CN113784583B - 一种散热结构、功率驱动器及电动伺服装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种散热结构、功率驱动器及电动伺服装置，该散热结构包括基板、导热介质和热管，基板上具有安装台，安装台内部中空且具有开口，安装台内设置有导热介质，开口与功能器件连接，功能器件通过开口与导热介质相接触以将功能器件工作中产生的热量传递给导热介质；热管内设置有冷却介质，热管包括连接在一起的吸热段和放热段，吸热段设置在安装台内且与导热介质相接触，放热段从安装台内穿出到达基板背向安装台的一侧，热管通过冷却介质将导热介质中的热量由吸热段传递到放热段。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中散热结构体积和重量大、结构复杂、散热效率低、能耗高、环境适应性弱的技术问题。

Description

一种散热结构、功率驱动器及电动伺服装置

技术领域

本发明涉及功率驱动器技术领域，尤其涉及一种散热结构、功率驱动器及电动伺服装置。

背景技术

随着武器装备技术的快速发展，电动伺服装置因具有良好的维护性、较高的能效和机动性能而被广泛应用于军用和民用领域。功率驱动器是电动伺服装置中的关键模块，它是一种功率逆变装置，通过将直流电或者交流电采用脉宽调制技术进行电压逆变，来驱动电机运行。由于功率驱动模块具有内阻，因此其功率越大，工作时发热量就越大，当产生的热量不能快速有效地散发出去时，就会导致功率驱动模块升温而被烧毁。目前，常用的散热手段主要包括风冷散热和液冷散热，现有散热结构主要包括以下几种：

(一)利用铝板或铜板制作散热板(基板)或散热外壳，利用散热板/散热外壳作为热沉来吸收驱动模块工作产生的热量，并在散热板背部使用自然风或强制吹风进行冷却。此种散热形式结构简单，成本较低，但是所需的散热板/散热外壳的面积较大，使整个散热结构的体积和重量均较大，散热效率较低。此种散热结构多用于散热效率要求不高的发电机、小功率驱动模块等场合。

(二)热管作为一种相变传热元件，利用工质相变传热，其当量导热系数可以达到铜的几倍甚至几十倍，具有导热性高、均温性能好的特点。利用热管这一特性，将热管、基板和散热片组装焊接后形成塔状结构(塔式散热器)，使驱动模块直接与热管接触，将产生的热量直接传递给热管，热管进一步将热量传递给散热片，能够实现较高热效率的散热，但是该散热结构较为复杂，同时，由于驱动模块、热管以及散热片在基板的同一侧，使得散热风道与驱动器处在同一空间无法分割，多用于环境适应性要求较低、发热模块较小的散热场合，例如台式机CPU的散热场合。

(三)在散热板(基板)中加工流道，利用泵驱动使液体如水或油在散热板中循环流动，功率驱动模块产生的热量首先传递给散热板，散热板再将热量传递给流道中的液体，液体流动带走热量并通过特殊的散热模块将热量散出。此种方法散热效率高，散热板的结构较轻巧，但是需要额外的流体驱动泵和流体散热模块，后者往往是较大的风冷散热塔结构，体积较为庞大，另外，流体驱动泵的运转以及流体循环导致的摩擦也产生了额外的热量，能耗高，能源使用率低，多用于电动汽车、网络服务器等场合。

随着伺服系统不断向高精度、大功率、小型轻质化方向发展，伺服系统的功率、集成度与热流密度也越来越高，部分车载、舰载设备还向伺服驱动器提出防潮防水防盐雾的要求，而现有的散热结构难以满足以上新需求。因此，如何在空间、重量、外环境受限的条件下，提高功率驱动器的散热特性成为伺服驱动器设计的一大难点。

