CN105282999A - 外壳 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种外壳，其中所述外壳至少部分由层状材料(3)形成，层状材料的内层(1)由多孔金属形成，并且层状材料的外层(2)由吸湿性多孔材料形成。

Description

外壳

技术领域

本发明涉及外壳，更具体地，涉及用于恶劣环境条件的外壳。

背景技术

电力电子设备，例如风力发电机、太阳能发电机或电动车辆(例如，公共汽车)在苛刻的室外条件下使用。在室外条件下电力电子设备通常被放置在保护性机壳中，并且室外机壳的结构不密封。然而，在外壳内的电子设备要求温度和湿度保持在一定界限内以便工作。环境应力的等级取决于杂质、温度、相对湿度和材料。

外部环境不满足最佳操作条件的要求，并且这些条件甚至不可能像在室内建筑物中那样人为形成。变化的室外条件主要指的是促使设备的整体寿命缩短的温度和湿度以及外界的空气污染物。对于电子设备，外部环境的温度和湿度的快速变化导致最坏的情况，例如早晨太阳升起和阵雨之后或当外部空气突然升温或冷却时。

当室外机壳内部的设备持续接通时，正常情况下似乎不存在湿气的问题，因为内部的热损耗足以保持内部空气比外部空气热。问题主要可能出现在当设备间歇式接通(例如车辆)时或在变化的天气条件下时。相对湿度与昼夜温度波动相反。昼夜相对湿度一般在早上日出时最高，在下午最低。也有一些例外，例如在山坡上，那里由于山谷风，湿度的日常波动可能是相反的情况。相对湿度以所观察到的空气中有多少水蒸气相比于饱和湿度的百分比的形式表示。随着温度升高，相对湿度降低，相应地当温度降低时相对湿度增加。在这种情况下，外壳的内部温度和相对湿度将会相应地变化。此外，外壳内部的温度的变化会引起外壳表面的外部的呼吸(breath)。湿气被吸收进外壳内部进入部件例如印刷电路板和各种塑料表面。

湿气引起的问题涉及材料或设备的腐蚀和电学性质的变化，这可能引起设备短路和损坏。潮湿的条件必须加以控制或设备必须在停止后再使用前进行调节。关断后由湿气引起的问题必须使用除了持续加热或使用脱水机之外的其他方式解决，因为当由于经济原因关断该设备时，该设备不应用电。

在封闭空间中，当空气混合并且温度稳定时，出现几乎相同的绝对湿度。当温度降低并且水分子开始冷凝为液体至最冷的表面上时，相对湿度(RH)上升。

除湿机利用了这一现象。家用除湿机是一种常见的降低空气中的湿气的家用电器。对于不同种类的应用，存在不同种类的除湿机，但所有除湿机都遵循相同的原理。除湿机基于循环通过设备的空气，并且流动空气中的湿气冷凝在使湿气从空气中分离的冷表面上。同样的现象还发生在制冷空气时的空调器中。除湿机是一种昂贵的除湿方法。除湿机的空气过滤器可能堵塞，其将冷凝水收集在水箱中并且必须从外壳中(手动)除去。另外，除湿机配备有吸取外壳空气通过冷却盘管的风扇。如已知的，风扇为易于故障并且需要保养的机电部件。蒸发器由位于除湿器单元的背面的盘管制成。当除湿机运转并且风扇吸取潮湿空气通过盘管时，蒸发器盘管转冷，使空气中的湿气冷凝。如果吹过盘管的空气温度太冷，那么在盘管上的冷凝水会变成冰，最终会危害操作或终止操作(比如，冰箱)。

额外加热是减少湿气效果的另一常见方式。加热的作用正是基于该热空气可以容纳更多湿气，因此相对湿度下降这一事实。排出空气是防止潮湿空气从周围大气中流入外壳。

持续活动的电子设备具有一直向周围外壳产生热量的电损耗。外壳内的这种持续升高的温度和与周围空气的直接接触的造成了具有降低的相对湿度的异常区。由于周围空气温度升高而降低的相对湿度将莫里尔图中设备的操作点移动到较干燥的侧并且腐蚀较少。该原理仅在接通加热器的情况下发生，并且即使设备关断时必须始终接通一个或更多个加热器。然而，加热消耗大量的能量，因此设备的效率降低。

当小型设计存在需求时，主要使用具有佩尔捷类型热泵的电子除湿器。佩尔捷具有低能效(低COP值)和与正常的家用除湿器同样的问题。这在要求禁止(例如额外的24V)的消耗的地方是不适用的。

