CN1852646B - 一种功率器件的蒸发冷却散热装置 - Google Patents

Abstract

一种功率器件的蒸发冷却散热装置，包括储液箱(10)、蒸发管(20)、冷凝器(30)、载板(40)和回液管(50)，两侧的蒸发管(20)与载板(40)焊接为一体，蒸发管(20)与冷凝器(30)、进气口(302)连接，冷凝器(30)的回液口(303)与储液箱(10)的回液口(102)通过回液管(50)相连；储液箱(10)及蒸发管(20)中灌入蒸发冷却介质(60)，蒸发冷却介质(60)的液面高于载板(40)的高度；器件固定于载板(40)上。载板(40)为光板，或在载板(40)的一面横向冲出沟槽，沟槽的槽底是圆弧状或平面状，沟槽或具有一定斜度。为了加强散热可以在左右两侧的蒸发管(20)之间焊接具有倾斜角度的强化管(2021)，强化管(2021)嵌入载板(40)背部的沟槽内。本发明结构简单，安装方便，冷却效率高，无噪声。

Description

一种功率器件的蒸发冷却散热装置 

技术领域

本发明涉及各种功率器件的散热装置，特别涉及采用蒸发冷却自循环***的器件散热装置。 

背景技术

随着功率器件容量的不断增大，对散热器的效能提出越来越高的要求。散热技术已成了大功率器件进一步发展的薄弱环节，所以对器件的冷却越来越得到广泛的重视。半导体器件是否能够正常地工作，除器件本身的质量外，在很大程度上还取决器件与散热器的合理配合。功率器件在工作状态下，由于结内产生热损耗而使结温上升，如果不用适当的方法将这种热损耗散到外面去，结温就会过高，从而使功率器件损坏，因此，通常必须考虑功率器件的冷却。器件的冷却方式可分为自然冷却、强迫风冷、液体冷却、沸腾冷却四大类。 

自然冷却是通过空气自然对流及辐射作用将热量带走的散热方式。这种冷却的特点是散热效率低，单位功率的体积大，通常适用于额定电流在20A以下的器件或简单装置中的大电流器件。 

强迫风冷主要用于电流额定值在50A至500A的器件，风冷的特点是散热效率高，是自然冷却的2～4倍，但是要采用风冷却，就要配备风机，因而出现噪音大、容易吸入灰尘、维护困难、可靠性相对低等缺点。 

液体冷却主要用的冷却介质为水或者油。水冷的冷却效率极高，其对流换热系数等于空气自然换热系数的150～300倍。以水冷散热器代替风冷，可以大大提高器件的容量。这种散热器一般用于电流容量在500A以上的器件，由于水的绝缘性能很差，而且会在高电压下出现电腐蚀和漏电现象，电压越高，则电蚀现象越严重，有时需要采取额外的防蚀措施。因此对高压装置来说，其冷却水必须用离子交换树脂来进行处理，同时采用复杂的循环水***。 

油冷的散热效率在水冷和风冷之间，其冷却介质大多采用变压器油，在油浸自然对流冷却时，传热系数仅为水冷的1/10。油的粘度大，需要较大的循环动力，且容易燃烧。 

沸腾冷却具有极高的冷却效率，沸腾冷却的传热效率比油冷高若干倍，比风冷却高十几倍，也超过水冷。因此，沸腾冷却装置的体积比同容量油冷却和自冷却装置要小得多。 

浸泡式沸腾冷却的冷却效果极好，但更换器件困难，非浸泡式冷却的效果虽然差些，但更换器件却很方便。 

中国专利CN200320129492.1“大功率电力电子器件蒸发冷却装置”，提出功率电力电子器件即功率模块安装在蒸发冷却箱的外侧板表面，功率模块工作时产生的热量传至与模块接触的蒸发冷却箱，箱内冷却液吸热，沸腾冷却。其传热效果较好，但其结构存在密封(易造成***的介质泄漏，影响装置安全可靠)及介质消耗量大的问题。氟利昂-113在2010年以后将停止使用，而新的冷却介质价格比较昂贵，介质的消耗量将会影响该专利的推广使用。 

