CN107484391B - 一种功率变换器的散热结构及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率变换器的散热结构及电子设备，涉及功率变换器散热技术领域，不但能够有效降低功率变换器表面局部热点处的温度，而且还能够减小外壳的温升。本发明实施例提供的功率变换器的散热结构，包括功率变换器，所述功率变换器外包覆有灌封层，所述灌封层包括导热材料，所述灌封层外设有外壳，所述外壳与所述灌封层之间形成有空气隔层。本发明可用于功率变换器。

Description

一种功率变换器的散热结构及电子设备

技术领域

本发明涉及功率变换器散热技术领域，尤其涉及一种功率变换器的散热结构及电子设备。

背景技术

功率变换器是一种可以将某种电流转换为其他类型电流的电子设备，比如电源适配器、充电器等。功率变换器在工作时会产生一定的损耗，而损耗则会引起产品发热，如果功率变换器内部元器件的热量不及时散去，则会使其内部的温度过高从而影响其正常的工作。而目前功率变换器正向更高的功率密度发展，功率变换器的小型化已经成为一种趋势，在转换效率保持不变的情况下，功率变换器小形化却增加了散热结构的难度。目前，设计者在功率变换器的散热设计上下足了功夫。

现有的一种功率变换器的散热结构，如图1和图2所示，包括外壳01和功率变换器02，功率变换器02设置于外壳01的内部，外壳01由低导热材料制成，在功率变换器02与外壳01之间填充有高热容材料层03，高热容材料层03中包含有相变材料，功率变换器02的表面上还设有延伸至外壳01的凸起04，凸起04由高导热材料制成，凸起04可将功率变换器02内部的热量向外导出。

现有的这种功率变换器的散热结构，在功率变换器02的内部，各个元器件的发热量通常是不相等的，有的元器件发热量较低，有的元器件发热量较高，在功率变换器02表面上与发热量高元器件相对应的位置容易形成局部热点，而吸收功率变换器02局部热点处热量的只是一小部分区域(即高热容材料层03上与局部热点相对应的这一小部分区域)的高热容材料，并不能够有效地使整个高热容材料层03对功率变换器02局部热点的热量进行吸收，这样使高热容材料层03对功率变换器02上局部热点处所吸收的热量有限，从而不能够有效地降低功率变换器02局部热点处的温度；同时，设置在功率变换器02的表面上的凸起04将功率变换器02产生热量传递给了外壳01，容易导致外壳01的温升过大，从而降低了用户的体验(例如，一般手机充电器的外壳温升限值为30度，笔记本电脑电源适配器外壳温升限值为45度，如果手机充电器、笔记本电脑电源适配器的外壳温升较大或者超过温升限值，用户触碰充电器或者电源适配器时就会感觉较烫，从而会有不好的体验)。

发明内容

本发明实施提供一种功率变换器的散热结构，不但能够有效降低功率变换器表面局部热点处的温度，而且还能够减小外壳的温升。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种功率变换器的散热结构，包括功率变换器，所述功率变换器外包覆有灌封层，所述灌封层包括导热材料，所述灌封层外设有外壳，所述外壳与所述灌封层之间形成有空气隔层。

本发明实施例提供的功率变换器的散热结构，由于功率变换器外包覆有灌封层，并且灌封层包括导热材料，这样在功率变换器工作时，灌封层上与功率变换器局部热点相对应的部位能够将所吸收的热量导向灌封层上其它吸收热量较少的部位，从而使灌封层形成各区域温差较小的近似等温体，功率变换器局部热点产生的热量能够通过导热材料导向整个灌封层，使整个灌封层均能够吸收功率变换器局部热点的热量，这样使灌封层能够有效地吸收功率变换器局部热点产生的热量，从而可以有效地降低收功率变换器局部热点处的温度；又由于外壳与灌封层之间形成有空气隔层，而空气的导热率较低，是较好的隔热材料，这样空气隔层就可以阻隔功率变换器产生的热量由灌封层向外壳的传递，从而可以大大减小外壳的温升，进而可以提高用户的体验。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述灌封层还包括储热材料。这样能够在进一步降低功率变换器局部热点处的温度的同时，能够使灌封层本身保持较小的温升。

