面积大，从而能够获得相对良好的散热效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于可控硅元件的散热器，所述散热器可包括：骨架，其包含基部以及从所述基部的第一侧表面伸出的多个支腿部，多个所述支腿部包括邻近所述第一侧表面两端的两个端部支腿部，所述基部的与所述第一侧表面相反的第二侧表面用于与所述可控硅元件接触；以及多个主散热片，其在两个相邻的所述支腿部之间从所述骨架上沿离开所述基部的方向延伸。

优选地，所述散热器可还包括多个侧散热片，所述多个侧散热片在各个所述端部支腿部与所述第一侧表面之间从所述骨架上伸出。

优选地，所述骨架可为包含所述两个端部支腿部的K形骨架，各个所述端部支腿部的末端可形成有沿垂直于所述第二侧表面的方向延伸的足部，各个所述端部支腿部可均具有面对所述第一侧表面的第一支腿侧表面和与所述第一支腿侧表面相反的第二支腿侧表面，所述两个端部支腿部之间可形成有凸出于所述第一侧表面的平部，所述多个主散热片可从所述第二支腿侧表面以及所述平部沿平行于所述足部的方向延伸。

优选地，所述多个主散热片的自由端和所述多个侧散热片的自由端的端面可为平面，且所述主散热片的所述自由端与所述足部的自由端可平齐，所述侧散热片的自由端与所述足部的背向所述主散热片的表面平齐以及与所述基部相应一端的端面平齐。

优选地，所述第一侧表面的所述两端端部部分可朝向所述第二侧表面倾斜，且所述第一支腿侧表面和所述第二支腿侧表面可在远离所述基部的方向上逐渐靠近，所述多个侧散热片可从所述第一支腿侧表面沿平行于所述第二侧表面的方向延伸。

优选地，两个所述足部的相对的表面、所述第一侧表面的所述两端端部部分、所述多个主散热片以及所述多个侧散热片可均为锯齿状。

优选地，所述多个主散热片沿离开所述基部的方向逐渐变薄，且所述多个侧散热片沿离开所述第一支腿侧表面的方向逐渐变薄。

优选地，所述第一侧表面的所述两端之间的距离可为所述散热器的高度方向的距离，该高度方向的距离为195～205mm；所述基部的端部的厚度可为4～6mm，所述基部的与所述平部对应的中间部分的厚度可为25～35mm，且该平部沿所述高度方向的尺寸可为55～60mm；所述两个端部支腿部各自的所述第一支腿侧表面与所述第一侧表面的相交线之间沿所述高度方向的距离为100～115mm；所述足部的厚度可为8～15mm，且所述足部在垂直于所述第二侧表面方向上的尺寸可为35～45mm；所述第一侧表面的所述两端端部部分与所述第二侧表面之间的夹角可分别为1.5°～3.5°；所述足部的面对所述第一侧表面的表面与所述第一支腿侧表面形成的夹角可为125°～135°；所述平部的平面与所述第二支腿侧表面形成的夹角可为145°～155°，所述多个主散热片中的两个相邻的主散热片的间隔为11.5～13.5mm，且所述多个侧散热片中的两个相邻的侧散热片的间隔为11.5～12.5mm；各个所述主散热片和侧散热片的在厚度方向相对的两个表面之间的夹角可分别为1.5°～3°。

优选地，所述基部的所述第二侧表面可包括凸起面部分和用于与所述可控硅元件接触的接触面部分，其中所述凸起面部分可形成有向外凸出的多个方块状凸起，所述接触面部分的面积可大于所述可控硅元件的散热接触面的面积。

优选地，所述散热器可还包括导电板，所述导电板形成在一个所述足部上，且与所述足部形成为L形。

优选地，所述散热器形成为一体结构。

优选地，所述散热器由铝材制成。

本发明的散热器由于具有基部和多个支腿部的骨架、以及形成在所述骨架上的多个主散热片和多个侧散热片，热量从基部与可控硅元件接触的接触面经由所述骨架传导至各个散热片，以发散形式散发出去，实现了从所述接触面至各个散热片的传热路径短，且保证了各个散热片的面积较大。

进一步地，本发明的散热器在空间有限的整流器内，能够充分地利用空间，且既保证了散热器的与5英寸这种大功率可控硅元件接触的接触面部分的面积大于该可控硅元件的散热接触面的面积，又增加了各个散热片的散热面积。此外，本发明的散热器与可控硅元件压装在一起的重量较轻，拆装方便，结构简单，制造成本低。

本发明还提供一种整流器，所述整流器具有可控硅元件，其中所述整流器可包括根据本发明提供的上述散热器。

所述整流器与上述散热器相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是依照现有技术的铜散热器与大功率的可控硅元件压装在一起的示意图。

