CN111029318A - 一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器及其加工方法，包括依次固定为一体的上盖板、基板和下盖板；上盖板和下盖板中的至少一个设有双螺旋式阶梯凹槽，使冷却液流过双螺旋式阶梯凹槽时沿螺旋路线流动并产生强制涡流，形成一个或两个双螺旋阶梯强制涡流式液流通道；基板的一侧设有液流入口和液流出口，还设有贯穿顶部和底部且与液流出口相连通的回液导流孔；基板的顶部和底部均开设有与液流入口相连通的导流槽，导流槽由导流槽密封块密封，导流槽密封块上开设有进液导流孔。通过设置多层双螺旋阶梯强制涡流式液流通道，有效增强散热面积及涡流效应，大幅降低半导体器件温升，提高半导体器件的稳定性和可靠性。

Description

一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器及其加工方法

技术领域

本发明涉及散热器技术领域，更具体地说，涉及一种适用于在大功率晶闸管、电力电子半导体器件上的双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器及其加工方法。

背景技术

现代电网的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。半导体器件是轨道交通、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，半导体器件的散热方案除了能有效的散掉热量之外，可靠性也是至关重要的。

当前半导体器件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，确保半导体器件在允许温度下正常、可靠运行。目前半导体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。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了新一代的一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器，解决了轨道交通、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半导体器件功率增加发热的问题。

本发明的技术解决方案是：本发明提供一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器，包括依次固定为一体的上盖板、基板和下盖板；

所述上盖板和下盖板中的至少一个设有双螺旋式阶梯凹槽，使冷却液流过所述双螺旋式阶梯凹槽时沿螺旋路线流动并产生强制涡流，形成一个或两个双螺旋阶梯强制涡流式液流通道；

所述基板的一侧设有液流入口和液流出口，还设有贯穿顶部和底部且与所述液流出口相连通的回液导流孔；所述基板的顶部和底部均开设有与所述液流入口相连通的导流槽，所述导流槽由导流槽密封块密封，所述导流槽密封块上开设有进液导流孔；冷却液经所述液流入口进入所述基板，再经所述进液导流孔流入所述上盖板/下盖板或上盖板和下盖板上的双螺旋式阶梯凹槽，继续经所述回液导流孔流入所述液流出口排出。

进一步的，所述上盖板/下盖板或上盖板和下盖板上设有多层双螺旋阶梯强制涡流式液流通道。

进一步的，所述上盖板和下盖板分别通过上钎料板和下钎料板与所述基板以及导流槽密封块焊接为一体。

进一步的，所述上钎料板和下钎料板上分别设有与所述进液导流孔位置相对应的上钎料板进液导流孔和下钎料板进液导流孔，以及与所述回液导流孔位置相对应的上钎料板回液导流孔和下钎料板回液导流孔。

进一步的，所述导流槽密封块通过钎焊工艺与所述基板焊接为一体。

为解决技术问题，本发明还提供一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器加工方法，其包括下列步骤：

S1、加工出相适配的导流槽密封块和基板，在导流槽密封块上开设进液导流孔；在基板侧部开设液流入口和液流出口，上下贯穿开设回液导流孔；然后将导流槽密封块通过过盈配合方法装配在基板导流槽上；

S2、采用机械加工或开模成型，独立加工出开设有双螺旋式阶梯凹槽的盖板；

S3、在钎料板上开设与导流槽密封块上的进液导流孔位置对应的钎料板进液导流孔，以及与基板上的进液导流孔位置对应的钎料板回液导流孔；

S4、按照盖板、钎料板、导流槽密封块、基板、钎料板和盖板的顺序组装，通过真空高温钎焊焊接为一体；

S5、将经S4步骤焊接好的半成品液冷板做人工时效处理；

S6、将经S5步骤处理过的半成品液冷板采用机械加工成成品所需要的外形尺寸，然后再进行最后的表面处理工艺。

实施本发明的双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器及其加工方法，具有以下有益效果：(1)通过设计复杂的双螺旋阶梯强制涡流式液流通道，有效增强散热面积及涡流效应，大幅度降低热阻满足大功率半导体器件散热需求；

(2)通过在液冷板内设多层双螺旋阶梯强制涡流式液流通道，实现多层液流散热通道，大幅降低半导体器件温升，提高半导体器件稳定性可靠性；

(3)导流槽及导流槽密封块设置在基板内部并通过钎焊工艺与基板焊接于一体，有效防止泄漏风险，提高整体液冷板的使用寿命及安全性；

(4)盖板采用机械加工或开模成型，独立加工出开设有双螺旋式阶梯凹槽；

(5)将焊接好的半成品液冷板做人工时效处理，有效释放内应力，提升液冷板表面硬度、增强承压强度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器的结构分解示意图；

