CN109714928A - 一种基于螺栓连接的水冷散热功率模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于螺栓连接的水冷散热功率模块，包括框架组件、水冷板组件以及用于安装功率器件的第一安装板、第二安装板、第三安装板、第四安装板；水冷板组件水平可拆卸地安装在框架组件内部，所述第一安装板位于框架组件内部的上方并与水冷板组件垂直相接；第二安装板通过竖直设置的细隔离柱可拆卸地固定于水冷板组件的上方；所述第三安装板通过粗隔离柱可拆卸地固定于水冷板组件的下方；所述第四安装板的左侧采用铰链铰接在框架组件的左侧纵梁上，其右侧采用螺栓可拆卸地固定在框架组件的右侧纵梁上，以使得所述第四安装板在框架组件侧面上旋转可开启。本发明方便各电气零件的安装，产品结构紧凑，集成度高，便于装配和维护。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通用功率模块技术领域，尤其涉及一种水冷散热功率模块。
背景技术
在轨道车辆中，功率模块是一种由IGBT、二极管、支撑电容、电流传感器、控制器、驱动板等电气零件和起着机械固定作用的框架、安装板、散热器等组成，可以实现特定电气功能的集成。现有模块框架一般采用方管或者板材焊接而成，由于该形式的框架存在焊接形变相对较大的缺陷，且在框架拐角处的焊缝由于应力集中可能存在强度不足的风险，从而导致框架尺寸精度可控性较差，可靠性较低。
发明内容
本发明的目的在于解决上述技术问题，提供一种基于螺栓连接的水冷散热功率模块，采用将螺栓连接的框架结构，应用于水冷散热的功率模块，可方便各电气零件的安装，产品结构紧凑，集成度高，便于装配和维护。
本发明的技术方案如下：
一种基于螺栓连接的水冷散热功率模块，包括框架组件、水冷板组件以及用于安装功率器件的第一安装板、第二安装板、第三安装板、第四安装板；其中，所述水冷板组件水平可拆卸地安装在框架组件内部，所述第一安装板位于框架组件内部的上方并与水冷板组件垂直相接；第二安装板通过竖直设置的细隔离柱可拆卸地固定于水冷板组件的上方；所述第三安装板通过粗隔离柱可拆卸地固定于水冷板组件的下方；所述第四安装板的左侧采用铰链铰接在框架组件的左侧纵梁上，其右侧采用螺栓可拆卸地固定在框架组件的右侧纵梁上，以使得所述第四安装板在框架组件侧面上旋转可开启。
优选地，所述细隔离柱的横截面呈六边形，且在其一端设有螺纹孔，另一端设有圆柱，圆柱上攻有外螺纹。
优选地，所述粗隔离柱呈圆柱状且在其端面处设有螺纹孔，在设有螺纹孔的每端的侧壁上加工有被削平的平台缺口，双头螺柱拧入所述粗隔离柱的螺纹孔内。
优选地，所述框架组件包括方管、三通接头、T型接头、螺栓组件、L型固定板、把手和长螺栓组件；其中，每三根所述方管通过三通接头连接在一起形成两两相互垂直的框架顶角结构，T型接头和螺栓组件通过矩管将相应框架顶角结构组合构成框架。
进一步地，所述框架组件的前方左右两侧分别设置了所述L型固定板，该L型固定板具有两个孔，其中1个孔用于固定在框架前下方，另外1个孔用于模块与整机固定。
进一步地，在模块的前下方还设置了便于模块的推拉操作的把手。
进一步地，所述长螺杆组件包括螺母、橡胶垫、双螺母及弹垫组合、双螺母及弹垫组合、弹簧垫圈、长螺杆；位于最左侧的螺母与长螺杆端部焊接牢固，紧靠所述最左侧的螺母的双螺母与弹垫组合为预先装配好的装配件并螺纹配合在长螺杆上，最左侧的螺母与所述装配件之间的螺杆穿过框架组件的矩管，最左侧的螺母与其所正对的矩管之间夹有所述橡胶垫；在所述长螺杆靠另一端的位置处螺纹配合有同样由双螺母及弹垫组合成的预装配件，且该预装配件与长螺杆另一端穿过的框架组件的矩管内侧壁之间夹有所述弹簧垫圈。
进一步地，所述橡胶垫在弹簧垫圈被压紧后，橡胶垫恰好填补焊接螺栓部位处的螺母与框架间的间隙，并提供一定的弹力。
