CN102647884A - 散热器及其散热水道系统结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种散热器及其散热水道系统结构，其中，散热水道系统结构，包括至少两个串联设置的与待散热部件相匹配的热交换腔，所述热交换腔具有前后位置对应的冷却水入口和冷却水出口，所述热交换腔通过连接于所述冷却水入口和所述冷却水出口之间的冷却水通道相互串联，所述冷却水通道的宽度小于热交换腔的覆盖宽度，所述热交换腔内设置有一组从冷却水入口向冷却水出口延伸的隔板，所述隔板将热交换腔内的空腔分隔为一组小水道。上述结构的水道系统具有系统总水阻小、散热均匀、效率高的优点。

Description

散热器及其散热水道系统结构
技术领域
本发明涉及散热器技术领域，尤其涉及一种用于为功率模块散热的散热器及其散热水道系统结构。
背景技术
电动汽车用电机控制器是电动汽车动力源--电机的机电转换控制装置，其性能的优劣直接决定了电机系统的性能。在电机系统进行机电转换过程中，电机控制器内的功率模块工作在高频开通和关断状态，存在的开关损耗和通态损耗以热能形式释放；由功率模块的特性可知，若释放的热量不能及时被散热器系统带走，将使功率模块温度升高致使其性能降低，因此，要保证电机控制器的性能和可靠性，就必须对功率模块进行良好的散热。目前，综合考虑冷却效果、使用环境和成本，电机控制器中的功率模块的散热系统通常采用水循环冷却系统。在现有的水循环冷却系统中，其水道系统的结构主要有以下三类：
如图1所示，为现有技术中的第一类水道系统的结构示意图，包括横截面相同且沿直线延伸的水道1，该水道的两端分别对应设置有冷却水入口5及冷却水出口6。其中，水道1的有效宽度与发热部件2、3、4的宽度相当，即水道1可以覆盖到发热部件2、3、4的边缘。该类水道横截面积大、结构单一，致使水流在水道内以层流形式流动，紧贴水道表面的冷却水与水道表面之间的摩擦阻力，大于水道中央水流与水流之间的摩擦阻力，形成水道中心区域流速快，表层区域流速慢的特点，整个水流的速度呈图4所示的抛物线型分布。此种情况，水道表层附近，即黏性流底层7的流速较低，而此区域内的水温较高，水流中心的水温较低，但流速较快，这种水流温度的不均匀性使得整个散热系统的效率较低。
如图2所示，为现有技术中的第二类水道系统的结构示意图，此类结构的水道系统是在第一类水道系统的水道中设置了一组平行的隔板8，这一组平行的隔板8将图1所示的水道分隔成多个并排的小水道，此种结构在减小水力半径的同时，水流沿程与散热器冷却水道表面的接触面积也大大的增加，水流速度的不均匀性如图5所示得到了大大的改善。但是，由于增加了水流沿程与水道表面摩擦，水阻较大，其水流平均速度较低，水流动能损失较大。对于非发热体区域的水流动能损失就使整个散热系统的效率降低。
如图3所示，为现有技术中的第三类水道系统的结构示意图，其是将第一类水道分隔成两个小水道后，在一端将两个小水道进行串联形成为一个水道。新形成的水道的冷却水入口13和冷却水出口14位于同一侧。这类水道结构比第一类水道的效率高，比第二类水道的水阻小。但对于此结构的水道，同一块功率模块10、11、12由较冷的流入水和较热的流出水同时通过，致使同一功率模块10、11、12上下温度不均而产生热应力，此热应力会对功率模块10、11、12造成不可逆转的损坏。
由此可见，对水道结构的优化来提高散热器的散热性能，进而降低功率模块部位的温度，确保电机控制器的性能和可靠性是本领域技术人员所要解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种散热水道系统结构，同时还提供一种散热器，用以解决现有技术中的缺陷，达到提高散热能力，保证电机控制器的性能和可靠性的目的。
