CN103249285A

CN103249285A - 一种热管散热系统

Info

Publication number: CN103249285A
Application number: CN2013102028242A
Authority: CN
Inventors: 孟庆海; 蒋正荣; 任占峰; 杨培文; 孟少伟
Original assignee: North China University of Technology
Current assignee: North China University of Technology
Priority date: 2013-05-28
Filing date: 2013-05-28
Publication date: 2013-08-14

Abstract

一种热管散热系统，用于电力电子器件的散热。热管散热系统包括热管散热器和监控模块，热管散热器包括散热片(1)、热管(2)和基座(3)，基座(3)具有内外两个表面，内表面为上厚下薄的楔形结构，热管(2)的导热部分与功率器件(4)的导热块一一对应、背靠背布置。基座(3)采用上厚下薄的楔形结构，使凝露减少聚集或者便于凝露下滴，以有益于设备维护；热管(2)的导热部分与功率器件(4)的导热块一一对应、背靠背布置，能缩短热路，减少热阻，提高热量交换效果。

Description

一种热管散热系统

技术领域

电力电子器件的散热领域，特别涉及采用热管散热方式下的散热问题。

背景技术

电力电子领域功率器件被广泛应用。功率器件在工作过程中产生的热量主要由其损耗引起，同时功率器件本身又对温度非常敏感，温度的变化会影响功率器件的导通和关断特性，进而影响到其可靠性。功率器件及一些功率模块一般采用穿孔式封装，目的是可以方便地安装在散热器上，便于散热。目前散热方式主要有风冷、水冷和热管三种。热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的汽、液相变来传递热量，高达纯铜导热能力的上百倍，因此被广泛采用。

如图1所示，传统热管散热器由散热片1、热管2和支撑热管的基座3(简称基座)三部分组成。其中散热片1可扩大散热面积，热管2完成热量交换，基座3支撑热管和进行导热。基座3的内表面固定功率器件4，基座3的外表面焊接热管2。功率器件4本身具有导热块，导热块固定于基座内表面上。导热块和基座之间涂导热硅脂(俗称散热膏)以加强导热效果。

功率器件的热量发散途径为：功率器件的导热块→导热硅脂→基座的内表面→基座的外表面→热管的吸热部分→热管的其余部分→通过散热片散到周围空气中。

很明显，完成热量交换的关键区域有两处，一是功率器件的导热块与基座内表面的接触部位；二是基座外表面与热管吸热部分的接触部位。依据热力学知识，当功率器件的导热块与热管的吸热部分完全背靠背时，热路最短，热阻最小，热量交换效果最佳。

但是实践中，假设基座散热均匀，基座的内表面固定功率器件，外表面焊接热管，两者之间是分开布置毫无关联的。基座内表面固定功率器件时，主要考虑安装工艺、运行性能和电磁兼容可靠性；基座的外表面焊接热管时，主要按照工艺要求而是均匀分布的。如图1中的虚线所示，如果将功率器件的中心线从基座的内表面镜像到外表面，则可以明显看出，热管的导热部分与功率器件这两个热量交换体之间没有实现背靠背布置，影响到了散热效果，没有实现布置的优化。

为监测功率器件的发热，防止过热造成的各种损害，基座的内表面布置温度传感器，温度传感器再接入相应的控制单元，当发生过热时由控制单元停机并报警。因为假定基座的温度分布均匀，所以一般只安装一个温度传感器，其位置以安装方便为宜或者布置于功率器件比较集中的区域。当功率器件超过一个时，由于功率器件的布置位置不同、工作方式不同，功率器件的各处温度实际并不相同。一旦过热停机，无法区分是哪个功率器件过热(例如变频器，可能包括整流器件、逆变器件以及制动器件等)。也就是传统的温度传感器布置方法没有区分功率器件的类型，无法实现温度的分区监测。

当功率器件所对应的设备或者装置停机超过一定时间后在潮湿环境下(比如煤矿井下)会在基座上产生凝露，进而对电气绝缘造成隐患。目前可通过风干、人工擦除和内部风机预热的方式将凝露取消。但因环境湿度不一，效果不明显，操作繁琐。