结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述储热材料为相变材料。

储热材料也可以为三氧化二铁、沙子、水等，相比三氧化二铁、沙子、水这些储热材料，相变材料不但可以使灌封层的吸热效果更好，还可以使灌封层的制作更加方便。

结合第一方面或第一方面的第一至第二种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述灌封层外包覆有内壳，所述空气隔层位于所述外壳与所述内壳之间。通过在灌封层外设置外壳，可以使灌封层的制作更加方便，而且还省去了治具，有利于降低灌封层的制作成本。

结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述内壳由导热材料制成。这样可以使内壳各个区域的温度达到相等或近似相等，从而可避免内壳上出现局部热点，进而使内壳的各个区域都具有较小的温升。

结合第一方面或第一方面的第一至第四种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述外壳的外表面覆盖有导热材料。这样可以使外壳各个区域的温度达到相等或近似相等，从而可避免外壳上出现局部热点，进而使外壳上的各个区域都具有较小的温升。

结合第一方面或第一方面的第一至第五种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述导热材料的热导率大于或等于0.12W/(m·K)。这样可以使灌封层各个部位更好地发挥吸热潜能，有利于进一步减小功率变换器的温升；使内壳以及外壳表面的温度更加均匀，避免在内壳和外壳表面出现局部热点，进而使内外壳上的各个区域都具有更小的温升。

结合第一方面或第一方面的第一至第六种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述功率变换器设置于PCB板上，所述PCB板与所述外壳连接。

灌封层和功率变换器组合体也可以至少一个面直接与外壳相连接，比如通过双面胶与外壳粘贴。相比灌封层和功率变换器组合体的至少一个面直接与外壳相连接的方案，上述通过PCB板与外壳连接的方案，这样可以使灌封层和功率变换器组合体的所有面与外壳之间均有空气隔层，从而使空气隔层更好地隔绝灌封层与外壳之间的热量传递，进而有利于减小外壳的温升。

结合第一方面或第一方面的第一至第七种可能的实现方式，在第一方面的第八种可能的实现方式中，所述灌封层与所述外壳之间通过支撑柱支撑。

相比灌封层和功率变换器组合体的至少一个面直接与外壳相连接的方案，上述灌封层与外壳之间通过支撑柱支撑的方案，同样可以使灌封层和功率变换器组合体的所有面与外壳之间均有空气隔层，从而使空气隔层更好地隔绝灌封层与外壳之间的热量传递，进而有利于减小外壳的温升。

结合第一方面的第八种可能的实现方式，在第一方面的第九种可能的实现方式中，所述支撑柱与所述外壳一体成型。这样可以减少的零件数，同时也省下支撑柱安装在外壳上的工序，从而方便了灌封层和功率变换器组合体与外壳的组装。

结合第一方面或第一方面的第一至第九种可能的实现方式，在第一方面的第十种可能的实现方式中，所述外壳上开设有通风孔，所述通风孔与所述空气隔层连通。

这样有利于提高灌封层和功率变换器组合体的散热，进而可以减小功率变换器的温升。

结合第一方面的第十种可能的实现方式，在第一方面的第十一种可能的实现方式中，所述空气隔层内设有风机，所述通风孔包括进风孔和出风孔，所述风机位于所述进风孔和出风孔之间。通过在空气隔层内设置风机，加快了空气隔层内空气的循环，从而有利于提高灌封层和功率变换器组合体的散热效果，进而可以减小功率变换器的温升。

另一方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括上述任一实施例中所述的功率变换器的散热结构。

由于本发明实施例提供的电子设备中包括上述任一实施例中所述的功率变换器的散热结构，所以也能产生相同的技术效果，解决相同的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的一种功率变换器的散热结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为本发明实施例中的功率变换器的散热结构示意图；

图4为图3从B截面处切开的截面图(功率变换器通过PCB板与外壳连接)；

图5为图3从B截面处切开的截面图(灌封层与外壳之间通过支撑柱支撑)；

图6为本发明实施例中的功率变换器的外壳上开通风孔的结构示意图；

图7为本发明实施例中的功率变换器的空气隔层中设置风机的结构示意图。

具体实施方式

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。

下面是本发明实施例中出现的名词和关键术语的解释：

均热材料(高导热材料)：材料本身具有良好热传导性能，即导热率大于或等于0.12W/(m·K)，如金属，复合材料等，主要以热导率作为性能参数。

热导率：又称导热系数，是物质导热能力的量度。单位为：W/(m·K)

