CN109313983B - 具有冷却布置的功率电容器模块 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种功率电容器单元(1)，其包括：壳体(3)；第一层(7)电容器元件(7a)；第二层(9)电容器元件(9a)，其中第一层(7)电容器元件(7)堆叠在第二层(9)电容器元件(9a)上；第一母线组件(13)，连接到第一层(7)的电容器元件(7a)；第二母线组件(19)，连接到第二层(9)的电容器元件(9a)，其中第一母线组件(13)和第二母线组件(19)布置在第一层(7)电容器元件(7a)与第二层(9)电容器元件(9a)之间；导热层(17)，设置在第一母线组件(13)与第二母线组件(19)之间，其中导热层(17)与壳体(3)热接触，从而将热量从第一母线组件(13)和第二母线组件(19)传导到壳体(3)，并且其中壳体(3)与第一母线组件(13)和第二母线组件(19)电绝缘。
Description
技术领域
本公开涉及包括多个电容器元件的功率电容器。
背景技术
功率电容器单元或高电压电容器单元通常包括壳体以及布置在壳体内并且连接到母线组件的多个电容器元件，母线组件又连接到套管，用于引导电流进出壳体。
每个电容器元件可以由几层绝缘膜(诸如聚丙烯)组成，绝缘膜用铝箔缠绕在一起。铝箔用作电极，并且膜层用作电介质。或者，电容器元件可以由几层金属化塑料膜组成。
当功率电容器正在工作时，壳体内生成大量的热。US2014/334105A1公开了一种电容器封装解决方案，其结合了热和电两种考虑因素。封装件可以包括电耦合到母线的电容器元件、以及在母线与壳体之间的热增强隔离层。隔离层设置在壳体基部和侧壁部分附近。母线设置在隔离层附近，并且被配置为沿着封装件侧并且沿着电容器元件下方的封装件长度延伸，以提供用于在母线与电容器元件接触之前从母线散热的延伸路径。增强的隔离层被配置为将热量从母线传导离开到壳体以避免电容器的热点温度。隔离层在母线与壳体之间提供电隔离，并且提供导热介质，导热介质可以改善从母线到壳体的热传递，并且因此减少传递到电容器元件的热量。隔离层包括被配置为改善散热的热增强物质。隔离层包括环氧物质，在该环氧物质中已经注入诸如氧化铝填料的导热填料。
发明内容
例如电容大小的电气特性是在设计功率电容器单元时考虑的典型性能参数。这些参数可以取决于电容器元件的大小或数目。
通过选择具有固定预定高度的合适数目的电容器元件层，可以提供更好的生产灵活性，因为与必须针对不同额定功率电容器单元生产不同大小的电容器元件的情况相比，只需要对组装线进行较少的修改。因此，可以将一种大小的电容器元件视为用于创建具有不同性能额定值的功率电容器单元的构建块。因此，代替扩大每个电容器元件的大小以获取更高性能的功率电容器(这需要对组装线进行实质性修改)，可以将另外的电容器元件堆叠成层以获取期望的功率电容器性能。
然而，设置有多于一层电容器元件的功率电容器单元由于布置在电容器元件层之间的母线组件所生成的附加热量而提供了挑战。
US2014/334105A1的公开内容仅公开了单层电容器，其在从母线朝向壳体的方向上提供热传导，但是没有在垂直于母线与壳体之间的热传递方向的横向方向上提供有效的热传导。
鉴于上述情况，本公开的总体目的是提供一种功率电容器单元，其解决或至少缓解了现有技术的问题。
因此提供了一种功率电容器单元，其包括：壳体；第一层电容器元件；第二层电容器元件，其中第一层电容器元件堆叠在第二层电容器元件上；第一母线组件，连接到第一层的电容器元件；第二母线组件，连接到第二层的电容器元件，其中第一母线组件和第二母线组件布置在第一层电容器元件与第二层电容器元件之间；导热层，设置在第一母线组件与第二母线组件之间，其中导热层与壳体热接触，从而将热量从第一母线组件和第二母线组件传导到壳体，并且其中壳体与第一母线组件和第二母线组件电绝缘。