进一步地，还包括后固定板，其具有与所述长螺杆对齐的用于模块后部固定的螺纹孔；在模块底部设置有左右对称的两个滑道，以限制推动过程中的左右移动并同时保证长螺杆能够与所述后固定板固定孔对齐。
优选地，所述水冷板组件包括水冷板、IGBT、大电阻、变压器、电感、小电阻组件、二极管、水冷板；其中，发热器件，IGBT、大电阻、变压器、电感、小电阻组件、二极管固定于水冷板的上下两侧；在所述水冷板内部设置有流道，以使得在冷却液流经流道时，通过对流换热的方式将相应发热器件传给水冷板的热量带走。
本发明的有益效果：本案将螺栓连接的框架结构应用于水冷功率模块，既解决了的传统焊接框架结构尺寸精度不高的问题，又达到了模块产品结构紧凑、集成度高、操作维护方便的优点。
附图说明
图1和图2为本发明结构示意图。
图3为细隔离柱结构示意图。
图4为粗隔离柱结构示意图。
图5为框架组件示意图。
图6为矩管与三通接头拆分示意图。
图7为T型接头示意图。
图8为长螺杆组件结构示意图。
图9为长螺杆组件在模块安装到位时的结构示意图。
图10为长螺杆组件在模块拆卸时的结构示意图。
图11为模块在整机中的装配示意图。
图12和图13为水冷板组件示意图。
图14为水冷板冷却液流动示意图。
图15为电阻组件示意图。
元件标号说明：框架组件1、水冷板组件2、第一安装板3、第二安装板4、第三安装板5、粗隔离柱6、细隔离柱7、螺钉及垫圈8、沉头螺钉9、第四安装板10、铰链11、方管1-1、三通接头1-2、T型接头1-3、螺栓组件1-4、L型固定板1-5、把手1-6、长螺栓组件1-7、螺母1-7-1、橡胶垫1-7-2、双螺母及弹垫组合1-7-3、双螺母及弹垫组合1-7-4、弹簧垫圈1-7-5、长螺杆1-7-6、框架方管1-7-7、水冷板2-1、IGBT 2-2、IGBT 2-3、大电阻2-4、快速水接头2-5、变压器2-6、电感2-7、小电阻组件2-8、二极管2-9、缺口a、小电阻b、电阻安装板c、固定板d、滑道f、固定板的固定孔d0。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
一种基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其具体形状结构如图1—2所示，主要由框架组件1、水冷板组件2、第一安装板3、第二安装板4、第三安装板5、第四安装板10组成。水冷板组件2采用螺钉及垫圈8固定于框架组件1；第一安装板3采用沉头螺钉9、螺钉及垫圈8固定与水冷板组件2和框架组件1上；第二安装板4采用细隔离柱7及相应紧固件固定于水冷板组件2上方；第三安装板5采用粗隔离柱6及相应紧固件固定于水冷板组件2的下方；第四安装板10的左侧采用铰链11，右侧采用螺栓及垫圈固定,该旋转结构利于打开观察模块内部器件并进行维护。
上述四块安装板分别用于安装各类电器件，如控制器、电流传感器、低压传感器、EMI滤波器等，其中第二安装板4和第三安装板5所用的隔离柱的结构示意图如图3-4所示，第二安装板4由于质量较轻，可采用如图3所示的相对较细的六角隔离柱，该隔离柱采用不锈钢或者碳钢制成，一端为内螺纹，另一端为外螺纹；而第三安装板5的质量较重，可采用如图4所示相对较粗的圆型隔离柱，该粗隔离柱6采用强度较好且质量较轻的6系列铝合金制成，平配上不锈钢或者碳钢的双头螺栓一同使用，其特点在于隔离柱端部和双头螺栓的总部都设计了平整的缺口a，以便于扳手夹持进行操作。隔离柱在使用时均需将外螺纹拧入水冷板组件2上的螺纹孔内。
