CN106455423A - 一种用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器 - Google Patents

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张祥
翁星方
殷炯
孙林
师蒙招
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    • H05K7/2089Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Abstract

本发明公开了一种用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,包括基板,基板的一侧上安装多个发热元件,基板的另一侧上沿空气流动方向依次设有用于散热的进风侧翅片组件和出风侧翅片组件,进风侧翅片组件和出风侧翅片组件均设有多块平行间隔布置的翅片,进风侧翅片组件的翅片数量少于出风侧翅片组件的翅片数量以使进风侧翅片组件的翅片间距大于出风侧翅片组件的翅片间距、用于使空气快速通过进风侧翅片组件后进入出风侧翅片组件以完成散热。本发明具有结构简单紧凑、散热效果好、成本低的优点。

Description

一种用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器
技术领域
[0001] 本发明主要涉及到轨道交通设备领域,具体涉及一种用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器。背景技术
[0002] 当城轨车辆和电力设备变流器工作时会产生功率损耗(热量),因此需要变流器具备较好的散热性能,且功率越大,散热容量也越大。目前轨道交通变流器的散热方式主要有风冷、水冷和热管散热三种,由于能馈变流器采用间歇工作制以及柜体尺寸限制,目前普遍采用风冷和热管散热两种散热形式。热管散热器具有大容量散热能力,但相对于风冷翅片散热器具有散热形式较为复杂,价格高、所需柜体尺寸大等缺点,在能馈变流器结构设计日益紧凑与竞争日益激烈的形势下,目前普遍采用翅片散热器替代价格高昂的热管散热器 (热管散热器成本通常是普通型材散热器的3倍以上)。
[0003] 但是现有市面上翅片散热器仍然存在一定的局限性,在能馈变流器使用中存在很明显的缺陷:由于能馈变流器本身结构特点,散热器呈现廋长的矩形状,空气的散热路径十分长,由下往上空气依次为6个共3层功率元件进行散热,这使得越往上走空气温升依次升高,导致空气与热源的温差下降,从而降低了对流传热的散热效率,使得同一个散热器上的上下IGBT模块温差相差很大,比如通过热仿真得出最上层IGBT模块比最下层IGBT模块温度高出15K左右。同一个模块三相桥臂由于温差较大在串并联时会影响IGBT的电气性能,最终可能导致变流器炸管或输出故障等严重故障,因此仅仅依靠简单的型材散热片和一通到底的简单散热路径,很难满足大功率元件的散热需求,但采用重力式热管散热器又会极大的增加柜体尺寸以及整机材料成本。发明内容
[0004] 本发明所解决的技术问题在于:针对现有技术存在的问题,提供一种结构简单紧凑、散热效果好、成本低的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:一种用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,包括基板,所述基板的一侧上安装多个发热元件,所述基板的另一侧上沿空气流动方向依次设有用于散热的进风侧翅片组件和出风侧翅片组件,所述进风侧翅片组件和出风侧翅片组件均设有多块平行间隔布置的翅片,所述进风侧翅片组件的翅片数量少于出风侧翅片组件的翅片数量以使进风侧翅片组件的翅片间距大于出风侧翅片组件的翅片间距、用于使空气快速通过进风侧翅片组件后进入出风侧翅片组件以完成散热。
[0006] 作为本发明的进一步改进,每块所述进风侧翅片组件的翅片上均设有多个百叶窗孔,多个所述百叶窗孔沿空气流动方向依次间隔布置于翅片上用于破坏翅片边界层以提高空气湍流度。
[0007] 作为本发明的进一步改进,每块所述进风侧翅片组件翅片上的百叶窗孔数量为9至个。
[0008] 作为本发明的进一步改进,每块所述出风侧翅片组件的翅片均为光片翅片。