隔热材料：指低热导率的材料，一般指小于0.12W/(m·K)的材料，如空气(0.02W/(m·K))

储热材料：指本身能吸收部分能量，延缓器件温度上升的速率，典型材料如相变材料。

相变材料：指利用材料状态改变过程中吸收能量的物理特性来降低温度，如材料从固态转化为液态吸热，常见的相变材料为石蜡和聚烯烃等。

功率变换器：是指将一种电压变换为另一种电压的装置，如AC交流到DC直流或AC交流的变换器，从DC直流到DC直流或AC交流的变换器，通常称为适配器，或充电器，或电源转换器，或开关电源，AC电源适配器，笔记本电源适配器，手机充电器，快速充电器等。

热耗密度：是指一定表面温升下，产品损耗功率与产品体积的比值，如45W输出的产品从AC变换到DC，损耗功率为2W，外壳表面温升为30度，体积为0.04L，则其在表面温升为30度时的热耗密度为2W/0.04＝50W/L。一般自然散热的产品，热耗密度为50W/L。

自然散热：是指产品本身不使用任何散热方法，工作时只利用空气的对流，以及热辐射向外散发热量的方式。

功率密度：指功率变换器输出功率与产品体积的比值，单位为W/in³。

温升：指产品实际温度减去环境温度的差值，如产品外壳测试温度为65度，环境温度为35度，则产品外壳温升为65-35＝30度。

转换效率：指产品输出功率与输入功率的比值。

参见图3和图4，本发明实施例提供了一种功率变换器的散热结构，包括功率变换器1，功率变换器1外包覆有灌封层2，灌封层2包括导热材料，灌封层2外设有外壳3，外壳3与灌封层2之间形成有空气隔层4。

本发明实施例提供的功率变换器的散热结构，由于功率变换器1外包覆有灌封层2，并且灌封层2包括导热材料，这样在功率变换器1工作时，灌封层2上与功率变换器1局部热点相对应的部位能够将所吸收的热量导向灌封层2上其它吸收热量较少的部位，从而使灌封层2形成各区域温差较小的近似等温体，功率变换器1局部热点产生的热量能够通过导热材料导向整个灌封层2，使整个灌封层2均能够吸收功率变换器1局部热点的热量，这样使灌封层2能够有效地吸收功率变换器1局部热点产生的热量，从而可以有效地降低收功率变换器1局部热点处的温度；又由于外壳3与灌封层2之间形成有空气隔层4，而空气的导热率较低，是较好的隔热材料，这样空气隔层4就可以阻隔功率变换器1产生的热量由灌封层2向外壳3的传递，从而可以大大减小外壳3的温升，进而可以提高用户的体验。因此，相比现有技术，本发明实施例提供的功率变换器的散热结构，不但能够有效降低功率变换器表面局部热点处的温度，而且还能够减小外壳的温升。

为了能够在进一步降低功率变换器1局部热点处的温度的同时，能够使灌封层2本身保持较小的温升，灌封层2还包括储热材料。由于储热材料具有较大的热容，能够吸收较多的热量保持较小的温升，因此，在灌封层2中设置储热材料，这样灌封层2中的储热材料能够对吸收功率变换器1局部热点处产生的热量进行大量吸收，而保持较小的温升，从而能够在进一步降低功率变换器1局部热点处的温度的同时，能够使灌封层2本身保持较小的温升。

其中，储热材料的类型并不唯一，比如储热材料可以为三氧化二铁、沙子、水等，另外，储热材料也可以为相变材料，例如石蜡和聚烯烃等。相比三氧化二铁、沙子、水这些储热材料，相变材料在发生物态变化，比如固-液变化，可以吸收更多的热量，从而可以使灌封层2的吸热效果更好，同时，利用相变材料物态可以变化的特性，可以使灌封层2的制作更加方便。

在制作灌封层2时，灌封材料通常为液态，此时如果没有灌封材料的载体，则需要将灌封材料注入到治具中，待灌封材料凝固后，才能取出放入外壳3中，这样使灌封层2的制作过程较繁琐，而且还需要治具，不利于降低制作成本。为了方便灌封层2的制作和降低制作成本，如图4所示，灌封层2外包覆有内壳5，空气隔层4位于外壳3与内壳5之间。通过设置内壳5，这样内壳5就可以作为灌封材料的载体，灌封材料就可以直接注入到内壳5中，省去将灌封材料从治具中拿出放入到内壳5中的步骤，从而使灌封层2的制作更加方便，而且还省去了治具，有利于降低灌封层2的制作成本。

