CN110719717A - 双面水冷散热器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种双面水冷散热器，该双面水冷散热器包括散热片组，散热片组包括通过连接件固定的多个层叠设置的散热片，每两个相邻的散热片之间形成用于夹持绝缘栅双极型晶体管的空间；其中，每个散热片具有进水通道和出水通道，且进水通道和出水通道之间形成有流通内腔；任意两个相邻的散热片中，两个散热片的进水通道之间通过弹性连通管件连通，且两个散热片的出水通道之间也通过弹性连通管件连通。该双面水冷散热器中，两个相邻的散热片之间通过具有伸缩性能的弹性连通管件连通，配合连接件对各散热片的连接固定，可以根据需要调节两个散热片之间的距离，从而满足不同厚度的绝缘栅双极型晶体管的散热需求。

Description

双面水冷散热器

技术领域

本申请涉及电机控制器散热技术领域，尤其涉及一种双面水冷散热器。

背景技术

随着汽车产业的发展，电动汽车由于其节能、环保的优势，成为未来的趋势。电动汽车用驱动电机代替传统的燃油发动机以带动汽车行驶，作为电动汽车的核心部件的三电系统，一般由电池10、驱动电机20、电机控制器(motor control unit，MCU)30组成(如图1所示的三电系统结构布置示意图和图2所示的三电系统工作原理示意图)。而电机控制器中包括的一个核心器件为绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，由于绝缘栅双极型晶体管损耗较高，因此对电机控制器整体的散热能力要求较高，对散热器的要求也较高。新一代的电机控制器引入了一种双面水冷型绝缘栅双极型晶体管，针对这种双面水冷型绝缘栅双极型晶体管一般采用双面水冷散热器。

目前，双面水冷散热器分为一体式和分体式，如图3示出了一种一体式双面水冷散热器，采用N组单独的散热片3061并联装配为一体，通过钎焊一体成型，绝缘栅双极型晶体管305通过压板3062和圆柱压块3063对双面水冷散热器施加侧向外力，通过双面水冷散热器本体唇口3064的塑性变形夹持绝缘栅双极型晶体管305。这种散热器结构通过散热器自身的材料的塑性变形夹持，应力过大时，可能会使散热器变形过大，导致焊缝失效，并且该结构装配复杂且载荷不易控制。

发明内容

本申请提供了一种双面水冷散热器，使得整个散热器变形可控、装配简单。

本申请提供的双面水冷散热器，包括散热片组；其中，散热片组包括有多个通过连接件连接固定的散热片，多个散热片层叠设置，在使用时，两个相邻的散热片之间的空间用于夹持绝缘栅双极型晶体管以对绝缘栅双极型晶体管散热；具体地，每个散热片都具有进水通道和出水通道，在进水通道和出水通道之间形成有流通内腔，冷却液可以在进水通道和出水通道之间的流通内腔流通；在任意两个相邻的散热片中，两个散热片的进水通道之间通过弹性连通管件连通，且两个散热片的出水通道之间也通过弹性连通管件连通；一方面，弹性连通管件将上述多个散热片之间连接起来形成供冷却液流通的通道，冷却液进入散热片组后依次经过各个散热片的进水通道后依次经过各散热片的出水通道排出，其中，冷却液在散热片的流通内腔中流动时，与被散热片夹持的绝缘栅双极型晶体管冷热交换，对绝缘栅双极型晶体管降温散热；另一方面，结合连接件对各散热片的连接固定作用，弹性连通管件自身结构可在受力状态下发生弹性变形，可以根据需要调节两个相邻的散热片之间的距离，从而适应不同厚度的绝缘栅双极型晶体管。此外，该双面水冷散热器通过弹性连通管件和连接件配合对各散热片进行连接固定，可以提高对整个结构变形的可控性，也使得整个结构更加稳定。

上述多个散热片通过连接件连接固定为散热片组，保证多个散热片位置固定；其中，连接件可以是螺钉，也可以是卡扣，这两种连接件固定牢靠且装配简便。此外，上述散热片可以是一体成型，也可以是在保证密封性的前提下通过第一片体和第二片体配合形成。

