CN103036394A - 一种用于中高压变频器的散热装置 - Google Patents
一种用于中高压变频器的散热装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种散热装置，适于对中高压变频器中的多个发热元件进行散热，包括：散热基板，其第一表面和第二表面中的至少一表面放置发热元件；至少一组热管，每组热管包括多根热管，每根热管具有一蒸发段和一冷凝段，蒸发段埋设于散热基板的内层，以吸收来自发热元件的热量；以及多个散热片，设置于与每根热管相交，与热管的冷凝段固定连接，从而将冷凝段释放的热量传递至空气中，其中，至少一组热管与多个散热片的接触部呈三角形叉排排列。采用本发明的散热装置，将变频器中的多个功率器件放置于散热基板的至少一表面，在散热基板的内层埋设多组热管，并且将热管与散热片的接触部呈三角形叉排排列，可有效地提升每一功率器件的散热效率。
Description
技术领域
本发明涉及散热装置，尤其涉及一种用于中高压变频器的散热装置。
背景技术
当前，在很多电力电子线路中，中高压变频器的应用越来越广泛，它是一种利用半导体功率器件的导通和关断来改变频率的电能控制装置，以实现诸如软启动、变频调速、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。但是，这些功率器件频繁地在导通和关断之间切换时，往往产生很高的热能，因而有必要设置相应的散热器对功率器件进行有效散热，进而保证中高压变频器的正常运行。
一般来说，散热器主要包括：平板型散热器、平行肋散热器和叉指型散热器，其中平板型散热器多为正方形或长方形的铝板或铝合金板，用于小功率的晶体管进行散热；平行肋散热器由铝合金挤压成型的具有平行肋片的铝型材制成，用于大中功率的开关管散热；而叉指型散热器用铝板冲压而成，用于大中功率晶体管散热。
中高压变频器的功率模块包括功率变换单元、整流单元、旁路单元和电容单元，现有技术中将功率变换单元、整流单元、旁路单元固定于散热器基板一侧，散热器另一侧为散热翅片组，散热基板与散热翅片组的结合采用挤压成型的一体结构、插片式结构或焊接结构。虽然上述功率器件在散热器基板的同一侧面，安装固定和电气连接比较方便，但是，为了使这些功率器件工作时产生的热量均匀、有效地释放至空气，就必须使功率器件在散热器基板上的分布间隔较大，同时增加基板的厚度，以便使基板受热相对均匀，提高散热效率。另一方面，功率器件间的距离较大，会增加电气连接距离，从而导致漏感增大和效率较低，对功率器件的性能和寿命也会有不利影响。
有鉴于此，如何设计一种新型的散热装置，在快速有效地实现对功率器件散热的同时，还可充分利用散热基板上的布设空间，使变频器的整体结构更加紧凑，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中用于中高压变频器的散热装置所存在的上述缺陷，本发明提供了一种新型的散热装置。
依据本发明的一个方面，提供了一种散热装置，适于对中高压变频器中的多个发热元件进行散热，其中，该散热装置包括：
一散热基板，具有一第一表面、一第二表面以及第一表面和第二表面间的内层，其中，所述第一表面和所述第二表面中的至少一表面放置发热元件；
至少一组热管，每组热管包括多根热管，每根热管具有一蒸发段和一冷凝段，并且所述蒸发段埋入散热基板的内层，以吸收来自所述发热元件的热量；以及
多个散热片，设置于与每根热管相交，并且所述多个散热片与所述热管的冷凝段固定连接，从而将冷凝段释放的热量传递至空气中，
其中，所述至少一组热管与所述多个散热片的接触部呈三角形叉排排列。
优选地，所述每组热管中至少一热管还具有一弯折部，且所述弯折部位于所述蒸发段和所述冷凝段之间。
优选地，所述发热元件包括至少一第一发热元件和至少一第二发热元件，其中，所述至少一第一发热元件放置于所述第一表面，以及所述至少一第二发热元件放置于所述第二表面。此外，所述第一发热元件为一高频功率器件，以及第二发热元件为一低频功率器件，且所述第一发热元件和所述第二发热元件通过所述散热基板将高频线路与低频线路隔离。