为了使内壳5表面各个部位的温度均匀，内壳5由导热材料制成。其中，导热材料可以为塑胶、金属、复合材料等。由于内壳5由导热材料制成，这样导热材料就可以将内壳5温度较高区域的热量向温度较低的区域导去，使内壳5各个区域的温度达到相等或近似相等，从而可避免内壳5上出现局部热点，进而使内壳5的各个区域都具有较小的温升。

为了使外壳3表面各个部位的温度均匀，外壳3的外表面覆盖有导热材料。其中，在外壳3的外表面覆盖导热材料，可以通过在外壳3的外表面电镀导热金属来实现。由于外壳3的外表面覆盖有导热材料，这样导热材料就可以将外壳3温度较高区域的热量向温度较低的区域导去，使外壳3各个区域的温度达到相等或近似相等，从而可避免外壳3上出现局部热点，进而使外壳3上的各个区域都具有较小的温升。

除了在外壳3的外表面覆盖有导热材料可以实现外壳3表面各个部位的温度均匀之外，外壳3直接由导热材料制成，也可以达到同样的效果。制作外壳3的材料可以是导热塑料、金属或复合材料等，在此不做具体限定。

在本发明实施例提供的功率变换器的散热结构中，灌封层2所包含的导热材料、制作内壳5的导热材料以及制作外壳3的导热材料或外壳3的外表面覆盖有的导热材料均为高导热材料，即导热材料的热导率大于或等于0.12W/(m·K)。由于高导热材料的导热率较高，具有较快的导热速率，能够将灌封层2上与局部热点所对应的区域吸收的热量较快地导向灌封层2上温度较低的区域，这样能够使灌封层2表面温度更加均匀(即各个部分温差更小)，使灌封层2各个部位能够更好地吸收功率变换器1表面局部热点产生的热量，从而可以进一步减小功率变换器1表面局部热点的温度；这样也能够使内壳5以及外壳3表面的温度更加均匀，避免在内壳5和外壳3表面出现局部热点，进而使内外壳3上的各个区域都具有更小的温升。

在本发明实施例提供的功率变换器的散热结构中，灌封层2和功率变换器1组合体与外壳3之间的固定方式并不唯一，比如灌封层2和功率变换器1组合体的至少一个面直接与外壳3相连接，比如通过双面胶与外壳3粘贴。另外，灌封层2和功率变换器1组合体也可以通过以下方式固定：如图4所示，功率变换器1设置于PCB板6上，PCB板6与外壳3连接。其中，PCB板6不但对功率变换器1的器件起到固定作用，而且还提供了器件间的电气连接。相比灌封层2和功率变换器1组合体的至少一个面直接与外壳3相连接的方案，图4中所示的固定方案中，灌封层2和功率变换器1组合体与外壳3之间不是面接触，这样可以使灌封层2和功率变换器1组合体的所有面与外壳3之间均有空气隔层4，从而使空气隔层4更好地隔绝灌封层2与外壳3之间的热量传递，进而有利于减小外壳3的温升。

其中，PCB板6与外壳3可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，在此不做限定；PCB板6与外壳3相连接的部位(即图4中的部位d)由隔热材料制成，这样可以阻止功率变换器1以及灌封材料通过PCB板6与外壳3相连接的部位向外壳3传递热量，从而有利于减小外壳3的温升。

除了通过PCB板6与外壳3连接之外，灌封层2和功率变换器1组合体还可以通过支撑柱7固定，如图5所示，灌封层2与外壳3之间通过支撑柱7支撑。相比灌封层2和功率变换器1组合体的至少一个面直接与外壳3相连接的方案，图5中所示的固定方案中，灌封层2和功率变换器1组合体与外壳3之间同样不是面接触，这种方案同样可以使灌封层2和功率变换器1组合体的所有面与外壳3之间均有空气隔层4，从而使空气隔层4更好地隔绝灌封层2与外壳3之间的热量传递，进而有利于减小外壳3的温升。