一种可能实现的方式中，弹性连通管件可以包括波纹管，波纹管在其轴心线方向上能够伸长或收缩；波纹管沿其轴心线方向的两端分别连通两个相邻的散热片的进水通道(或两个散热片的出水通道)，在波纹管受力可伸缩的特性下两个散热片之间的距离就可以根据绝缘栅双极型晶体管的厚度调整。其中，上述波纹管的内径可以为13-15mm，这样的内径能够满足冷却液的流通要求。此外，波纹管的材质可以选择不锈钢或者铜。

为了实现冷却液与绝缘栅双极型晶体管之间充分的冷热交换，冷却液在散热片内的流通内腔最好具有较低的流动速度，因此，在散热片的流通内腔内设置有缓冲翅片；通过缓冲翅片的设置，增加了散热片与冷却液的接触面积，相当于增加了换热面积，可以提高冷却效果；同时，缓冲翅片还可以增大冷却液在流通内腔内的流动阻碍，进而降低冷却液的流动速度以取得更充分的换热效果。当然，缓冲翅片的形状结构不做限定，例如波浪形、折线形、螺旋形、圆柱形中的一种或多种的组合均能实现上述目的。具体地，缓冲翅片可以通过钎焊的形式固定于散热片的流通内腔内。

另外，上述所有实施例中的散热片可以选择铝合金，这样的散热片能够尽可能充分地与绝缘栅双极型晶体管实现冷热交换。

附图说明

图1为现有的一种电动汽车三电系统的结构示意图；

图2为现有的一种电动汽车三电系统的工作原理示意图；

图3为现有的一种双面水冷散热器的结构示意图；

图4为现有的一种电机控制器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器工作状态示意图；

图7为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中一种散热片的内部结构示意图；

图8为图7所示的一种双面水冷散热器中一种散热片的俯视图；

图9为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中另一种散热片的内部结构示意图；

图10为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器工作状态示意图；

图11为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中一种弹性连通管件的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中另一种弹性连通管件的结构示意图；

图13为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中具有缓冲翅片的散热片的内部结构示意图；

图14为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中一种缓冲翅片的结构示意图；

图15为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中一种缓冲翅片的结构示意图；

图16为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中一种缓冲翅片的结构示意图；

图17为本申请实施例提供的一种双面水冷散热器中一种缓冲翅片的结构示意图；

图18为本申请实施例提供的另一种双面水冷散热器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

首先介绍一下本申请的应用场景：随着汽车产业的发展，电动汽车由于其节能、环保的优势，成为未来的发展趋势。由电机、电机控制器、电池组成的三电系统作为电动汽车的核心部件，成为影响电动汽车的动力性能、续航、安全可靠行驶的关键因素。

如图1示出了一种电动汽车中的典型三电系统布置图，图2则示出了上述三电系统的工作原理。在图2中，电池10为电机控制器30提供电流，电流经电机控制器30逆变后控制驱动电机20的运转。其中的电机控制器30是电动汽车中重要的信号和能量传递元件，通过电机控制器30对驱动电机20的电压、电流进行控制，电机控制器30可以使电动汽车按照设定方向、速度、角度、响应时间进行工作，进而控制电动汽车的启停状态、进退速度、爬坡力度等行驶状态。具体地，电机控制器30的结构如图4所示，主要由上盖301、主壳体302、电容303、驱动控制板304、绝缘栅双极型晶体管305、散热器306组成。随着电动机控制器30向高压化、高功率密度化的发展需求，新一代电机控制器30引入一种双面水冷绝缘栅双极型晶体管，这种绝缘栅双极型晶体管305具有体积较小、可扩展性强等优势，可以满足高功率密度化的需求。针对该绝缘栅双极型晶体管305一般采用双面水冷散热器进行散热。但是，目前的双面水冷散热器一般通过散热器(如图3提供的一种双面水冷散热器)自身结构的材料塑性变形夹持绝缘栅双极型晶体管305，由于材料自身的塑性变形有限且不能承受较大应力载荷，因此不能满足不同尺寸绝缘栅双极型晶体管305的散热需求。

在此情况下，本申请实施例提出了一种双面水冷散热器，以在满足绝缘栅双极型晶体管散热需求的同时，使得散热器的自身结构具有更多的可调整空间，使得变形可控制，且装配简单，从而适应不同厚度的绝缘栅双极型晶体管。

