CN102412210B - 流固耦合散热器及散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流固耦合散热器，所述散热器包括：吸热部件，所述吸热部件用于安装热源；所述吸热部件的内部设有与外界相密封的腔，所述腔内装有流体；所述流体在常态下的液面不低于在重力方向上所述腔内的最高点和最低点的中间位置；散热部件，所述散热部件设置在所述吸热部件上。本发明具有散热效率高、实施方便等优点，可用于电子领域。

Description

流固耦合散热器及散热方法

技术领域

本发明涉及散热器领域，特别涉及IGBT等大功率发热器件的散热领域。

背景技术

近年来，随着大功率电力电子器件的发展，变频器的容量得到迅速提高，其散热系统设计已成为一个关键问题。实际经验表明，变频器散热系统设计的好坏，直接影响到变频器能否安全稳定的长时间工作。变频器发热的绝大部分是由功率器件的损耗引起，而功率器件本身对温度比较敏感，温度的变化会影响器件的开通和关断过程，并影响变频器的工作性能。为了限制功率器件的温升，常见的散热方式一般有自然冷却、强迫风冷、油冷和水冷四种。强制风冷的散热效果是自然风冷的5～10倍，油冷或水冷的散热效果是自然冷却的120～150倍。从结构的复杂性和实现的难易程度来看，强制风冷比水冷有着结构简单，实现容易和可靠性高等优点，因此功率在数百瓦的变频器主要采用强制风冷进行散热。

目前对变频器散热系统已有一些研究，大多集中在IGBT发热量方面的分析，请参见《基于PSPICE仿真的IGBT功耗计算》，微电机，曹永娟、李强，林明耀.2004，37(6)：40-42；《高压变频器散热与通风的设计》，变频器世界，续明进，张皓，董武，2005，9(5)：68-71；《高压变频器散热系统的设计》，电力电子技术，王丹，毛承雄，范澎等，2005，39(2)：115-117。

关于强制风冷散热器的研究，往往也集中在对翅片厚度、高度、间距等几何尺寸的研究上，请参见《电力电子装置强制风冷散热方式的研究》，电力电子技术，杨旭、马静、张新武等，2000，34(8)：36-38；《牵引逆变器散热系统的分析与设计》，同济大学学报(自然科学版)，张舟云、徐国卿、沈祥林，2004，32(6)：775-778；《影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析》，电子器件，付桂翠、高泽溪，2003，26(12)：354-357。

上述研究成果仅能小幅度的调高散热器的性能，并没有对散热路径做任何的更改。因此，其散热对象往往集中在百瓦级别的IGBT散热上。在上千瓦的大功率IGBT的散热中，目前多采用水冷散热器。通过在散热器的吸热底板上设计流道，并由水泵驱动流体，将热量更均匀的分布到散热齿上。这存在以下缺点：

1、需要额外的动力装置，耗费电能。

2、水泵作为一个运动部件，容易损坏；

3、往往需要管路连接，众多的接头，容易导致泄漏。

4、外力如水泵或者搅拌器驱动的液体流动，在靠近壁面的地方存在流体边界层，该区域内为层流状态，导热能力非常差，热阻很大。

发明人经过对风冷散热器的深入的CFD仿真和实验测试，发现使用风冷散热器，散热效果不够理想，主要原因在于安装热源的吸热部件温度均匀性不好，如图1所示，在IGBT发热功率1500W的情况下，吸热底板上的温差高于30℃，很多散热齿的温度较低，起不到太大的散热效果，导致散热器的散热效率低下，如果将此温差消除，则能使热源IGBT的温度降低15℃；而水冷散热器存在边界层内是层流状态，对流传热效果弱的缺点。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种实施简单、可靠性高、性能大幅提高的流固耦合散热器，以及一种散热效率高、实施方便的流固耦合散热方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种流固耦合散热器，所述散热器包括：