离子膜除湿器采用了特殊的膜作为离子泵来将在分子水平上(氢气和氧气，没有液体水)的湿气转移到设备外壳之外。离子膜除湿机作为一种新技术就低除湿能力而言是昂贵的，这从长远来看这是不利的。良好的可取之处在于离子膜除湿机的用电量小，没有移动部件，这个过程是免维护的，并且水以分子水平被除去(表示没有液体水)。可能从环境中传递的化学气体的使用对膜的影响尚未可知。

二氧化硅凝胶小球广泛地用作从周围环境中吸收湿气的干燥剂。吸湿性可以是物理或化学性质。材料的物理吸附可以通过溶解、扩散或吸附在材料表面而发生。吸附是基于弱的吸引力(范德华力，静电相互作用)。在干燥剂吸附中，弱力创造的弱键可以通过加热来消除(可逆过程)。

二氧化硅凝胶是多孔干燥剂，并且水蒸气通过多层吸附和毛细管冷凝来移动。操作的时间取决于环境的湿度和二氧化硅的量。二氧化硅凝胶小球可以仅收集一定量的水。硅胶珠必须放置在电子外壳内部用于减少相对湿度。在未将湿气释放回到电子设备机壳中的情况下，再生所需要的逆转过程是不可能的。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子设备的外壳以解决上述问题。本发明的目的是通过其特征在于在独立权利要求中所述的外壳来实现的。本发明的优选实施方案在从属权利要求中公开。

本发明基于使用包括层状材料或层状结构的外壳的构思。材料或结构的内层由多孔金属形成，并且外层由吸湿性多孔材料形成。层状结构使得湿气能够从外壳传递出。该结构的外层能够保持湿气，并将外壳的外表面的湿气冷凝成水。

本发明的外壳的优点是，水蒸气和其他湿气通过层状结构从外壳释放。当在外壳内的电子设备产生热量时，外壳内增加的压力推动空气和湿气通过层状结构从外壳排出。当电子设备被再次冷却时，湿气和水蒸气由于层状结构的设计不能够进入外壳。当外壳内的压力不足够高以将空气从外壳排出时，还可以使用风机或风扇以产生所需的压力差。

当湿气从外壳内除去时，外壳内侧的电子设备腐蚀的风险最小化。在没有任何附加的能量或化学物质而仅使用由电子设备产生的热量的情况下，湿气和水蒸气从外壳去除。根据一个实施方案，产生热量的电子设备是电加热器。当外壳用在恶劣的条件下并且在外壳内的设备不产生足以用于外壳的操作的热量时可以使用这种加热器。

根据实施方案，外壳是密封的外壳，其中外壳的壁或顶板的至少一部分由层状结构形成。层状结构的表面面积取决于设计偏好。

附图说明

下面将参照附图借助优选实施方案对本发明进行更详细的描述，其中

图1示出在本发明中使用的层状结构的简化视图。

具体实施方式

根据本发明，外壳至少部分由层状材料3形成。层状材料的内层1由多孔金属形成，并且层状材料的外层2由吸湿性多孔材料形成。因此，适于包围电子设备的外壳至少部分由层状材料3形成，使得多孔金属的层朝向外壳的内部，并且吸湿性多孔材料的层在外壳的外表面上。

本发明的外壳可以为任意类型或任意尺寸。外壳可以容纳低功率电子设备或兆瓦规模的电子设备。外壳可以为机壳、容器、壳体或在其结构内可适于容纳电子设备的任何其他结构。

由于外壳至少部分由层状材料3形成，所以外壳以受控的方式提供了自然或人工的呼吸作用。由多孔金属形成的内层1作为外壳的稳定结构材料并且同时作为热导体。例如，多孔金属优选多孔铝、多孔铜、多孔钢或多孔铁。下面使用多孔铝作为合适材料的示例。

多孔铝将热量传导至外表面，并且将热量通过辐射和传导从外表面移动到周围空气中。内层的优良导热性、热质量和多孔铝的大的内部表面是对于热交换器的有利性质。

由吸湿性多孔材料形成的外层2优选为陶瓷膜涂层，例如SiO₂、TiO₂、SnO₂或ZrO₂陶瓷膜涂层或具有与上述陶瓷涂层相似性质的涂层。

由于层状材料是多孔的，所以该层也允许通过对流来传递热量。热对流的量可以通过内层1的制造过程进行控制，并且多孔铝作为流量控制层。

以下将对本发明的操作和层状材料的制造进行更详细的说明。

在本发明的外壳中所使用的层状材料3的内层1优选为多孔铝，并且通过浇铸来制造。铝是非常坚硬、具有泡沫结构的轻质、导热的和普遍使用的材料。高孔隙率铝在整个表面上是可渗透的。多孔铝制造是标准工艺，并且已用于宽的应用范围中，例如过滤器、消音器和热交换器。

