CN110610912A - 一种铜铝管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，提供一种铜铝管液冷散热装置及其加工方法，旨在解决中央空调、新能源、电力电子设备中，现有技术液冷系统无法适应电力电子设备中IGBT半导体元件的功散热问题、可靠性问题及成本问题，包括自上而下依次设置的基板、钎料板和盖板，所述基板通过钎料板与盖板焊接成一体，且基板的下端面开设有用于冷却液流通进行液冷散热的液冷槽，液冷槽内设有多个散热翅片，所述液冷槽的两端分别开设有贯通基板侧壁的水流通道入口和水流通道出口；所述液冷槽沿着冷却液的运动方向依次分为进水段、第一冷却区、第二冷却区和回水段。本发明尤其适用于电力电子设备中半导体元件的高效散热，具有较高的社会使用价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉散热器技术领域，具体涉及一种铜铝管液冷散热装置及其加工方法。
背景技术
随着电力电子设备功率元件容量及功率密度不断增加，设备工作热耗越来越大，传统的风冷式散热已经无法满足大功率电子元器件工作需要，液冷式散热技术正逐步取代风冷式散热，故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元件是中央空调、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、液冷和冷媒等，随着器件性能要求和功率密度的进一步提高，对散热要求及成本控制也越来越严苛。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。
传统的中央空调IGBT散热为铜管散热器，是跟据特定的设计在基板上开槽，同时用折弯机把铜管折成跟基板上开槽弧度相同的形状，再将铜管镶嵌入基板内，然后在基板面安装电子元器件，采用铜管弯管的结构工艺以降低散热器传导热阻要求，可见全铜管成本高，无法实现铜铝管转换，且现有液冷板流道简单，散热性能低安全性风险高。
为此，我们提出了一种铜铝管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，本发明提供了一种铜铝管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，旨在解决中央空调、新能源、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半导体元件的功散热问题、可靠性问题及成本问题。
(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：
一种铜铝管液冷散热装置，包括自上而下依次设置的基板、钎料板和盖板，所述基板通过钎料板与盖板焊接成一体，且基板的下端面开设有用于冷却液流通进行液冷散热的液冷槽，液冷槽内设有多个散热翅片，所述液冷槽的两端分别开设有贯通基板侧壁的水流通道入口和水流通道出口；
所述液冷槽沿着冷却液的运动方向依次分为进水段、第一冷却区、第二冷却区和回水段，
进水段的起始端与水流通道入口相贯通连接，用于冷却液进入所述的液冷槽；
第一冷却区由两个沿着冷却液的运动方向平行设置的冷却分区组成，且两个冷却分区内均横向安装多个散热翅片；
第二冷却区由三个沿着冷却液的运动方向平行设置的冷却分区组成，且三个冷却分区内均竖向安装多个散热翅片；
回水段的末端与水流通道出口相贯通连接，用于冷却液排出所述的液冷槽。
进一步的，所述基板上端对应水流通道入口的位置通过入口铝管和入口铝管安装有入口水嘴，所述基板上端对应水流通道出口的位置通过出口铝管和出口铜管安装有出口水嘴。
进一步的，所述入口铝管设置在入口铝管上端并通过电阻无缝焊接，所述出口铝管设置在出口铜管上端并通过电阻无缝焊接。
进一步的，所述入口水嘴和出口水嘴为全铜材质，且入口水嘴和出口水嘴分别与入口铜管和出口铜管的输出端通过钎焊连接。