以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。

在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

本申请实施例提供了一种双面水冷散热器，用于对电机控制器中的绝缘栅双极型晶体管进行水冷散热。具体如图5所示，该双面水冷散热器包括散热片组1，散热片组1具有进水口11和出水口12，外部的冷却液自进水口11进入散热片组1内，依次经过多个层叠设置的散热片13后从出水口12排出，多个散热片13通过连接件螺钉14固定，且冷却液在任意两个相邻的散热片13之间的流通通过弹性连通管件15实现，每两个相邻的散热片13之间的间隙可以用于夹持待散热的结构。如图6所示，将该双面水冷散热器应用于对绝缘栅双极型晶体管2进行散热，每两个相邻的散热片13之间夹持有绝缘栅双极型晶体管2，在冷却液自散热片组1的进水口11流向出水口12的过程中，冷却液在散热片组1内的流动路径可以如图6中的箭头所示，从而可以带走夹持于两个散热片13之间的绝缘栅双极型晶体管2的热量，从而实现绝缘栅双极型晶体管2的散热。需要说明的是，图5或图6中进水口11和出水口12的位置只是示意性说明，可以根据需要改变进水口11和出水口12的位置。

如图6所示的冷却液在散热片组1内的流动路径，每个散热片13需要将冷却液导入相邻的下一散热片13，同时还需要冷却液在散热片13的自身结构内部流动以为绝缘栅双极型晶体管2降温，图7或9示例性示出了散热片13的内部结构图，每个散热片13都具有进水通道131和出水通道132，此处的进水通道131和出水通道132是相对于整个散热片组1来说的，结合图6参照图7，进水通道131指对应于整个散热片组1的进水一侧的通道，出水通道132指对应于整个散热片组1出水一侧的通道；为了通过螺钉14固定各个散热片13，在散热片13两端还设置有用于螺钉14穿过的螺钉孔134，螺钉14自上而下依次穿过多个散热片13后通过螺母锁紧将多个散热片13固定；其中，图6示出了自下而上五个散热片13的结构；图6中五个散热片中位于下方的四个散热片13的内部结构如图7所示，这四个散热片13需要将进水口11输送来的冷却液经弹性连通管件15输送至相邻的另一个散热片13，因此，在图7中这种散热片13的进水通道131和出水通道132上下贯穿，图8则示出了这种散热片13的俯视图；而图9示出了图6五个散热片中最顶部的一个散热片13的内部结构，如图6所示的冷却液流动路径，进入最顶部的散热片13的冷却液只需要自其进水通道131流动至其出水通道132即可，因此，该散热片13的进水通道131只需要将冷却液导入该散热片13内，而出水通道132只需要将其内部的冷却液导出到下一个散热片13，进水通道131和出水通道132顶部封闭，如图9所示。而且，可以理解的是，图7或图9示出了一种一体式结构的散热片13，本实施例中的散热片13还可以是通过第一片体和第二片体两部分配合而成的，例如以上下配合或左右配合的方式焊接在一起，具体可以选择密封可靠性较高的钎焊焊接。

参照图10，对本实施例所提供的双面水冷散热器的工作过程做以介绍，以图10所示的散热片组1具有五个散热片13为例，第一个散热片13a的进水通道131(所有散热片13的进水通道131和出水通道132图中均未示出，请参照图7或图9所示)与第二个散热片13b的进水通道131之间、第二个散热片13b的进水通道131与第三个散热片13c的进水通道131之间、第三个散热片13c的进水通道131与第四个散热片13d的进水通道131之间、第四个散热片13d的进水通道131与第五个散热片13e的进水通道131之间分别通过弹性连通管件15连接，第一个散热片13a的出水通道132与第二个散热片13b的出水通道132之间、第二个散热片13b的出水通道132与第三个散热片13c的出水通道132之间、第三个散热片13c的出水通道132与第四个散热片13d的出水通道132之间、第四个散热片13d的出水通道132与第五个散热片13e的出水通道132之间通过弹性连通管件15连通，自散热片组1下方的进水口11进入的冷却液通过第一个散热片13a的进水通道131后经弹性连通管件15进入第二散热片13b的进水通道131，以此类推，冷却液继续流动到处于顶部的第五个散热片13e内；然后经过第五个散热片13e的流通内腔133(图中未示出，请参照图9所示)到达第五个散热片13e的出水通道132，经弹性连通管件15到第四个散热片13d的出水通道132，以此类推，冷却液继续流动依次经过所有的散热片13到出水口12排出。