多孔铝的优点为材料的易成形性。多孔铝可以根据规格来生产，并且因此外壳的设计是自由的。多孔铝还由于浇铸结构而提供了极其坚固的结构和抗变形力。多孔铝的制造技术也符合成本效益。在制造过程中铝连同盐晶体被铸造成期望的形状和尺寸。在铝被冷却之后，盐晶体被洗掉，为铝留下期望的孔隙率。

铝的孔隙率可以根据设计来选择。在本发明中使用的铝的孔径范围最高达200μm。由于高体积孔隙率(大的内表面)所以多孔铝适于用作对流热传递中的热交换器。

在本发明的外壳中所使用的层状材料3的外层2优选由以公知的溶胶-凝胶工艺制备的SiO₂聚合物陶瓷(SiO₂polymerceramic)构成。外层优选为利用溶胶-凝胶工艺获得的陶瓷膜涂层。尽管在形成外层时优选溶胶-凝胶工艺，但是在产生期望的层时存在其他可能性。

由于其高孔隙率和无定形结构，SiO₂聚合物陶瓷利用毛细管运动可以非常好地吸附和输送蒸汽。另外，SiO₂聚合物陶瓷关于其吸湿性是公知的。外层的孔径在5μm至10μm的范围内。因此，根据实施方案，外层的孔径小于内层的孔径。

本发明的外壳利用在电子设备的循环负载运行期间不可避免地发生的自然过程。因此，这是非常可靠的并且在没有复杂的设备(例如电机或阀)和有关的控制软件以使其特别适于电动车辆的运行的情况下能够操作。在下文中，将就被包围在本发明的外壳中的变频器的周期运行进行描述。

1.开始运行

由于积累在外壳内侧的热损耗增加，温度和随后的压力将在外壳内侧增大。本发明的外壳作为智能过滤器，并且允许空气从机械外壳流出。这导致空气和蒸汽的总质量流动。由于这个过程潜在的冷凝水被输送到外部环境。

2.稳定运行

当变频器持续运行时，外壳的内侧与周围大气之间的压力保持在平衡状态。由于外壳内侧的已经减少的空气/蒸汽密度和从电子组件持续供给的热量主要通过传导和辐射过程耗散，所以现在质量流动效应最小。此时，在外壳内侧不存在水冷凝的风险。

3.电机减速

例如，由于受变频器驱动的电机的减速，运行减速，因此热损耗开始变少。电子设备开始冷却并且压力降低。这将导致空气和蒸汽回流到机壳中。然而，由于本发明的外壳，空气将允许流回到外壳的内侧，而蒸汽被保持在外表面处。可能的冷凝水以这种方式被过滤并根据环境条件积累在层状结构的外层上。当现在关断驱动器时，机壳内侧的绝对水量将大幅减少，并且冷凝的风险及其所有后果显著减轻。

在重复周期运行期间，利用再次增加的热损耗，积累到层状结构的外表面的水将被蒸发掉，同时智能过滤器再生。水的蒸发将为外壳提供附加的冷却效果。这种机制还增强了初始气密性，所述初始气密性时由于在本发明的多孔外层内的冷凝水分子导致，其阻碍了气流并且增强了结构内部的热量积累。后者大大地促进了高效的再生过程。

因此，当容器内的压力变得比环境压力高时，本发明的外壳的层状结构提供了空气通道。当加热的空气流出外壳时，空气流经铝的孔。由于孔的体积相当大，所以热量被传递到铝。也就是说，在空气流出时，其与大量的多孔金属接触。当加热的空气流出外壳时，热量也通过对流传递。

本发明的外壳优选为以这样的方式基本上被密封的外壳，密封外壳提供了高的IP级保护。由于外壳基本上被密封，所以湿度的去除可以以上述方式来实现。

外壳内的电子设备优选以这样的方式直接附接到层状结构的内层，即由电子设备产生的热量被有效地传递到层状结构的内层。多孔金属具有大的热质量并且导热良好。热量借助于多孔金属例如铝的大的内表面积被耗散到外部。

如上所述，本发明的外壳不必完全由层状的材料3形成。层状材料3的量取决于打算使用的设备和设备使用的周围环境。应理解，外壳的一个或更多个部分由层状材料形成，外壳的其余部分可以是任何已知类型的外壳。层状材料可以用在将外壳的内部与周围大气分隔开的任何部分中。层状结构可以用在外壳的壁、顶部或底部。

以上，结合优选实施方案对本发明的外壳进行描述，在优选实施方案中发热电子设备产生外壳的所述运行所需要的热量。然而，根据另一实施方案，发热电子设备可以为电加热设备。另外，外壳可以包括用于使空气从外壳向外壳的外侧移动的风机、风扇或其他类似的设备。在由外壳保护不受苛刻条件影响的电子设备本身不产生使自然呼吸作用发生的热量情况下，需要加热器装置和风机。在这种情况下，使用风机或类似设备将湿气从外壳去除。另外，通过用电加热器加热外壳将湿气或蒸汽从外表面去除，使得过滤器再生。当使用附加的加热器时，外壳的内侧可以通过以上述方式周期性地去除湿气而基本上保持干燥。尽管附加的加热器消耗电力，但是外壳的温度不会保持在升高的温度下，由此提供比在先前已知的外壳中更有效的湿气去除。

