CN110610910A - 一种扰流式液冷散热装置及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及散热器技术领域，提供一种扰流式液冷散热装置及其加工方法，旨在解决轨道交通、新能源、电网、电力电子设备中，现有技术液冷系统无法适应现有电力电子设备中IGBT半导体元件功率增加发热的问题，包括自上而下依次设置的盖板、上钎焊板、下钎焊板和基板，所述盖板通过上钎焊板和下钎焊板与基板焊接成一体，且盖板与基板之间形成有密闭的液冷空间，所述液冷空间内设有由若干个多边形翅片错位均匀排列组成的扰流网。本发明尤其适用于现有电力电子设备中IGBT半导体元件的液冷散热，具有较高的社会使用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及散热器技术领域，具体涉及一种扰流式液冷散热装置及其加工方法。
背景技术
现代电力电子设备对可靠性要求、性能指标、功率密度等要求进一步提高，电力电子设备的热设计也越来越重要。IGBT元件是轨道交通、新能源电力电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性、安全性以及使用寿命，IGBT元件的散热是至关重要的。
当前IGBT元器件在工作时会产生导通以及开关损耗，因此需要安装冷却设备进行散热，以降低功率器件的结温，确保IGBT元器件在允许温度下正常、可靠运行。目前IGBT器件的冷却方式主要有风冷、液冷和热管等，随着器件性能要求和功率密度的进一步提高，对散热要求也越来越严苛。从可靠性考虑，一般选用散热效率高的液冷散热器对功率器件进行冷却，由于小流量大功耗成为一种趋势，而常规的直槽道结构难以实现高功率密度冷却要求，需要采用强化散热技术。
传统的液冷散热器是通过在液冷基板上开直槽，再将液冷盖板与基板在中间夹一层钎料片通过真空钎焊焊接在一起，在盖板面安装电子器件，采用的盖板多为薄壁板结构以降低散热器传导热阻要求，可见现有液冷板流道简单，水在单层同一平面上冷却，散热性能低安全性风险高，现有技术液冷系统无法适应现有电力电子设备中IGBT半导体元件功率增加发热的问题。
为此，我们提出了一种扰流式液冷散热装置及其加工方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种扰流式液冷散热装置及其加工方法，克服了现有技术的不足，设计合理，结构紧凑，旨在解决轨道交通、新能源、电网、电力电子设备中，现有技术液冷系统无法适应现有电力电子设备中IGBT半导体元件功率增加发热的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种扰流式液冷散热装置，包括自上而下依次设置的盖板、上钎焊板、下钎焊板和基板，所述盖板通过上钎焊板和下钎焊板与基板焊接成一体，且盖板与基板之间形成有密闭的液冷空间，所述盖板的下端设有由若干个多边形翅片错位均匀排列组成的扰流网；
所述基板贴合在扰流网上，并与所述扰流网形成若干个扰流液冷通道，所述基板内部设有导流水槽，盖板面设有上入液口和上出液口，且上入液口和上出液口的外表面对应位置分别设有入口水嘴和出口水嘴。
进一步的，所述基板的上端沿着液冷空间的内腔边缘开设有呈C形的导流水槽。
进一步的，所述盖板的上表面设有多个呈矩阵排列的半导体安装面。
进一步的，相邻的所述多边形翅片之间的间隙形成有网眼槽，且多边形翅片与网眼槽相互交叉且彼此连通，形成有X形交叉的液体流动路线。
进一步的，所述上钎焊板和下钎焊板呈匹配相互套合的结构，且上钎焊板的侧壁上对称开设有分别与上入液口和上出液口相贯通的第一液冷通道和第二液冷通道。
进一步的，所述多边形翅片为平行四边形、方形、菱形结构中的任意一种。
一种扰流式液冷散热装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤1、将盖板用真空吸盘工装定位于加工中心的工作台上，随后使用铣刀在盖板的下端加工出四个等距平行的翅片凸台；
步骤2、将四个翅片凸台采用角度刀盘、刻度盘、多锯片铣刀和铣刀自动换刀工装实现切割角度的调节，在四个翅片凸台的下端面上呈X形交叉切割上若干个网眼槽，多个网眼槽相邻配合凸起形成的多边形翅片形成扰流网；
步骤3、在加工中心的工作台上，使用机床编程自动换铣刀对基板的上端开出C形的导流水槽；
步骤4、在冲床工作台上，将上钎焊板和下钎焊板采用冲压设备冲压成型；
步骤5、将所述的盖板、上钎焊板、下钎焊板、基板依次叠加，放入高温焊接工装进行固定，随后通过真空钎焊炉将上述的盖板、上钎焊板、下钎焊板、基板焊接成一体；
步骤6、对焊接好的扰流式液冷散热装置做热处理工艺，消除工件内应力。
进一步的，所述步骤4中，上钎焊板冲压下来的下角料可应用于下钎焊板的配套加工。