具体地，本实施例中的框架组件1的结构示意图见图5，其主要由方管1-1、三通接头1-2、T型接头1-3、螺栓组件1-4、L型固定板1-5、把手1-6和长螺杆组件1-7-4组成。方管1-1通过三通接头1-2(图6所示)、T型接头1-3(图7所示)和螺栓组件1-4的组合构成框架，该框架的组合方式如图6所示，承插连接，通过螺栓组件固定。所述方管1-1的表面可设置螺纹孔，一般用拉铆螺母1-7-1，或者通孔，用于其他零部件的固定。框架组件1的前方左右两侧分别设置了L型固定板1-5，该L型固定板1-5具有两个孔，其中1个孔用于固定在框架前下方，另外1个孔用于模块与整机固定。模块前下方还设置了把手1-6，以便于模块的推拉操作。本实施例的长螺杆组件1-7-4结构见图8—10所示，其在模块的前方操作即可实现模块后侧的固定；而模块固定于整机的具体固定方式见图11，装配时，只需将模块沿滑道推入整机中，推动到位后，从前侧拧紧长螺杆1-7-6和L型固定板1-5下部圆孔处的螺栓即可。
上述长螺杆组件中，最左侧的螺母1-7-1与长螺杆1-7-6焊接牢固，装配时，通过左侧螺母1-7-1将扭力传递到长螺杆1-7-6尖部；双螺母1-7-1及弹垫组合1-7-3为装配件，主要用途为防止模块拆卸后，螺杆组件从模块组件中脱落。所述双螺母1-7-1及弹垫组合1-7-4同样为装配件，主要作用是将模块压紧到位；弹簧垫圈1-7-5的功能是模块组件装配完毕后起着螺杆防松的作用。另外，橡胶垫1-7-2的弹性较好，当弹簧垫圈1-7-5被压紧后，焊接螺栓部位与框架会存在一定间隙，橡胶垫1-7-2的采用恰好可填补这一间隙，并提供一定的弹力，防止长螺杆1-7-6头部晃动。长螺杆1-7-61-7-6端部位设计倒角，起导向作用。
在整机中,如图11所示，模块后固定板d设置了与长螺杆1-7-6对齐的螺纹孔，用于模块后部的固定；模块底部设置了左右两个滑道f，一般为摩擦系数较小的非金属材料，如尼龙，用于限制推动过程中的左右移动，同时保证长螺杆1-7-6能够与后固定板的固定孔d0对齐。
具体实施时，水冷板组件2如图12—13所示，其主要由水冷板2-1、IGBT(第一IGBT2-2、第二IGBT 2-3)、大电阻2-4、变压器2-6、电感2-7、小电阻组件2-8、二极管2-9等组成。其中，IGBT、大电阻2-4、变压器2-6、电感2-7、小电阻组件2-8、二极管2-9等均为发热器件，其固定于水冷板2-1的上下两侧，充分利用了散热器的表面空间。水冷板2-1的工作原理是：水冷板2-1内部设置了的流道，在冷却液(一般为纯水水和乙二醇的混合物)流经流道时，通过对流换热的方式将发热器件传给水冷板2-1的热量带走。因此，发热器件应该进行合理的布置，避免器件的固定孔杂乱无章，影响内部流道的通畅性，如图12—14所示，器件布置应尽量整齐，保证流道的通畅性。水冷板2-1表面更需要满足相应器件的安装需求，特设置了对应的固定孔用于固定相应器件。此处，为解决小器件的安装问题(如小电阻)，采用了图15的方式，将小电阻b先固定于此处稍大的安装板(电阻安装板c)上，然后将整个组件固定于水冷板2-1的表面，电阻组件在水冷板2-1上的固定孔则只有4个，以保证流道的通畅性。
基于以上实施例可知，本发明的框架组件(框架)采用螺栓连接的形式，相对焊接形式，更利于控制产品尺寸精度，提高框架可靠性；而一系列的发热器件均安装于水冷板表面，其余电气零件固定于安装板上，安装板组件可直接固定于方管上(方管上设置拉铆螺母)，可通过隔离柱固定于水冷板表面，也可设计为“铰链+螺栓固定”的旋转结构，产品设计思路非常清晰明确，产品可维护性好。
并且，为了增强效果，本发明采用了粗、细两种隔离柱，分别应用于较轻和较重安装板的固定，安装方便。
本发明模块采用长螺杆结构通过前侧对模块后部进行固定，操作方便。“滑道+长螺杆”的组合设计方式，滑道为选用低摩擦系数的材质制成，便于模块的推拉，滑道同时起着左右限位作用，便于长螺杆与整机后侧的固定孔对齐。
本发明水冷板组件上下两侧均布置发热器件，可充分利用水冷板的散热性能，产品结构紧凑，集成度高。水冷板组件装配了快速水接头，可实现拔出水接头时，水冷板内液体不会漏出，产品可维护性高。
