本發(fā)明屬于電力電子及脈沖功率源器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種冷卻效果好、體積小的自冷卻高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件。

背景技術(shù)：

高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件作為脈沖功率源的關(guān)鍵器件，是脈沖功率調(diào)整系統(tǒng)工作的控制環(huán)節(jié)，并以強(qiáng)大的功率量級(jí)及比較大的過(guò)載能力得到廣泛應(yīng)用，成為脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域持續(xù)的研究重點(diǎn)。

脈沖開(kāi)關(guān)器件的參數(shù)和特性不僅是脈沖功率系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)，而且對(duì)脈沖波形的上升時(shí)間、幅值等相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生直接影響。因脈沖開(kāi)關(guān)器件工作于脈沖回路中，流通電流大、瞬態(tài)功率高，電能在開(kāi)關(guān)器件中的功率損耗大并轉(zhuǎn)換為熱量，使開(kāi)關(guān)器件的溫度升高，而脈沖功率開(kāi)關(guān)器件的結(jié)溫由器件的功率損耗及散熱能力決定，過(guò)高的結(jié)溫會(huì)改變開(kāi)關(guān)器件的特性，影響器件的正常工作。開(kāi)關(guān)器件的漏電流呈指數(shù)形式增大，結(jié)溫達(dá)到125℃以上時(shí)會(huì)導(dǎo)致漏電流過(guò)大，器件失去阻斷能力，產(chǎn)生不受門(mén)極控制的誤導(dǎo)通，更嚴(yán)重的是導(dǎo)通后局部溫度過(guò)高甚至使開(kāi)關(guān)器件半導(dǎo)體層熔化而使器件永久失效。

高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件通常包括內(nèi)腔為圓筒狀的陶瓷襯套、圓盤(pán)狀上、下銅基座、門(mén)極組件、圓盤(pán)狀管芯組件、圓盤(pán)狀上、下鉬片組件；上銅基座與陶瓷襯套上端密封連接，下銅基座與陶瓷襯套下端密封連接，形成一密閉腔體；管芯組件水平夾持于上、下鉬片組件之間，門(mén)極組件固設(shè)于上鉬片組件上表面中心位置，并通過(guò)觸發(fā)線引出陶瓷襯套；夾持管芯組件的上、下鉬片組件水平置于密閉腔體中部，周邊與陶瓷襯套密封固定連接。

針對(duì)開(kāi)關(guān)器件的熱特性問(wèn)題，張國(guó)強(qiáng)等(張國(guó)強(qiáng).大功率電子器件低溫差散熱的理論與實(shí)驗(yàn)研究.浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.)設(shè)計(jì)了回路型重力熱管冷卻系統(tǒng)，即將開(kāi)關(guān)器件的晶閘管緊貼在熱管的蒸發(fā)段的中心，蒸發(fā)段內(nèi)工作流體吸收晶閘管熱量后氣化通過(guò)上升管進(jìn)入熱管的冷凝段散熱冷凝為液體，冷凝的液體通過(guò)下降管通過(guò)重力作用回流至蒸發(fā)段，如此循環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)器件的冷卻。該方式雖能在一定程度上控制晶閘管的溫升，實(shí)現(xiàn)對(duì)其熱管理和溫度控制，但冷卻系統(tǒng)占據(jù)空間及體積較大，且晶閘管發(fā)熱部位是通過(guò)間接接觸換熱，傳熱效率較低，特別是在脈沖工作模式下，該方式對(duì)晶閘管的熱管理性能將顯著下降，難以有效實(shí)現(xiàn)脈沖瞬態(tài)時(shí)的溫度控制，將可能導(dǎo)致晶閘管在脈沖瞬間溫升過(guò)大而性能降低或失效。