进一步的，所述冷却分区内的多个散热翅片平行等距排列，且相邻两个散热翅片之间的间距为2-8毫米。
本发明的第二技术方案提供了一种铜铝管液冷散热装置的加工方法，包括以下步骤：
步骤1、将基板用真空吸盘工装定位于加工中心工作台上，采用锯片铣刀和平铣刀自动换刀将基板下部加工出液冷槽和液冷槽冷却分区内的若干散热翅片；
步骤2、使用开孔钻机对基板上液冷槽的起始端和末端分别开出水流通道入口和水流通道出口；
步骤3、用车床加工将入口水嘴、入口铜管、入口铝管和出口水嘴、出口铜管、出口铝管加工成所需要的尺寸；
步骤4、依次将所述的入口铜管与入口铝管，出口铜管与出口铝管采用模具和专机电阻焊接成一体，并铜铝管焊接好的工件铜端与所述的与入口水嘴和出口水嘴通过钎焊工艺焊接连接；
步骤5、将盖板和钎料板照图纸尺寸下料并采用冲床冲压成型，并将盖板、钎料板与步骤2中处理完成的基板自下向上依次叠加，放入高温焊接工装内进行固定，然后通过真空钎焊炉将上述的盖板、钎料板、基板焊接成一体；
步骤6、将步骤4中焊接好的两个铜铝管水嘴组件的铝端分别与所述的基板对应的水流通道入口和水流通道出口采用氩弧焊工艺焊接成一体；
步骤7、将焊接好的散热装置采用加工中心加工成所需要尺寸并做热处理工艺，消除工件内应力。
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铜铝管液冷散热装置及其加工方法，具备以下有益效果：
1、通过创新设计复杂散热翅片水流通道，基板内若干散热翅片相互排列彼此连通，使冷却液流过所述的散热翅片，形成若干个水流通道，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、通过铜管与铝管直接焊接实现铜铝管无焊料无缝对接焊技术，并应用于中央空调及电力电子行业IGBT散热，是一种可靠、低成本的加工方法，可实现铜铝管过度转换，有效提高散热装置使用稳定性和可靠性。
3、通过将水嘴与铜管、铝管和基板串联焊接成一体，形成密闭的循环水流通道，使用强度及密封性能比传统的高，有效提高散热装置使用稳定性和可靠性。
4、真空钎焊焊接时，高温焊接工装设置若干个压块压住工件，并通过扭力来控制预压力度，确保每一件工件压装时受力均匀，提高真空钎焊的焊合率品质。
5、本发明公开了一种快速可靠的铜铝管液冷散热装置加工方法，克服现有的技术不足，提供了新一代的铜铝管液冷散热装置，有效的解决了中央空调、新能源、电力电子设备现有技术液冷系统无法适应现有电力电子设备中IGBT半导体元件功散热问题、可靠性问题、成本问题。
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，对一种铜铝管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为本发明结构分解示意图；
图2为本发明整体组装示意图；
图3为本发明中液冷槽及冷却液运动方向的组合结构示意图；
图4为本发明中液冷槽与散热翅片的组合结构示意图；
图5为本发明中高温焊接工装的结构示意图。
图中：入口水嘴001、入口铝管002、入口铝管003、水流通道入口004、出口水嘴005、出口铜管006、出口铝管007、水流通道出口008、基板009、钎料板010、盖板011、散热翅片012、进水段013、第一冷却区014、第二冷却区015、回水段016、高温焊接工装017、压块018、高温弹簧019。
具体实施方式
下面结合附图1-5和实施例对本发明进一步说明：
实施例1
一种铜铝管液冷散热装置，包括自上而下依次设置的基板009、钎料板010和盖板011，所述基板009通过钎料板010与盖板011焊接成一体，且基板009的下端面开设有用于冷却液流通进行液冷散热的液冷槽，液冷槽内设有多个散热翅片012，所述液冷槽的两端分别开设有贯通基板009侧壁的水流通道入口004和水流通道出口008,液冷槽有效的配合水流通道入口004和水流通道出口008形成贯通的液冷通道,用于走IGBT半导体元件工作的冷却降温。