图2是依照本发明的实施方式的散热器与大功率的可控硅元件压装在一起的示意图。

图3是图1的侧视示意图。

图4是依照本发明的实施方式的散热器的骨架的结构示意图。

图5是依照本发明的实施方式的散热器的主散热片的结构示意图。

图6是依照本发明的实施方式的散热器的侧散热片的结构示意图。

图7是依照本发明的实施方式的散热器的骨架、主散热片和侧散热片整体结构示意图。

附图标记说明

1-骨架；2-主散热片；21-主散热片的自由端；3-侧散热片；31-侧散热片的自由端；4-导电板；5-压紧螺栓；6-螺纹孔；7-散热片；8-中心定位销；9-可控硅元件；11-足部；12-端部支腿部；121-第一支腿侧表面；122-第二支腿侧表面；13-基部；131-第一侧表面；132-第二侧表面；133-凸起；14-平部

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图2至图4所示，依照本发明的用于可控硅元件的散热器可包括骨架1、主散热片2和侧散热片3。骨架1可包含基部13以及从所述基部的第一侧表面131伸出的多个支腿部。多个所述支腿部可包括邻近所述第一侧表面131两端的两个端部支腿部12，基部13的与第一侧表面131相反的第二侧表面132可用于与可控硅元件接触。多个主散热片2在两个相邻的支腿部之间从骨架1上沿离开基部13的方向延伸。由此，热量从基部13的第二侧表面132与可控硅元件接触的那个部分沿着骨架1传导至形成在骨架1上的多个主散热片2，从而热量以发散形式传导，使得散热器的导热路径短，散热更加充分。

进一步地，多个侧散热片3在各个端部支腿部12与第一侧表面131之间从骨架1上伸出，这样使得热量更加充分地以发散形式传导出去。

具体地，骨架1可为包含两个端部支腿部12的K形骨架，这样，与例如具有三个支腿部的骨架相比，主散热片2和侧散热片3布置在K形骨架上的数量可更多，从而更加充分地散热。各个端部支腿部12的末端形成有沿垂直于第二侧表面132的方向延伸的足部11。具体参考图2，在将本发明的散热器与可控硅元件通过四个压紧螺栓5的拧紧而压装在一起时，与例如足部11沿相对于第二侧表面132倾斜的方向延伸的情况相比，在垂直于第二侧表面132的方向上延伸的足部11可以承受较大的由压紧螺栓5所施加的压紧力。

此外，各个端部支腿部12可均具有面对第一侧表面131的第一支腿侧表面121和与所述第一支腿侧表面相反的第二支腿侧表面122。两个端部支腿部12之间可形成有凸出于第一侧表面131的平部14，多个主散热片2从第二支腿侧表面122以及平部14沿平行于足部11的方向延伸。这里，平部14的厚度大于基部13的厚度，从而提高了骨架1的基部13的强度。换句话说，在端部支腿部12之间部分的厚度等于基部13厚度的情况下，端部支腿部12和基部13在压紧期间由于基部13的强度不够而会发生折弯现象。另外，多个主散热片2沿平行于足部11的方向延伸，能够使得各个主散热片之间的间隔小、均匀，且各个主散热片之间无交叉，从而能够使得主散热片进行充分地散热。

现在，参考图5至图7，多个主散热片2的自由端21和多个侧散热片3的自由端31的端面可为平面，且主散热片的自由端21与足部11的自由端平齐，侧散热片的自由端31与足部11的背向主散热片2的表面平齐以及与基部13相应一端的端面平齐。由此，多个主散热片2和多个侧散热片3在散热的同时，还能够与足部11和基部13一起承受压紧螺栓5施加的压紧力。

参考图4、图6和图7，第一侧表面131的两端端部部分朝向第二侧表面132倾斜，且第一支腿侧表面121和第二支腿侧表面122在远离基部13的方向上逐渐靠近，以增大骨架1上的布置多个散热片3的区域。并且多个侧散热片3从第一支腿侧表面121沿平行于第二侧表面132的方向延伸，以便在上述区域增加的同时，使得多个侧散热片3之间的间隔小、均匀，且各个侧散热片之间无交叉，从而进行更好地散热。

如图4至图6所示，两个足部11的相对的表面、第一侧表面131的两端端部部分、多个主散热片2以及多个侧散热片3均为锯齿状，以增加足部11、多个主散热片2和多个散热片3的散热面积。而且，如图4至图6所示，锯齿的齿形的横截面优选为半圆形，这样将足部11、多个主散热片2和多个侧散热片3三者表面的散热面积增加了大概1.5倍，散热效果更好。

