CN112786548A - 一种改善双面液冷散热器均温性的结构 - Google Patents

一种改善双面液冷散热器均温性的结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种改善双面液冷散热器均温性的结构，该方案包括IGBT模块、上散热器、疏密翅片、下散热器及水嘴；所述IGBT模块位于上散热器和下散热器之间；所述疏密翅片设于IGBT模块的上下两侧面或其中一侧面，通过所述水嘴通入冷却液与疏密翅片进行热交换实现IGBT模块的散热；所述疏密翅片的翅片密度与IGBT模块的发热量呈正比；当IGBT模块上侧面发热量高时，上侧面的疏密翅片的翅片密度高于下侧面的翅片密度，本方案通过将疏密翅片的翅片与IGBT模块的发热量挂钩呈正比设置，使得每个IGBT模块的散热效果能够更好地得到平均，保证其均温性，从而起到更好地换热效果。

Description

一种改善双面液冷散热器均温性的结构
技术领域
本发明涉及一种IGBT散热器，具体涉及一种改善双面液冷散热器均温性的结构。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)绝缘栅双极型晶体管模块是由IGBT(绝缘栅双极型晶体管芯片)与FWD(续流二极管芯片)通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品；封装后的IGBT模块直接应用于变频器、UPS 不间断电源等设备上。
IGBT模块具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点；IGBT是能源变换与传输的核心器件，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广。
IGBT是大功率半导体器件，损耗功率大，发热现象严重，其中IGBT芯片作为主要的发热源其在模块中的所处位置，也会影响散热器的散热效果，现有的新能源汽车用液冷散热器，通常对芯片位置置于模块中间的IGBT进行散热，其散热器中的翅片结构大多一致，散热效果和均温性较差。当IGBT芯片不处于模块中间时，导致模块上下表面发热量不同，散热器不能达到很好的温度均匀性。
综上，亟待一种可显著改善双面散热结构IGBT散热器的结构。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种改善双面液冷散热器均温性的结构。
为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种改善双面液冷散热器均温性的结构包括IGBT模块、上散热器、疏密翅片、下散热器及水嘴；所述IGBT模块位于上散热器和下散热器之间；所述疏密翅片设于IGBT模块的上下两侧面或其中一侧面，通过所述水嘴通入冷却液与疏密翅片进行热交换实现IGBT模块的散热；所述疏密翅片的翅片密度与IGBT模块的发热量呈正比；当IGBT模块上侧面发热量高时，上侧面的疏密翅片的翅片密度高于下侧面的翅片密度。
工作原理及有益效果：1、当IGBT模块中的IGBT芯片不处于模块中间时，导致模块上下表面发热量不同，因此当采用疏密翅片来根据发热量不同来调节翅片的疏密程度，也就是热交换面积，以此均衡热交换量，从而使得IGBT上下两个面的散热更加均匀；
2、相对的IGBT模块发热量低的一面的疏密翅片保持不变，在保证散热器温度的均匀性的同时，流阻不会急剧上升，从而降低对冷却液的流动效率影响。
进一步地，当所述IGBT模块功耗不相同时，所述疏密翅片沿IGBT模块长度方向设置且其翅片的疏密程度与IGBT模块功耗大小呈正比关系；当所述IGBT 模块功耗相同时，所述疏密翅片从所述水嘴的进水口到出水口方向，翅片密度逐渐变密。此设置，对于不同型号的IGBT模块，可更好地进行适应，尤其是IGBT 模块功耗越高，发热量就越高，因此设置更加密的翅片，可提高热交换量，从而与功耗低的IGBT模块散热量能够均衡，减少不同IGBT模块温度差，保证均温性。因此在结合单个IGBT模块IGBT芯片部在中间时，再结合上述方案，可更好地保证散热器的均温性。