可以理解的是，上述双面水冷散热器中相连的两个散热片13之间通过弹性连接管件15连通，弹性连接管件15的弹性特质可以允许两个散热片13之间的距离增大或缩小，从而可以根据需求夹持不同厚度的待散热结构(例如图6中所示的绝缘栅双极型晶体管2)。

具体地，以绝缘栅双极型晶体管2为例，在图6所示结构的基础上，若绝缘栅双极型晶体管2厚度增大，需要增大用于夹持该绝缘栅双极型晶体管2的两个散热片13之间的距离，随两个散热片13之间距离的增大，弹性连接管件15沿散热片13的层叠方向伸长，满足两个散热片13之间距离调整的同时保证冷却液导通。反之，在图6所示结构的基础上，若绝缘栅双极型晶体管2厚度减小，需要减小用于夹持该绝缘栅双极型晶体管2的两个散热片13之间的距离，随两个散热片13之间距离的较小，弹性连接管件15沿散热片13的层叠方向缩短，满足两个散热片13之间距离调整的同时保证冷却液导通。当然，在对散热片13间距调整(增大或减小)完成后，需要通过螺钉14将各散热片13固定，从而完成散热片组1的安装固定。

示例性的，弹性连通管件15可以是如图11所示的波纹管15a，这种波纹管15a能够沿其轴心线方向伸长或收缩(如图11所示的箭头方向)，对于两个相邻的散热片13，若每个散热片13具有一个进水通道131和一个出水通道132，两个相邻的散热片13之间可以设置两个波纹管15a，其中一个波纹管15a沿轴心线方向的一端与其中一个散热片13密封连接且与该散热片13的进水通道131连通，另一端与另一个散热片13密封连接且与该散热片13的进水通道131连通；而另一个波纹管15a沿轴心线方向的一端与其中一个散热片13密封连接且与该散热片13的出水通道132连通，另一端与另一个散热片13密封连接且与该散热片13的出水通道132连通。当夹持于两个相邻的散热片13之间的绝缘栅双极型晶体管2厚度改变，波纹管15a自身的可伸缩性能可以满足夹持于两个相邻的散热片13之间的绝缘栅双极型晶体管2的厚度变化。该波纹管15a的内径可以为13-15mm，这样的内径能够满足冷却液的流通要求，其长度则可以根据具体使用需求设定。此外，波纹管15a的材质可以为不锈钢、铜或者其他金属或合金。需要说明的是，这种波纹管15a具有较高的密封性，可以能够承受压力400Kpa、60万次脉冲无泄露，可以满足散热器的密封要求。

一种可能实现的方式中，弹性连通管件15可以是一种管件组件15b，这种管件组件15b可以是的柔性连接管151与弹簧152的组合。其中，柔性连接管151的两端分别与两个相邻的散热片13的进水通道131(或两个相邻的散热片13的出水通道132)密封连接，起到冷却液导通作用；而弹簧152的两端分别与两个相邻的散热片13连接，提供弹性连接效果。当两个散热片13之间的绝缘栅双极型晶体管2的厚度改变，弹簧152受力产生的弹性形变可以满足两个散热片13之间距离的改变，从而满足两个散热片13之间的绝缘栅双极型晶体管2的厚度变化需求。柔性连接管151则用于两个散热片13之间冷却液的流通。当然，这种方式中的柔性连接管151也需要满足类似于上述波纹管的密封要求。

具体地，柔性连接管151与弹簧152可以是一体式结构(如图12所示)，柔性连接管151设于弹簧152内且柔性连接管151的两端与弹簧151的两端固定连接为一体后再与散热片13密封连接，或者柔性连接管151与弹簧152分别设置，二者分别单独与散热片13密封连接(图中未示出)。

