CN114302624B - 一种逆变器装置的液冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷却技术领域，具体而言，涉及一种逆变器装置的液冷系统。逆变器装置的液冷系统包括第一冷却板、第二冷却板和第三冷却板，所述第一冷却板、所述第二冷却板和所述第三冷却板均设置有发热元器件；所述第二冷却板和所述第三冷却板均垂直设置在所述第一冷却板上；所述第一冷却板内设置有第一冷却流道，所述第二冷却板上设置有第二冷却流道，所述第二冷却流道与所述第一冷却流道连通；所述第一冷却板上设置有进液接头和出液接头；所述第一冷却流道的两端分别于所述进液接头、所述出液接头连通。本发明提高了整体的冷却效率，实现了对集成后的较多发热元器件的快速散热，保证了功率模组的正常作业。

Description

一种逆变器装置的液冷系统

技术领域

本发明涉及冷却技术领域，具体而言，涉及一种逆变器装置的液冷系统。

背景技术

逆变器是把直流电能(电池、蓄电瓶)转变成定频定压或调频调压交流电(一般为220V逆变器)是把直流电能(电池、光伏发电)转变成定频定压或调频调压交流电(一般为220V,50Hz正弦波)的转换器。IGBT是逆变器能源变换与传输的核心器件，俗称电力电子装置的“CPU”，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。

逆变器在通信领域的主要应用在于：

1.将直流电源转换为交流电源

如新能源汽车电机控制器是通过逆变器把新能源汽车电池包的高压直流电转换为交流电，再将交流电输出给电机进而驱动电机工作，并控制电机的旋转方向及转速。

2.为光伏并网电源系统提供DC-AC变换功能。

将太阳能系统产生的直流电逆变为交流电，输入电网。

在将高压直流电转换为交流电的过程中，逆变器中的IGBT模块等功率器件会产生大量的热，影响功率器件的寿命，因此需要给功率器件进行散热，以保证逆变器正常工作。

现有的逆变器中，由于涉及到的元器件较多，且为了降低整体体积，各元器件均集成在一起设置，因此需要对各元器件进行散热处理，以保证各元器件的正常使用寿命。

如何实现对逆变器中的集成的较多发热元器件进行快速散热，是现有技术亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种逆变器装置的液冷系统，其能够实现对逆变器上的功能器件进行快速散热。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明提供了一种液冷系统，包括第一冷却板、第二冷却板和第三冷却板，所述第一冷却板、所述第二冷却板和所述第三冷却板均设置有发热元器件；

所述第二冷却板和所述第三冷却板均垂直设置在所述第一冷却板上；

所述第一冷却板内设置有第一冷却流道，所述第二冷却板上设置有第二冷却流道，所述第二冷却流道与所述第一冷却流道连通；

所述第一冷却板上设置有进液接头和出液接头；

所述第一冷却流道的两端分别于所述进液接头、所述出液接头连通。

在可选的实施方式中，所述第一冷却流道内设置有至少一排第一分隔板，所述第一分隔板用于将所述第一冷却流道分隔为至少两个支流道。

在可选的实施方式中，同一排的所述第一分隔板之间设置有流通间隙，用于使相邻的所述支流道连通。

在可选的实施方式中，靠近所述第一冷却流道两端的所述支流道的数量少于所述第一冷却流道中部的所述支流道的数量。

在可选的实施方式中，所述第二冷却流道内设置有至少一排第二分隔板，所述第二分隔板用于将所述第二冷却流道分隔为至少两个支流道。

在可选的实施方式中，所述第一冷却板包括第一冷却基板和第一盖板；

所述第一冷却流道设置在所述第一冷却基板上，所述第一盖板设置在所述第一冷却基板的一侧，所述第一盖板用于对所述第一冷却流道进行覆盖密封。

在可选的实施方式中，所述第一盖板为均温板。

在可选的实施方式中，所述第三冷却板上设置有热管；

或，所述第三冷却板为均温板。

在可选的实施方式中，所述第二冷却板和所述第三冷却板之间连接有导热板；

或相邻的所述第二冷却板之间设置有导热板。

在可选的实施方式中，所述进液接头设置在所述第一冷却板的一侧；

所述出液接头设置在所述第一冷却板的一侧。

本发明实施例的有益效果是：

将功率模组中的各个发热元器件分别设置在第一冷却板和第二冷却板上，并将第二冷却板垂直设置在第一冷却板上，通过立体空间方式的设置，使得发热元器件能够通过第二冷却板进行换热后，再通过第一冷却板将热量带走，或直接通过第一冷却板进行散热，提高了整体的冷却效率，实现了对集成后的较多发热元器件的快速散热，保证了功率器件的正常作业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的液冷系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的液冷系统的第一冷却板的爆炸图；