本实施例中，如图3和4所示，所述液冷槽沿着冷却液的运动方向依次分为进水段013、第一冷却区014、第二冷却区015和回水段016，
进水段013的起始端与水流通道入口004相贯通连接，用于冷却液进入所述的液冷槽；
第一冷却区014由两个沿着冷却液的运动方向平行设置的冷却分区组成，且两个冷却分区内均横向安装多个散热翅片012；
第二冷却区015由三个沿着冷却液的运动方向平行设置的冷却分区组成，且三个冷却分区内均竖向安装多个散热翅片012，可以理解的是，第二冷却区015中的三个冷却分区与第一冷却区014中的两个冷却分区呈90°垂直设置，且其中设置的多个散热翅片012也呈90°垂直设置，充分保证液冷效率；
回水段016的末端与水流通道出口008相贯通连接，用于冷却液排出所述的液冷槽。
可以理解的是，本实施例中，冷却液从水流通道入口004进入进水段013，并依次通过第一冷却区014和第二冷却区015，然后从回水段016末端上的水流通道出口008流出，其中，冷却液在第一冷却区014和第二冷却区015的共计5个冷却分区中，配合多个散热翅片012形成若干个液冷通道，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。
本实施例中，如图1和2所示，所述基板009上端对应水流通道入口004的位置通过入口铝管003和入口铝管002安装有入口水嘴001，所述基板009上端对应水流通道出口008的位置通过出口铝管007和出口铜管006安装有出口水嘴005，水嘴与铜管、铝管和基板009串联成一体，形成密闭的循环水流通道，使用强度及密封性能均比传统直接连接方式要高，有效提高散热装置使用的稳定性和可靠性。
本实施例中，如图1和2所示，所述入口铝管002设置在入口铝管003上端并通过电阻无缝焊接，所述出口铝管007设置在出口铜管006上端并通过电阻无缝焊接，所述的入口铝管002、入口铝管003与出口铝管007、出口铜管006采用电阻无缝焊接，(传统的为螺纹紧固或粘胶联接)实现铜铝管无焊料无缝对接焊技术，并应用于中央空调及电力电子行业IGBT散热，是一种可靠、低成本的加工方法，可实现铜铝管过度转换，有效提高散热装置使用稳定性和可靠性。
本实施例中，所述入口水嘴001和出口水嘴005为全铜材质，且入口水嘴001和出口水嘴005分别与入口铜管002和出口铜管006的输出端通过钎焊连接，采用钎焊的方式，有利于形成密闭的循环水流通道，使用强度及密封性能均比传统直接连接方式要高，有效提高散热装置使用的稳定性和可靠性。
本实施例中，如图4所示，所述冷却分区内的多个散热翅片012平行等距排列，且相邻两个散热翅片012之间的间距为2-8毫米，有效的保证冷却液在通过多个散热翅片012形成的多个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。
实施例2
根据实施例1所述的铜铝管液冷散热装置，其加工方法步骤如下：
步骤1、将基板009用真空吸盘工装定位于加工中心工作台上，采用锯片铣刀和平铣刀自动换刀将基板009下部加工出液冷槽和液冷槽冷却分区内的若干散热翅片012；
步骤2、使用开孔钻机对基板009上液冷槽的起始端和末端分别开出水流通道入口004和水流通道出口008；
步骤3、用车床加工将入口水嘴001、入口铜管002、入口铝管003和出口水嘴005、出口铜管006、出口铝管007加工成所需要的尺寸；
步骤4、依次将所述的入口铜管002与入口铝管003，出口铜管006与出口铝管007采用模具和专机电阻焊接成一体，并铜铝管焊接好的工件铜端与所述的与入口水嘴001和出口水嘴005通过钎焊工艺焊接连接；
