一种防爆箱内功率器件用主动散热装置

摘要

本发明公开了一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，包括设置在密闭防爆箱体内的箱内散热器和设置在密闭防爆箱体外的外置散热器，箱内散热器紧贴密闭防爆箱体内部功率器件的发热面，箱内散热器内设置有U型的热交换液体循环管，热交换液体循环管的两端通过循环软管与所述外置散热器内U型的外置热交换液体循环管的两端连接，箱内散热器的箱内散热器温度传感器通过信号电缆连接有散热装置控制器，散热装置控制器通过外置防爆风扇电缆连接设置在密闭防爆箱体外的外置防爆风扇。解决了现有技术中存在的油田现场防爆密闭箱体内大功率器件产生的热量无法及时扩散、无法传递至箱体之外，造成器件因过热而频繁烧毁的问题。

说明书

技术领域

本发明属于石油钻探装备控制技术领域，涉及一种防爆箱内功率器件用主动散热装置。

背景技术

在石油钻采装备领域，随着节能、环保、高效等的要求不断提高，机械和液压驱动方式正逐步被电驱动所取代。众所周知，电子器件在工作过程中会有部分能量转换成为热能，由器件表面散热释放，如：IGBT、晶闸管、伺服驱动器、步进电机驱动器等。对于一般应用环境可采用散热片或风扇散热的方式将自身热量带走，大功率器件可使用空调或水冷的方式进行散热。但这些只针对非密闭机柜、柜内空气可自由流通或有足够安放空间的工况。

针对油田特殊作业环境，电气元件工作于爆炸环境，需将其安装于密闭的防爆柜体内，无法形成良好的气流进行散热。目前，常规解决方案是在隔爆箱体内安装防爆空调制冷或在正压柜内设置强制通风散热装置，但上述两种方式对设备的安装及使用都具有一定的局限性。防爆空调的外形体积、功耗、震动均较大，不便于高位设备安装、运输等，且需要定期进行维护保养，同时也易造成元件柜内空气湿度大等问题；正压强制通风装置以洁净空气为载体进行热交换，散热效果较差，仅能解决小功率或控制类元件的散热需求，且必须持续供给洁净的压缩空气以确保系统正常工作，也不便于油田现场使用。目前，针对安装于密闭防爆柜内大功率器件的散热问题暂无较好解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，解决了现有技术中存在的油田现场防爆密闭箱体内大功率器件产生的热量无法及时扩散、无法传递至箱体之外，造成器件因过热而频繁烧毁的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，包括设置在密闭防爆箱体内的箱内散热器和设置在密闭防爆箱体外的外置散热器，箱内散热器紧贴密闭防爆箱体内部功率器件的发热面，箱内散热器内设置有U型的热交换液体循环管，热交换液体循环管的两端通过循环软管与所述外置散热器内U型的外置热交换液体循环管的两端连接，箱内散热器的箱内散热器温度传感器通过信号电缆连接有散热装置控制器，散热装置控制器通过外置防爆风扇电缆连接设置在密闭防爆箱体外的外置防爆风扇。

本发明的特点还在于，

其中一根循环软管上连接有液体循环泵，液体循环泵连接有直流电机，直流电机通过直流电机电缆与散热装置控制器连接。

液体循环泵为主动循环泵。

外置散热器内设置有外置散热器温度传感器，外置散热器温度传感器通过外置温度传感器电缆与散热装置控制器连接。

外置防爆风扇与外置散热器的外表面紧密贴合。

散热装置控制器包括PWMx脉宽调制信号生成电路，PWMx脉宽调制信号生成电路的供电端通过熔断器F1x与直流电源DC的正极连接，PWMx脉宽调制信号生成电路的输出端连接有功率元件Gx的控制端，功率元件Gx结合二极管Dx、电感Lx和电容C1x组成buck电路，buck电路的电容C1x的正极通过输出保护熔断器F2x与负载电机Mx的正极连接，负载电机Mx的负极与直流电源DC的负极连接。

PWMx脉宽调制信号生成电路采用555主电路，或者PWM调制芯片或主电路。

本发明的有益效果是，

1.本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，通过循环泵带动冷却液循环，将元件表面热量传至外部散热器，再由散热风扇将外部散热器的热量排出。冷却液循环泵和风扇的转速可根据温度自动控制，实现密闭防爆箱体内功率器件的主动散热，具有外形体积小巧、功率和噪声低、无振动；不增加箱体内部环境湿度、无冷凝水；降低生产成本，易安装免维护，运输无需拆卸，提高安装调试工作效率等特点；