图3为本发明实施例提供的液冷系统的第一冷却基板的主视图；

图4为本发明实施例提供的液冷系统的第二冷却板的爆炸图；

图5为本发明实施例提供的液冷系统的第二冷却基板的主视图；

图6为本发明实施例提供的液冷系统的第二冷却基板的另一种设置方式的主视图；

图7为本发明实施例提供的液冷系统的第三冷却板的爆炸图；

图8为本发明实施例提供的液冷系统的使用状态参考图；

图9为本发明实施例提供的液冷系统的另一视角的使用状态参考图；

图10-1和图10-2为本发明实施例提供的液冷系统的第一种情况的模拟仿真云图；

图11-1和图11-2为本发明实施例提供的液冷系统的第二种情况的模拟仿真云图。

主要元件符号说明：1-第一冷却板；2-第二冷却板；3-第三冷却板；4-导热板；5-进液接头；6-出液接头；7-第一冷却基板；8-第一盖板；9-第一分隔板；10-支流道；11-流通间隙；12-第二冷却基板；13-第二盖板；14-第二冷却流道；15-第二分隔板；16-第三冷却基板；17-安装槽；18-热管；19-第三盖板；20-变压器；21-滤波电感；22-整流二极管；23-隔直电容；24-吸收电阻；25-IGBT模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

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定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“第二”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“第二”、“悬垂”等术语并不表示要求元器件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“第二”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明提供了一种液冷系统，如图1和图7所示，包括第一冷却板1、第二冷却板2和第三冷却板3，第一冷却板1、第二冷却板2和第三冷却板3均设置有发热元器件；第二冷却板2和第三冷却板3均垂直设置在第一冷却板1上；第一冷却板1内设置有第一冷却流道，第二冷却板2上设置有第二冷却流道14，第二冷却流道14与第一冷却流道连通；第一冷却板1上设置有进液接头5和出液接头6；第一冷却流道的两端分别于进液接头5、出液接头6连通。

在本实施例中，第三冷却板3垂直设置在第一冷却板1上，且与第二冷却板2平行设置。

在本实施例中，各个发热元器件分别设置在第一冷却板1和第二冷却板2上，如图8和图9所示，功率模组包括IGBT模块25及其四组驱动、16个隔直电容23、2个高频变压器20、10个整流二极管22、24个吸收电阻24、一个输出滤波电感21以及相应的安装结构件，在进行安装时，第二冷却板2、第三冷却板3、高频变压器20、整流二极管22以及滤波电感21安装在第一冷却板1的一侧，IGBT模块25及其四组驱动安装在第一冷却板1的一侧，吸收电阻24安装在第二冷却板2上，且变压器20、滤波电感21在第二冷却板2的同一侧，吸收电阻24和整流二极管22在第二冷却板2的另一侧，隔直电容23设置在第三冷却板3上，发热量较大的变压器20和滤波电感21设置在第二冷却板2和第三冷却板3之间。

这样就形成一个集成的空间结构，再通过灌胶等方式进封装，使得功率模组的整体体积较小。

在进行散热时，第二冷却板2能够直接与吸收电阻24进行换热，并通过第二冷却流道14将吸收的热量传输到第一冷却流道中，通过第一冷却板1将热量带出；第三冷却板3将隔直电容23的热量快速传导给第一冷却板1，通过第一冷却板1将热量带出；高频变压器20、整流二极管22、滤波电感21、IGBT模块25及其四组驱动的热量直接被第一冷却板1带走。

