CN1767183A - 晶闸管阀水冷散热器 - Google Patents

Abstract

一种晶闸管阀组水冷散热器，涉及电力电子技术中晶闸管阀组的冷却装置。采用平板面接触传热结构，两台面平行度在0.02mm以内，两台面表面粗糙度在1.6μm以下；冷却水管的接口为一进一出；内置管道紧贴台面；设有专用的导线连接孔和安装固定孔。内置管道材质选用低碳不锈钢管，在制造台面的铝合金内添加能提高抗压强度的成分。采用特定的内置管道表面处理工艺和壳体表面铝合金电镀工艺。使得本发明的水阻及热阻小，对冷却介质无污染，减少维护，也保证了抗压强度及传热系数，表面硬度高，压接工艺简单，达到高压大功率晶闸管阀散热要求。

Description

晶闸管阀水冷散热器

技术领域

本发明涉及电力系统及电力电子技术中静止无功补偿器(SVC)的核心装置晶闸管阀组，特别是一种晶闸管阀水冷散热器。

背景技术

紧随电力网络的扩建和改建，以及人类对用电质量要求的提高，中高压大功率输变电系统必将得到大量地应用。冷却技术多年以来一直是制约电力系统中相关电力电子产品发展的瓶颈，国内始终没有开发出有效的产品，冷却部件长期进口。

目前国内的现状是，中低压晶闸管阀冷却形式是采用风冷或油冷，其缺点是系统庞大，冷却效率低，一次投入大，系统的维护困难，而且对环境存在污染。特别是水冷散热器只能用于低压小功率整流系统，且热阻大、效率低、寿命短。用于中高压大功率晶闸管阀冷却的水冷散热器国内无厂家生产。随着国内纯水循环冷却技术的日渐成熟，纯水作为高传热效率、经济易得的冷却介质，必将得到广泛的应用。

本发明旨在解决中高压大功率输变电系统的核心部件—晶闸管阀的水冷散热。其散热机理是：水冷散热器与晶闸管阀紧密端面接触，晶闸管阀耗散热量通过接触面传递给水冷散热器壳体，壳体将热量传递给内置密闭循环管路，由管路内的冷却介质迅速带走热量，达到散热效果。应用于中高压大功率晶闸管阀冷却的水冷散热器，要求其具有的特点有：导电率高、传热效率高、热阻小、抗压强度高、对冷却介质无影响、可多串压接。

因此，水冷散热器需要全面考虑传热效率、热阻、表面防护及与冷却系统的配合等因素，其核心技术包括结构设计、壳体与内置管路材质的选择、内置管路与壳体紧密结合程度以及壳体电镀工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于中高压大功率输变电系统的晶闸管阀水冷散热器。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：晶闸管阀水冷散热器采用平板面接触传热结构，水冷散热器的两台面平行度在0.02mm以内，两台面表面粗糙度在1.6μm以下；冷却水管的接口为一进一出；水冷散热器的内置管道紧贴台面；水冷散热器的台面外设有专用的导线连接孔和安装固定孔。

