[发明专利]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

说明书

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。