在本实施例中，第一冷却流道和第二冷却流道14构成的整个冷却流道内的冷却介质为冷却液。

需要指出的是，冷却介质可以是冷却液，但其不仅仅局限于冷却液，其还可以是其他的冷却介质，如还可以是水、防冻液等，其只要能够实现对发热元器件的换热冷却即可。

在本实施例中，第一冷却流道为蛇形流道或其他设置方式的流道，使得具有发热元器件的位置流道的密度较高，达到提高冷却效率的目的。

在可选的实施方式中，如图2和图3所示，第一冷却流道内设置有至少一排第一分隔板9，第一分隔板9用于将第一冷却流道分隔为至少两个支流道10。

在本实施例中，通过第一分隔板9的设置，将第一冷却板1内的第一冷却流道分隔为多个支流道10，既增加了冷却介质的流通量，又增加了冷却介质与第一液冷板之间的接触面积，进而增加了换热效率。

在本实施例中，具体的第一分隔板9的数量，根据实际发热元器件的发热量进行设置。

在可选的实施方式中，同一排的第一分隔板9之间设置有流通间隙11，用于使相邻的支流道10连通。

在本实施例中，通过流通间隙11将相邻的支流道10连通后，能够使得第一冷却流道内的冷却介质在进行换热时更加均匀，提供了整体的换热效率。

在本实施例中，流通间隙11为3.5mm。

具体的，流通间隙11的大小可以根据实际的冷却需求进行设置，其只要能够实现冷却介质在流通间隙11内的流通即可。

在可选的实施方式中，靠近第一冷却流道两端的支流道10的数量少于第一冷却流道中部的支流道10的数量。

也就是说，冷却介质通过进液接头5进入第一冷却流道后，初始为单流道，在遇到第一分隔板9后，进行二次分流，之后在根据发热元器件的位置和数量进行三次分流，或还可以进行更多次的分流，当冷却介质快达到出液接头6时，进行逐步集液，最终汇入出液接头6将吸热后的冷却介质输出。

在可选的实施方式中，如图4、图5和图6所示，第二冷却流道14内设置有至少一排第二分隔板15，第二分隔板15用于将第二冷却流道14分隔为至少两个支流道10。

具体的，第二冷却流道14可以是不设置第二分隔板15的单流道，也可以是设置单排第二分隔板15的双流道，即两个支流道10，或设置三流道、四流道，具体的设置数量根据第二冷却板2上设置的发热元器件的发热量进行设置。

在本实施例中，第二分隔板15的设置位置可以是贯通整个第二冷却流道14，也可以是只在具有发热元器件的位置进行设置。

当在只具有发热元器件的位置设置第二分隔板15时，其会形成单独的向两侧凸起的形状，该凸起的数量根据实际的发热元器件的数量进行设置。如图6所示，凸起的数量为两个，或如图8所示，在第二冷却板2上设置有三组吸收电阻24，此时的凸起数量为三个。

在可选的实施方式中，如图4所示，第二冷却板2包括第二冷却基板12和第二盖板13；第二冷却流道14设置在第二冷却基板12上，第二盖板13设置在第二冷却基板12的一侧，第二盖板13用于对第二冷却流道14进行覆盖密封。

在本实施例中，第二冷却流道14为第二冷却基板12上开设的槽结构，通过第二盖板13进行封闭后，形成第二冷却流道14。

在本实施例中，第二冷却基板12的材质为紫铜。

同理，如图2所示，第一冷却板1包括第一冷却基板7和第一盖板8，第一冷却流道为第一冷却基板7上设置的槽结构，通过第二盖板13进行封闭后，形成第二冷却流道14。

同理，在本实施例中，第一冷却基板7的材质也为紫铜。

需要指出的是，第一冷却基板7和第二冷却基板12的材质可以是紫铜，但其不仅仅局限于紫铜，其还可以是其他的材质。

第一冷却基板7和第二冷却基板12的材质可以是相同的，也可以是不相同的。

在可选的实施方式中，第一盖板8为均温板。

均温板由基板、毛细芯及工质组成。均温板的基板中含有腔体，在腔体内壁的蒸发区有多孔结构的毛细芯，毛细芯中有传热工质。当热量由热源传导至蒸发区时，腔体内的工质开始气化，并吸收热量，气相工质在腔体内部温度较低的区域凝结放热，凝结后的液相工质在毛细力或重力作用下回到热源处，从而实现热量的快速扩散和传递。