进一步地，所述疏密翅片包括多个翅片部，每个所述翅片部对应一IGBT模块。此设置，散热翅片中的翅片部分区设置，可更加方便加工时进行单独加工，也更方便进行区分。
进一步地，所述上散热器包括上散热器主体和设于上散热器主体下方的上散热器盖板，所述下散热器包括下散热器主体和设于下散热器主体上方的下散热器盖板，所述IGBT模块位于上散热器盖板和下散热器盖板之间。此设置，在保证IGBT模块散热的情况下，提供了一种结构简单的结构，显著降低了装配成本。
进一步地，所述上散热器主体和下散热器主体上均设有热交换槽，且所述热交换槽均与水嘴连通，所述疏密翅片位于热交换槽内。此设置，通过在水嘴内通入冷却液，冷却液在热交换槽内与疏密翅片进行热交换，结合上述方案， IGBT模块隔离在两个散热器盖板之间，可有效地防止IGBT模块进水，保证其具有安全可靠的运行环境，疏密翅片可完全浸入冷却液中，无需考虑IGBT模块的防水设计，显著提高了疏密翅片的有效热交换面积，提高了散热效率。
进一步地，所述疏密翅片位于上散热器主体的热交换槽内，所述下散热器主体的热交换槽内设有等密度翅片。此设置，当IGBT模块功耗相同时，可以使 IGBT模块表面温度较高的一侧有效散热，从而散热器的整体温度达到均匀，此外散热器的等密度翅片相较于上下都采用疏密翅片，流体流通面积变化不会太大，流速相对稳定，从而保证流阻不会急剧上升。
进一步地，所述IGBT模块与上散热器盖板或下散热器盖板焊接固定，且IGBT 模块不焊接的一侧面设有导热硅脂或导热贴。此设置，在保证本结构可拆卸的情况下，显著提高IGBT模块与上散热器盖板和下散热器盖板之间的热交换效率，因为钎焊相比导热硅脂的使用寿命更长且导热效率更好。
进一步地，所述上散热器盖板和下散热器盖板上均设有防爬电凹槽，且防爬电凹槽均朝向IGBT模块一侧设置。此设置，防爬电凹槽可以防止IGBT的带电金属部位与绝缘材料产生电弧沿着外皮爬的现象，保护IGBT的绝缘层，可更好地保证IGBT模块的正常运行。
进一步地，所述疏密翅片与上散热器盖板通过钎焊固定，所述等密度翅片与下散热器盖板通过钎焊固定。此设置，可更好地减少疏密翅片和等密度翅片与两个散热器盖板之间的热传递损失，相比现有通过硅脂和导热垫等方式，使用寿命更长，且热传递效率更高。
进一步地，所述上散热器盖板上设有与水嘴连通的公头，所述下散热器盖板上设有与公头通过密封圈配合连通的母头。此设置，提供了一种安装方便且密封性能好的连接方式，可很好地方便上下两个散热器盖板之间的连接，提高密封性能。
附图说明
图1是本发明的爆炸图；
图2是上散热器的结构示意图；
图3是下散热器的结构示意图；
图4是本发明的内部结构示意图；
图5是本发明的一种实施例示意图；
图6是采用本方案的IGBT功耗720w散热器表面温升图。
图中，1、上散热器盖板；2、上散热器主体；3、疏密翅片；4、下散热器盖板；5、下散热器主体；6、等密度翅片；7、压板；8、螺栓；9、翅片部；10、热交换槽；11、防爬电凹槽；12、公头；13、密封圈；14、母头；15、水嘴； 16、IGBT模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
如图1-3所示，本改善双面液冷散热器均温性的结构包括上散热器、疏密翅片3、下散热器、水嘴15、压板7组成，上散热器包括上散热器盖板1和上散热器主体2，上散热器盖板1和上散热器主体2内安装有疏密翅片3，下散热器包括下散热器盖板4和下散热器主体5，下散热器盖板4和下散热器主体5内安装有等密度翅片6，上散热器和下散热器采用螺栓8通过压板7的螺纹孔进行安装。IGBT模块16上下表面分别与上散热器和下散热器接触，冷却液从水嘴 15进入散热器，对IGBT模块16进行双面散热，随着冷却液进入散热器的流程变长，进水温度随之升高，通过将散热器的散热翅片的疏密度依次增加，可以使IGBT模块16表面温度较高的一侧有效散热，从而散热器的整体温度达到均匀，同时下散热器的等密度翅片可以保证散热器的流阻不会急剧上升。其中压板7可保证液冷散热器的强度。