优选地，所述发热元件包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)、集成门极换流晶闸管(IGCT，Integrated Gate Commutated Thyristors)、注入增强栅晶体管(IEGT，Injection Enhanced Gate Transistor)或二极管(Diode)。
优选地，对应于发热元件的所述每组热管等距并列排布于所述散热基板的内层。
优选地，对应于发热元件的所述每组热管交错排布于所述散热基板的内层。更优选地，所述至少一组热管包括一第一小组热管和一第二小组热管，且所述第一小组热管固定于所述散热基板的内层且靠近第一表面和第一发热元件的位置，以及第二小组热管固定于散热基板的内层且靠近第二表面和第二发热元件的位置。
优选地，不同组热管的冷凝段根据对应的发热元件的发热量及散热要求，设置为相同长度或不同长度。
优选地，埋入所述散热基板内层的各热管的蒸发段深度根据对应的发热元件的安装位置要求，设置为同一深度或不同深度。
优选地，不同组热管的蒸发段根据对应的发热元件的散热要求，设置为相同的热管管径或不同的热管管径。
优选地，对应于不同发热元件的热管数目根据其各自的散热要求而相应设置。
优选地，所述热管为一重力式热管、一丝网式热管、一烧结式热管或一沟槽式热管。更优选地，热管内的工作液体为水、丙酮、液氨、乙醇或R134a制冷剂。
优选地，所述多个散热片与所述每根热管相交，并且相交角度为90度。
采用本发明的散热装置，将变频器中诸如功率器件的发热元件放置于散热基板的至少一表面，在散热基板的内层埋设多组热管，并且将这些热管与多个散热片的接触部呈三角形叉排排列，可有效地提升每一功率器件的散热效率。此外，该散热装置可使功率器件在散热基板上的排布更加紧凑，尤其对于并联的IGBT功率器件，能够缩短电气连接距离，减小传输路径上的漏感。此外，当功率器件中的高频IGBT和低频整流桥及旁路电路分别放置在基板的两侧后，还可隔离高频线路和低频线路，以便减少高频信号对低频信号的干扰，增强了变频器的运行可靠性。
附图说明
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，
图1示出依据本发明的用于中高压变频器的散热装置的一优选实施例的主视图；
图2示出依据本发明的用于中高压变频器的散热装置的另一优选实施例的侧视图；
图3示出图1或图2中的散热装置的多组热管与散热片接触区域的排列示意图；
图4示出图2中的散热装置的后视图；
图5示出图2中的散热装置的热管放置在散热基板的一优选实施例；以及
图6示出图2中的散热装置的热管放置在散热基板的另一优选实施例。
具体实施方式
为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。
下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。
图1示出依据本发明的用于中高压变频器的散热装置的一优选实施例的主视图。参照图1，适于对中高压变频器中的多个发热元件进行散热的散热装置包括一散热基板1、至少一组热管2和多个散热片3，并且该至少一组热管2和多个散热片3的接触部呈三角形叉排排列。
散热基板1具有第一表面(或称为正面)、第二表面(或称为背面)以及在第一表面和第二表面之间的内层，其中，在所述第一表面和所述第二表面中的至少一表面放置发热元件，该发热元件包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate BipolarTransistor)、集成门极换流晶闸管(IGCT，Integrated GateCommutated Thyristors)、注入增强栅晶体管(IEGT，InjectionEnhanced Gate Transistor)或二极管(Diode)。例如，在所述第一表面放置有发热元件。又如，在所述第二表面放置有发热元件。再如，在第一表面和第二表面均放置有发热元件。