水冷散热器的内置管道材质选用低碳不锈钢管，其主要成分如下：

C：适量，S：＜0.01％，Si：＜0.5％，Mn：1％，Ni：14％，Cr：18％，Mo：适量。

在制造台面的铝合金内添加下列成分：Si：8％～10.5％，Mg：0.17％～0.3％，Mn：0.2％～0.5％，Fe：＜0.6％。

内置管道内径D及长度L由下列公式计算：

$D=\mathrm{\δ}\frac{Q}{\mathrm{\Δt}}$

$L=\mathrm{\λ}\frac{Q}{\mathrm{\Δt}*D}$

D：内置管道内径，mm；

L：内置管道长度，mm；

δ、λ：高澜特定系数；

Q：晶闸管阀最大耗散功率，KW；

Δt：晶闸管允许进出口温差，K。

由内置管道的长度决定其盘绕的周数。

水冷散热器的内置金属管道采用单管双螺旋盘绕形式，盘管后水阻变化在5％以内。

压铸前内置金属管道的表面处理工艺为：第一步：进行100目喷砂；第二步：电镀，镀层厚度0.01mm。

水冷散热器的壳体外表面的电镀采用高温化学镀镍工艺，工艺流程依次为：接头封闭，除油，去氧化皮，出光，中间层电镀，化学镀镍，钝化，干燥，低温退火；

镀层技术参数如下：厚度：0.008mm；表面硬度：R45；镍含量：93％；光泽：亚光；结合力：薄片弯折试验合格。

由于采用了上述的技术方案，本发明具有的有益效果是：水阻及热阻小，达到高压大功率晶闸管阀散热要求，内置耐离解的不锈钢管道，对冷却介质无污染，减少冷却介质的维护；内置管道采用单管双螺旋盘绕形式，增加冷却介质流程和散热面积；螺旋盘面贴近水冷散热器台面，减少传热行程，对及时晶闸管阀及时散热；独特的不锈钢管道表面处理增加管道与基体压铸时紧密结合，降低热阻；合理的基体铝合金成分，保证抗压强度及传热系数；优异的铝合金电镀工艺，表面硬度高，镀层结合力好，骤温变化不起泡；专用的安装孔设计，可简化压接过程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1表示本发明的晶闸管阀水冷散热器。

图2是本发明的晶闸管阀水冷散热器的内置管道盘绕示意图。

图3是本发明的晶闸管阀水冷散热器的内置管道分布图。

图4是本发明某一规格的晶闸管阀水冷散热器的阻—流量曲线、热阻—流量曲线。

具体实施方式

参见图1，晶闸管阀水冷散热器采用平板面接触传热结构，水冷散热器的两台面平行度在0.02mm以内，两台面表面粗糙度在1.6μm以下，可提高微观传热面积及传热效率，同时可保证晶闸管阀与水冷散热器压接数量达到20串以上。

冷却水管的接口为一进一出，以减少接口配水管件数量，可简化布局，便于安装。

水冷散热器的内置管道紧贴台面，以缩短传热行程，及时散热。

水冷散热器的台面外设有专用的导线连接孔和安装固定孔。

水冷散热器的内置管道材质选用低碳不锈钢管。紫铜管或铝管具有很高的传热效率，且容易盘绕，但对冷却介质的PH值范围要求严格，且在高电场下容易离解出对纯水循环冷却系统有害的金属离子，严重降低冷却系统稳定性。高碳不锈钢管或钛管由于硬度高，难以盘绕。低碳不锈钢管能有效解决离子析出的问题，且可高压压铸，但传热效率较低，必须通过控制对不锈钢管的壁厚及状态。

本发明内置管道材质的主要成分如下：(％)

C	S	Si	Mn	Ni	Cr	Mo
							适量	＜0.01	＜0.5	1	14	18	适量

制造台面的铝合金成分对水冷散热器抗压强度、传热效率有决定性的影响。水冷散热器与晶闸管阀压接强度在14N/mm²以上。纯铝的热传导性能好，但强度差；硅铝合金强度高，但含硅又降低热传导性能。本发明经过试验验证，在适当硅含量的铝合金内加入能提高抗压强度的成分：(％)

Si	Cu	Mg	Zn	Mn	Fe
						8.0～10.5		0.17～0.3		0.2～0.5	＜0.6

内置管道内径及长度的选择确定由下列公式计算。

由晶闸管阀最大耗散功率及允许的温差，计算出内置管道的内径：

$D=\mathrm{\δ}\frac{Q}{\mathrm{\Δt}}$

$L=\mathrm{\λ}\frac{Q}{\mathrm{\Δt}*D}$

D：内置管道内径，mm；

L：内置管道长度，mm；

δ、λ：高澜特定系数；

Q：晶闸管阀最大耗散功率，KW；

Δt：晶闸管允许进出口温差，K。

管道壁厚越小，传热效率越高，但盘绕加工时越容易变形影响截面积。本发明采用合适壁厚的软态不锈钢管使传热效率及盘绕加工得到最好的配合。

由内置管道的长度决定其盘绕的周数。

参见图2和3，内置金属管道采用单管双螺旋盘绕形式。采用专用盘管夹具严格控制盘管通顺不变形，保证盘管后水阻变化在5％以内；控制两盘面间距，保证压铸后盘管面最小距离地贴近壳体表面；控制两盘管面平行度，保证盘管面均匀贴近壳体表面，散热均匀。