由于基座是矩形板，基座安装后是与地面垂直的，如果产生凝露，凝露靠自重下落。如果能在基座的内表面上通过结构设计使凝露减少聚集或者便于凝露下滴，对设备维护是有益的。目前基座是平面结构，如果采用某种结构，形成导流槽将凝露尽可能收集并形成下滴，并通过湿度传感器进行监测，则有效减少电气绝缘隐患。凝露的最大危害是造成电气间隙和爬电距离的减少，造成绝缘隐患。

发明内容

为提高散热效果，本发明提供一种热管散热系统，包括热管散热器和监控模块，所述热管散热器包括基座和热管，热管散热器的基座具有内外两个表面，其内表面为上厚下薄的楔形结构，热管的导热部分与功率器件的导热块一一对应，背靠背布置。

可有效加速凝露下滴并对湿度进行监控，其进一步的特征为，基座的内表面上设置有导流槽，流槽可以为3个，设置在内表面的两侧边缘和中间，每个导流槽的下面设有湿度传感器；热管散热器基座内表面的楔形结构，其角度在3°以内，内表面上下边沿的厚度差不超过3mm。

热管散热器的内表面紧邻每个功率器件的位置，还设有温度传感器，构成分区式温度监测方式，温度传感器和湿度传感器进入监控模块，该监控模块具有RS485通信功能。

针对热管散热器存在的上述问题，进行如下处理后，热管散热器的散热性能、防凝露能力以及温度、湿度监控将有效提高，进而提高热管散热器的散热效果。

如果在热管散热器基座的内外表面，使热管的导热部分与功率器件的导热块一对一、背靠背布置。这种布置方法，对热管而言，虽然比均匀布置的工艺复杂些，但却可以有效提高散热效果，是散热的一种优化布置。

将基座的内表面做成楔形，上厚下薄，两者的厚度差以不影响功率器件安装为宜。角度在3度以内，厚度差不超过3mm。基座的内表面设置导流槽，便于凝露的汇集和下滴。在每个导流槽的最底端均安装一个湿度传感器，该处是湿度最大的地方。这种处理方法可有效加速凝露下滴并对湿度进行监控，减低绝缘隐患。

紧邻每个功率器件，均布置一个温度传感器，构成分区式温度监测方式。在每个功率器件的附近安装温度传感器，直接测量每个功率器件的实时温度，将能区分发生过热时功率器件的类型。分区监测后可以对相应功率器件的控制方法和控制策略进行调整，实现高可靠性运行。

附图说明

图1传统的热管散热器

图2一种优化散热的热管散热器

图3基座的内表面上厚下薄结构图

图4导流槽以及湿度传感器布置图

图5监控模块

具体实施方式

为提高热管散热器的散热效果以及提高温度、湿度监控水平，需要对热管散热器进行如下改动。热管散热器的基座内外两个表面，热管的导热部分与功率器件的导热块一对一、背靠背布置，可以有效提高散热效果，是散热的一种优化布置。将基座的内表面做成楔形，上厚下薄，两者的厚度差以不影响功率器件安装为宜。角度在3度以内，厚度差不超过3mm。基座的内表面设置导流槽，便于凝露的汇集和下滴。在每个导流槽的最底端均安装一个湿度传感器。紧邻每个功率器件，均布置一个温度传感器，构成分区式温度监测方式。在每个功率器件的附近安装温度传感器，直接测量每个功率器件的实时温度，将能区分发生过热时功率器件的类型。温度传感器信号和湿度传感器信号作为模拟量，进入监控模块。该监控模块具有RS485通信功能。

具体的实现方案如下：

首先，因为功率器件4的布置是考虑安装工艺、运行性能和电磁兼容可靠性的结果，其位置在基座3的内表面是固定的。将功率器件4对应的导热块由基座3的内表面镜像到基座3的外表面，则得到功率器件4导热块的大小和对应位置。

不失一般性，如图2所示，然后调整热管2的导热部分的位置，采用一对一、背靠背布置，也就是只要有功率器件4的导热块，则有对应的热管2的导热部分。功率器件4的数量和类型，不影响对此问题的分析。