多组热管2中的每组热管包括多根热管，每根热管具有一蒸发段和一冷凝段，并且所述蒸发段埋入所述散热基板1的内层，以吸收来自发热元件的热量。例如，图1中的发热元件4(如功率器件)对应于两根热管，并通过这两根热管进行散热。多个散热片3设置于与每根热管相交，例如，散热片与每根热管的相交角度为90度，并且多个散热片3与热管的冷凝段22固定连接，从而将冷凝段22释放的热量传递至空气中。例如，热管2沿竖直方向布设，以及多个散热片3的每一散热片相互平行且沿水平方向布设。并且，为了使散热片的温度更加均匀，以提高散热片的散热效率，将多组热管与多个散热片的接触部呈三角形叉排排列。
在一具体实施例中，多组热管2的每组热管中至少一热管还具有一弯折部，该弯折部位于蒸发段21和冷凝段22之间，以便将弯折部所腾出的空间用于放置其它电子元件。例如，每组热管中的每根热管均包括弯折部，即，每根热管均由蒸发段21、弯折部和冷凝段22构成。又如，每组热管中的一部分热管包括弯折部，而另一部分热管不包括弯折部。
如前所述，现有技术中将这些发热元件固定在散热器基板时，必须使功率器件在散热器基板上的分布间隔较大，以便功率器件产生的热量可以快速地释放至空气中，但是，功率器件间的距离较大，会增加它们之间的电气连接距离，进而导致漏感增大。相比之下，本发明采用图1所示的散热装置，将变频器中的多个发热元件放置于散热基板1的正面或反面，并且在散热基板1的内层埋入多组热管2，可使发热元件均匀散热，进而有效地提升每一发热元件的散热效率。
在一具体实施例中，上述多组热管均为垂直布置的重力式热管。具体地，重力式热管的冷凝段22置于蒸发段21的上方，当功率器件温度升高时，蒸发段21中的工作液体吸收热量，液体蒸发而变成蒸汽，沿热管的内部腔体向上运动而到达冷凝段22，在冷凝段22蒸汽将所携带的热量释放并传至散热片，放热后的蒸汽冷凝又重新变为液体，冷凝液依靠重力和/或毛细力的作用从热管的上部冷凝段沿热管内壁面流回至下部蒸发段，进行下一次的蒸发/冷凝的循环。此外，热管是内部壁面没有毛细结构的重力式热管，或是内部设有金属丝网毛细结构的丝网式热管，或是内壁面设有沟槽毛细结构的沟槽式热管，或是内部壁面设有烧结金属粉末毛细烧结结构的烧结式热管(也可称为重力辅助热管)，毛细结构提供的毛细力作为重力回流推动力的补充，同时毛细结构可强化蒸发吸热过程和冷凝放热过程，从而提升热管的传热速度，改进散热效果。为了降低散热器的成本，本实施例中可选择采用成本较低的沟槽式铜水热管。较佳地，热管内的工作液体为水、丙酮、液氨、乙醇或R134a制冷剂。
图2示出依据本发明的用于中高压变频器的散热装置的另一优选实施例的侧视图。图3示出图1或图2中的散热装置的多组热管与散热片接触区域的排列示意图。参照图2，发热元件可包括一第一发热元件4以及第二发热元件5和6，其中，第一发热元件放置于第一表面，第二发热元件放置于第二表面。较佳地，该第一发热元件为一高频功率器件，以及该第二发热元件为一低频功率器件，且第一发热元件和第二发热元件通过散热基板1将高频线路与低频线路隔离。由此可知，将一部分发热元件放置于散热基板的正面，将另一部分发热元件放置于散热基板的背面，当散热基板1的内层埋设多组热管2的蒸发段时，可使发热元件散热更为均匀，进而有效提升每一发热元件的散热效率。而且，该散热装置还可使诸如功率器件的发热元件在散热基板1上的排布更加紧凑，尤其对于并联的IGBT功率器件，能够缩短电气连接距离，减小传输路径上的漏感。如图3所示，至少一组热管2与多个散热片3的接触部呈三角形叉排排列，当热管2的冷凝段22接收来自蒸发段21的热量时，与该冷凝段22固定连接的散热片温度更加均匀，散热效率更高。
图4示出图2中的散热装置的后视图。参照图4，每组热管中的每根热管的蒸发段均埋设于散热基板1的内层中，如图中的虚线所示。并且，在散热基板1的背面安装有功率器件5、6和7。较佳地，功率器件5为整流桥上的二极管，功率器件6为桥式旁路单元上的二极管，以及功率器件7为桥式旁路单元上的晶闸管。它们均为低频功率器件。
此外，对应于每一功率器件的热管包括一直管23和一具有弯折部的弯管24，以便使散热基板1在整流单元和旁路单元侧边留出一空间来安装控制板位置，从而使功率器件的排布更加紧凑。
