CN112954969A - 一种紧凑型功率器件散热系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型功率器件散热系统及工作方法：包括风扇及依次相连并形成循环回路的压缩机、冷凝器、储液罐、节流装置、第一蒸发器、第二蒸发器、气液分离器，循环回路内设有制冷工质；风扇用于驱动气流从冷凝器流向第二蒸发器；第一蒸发器连接热源功率相对较高处。随着散热负荷的增加，制冷工质在第一蒸发器蒸发的比例升高，在第二蒸发器内蒸发的比例降低。本发明直接采用制冷工质的蒸发来对功率器件进行散热，省去了常用水冷系统水箱、水泵、换热器等器件，能够减小散热系统的体积、重量。本发明通过设置第二蒸发器作为辅助蒸发器，使得第二蒸发器出口制冷工质干度保持在合理水平，从而满足第一蒸发器变功率散热的需求。

Description

一种紧凑型功率器件散热系统及工作方法

技术领域

本发明涉及散热系统技术领域，具体涉及一种紧凑型功率器件散热系统及工作方法。

背景技术

随着电力电子、激光技术的发展，功率器件的功耗越来越高，为保证功率器件的正常工作，必须对功率器件进行有效的热管理。

大功率功率器件的散热，具有热流密度高、功率大的特点。当前，功率器件的散热主要通过液冷的方式。传统的液冷系统中，通过冷水机采用蒸气压缩制冷对冷却水进行冷却，然后通过冷却水循环回路对激光器进行冷却。然而，大功率的冷水机组体积、重量极大，限制了其在可移动设备中的应用。

“空调和空调功率元器件冷却方法”（申请号CN 104089346 A）提出了一种空调和空调变频器冷却方法，在该设计中，设置有两个节流装置，制冷时，从室外机换热器（冷凝器）来的高压工质经第一节流装置后进入散热器为功率器件提供散热，再通过第二节流装置，进入室内机换热器（蒸发器）提供制冷，通过设置温度传感器和相应的控制逻辑，防止位于空调室外机处的散热器凝露或结霜。此系统能同时提供功率器件散热和室内制冷两种功能，但室外机换热器（冷凝器）与室内机换热器（蒸发器）分置，体积较大，不适合专门为功率器件提供制冷的散热系统。

因此，如若能直接利用制冷工质蒸发吸热为功率器件提供散热，并将冷凝器与蒸发器紧凑放置，从而提高散热系统在功率器件变功率工况下的稳定性，有利于提高散热系统的小型化、轻型化水平。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种紧凑型功率器件散热系统及工作方法，解决了现有技术中散热系统工作稳定性不高、不够小型化、轻型化的技术问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种紧凑型功率器件散热系统：包括风扇及依次相连并形成循环回路的压缩机、冷凝器、储液罐、节流装置、第一蒸发器、第二蒸发器、气液分离器，循环回路内设有制冷工质；