[0009] 作为本发明的进一步改进,所述进风侧翅片组件翅片间距为出风侧翅片组件翅片间距的.8至.倍。
[0010] 作为本发明的进一步改进,所述基板上嵌设有多根均温热管用于分散发热元件的热量并降低基板的扩散热阻。
[0011] 作为本发明的进一步改进,所述均温热管均为直管,多根所述均温热管均斜向依次平行间隔布置于基板。
[0012] 作为本发明的进一步改进,所述均温热管共三根,每根所述均温热管的倾斜角度均为度。
[0013] 作为本发明的进一步改进,所述基板上开设有用于嵌设均温热管的固定槽,每根所述均温热管的周围均涂覆导热材料用于降低接触热阻。
[0014] 作为本发明的进一步改进,所述发热元件与基板之间涂有导热硅脂用于降低接触热阻,所述进风侧翅片组件和出风侧翅片组件的翅片均通过压接工艺镶嵌在基板的槽缝中。
[0015] 与现有技术相比,本发明的优点在于:(1)本发明的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,采取散热翅片分层设计,并且两者间的翅片也采取上密下疏的区别分布设计,可有效降低散热器迎风面至出风侧翅片组件的阻力,达到低流阻和均温的目的,增加了处于风路末端的发热元件的散热风量,提高出风侧翅片组件散热效率,降低了处于风路末端的发热元件的台面温度,从而有效的降低了整个变流器模块的台面最高温度,最终实现均温的目的。同时,这种特殊的科学设计,不用增加变流器模块和散热器外形尺寸,有效地降低了制作成本,特别符合轨道交通变流器设备的使用需求。
[0016] (2)本发明的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,每块进风侧翅片组件的翅片上均设有多个百叶窗孔,用于破坏翅片边界层以提高空气湍流度,这能够加强翅片对流换热,强化散热,可有效提高进风侧翅片组件的翅片散热效率。
[0017] (3)本发明的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,每块出风侧翅片组件的翅片均为光片翅片,能进一步有效的降低出风侧翅片组件阻力,能较好的抵消出风侧翅片组件由于翅片数量增加和翅片间距减少所带来的影响,进一步提升整个散热器气动性能。
[0018] (4)本发明的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,进一步提供多根均温热管的特殊设计。将上部热量传递到下部,用以分散发热元件的热量并降低散热器基板的扩散热阻,均衡整个散热器温度。如在铝基散热器嵌入多根均温热管,其有效导热系数非常接近甚至高于铜基散热器,且其重量明显更轻。通过均温热管和不同翅片组件的相互配合,能够得到极佳的散热效果。
[0019] (5)本发明的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,均温热管均为直管,直管设计避免常用的弯曲或者压扁,可显著降低均温热管内部蒸汽流通阻力,有效避免蒸汽空间闭塞,提升均温热管性能,进而显著提高散热器散热效率和基板均温性能。三根均温热管从左上至右下与水平方向呈45度倾斜角度布置,刚好穿过热量集中区域(即散热器中心区 ±或),且45度角路径最长,在基板矩形区域能完整穿过所有热源并有效的将高温区域热量传递给低温区域,散热效果更佳。附图说明
[0020] 图1是本发明用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器的立体结构原理示意图。
[0021] 图2是本发明的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器的侧视结构原理示意图。[〇〇22]图3是本发明的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器的背面结构原理示意图。[〇〇23]图4是本发明的进风侧翅片组件的单个翅片在实施例中的结构原理示意图。[〇〇24] 图例说明:1、基板;2、发热元件;3、进风侧翅片组件;31、百叶窗孔;4、出风侧翅片组件;5、均温热管。具体实施方式[〇〇25]以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