本领域的技术人员应当理解，不同的功率器件，其在正常工作时所产生的热量也不一样，为了节约散热装置的材料成本，并兼顾功率器件的散热效率，可对本发明上述的散热装置进行变更，并且这些变更后的散热结构也同样包含在本发明的精神范围内。
在一具体实施例中，不同组热管的冷凝段根据对应的发热元件的发热量及散热要求，设置为相同或不同长度。例如，第一发热元件和第二发热元件均为二极管时，其散热要求相对较低，从而可缩短对应热管的冷凝段的长度，以避免浪费热管材料。例如，当第一发热元件为IGBT，而第二发热元件为晶闸管时，由于IGBT的散热要求相对较高，从而可将其对应的热管的冷凝段长度拉长。与此同时，由于晶闸管的散热要求相对较低，从而可将其对应的热管的冷凝段长度缩短。
在另一具体实施例中，埋入所述散热基板内层的各热管的蒸发段深度根据对应的发热元件的安装位置要求，设置为同一深度或不同深度。此外，不同组热管的蒸发段根据对应的发热元件的散热要求(如，散热要求与发热元件及散热基板的接触面积、发热功率、要求的最高基板温度有关)，设置为相同的热管管径或不同的热管管径。例如，第一发热元件和第二发热元件均为二极管时，其散热要求相对较低，从而可选择管径较小的热管，以避免因采用大口径的热管而造成热管的成本增加。例如，当第一发热元件为IGBT，而第二发热元件为晶闸管时，由于IGBT的散热要求相对较高，从而可选择管径较大的热管，以满足IGBT快速散热的要求。与此同时，由于晶闸管的散热要求相对较低，从而可选择管径较小的热管。
在又一具体实施例中，对应于不同发热元件的热管数目根据其各自的散热要求而相应设置。例如，第一发热元件为IGBT，而第二发热元件为晶闸管时，由于IGBT的散热要求相对较高，从而可设置更多的热管用于对IGBT进行散热。与此同时，由于晶闸管的散热要求相对较低，从而可设置更少的热管用于对该晶闸管进行散热。
图5示出图2中的散热装置的热管放置在散热基板的一优选实施例。参照图5，散热基板1包括上表面和下表面，其中，功率器件5、6和7设置于该散热基板1的上表面，而功率器件4设置于该散热基板1的下表面。当散热基板1的内层较薄时，对应于发热元件的每组热管等距并列排布于散热基板的内层，以避免安装这些功率器件时打穿热管。本领域的技术人员应当理解，上述图4中所公开的优选实施例同样也适用于图5中的热管设置。例如，不同组热管的蒸发段根据对应的发热元件的发热量及散热要求，设置为相同的热管管径或不同的热管管径。又如，对应于不同发热元件的热管数目根据其各自的散热要求而相应设置。
图6示出图2的散热装置中的热管放置在散热基板的另一优选实施例。类似于图5，功率器件5、6和7设置于该散热基板1的上表面，而功率器件4设置于该散热基板1的下表面。当所述散热基板的内层较厚时，对应于发热元件的每组热管交错排布于所述散热基板的内层。较佳地，多组热管包括一第一小组热管和一第二小组热管，并且第一小组热管固定于散热基板的内层且靠近第一表面和所述第一发热元件(如功率器件5、6和7)的位置，以及第二小组热管固定于散热基板的内层且靠近第二表面和所述第二发热元件(如功率器件4)的位置。类似地，上述图4中所公开的优选实施例也适用于图6中的热管设置。例如，不同组热管的蒸发段根据对应的发热元件的散热要求，设置为相同的热管管径或不同的热管管径。又如，对应于不同发热元件的热管数目根据其各自的散热要求而相应设置。
采用本发明的散热装置，将变频器中诸如功率器件的发热元件放置于散热基板的至少一表面，在散热基板的内层埋设多组热管，并且将这些热管与多个散热片的接触部呈三角形叉排排列，可有效地提升每一功率器件的散热效率。此外，该散热装置可使功率器件在散热基板上的排布更加紧凑，尤其对于并联的IGBT功率器件，能够缩短电气连接距离，减小传输路径上的漏感。此外，当功率器件中的高频IGBT和低频整流桥及旁路电路分别放置在基板的两侧后，还可隔离高频线路和低频线路，以便减少高频信号对低频信号的干扰，增强了变频器的运行可靠性。
上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
Claims (15)
1.一种散热装置，适于对中高压变频器中的多个发热元件进行散热，其特征在于，所述散热装置包括：
