CN106793712B - 毛细相变冷却器及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种毛细相变冷却器，用于功率器件的散热，包括冷却器本体和毛细吸液层；所述冷却器本体具有冷却腔体和散热口，所述冷却腔体的底部为用于盛放冷却液的积液部；所述散热口用于与所述功率器件的散热壁相配合密封；所述毛细吸液层用于设置在散热口位置并紧贴到所述散热壁上，所述毛细吸液层的一端用于伸入所述积液部。上述毛细相变冷却器，通过将毛细吸液层直接设于功率器件的散热壁上，使功率器件的散热壁的表面温度相同，提高散热效率。

Description

毛细相变冷却器及其安装方法

技术领域

本发明涉及功率器件的冷却技术领域，特别是涉及一种毛细相变冷却器及其安装方法。

背景技术

随着电子电力技术的飞跃发展，各种交流电机、变频器、开光电源及照明装置等整机装置逐渐向大功率、紧凑化、轻量化及数控化方向发展。在这些整机装置中，大功率的半导体器件例如IGBT、可控硅，整流桥等，是构成电控回路的重要元件。在实际工作中，高度集成的大功率器件产生的热量会使芯片温度升高，如果散热缓慢，就有可能使芯片温度升高到超过所允许的最高结温，器件的性能将显著下降，并且不能稳定工作，甚至可能会直接烧坏。因此，控制大功率器件的升温速度，使芯片内部温度始终维持在允许的结温之内，保证机器稳定运行，成为大功率器件技术领域研究的重点和难题。

传统的大功率器件的散热普遍采用风冷散热模式，由于空气的比热容较小，通过空气带走的热量相对较小，对于发热量较小的元器件可以满足散热需求，但是面对结构日益紧凑、功率日益增大的大功率器件，传统的散热方式已经无法满足散热需求。

针对大功率器件的散热问题，目前普遍采用将大功率器件直接贴附在液冷散热器的冷却板的表面通过水冷散热，由于大功率器件的发热面与液冷散热器之间仍然存在间隙，接触热阻较大，影响液体冷却的效果。

发明内容

基于此，有必要提供一种提高冷却效果的毛细相变冷却器及其安装方法。

一种毛细相变冷却器，用于功率器件的散热，包括冷却器本体和毛细吸液层；

所述冷却器本体具有冷却腔体和与所述冷却腔体相连通的散热口；所述冷却腔体的底部为用于盛放冷却液的积液部；在所述冷却器本体上，至少围绕所述散热口的周边部分用于与所述功率器件的散热壁密封配合；

所述毛细吸液层用于设置在所述散热口位置并紧贴到所述散热壁上，且所述毛细吸液层的一端用于伸入所述积液部中。

在其中一个实施例中，所述散热口设于所述冷却器本体的一侧壁上，且位于所述积液部的上方。

在其中一个实施例中，所述毛细吸液层的一端通过弯折后伸入所述积液部中。

在其中一个实施例中，所述毛细吸液层为无纺布吸液层、铜网吸液层或烧结铜粉吸液层。

在其中一个实施例中，所述毛细吸液层的厚度为0.1-2cm。

在其中一个实施例中，所述毛细相变冷却器还包括绝缘密封胶层，所述绝缘密封胶层至少设置在围绕所述散热口的周边部分；当所述功率器件与所述冷却器本体的散热口配合时，所述冷却器本体与所述功率器件通过所述绝缘密封胶层密封连接。

在其中一个实施例中，所述毛细相变冷却器还包括散热结构，所述散热结构的冷凝通道与所述冷却腔体相连通，用于供挥发后的所述冷却液冷凝回流至所述冷却腔体中。

在其中一个实施例中，所述散热结构设于所述冷却器本体上，且位于所述冷却腔体的顶端。

在其中一个实施例中，所述散热结构为风冷散热器、水冷换热器或翅片式自然对流散热器。

上述毛细相变冷却器的安装方法，包括如下步骤：

(1)将冷却液置于冷却器本体的冷却腔体内，并集中在积液部；

(2)将毛细吸液层设于功率器件的散热壁上，并使所述毛细吸液层的一端能够伸入所述积液部并接触所述冷却液；

(3)将所述冷却器本体的散热口的周边部分和所述散热壁配合密封所述散热口。

上述毛细相变冷却器包括冷却器本体和毛细吸液层；所述冷却器本体具有冷却腔体和和与所述冷却腔体相连通的散热口；所述冷却腔体的底部为用于盛放冷却液的积液部，；至少围绕所述散热口的周边部分用于与所述功率器件的散热壁密封配合；所述毛细吸液层用于设置在所述散热口位置并紧贴到所述散热壁上，且所述毛细吸液层的一端用于伸入所述积液部中。上述毛细相变冷却器，通过直接将毛细吸液层直接设于功率器件的散热壁上，毛细吸液层通过毛细吸液作用使功率器件的散热壁的表面温度相同，相对于传统冷却器的传热壁，明显减少接触热阻，提高散热效率。另外，上述毛细相变冷却器采用冷却液的比热容大于空气的比热容，相对于传统空气冷却方式，能够大幅度提高传热性能，且冷却液还存在相变吸热过程，也能提高功率器件的散热效率。