发明内容

为了解决现有技术中的问题之一，本发明提供了一种散热结构、功率驱动器及电动伺服装置。

根据本发明的一方面，提供了一种散热结构，散热结构包括：

基板，基板上具有安装台，安装台内部中空且具有开口，安装台内设置有导热介质，开口与功能器件连接，功能器件通过开口与导热介质相接触以将功能器件工作中产生的热量传递给导热介质；

热管，热管内设置有冷却介质，热管包括连接在一起的吸热段和放热段，吸热段设置在安装台内且与导热介质相接触，放热段从安装台内穿出到达基板背向安装台的一侧，热管通过冷却介质将导热介质中的热量由吸热段传递到放热段。

进一步地，安装台的开口端面上设置有盲孔，功能器件通过盲孔与安装台连接。

进一步地，安装台的开口端面上还具有用于设置密封件的密封凹槽，密封凹槽设置在开口的端面上，通过密封件与密封凹槽的配合，将功能器件与安装台进行密封连接。

进一步地，安装台的底部设置有通孔，放热段从安装台内穿出通孔到达基板背向安装台的一侧，且放热段的外壁与通孔密封连接。

进一步地，散热结构还包括散热片，散热片与热管的放热段连接，用于将放热段上的热量释放出去。

进一步地，散热结构还包括风冷组件，风冷组件用于提供气流以加速散热片周围的气体流通。

进一步地，风冷组件包括支撑部件和风冷部件，支撑部件与基板连接，风冷部件设置在支撑部件上。

进一步地，基板的材质为碳纤维，导热介质为导热油。

根据本发明的另一方面，提供了一种功率驱动器，功率驱动器包括功能器件和本发明前述提出的散热结构，功能器件用于驱动电机运行。

根据本发明的再一方面，提供了一种电动伺服装置，电动伺服装置包括本发明前述提出的功率驱动器。

应用本发明的技术方案，提供了一种散热结构、功率驱动器及电动伺服装置，该结构通过在基板上设置中空开口的安装台，将热管的吸热段设置在安装台内，将热管的放热段设置在基板背向安装台的一侧，并且在安装台内盛装导热介质，使其与热管的吸热段和功能器件相接触，构成了功能器件→导热介质→热管的主要传热路径，能够大幅提高散热效率；再者，该散热结构不需要流体驱动泵和特殊的流体散热模块，结构简单，模块化设计，工艺性好，便于安装，同时由于基板不作为主要传热路径中的一个环节，因此基板的面积也大幅缩小，相应地，该散热结构的体积和重量也显著减小，具有较高的功重比；此外，该散热结构通过安装台、导热介质以及热管的配合，能够实现功能器件与散热部件的物理隔离，满足防潮防水防盐雾的需求，提高功能器件的可靠性以及环境适应性。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的散热结构的示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的热管与安装台的相对位置示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的风冷组件与功能器件的相对位置示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的安装台的结构示意图；

图5示出了图4中的A-A截面示意图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的安装功能器件后的基板俯视图；

图7示出了图6中的B-B截面示意图；

图8示出了根据本发明的具体实施例提供的支撑部件示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1、图2和图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种散热结构，散热结构包括：

基板10，基板10上具有安装台11，安装台11内部中空且具有开口，安装台11内设置有导热介质，开口与功能器件20连接，功能器件20通过开口与导热介质相接触以将功能器件20工作中产生的热量传递给导热介质；

热管30，热管30内设置有冷却介质，热管30包括连接在一起的吸热段31和放热段32，吸热段31设置在安装台11内且与导热介质相接触，放热段32从安装台11内穿出到达基板10背向安装台11的一侧，热管30通过冷却介质将导热介质中的热量由吸热段31传递到放热段32。