当IGBT模块16上侧面发热量高时，上侧面的疏密翅片3的翅片密度高于下侧面的翅片密度；当IGBT模块16功耗不相同时，疏密翅片3沿IGBT模块16 长度方向设置且其翅片的疏密程度与IGBT模块16功耗大小呈正比关系；当IGBT 模块16功耗相同时，疏密翅片3从水嘴15的进水口到出水口方向，翅片密度逐渐变密。此设置，对于不同型号的IGBT模块16，可更好地进行适应，尤其是 IGBT模块16功耗越高，发热量就越高，因此设置更加密的翅片，可提高热交换量，从而与功耗低的IGBT模块16散热量能够均衡，减少不同IGBT模块16温度差，保证均温性。因此在结合单个IGBT模块16IGBT芯片部在中间时，再结合上述方案，可更好地保证散热器的均温性。
具体地，疏密翅片3包括多个翅片部9，每个翅片部9对应一IGBT模块16。此设置，散热翅片中的翅片部9分区设置，可更加方便加工时进行单独加工，也更方便进行区分。
具体地，上散热器包括上散热器主体2和设于上散热器主体2下方的上散热器盖板1，下散热器包括下散热器主体5和设于下散热器主体5上方的下散热器盖板4，IGBT模块16位于上散热器盖板1和下散热器盖板4之间。此设置，在保证IGBT模块16散热的情况下，提供了一种结构简单的结构，显著降低了装配成本。
具体地，上散热器主体2和下散热器主体5上均设有热交换槽10，且热交换槽10均与水嘴15连通，疏密翅片3位于热交换槽10内。此设置，通过在水嘴15内通入冷却液，冷却液在热交换槽10内与疏密翅片3进行热交换，结合上述方案，IGBT模块16隔离在两个散热器盖板之间，可有效地防止IGBT模块 16进水，保证其具有安全可靠的运行环境，疏密翅片3可完全浸入冷却液中，无需考虑IGBT模块16的防水设计，显著提高了疏密翅片3的有效热交换面积，提高了散热效率。
优选地，IGBT模块16与上散热器盖板1或下散热器盖板4焊接固定，且 IGBT模块16不焊接的一侧面设有导热硅脂或导热贴。此设置，在保证本结构可拆卸的情况下，显著提高IGBT模块16与上散热器盖板1和下散热器盖板4之间的热交换效率，因为钎焊相比导热硅脂的使用寿命更长且导热效率更好。
优选地，上散热器盖板1和下散热器盖板4上均设有防爬电凹槽11，且防爬电凹槽11均朝向IGBT模块16一侧设置。此设置，可更好地保证IGBT模块 16的正常运行。优选地，凹槽的深度为1-3mm，宽度为2-5mm
优选地，疏密翅片3与上散热器盖板1通过钎焊固定，等密度翅片与下散热器盖板4通过钎焊固定。此设置，可更好地减少疏密翅片3和等密度翅片与两个散热器盖板之间的热传递损失，相比现有通过硅脂和导热垫等方式，使用寿命更长，且热传递效率更高。
请参阅图4，优选地，上散热器盖板1上设有与水嘴15连通的公头12，下散热器盖板4上设有与公头12通过密封圈13配合连通的母头14。此设置，提供了一种安装方便且密封性能好的连接方式，可很好地方便上下两个散热器盖板之间的连接，提高密封性能。
在本实施例中，请参阅图5，沿进水方向一共具有三个IGBT模块16，分别为IGBT1、IGBT2、IGBT3，根据传热方式：
Q＝hs△t；
式中Q----传热量，W；h----传热系数，W/(m2·K)；s----传热面积，m2；△t----温度差，K。
那么IGBT1的Q1＝h·s1·△t1＝h·s1·(t1-t0)；
IGBT2的Q2＝h·s2·△t2＝h·s2·(t2-t1’)；
IGBT3的Q3＝h·s3·△t3＝h·s3·(t3-t2’)。
由于流体在传热过程中温度是逐渐升高的，温差逐步变小即△t1>△t2>△t3。
温度差变小的同时，为了保证散热器的均温性，需要保证传热量相等即 Q1＝Q2＝Q3，所以当△t1>△t2>△t3时，s1＜s2＜s3。