附图说明

图1为一实施方式的功率器件的毛细相变冷却器的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

请结合图1，一实施方式的毛细相变冷却器10，用于功率器件20的散热，包括冷却器本体100、毛细吸液层200和散热结构300。

功率器件20是指输出功率比较大的电子元件，包括用复合型电压驱动时的功率半导体器件，例如IGBT、IGCT、可控硅、整流桥或继电器等。

在本实施方式中，冷却器本体100具有冷却腔体110和与冷却腔体110相连通的散热口。冷却腔体110的底部为用于盛放冷却液30的积液部。在冷却器本体100上，至少围绕散热口的周边部分用于与功率器件20的散热壁相配合密封冷却腔体110。

在本实施方式中，绝缘密封胶层120至少围绕散热口的周边设置。当功率器件20与冷却器本体100的散热口配合时，冷却器本体100与功率器件20通过绝缘密封胶层120密封连接。可以理解，通过绝缘密封胶层120的牢固粘接作用，可以使功率器件20与冷却器本体100的散热口的外周部分绝缘密封，进而使冷却腔体110处于密封，属于优选的实施方式。

在本实施方式中，毛细吸液层200用于设置在散热口所在位置并紧贴到功率器件20的散热壁上，并且毛细吸液层200的一端用于浸泡在位于积液部的冷却液30中。毛细吸液层200可以通过网孔状或网线状结构固定铺展或吸附在功率器件20的散热壁上。毛细吸液层200用于浸泡在冷却液30中的一端通过毛细作用吸收冷却液30，并润湿整个毛细吸液层200，也就是使功率器件20的散热壁始终与冷却液30接触，散热壁的温度均匀，提高散热效率。

可以理解，散热口的大小应尽量最大化满足功率器件20散热需求，也就是使毛细吸液层200尽可能最大化覆盖散热壁的发热部分，使功率器件20的整个散热壁的温度均匀，显著提高换热效率。

具体地，冷却液30可以为硅油、矿物油及植物油等绝缘液体工质。可以理解，在其他实施方式中，冷却液30也可以选用水，只要能够根据实际情况满足散热需求即可。

具体地，散热口设于冷却器本体100的一侧壁上且位于积液部的上方。优选地，散热口可以位于该侧壁的中部毛细吸液层200的一端通过弯折伸入至积液部中，该端通过毛细吸液作用吸收冷却液30，并润湿整个毛细吸液层200，进而使散热壁始终处于换热过程中。

优选地，毛细吸液层200的耐热温度大于100℃。例如，毛细吸液层200可以为无纺布吸液层、铜网吸液层或烧结铜粉吸液层，通过加工成满足散热要求的形状，紧贴或吸附在散热壁上。毛细吸液层的厚度为0.1～2cm，以尽量提高毛细吸液层200中冷却液30的承载量，提高热交换效率。在本实施例方式中，散热结构300的冷凝通道与冷却腔体110相连通，用于供挥发后的冷却液30冷凝回流至冷却腔体110内。

优选地，散热结构300设于冷却器本体100上，且位于冷却腔体110的顶端，且与散热口相对设置，使冷凝回流的液体浇灌在毛细吸液层200上，可以进一步提高冷却效率。其中，散热结构300可以为风冷散热器、水冷换热器或翅片式对流散热器。可以理解，在其他实施方式中，散热结构300也可以位于冷却腔体110的中上部，通过挥发后的冷却液30的冷凝或冷却即可。

可以理解，在其他实施方式中，如果功率器件20置换为散热量不大、但依然需要维持在一定温度范围内的结构或器件时，可以不需要设置散热结构300。

使用本实施方式的毛细相变冷却器10，用于功率器件20的散热时，按如下方法安装：

(1)将冷却液30置于冷却器本体100的冷却腔体110内，并集中在积液部。

(2)将毛细吸液层200设在功率器件20的散热壁上，并保证毛细吸液层200的一端能够伸入积液部的冷却液30中。

(3)将散热壁至少和冷却器本体100上的散热口的周边部分配合密封散热口。

当功率器件20工作时，毛细吸液层200的伸入积液部的一端通过毛细作用吸收冷却液30，功率器件20的热量被毛细吸液层200中承载的冷却液30吸收，与冷却腔体110内的冷却液30进行流动传热，当冷却液30达到挥发温度时，冷却液30开始挥发，进入散热结构300的冷凝通道中，蒸汽遇冷又凝结成液体，回流到冷却腔体110中。冷却液30通过蒸发相变的反复循环过程，可以将功率器件20的热量带走。本实施方式中的毛细相变冷却器10过设置毛细吸液层200，并充分利用冷却液30的升温吸液和蒸发相变吸热，能够有效提高功率器件20的散热效率，有效控制功率器件20处于芯片的结温范围内，延长功率器件20的使用寿命。