本发明中，功能器件20是指在工作过程中会产生较多热量的器件，例如电脑中的CPU、激光器中的光源模块、伺服驱动装置中的功率驱动器等，如果热量不能及时散出，将会影响功能器件20的性能，本发明的目的正是将功能器件20在工作中产生的热量快速散出。其中，中空开口的安装台11一方面起到连接基板10和功能器件20的作用，另一方面起到盛装导热介质的作用，安装台11可以单独加工再与基板10连接，也可以与基板10一体成型，优选地，安装台11与基板10一体成型，从而提高安装台11的可靠性和密封性。热管30内的冷却介质通常选用相变介质，例如能够气液转换的介质，在吸热段31，冷却介质吸收导热介质中的热量由液体蒸发为气体，该气体流动到放热段32释放热量后冷凝为液体，该液体再回流至吸热段31进行下一轮相变。本发明中的主要热传导路径为功能器件20→导热介质→热管30，与现有技术相比，基板10不再作为主要的均温和散热部件，这样就降低了对基板10的面积尺寸的需求，能够实现功能器件20在基板10上的密集排列，请参考图2和图6，多个功能器件20密集排列在基板10上，空间体积尺寸大幅减小，达到了小型化和轻质化的目的。

进一步地，导热介质的类型应根据功能器件20的工作环境温度和许用温度进行选择，作为本发明的一个具体实施例，导热介质选用液态物质，优选地，导热介质为导热油，例如烷基苯型导热油。导热油具有较高的导热率，且液态温度范围较宽，一方面能够确保较高的导热效率，另一方面能够避免在温度跨度较大的情况下物理形态发生变化，例如固化体积增大或气化泄漏，可靠性较高。通过将液压油盛装在安装台11内，使热管30的吸热段31被环绕沉浸在液压油中，热传导接触面增大，传热效率得到显著提高。

应用此种配置方式，提供了一种散热结构，该结构通过在基板10上设置中空开口的安装台11，将热管30的吸热段31设置在安装台11内，将热管30的放热段32设置在基板10背向安装台11的一侧，并且在安装台11内盛装导热介质，使其与热管30的吸热段31和功能器件20相接触，构成了功能器件20→导热介质→热管30的主要传热路径，能够大幅提高散热效率；再者，该散热结构不需要流体驱动泵和特殊的流体散热模块，结构简单，模块化设计，工艺性好，便于安装，同时由于基板10不作为主要传热路径中的一个环节，因此基板10的面积也大幅缩小，相应地，该散热结构的体积和重量也显著减小，具有较高的功重比；此外，该散热结构通过安装台11、导热介质以及热管30的配合，能够实现功能器件20与散热部件的物理隔离，满足防潮防水防盐雾的需求，提高功能器件20的可靠性以及环境适应性。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中散热结构体积和重量大、结构复杂、散热效率低、能耗高、环境适应性弱的技术问题。

作为本发明的一个具体实施例，如图4所示，安装台11的开口端面上设置有盲孔11a，功能器件20通过盲孔11a与安装台11连接。通过此种配置方式，能够避免穿透基板10，从而确保功能器件20与散热部件的物理隔离，提高环境适应能力。

进一步地，为了避免导热介质从安装台11内漏出而对功能器件20造成不良影响，对功能器件20与安装台11之间的连接进行密封。作为本发明的一个具体实施例，如图4和图5所示，安装台11的开口端面上还具有用于设置密封件的密封凹槽11b，通过密封件与密封凹槽11b的配合，将功能器件20与安装台11进行密封连接。安装功能器件20时，将密封件放置在密封凹槽11b内并排出安装台11内的空气，保证功能器件20与导热介质之间保持良好的接触。

此外，如图1和图4所示，安装台11的底部设置有通孔11c，放热段32从安装台11内穿出通孔11c到达基板10背向安装台11的一侧，且放热段32的外壁与通孔11c密封连接。作为本发明的一个具体实施例，将热管30折弯成U型或L型，将其放入安装台11内，对于U型热管，将其两端的叉指从通孔11c中穿出，到达基板10的另一侧，作为放热段32，而底部留在安装台11内，作为吸热段31，对于L型热管，将其中一段留在安装台11内作为吸热段31，将另一段从通孔11c中穿出，到达基板10的另一侧，作为放热段32。此外，热管30与通孔11c以焊接的方式连接在一起。通过此种方式，隔离基板10的两侧空间，实现功能器件20与外部环境的物理隔离，提高环境适应性。