步骤5、将盖板011和钎料板010照图纸尺寸下料并采用冲床冲压成型，并将盖板011、钎料板010与步骤二中处理完成的基板009自下向上依次叠加，放入高温焊接工装017内进行固定，然后通过真空钎焊炉将上述的盖板011、钎料板010、基板009焊接成一体；
步骤6、将步骤4中焊接好的两个铜铝管水嘴组件的铝端分别与所述的基板009对应的水流通道入口004和水流通道出口008采用氩弧焊工艺焊接成一体；
步骤7、将焊接好的散热装置采用加工中心加工成所需要尺寸并做热处理工艺，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5所示，所述步骤5中，高温焊接工装017上设置若干个压块018用于压住固定工件，且压块018通过若干个高温弹簧019来控制预压力度，确保每一件铜铝管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 (7)
1.一种铜铝管液冷散热装置，包括自上而下依次设置的基板、钎料板和盖板，其特征在于，所述基板通过钎料板与盖板焊接成一体，且基板的下端面开设有用于冷却液流通进行液冷散热的液冷槽，液冷槽内设有多个散热翅片，所述液冷槽的两端分别开设有贯通基板侧壁的水流通道入口和水流通道出口；
所述液冷槽沿着冷却液的运动方向依次分为进水段、第一冷却区、第二冷却区和回水段，
进水段的起始端与水流通道入口相贯通连接，用于冷却液进入所述的液冷槽；
第一冷却区由两个沿着冷却液的运动方向平行设置的冷却分区组成，且两个冷却分区内均横向安装多个散热翅片；
第二冷却区由三个沿着冷却液的运动方向平行设置的冷却分区组成，且三个冷却分区内均竖向安装多个散热翅片；
回水段的末端与水流通道出口相贯通连接，用于冷却液排出所述的液冷槽。
2.如权利要求1所述的一种铜铝管液冷散热装置，其特征在于：所述基板上端对应水流通道入口的位置通过入口铝管和入口铝管安装有入口水嘴，所述基板上端对应水流通道出口的位置通过出口铝管和出口铜管安装有出口水嘴。
3.如权利要求2所述的一种铜铝管液冷散热装置，其特征在于：所述入口铝管设置在入口铝管上端并通过电阻无缝焊接，所述出口铝管设置在出口铜管上端并通过电阻无缝焊接。
4.如权利要求2所述的一种铜铝管液冷散热装置，其特征在于：所述入口水嘴和出口水嘴为全铜材质，且入口水嘴和出口水嘴分别与入口铜管和出口铜管的输出端通过钎焊连接。
5.如权利要求1所述的一种铜铝管液冷散热装置，其特征在于：所述冷却分区内的多个散热翅片平行等距排列，且相邻两个散热翅片之间的间距为2-8毫米。
6.如权利要求1-5任意一项所述的铜铝管液冷散热装置，其特征在于：铜铝管液冷散热装置的加工方法包括以下步骤：
步骤1、将基板用真空吸盘工装定位于加工中心工作台上，采用锯片铣刀和平铣刀自动换刀将基板下部加工出液冷槽和液冷槽冷却分区内的若干散热翅片；
步骤2、使用开孔钻机对基板上液冷槽的起始端和末端分别开出水流通道入口和水流通道出口；
步骤3、用车床加工将入口水嘴、入口铜管、入口铝管和出口水嘴、出口铜管、出口铝管加工成所需要的尺寸；
步骤4、依次将所述的入口铜管与入口铝管，出口铜管与出口铝管采用模具和专机电阻焊接成一体，并铜铝管焊接好的工件铜端与所述的与入口水嘴和出口水嘴通过钎焊工艺焊接连接；
步骤5、将盖板和钎料板照图纸尺寸下料并采用冲床冲压成型，并将盖板、钎料板与步骤2中处理完成的基板自下向上依次叠加，放入高温焊接工装内进行固定，然后通过真空钎焊炉将上述的盖板、钎料板、基板焊接成一体；
步骤6、将步骤4中焊接好的两个铜铝管水嘴组件的铝端分别与所述的基板对应的水流通道入口和水流通道出口采用氩弧焊工艺焊接成一体；
步骤7、将焊接好的散热装置采用加工中心加工成所需要尺寸并做热处理工艺，消除工件内应力。
7.如权利要求6所述的一种铜铝管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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