参照图10冷却液需要自散热片组1的进水口11进入经过各个散热片13之后自出水口12排出，而与绝缘栅双极型晶体管2之间的冷热交换主要是通过散热片13的流通内腔133内的冷却液实现的(参照图7或图9)，为了进一步提升散热效果，本实施例中的散热片13在流通内腔133内设置有缓冲翅片135，如图13所示的一种沿流通内腔133长度方向均匀阵列的柱形的缓冲翅片135。此处的柱形的缓冲翅片135固定于散热片13的流通内腔133内，相当于增加了散热片13流通内腔133的表面积，也就能够增加散热片13与冷却液的换热面积，以期提高冷却效果。此外，如果冷却液流动速率过慢，冷却液不能及时输送到各个散热片13内，如果冷却液流动速率过快，冷却液无法充分与夹持于两个散热片13之间的绝缘栅双极型晶体管2进行冷热交换就被排出造成冷却液的浪费。该柱形的缓冲翅片135与流通内腔133的延伸方向形成夹角(图13示出了二者夹角为90°的情况)，可以增大冷却液在流通内腔133内流通的阻碍，从而可以降低冷却液的流动速度，使得冷却液可以充分地与夹持在两个散热片13之间的绝缘栅双极型晶体管2进行冷热交换，提高冷却液的利用率，节省资源。

上述缓冲翅片135还可以有其他的结构形式，例如图14示出了一种沿流通内腔133的长度方向延伸的波浪形的缓冲翅片135，图15示出了一种沿流通内腔133的长度方向延伸的螺旋形的缓冲翅片135，图16示出了一种沿流通内腔133的长度方向延伸的折线状缓冲翅片135。当然，以上这些缓冲翅片135只是示例性说明，还可以采用至少两种形状结构的缓冲翅片135组合的形式设置于散热片13的流通内腔133中，如图17示出了一种柱形缓冲翅片135a与螺旋形缓冲翅片135b结合的结构示意图。

为了使缓冲翅片135能够稳定固定于散热片13的流通内腔内，以应对流动的冷却液的冲击，本实施例中的缓冲翅片135可以通过钎焊的方式固定于散热片13的缓冲内腔内。

此外，用于固定各个散热片13以使多个散热片13组合形成散热片组1的连接件，除了图6所示的螺钉14，还可以是螺栓(螺栓的结构与螺钉类似，未以视图示出)，还可以是如图18所示的卡扣16，在散热片组1外对称两侧均设置有两个卡扣16，每个卡扣16具有固定部161以及活动设置于固定部161上的活动部162，固定部161能够与各散热片13相匹配，使得各散热片13以该固定部161为基准依次排列，以对各散热片13进行定位防止各散热片13发生错位；使用中，散热片组1的一端抵接卡扣的固定部161的一端(如图18中的M)，根据绝缘栅双极型晶体管2的厚度要求调整活动部162在固定部161上的位置，使得散热片组1的另一端被活动部162限定，实现对各散热片13的固定连接。

可以看出，不论是螺钉14还是卡扣16，都能实现对各散热片13的固定连接，且保证各散热片13排列整齐，方便应力控制，当然，这两种连接结构还具有装配简单的优点，方便后期维护与更换。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种双面水冷散热器，其特征在于，包括：散热片组；所述散热片组包括通过连接件连接固定的多个层叠设置的散热片，每两个相邻的所述散热片之间形成用于夹持绝缘栅双极型晶体管的空间；

每个所述散热片具有进水通道和出水通道，且所述进水通道和所述出水通道之间形成有流通内腔；

任意两个相邻的所述散热片中，两个所述散热片的所述进水通道之间通过弹性连通管件连通，且两个所述散热片的所述出水通道之间通过弹性连通管件连通。

2.根据权利要求1所述的双面水冷散热器，其特征在于，所述弹性连通管件包括波纹管。

3.根据权利要求2所述的双面水冷散热器，其特征在于，所述波纹管的内径为13-15mm。

4.根据权利要求2所述的双面水冷散热器，其特征在于，所述波纹管的材质为不锈钢或铜。

5.根据权利要求1所述的双面水冷散热器，其特征在于，每个所述散热片的流通内腔内设置有的缓冲翅片。

6.根据权利要求5所述的双面水冷散热器，其特征在于，所述缓冲翅片为波浪形、折线形、螺旋形、圆柱形中的一种或多种的组合。

7.根据权利要求5所述的双面水冷散热器，其特征在于，所述缓冲翅片通过焊接固定于所述散热片的流通内腔内。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的双面水冷散热器，其特征在于，所述散热片包括相互配合的第一片体和第二片体。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的双面水冷散热器，其特征在于，所述连接件为螺钉或卡扣。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的双面水冷散热器，其特征在于，所述散热片的材质为铝合金。

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