图2为本发明双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器的整体组装示意图；

图3为本发明双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器的盖板内部双螺旋阶梯强制涡流式液流通道结构示意图；

图4为本发明双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器的盖板内部双螺旋阶梯强制涡流式液流通道结构剖视图。

附图标记：

001—上盖板 002—上钎料板

003—导流槽密封块 004—导流槽

005—基板 006—下钎料板

007—下盖板 008—上钎料板进液导流孔

009—上钎料板回液导流孔 010—进液导流孔

011—回液导流孔 012—液流出口

013—液流入口 014—下钎料板回液导流孔

015—下钎料板进液导流孔 016—双螺旋阶梯强制涡流式液流通道

017—半导体器件安装台面 018—双螺旋式阶梯凹槽

具体实施方式

图1至图4示出本发明双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器的一个优选实施例，其包括依次固定为一体的上盖板001、基板005和下盖板007；上盖板001和下盖板007中的至少一个设有双螺旋式阶梯凹槽018，使冷却液流过双螺旋式阶梯凹槽018时沿螺旋路线流动并产生强制涡流，形成一个或两个双螺旋阶梯强制涡流式液流通道016；基板005的一侧设有液流入口013和液流出口012，还设有贯穿顶部和底部且与液流出口012相连通的回液导流孔011；基板005的顶部和底部均开设有与液流入口013相连通的导流槽004，导流槽004由导流槽密封块003密封，导流槽密封块003上开设有进液导流孔010；冷却液经液流入口013进入基板005，再经进液导流孔010流入上盖板001/下盖板007或上盖板001和下盖板007上的双螺旋式阶梯凹槽018，继续经回液导流孔011流入液流出口012排出。上盖板001和下盖板007中的其中一个或两个上设置的双螺旋式阶梯凹槽018，用于冷却液螺旋式流动散热，形成强制涡流，这样设置使冷却的效率更高，可以大幅度降低热阻满足大功率半导体器件散热需求。基板005用于固定上盖板001和下盖板007，同时供冷却液流入和流出，在液流入口013通道的上部和下部设置有导流槽004，用于将经液流入口013进入的冷却液从导流槽004导入上盖板001和下盖板007上的双螺旋式阶梯凹槽018，冷却液经双螺旋式阶梯凹槽018后又经回液导流孔011流入液流出口012排出，完成一个冷却的循环。应用本发明时可以根据需要在散热器的顶部或底部设置双螺旋阶梯强制涡流式液流通道，当然，在基板005的顶部和底部均布置双螺旋阶梯强制涡流式液流通道016，即上盖板001和下盖板007上均设置有双螺旋式阶梯凹槽018效果最好，实现大功率半导体器件双面散热，有效增强散热面积和涡流通道，大幅降低半导体器件的温升，提高半导体器件的稳定性和可靠性。

本实施例中上盖板001/下盖板007或上盖板001和下盖板007上设有多层双螺旋阶梯强制涡流式液流通道016，这样设置增加了更多的涡流通道，使冷却液的散热效果更好。

本实施例中上盖板001和下盖板007分别通过上钎料板002和下钎料板006与基板005以及导流槽密封块003焊接为一体，上钎料板002和下钎料板006上分别设有与进液导流孔010位置相对应的上钎料板进液导流孔008和下钎料板进液导流孔015，以及与回液导流孔011位置相对应的上钎料板回液导流孔009和下钎料板回液导流孔014。钎料是指为实现两种材料(或零件)的结合进行钎焊时，在其间隙内或间隙旁所加的填充物，用来形成焊缝的填充材料，钎料板即为板状的钎料。上钎料板进液导流孔008和下钎料板进液导流孔015用于将经液流入口013进入的冷却液从导流槽004导入上盖板001和下盖板007上的双螺旋式阶梯凹槽018，上钎料板回液导流孔009和下钎料板回液导流孔014用于将双螺旋式阶梯凹槽018内的冷却液回流至液流出口012，在散热器内部形成一个冷却液的循环通道。

本实施例中导流槽密封块003通过钎焊工艺与基板005焊接为一体，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，焊接后变形小，接头光滑美观，适合于焊接精密、复杂和由不同材料组成的构件，使导流槽密封块003与基板005的焊接处更为平滑。

为解决技术问题，本发明还提供一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器加工方法，其包括下列步骤：

S1、加工出相适配的导流槽密封块和基板，基板上预设槽体，用于装配导流槽密封块，在导流槽密封块上开设进液导流孔；在基板侧部开设液流入口和液流出口，上下贯穿开设回液导流孔；然后将导流槽密封块通过过盈配合方法装配在基板导流槽上；