下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。

实施例1

本实施例提供一种用于大功率器件散热的毛细相变冷却器，包括冷却器本体、导热硅油、耐温无纺布毛细吸液层、绝缘密封胶层和翅片式自然对流散热器。

冷却器本体具有冷却腔体和与该冷却腔体相连通的散热口，位于冷却腔体内底部的积液部填充有导热硅油。

耐温无纺布毛细吸液层紧贴于大功率器件的散热壁上，一端通过弯折后伸入至积液部的导热硅油中，使耐温无纺布毛细吸液层自动通过毛细作用承载导热硅油，用于吸收功率器件发出的热量。

冷却器本体与大功率器件通过绝缘密封胶层密封冷却腔体。

翅片式自然对流散热器设于冷却器本体上，且位于冷却器本体的冷却腔体的顶端，并与散热口相对设置。

当该大功率器件工作时，大功率器件发出的热量通过散热壁被耐温无纺布毛细吸液层总承载的导热硅油吸收。当大功率器件散发的热量使导热硅油达到挥发温度时，导热硅油蒸发进入翅片自然对流散热器的冷冷凝通道中冷却，冷却后的导热硅油回流至冷却腔体内。经过导热硅油的蒸发-冷凝回流的反复循环过程，能够有效控制大功率器件的芯片结温，延长器件的使用寿命。

实施例2

本实施例提供一种用于大功率器件散热的毛细相变冷却器，包括冷却器本体、矿物油、铜网毛细吸液层、绝缘密封胶层和水冷换热器。

冷却器本体具有冷却腔体和与该冷却腔体相连通的散热口，位于冷却腔体内底部的积液部填充有矿物油。

铜网毛细吸液层紧贴于大功率器件的散热壁上，且一端伸入至积液部的矿物油中，使铜网毛细吸液层的该端自动通过毛细作用承载矿物油，用于吸收功率器件发出的热量。

冷却器本体与大功率器件通过绝缘密封胶层密封冷却腔体。

水冷换热器设于冷却器本体上，且位于冷却器本体的冷却腔体的顶端，并与散热口相对设置。

当该大功率器件工作时，大功率器件发出的热量通过散热壁被铜网毛细吸液层总承载的矿物油吸收。当大功率器件散发的热量是矿物油达到挥发温度时，矿物油蒸发进入水冷散热器中冷却，冷凝后的矿物油回流至冷却腔体内。经过矿物油的蒸发-冷凝回流的反复循环过程，能够有效控制大功率器件的芯片结温，延长器件的使用寿命。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种毛细相变冷却器，用于功率器件的散热，其特征在于，包括冷却器本体和毛细吸液层；

所述冷却器本体具有冷却腔体和与所述冷却腔体相连通的散热口，所述散热口设于所述冷却器本体的一侧壁上，且位于积液部的上方；所述冷却腔体的底部为用于盛放冷却液的积液部；在所述冷却器本体上，至少围绕所述散热口的周边部分用于与所述功率器件的散热壁密封配合；

所述毛细吸液层用于设置在所述散热口位置并紧贴到所述散热壁上，且所述毛细吸液层的一端用于伸入所述积液部中；所述毛细吸液层为无纺布吸液层、铜网吸液层或烧结铜粉吸液层，厚度为0.1-2cm。

2.根据权利要求1所述的毛细相变冷却器，其特征在于，所述毛细吸液层的一端通过弯折后伸入所述积液部中。

3.根据权利要求1所述的毛细相变冷却器，其特征在于，所述冷却液为硅油、矿物油、植物油或水。

4.根据权利要求1所述的毛细相变冷却器，其特征在于，还包括绝缘密封胶层，所述绝缘密封胶层至少设置在围绕所述散热口的周边部分；当所述功率器件与所述冷却器本体的散热口配合时，所述冷却器本体与所述功率器件通过所述绝缘密封胶层密封连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的毛细相变冷却器，其特征在于，还包括散热结构，所述散热结构的冷凝通道与所述冷却腔体相连通，用于供挥发后的所述冷却液冷凝回流至所述冷却腔体中。

6.根据权利要求5所述的毛细相变冷却器，其特征在于，所述散热结构设于所述冷却器本体上，且位于所述冷却腔体的顶端。

7.根据权利要求5所述的毛细相变冷却器，其特征在于，所述散热结构为风冷散热器、水冷换热器或翅片式自然对流散热器。

8.权利要求1至7中任一项所述的毛细相变冷却器的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1) 将冷却液置于冷却器本体的冷却腔体内，并集中在积液部；

(2) 将毛细吸液层设于功率器件的散热壁上，并使所述毛细吸液层的一端能够伸入所述积液部并接触所述冷却液；所述毛细吸液层为无纺布吸液层、铜网吸液层或烧结铜粉吸液层，厚度为0.1-2cm；

(3) 将所述冷却器本体的散热口的周边部分和所述散热壁配合密封所述散热口；所述散热口设于所述冷却器本体的一侧壁上，且位于所述积液部的上方。

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