风扇用于驱动气流从冷凝器流向第二蒸发器；

第一蒸发器连接热源功率相对较高处。

优选，前述的一种紧凑型功率器件散热系统：冷凝器、第二蒸发器并排放置。

优选，前述的一种紧凑型功率器件散热系统：所述风扇的安装方式包括：

吸风式：安装于第二蒸发器一侧；

吹风式：安装于冷凝器一侧；

安装于冷凝器和第二蒸发器之间；

中的任意一种或多种组合。

优选，前述的一种紧凑型功率器件散热系统：第一蒸发器是水冷板式蒸发器。

优选，前述的一种紧凑型功率器件散热系统：水冷板式蒸发器是内部具有流通通道的焊接式冷板或嵌铜管式冷板，流通通道或铜管导通循环回路。

优选，前述的一种紧凑型功率器件散热系统：节流装置的控制端连接设置于第一蒸发器出口的传感器。

一种紧凑型功率器件散热系统的工作方法，其特征在于：

当第一蒸发器的散热负荷相对较小，且达到预设下限值时，制冷工质在第二蒸发器内蒸发的比例达到相应的上限值。

随着散热负荷的增加，制冷工质在第一蒸发器蒸发的比例升高，在第二蒸发器内蒸发的比例降低；

当第一蒸发器的散热负荷相对较大，且达到预设上限值时，制冷工质在第二蒸发器内蒸发的比例也达到相应的下限值；

优选，前述的一种紧凑型功率器件散热系统的工作方法：当第一蒸发器的散热负荷等于零时，制冷工质全部在第二蒸发器内蒸发；

当第一蒸发器的散热负荷达到预设上限值时，制冷工质全部在第一蒸发器内蒸发。

本发明所达到的有益效果：

本发明直接采用制冷工质的蒸发来对功率器件进行散热，省去了常用水冷系统水箱、水泵、换热器等器件，能够减小散热系统的体积、重量，适合可移动设备的散热；通过设置第二蒸发器作为辅助蒸发器，使得第二蒸发器出口制冷工质干度保持在合理水平，从而满足第一蒸发器变功率散热的需求，同时具有结构简单、体积重量小、成本低廉的优点。

附图说明

图1是本发明的系统组成图；

附图标记的含义：1-压缩机，2-冷凝器，3-储液罐，4-节流装置，5-第一蒸发器，6-第二蒸发器，7-风扇，8-气液分离器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示：本实施例公开了一种紧凑型功率器件散热系统：包括风扇7及依次相连并形成循环回路的压缩机1、冷凝器2、储液罐3、节流装置4、第一蒸发器5、第二蒸发器6、气液分离器8，循环回路内设有制冷工质，即制冷工质在上述循环回路内循环流动。

其中，第一蒸发器5连接热源的功率相对较高处，即发热量比较集中的地方。

风扇7用于驱动气流从冷凝器2流向第二蒸发器6，其中冷凝器2、第二蒸发器6最好采用并排放置的方式，以便实现较佳的效果。

其中，风扇2既可以安装在第二蒸发器6一侧（吸风式），也可以安装在冷凝器2一侧（吹风式），还可以安装在第二蒸发器6与冷凝器7之间，当然，也可以采用上述三种安装方式中的多种组合，总之需保证风先流过冷凝器7，再流过第二蒸发器6；因此，本发明中，风的流动方向与除湿机中的气流流动方向相反（除湿机中，风先流过蒸发器再流过冷凝器）。

第一蒸发器5是水冷板式蒸发器，在大多数的实施例中，水冷板式蒸发器包括铝合金板及镶嵌在铝合金板内的铜管，铜管导通循环回路。

节流装置4用于调节进入至第一蒸发器5内制冷工质的流量、流速等参数，因此节流装置4的信号可以来自于第一蒸发器5出口、第二蒸发器6出口或来自环境温度。但最好连接于第一蒸发器5出口的传感器，即主要根据第一蒸发器5出口处制冷工质的状态来控制第一蒸发器5的热交换量。若检测的温度较高，就开大节流阀，增大整个系统的流量，若温度过低，就调小节流阀，最终目标是保证第一蒸发器5满足散热功率，同时温度适当。

本发明的工作原理为：压缩机1不断抽吸气液分离器8中的制冷工质蒸气，并将其压缩为高温高压的气体，高温高压气体在冷凝器中冷却凝2结为高压液体，同时制冷剂冷却凝结时放出的热量传给流经冷凝器2的空气。高压液体通过节流装置4后，变为低温低压气液两相混合状态，并进入第一蒸发器5，在第一蒸发器5内蒸发并带走功率器件的热量。制冷工质从第一蒸发器5内流出后，进入第二蒸发器6，第二蒸发器6吸收被冷凝器2加热的空气的热量，使制冷工质进一步蒸发、过热，随后制冷工质进入气液分离器8，进行气液分离后，低压气体被吸入压缩机1完成下一个循环。