由此可获取的效果是，在两层电容器元件之间生成的热量可以从该区域传导到壳体以冷却功率电容器单元。导热层在由导热层限定的平面内侧向地提供热传导，直到壳体。
此外，由于导热层，与具有一层电容器元件的相同的MVAR或MJoule额定值相比，具有两层或更多层电容器元件的功率电容器单元可以被设计为具有较低的最高温度。当可以使用更多数目的较短电容器元件而不是较少数目的较高电容器元件来设计功率电容器单元时，可以获取更大的生产灵活性。
借助于导热层和与导热层热接触的壳体的散热功能，提供了来自第一母线组件和第二母线组件的散热。因此，通过由于导热层与壳体之间的热接触而获取的这种散热功能，提供了从第一母线组件和第二母线组件所耗散的大部分热量。
根据一个变型，导热层可以是实心的。导热层尤其不是中空的；例如，它没有设置用于承载冷却剂的任何通道。导热层可以是单片的。
根据一个实施例，导热层由至少一个片形成。
根据一个实施例，至少一个片是铝片、铜片和包含氧化物颗粒的塑料片中的一种。
根据一个实施例，至少一个片具有片部分，该片部分从第一层电容器元件与第二层电容器元件之间突出并且被折叠以与壳体的侧壁平行并且热接触地延伸。
根据一个实施例，片部分进一步被折叠以与壳体的宽壁平行并且热接触地延伸，该宽壁与由导热层在第一层电容器元件与第二层电容器元件之间限定的表面平行。
根据一个实施例，片部分沿着宽壁的大部分长度延伸。通过将金属片布置为与壳体进行附加的热接触，可以获取更好的散热。
根据一个实施例，导热层与壳体直接接触。
一个实施例包括设置在导热层与第一母线组件之间并且与导热层和第一母线组件热接触的第一绝缘层、以及设置在导热层与第二母线组件之间并且与导热层和第二母线组件热接触的第二绝缘层，第一绝缘层被配置为在第一母线组件与导热层之间提供电绝缘，第二绝缘层被配置为在第二母线组件与导热层之间提供电绝缘。由此，壳体与第一母线组件和第二母线组件电绝缘，特别是在导热层是金属片的情况下。
如果导热层既是电绝缘的又是导热的，例如在导热层由包括其中所散布的氧化物颗粒的塑料材料制成的情况下，通常不需要除了导热层本身之外的附加电绝缘层来在第一母线组件、第二母线组件和壳体之间提供电绝缘。
根据一个实施例，第一绝缘层与第一母线组件直接接触，并与导热层直接接触。
根据一个实施例，第二绝缘层与第二母线组件直接接触，并与导热层直接接触。
根据一个实施例，壳体由金属构成。
根据一个实施例，第一绝缘层由聚合物片形成。
根据一个实施例，第二绝缘层由聚合物片形成。
一个实施例包括第三母线组件和第三绝缘层，第三母线组件连接到第一层的电容器元件并且设置在壳体与第一层的电容器元件之间，第三绝缘层设置在第三母线组件与壳体之间，用于使壳体与第三母线组件电绝缘。
一个实施例包括第四母线组件和第四绝缘层，第四母线组件连接到第二层的电容器元件并且设置在壳体与第二层的电容器元件之间，第四绝缘层设置在第四母线组件与壳体之间，用于使壳体与第四母线组件电绝缘。
根据一个实施例，导热层仅被布置为覆盖在第一层电容器元件与第二层电容器元件之间的区域的有限部分，导热层仅沿着在第一层电容器元件与第二层电容器元件之间的两个相对的侧向部分来设置。
壳体可以具有包含套管的近端壁和与近端壁相对布置的远端壁。相对的侧向部分可以在从近端壁朝向远端壁的方向上延伸。
通常，除非本文中另有明确定义，否则权利要求中使用的所有术语将根据它们在技术领域中的普通含义来解释。除非另外明确说明，否则对“一/一个/所述元件、装置、组件、部件等”的所有引用应当公开地解释为指代元件、装置、组件、部件等的至少一个实例。
附图说明
现在将参考附图通过示例描述本发明构思的具体实施例，在附图中：
图1示意性地示出了功率电容器单元的示例的立体视图；
图2示意性地示出了图1中的功率电容器单元的一部分的立体视图，其中暴露了一些内部部件；
图3是沿着图1中的功率电容器的线A-A的横截面图，其示意性地示出了图1中的功率电容器单元的导热配置的一个示例；
图4是沿着图1中的功率电容器的线A-A的横截面图，其示意性地示出了图1中的功率电容器单元的导热配置的另一示例；以及