所以为了降低成本及提高装置的可靠性，本发明提出了一种新的冷却结构， 

发明内容

为了既获得较好的冷却效果，又满足器件更换方便、降低成本及提高装置可靠性的要求，本发明提出一种功率器件的蒸发冷却散热结构，本发明通过载板和蒸发管的特殊结构加强了换热，减少了冷却介质用量。同时由于载板背部不和冷却介质接触，降低了载板的加工工艺要求，发热部件的固定也更容易。由于本发明不存在关键密封部分，减少了密封部分给***造成的介质泄漏机会，同时热量依靠介质汽化潜热带走热量，冷却效率高。 

本发明采用沸腾冷却与自然冷却结合的方式实现器件的冷却。本发明由储液箱、蒸发管、载板、冷凝器和回液管组成。储液箱、蒸发管、载板连接为一体，材料采用铜或铝等高导热率且有一定硬度的材料。器件可以采用螺母拧紧或用六角基座从上方拧紧的方法固定在载板上。器件的热量依靠传导和对流，传递给蒸发管管道内的冷却介质，冷却介质吸热沸腾，通过汽化热将热量带出，并沿蒸发管道上升，在冷凝器中与冷却管道完成热量交换，变为液体，然后，通过回液管回到储液箱中，形成密闭自循环***。 

载板将热量一部分依靠传导和对流将热量传递给蒸发管内的冷却介质，另有部分依靠载板背部的特殊结构将热量依靠对流与外界空气进行热交换。为了满足不同要求的工况，本发明设计了四种载板结构。载板固定功率器件一侧的表面抛光处理，以减少器件与载板的接触热阻。当器件发热量较大时候，采用带横向蒸发管结构，热量一方面通过载板左、右和底边将热量传递给冷却介质，另一方面将热量传递给载板背部的强化管。设计时，载板的宽度应根据功率器件的大小设定，应尽量使载板宽度最小，发热部件应上下布置。 

本发明的蒸发管是整个散热***热传递的通道，可以采用圆管、方管或矩形管，材料可以是铜或铝。管径的大小根据实际器件的发热量来设计。为了降低热阻，本发明将载板与蒸发管焊接为一体。蒸发管与储液箱的连接根据实际需要可以是焊接为一体也可以通过法兰对接或软管连接。 

本发明的储液箱采用6块相同材质金属构成或用蒸发管20直接弯成。在储液箱与蒸发管采用非焊接时，材料可以选择不锈钢、铜、铝等金属。当焊接一体时，储液箱的材料要和 蒸发管的材料相同。同时为了增加冷却效果，可以将载板同时与储液箱上面相焊接，将载板的部分热量传递给储液箱。 

本发明所用冷凝器具有两个进气口、一个回液口、排气口、压力传感器接口以及压力表口、进出水口。本发明中冷凝器中管道采用铜管，并在冷凝器的上部腔体留出100mm的集气空间。上升的气体通过进气口，进入冷凝器，遇到内部通有冷却水的铜管，进行热量交换，将介质汽体冷却变为液体，通过回液口，流入储液箱。压力传感器用于传递信号给控制设备，保证***的安全运行。 

本发明所用的蒸发冷却介质是高绝缘、低沸点、物化性能稳定、满足环保要求的蒸发冷却介质，如新氟碳化合物Fla、4310、3000等以及目前正在采用的F-113介质。常温下为液态，受热到50~60℃左右，吸热蒸发，变为气体。 

本发明具有明显的优点： 

1、冷却效率高。本发明使用低沸点、高绝缘、不燃烧、无毒、化学性能稳定的蒸发冷却介质，通过两侧的蒸发管，大部分热量通过介质的汽化潜热将器件热量带走。载板背部特殊处理，更提高了器件的冷却效率。 