参考图6至图7，多个主散热片2沿离开基部13的方向逐渐变薄，且多个侧散热片3沿离开第一支腿侧表面121的方向逐渐变薄，以便多个主散热片2和多个侧散热片3的靠近骨架1的部分厚，而多个主散热片2中的相邻两个主散热片末端之间相隔较大，以及多个侧散热片3中的相邻两个侧散热片末端之间相隔较大。而由此，能够使得在相邻两个侧散热片末端和相邻两个主散热片末端处的热量得以充分地散发，且使得多个主散热片2更好地承受压紧螺栓5所施加的压紧力。

本发明的散热器通过大量的实验，在其尺寸等方面进行了优化。下面，将详细说明本发明的散热器的具体大小。本发明的散热器的K形骨架1的基部13的第一侧表面131的两端之间的距离可为散热器的高度方向的距离，该高度方向的距离可为195～205mm；基部13的端部的厚度可为4～6mm，基部的与平部14对应的中间部分的厚度可为25～35mm；且该平部14沿高度方向的尺寸可为55～60mm；两个端部支腿部12各自的第一支腿侧表面121与第一侧表面131的相交线之间沿所述高度方向的距离可为100～115mm；足部11的厚度可为8～15mm，且足部11在垂直于第二侧表面132方向上的尺寸可为35～45mm；第一侧表面131的两端端部部分与第二侧表面132之间的夹角γ可为1.5°～3.5°；足部11的面对第一侧表面131的表面与第一支腿侧表面121形成的夹角α可为125°～135°；平部14的平面与第二支腿侧表面122形成的夹角β可为145°～155°。

此外，多个主散热片中的两个相邻的主散热片的间隔P1可为11.5～13.5mm，且多个侧散热片中的两个相邻的侧散热片的间隔P2可为11.5～12.5mm；各个主散热片的在厚度方向相对的两个表面之间的夹角δ可为1.5°～3°，各个侧散热片的在厚度方向相对的两个表面之间的夹角η也可为1.5°～3°。本发明的上述大小的散热器在整流器的空间尺寸被限制且固定的情况下，本发明的散热器可以最大限度地利用整流器的空间，同时该散热器的强度和散热效果也能够得到保证。而且，本发明的散热器的实测热阻小于0.018k/w，满足了机车整流器的设计要求。

如图4所示，基部13的第二侧表面132可包括凸起面部分和用于与可控硅元件接触的接触面部分，其中凸起面部分形成有向外凸出的多个方块状凸起133，接触面部分的面积大于可控硅元件的散热接触面的面积。这里，多个方块状凸起133增加了第二侧表面132的散热面积。上述的接触面部分的面积大于可控硅元件的散热接触面的面积，以在第二侧表面132的散热面积增加的情况下，能够保证第二侧表面132与可控硅元件充分接触。返回参考图3，接触面部分的形状优选为在四个螺纹孔6之间的以虚线形式形成的圆形，以与可控硅元件的圆形形状相对应，且更好地接触可控硅元件。

此外，本发明的散热器还可包括导电板4，该导电板形成在一个足部11上，且与该一个足部形成为L形。返回参考图1，现有技术的导电板4为两个单独构件，且分别紧挨着距离可控硅元件最远的散热片并将各个散热片7夹在其之间。如图1所示，导电板4距离可控硅元件较远，导电期间的电损耗较大。再参考图2，本发明的散热器的导电板4形成在一个足部上且与该一个足部形成为L形，使得导电板4距离可控硅元件的距离近，这样能够降低导电期间的电损耗。

此外，本发明的散热器可形成为一体结构，这样各个主散热片2和各个侧散热片3能够更好地将骨架1的从可控硅元件吸收的热量传导至其上，且导电板4能够更好地将可控硅元件整流成的直流电导出。

再次参考图2和图3，本发明的散热器的K形骨架对称地布置在可控硅元件的两侧，且将可控硅元件夹在中间。四个压紧螺栓5沿垂直于第一侧表面131的方向穿过两个K形骨架，进而穿过整流器上的四个螺纹孔6。压装机通过对四个压紧螺栓5进行拧紧，从而本发明的散热器的主散热片的平面末端和足部均抵接在整流器的壳体上，由此将两个K形骨架和在其之间的可控硅元件压装在一起。

本发明的散热器可由铝材制成。这样，能够使得散热器与大功率可控硅元件组装在一起的整体重量轻，确保了设备的拆装容易且费用较低。同时，还能够使得可控硅元件在空间有限的整流器内充分散热。

本发明还提供一种整流器，该整流器具有可控硅元件，所述整流器包括上文所述的散热器。

另外，需要说明的是，本发明的散热器除了能够用于一个桥臂仅由一个可控硅元件构成的这种大功率可控硅元件，还能够用于多个可控硅元件串并联组成一个桥臂的情况。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种用于可控硅元件的散热器，其特征在于，所述散热器包括：