图5是沿着图1中的功率电容器的线A-A的横截面图，其示意性地示出了图1中的功率电容器单元的导热配置的另一示例。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明构思，附图中示出了示例性实施例。然而，本发明构思可以以很多不同的形式实施，并且不应当被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，这些实施例是作为示例提供的以使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明构思的范围完全传达给本领域技术人员。相同的附图标记在整个说明书中指代相同的元件。
本公开涉及功率电容器单元，该功率电容器单元包括壳体和以堆叠方式布置的两层电容器元件。应当注意的是，功率电容器单元可以包括恰好两层电容器元件，或者多于两层的电容器元件，在多于两层的电容器元件的情况下，下面描述的结构可以应用在每对相邻的电容器元件层之间。
每层电容器元件包括布置在共同的平面中的至少一个但通常是多行和多列电容器元件。
功率电容器单元还具有连接到一层电容器元件以提供到电容器元件的电连接的第一母线组件、以及连接到另一层电容器元件以提供到电容器元件的电连接的第二母线组件。第一母线组件和第二母线组件布置在两层电容器元件之间。
功率电容器单元还包括布置在第一母线组件与第二母线组件之间(即在两层电容器元件之间)的导热层。壳体与第一母线组件和第二母线组件电绝缘。该电绝缘例如可以借助于导热层的固有结构来获取，根据一个示例，导热层可以由其中分散有用于传导热量的多个氧化物颗粒的一个或多个塑料材料片制成，同时塑料材料还提供足够的电绝缘。在这种情况下，导热层可以被布置为与第一母线组件和第二母线组件直接接触。
备选地，功率电容器单元可以包括布置在导热层与第一母线组件之间的第一绝缘层、以及布置在导热层与第二母线组件之间的第二绝缘层。第一母线组件被布置为经由第一绝缘层与导热层热接触。第二母线组件被布置为经由第二绝缘层与导热层热接触。
第一绝缘层被配置为在第一母线组件与导热层之间提供电绝缘。第二绝缘层被配置为在第二母线组件与导热层之间提供电绝缘。第一绝缘层和第二绝缘层优选地是薄的，例如大约0.1-5mm，诸如0.1-3mm，例如0.1-2mm，以促进从母线组件到导热层的热传导。
因此，在两层电容器元件之间存在多个堆叠层。在存在附加绝缘层的情况下，这些层按以下顺序布置。第一母线组件被布置为与第一层的电容器元件相邻，然后是第一绝缘层、导热层、第二绝缘层和第二母线组件，第二母线组件被布置为与第二层的电容器元件相邻。
导热层与壳体热接触。至此，导热层被配置为将热量从布置在两层电容器元件之间的第一母线组件和第二母线组件传递到壳体以冷却功率电容器单元。
图1示出了功率电容器单元1的示例。功率电容器单元1可以是低电压或高电压电容器单元，其是AC型电容器单元或DC型电容器单元。
功率电容器单元1具有壳体3和多个套管5，多个套管5延伸穿过壳体3以将功率电容器单元1连接到电路。壳体3优选地由金属制成，例如钢(诸如不锈钢或碳钢)、铝或任何其他合适的金属材料、或复合材料。
图2示出了功率电容器单元1，其中壳体3的部分被移除以暴露功率电容器单元1的内部。应当注意，在该示意图中，前面提到的绝缘层和导热层为清楚起见而未示出。可以看出，功率电容器单元1包括第一层7电容器元件7a和第二层9电容器元件9a。另外，母线组件25被示出为布置在第一层7电容器元件7a的顶部上。
现在转向图3，示出了功率电容器单元1的内部配置的示例，其中横截面是沿着图1的线A-A截取的。可以看出，每个电容器元件7a堆叠在相应的电容器元件9a上。因此，电容器元件7a形成第一层7电容器元件7a，并且电容器元件9a形成第二层9电容器元件9a。