本发明针对体积较小的发热器件，设计了起过度作用的安装板，易于水冷板流道的畅通性设计，此外，模块前端还设计了把手，利于产品的维护。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：包括框架组件、水冷板组件以及用于安装功率器件的第一安装板、第二安装板、第三安装板、第四安装板；其中，所述水冷板组件水平可拆卸地安装在框架组件内部，所述第一安装板位于框架组件内部的上方并与水冷板组件垂直相接；第二安装板通过竖直设置的细隔离柱可拆卸地固定于水冷板组件的上方；所述第三安装板通过粗隔离柱可拆卸地固定于水冷板组件的下方；所述第四安装板的左侧采用铰链铰接在框架组件的左侧纵梁上，其右侧采用螺栓可拆卸地固定在框架组件的右侧纵梁上，以使得所述第四安装板在框架组件侧面上旋转可开启。
2.根据权利要求1所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：所述细隔离柱的横截面呈六边形，且在其一端设有螺纹孔，另一端设有圆柱，圆柱上攻有外螺纹。
3.根据权利要求1所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：所述粗隔离柱呈圆柱状且在其端面处设有螺纹孔，在设有螺纹孔的每端的侧壁上加工有被削平的平台缺口，双头螺柱拧入所述粗隔离柱的螺纹孔内。
4.根据权利要求1所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：所述框架组件包括方管、三通接头、T型接头、螺栓组件、L型固定板、把手和长螺栓组件；其中，每三根所述方管通过三通接头连接在一起形成两两相互垂直的框架顶角结构，T型接头和螺栓组件通过矩管将相应框架顶角结构组合构成框架。
5.根据权利要求4所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：所述框架组件的前方左右两侧分别设置了所述L型固定板，该L型固定板具有两个孔，其中1个孔用于固定在框架前下方，另外1个孔用于模块与整机固定。
6.根据权利要求4所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：在模块的前下方还设置了便于模块的推拉操作的把手。
7.根据权利要求4所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：所述长螺杆组件包括螺母、橡胶垫、双螺母及弹垫组合、双螺母及弹垫组合、弹簧垫圈、长螺杆；位于最左侧的螺母与长螺杆端部焊接牢固，紧靠所述最左侧的螺母的双螺母与弹垫组合为预先装配好的装配件并螺纹配合在长螺杆上，最左侧的螺母与所述装配件之间的螺杆穿过框架组件的矩管，最左侧的螺母与其所正对的矩管之间夹有所述橡胶垫；在所述长螺杆靠另一端的位置处螺纹配合有同样由双螺母及弹垫组合成的预装配件，且该预装配件与长螺杆另一端穿过的框架组件的矩管内侧壁之间夹有所述弹簧垫圈。
8.根据权利要求7所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：所述橡胶垫在弹簧垫圈被压紧后，橡胶垫恰好填补焊接螺栓部位处的螺母与框架间的间隙，并提供一定的弹力。
9.根据权利要求4所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：还包括后固定板，其具有与所述长螺杆对齐的用于模块后部固定的螺纹孔；在模块底部设置有左右对称的两个滑道，以限制推动过程中的左右移动并同时保证长螺杆能够与所述后固定板固定孔对齐。
10.根据权利要求1所述基于螺栓连接的水冷散热功率模块，其特征在于：所述水冷板组件包括水冷板、IGBT、大电阻、变压器、电感、小电阻组件、二极管、水冷板；其中，发热器件：IGBT、大电阻、变压器、电感、小电阻组件、二极管固定于水冷板的上下两侧；在所述水冷板内部设置有流道，以使得在冷却液流经流道时，通过对流换热的方式将相应发热器件传给水冷板的热量带走。
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