[0026] 如图1至图4所示,本发明提供一种用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,包括基板1,基板1的一侧上安装多个发热元件2 (如IGBT模块),基板1的另一侧上沿空气流动方向(图中箭头方向)依次设有用于散热的进风侧翅片组件3和出风侧翅片组件4,进风侧翅片组件3和出风侧翅片组件4均设有多块平行间隔布置的翅片,进风侧翅片组件3的翅片数量少于出风侧翅片组件4的翅片数量以使进风侧翅片组件3的翅片间距大于出风侧翅片组件4的翅片间距、用于使空气快速通过进风侧翅片组件3后进入出风侧翅片组件4以完成散热。[〇〇27]如果按照现有技术设计,处于风路首端的发热元件2 (图1中AB所示)的温度势必会要低于处于风路末端的发热元件2(图1中CD)的温度,导致散热器温度不均。为了克服这一技术问题,本发明在不增加变流器模块和散热器外形尺寸前提下,采取散热翅片分层区别设计。即在同一平面上,沿空气流动路径方向将翅片组件分为上下两层,下层为进风侧翅片组件3,上层为出风侧翅片组件4。并且两者间的翅片也采取上密下疏的区别分布设计;通过减少下层进风侧翅片组件3的翅片数量,增大进风侧翅片组件3的翅片间距,可有效降低散热器迎风面至出风侧翅片组件4的阻力,使得外部空气能够快速的通过进风侧翅片组件3后进入出风侧翅片组件4,提高了出风侧翅片组件4翅片间风速,达到低流阻的目的,增加了处于风路末端的发热元件2的散热风量,提高出风侧翅片组件4散热效率,从而降低了处于风路末端的发热元件2的台面温升。同时通过增加上层出风侧翅片组件4的翅片数量能直接增加散热面积,进一步提升出风侧翅片组件4的散热效率,进一步降低处于风路末端的发热元件2的台面温度,从而有效的降低了整个变流器模块的台面最高温度,最终实现均温的目的。综上,通过以上特殊的科学设计,既不用增加变流器模块和散热器外形尺寸,同时散热效果极佳,有效地降低了制作成本,特别符合轨道交通变流器设备的使用需求。[0〇28]如图1、图4所示,进一步,在较佳实施例中,每块进风侧翅片组件3的翅片上均设有多个百叶窗孔31,多个百叶窗孔31沿空气流动方向依次间隔布置于翅片上用于破坏翅片边界层以提高空气湍流度,这能够加强翅片对流换热,强化散热,可有效提高进风侧翅片组件3的翅片散热效率。
[0029] 进一步,在较佳实施例中,每块进风侧翅片组件3翅片上的百叶窗孔31数量为9至 11个。每块进风侧翅片组件3的翅片上的百叶窗孔31数量不能开的太密集,也不能太稀疏。 开的太密会极大地增加整个散热器的阻力,降低翅片间风速;开的太疏又起不到强化散热的效果,无法有效提升散热效率。本发明通过反复的仿真优化试验后发现,每块进风侧翅片组件3翅片上的百叶窗孔31数量为9至11个是最为合适的,这既能强化散热,又能避免阻力增加过大。
[0030] 进一步,在较佳实施例中,每块出风侧翅片组件4的翅片均为光片翅片。通过由之前的型材翅片改为光片翅片,能进一步有效的降低出风侧翅片组件4阻力,能较好的抵消出风侧翅片组件4由于翅片数量增加和翅片间距减少所带来的影响,进一步提升整个散热器气动性能。
[0031] 如图3所示,进一步,在较佳实施例中,进风侧翅片组件3翅片间距为出风侧翅片组件4翅片间距的1.8至2.3倍,也即出风侧翅片组件4翅片数量是进风侧翅片组件3的1.8至 2.3倍。这种数量、间距规格的配比,能够实现最佳的低流阻和均温的效果,进一步使得散热效果极佳。[〇〇32]如图1所示,进一步,在较佳实施例中,基板1上嵌设有多根均温热管5用于分散发热元件2的热量并降低基板1的扩散热阻。由于本发明的进风侧翅片组件3翅片数量的减少, 这可能会使得基板1上处于风路首端的发热元件2 (图中AB所示)出现台面温升,为此,本发明进一步提供多根均温热管5的特殊设计。嵌设在基板1上多根均温热管5穿过基板1上的6 个发热元件2,将上部热量传递到下部,用以分散发热元件2的热量并降低散热器基板1的扩散热阻,均衡整个散热器温度。如在铝基散热器嵌入多根均温热管5,其有效导热系数非常接近甚至高于铜基散热器,且其重量明显更轻。通过均温热管5和不同翅片组件的相互配合,能够得到极佳的散热效果,大大降低变流器模块最高温升,提高变流器模块串并联运行性能和模块可靠性。散热器台面温差可比原型材散热器降低25%至40%,最高温升可降低 10%〇[0〇33] 如图1所示,进一步,在较佳实施例中,均温热管5均为直管,多根均温热管5均斜向依次平行间隔布置于基板1。