为实现上述目的，本发明提供一种散热水道系统结构，包括至少两个串联设置的与待散热部件相匹配的热交换腔，所述热交换腔具有前后位置对应的冷却水入口和冷却水出口，所述热交换腔通过连接于所述冷却水入口和所述冷却水出口之间的冷却水通道相互串联，所述冷却水通道的宽度小于热交换腔的覆盖宽度，所述热交换腔内设置有一组从冷却水入口向冷却水出口延伸的隔板，所述隔板将热交换腔内的空腔分隔为一组小水道。
优选地，所述冷却水入口和所述冷却水出口均位于热交换腔宽度方向的中部。
优选地，所述隔板的长度从中间一块向两侧依次变短，所述小水道的宽度从中间一条向两侧依次变宽。
优选地，所述隔板平行设置。
优选地，所述隔板为直板或S形板。
本发明还提供一种散热器，包括散热器壳体，所述散热器壳体内设置有上述任一散热水道系统结构。
本发明的散热水道系统结构中，整个水道系统的截面是不相等的，在需要散热部位的截面积大于非散热部位的截面积，同时，在截面积较大的热交换腔内设置了一组隔板，使得热交换腔内的水流由层流现象严重的一股水流变为层流现象不严重的一组小水流，使冷却水的有效散热比例大大提高，使得冷却水可以最大限度的吸收待散热部件因损耗而释放的热量。另外，在热交换腔内设置隔板后，热交换腔内的水流形式由在冷却水通道内的层流转变为湍流，湍流提高了热交换腔内小水道表层区域的水流速度，因为表层区域水流的速度是对散热效率其决定性作用的，随着表层区域水流速度的提高，其冷却效率也相应的得以提升。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为现有技术中第一类水道的结构示意图；
图2为现有技术中第二类水道的结构示意图；
图3为现有技术中第三类水道的结构示意图；
图4水流层流速度分布图；
图5水流湍流速度分布图；
图6为本发明散热水道系统结构实施例的结构示意图；
图7为本发明散热器实施例的剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图6所示，本发明散热水道系统结构的实施例，在该实施例中共设置了三个相互串联的与待散热部件18、19、20相匹配的热交换腔15、16、17，热交换腔的个数不仅仅只限于三个，可以根据实际的应用需要来设定相应个数的热交换腔。其中，各热交换腔均具有前后位置对应的冷却水入口和冷却水出口，热交换腔是通过连接在冷却水入口和所述冷却水出口之间的冷却水通道30实现串联的，并且冷却水通道的宽度小于热交换腔的覆盖宽度(冷却水通道的宽度是指图6中冷却水通道上边缘到下边缘的距离；热交换腔的覆盖宽度是指图6中热交换腔上边缘到下边缘的距离)并且，热交换腔的覆盖宽度略大于待散热部件的宽度，这样才能完全覆盖到待散热部件，有利于均匀散热。在热交换腔内设置了一组相互平行的，从冷却水入口向冷却水出口延伸的直的隔板21，当然也可以是S形的隔板(这里所说的隔板呈S形是指，在图6所示的视角内，隔板从冷却水入口向冷却水出口沿正弦曲线或余弦曲线延伸)，而且隔板不仅仅限于上述两种结构，设置隔板主要是为了使热交换腔区域内水流的流速均匀，从而提高冷却水的有效散热比例，因此，其他结构形式隔板只要是用来提高冷却水的有效散热比例，均落入本发明的保护范围。这一组隔板21将热交换腔内的空腔分隔成了一组小水道22。为了使水阻相等，隔板21的长度从中间一块向两侧依次变短，小水道22的宽度从中间一条向两侧依次变宽。冷却水入口和冷却水出口均位于热交换腔宽度方向的中部，这样可以使得同一热交换腔内上下小水道之间具有相同的流速，便于保证对同一待散热部件进行均匀散热。