2、结构简单。本结构可以根据器件的固定方式，而进行加工设计，方便地将器件固定在载板上。 

3、噪音小，可靠性高。本发明蒸发冷却相对于以往冷却方式，如风冷，省去了原来整个通风***，大大地减少风机带来的噪音以及风机故障对***的危害；介质具有高绝缘，消除了原来水泄漏造成的电击穿等缺点。同时不存在密封泄漏的问题。采用了自循环结构，不需要外部循环动力。 

附图说明

图1是本发明具体实施方式蒸发冷却散热结构后视图，图中：10储液箱、20蒸发管、30冷凝器、40载板、50回液管、60冷却介质。 

图2是本发明储液箱10结构左视图，图中：101箱体、102回液口、103带阀门排液口、104连通口。 

图3是本发明蒸发管20结构示意图。图3a为不带横向蒸发管结构示意图、图3b为带横向蒸发管结构示意图。 

图4是本发明冷凝器30结构示意图，图中：301壳体、302进气口、303回液口、304传感器、305压力表接口、306铜管、307电磁阀。 

图5是本发明载板各种结构示意图，图5a为光板结构示意图、图5b为带肋载板结构示意图、图5c为网肋载板结构示意图、图5d为斜肋载板结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。 

如图1所示，本发明由储液箱10、蒸发管20、冷凝器30、载板40和回液管50组成。储液箱10及蒸发管20连通，可通过焊接、法兰及软管连接，载板40与两侧的蒸发管20焊接一体，蒸发管20与冷凝器30的进气口302采用法兰或软管连接，冷凝器30的回液口303与储液箱的回液口102通过回液管50相连，构成一种高效的散热结构。储液箱10及蒸发管20中灌入蒸发冷却介质60，蒸发冷却介质60的液面高于载板40的上界面高度。器件固定于载板40表面。当器件发热量较大时候，热量一方面通过载板40左、右和底边将热量传递给冷却介质，另一方面将热量传递给载板40背部的强化管2021。设计时，载板40的宽度应根据功率器件的大小设定，尽量使载板40宽度最小，发热部件应上下布置。 

图2是本发明储液箱10的结构示意图。如图2所示，箱体101采用金属材料的矩形板材焊接或用蒸发管20直接弯成。回液口102与回液管50相连。带阀门的排液口103用于将储液箱10的液体排出。连通口104可以设计为与蒸发管20为一体，也可以中间加法兰连接。 

图3是本发明蒸发管20的结构示意图。如图3a所示，不带横向蒸发管结构，左右两侧蒸发管20在载板40的横向空间不连通，冷却介质60在各自的管道内受热，汽化后将热量带入冷凝器30进行热量交换。为了结构灵活，将冷凝器30与蒸发管20通过法兰或软管连接，可以实现冷凝器的远距离放置。蒸发管20采用铜或铝等高导热率的金属材料。图3b所示为带横向蒸发管的结构，为了增加载板40的散热效率，在左右两侧的蒸发管20之间焊接具有一定倾斜角度的强化管2021`，布满载板40的背部，制作材料与蒸发管20的材料相一致，管径的选择可以是任意，并与图5d所示的载板40结构相配合，强化管2021嵌入载板40背部的沟槽内，并通过导热硅脂或焊接方式保证接触良好。 

图4是本发明冷凝器30结构示意图。如图4所示，铜管306在冷凝器壳体301内部水平布置，为了充分发挥冷凝器30的冷凝效率，并较少排气次数，要求铜管306与冷凝器壳体301上部距离大于100mm，冷凝器的管程根据冷却容量可以设计为单管程或双管程。传感器304用于检测内部腔体的工作压力，当压力超过预想压力时，通过控制设备打开电磁阀307进行排气。保证***的安全运行。 