總之，現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題是：高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件冷卻效果不好，嚴(yán)重影響和制約了高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件工作的性能與可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種自冷卻高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件,冷卻效果好、體積小。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種自冷卻高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件，包括內(nèi)腔為圓筒狀的陶瓷襯套、圓盤(pán)狀上、下銅基座、門(mén)極組件、圓盤(pán)狀管芯組件、圓盤(pán)狀上、下鉬片組件；所述上銅基座與陶瓷襯套上端密封連接，下銅基座與陶瓷襯套下端密封連接，形成一密閉腔體()；所述管芯組件水平夾持于上、下鉬片組件之間，門(mén)極組件固設(shè)于上鉬片組件上表面中心位置，并通過(guò)觸發(fā)線引出陶瓷襯套；所述夾持管芯組件的上、下鉬片組件水平置于密閉腔體中部，周邊與陶瓷襯套密封固定連接；所述密閉腔體內(nèi)充有冷媒，所述冷媒以管芯組件為蒸發(fā)段，以上、下銅基座為冷凝段形成熱管循環(huán)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：

1、冷卻效果好：本發(fā)明在開(kāi)關(guān)器件內(nèi)充注制冷工質(zhì)-冷媒，在管芯組件、上下銅塊組件間構(gòu)成熱管回路，管芯組件作為熱管的蒸發(fā)段，利用液體工質(zhì)的相變換熱將管芯組件的發(fā)熱量快速傳到至上下銅塊組件，冷卻效果好，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管芯組件的溫度控制，而現(xiàn)有技術(shù)則采用導(dǎo)熱方式將管芯組件發(fā)熱量通過(guò)鉬片逐層傳導(dǎo)至上下銅塊組件；作為進(jìn)一步改進(jìn)，上鉬片組件及下鉬片組件半邊區(qū)域開(kāi)設(shè)散熱孔，使冷媒與管芯組件直接接觸，將高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件的管芯組件直接浸潤(rùn)于熱管工質(zhì)中，其發(fā)熱量直接被熱管工質(zhì)吸收，換熱熱阻小、換熱性能高，進(jìn)一步改善了冷媒與管芯組件的散熱；

2、承壓及密封能力好：相比于現(xiàn)有技術(shù)采用裙邊壓制，本發(fā)明上下銅塊組件與陶瓷襯套間采用螺母緊固密封，承壓好，密封性強(qiáng)。

3、結(jié)構(gòu)緊湊：本發(fā)明在上銅基座與下銅基座中開(kāi)設(shè)冷卻流道，通過(guò)熱管工質(zhì)在開(kāi)關(guān)器件內(nèi)部構(gòu)成封閉的熱管回路，并以銅基座作為熱管的冷凝段，形成自冷卻方式，有效簡(jiǎn)化了高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，顯著降低開(kāi)關(guān)器件冷卻系統(tǒng)的體積，便于實(shí)現(xiàn)小型化；

4、電學(xué)性能好、工作可靠性高：本發(fā)明的自冷卻高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件，因換熱效率高，可有效降低管壓降、減小漏電流，顯著改善了脈沖開(kāi)關(guān)器件的工作性能與可靠性，提高開(kāi)關(guān)器件脈沖功率調(diào)控效率；

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明自冷卻高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件的裝配圖。