一散热基板，具有一第一表面、一第二表面以及所述第一表面和第二表面间的内层，其中，所述第一表面和所述第二表面中的至少一表面放置发热元件；
至少一组热管，每组热管包括多根热管，每根热管具有一蒸发段和一冷凝段，并且所述蒸发段埋入所述散热基板的内层，以吸收来自所述发热元件的热量；以及
多个散热片，设置于与所述每根热管相交，并且所述多个散热片与所述热管的冷凝段固定连接，从而将所述冷凝段释放的热量传递至空气中，
其中，所述至少一组热管与所述多个散热片的接触部呈三角形叉排排列。
2.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述每组热管中至少一热管还具有一弯折部，且所述弯折部位于所述蒸发段和所述冷凝段之间。
3.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述发热元件包括至少一第一发热元件和至少一第二发热元件，其中，所述至少一第一发热元件放置于所述第一表面，以及所述至少一第二发热元件放置于所述第二表面。
4.根据权利要求3所述的散热装置，其特征在于，所述第一发热元件为一高频功率器件，以及所述第二发热元件为一低频功率器件，且所述第一发热元件和所述第二发热元件通过所述散热基板将高频线路与低频线路隔离。
5.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述发热元件包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT，Insulated Gate BipolarTransistor)、集成门极换流晶闸管(IGCT，Integrated GateCommutated Thyristors)、注入增强栅晶体管(IEGT，InjectionEnhanced Gate Transistor)或二极管(Diode)。
6.根据权利要求3所述的散热装置，其特征在于，对应于所述发热元件的每组热管等距并列排布于所述散热基板内层。
7.根据权利要求3所述的散热装置，其特征在于，对应于所述发热元件的每组热管交错排布于所述散热基板的内层。
8.根据权利要求7所述的散热装置，其特征在于，所述至少一组热管包括一第一小组热管和一第二小组热管，且所述第一小组热管固定于所述散热基板的内层且靠近所述第一表面和所述第一发热元件的位置，以及所述第二小组热管固定于所述散热基板的内层且靠近所述第二表面和所述第二发热元件的位置。
9.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，不同组热管的冷凝段根据对应的发热元件的发热量及散热要求，设置为相同长度或不同长度。
10.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，埋入所述散热基板内层的各热管的蒸发段深度根据对应的发热元件的安装位置要求，设置为同一深度或不同深度。
11.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，不同组热管的蒸发段根据对应的发热元件的散热要求，设置为相同的热管管径或不同的热管管径。
12.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，对应于不同发热元件的热管数目根据其各自的散热要求而相应设置。
13.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述热管为一重力式热管、一丝网式热管、一烧结式热管或一沟槽式热管。
14.根据权利要求13所述的散热装置，其特征在于，所述热管内的工作液体为水、丙酮、液氨、乙醇或R134a制冷剂。
15.根据权利要求1所述的散热装置，其特征在于，所述多个散热片与所述每根热管相交，并且相交角度为90度。
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| PB01 | Publication | ||
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