进一步的，所述步骤5中，高温焊接工装上设置若干个压块用于压住固定工件，且压块通过若干个高温弹簧来控制预压力度。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种扰流式液冷散热装置及其加工方法，具备以下有益效果：
1、通过创新设计，多边形翅片扰流水流通道，可以有效增强散热面积，降低散热能耗，大幅提升大功率电子元器件的散热效率及散热性能。
2、多边形翅片与网眼槽相互交叉彼此连通，使冷却液流过多边形翅片时沿X交叉型路线流动，形成若干个扰流水流通道，高效的扰流效应，降低散热能耗，大幅提升大功率电子元器件的散热效率及散热性能。
3、盖板内部多边形翅片流道为平行四边形、方形、菱形结构中的任意一种，不限于一种形状结构，发明创新度高，加工容易实现。
4、四个翅片凸台采用角度刀盘、刻度盘、多锯片铣刀和铣刀自动换刀工装实现切割角度的调节，在四个翅片凸台的下端面上呈X形交叉切割上若干个网眼槽，多个网眼槽相邻配合凸起形成的多边形翅片形成了扰流网，所有尺寸一次性加工到位，无需进行第二次装夹加工，加工效率高，成本低，尺寸精度高。
5、本发明中真空钎焊焊接时，高温焊接工装模板设计若干个压块和若干个高温弹簧相配合来控制预压力度，确保每一件产品压装时受力均匀，提高真空钎焊的焊合率品质。
6、本发明中上钎焊板和下钎焊板采用冲压成型，上钎焊板冲压下来的下角料可用在下钎料板，节省材料，降低材料成本。
7、本发明对工件做热处理工艺，消除工件内应力，提升工件硬度、强度、塑性和韧性，提高散热装置使用稳定性和可靠性，延长使用寿命。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种扰流式液冷散热装置及其加工方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1为本发明整体组装示意图；
图2为本发明结构分解示意图；
图3为本发明中盖板示意图；
图4为本发明中多边形翅片和网眼槽的组合结构放大示意图；
图5为本发明中角度刀盘、刻度盘和锯片铣刀的组合结构示意图；
图6为本发明中高温焊接工装结构示意图。
图中：盖板001、半导体安装面002、上钎焊板003、下钎焊板004、基板005、入口水嘴006、水流通道入口007、出口水嘴008、水流通道出口009、水流通道入口010、水流通道出口011、导流水槽012、网眼槽013、翅片凸台014、多边形翅片015、角度刀盘016、刻度盘017、锯片铣刀018、高温焊接工装019、高温弹簧020、压块021。
具体实施方式
下面结合附图1-6和实施例对本发明进一步说明：
如图1、图2、图3所示一种扰流式液冷散热装置，该装置包括：自上而下依次设置的盖板001、上钎焊板003、下钎焊板004和基板005，所述盖板001通过上钎焊板003和下钎焊板004与基板005焊接成一体，且盖板001与基板005之间形成有密闭的液冷空间，所述盖板001的下端设有由若干个多边形翅片015错位均匀排列组成的扰流网；
所述基板005贴合在扰流网上，并与所述扰流网形成若干个扰流液冷通道，所述基板005内部设有导流水槽012，盖板001面设有上入液口007和上出液口009，且上入液口007和上出液口009的外表面对应位置分别设有入口水嘴006和出口水嘴008。
本实施例中，如图2所示，所述基板005的上端沿着液冷空间的内腔边缘开设有呈C形的导流水槽012，有效的配合上入液口007和上出液口009形成贯通的液冷通道。
本实施例中，冷却液从入口水嘴006进入上入液口007经过基板005上的导流水槽012再经过若干个多边形翅片015错位均匀排列组成的扰流网，形成若干个扰流液冷通道，然后从上出液口009上的出口水嘴008流出，有效增强散热面积及扰流效应，大幅提高散热性能。
本实施例中，如图1和2所示，所述盖板001的上表面设有多个呈矩阵排列的半导体安装面002，用于安装IGBT半导体元件，保证IGBT半导体元件的散热。
本实施例中，如图4所示，相邻的所述多边形翅片015之间的间隙形成有网眼槽013，且多边形翅片015与网眼槽013相互交叉且彼此连通，形成有X形交叉的液体流动路线，使冷却液流过多边形翅片015时沿X交叉型路线流动，形成若干个扰流水流通道，保证冷却效果。
本实施例中，如图2所示，所述上钎焊板003和下钎焊板004呈匹配相互套合的结构，且上钎焊板003的侧壁上对称开设有分别与上入液口007和上出液口009相贯通的第一液冷通道010和第二液冷通道011，有效的保证液冷通道的贯通和循环，便于冷却液体带走IGBT半导体元件工作时的温度。
本实施例中，如图4所示，所述多边形翅片015为平行四边形、方形、菱形结构中的任意一种，不限于一种形状结构，便于加工。