均温板依靠蒸发(或沸腾)和凝结这两个很强的传热过程来工作的，因此，均温板具有小温差下传递大热流的能力。通常均温板内工质循环的主要驱动力是毛细结构和液体相互作用产生的毛细力。因此，工质循环不需要消耗其他形式的能量，也没有机械运动部件，运行可靠，结构紧凑。当均温板热流密度很低时，工质蒸汽处于饱和状态，蒸汽流动和相变的温差很小，通过壳体材料和吸液芯的温降一般也很小，结果使得均温板表面可以具有很好的均温性。

在可选的实施方式中，第一盖板8还可以是通过内置热管的方式实现快速导热。

在本实施例中，第二盖板13也可以是均温板。

在本发明优选的实施例中，第三冷却板3包括第三冷却基板16、热管18和第三盖板19。

具体的，在本实施例中，第三冷却基板16上设置有安装槽17，热管18通过安装槽17固定设置在第三冷却基板16上，再通过第三盖板19对热管18进行封盖。

在本实施例中，第三冷却基板16和第三盖板19均为铜板。

在本实施例中，热管18的数量，根据实际安装在第三冷却板3上的发热元器件的数量进行对应设置。

在可选的实施方式中，第二冷却板2和第三冷却板3之间连接有导热板4；或相邻的第二冷却板2之间设置有导热板4。

设置在第三冷却板3上的热源所散发的热量，可以直接通过第三冷却板3导向第一冷却板1，也可以是通过第三冷却板3导向第二冷却板2，再通过第二冷却板2导向第一冷却板1。

在本实施例中，导热板4为均温板。

在可选的实施方式中，进液接头5设置在第一冷却板1的一侧；出液接头6设置在第一冷却板1的一侧。

在本实施例中，进液接头5和出液接头6均设置在第一冷却板1上，且与第二冷却板2相对的一侧。这样的设置方式，能够使得水冷板的厚度更薄，进而达到节约成本的效果。

在本实施例中，进液接头5通过螺栓或螺钉固定设置在第一冷却板1上，且在进液接头5与第一冷却板1之间设置密封圈，以保证冷却介质流通时的密封性。

同理，出液接头6也通过螺栓或螺钉固定设置在第一冷却板1上，且在出液接头6与第一冷却板1之间设置密封圈，以保证冷却介质流通时的密封性。

需要指出的是，在本实施例中，进液接头5、出液接头6在第一冷却板1上是设置方式可以是通过螺栓或螺钉进行固定，但其不仅仅局限于这一种连接方式，其还可以是其他的固定连接方式，只要能够实现将进液接头5、出液接头6固定设置在第一冷却板1上即可。

以下以某升压并网装置中的逆变器的水冷功率模组为例，说明本发明提供的逆变器的液冷系统的散热效果。

该逆变器由IGBT器件及其驱动(4组)、高频吸收电容(4个)、隔直电容(16个)、高频变压器(2个)、整流二极管(10个)、RCD吸收电路(4套)、输出滤波电感(1个)、水冷散热板(1个)、均热板(2套)以及相应的安装结构件组成。各部件的主要尺寸和发热量如下表所示：

序号	名称	尺寸(mm)	热耗(W)	数量
					1	变压器	φ170×165	120	2
2	隔直电容	57.5×33×59	5.9	16
					3	滤波电感	φ120×140	60	1
4	IGBT模块	172×89×36.5	2×854.8	4
					5	整流二极管	37.8×25.1×12	2×46.9	10
6	吸收电容	57.5×42.5×56	/	4
					7	吸收电阻	47.5×88×24.1	138.5	4
8	吸收二极管	37.8×25.1×12	/	2

在冷却水正常情况下，IGBT和二极管表面温升不超过40℃，变压器和电感中心温升不超过40℃，隔直电容以及高频吸收电容表面温升不超过30℃，吸收电阻表面温升不超过60℃。