2.本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，可应用于爆炸环境，配合隔爆或正压箱体使用，具有热源温度检测、散热系统循环液体流速自动控制、主动散热等功能。实现功率器件的有效散热，同时可确保设备外形体积几乎不变。

附图说明

图1是本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置的结构图；

图2是本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置控制部件原理图；

图3是本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置实施例中PWMx电路原理图。

图中，1.密闭防爆箱体，2.功率器件，3.热交换液体循环管，4.箱内散热器，5.箱内散热器温度传感器，6.信号电缆，7.散热装置控制器，8.直流电机，9.液体循环泵，10.外置防爆风扇电缆，11.循环软管，12.外置散热器，13.外置热交换液体循环管，14.外置防爆风扇，15.直流电机电缆，16.外置散热器温度传感器，17.外置温度传感器电缆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，结构如图1所示，包括设置在密闭防爆箱体1内的箱内散热器4和设置在密闭防爆箱体1外的外置散热器12，箱内散热器4紧贴密闭防爆箱体1内部功率器件2的发热面，箱内散热器4内设置有U型的热交换液体循环管3，热交换液体循环管3的两端通过循环软管11与所述外置散热器12内U型的外置热交换液体循环管13的两端连接，箱内散热器4的箱内散热器温度传感器5通过信号电缆6连接有散热装置控制器7，散热装置控制器7通过外置防爆风扇电缆10连接设置在密闭防爆箱体1外的外置防爆风扇14。

其中一根循环软管11上连接有液体循环泵9，液体循环泵9连接有直流电机8，直流电机8通过直流电机电缆15与散热装置控制器7连接。

液体循环泵9为主动循环泵。

外置散热器12内设置有外置散热器温度传感器16，外置散热器温度传感器16通过外置温度传感器电缆17与散热装置控制器7连接。

外置防爆风扇14与外置散热器12的外表面紧密贴合。

散热装置控制器7的原理如图2所示，包括PWMx脉宽调制信号生成电路，PWMx脉宽调制信号生成电路的供电端通过熔断器F1x与直流电源DC的正极连接，PWMx脉宽调制信号生成电路的输出端连接有功率元件Gx的控制端，功率元件Gx结合二极管Dx、电感Lx和电容C1x组成buck电路，buck电路的电容C1x的正极通过输出保护熔断器F2x与负载电机Mx的正极连接，负载电机Mx的负极与直流电源DC的负极连接。

PWMx脉宽调制信号生成电路可采用555主电路，或者PWM调制芯片或主电路。

本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，安装于密闭防爆箱体1内的箱内散热器4用于将功率器件2工作中产生的热量传导至柜外。箱内散热器4与功率器件2的发热面紧密结合，使功率器件2尽可能多的热量传导至箱内散热器4。热交换液体循环管3内的循环液体用于吸收箱内散热器4的热量，管内的液体温度会升高。当箱内散热器温度传感器5检测到箱内散热器4的温度升高后，将反馈信号通过信号电缆6传至散热装置控制器7，散热装置控制器7经过内部运算后通过直流电机电缆15将驱动信号输出至直流电机8，使直流电机8开始旋转，直流电机8旋转后带动液体循环泵9转动，直流电机8的旋转速度与箱内散热器温度传感器5反馈温度成正比。直流电机8的旋转速度决定液体循环泵9的旋转速度，最终实现温度越高液体循环速度越快。由此即可将箱内散热器4内热交换液体循环管3内的高温液体通过液体循环泵9带动通过循环软管11传至外置热交换液体循环管13中，使外置散热器12的温度升高。当外置散热器温度传感器16检测到外置散热器12的表面温度上升后将反馈信号通过外置温度传感器电缆17传至散热装置控制器7。散热装置控制器7内部运算后通过外置防爆风扇电缆10输出外置防爆风扇14的驱动信号，使外置防爆风扇14开始旋转，以此加快外置散热器12内部的空气循环速度，达到风扇散热目的。外置防爆风扇14的旋转速度与外置散热器温度传感器16的反馈温度成正比，温度越高风扇旋转速度越快。

箱外部分所涉及的电气元件必须满足相应工作区域的防爆标准，如：外置防爆风扇14和外置散热器温度传感器16及其连接电缆的过度接头或接线盒应满足防爆一区或防爆二区的相应标准。

防爆风扇电缆10用于外置防爆风扇14的供电；循环软管11用于内外热交换循环液的流动循环；外置温度传感器电缆17用于温度传感器反馈信号传输。防爆风扇电缆10、循环软管11及外置温度传感器电缆17通过密闭防爆箱体1时应使用符合相应防爆标准的介质通过方式，如：隔爆箱体应采用隔爆形式的格兰头或插接件，正压箱体应采用密封效果良好的通过接头。