其中，支撑柱7在灌封层2与外壳3之间的排布方式并不唯一，比如在灌封层2与外壳3相对的每个面的对称中心上均设一个支撑柱7，也可以在灌封层2与外壳3相对的每个面上均匀设置对个支撑柱7，等等，在此不在一一列举。

为了阻隔灌封层2和功率变换器1组合体通过支撑柱7向外壳3传递热量，支撑柱7由导热率较低的材料制成，即导热率为0.3W/(m·K)以下的材料。这样支撑柱可以减少灌封层2和功率变换器1组合体向外壳3传递热量，从而可以减小外壳3的温升。

支撑柱7与外壳3之间的连接关系也不唯一，比如支撑柱7与外壳3之间可以是可拆卸连接，例如支撑柱7与外壳3之间螺纹连接。另外，如图5所示，支撑柱7与外壳3也可以一体成型。相比可拆卸连接，支撑柱7与外壳3一体成型，这样可以减少的零件数，同时也省下支撑柱7安装在外壳3上的工序，从而方便了灌封层2和功率变换器1组合体与外壳3的组装。

为了进一步减小功率变换器1的温升，如图6所示，外壳3上开设有通风孔8，通风孔8与空气隔层4连通。由于通风孔8与空气隔层4连通，这样空气隔层4中的热空气(热空气密度较小)就会从通风孔8中流出，外界的空气就会从通风孔8处进入到空气隔层4中，从而在外壳3内部形成空气循环，有利于提高灌封层2和功率变换器1组合体的散热，进而可以减小功率变换器1的温升。

需要说明的是：灌封层2本身可以起到防水防尘的作用，因此，在外壳3上开设通风孔8，外界的尘土、水等也很难侵入到功率变换器1中。

为了提高灌封层2和功率变换器1组合体的散热效果，如图7所示，空气隔层4内设有风机9，通风孔8包括进风孔81和出风孔82，风机9位于进风孔81和出风孔82之间。其中，风机9可以是静压风扇、压电风扇等，在此不做具体限定。风机9工作时能够从进风孔81处吸入风，然后从出风孔82处排风，从而使空气隔层4内的空气与外壳3外的空气形成循环。通过在空气隔层4内设置风机9，加快了空气隔层4内空气的循环，从而有利于提高灌封层2和功率变换器1组合体的散热效果，进而可以减小功率变换器1的温升。

通过采用本发明实施例提供的散热结构，功率变换器的热耗密度可以达到70-90W/in³，功率密度能达到13-20W/in³，功率变换器内部的元器件温升也大大减小，而且外壳温升也得到良好的控制，从而给用户带来良好的使用体验。

另一方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括上述任一实施例中所述的功率变换器的散热结构。其中，电子设备可以是手机、笔记本电脑等。

由于本发明实施例提供的电子设备中包括上述任一实施例中所述的功率变换器的散热结构，所以也能产生相同的技术效果，解决相同的技术问题。手机、笔记本电脑等电子设备的其它结构已为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种功率变换器的散热结构，其特征在于，包括功率变换器，所述功率变换器外包覆有灌封层，所述灌封层包括导热材料，所述灌封层外设有外壳，所述外壳与所述灌封层之间形成有空气隔层；

所述灌封层外包覆有内壳，所述空气隔层位于所述外壳与所述内壳之间。

2.根据权利要求1所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述灌封层还包括储热材料。

3.根据权利要求2所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述储热材料为相变材料。

4.根据权利要求1所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述内壳由导热材料制成。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述外壳的外表面覆盖有导热材料。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述导热材料的热导率大于或等于0.12W/(m·K)。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述功率变换器设置于PCB板上，所述PCB板与所述外壳连接。

8.根据权利要求1～4中任一项所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述灌封层与所述外壳之间通过支撑柱支撑。

9.根据权利要求8所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述支撑柱与所述外壳一体成型。

10.根据权利要求1～4中任一项所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述外壳上开设有通风孔，所述通风孔与所述空气隔层连通。

11.根据权利要求10所述的功率变换器的散热结构，其特征在于，所述空气隔层内设有风机，所述通风孔包括进风孔和出风孔，所述风机位于所述进风孔和出风孔之间。

12.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求1～11中任一项所述的功率变换器的散热结构。

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