为实现传热面积s1＜s2＜s3的效果，通过依次增大散热器的翅片密度来提高传热面积，改善均温性。
请参阅图6，采用本方案的IGBT功耗720w散热器表面温升图，可见采用翅片密度方案时，随着冷却液进入散热器的流程越长，散热器的温度越高，而采用本方案，散热器的温度始终处于一定的范围内，均温性显然更好。
本发明未详述部分为现有技术，故本发明未对其进行详述。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
尽管本文较多地使用了上散热器盖板1、上散热器主体2、疏密翅片3、下散热器盖板4、下散热器主体5、等密度翅片6、压板7、螺栓8、翅片部9、热交换槽10、防爬电凹槽11、公头12、密封圈13、母头14、水嘴15、IGBT模块 16等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，包括IGBT模块、上散热器、疏密翅片、下散热器及水嘴；所述IGBT模块位于上散热器和下散热器之间；所述疏密翅片设于IGBT模块的上下两侧面或其中一侧面，通过所述水嘴通入冷却液与疏密翅片进行热交换实现IGBT模块的散热；所述疏密翅片的翅片密度与IGBT模块的发热量呈正比；当IGBT模块上侧面发热量高时，上侧面的疏密翅片的翅片密度高于下侧面的翅片密度。
2.根据权利要求1所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，当所述IGBT模块功耗不相同时，所述疏密翅片沿IGBT模块长度方向设置且其翅片的疏密程度与IGBT模块功耗大小呈正比关系；当所述IGBT模块功耗相同时，所述疏密翅片从所述水嘴的进水口到出水口方向，翅片密度逐渐变密。
3.根据权利要求2所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，所述疏密翅片包括多个翅片部，每个所述翅片部对应一IGBT模块。
4.根据权利要求1所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，所述上散热器包括上散热器主体和设于上散热器主体下方的上散热器盖板，所述下散热器包括下散热器主体和设于下散热器主体上方的下散热器盖板，所述IGBT模块位于上散热器盖板和下散热器盖板之间。
5.根据权利要求4所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，所述上散热器主体和下散热器主体上均设有热交换槽，且所述热交换槽均与水嘴连通，所述疏密翅片位于热交换槽内。
6.根据权利要求5所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，所述疏密翅片位于上散热器主体的热交换槽内，所述下散热器主体的热交换槽内设有等密度翅片。
7.根据权利要求4所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，所述IGBT模块与上散热器盖板或下散热器盖板焊接固定，且IGBT模块不焊接的一侧面设有导热硅脂或导热贴。
8.根据权利要求4所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，所述上散热器盖板和下散热器盖板上均设有防爬电凹槽，且防爬电凹槽均朝向IGBT模块一侧设置。
9.根据权利要求6所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，所述疏密翅片与上散热器盖板通过钎焊固定，所述等密度翅片与下散热器盖板通过钎焊固定。
10.根据权利要求4所述的一种改善双面液冷散热器均温性的结构，其特征在于，所述上散热器盖板上设有与水嘴连通的公头，所述下散热器盖板上设有与公头通过密封圈配合连通的母头。
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