第一种情况，第二冷却板内没有冷却流道，仿真云图如图10-1和图10-2所示，其仿真数据如下表所示：

目标名称	单位	最大值	温升要求	最大温升
					进出口	[℃]	34.71	≤15	14.71
变压器1	[℃]	47.67	≤40	27.67
					变压器2	[℃]	52.57	≤40	32.57
隔直电容	[℃]	40.85	≤30	20.85
					滤波电感	[℃]	47.84	≤40	27.84
IGBT模块1	[℃]	55.93	≤40	35.93
					IGBT模块2	[℃]	52.26	≤40	32.26
IGBT模块3	[℃]	52.71	≤40	32.71
					IGBT模块4	[℃]	57.07	≤40	35.07
整流二极管	[℃]	48.34	≤40	28.34
					吸收电阻1	[℃]	109.23	≤60	89.23
吸收电阻2	[℃]	112.54	≤60	92.54
					吸收电阻3	[℃]	106.53	≤60	86.53
吸收电阻4	[℃]	105.74	≤60	85.74
					进出口压差	[Pa]	36394.38	≤70000	36394.38

由上表的仿真数据可知，吸收电阻温度超标，其他热源均在温升要求范围内。

第二种情况，第二冷却板内具有第二冷却流道，且第二冷却流道与第一冷却流道连通时，其仿真云图如图11-1和图11-2所示。

此时的仿真结果的各数据如下表：

由仿真数据可知，吸收电阻温度已满足要求。

本发明实施例的有益效果是：

将功率模组中的各个发热元器件分别设置在第一冷却板1和第二冷却板2上，并将第二冷却板2垂直设置在第一冷却板1上，通过立体空间方式的设置，使得发热元器件能够通过第二冷却板2进行换热后，再通过第一冷却板1将热量带走，或直接通过第一冷却板1进行散热，提高了整体的冷却效率，实现了对集成后的较多发热元器件的快速散热，保证了功率模组的正常作业。

以上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 (9)

1.一种逆变器装置的液冷系统，其特征在于，包括设置有第一冷却板、第二冷却板和第三冷却板，所述第一冷却板、所述第二冷却板和所述第三冷却板均设置有发热元器件；

所述第二冷却板和所述第三冷却板均垂直设置在所述第一冷却板上；

所述第一冷却板内设置有第一冷却流道，所述第二冷却板上设置有第二冷却流道，所述第二冷却流道与所述第一冷却流道连通；

所述第一冷却板上设置有进液接头和出液接头；

所述第一冷却流道的两端分别与所述进液接头、所述出液接头连通；

所述第三冷却板为均温板。

2.根据权利要求1所述的液冷系统，其特征在于，所述第一冷却流道内设置有至少一排第一分隔板，所述第一分隔板用于将所述第一冷却流道分隔为至少两个支流道。

3.根据权利要求2所述的液冷系统，其特征在于，同一排的所述第一分隔板之间设置有流通间隙，用于使相邻的所述支流道连通。

4.根据权利要求2所述的液冷系统，其特征在于，靠近所述第一冷却流道两端的所述支流道的数量少于所述第一冷却流道中部的所述支流道的数量。

5.根据权利要求1所述的液冷系统，其特征在于，所述第二冷却流道内设置有至少一排第二分隔板，所述第二分隔板用于将所述第二冷却流道分隔为至少两个支流道。

6.根据权利要求1所述的液冷系统，其特征在于，所述第一冷却板包括第一冷却基板和第一盖板；

所述第一冷却流道设置在所述第一冷却基板上，所述第一盖板设置在所述第一冷却基板的一侧，所述第一盖板用于对所述第一冷却流道进行覆盖密封。

7.根据权利要求6所述的液冷系统，其特征在于，所述第一盖板为均温板。

8.根据权利要求1所述的液冷系统，其特征在于，所述第二冷却板和所述第三冷却板之间连接有导热板；

或相邻的所述第二冷却板之间设置有导热板。

9.根据权利要求1-8任一项所述的液冷系统，其特征在于，所述进液接头设置在所述第一冷却板的一侧；

所述出液接头设置在所述第一冷却板的另一侧。

Images