图5是本发明载板40结构示意图。为了满足结构在不同散热工况下的要求，提高散热效率，载板40设计了4种结构。如图5a所示的光板结构：载板40安装器件的面采用抛光，研磨，要求具有较高的平整度，尽量较少接触热阻。另一面可以不作处理。图5b为带肋载板结构，在载板40背部横向冲出一些沟槽，槽底可以是圆弧状或平面状。图5c为网肋载板 结构，在载板40背部纵、横向冲出一些沟槽，沟槽槽底可以是圆弧状或平面状。图5d为斜肋载板结构，在载板40背部冲出一些具有一定斜度的沟槽，沟槽的大小与强化管2021外径相同，使强化管2021嵌入到载板的斜槽内，通过导热硅脂或焊接保证接触良好。当需要散热量较大时，载板40将热量传递给背部的强化管2021内部的冷却介质，介质在一定斜度的管内沸腾，将热量带走。 

如图1所示，本发明采用螺母拧紧的方法或用六角基座从上方拧紧的方法，将器件固定在载板40上，打开电磁阀307，充入蒸发冷却介质，观察回液管50中液位的高度，控制液面超过载板40上界面，停止充液。当功率器件工作时，由于内部损耗器件温度上升，热量一方面通过载板40左、右和底边将热量传递给蒸发冷却介质60，另一方面将热量传递给载板40背部的强化管2021`内部的蒸发冷却60，蒸发冷却介质60吸收热量，超过饱和压力下温度，开始沸腾，通过汽化将热量带走，冷却介质60气体沿蒸发管20上升，到达顶部的冷凝器30，与通有二次冷却水的冷却管306进行热交换，将热量传递给二次冷却水带走，同时介质其体被冷凝为液体，沿回液管50流入储液箱10，形成密闭自循环结构。冷凝器30上方设有压力传感器304用于检测腔体内部的压力，电磁阀307具有自动排气和管液双重功能。 

本发明实现了蒸发冷却传热与自然散热双重功能的冷却，结构简单，安装方便，冷却效率高和无噪声等。本发明适用于各种功率器件散热，如二极管、三极管、IGBT、IGCT、晶闸管、可关断晶体管等功率器件，同时可以应用于各种设备发热部件的冷却。 

Claims (6)

1.一种功率器件的蒸发冷却散热装置，包括蒸发管(20)、冷凝器(30)和回液管(50)，其特征在于还包括储液箱(10)、载板(40)；位于所述载板(40)两侧的蒸发管(20)与载板(40)焊接为一体，蒸发管(20)与冷凝器(30)进气口(302)采用法兰或软管连接，冷凝器(30)的回液口(303)与储液箱(10)的回液口(102)通过回液管(50)相连；储液箱(10)及蒸发管(20)中灌入蒸发冷却介质(60)，蒸发冷却介质(60)的液面高于载板(40)的上界面高度；所述的功率器件固定于载板(40)一侧经抛光处理的表面。

2.按照权利要求1所述的功率器件的蒸发冷却散热装置，其特征在于载板(40)另一侧表面被抛光。

3.按照权利要求1所述的功率器件的蒸发冷却散热装置，其特征在于在所述载板(40)的另一侧表面横向冲出沟槽，沟槽槽底为圆弧状(4021)或平面状(4022)。

4.按照权利要求1所述的功率器件的蒸发冷却散热装置，其特征在于在所述载板(40)的另一侧表面纵向和横向冲出沟槽，沟槽槽底为圆弧状(4021)或平面状(4022)。

5.按照权利要求1所述的功率器件的蒸发冷却散热装置，其特征在于在所述载板(40)的另一侧表面冲出具有一定斜度的沟槽。

6.根据权利要求1所述的功率器件的蒸发冷却散热装置，其特征在于在左右两侧的蒸发管(20)之间焊接具有一定倾斜角度的强化管(2021)，强化管(2021)嵌入载板(40)另一侧表面的倾斜沟槽内。

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