不失一般性，如图2所示，紧邻每个功率器件4，均布置一个温度传感器。在每个功率器件的四周不超过1cm的区域内布置并固定温度传感器(温度传感器一般都有固定孔)。图中T1～T9为温度传感器编号。以变频器为例，例如，T1～T6对应逆变电路的六个IGBT，具体T1、T2分别对应A相的上、下桥臂，T3、T4分别对应B相的上、下桥臂，T5、T6分别对应C相的上、下桥臂；T7对应制动电路的一个IGBT；T8、T9分别对应整流电路的两组整流桥(管)。当功率器件的数目发生变化时，温度传感器的数目也跟着同步变化，一个功率器件对应一个温度传感器。

为减少凝露，如图3所示，将基座3的内表面做成楔形，上厚下薄，凝露便于在重力作用下下滑。两者的厚度差以不影响功率器件安装为宜，角度控制在3度以内，厚度差不超过3mm。

为进一步减少凝露，如图4所示，在基座3的内表面设置导流槽5，便于凝露的汇集和下滴。导流槽5的布置方法：在功率器件4和温度传感器布置完毕后，在剩余空间内，布置导流槽5。导流槽设计成“丫”形，以收集更多的凝露，槽内为倒三角形或者弧形，深度最深3mm，以防止影响机械强度。导流槽的中间不能有功率器件或者温度传感器，也要躲开周围的螺栓孔位置。

在每个导流槽5的最底端分别安装湿度传感器，该处是湿度最大的地方。图4中有三个导流槽，放置三个湿度传感器。不是一般性，可以根据基座的面积大小以及空余面积确定导流槽的数目。

如图5所示，监控模块是一个对多路温度传感器(T1～T9)和湿度传感器(H1～H3)信号进行处理并具有RS485通信功能的模块。

来自于温度传感器(T1～T9)、湿度传感器(H1～H3)的信号，作为模拟量，经过低通滤波、A/D采样转换和CPU处理后变成数字量，也即得到每个传感器信号对应一个特征字节，然后与任何具有RS485通信口的控制单元进行通信。如前所述，以变频器为例，T1～T6对应逆变电路的六个IGBT，具体T1、T2分别对应A相的上、下桥臂，T3、T4分别对应B相的上、下桥臂，T5、T6分别对应C相的上、下桥臂；T7对应制动电路的一个IGBT；T8、T9分别对应整流电路的两组整流桥(管)。H1～H3对应湿度传感器。T1～T9对应的特征字节为0X01～0X09，H1～H3对应的特征字节为0X0A。监控模块和控制单元之间进行RES485通信，控制单元根据收到的特征字节对过热或者湿度超标进行区分。例如，控制单元收到0X0A，则表示湿度超标；控制单元收到0X02，则表示A相下桥臂对应IGBT过热；其余同理。

Claims

1.一种热管散热系统，包括热管散热器和监控模块，所述热管散热器包括基座和热管，基座具有内外两个表面，其特征在于，所述基座的内表面为上厚下薄的楔形结构，热管的导热部分与功率器件的导热块一一对应，背靠背布置。

2.如权利要求1所述的热管散热系统，其特征在于，基座的内表面上设置有导流槽。

3.如权利要求2所述的热管散热系统，其特征在于，所述的导流槽为“Y”形，槽内为倒三角形或弧形，深度最深3mm。

4.如权利要求1或2所述的热管散热系统，其特征在于，所述热管散热器基座内表面的楔形结构，其角度在3°以内，内表面上下边沿的厚度差不超过3mm。

5.如权利要求2或3所述的热管散热系统，其特征在于，所述基座内表面的导流槽可以为3个，设置在内表面的两侧边缘和中间，每个导流槽的下面设有湿度传感器。

6.如权利要求1或2所述的热管散热系统，其特征在于，所述热管散热器的内表面紧邻每个功率器件的位置，还设有温度传感器，构成分区式温度监测方式。

7.如权利要求6所述的热管散热系统，其特征在于，所述的温度传感器和湿度传感器进入监控模块，该监控模块具有RS485通信功能。