吸热部件，所述吸热部件用于安装热源；所述吸热部件的内部设有与外界相密封的腔，所述腔内装有液体且不充满所述腔；

散热部件，所述散热部件设置在所述吸热部件上；所述散热部件通过所述吸热部件、所述腔内的液体与所述热源连接。

根据上述的流固耦合散热器，所述液体在工作状态下呈沸腾状态。

根据上述的流固耦合散热器，可选地，所述液体是水或丙酮或乙二醇溶液。

根据上述的流固耦合散热器，可选地，所述散热部件设置在所述吸热部件上远离所述热源的部位。

根据上述的流固耦合散热器，可选地，所述散热部件是散热齿。

根据上述的流固耦合散热器，可选地，所述腔内处于负压状态。

根据上述的流固耦合散热器，优选地，所述腔内的液体的液面不低于所述热源在重力方向上的最高点。

本发明的目的还通过以下技术方案得以实现：

流固耦合散热方法，所述散热方法包括以下步骤：

(A1)热源的热量传递到吸热部件上与所述热源相接触的部位；

(A2)所述部位上的热量传递到所述吸热部件内部的与外界相密封的腔内的液体，所述液体不充满所述腔；

(A3)所述液体吸收热量而沸腾，从而剧烈地搅动所述液体，使得与所述液体接触的吸热部件的温度趋向均匀；气态的流体从壁面产生时，完全破坏了外力驱动流动中所存在的边界层，使靠近热源的液体都处于湍流状态；

(A4)所述吸热部件通过散热部件散热，所述散热部件通过所述吸热部件、所述腔内的液体与所述热源连接。

根据上述的流固耦合散热方法，所述腔内是负压。

根据上述的流固耦合散热方法，所述散热部件是散热齿。

根据上述的流固耦合散热方法，优选地，所述腔内的液体的液面不低于所述热源在重力方向上的最高点。

本发明的基本原理为：在工作状态下，随着温度的升高，腔内的流体达到沸腾状态，液体内部剧烈翻滚，形成强烈的湍流状态，从而搅动整个液体的流场，使液体的温度场趋向均匀，因此凡是与液体接触的散热部件温度趋向一致，提高了散热部件根部的平均温度，降低了热源的温度，提高了散热器的散热能力。如图5所示，相比于图1中所示的散热器，在相同发热量的情况下，本发明的散热器的吸热部件的温度更均匀，热源的温度下降了18℃。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、实施简单、成本低。由于使用沸腾散热方式，省去了普通水冷或者油冷装置中的管路、驱动泵，成本大大降低。

2、无运动部件。由于该流固耦合散热器无需外部循环泵，因此不存在运动部件，不易损坏。

3、可靠性高。由于该流固耦合散热器无外部管路，流体是密封在腔内部，不存在管接头，且内部可为负压，因此不会产生泄漏。

4、体积小。由于该散热器的散热效率高，因此在相同的散热量情况下，其体积更小。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是现有技术中风冷散热器的温度分布示意图；

图2是根据本发明实施例1的流固耦合散热器的基本结构图；

图3是根据图1中的流固耦合散热器在俯视方向上的剖视结构图；

图4是根据本发明实施例1的流固耦合散热方法的流程图；

图5是使用了本发明后的散热器的温度分布示意图。

具体实施方式

图2-5和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图2示意性地给出了本发明实施例1的流固耦合散热器的基本结构图，图3是根据图1中的流固耦合散热器在俯视方向上的剖视结构图，如图2、3所示，所述散热器包括：

吸热部件21，热源11安装在所述吸热部件21上；所述吸热部件21的内部设有与外界相密封的腔22，所述腔内装有液体23，从而使得所述液体23吸收热量后沸腾，液体23内部剧烈翻滚，形成强烈的湍流状态，从而搅动整个液体的流场，使液体的温度场趋向均匀，因此凡是与液体接触的吸热部件温度趋向一致。所述吸热部件采用铝、银等热导热率比较高的材料。

散热部件31，如采用散热齿、散热条等形状，并采用铝、银等导热率比较高的材料。所述散热部件31设置在所述吸热部件21上，通过所述吸热部件21、所述液体23而与所述热源11连接。

可选地，所述液体23可采用水或丙酮或乙二醇溶液等材料。

可选地，所述腔22内处于负压状态，从而使得腔22内的液体23在低温下也能沸腾，从而使得与所述液体23接触的吸热部件21上的温度趋于均匀。

可选地，所述液体23的液面不低于所述热源11在重力方向上的最高点，但不充满所述腔22，从而使得热源11的热量尽快地传递到所述液体23，通过液体23的沸腾使得与所述液体23接触的吸热部件21的温度趋于均匀，提高了散热效果。

图4示意性地给出了本发明实施例1的流固耦合散热方法的流程图，如图2-4所示，所述散热方法包括以下步骤：

(A1)热源11的热量传递到吸热部件21上与所述热源11相接触的部位；

(A2)所述部位上的热量传递到所述吸热部件21内部的与外界相密封的腔22内的液体23；所述液体23可采用水或丙酮或乙二醇溶液等材料；

(A3)所述液体23吸收热量而沸腾，从而搅动所述液体23，使得与所述液体23接触的吸热部件21的温度趋向均匀，因此凡是与液体接触的吸热部件21温度趋向一致，提高了散热部件31根部的平均温度，；