除了从外壳去除湿气和蒸汽的能力之外，在本发明的外壳中所使用的层状结构具有其他优点。当通过将能量吸收到内部结构来缓和声波时，在结构的内层中使用的多孔金属提供了降噪表面。声波也被散射，并且部分地被大而不均匀的多孔铝内层消除。多孔铝已经被用于气动设备以减少流动废气的声能。例如，当电子设备被用在车辆中时，降噪是有益的。

本发明的外壳的另一优点是外壳具有减轻了因外壳中的电弧而产生的快速压力变化的能力。由于电子部件的故障，外壳内可能发生电弧。已知将外壳或机壳设计成具有用于释放来自外壳的突发的压力峰值的出口或类似开口。

在本发明中，当由于对压力波的高抵抗性空气分子受多孔金属干扰时，层状材料的孔结构以将空气分子的动能吸收成为热量的受控方式来减轻压力。

由于压力释放机构可以组装在最容易发生电弧的地方附近，所以这可以简化外壳的关于压力控制的设计。开口的设置在某种程度上受设备的机械设计和设备的周围环境限制。在本发明中使用的层状材料可以在不考虑任何开口的影响的情况下自由地设置于外壳。

层优选被制成不同的孔结构/直径。同时，二氧化硅外层的小孔足够适合标准操作压力平衡，多次扩大的过滤器外壳的多孔铝内芯的孔在不损害机械稳定性和操作人员的安全的情况下允许机壳内的压力快速缓和。在压力突然增加的情况下，在发生电弧事件的情况下，外层仅仅被吹成无害粉尘。由于电弧事件本身的破坏性显著地降低了，所以机壳在电弧事件后，在重新施加外层之后可以重复使用。这是，因为由于发生在过滤器外壳中的强阻尼效应导致压力波强度非常迅速地衰减。因此，在不使用压力释放口或机械撑杆的情况下，部件损坏的风险降低，同时操作人员的安全得到保证。

可以使用其他制造技术获得多孔金属，以取代通过铸造得到的多孔金属。其他类型的多孔金属为已知为多孔金属的金属泡沫。

如上所述，在材料的制造期间可以选择层状材料的内层和外层两者的孔径。另外，除了孔径之外，还可以改变孔的密度。材料的尺寸和密度与层的厚度类似地根据具体设计来选择使用。通常，多孔金属的厚度是在0.5cm至3cm的范围内，并且吸湿性多孔材料的厚度在0.2mm至10mm的范围内。

对本领域技术人员明显的是，随着技术的进步，本发明构思可以以各种方式来实现。本发明及其实施方案不限于上述实施例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (14)

1.一种外壳，其中，所述外壳至少部分由层状材料(3)形成，所述层状材料的内层(1)由多孔金属形成，并且所述层状材料的外层(2)由吸湿性多孔材料形成。

2.根据权利要求1所述的外壳，其中，所述外壳适于容置电子设备。

3.根据权利要求1或2所述的外壳，其中，所述多孔金属选自包括多孔铝、多孔铜、多孔钢、多孔铁和前述多孔金属的混合物的组。

4.根据权利要求1或3所述的外壳，其中，所述吸湿性多孔材料为施加于所述多孔金属的表面的陶瓷膜涂层。

5.根据权利要求4所述的外壳，其中，所述陶瓷膜涂层为包含SiO₂、TiO₂、SnO₂、ZrO₂或具有相似性质的任意其他物质的涂层。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的外壳，其中，所述外壳为基本上密封的外壳。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的外壳，其中，所述外壳包括侧壁，并且其中，所述侧壁中的一个或更多个侧壁由所述层状材料形成。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的外壳，其中，所述外壳包括侧壁，并且其中，所述侧壁中的一个或更多个侧壁的一个或更多个部分由所述层状材料形成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的外壳，其中，所述外壳包括顶盖/顶板，并且其中，所述顶部/顶板至少部分由所述层状材料形成。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的外壳，其中，所述外壳适于容纳与所述层状材料的所述内层热接触的电子设备。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的外壳，其中，所述电子设备为发热电子设备。

12.根据权利要求11所述的外壳，其中，所述电子设备为变频器。

13.根据权利要求11所述的外壳，其中，所述电子设备为电子加热器。

14.根据权利要求13所述的外壳，其中所述外壳还包括用于在围绕所述外壳的外侧与内侧之间产生压力梯度的风扇或风机。