S2、采用机械加工或开模成型，独立加工出开设有双螺旋式阶梯凹槽的盖板；

S3、在钎料板上开设与导流槽密封块上的进液导流孔位置对应的钎料板进液导流孔，以及与基板上的进液导流孔位置对应的钎料板回液导流孔；

S4、按照盖板、钎料板、导流槽密封块、基板、钎料板和盖板的顺序组装，通过真空高温钎焊焊接为一体；

S5、将经S4步骤焊接好的半成品液冷板做人工时效处理，人工时效指将经固溶处理后的合金加热到室温以上的适当温度，保持一定时间使合金性能发生变化的处理过程，一般是加热或是冰冷处理消除或减小淬火后工件内的微观应力、机械加工残余应力，防止变形及开裂。

S6、将经S5步骤处理过的半成品液冷板采用机械加工成成品所需要的外形尺寸，然后再进行最后的表面处理工艺。

使用本发明的双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器及其加工方法，具有下列优点：(1)通过设计复杂的双螺旋阶梯强制涡流式液流通道，有效增强散热面积及涡流效应，大幅度降低热阻满足大功率半导体器件散热需求；

(2)通过在液冷板内设多层双螺旋阶梯强制涡流式液流通道，实现多层液流散热通道，大幅降低半导体器件温升，提高半导体器件稳定性可靠性；

(3)导流槽及导流槽密封块设置在基板内部并通过钎焊工艺与基板焊接于一体，有效防止泄漏风险，提高整体液冷板的使用寿命及安全性；

(4)盖板采用机械加工或开模成型，独立加工出开设有双螺旋式阶梯凹槽；

(5)将焊接好的半成品液冷板做人工时效处理，有效释放内应力，提升液冷板表面硬度、增强承压强度。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器，其特征在于，包括依次固定为一体的上盖板(001)、基板(005)和下盖板(007)；

所述上盖板(001)和下盖板(007)中的至少一个设有双螺旋式阶梯凹槽(018)，使冷却液流过所述双螺旋式阶梯凹槽(018)时沿螺旋路线流动并产生强制涡流，形成一个或两个双螺旋阶梯强制涡流式液流通道(016)；

所述基板(005)的一侧设有液流入口(013)和液流出口(012)，还设有贯穿顶部和底部且与所述液流出口(012)相连通的回液导流孔(011)；所述基板(005)的顶部和底部均开设有与所述液流入口(013)相连通的导流槽(004)，所述导流槽(004)由导流槽密封块(003)密封，所述导流槽密封块(003)上开设有进液导流孔(010)；冷却液经所述液流入口(013)进入所述基板(005)，再经所述进液导流孔(010)流入所述上盖板(001)/下盖板(007)或上盖板(001)和下盖板(007)上的双螺旋式阶梯凹槽(018)，继续经所述回液导流孔(011)流入所述液流出口(012)排出。

2.根据权利要求1所述的双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器，其特征在于，所述上盖板(001)/下盖板(007)或上盖板(001)和下盖板(007)上设有多层双螺旋阶梯强制涡流式液流通道(016)。

3.根据权利要求2所述的双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器，其特征在于，所述上盖板(001)和下盖板(007)分别通过上钎料板(002)和下钎料板(006)与所述基板(005)以及导流槽密封块(003)焊接为一体。

4.根据权利要求3所述的双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器，其特征在于，所述上钎料板(002)和下钎料板(006)上分别设有与所述进液导流孔(010)位置相对应的上钎料板进液导流孔(008)和下钎料板进液导流孔(015)，以及与所述回液导流孔(011)位置相对应的上钎料板回液导流孔(009)和下钎料板回液导流孔(014)。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器，其特征在于，所述导流槽密封块(003)通过钎焊工艺与所述基板(005)焊接为一体。

6.一种双螺旋阶梯强制涡流式液冷散热器加工方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、加工出相适配的导流槽密封块和基板，在导流槽密封块上开设进液导流孔；在基板侧部开设液流入口和液流出口，上下贯穿开设回液导流孔；然后将导流槽密封块通过过盈配合方法装配在基板导流槽上；

S2、采用机械加工或开模成型，独立加工出开设有双螺旋式阶梯凹槽的盖板；

S3、在钎料板上开设与导流槽密封块上的进液导流孔位置对应的钎料板进液导流孔，以及与基板上的进液导流孔位置对应的钎料板回液导流孔；

S4、按照盖板、钎料板、导流槽密封块、基板、钎料板和盖板的顺序组装，通过真空高温钎焊焊接为一体；

S5、将经S4步骤焊接好的半成品液冷板做人工时效处理；

S6、将经S5步骤处理过的半成品液冷板采用机械加工成成品所需要的外形尺寸，然后再进行最后的表面处理工艺。

Images