直管设计避免常用的弯曲或者压扁,可显著降低均温热管5内部蒸汽流通阻力,有效避免蒸汽空间闭塞,提升均温热管5性能,进而显著提高散热器散热效率和基板1均温性能。[〇〇34] 如图1所示,进一步,在较佳实施例中,均温热管5共三根,每根均温热管5的倾斜角度均为45度。三根均温热管5从左上至右下与水平方向呈45度倾斜角度布置,刚好穿过热量集中区域(即散热器中心区域),且45度角路径最长,在基板1矩形区域能完整穿过所有热源并有效的将高温区域热量传递给低温区域,散热效果更佳。[〇〇35] 进一步,在较佳实施例中,基板1上开设有用于嵌设均温热管5的固定槽,每根均温热管5的周围均涂覆导热材料用于降低接触热阻。
[0036] 进一步,在较佳实施例中,发热元件2与基板1之间涂有导热硅脂用于降低接触热阻,进风侧翅片组件3和出风侧翅片组件4的翅片均通过压接工艺镶嵌在基板1的槽缝中。 [〇〇37]以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例, 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,包括基板(1),所述基板(1)的一侧 上安装多个发热元件(2),其特征在于,所述基板(1)的另一侧上沿空气流动方向依次设有 用于散热的进风侧翅片组件(3)和出风侧翅片组件(4),所述进风侧翅片组件(3)和出风侧 翅片组件(4)均设有多块平行间隔布置的翅片,所述进风侧翅片组件(3)的翅片数量少于出 风侧翅片组件(4)的翅片数量以使进风侧翅片组件(3)的翅片间距大于出风侧翅片组件(4) 的翅片间距、用于使空气快速通过进风侧翅片组件(3)后进入出风侧翅片组件(4)以完成散 热。
2.根据权利要求1所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,其特征在于,每块 所述进风侧翅片组件(3)的翅片上均设有多个百叶窗孔(31),多个所述百叶窗孔(31)沿空 气流动方向依次间隔布置于翅片上用于破坏翅片边界层以提高空气湍流度。
3.根据权利要求2所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,其特征在于,每块 所述进风侧翅片组件(3)翅片上的百叶窗孔(31)数量为9至11个。
4.根据权利要求2所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,其特征在于,每块 所述出风侧翅片组件(4)的翅片均为光片翅片。
5.根据权利要求1所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,其特征在于,所述 进风侧翅片组件(3)翅片间距为出风侧翅片组件(4)翅片间距的1.8至2.3倍。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,其 特征在于,所述基板(1)上嵌设有多根均温热管(5)用于分散发热元件(2)的热量并降低基 板(1)的扩散热阻。
7.根据权利要求6所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,其特征在于,所述 均温热管(5)均为直管,多根所述均温热管(5)均斜向依次平行间隔布置于基板(1)。
8.根据权利要求7所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,其特征在于,所述 均温热管(5)共三根,每根所述均温热管(5)的倾斜角度均为45度。
9.根据权利要求6所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器,其特征在于,所述 基板(1)上开设有用于嵌设均温热管(5)的固定槽,每根所述均温热管(5)的周围均涂覆导 热材料用于降低接触热阻。
10.根据权利要求1至5中任意一项所述的用于轨道交通变流器的低流阻均温散热器, 其特征在于,所述发热元件(2)与基板(1)之间涂有导热硅脂用于降低接触热阻,所述进风 侧翅片组件(3)和出风侧翅片组件(4)的翅片均通过压接工艺镶嵌在基板(1)的槽缝中。
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