为了进一步提升散热结构的散热效率，本发明中，散热结构还包括散热片40，散热片40与热管30的放热段32连接，用于将放热段32上的热量释放出去。如图2和图7所示的实施例，散热片40穿过热管30的放热段32并通过穿焊或回流焊的方式与放热段32的外壁焊接在一起。通过此种配置方式，放热段32将热量进一步传递给散热片40，将传统散热结构中的“热管→铝基板→热管→散热片”的导热过程变为本发明中的“导热介质→热管→散热片”，缩短了导热路径，散热效能得到提高。

进一步地，请参考图3和图7的实施例，散热结构还包括风冷组件50，风冷组件50用于提供气流以加速散热片40周围的气体流通。

为了实现风冷组件50与基板10的连接，作为一个具体实施例，风冷组件50包括支撑部件51和风冷部件52，支撑部件51与基板10连接，风冷部件52设置在支撑部件51上，其中，风冷部件52是风冷组件50中提供气流的部件。支撑部件51请参考图8的实施例，包括相互垂直的第一安装面和第二安装面，第二安装面上具有多个镂空的安装位，通过螺钉将第一安装面固定在基板10背向安装台11的一侧，将风冷部件52例如风扇设置在第二安装面上的安装位上。通过此种配置方式，风冷部件52能够向散热片40提供气流，气流沿散热片40内的通道流动，带走热量，从而加速散热片40上热量的释放，进一步提高散热效率。

此外，基板10的材质可以根据实际需要进行选择，例如铝质基板和铜质基板。由于本发明中的基板10不再作为主要的散热部件，因此不需要追求较高的热导率，因此可以通过材料的改进来进一步减轻散热结构的重量，作为本发明的一个具体实施例，基板10的材质为碳纤维。通过选用此种材料，能够满足轻质化的需求。

另外，请参考图4，基板10上还具有预留安装孔12，用于设置其余元器件，例如工作时无发热量或发热量较小的元器件，充分利用基板10上的空间，优选地，预留安装孔12采用盲孔，盲孔设计能够确保基板10两侧的空间无连通。在基板10的周边还具有固定通孔13和用于设置密封件的基板密封凹槽，固定通孔13用于将基板10与外部设备连接，基板密封槽用于与密封件配合以将基板10与外部设备进行密封连接。作为本发明的一个具体实施例，本发明中的密封件采用橡胶材质的密封圈。通过此种配置方式，确保设置有功能器件20和其余元器件的一侧与散热风道侧完全物理隔离，提高环境适应能力。

根据本发明的另一方面，提供了一种功率驱动器，功率驱动器包括功能器件20和本发明前述提出的散热结构，功能器件20用于驱动电机运行，即功率器件20为功率驱动器。

应用此种配置方式，提供了一种功率驱动器，该功率驱动器包括如上的散热结构，由于本发明的散热结构不以基板10作为主要散热部件，因此，将散热结构应用到功率驱动器中，基板10尺寸大幅减小，能够实现功率驱动器在基板10上的密集排列，从而提高伺服控制器的功率密度水平，减小空间体积尺寸，满足大功重比、小型轻质化的使用需求。此外，由于本发明的散热结构能够实现功能器件20与散热风道的物理隔离，满足防潮防水防盐雾的需求，且散热快，散热效率高，因此，将散热结构应用到功率驱动器中，还能够显著提高功率驱动器的散热效率以及环境适应能力。通过仿真与试验对比，同等重量与发热功率条件下，同等时间后功率驱动器的温度上升水平相对传统铝基板散热器降低68％。