由不可压缩流体定常流动的连续方程“V1×A1＝V2×A2＝常数”可知，介质流过较大截面的流速较小，而流过较小截面的流速较大。本发明实施例中，冷却水通道的宽度小于热交换腔的覆盖宽度，则冷却水通道内的流速大于热交换腔内的流速，因为在热交换腔内设置了隔板，使得水流的平均流速满足散热的要求，即提高了紧贴水道表面的冷却水即冷却水散热的有效部分的流速，进而有利于将热量迅速的带走，因此提高了散热能力。
另外，由于隔板将热交换腔分隔成一组小水道后，使得热交换腔区域内的水流由如图4所示的层流转变为如图5所示的湍流，提高了表层水流速度，在进行热交换时，水流表层是最主要的热交换区域，表层水流速度提高之后，单位时间内就有更多的冷却水参与热交换，提高了冷却效率。还有，由于隔板的长度从中间一块向两侧依次变短，小水道的宽度从中间一条向两侧依次变宽，这就使得热交换腔内，中心及两侧的水阻相等，流速相同，即该热交换腔对同一待散热部件的散热也比较均匀，避免了现有技术中第三类水道结构带来的因上下散热不均而产生热应力，致使元器件(如功率模块)损坏的问题发生。
还有，仅仅在需要散热的部位设置热交换腔，不需要散热的部位采用宽度小于热交换腔宽度的冷却水通道，冷却水通道的水阻小于热交换腔的水阻，这就使得在优化了散热效果的情况下，达到系统总水阻最小，系统总水阻小则降低了水流动能损耗，提高了整体散热系统的效率。
由上可见，采用该散热水道系统结构的散热系统，其散热性能及散热效率均比较高，将其用于功率模块的散热上，可更好的带走功率模块因损耗释放的热能，有效的降低了功率模块最高工作温度，提高了功率模块的抗冲击性能，提高了系统的安全等级及使用寿命。另外，由于散热性能的提升，在功率等级相同的电流转换设备中，可选用工作电流较小的功率模块，减低了功率模块的选用等级，进而也有利于节约成本。
最后需要指出的是，上述的散热水道系统结构体现了系统水阻最小和均匀冷却协调统一的设计思想，该设计思想同样适用于油冷及风冷系统中。
图7所示，本发明散热器的实施例，包括散热器壳体28，在散热器壳体内设置有图6所示，散热水道系统结构实施例中的散热水道系统31。
采用上述散热水道系统结构的散热器，由于其对功率模块的散热性能优良，使得功率模块可以充分利用其工作特性，在功率等级相同的电流转换设备中，散热器可以做的比较小，节省了制作散热器的成本，降低了加工难度，并且提高了冷却系统的可靠性，减小了安装空间，有利于系统的集成。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种散热水道系统结构，其特征在于，包括至少两个串联设置的与待散热部件相匹配的热交换腔，所述热交换腔具有前后位置对应的冷却水入口和冷却水出口，所述热交换腔通过连接于所述冷却水入口和所述冷却水出口之间的冷却水通道相互串联，所述冷却水通道的宽度小于热交换腔的覆盖宽度，所述热交换腔内设置有一组从冷却水入口向冷却水出口延伸的隔板，所述隔板将热交换腔内的空腔分隔为一组小水道。
2.根据权利要求1所述的散热水道系统结构，其特征在于，所述冷却水入口和所述冷却水出口均位于热交换腔宽度方向的中部。
3.根据权利要求1或2所述的散热水道系统结构，其特征在于，所述隔板的长度从中间一块向两侧依次变短。
4.根据权利要求1或2所述的散热水道系统结构，其特征在于，所述小水道的宽度从中间一条向两侧依次变宽。
5.根据权利要求3所述的散热水道系统结构，其特征在于，所述隔板平行设置。
6.根据权利要求4所述的散热水道系统结构，其特征在于，所述隔板平行设置。
7.根据权利要求3所述的散热水道系统结构，其特征在于，所述隔板为直板或S形板。
8.根据权利要求4所述的散热水道系统结构，其特征在于，所述隔板为直板或S形板。
9.一种散热器，包括散热器壳体，其特征在于，所述散热器壳体内设置有如权利要求1-8任一所述散热水道系统结构。
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