压铸前对内置金属管道进行表面处理，有利于压铸时铝合金壳体与盘管的紧密结合。如铝合金壳体与盘管间存在间隙，将降低传热效率，热阻升高。本发明采用独特的表面处理工艺：

第一步：100目喷砂。可提高表面粗糙度，有利于铝合金与的咬合。

第二步：电镀，镀层厚度0.01mm。镀层金属与不锈钢盘管紧密结合，且在压铸时受热熔融与铝合金晶间结合；镀层金属热膨胀系数介于铝合金与不锈钢之间，有效缓解热膨胀系数差异，完全消除铝合金壳体与盘管间存在的间隙。

对水冷散热器的壳体外表面进行电镀，可提高抗腐蚀能力和表面硬度，有效防止运输安装过程的碰伤划伤。铝属于活性金属，镀层难与壳体紧密结合，但如不能紧密结合，水冷散热器与晶闸管阀压接或温度变化时容易脱皮，增大热阻。镀层过厚，容易引起应力增加，降低传热效率。本发明采用高温化学镀镍工艺，工艺如下：

接头封闭→除油→去氧化皮→出光→中间层电镀→化学镀镍→钝化→干燥→低温退火。

镀层技术参数：

厚度	表面硬度	镍含量	光泽	结合力
					0.008mm	R45	93％	亚光	薄片弯折试验合格

本发明的某一规格的晶闸管阀水冷散热器的主要性能参数参见图4。

Claims (4)

1、一种用于中高压大功率输变电系统的晶闸管阀水冷散热器，其特征在于：晶闸管阀水冷散热器采用平板面接触传热结构，水冷散热器的两台面平行度在0.02mm以内，两台面表面粗糙度在1.6μm以下；冷却水管的接口为一进一出；水冷散热器的内置管道紧贴台面，采用单管双螺旋盘绕形式；水冷散热器的台面外设有专用的导线连接孔和安装固定孔；

水冷散热器的内置管道材质选用低碳不锈钢管，其主要成分如下：

C：适量，S：＜0.01％，Si：＜0.5％，Mn：1％，Ni：14％，Cr：18％，Mo：适量；

在制造散热器台面的铝合金内添加下列成分：Si：8％～10.5％，Mg：0.17％～0.3％，Mn：0.2％～0.5％，Fe：＜0.6％。

2、根据权利要求1所述的晶闸管阀水冷散热器，其特征在于：

水冷散热器的内置管道内径D及长度L由下列公式计算：

$D=\mathrm{\δ}\frac{Q}{\mathrm{\Δt}}$

$L=\mathrm{\λ}\frac{Q}{\mathrm{\Δt}*D}$

D：内置管道内径，mm；

L：内置管道长度，mm；

δ、λ：高澜特定系数；

Q：晶闸管阀最大耗散功率，KW；

Δt：晶闸管允许进出口温差，K；

由内置管道的长度决定其盘绕的周数。

3、根据权利要求1或2所述的晶闸管阀水冷散热器，其特征在于：

在压铸前，水冷散热器内置金属管道的表面处理工艺为：第一步：进行100目喷砂；第二步：电镀，镀层厚度0.01mm。

4、根据权利要求3所述的晶闸管阀水冷散热器，其特征在于：

水冷散热器的壳体外表面的电镀采用高温化学镀镍工艺，工艺流程依次为：接头封闭，除油，去氧化皮，出光，中间层电镀，化学镀镍，钝化，干燥，低温退火；

镀层技术参数如下：厚度：0.008mm；表面硬度：R45；镍含量：93％；光泽：亚光；结合力：薄片弯折试验合格。

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