功率电容器单元1包括沿着第一层7电容器元件7a的电容器元件7a延伸的第一母线组件13。母线组件13提供与电容器元件7a的电连接。此外，第一母线组件13连接到套管5(如图1和图2所示)，用于引导去往或来自第一层7电容器元件7a的电容器元件7a的电流。
功率电容器单元1还包括沿着第一母线组件13延伸的第一绝缘层15。第一绝缘层15例如可以是聚合物层，诸如聚丙烯层。
功率电容器单元1还包括沿着第二层9电容器元件9a的电容器元件9a延伸的第二母线组件19。母线组件19提供与电容器元件9a的电连接。第二母线组件19连接到另一套管5，用于引导去往或来自第二层9电容器元件9a的电容器元件9a的电流。
功率电容器单元1还包括沿着第二母线组件19延伸的第二绝缘层21。第二绝缘层21例如可以是聚合物片，诸如聚丙烯片。
功率电容器单元1包括导热层17，导热层17被配置为经由第一绝缘层15和第二绝缘层21将热量从第一母线组件13和第二母线组件21引导离开至壳体3。
导热层17可以由一个或多个金属片构成，每个金属片例如是铜片或铝片。
第一绝缘层15被配置为在第一母线组件13与导热层17之间提供电绝缘。第二绝缘层21被配置为在第二母线组件19与导热层17之间提供电绝缘。
第一绝缘层15和第二绝缘层21主要在与由第一绝缘层15和第二绝缘层21限定的平面垂直的方向上传导热量。至此，第一绝缘层15将热量从第一母线组件13传导到导热层17，并且第二绝缘层21将热量从第二母线组件19传导到导热层17。导热层17在与由导热层17限定的平面平行的方向上将热量传导到壳体3，特别是到壳体3的侧壁3a和3b。因此，导热层17侧向地传导热量。
导热层17具有片部分23，片部分23从第一层7电容器元件7a与第二层9电容器元件9a之间侧向地突出。特别地，每个片部分23可以折叠以与相应的侧壁3a、3b平行地延伸。片部分23优选地布置为与侧壁3a、3b热接触(例如直接接触)，使得热量可以以更有效的方式从导热层17传递到壳体3。为了在图3所示的两个方向上获取折叠，可以使用两个堆叠的片来形成导热层17，其中下部片向下折叠并且上部片向上折叠。根据图3所示的示例，形成导热层17的一个或多个片被折叠数次，使得片部分23与宽壁3c和3d平行并且热接触(诸如直接接触)地延伸，宽壁3c和3d被布置为邻近于侧壁3a和3b并与在第一层7电容器元件7a与第二层9电容器元件9a之间延伸的导热层17平行。至此，片部分23可以被配置为包围第一层7电容器元件7a和第二层9电容器元件9a，并且在功率电容器单元1的横截面中沿着所有四个壁3a-3d延伸。
根据一个变型，导热层17可以被布置为基本上覆盖形成在第一层7电容器元件7a与第二层电容器元件9a之间的整个表面。根据另一变型，导热层17可以被布置为仅覆盖在两个层7和9之间的主要热点区域，在这种情况下，导热层17在两个侧壁3a和3b(如图3所示)之间延伸，但是，没有在功率电容器单元1的包含套管5的近端壁与远端壁之间一直延伸。热点区域可以居中地位于壳体3的两个侧壁3a和3b之间，更靠近功率电容器单元1的包含套管5的近端壁而不是远端壁。
功率电容器单元1还可以包括连接到第一层7的电容器元件7a的第三母线组件25。第三母线组件25可以相对于第一母线组件13连接到的那一侧而设置在电容器元件7a的相对侧处。此外，第三母线组件25连接到套管5，用于引导去往/来自电容器元件7a的电流。特别地，母线组件13和25中的一个母线组件被配置为将电流引导到电容器元件7a，而另一个母线组件被配置为将电流引导离开电容器元件7a。
功率电容器单元1还可以具有第三绝缘层27，第三绝缘层27布置在壳体3与第三母线组件25之间以在壳体3与第三母线组件25之间提供电绝缘。根据图3所示的示例，片部分23沿着宽壁3d延伸并且布置在宽壁3d与第三绝缘层27之间。至此，第三绝缘层27被配置为将热量从第三母线组件25传递到沿着宽壁3d布置的片部分23。