一种扰流式液冷散热装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤1、如图4所示，将盖板001用真空吸盘工装定位于加工中心的工作台上，随后使用铣刀在盖板001的下端加工出四个等距平行的翅片凸台014；
步骤2、如图5所示，将四个翅片凸台014采用角度刀盘016、刻度盘017、多锯片铣刀018和铣刀自动换刀工装实现切割角度的调节，在四个翅片凸台014的下端面上呈X形交叉切割上若干个网眼槽013，多个网眼槽013相邻配合凸起形成的多边形翅片015形成扰流网，所有尺寸一次性加工到位，无需进行第二次装夹加工；
步骤3、在加工中心的工作台上，使用机床编程自动换铣刀对基板005的上端开出C形的导流水槽012；
步骤4、在冲床工作台上，将上钎焊板003和下钎焊板004采用冲压设备冲压成型，用于钎焊；
步骤5、将所述的盖板001、上钎焊板003、下钎焊板004、基板005依次叠加，放入高温焊接工装019进行固定，随后通过真空钎焊炉将上述的盖板001、上钎焊板003、下钎焊板004、基板005焊接成一体。
步骤6、对焊接好的扰流式液冷散热装置做热处理工艺，消除工件内应力，提升工件硬度、强度、塑性和韧性，提高散热装置使用稳定性和可靠性。
本实施例中，如图2所示，上钎焊板003与下钎焊板004是配套用于钎焊的，钎焊，是指低于焊件熔点的钎料和焊件同时加热到钎料熔化温度后，利用液态钎料填充固态工件的缝隙使金属连接的焊接方法，钎焊变形小，接头光滑美观；
所述步骤4中，上钎焊板003冲压下来的下角料可应用于下钎焊板004的配套加工，节约加工的原料成本。
本实施例中，如图6所示，所述步骤5中，高温焊接工装019上设置若干个压块021用于压住固定工件，且压块021通过若干个高温弹簧020来控制预压力度，确保每一件扰流式液冷散热装置在压装时受力均匀，实现在真空钎焊炉内的稳定焊接。
本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种扰流式液冷散热装置，包括自上而下依次设置的盖板、上钎焊板、下钎焊板和基板，其特征在于，所述盖板通过上钎焊板和下钎焊板与基板焊接成一体，且盖板与基板之间形成有密闭的液冷空间，所述盖板的下端设有由若干个多边形翅片错位均匀排列组成的扰流网；
所述基板贴合在扰流网上，并与所述扰流网形成若干个扰流液冷通道，所述基板内部设有导流水槽，盖板面设有上入液口和上出液口，且上入液口和上出液口的外表面对应位置分别设有入口水嘴和出口水嘴。
2.如权利要求1所述的一种扰流式液冷散热装置，其特征在于：所述基板的上端沿着液冷空间的内腔边缘开设有呈C形的导流水槽。
3.如权利要求1所述的一种扰流式液冷散热装置，其特征在于：所述盖板的上表面设有多个呈矩阵排列的半导体安装面。
4.如权利要求1所述的一种扰流式液冷散热装置，其特征在于：相邻的所述多边形翅片之间的间隙形成有网眼槽，且多边形翅片与网眼槽相互交叉且彼此连通，形成有X形交叉的液体流动路线。
5.如权利要求1所述的一种扰流式液冷散热装置，其特征在于：所述上钎焊板和下钎焊板呈匹配相互套合的结构，且上钎焊板的侧壁上对称开设有分别与上入液口和上出液口相贯通的第一液冷通道和第二液冷通道。
6.如权利要求1所述的一种扰流式液冷散热装置，其特征在于：所述多边形翅片为平行四边形、方形、菱形结构中的任意一种。
7.一种扰流式液冷散热装置的加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、将盖板用真空吸盘工装定位于加工中心的工作台上，随后使用铣刀在盖板的下端加工出四个等距平行的翅片凸台；
步骤2、将四个翅片凸台采用角度刀盘、刻度盘、多锯片铣刀和铣刀自动换刀工装实现切割角度的调节，在四个翅片凸台的下端面上呈X形交叉切割上若干个网眼槽，多个网眼槽相邻配合凸起形成的多边形翅片形成扰流网；
步骤3、在加工中心的工作台上，使用机床编程自动换铣刀对基板的上端开出C形的导流水槽；
步骤4、在冲床工作台上，将上钎焊板和下钎焊板采用冲压设备冲压成型；
步骤5、将所述的盖板、上钎焊板、下钎焊板、基板依次叠加，放入高温焊接工装进行固定，随后通过真空钎焊炉将上述的盖板、上钎焊板、下钎焊板、基板焊接成一体；
步骤6、对焊接好的扰流式液冷散热装置做热处理工艺，消除工件内应力。
8.如权利要求7所述的一种扰流式液冷散热装置的加工方法，其特征在于：所述步骤4中，上钎焊板冲压下来的下角料可应用于下钎焊板的配套加工。
9.如权利要求7所述的一种扰流式液冷散热装置的加工方法，其特征在于：所述步骤5中，高温焊接工装上设置若干个压块用于压住固定工件，且压块通过若干个高温弹簧来控制预压力度。
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