根据本发明的再一方面，提供了一种电动伺服装置，电动伺服装置包括本发明前述提出的功率驱动器。由于本发明提出的功率驱动器散热效率高、环境适应能力强、功重比大、体积小、重量轻，因此，通过将本发明的功率驱动器应用到电动伺服装置中，能够显著提升电动伺服装置散热效率和环境适应性，满足大功率、高集成度、高热流密度以及恶劣环境下的使用需求。

综上所述，本发明提供了一种散热结构、功率驱动器及电动伺服装置，该结构通过在基板上设置中空开口的安装台，将热管的吸热段设置在安装台内，将热管的放热段设置在基板背向安装台的一侧，并且在安装台内盛装导热介质，使其与热管的吸热段和功能器件相接触，构成了功能器件→导热介质→热管的主要传热路径，能够大幅提高散热效率；再者，该散热结构不需要流体驱动泵和特殊的流体散热模块，结构简单，模块化设计，工艺性好，便于安装，同时由于基板不作为主要传热路径中的一个环节，因此基板的面积也大幅缩小，相应地，该散热结构的体积和重量也显著减小，具有较高的功重比；此外，该散热结构通过安装台、导热介质以及热管的配合，能够实现功能器件与散热部件的物理隔离，满足防潮防水防盐雾的需求，提高功能器件的可靠性以及环境适应性。该装置与现有技术相比，其能够解决现有技术中散热结构体积和重量大、结构复杂、散热效率低、能耗高、环境适应性弱的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种散热结构，其特征在于，所述散热结构包括：

基板(10)，所述基板(10)上具有安装台(11)，所述安装台(11)内部中空且具有开口，所述安装台(11)内设置有导热介质，所述开口与功能器件(20)连接，所述功能器件(20)通过所述开口与所述导热介质相接触以将所述功能器件(20)工作中产生的热量传递给所述导热介质；

热管(30)，所述热管(30)内设置有冷却介质，所述热管(30)包括连接在一起的吸热段(31)和放热段(32)，所述吸热段(31)设置在所述安装台(11)内且与所述导热介质相接触，所述放热段(32)从所述安装台(11)内穿出到达所述基板(10)背向所述安装台(11)的一侧，所述热管(30)通过所述冷却介质将所述导热介质中的热量由所述吸热段(31)传递到所述放热段(32)；

散热片(40)，所述散热片(40)与所述热管(30)的所述放热段(32)连接，用于将所述放热段(32)上的热量释放出去；

风冷组件(50)，所述风冷组件(50)用于提供气流以加速所述散热片(40)周围的气体流通；所述风冷组件(50)包括支撑部件(51)和风冷部件(52)，所述支撑部件(51)与所述基板(10)连接，所述风冷部件(52)设置在所述支撑部件(51)上。

2.根据权利要求1所述的散热结构，其特征在于，所述安装台(11)的开口端面上设置有盲孔(11a)，所述功能器件(20)通过所述盲孔(11a)与所述安装台(11)连接。

3.根据权利要求2所述的散热结构，其特征在于，所述安装台(11)的开口端面上还具有用于设置密封件的密封凹槽(11b)，通过所述密封件与所述密封凹槽(11b)的配合，将所述功能器件(20)与所述安装台(11)进行密封连接。

4.根据权利要求3所述的散热结构，其特征在于，所述安装台(11)的底部设置有通孔(11c)，所述放热段(32)从所述安装台(11)内穿出所述通孔(11c)到达所述基板(10)背向所述安装台(11)的一侧，且所述放热段(32)的外壁与所述通孔(11c)密封连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的散热结构，其特征在于，所述基板(10)的材质为碳纤维，所述导热介质为导热油。

6.一种功率驱动器，其特征在于，所述功率驱动器包括功能器件(20)和权利要求1至5任一项所述的散热结构，所述功能器件(20)用于驱动电机运行。

7.一种电动伺服装置，其特征在于，所述电动伺服装置包括权利要求6所述的功率驱动器。