功率电容器单元1还可以包括连接到第二层9的电容器元件9a的第四母线组件29。第四母线组件29可以相对于第二母线组件19连接到的那一侧而设置在电容器元件9a的相对侧处。此外，第四母线组件29连接到套管5以引导去往/来自电容器元件9a的电流。特别地，母线组件19和29中的一个母线组件被配置为将电流引导到电容器元件9a，而另一个母线组件被配置为将电流引导离开电容器元件9a。
功率电容器单元1还可以具有第四绝缘层31，第四绝缘层31布置在壳体3与第四母线组件29之间以在壳体3与第四母线组件29之间提供电绝缘。根据图3所示的示例，片部分23沿着宽壁3c延伸并且布置在宽壁3c与第四绝缘层31之间。至此，第四绝缘层31被配置为将热量从第四母线组件29传递到沿着宽壁3c布置的片部分23。
图4示出了功率电容器单元1的另一示例内部配置。该示例与图3所示的示例非常类似，除了导热层17′具有略微不同的配置。
根据图4中的示例，导热层17′包括片33、35，片33、35被折叠以在从一个宽壁3c到另一宽壁3d的方向上沿着整个侧壁3a、3b并且基本上与整个侧壁3a、3b热接触地延伸。此外，片33、35被折叠以在从一个侧壁3a到另一侧壁3b的方向上仅沿着相应宽壁3c、3d的一部分并且仅与该相应宽壁3c、3d的一部分热接触地延伸。
尽管未在图4的示意图中示出，但是第三绝缘层27和第四绝缘层31可以与相应宽壁3c、3d接触，从而分别从第三母线组件25和第四母线组件29传递热量。
根据图5中的示例，导热层17′仅被布置为覆盖在第一层7电容器元件7a与第二层9电容器元件9a之间的区域的有限部分。特别地，导热层17′可以由多个金属片形成，即至少第一片33和至少第二片35，第一片33仅沿着第一层7电容器元件7a与第二层9电容器元件9a之间的侧向部分设置，第二片35仅沿着第一层7电容器元件7a与第二层9电容器元件9a之间的相对的侧向部分设置。此外，片33、35被折叠以在从一个宽壁3c到另一宽壁3d的方向上基本上沿着整个相应侧壁3a、3b并且基本上与整个相应侧壁3a、3b热接触地延伸。此外，片33、35被折叠以在从一个侧壁3a到另一侧壁3b的方向上沿着仅相应宽壁3c、3d的一部分并且与该相应宽壁3c、3d的一部分热接触地延伸。备选地，片33、35可以被折叠以在从一个侧壁3a到另一侧壁3b的方向上沿着整个相应宽壁3c、3d并且与整个相应宽壁3c、3d热接触地延伸。第一母线组件和第二母线组件中的每个母线组件例如可以包括以如图2所示的网格形式布置的导电条。备选地，第一母线组件可以包括被配置为连接到第一层电容器元件的每个电容器元件的导电片，并且第二母线组件可以包括被配置为连接到第二层电容器元件的每个电容器元件的导电片。
以上主要参考几个示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内，除了以上公开的实施例之外的其他实施例同样是可能的。
Claims (15)
1.一种功率电容器单元(1)，包括：
壳体(3)，
第一层(7)电容器元件(7a)，
第二层(9)电容器元件(9a)，其中所述第一层(7)电容器元件(7a)堆叠在所述第二层(9)电容器元件(9a)上，
第一母线组件(13)，连接到所述第一层(7)的所述电容器元件(7a)，
第二母线组件(19)，连接到所述第二层(9)的所述电容器元件(9a)，
其中所述第一母线组件(13)和所述第二母线组件(19)布置在所述第一层(7)电容器元件(7a)与所述第二层(9)电容器元件(9a)之间，
导热层(17；17')，设置在所述第一母线组件(13)与所述第二母线组件(19)之间，
其中所述导热层(17；17')由可折叠的且与所述壳体(3)的壁热接触的至少一个片形成，从而将热量从所述第一母线组件(13)和所述第二母线组件(19)传导到所述壳体(3)的所述壁，并且其中所述壳体(3)与所述第一母线组件(13)和所述第二母线组件(19)电绝缘。