相对于现有技术，本发明的第二蒸发器6可以减轻功率器件散热功率变化时，压缩机1负荷调节难度，保证系统工作的稳定性。具体地，当第一蒸发器5满负荷散热时，制冷工质主要在第一蒸发器5内蒸发，在第二蒸发器6内过热；当第一蒸发器5散热负荷突然降低，以至于完全无需散热时，制冷工质主要在第二蒸发器6内完成蒸发，从而保证第二蒸发器5出口干度始终保持在合适的范围内，增强整个散热系统的鲁棒性。

本发明适用于任何需要提供大功率散热的场合，尤其适用于可移动、高功率设备的散热，如激光器、IGBT模块等等。

本发明使制冷工质在第一蒸发器5内流动、蒸发，并为功率器件提供散热，具有体积小、重量轻、散热温度低等优点；同时通过在冷凝器2附近设置第二蒸发器6，部分吸收冷凝器排放给空气的热量，使第二蒸发器6出口制冷工质干度保持在合理水平，从而满足第一蒸发器1变功率散热的需求，具有结构简单、体积重量小、成本低廉等优点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明直接采用制冷工质的蒸发来对功率器件进行散热，省去了常用水冷系统水箱、水泵、换热器等器件，能够减小散热系统的体积、重量，适合可移动设备的散热；通过设置第二蒸发器6作为辅助蒸发器，使得第二蒸发器6出口制冷工质干度保持在合理水平，从而满足第一蒸发器5变功率散热的需求，具有结构简单、体积重量小、成本低的等优点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种紧凑型功率器件散热系统，其特征在于：包括风扇（7）及依次相连并形成循环回路的压缩机（1）、冷凝器（2）、储液罐（3）、节流装置（4）、第一蒸发器（5）、第二蒸发器（6）、气液分离器（8），所述循环回路内设有制冷工质；

所述风扇（7）用于驱动气流从冷凝器（2）流向第二蒸发器（6）；

所述第一蒸发器（5）连接热源功率相对较高处。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型功率器件散热系统，其特征在于：所述冷凝器（2）、第二蒸发器（6）并排放置。

3.根据权利要求2所述的一种紧凑型功率器件散热系统，其特征在于：所述风扇（7）的安装方式包括：

吸风式：安装于第二蒸发器（6）一侧；

吹风式：安装于冷凝器（2）一侧；

安装于冷凝器（2）和第二蒸发器（6）之间；

中的任意一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型功率器件散热系统，其特征在于：所述第一蒸发器（5）是水冷板式蒸发器。

5.根据权利要求4所述的一种紧凑型功率器件散热系统，其特征在于：所述水冷板式蒸发器是内部具有流通通道的焊接式冷板或嵌铜管式冷板，所述流通通道或铜管导通所述循环回路。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型功率器件散热系统，其特征在于：所述节流装置（4）的控制端连接设置于第一蒸发器（5）出口的传感器。

7.一种紧凑型功率器件散热系统的工作方法，其特征在于：

当第一蒸发器（5）的散热负荷相对较小，且达到预设下限值时，制冷工质在第二蒸发器（6）内蒸发的比例达到相应的上限值。

8.随着散热负荷的增加，制冷工质在第一蒸发器（5）蒸发的比例升高，在第二蒸发器（6）内蒸发的比例降低；

当第一蒸发器（5）的散热负荷相对较大，且达到预设上限值时，制冷工质在第二蒸发器（5）内蒸发的比例也达到相应的下限值。

9.根据权利要求7所述的一种紧凑型功率器件散热系统的工作方法，其特征在于：当第一蒸发器（5）的散热负荷等于零时，制冷工质全部在第二蒸发器（6）内蒸发；

当第一蒸发器（5）的散热负荷达到预设上限值时，制冷工质全部在第一蒸发器（5）内蒸发。

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