圖2為圖1中鉬片組件的結(jié)構(gòu)詳圖。圖2(a)為俯視圖，圖2(b)為主剖面圖。

圖3(a)為圖1中陶瓷襯套主剖面圖。

圖3(b)為圖1中陶瓷襯套左剖面圖。

圖3(c)為圖1中陶瓷襯套俯視圖。

圖4(a)為圖1中上銅基座主剖面圖。

圖4(b)為圖1中上銅基座左剖面圖。

圖4(c)為圖1中上銅基座俯視圖。

圖5(a)為圖1中下銅基座主剖面圖。

圖5(b)為圖1中下銅基座左剖面圖。

圖5(c)為圖1中下銅基座俯視圖。

圖中，1-陶瓷襯套，2-上銅基座，3-下銅基座，4-門(mén)極組件，5-上鉬片組件，6-管芯組件，7-下鉬片組件，8-硅橡膠圈，9-密封圈，10-彈性墊圈，11-螺母，12-第一冷媒連通孔，13-第二冷媒連通孔，14-引出孔，15-緊固螺孔，16-上換熱孔，161-下?lián)Q熱孔，17-上沉頭螺孔，18-定位孔，19-冷媒，20-上銅基座冷卻槽道，21-門(mén)極組件孔，22-門(mén)極觸發(fā)線引出通道，23-定位樁，24-下沉頭螺孔，25-下銅基座冷卻槽道。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明自冷卻高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件，包括內(nèi)腔為圓筒狀的陶瓷襯套1、圓盤(pán)狀上、下銅基座2、3、門(mén)極組件4、圓盤(pán)狀管芯組件6、圓盤(pán)狀上、下鉬片組件5、7；

所述上銅基座2與陶瓷襯套1上端密封連接，下銅基座3與陶瓷襯套1下端密封連接，形成一密閉腔體；

所述管芯組件6水平夾持于上、下鉬片組件5、7之間，門(mén)極組件4固設(shè)于上鉬片組件5上表面中心位置，并通過(guò)觸發(fā)線引出陶瓷襯套1；所述夾持管芯組件6的上、下鉬片組件5、7水平置于密閉腔體中部，周邊與陶瓷襯套1密封固定連接；

所述密閉腔體內(nèi)充有冷媒19，所述冷媒19以管芯組件6為蒸發(fā)段，以上、下銅基座2、3為冷凝段形成熱管循環(huán)。

本發(fā)明采用熱管循環(huán)替代現(xiàn)有技術(shù)中的自然對(duì)流換熱，將高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件的管芯組件直接浸潤(rùn)于熱管工質(zhì)中，其發(fā)熱量直接被熱管工質(zhì)吸收，換熱熱阻小、換熱性能高，大幅提高管芯組件6的散熱效率，特別是在脈沖工作模式下，對(duì)比熱控效果更顯著，從而實(shí)現(xiàn)高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件的熱管理，降低開(kāi)關(guān)器件的管壓降。因換熱效率高，可有效降低管壓降、減小漏電流，顯著改善了脈沖開(kāi)關(guān)器件的工作性能與可靠性，提高開(kāi)關(guān)器件脈沖功率調(diào)控效率。

作為一種優(yōu)選方案，所述熱管循環(huán)這樣形成：

所述上銅基座2在陶瓷襯套1內(nèi)向下延伸，直達(dá)上鉬片組件5，并設(shè)置多個(gè)上銅基座冷卻槽道20，所述上鉬片組件5上開(kāi)有多個(gè)一端與管芯組件6相通，另一端與上銅基座冷卻槽道20相通的上換熱孔16。

該優(yōu)選擇方案利用上銅基座2內(nèi)流道與管芯組件間形成熱管回路，通過(guò)對(duì)流或相變傳熱方式將管芯組件的發(fā)熱量轉(zhuǎn)移至上銅基座內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件的自冷卻。

作為另一種優(yōu)選方案，所述熱管循環(huán)這樣形成：

所述下銅基座3在陶瓷襯套1內(nèi)向上延伸，直達(dá)下鉬片組件7，并設(shè)置多個(gè)下銅基座冷卻槽道25，所述下鉬片組件7上開(kāi)有多個(gè)一端與管芯組件6相通，另一端與下銅基座冷卻槽道25相通的下?lián)Q熱孔161。

該優(yōu)選擇方案利用下銅基座3內(nèi)流道與管芯組件間形成熱管回路，通過(guò)對(duì)流或相變傳熱方式將管芯組件的發(fā)熱量轉(zhuǎn)移至下銅基座內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件的自冷卻。

上述兩種優(yōu)選方案結(jié)合使用，使管芯組件間上、下兩側(cè)均形成熱管循環(huán)，同時(shí)向上下兩側(cè)散熱，極大加強(qiáng)散熱效果。在上銅基座與下銅基座中開(kāi)設(shè)冷卻槽道，通過(guò)熱管工質(zhì)在開(kāi)關(guān)器件內(nèi)部構(gòu)成封閉的熱管回路，并以銅基座作為熱管的冷凝段，形成自冷卻方式，有效簡(jiǎn)化了高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，且由于冷卻槽道是向內(nèi)延伸的，不增大整個(gè)器件的外形尺寸，結(jié)構(gòu)緊湊，便于實(shí)現(xiàn)小型化。