本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，液体循环管路中安装有液体循环泵9，液体循环泵9为主动循环泵，主动循环泵由直流电机8驱动，直流电机8的转速可根据功率器件2表面温度的变化自动调整。由箱内散热器温度传感器5、外置散热器温度传感器16、液体循环泵9、外置防爆风扇14以及散热装置控制器7共同实现密闭防爆箱体1内功率器件2表面温度的主动控制。

本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，散热装置控制器7中包含两套原理相同的控制部件，其中：x为a表示该部件用于控制直流电机8的转速控制，x为b表示该部件用于控制外置防爆风扇14的电机转速控制。两套控制部件相互独立，PWMx脉宽调制信号生成电路分别接收箱内散热器温度传感器5和外置散热器温度传感器16的反馈信号。

直流电源DC用于为整套控制和驱动装置供电，根据工业现场环境可用24V DC工业电源或密闭防爆箱体1内其他设备供电的直流电源。熔断器F1x用于PWMx脉宽调制信号生成电路供电端过载保护。箱内散热器温度传感器5或外置散热器温度传感器16的反馈信号连接至各自的PWMx脉宽调制信号生成电路，通过各自反馈电阻的变化调整PWMx脉宽调制信号生成电路输出脉冲波的占空比，以调整功率元件Gx的开关时间。功率元件Gx结合二极管Dx、电感Lx和电容C1x组成buck电路，使C1x两端的输出电压在0V至直流电源DC供电电压之间调整，输出的电压值由占空比决定。通过占空比实现对负载电机Mx的转速控制。

本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，PWMx脉宽调制信号生成电路调制波的生成方式如图3所示，PWMx脉宽调制信号生成电路的输出用于控制开关功率元件Gx的通断，以不同占空比的PWMx脉宽调制信号生成电路调制波调整输出电压。PWMx脉宽调制信号生成电路的工作电源端Vdc通过过载保护熔断器F1x直接连接至电源DC的正极，PWMx脉宽调制信号生成电路工作电源的负极连接直流电源的负极。PWMx脉宽调制信号生成电路的主电路可用555电路，也可应用其他PWM调制芯片或主电路，如：UC3842/3、TL494、51系列单片机、DSP数字控制模块等。外围电路中R1x为温度传感器，当x为a时表示箱内散热器温度传感器5，当x为b时表示外置散热器温度传感器16。R1x反馈的电阻值，其值箱内散热器温度传感器5或外置散热器温度传感器16的温度成正比，温度越高阻止越大。R2x为固定电阻值，用于555电路比较器的内部运算。PWMx脉宽调制信号生成电路的信号的占空比可由反馈电阻R1x和运算电阻R2x共同确定，实现占空比0～100％之间的连续调整。运算电容C2x用于脉冲触发充电和开关频率调整。反馈电阻R1x、运算电阻R2x和运算电容C2x三者共同决定PWMx脉宽调制信号生成电路信号的频率。

通过PWMx脉宽调制信号生成电路可将箱内散热器4或外置散热器12表面温度变化转化为PWM脉冲信号，用于控制直流电机8的供电电压，从而改变其转速。x为a时，R1a的值为箱内散热器温度传感器5的反馈电阻值；x为b时，R1b的值为外置散热器温度传感器16的反馈电阻值。

本发明一种防爆箱内功率器件用主动散热装置，工作过程如下，当功率器件2的发热量增大时，箱内散热器4表面温度上升，R1a的阻止增大，会提高PWMa脉宽调制信号生成电路的输出占空比，可控制散热液体循环泵9转速增加，加快液体循环速度；箱内热量传至外置散热器12后，其表面温度上升，外置温度传感器16的反馈电阻R1b阻值增大，PWMb的占空比升高，同时驱动外置防爆风扇14的转速增加，加快外置散热器12导热片内部的空气循环，使箱内散热器4和外置散热器12温度下降。通过以上热交换过程将功率器件2产生的热量排出至密闭防爆箱体1之外。

当箱内散热器4温度下降后，内部温度传感器电阻R1a的阻值下降，PWMa输出占空比下降，液体循环泵9的转速下降，热交换液体的循环速度下降，避免外置散热器12中的热量再次循环至箱内。

通过外置防爆风扇14将热量排出后，外置散热器12的温度下降，外置温度传感器电阻R1b的阻值下降，PWMb输出占空比下降，外部散热风扇14的转速降低。实现全过程温度的自动控制。