(A4)所述吸热部件21通过散热部件31散热，所述散热部件31通过所述吸热部件21、液体23与所述热源11连接。

可选地，所述散热部件31采用散热齿等散热效果好的部件。

可选地，所述腔22内处于负压状态，从而使得腔22内的液体23在低温下也能沸腾，从而有效地带走热源11上的热量，降低热源11的温度。

可选地，所述液体23的液面不低于所述热源11在重力方向上的最高点，但不充满所述腔22，从而使得热源11的热量尽快地传递到所述液体23，通过液体23的沸腾使得与所述液体23接触的吸热部件21的温度趋于均匀，提高了散热效果。

根据本实施例的散热器和散热方法达到的益处在于：在吸热部件内设置的腔，腔内的流体由于沸腾而使液体内部剧烈翻滚，形成强烈的湍流状态，从而搅动整个液体的流场，使液体的温度场趋向均匀，因此凡是与液体接触的吸热部件温度趋向一致，如图5所示，提高了散热部件根部的平均温度，降低了热源的温度，提高了散热器的散热能力。

实施例2：

根据本发明实施例1的散热器和散热方法在大功率IGBT的散热中的应用例。密封腔内的液体为水，该密封腔内在热源不发热的情况下绝对压力为56mmHg。吸热部件和散热部件都采用铝。密封腔内的水面低于热源在重力方向上的最高点。热源的工作环境温度为30℃，当热源开始工作时，热源的温度升高，热源的热量通过吸热部件而传递到密封腔内的水，水的温度上升，当上升到40℃时，密封腔内的水开始沸腾，从而搅动整个流场，形成强烈的湍流，将热量传递到散热部件(如散热齿)的根部。整个吸热部件的温度均匀性良好，所有的散热部件(如散热齿)的根部温度也比较均匀，从而实现在散掉相同热量的情况下，散热器体积更小。

实施例3：

根据本发明实施例1的散热器和散热方法在大功率IGBT的散热中的应用例。密封腔内的液体为丙酮，该密封腔内在热源不发热的情况下压力为常压。吸热部件和散热部件都采用铝。密封腔内的丙酮的液面不低于热源在重力方向上的最高点。热源的工作环境温度为30度，当热源开始工作时，热源的温度升高，热源的热量快速地通过吸热部件而传递到密封腔内的丙酮，丙酮的温度上升，当上升到58℃时，密封腔内的丙酮开始沸腾，从而搅动整个流场，形成强烈的湍流，将热量传递到散热部件(如散热齿)的根部。整个吸热部件的温度均匀性良好，所有的散热部件(如散热齿)的根部温度也比较均匀，从而实现在散掉相同热量的情况下，散热器体积更小。

Claims (8)

1.流固耦合散热器，其特征在于：所述散热器包括：

吸热部件，所述吸热部件用于安装热源；所述吸热部件的内部设有与外界相密封的腔，所述腔内装有液体且不充满所述腔；所述腔内的液体的液面不低于所述热源在重力方向上的最高点；

散热部件，所述散热部件设置在所述吸热部件上；所述散热部件通过所述吸热部件及所述腔内的液体与所述热源连接；

在水平方向上，热源、吸热部件和散热部件依次排列。

2.根据权利要求1所述的流固耦合散热器，其特征在于：所述液体在工作状态下呈沸腾状态。

3.根据权利要求2所述的流固耦合散热器，其特征在于：所述液体是水或丙酮或乙二醇溶液。

4.根据权利要求1所述的流固耦合散热器，其特征在于：所述散热部件是散热齿。

5.根据权利要求1所述的流固耦合散热器，其特征在于：所述腔内处于负压状态。

6.流固耦合散热方法，所述散热方法包括以下步骤：

(A1)热源的热量传递到吸热部件上与所述热源相接触的部位；

(A2)所述部位上的热量传递到所述吸热部件内部的与外界相密封的腔内的液体，所述液体不充满所述腔；所述腔内的液体的液面不低于所述热源在重力方向上的最高点；

(A3)所述液体吸收热量而沸腾，从而搅动所述液体，使得与所述液体接触的吸热部件的温度趋向均匀；

(A4)所述吸热部件通过散热部件散热，所述散热部件通过所述吸热部件及所述腔内的液体与所述热源连接；

在水平方向上，热源、吸热部件和散热部件依次排列。

7.根据权利要求6所述的流固耦合散热方法，其特征在于：所述腔内是负压。

8.根据权利要求6所述的流固耦合散热方法，其特征在于：所述散热部件是散热齿。