作為改進(jìn)，所述上銅基座2設(shè)有第一冷媒連通孔12，所述第一冷媒連通孔12一端與至少一上銅基座冷卻槽道20相通，另一端與外界相通。

所述下銅基座3設(shè)有第二冷媒連通孔13，所述第二冷媒連通孔13一端與至少一下銅基座冷卻槽道25相通，另一端與外界相通。

所述第一冷媒連通孔12和/或第二冷媒連通孔13內(nèi)可以設(shè)置單向閥芯或外接單向閥組件，用于充注制冷工質(zhì)，即冷媒。同時(shí)，便于多個(gè)高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件冷卻系統(tǒng)的連通及冷卻系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)器件在連續(xù)高頻脈沖工作或連續(xù)工作模式時(shí)連接外置冷凝段進(jìn)行冷卻，進(jìn)一步提高冷卻系統(tǒng)的適應(yīng)性與擴(kuò)展性。

優(yōu)選地，所述上鉬片組件5上開(kāi)設(shè)的上換熱孔16均位于半圓范圍內(nèi)，開(kāi)孔率為0％～50％，開(kāi)孔直徑為0.5mm～3mm。

同理，所述下鉬片組件7上開(kāi)設(shè)的下?lián)Q熱孔161均位于半圓范圍內(nèi)，開(kāi)孔率為0％～50％，開(kāi)孔直徑為0.5mm～3mm。

上鉬片組件及下鉬片組件半邊區(qū)域開(kāi)設(shè)散熱孔，使冷媒與管芯組件直接接觸，即管芯組件浸潤(rùn)于冷媒中，改善了冷媒與管芯組件的散熱。

優(yōu)選地，所述的陶瓷襯套1的兩端為圓環(huán)雙臺(tái)型結(jié)構(gòu)，在兩端圓環(huán)臺(tái)型端面的圓周方向均勻開(kāi)設(shè)有多個(gè)對(duì)稱(chēng)布置的緊固螺孔15；所述上銅基座2為雙臺(tái)型結(jié)構(gòu)，在其圓周方向均勻開(kāi)設(shè)有多個(gè)與緊固螺孔15對(duì)應(yīng)的上沉頭螺孔17；所述下銅基座3為雙臺(tái)型結(jié)構(gòu)，在其圓周方向均勻開(kāi)設(shè)有多個(gè)與對(duì)應(yīng)的下沉頭螺孔24；在所述陶瓷襯套1兩端的兩個(gè)臺(tái)型端面上各分別裝設(shè)密封圈9和彈性墊圈10，并分別與上銅基座2及下銅基座3的臺(tái)型端面緊密壓制，并將螺母11穿過(guò)上沉頭螺孔17、緊固螺孔15和下沉頭螺孔24，將上銅基座2、陶瓷襯套1和下銅基座3密封連接成密閉腔體。

考慮承壓和密封要求，上下銅塊組件與陶瓷襯套間采用螺母緊固密封，而現(xiàn)有技術(shù)采用裙邊壓制，承壓及密封能力較差。

本發(fā)明的工作原理為：以冷媒19作為載熱體，在管芯組件6及上銅基座2、下銅基座3內(nèi)流道間形成熱管回路，將高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件的發(fā)熱管芯組件6浸潤(rùn)于冷媒19中，管芯組件6作為熱管回路的蒸發(fā)段，上銅基座2、下銅基座3作為熱管回路的冷凝段，冷媒19作為熱管工質(zhì)，在開(kāi)關(guān)器件內(nèi)通過(guò)冷媒的對(duì)流及相變換熱將管芯組件6的發(fā)熱量轉(zhuǎn)移至上銅基座2、下銅基座3內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓脈沖開(kāi)關(guān)器件的自冷卻。