2.根据权利要求1所述的功率电容器单元(1)，其中所述至少一个片是铝片、铜片和包括氧化物颗粒的塑料片中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的功率电容器单元(1)，其中所述至少一个片具有片部分(23)，所述片部分(23)从所述第一层(7)电容器元件(7a)与所述第二层(9)电容器元件(9a)之间突出，并且所述片部分(23)被折叠以与所述壳体(3)的侧壁(3a，3b)平行、并且热接触地延伸。
4.根据权利要求3所述的功率电容器单元(1)，其中所述片部分(23)进一步被折叠以与所述壳体(3)的宽壁(3c，3d)平行、并且热接触地延伸，所述宽壁(3c，3d)与由所述导热层(17；17')在所述第一层(7)电容器元件(7a)与所述第二层(9)电容器元件(9a)之间限定的表面平行。
5.根据权利要求4所述的功率电容器单元(1)，其中所述片部分(23)沿着所述宽壁(3c，3d)的大部分长度延伸。
6.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的功率电容器单元(1)，其中所述导热层(17；17')与所述壳体(3)直接接触。
7.根据权利要求1、2、4、5中任一项所述的功率电容器单元(1)，包括：第一绝缘层(15)，设置在所述导热层(17；17')与所述第一母线组件(13)之间、并且与所述导热层(17；17')和所述第一母线组件(13)热接触，所述第一绝缘层(15)被配置为在所述第一母线组件(13)与所述导热层(17；17')之间提供电绝缘；以及第二绝缘层(21)，设置在所述导热层(17；17')与所述第二母线组件(19)之间、并且与所述导热层(17；17')和所述第二母线组件(19)热接触，所述第二绝缘层(21)被配置为在所述第二母线组件(19)与所述导热层(17；17')之间提供电绝缘。
8.根据权利要求7所述的功率电容器单元(1)，其中所述第一绝缘层(15)与所述第一母线组件(13)直接接触、并且与所述导热层(17；17')直接接触。
9.根据权利要求7所述的功率电容器单元(1)，其中所述第二绝缘层(21)与所述第二母线组件(19)直接接触、并且与所述导热层(17；17')直接接触。
10.根据权利要求1、2、4、5、8、9中任一项所述的功率电容器单元(1)，其中所述壳体(3)由金属组成。
11.根据权利要求7所述的功率电容器单元(1)，其中所述第一绝缘层(15)由聚合物片形成。
12.根据权利要求7所述的功率电容器单元(1)，其中所述第二绝缘层(21)由聚合物片形成。
13.根据权利要求1、2、4、5、8、9、11、12中任一项所述的功率电容器单元(1)，包括第三母线组件(25)和第三绝缘层(27)，所述第三母线组件(25)连接到所述第一层(7)的所述电容器元件(7a)、并且设置在所述壳体(3)与所述第一层(7)的所述电容器元件(7a)之间，所述第三绝缘层(27)设置在所述第三母线组件(25)与所述壳体(3)之间，以用于使所述壳体(3)与所述第三母线组件(25)电绝缘。
14.根据权利要求1、2、4、5、8、9、11、12中任一项所述的功率电容器单元(1)，包括第四母线组件(29)和第四绝缘层(31)，所述第四母线组件(29)连接到所述第二层(9)的所述电容器元件(9a)、并且设置在所述壳体(3)与所述第二层(9)的所述电容器元件(9a)之间，所述第四绝缘层(31)设置在所述第四母线组件(29)与所述壳体(3)之间，以用于使所述壳体(3)与所述第四母线组件(29)电绝缘。
15.根据权利要求1、2、4、5、8、9、11、12中任一项所述的功率电容器单元(1)，其中所述导热层(17')仅布置为覆盖在所述第一层(7)电容器元件(7a)与所述第二层(9)电容器元件(9a)之间的区域的一部分，所述导热层(17')仅沿着在所述第一层(7)电容器元件(7a)与所述第二层(9)电容器元件(9a)之间的两个相对的侧向部分来设置。
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