骨架(1)，其包含基部(13)以及从所述基部的第一侧表面(131)伸出的多个支腿部，多个所述支腿部包括邻近所述第一侧表面(131)两端的两个端部支腿部(12)，所述基部(13)的与所述第一侧表面(131)相反的第二侧表面(132)用于与所述可控硅元件接触；以及

多个主散热片(2)，其在两个相邻的所述支腿部之间从所述骨架(1)上沿离开所述基部(13)的方向延伸。

2.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述散热器还包括多个侧散热片(3)，所述多个侧散热片在各个所述端部支腿部(12)与所述第一侧表面(131)之间从所述骨架(1)上伸出。

3.根据权利要求2所述的散热器，其特征在于，所述骨架(1)为包含所述两个端部支腿部(12)的K形骨架，各个所述端部支腿部的末端形成有沿垂直于所述第二侧表面(132)的方向延伸的足部(11)，各个所述端部支腿部(12)均具有面对所述第一侧表面(131)的第一支腿侧表面(121)和与所述第一支腿侧表面相反的第二支腿侧表面(122)，所述两个端部支腿部(12)之间形成有凸出于所述第一侧表面(131)的平部(14)，所述多个主散热片(2)从所述第二支腿侧表面(122)以及所述平部(14)沿平行于所述足部(11)的方向延伸。

4.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于，所述多个主散热片(2)的自由端(21)和所述多个侧散热片(3)的自由端(31)的端面为平面，且所述主散热片的所述自由端(21)与所述足部(11)的自由端平齐，所述侧散热片的自由端(31)与所述足部(11)的背向所述主散热片的表面平齐以及与所述基部(13)相应一端的端面平齐。

5.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于，所述第一侧表面(131)的所述两端端部部分朝向所述第二侧表面(132)倾斜，且所述第一支腿侧表面(121)和所述第二支腿侧表面(122)在远离所述基部(13)的方向上逐渐靠近，所述多个侧散热片(3)从所述第一支腿侧表面(121)沿平行于所述第二侧表面(132)的方向延伸。

6.根据权利要求5所述的散热器，其特征在于，两个所述足部(11)的相对的表面、所述第一侧表面(131)的所述两端端部部分、所述多个主散热片(2)以及所述多个侧散热片(3)均为锯齿状。

7.根据权利要求5所述的散热器，其特征在于，所述多个主散热片(2)沿离开所述基部(13)的方向逐渐变薄，且所述多个侧散热片沿离开所述第一支腿侧表面(121)的方向逐渐变薄。

8.根据权利要求5所述的散热器，其特征在于，所述第一侧表面(131)的所述两端之间的距离为所述散热器的高度方向的距离，该高度方向的距离为195～205mm；所述基部(13)的端部的厚度为4～6mm，所述基部的与所述平部(14)对应的中间部分的厚度为25～35mm，且该平部(14)沿所述高度方向的尺寸为55～60mm；所述两个端部支腿部(12)各自的所述第一支腿侧表面(121)与所述第一侧表面(131)的相交线之间沿所述高度方向的距离为100～115mm；所述足部(11)的厚度为8～15mm，且所述足部(11)在垂直于所述第二侧表面(132)方向上的尺寸为35～45mm；所述第一侧表面(131)的所述两端端部部分与所述第二侧表面(132)之间的夹角分别为1.5°～3.5°；所述足部(11)的面对所述第一侧表面(131)的表面与所述第一支腿侧表面(121)形成的夹角为125°～135°；所述平部(14)的平面与所述第二支腿侧表面(122)形成的夹角为145°～155°，所述多个主散热片中的两个相邻的主散热片的间隔为11.5～13.5mm，且所述多个侧散热片中的两个相邻的侧散热片的间隔为11.5～12.5mm；各个所述主散热片和侧散热片的在厚度方向相对的两个表面之间的夹角(δ，η)为1.5°～3°。

9.根据权利要求1所述的散热器，其特征在于，所述基部(13)的所述第二侧表面(132)包括凸起面部分和用于与所述可控硅元件接触的接触面部分，其中所述凸起面部分形成有向外凸出的多个方块状凸起(133)，所述接触面部分的面积大于所述可控硅元件的散热接触面的面积。

10.根据权利要求3所述的散热器，其特征在于，所述散热器还包括导电板(4)，所述导电板形成在一个所述足部(11)上，且与所述一个足部形成为L形。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的散热器，其特征在于，所述散热器形成为一体结构。

12.根据权利要求11所述的散热器，其特征在于，所述散热器由铝材制成。

13.一种电力机车整流器，所述整流器具有可控硅元件，其特征在于，所述整流器包括如权利要求1至12中任一项所述的散热器。