CN114885593B - 应用于光伏逆变器中的石墨烯散热器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种应用于光伏逆变器中的石墨烯散热器，包括：散热器本体，至少由一种金属材料制成具有第一导热率；石墨烯涂层，涂覆于散热器本体且具有第二导热率；其中，第一导热率小于等于第二导热率；散热器本体包括：基板，用于连接或构成光伏逆变器的壳体的一部分；若干翅片，以垂直基板的板面的方式设置于基板的外侧；若干桥片，设置于两个翅片之间以使两个翅片通过桥片构成热传导；其中，桥片处的石墨烯涂层厚度大于等于翅片处的石墨烯涂层厚度。本申请的有益之处在于提供一种应用于光伏逆变器中的石墨烯散热器，其通过在翅片之间增加热传导方式改善散热效果。

Description

应用于光伏逆变器中的石墨烯散热器

技术领域

本申请涉及电设备的外壳附属零件，具体而言，涉及一种应用于光伏逆变器中的石墨烯散热器。

背景技术

光伏逆变器可以将光伏（PV）太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电（AC）的逆变器，可以反馈回商用输电系统，或是供离网的电网使用，光伏逆变器是光伏阵列系统中重要的系统平衡（BOS）之一，可以配合一般交流供电的设备使用。

然后，光伏逆变器的功率器件散热问题一直是光伏逆变器的一个技术难题。

石墨烯具有良好的散热性能，在相关技术中，比如中国专利文献“应用于光伏并网逆变器中的石墨烯散热器及其制作方法”（CN110300508A）公开了一种采用散热翅片结构涂覆石墨烯材料的方式实现散热。

涂覆了石墨烯材料后的散热翅片的热传导效率虽然得到了改善，如果散热翅片过密则会导致加工困难，同时散热翅片之间的空气流动减弱导致热量不能及时被带走；如果散热翅片之间距离过大，则因为光伏逆变器热量不均衡导致散热翅片散热能力也不均衡，同时散热翅片总的接触面积下降导致散热效果不理想。

发明内容

本申请的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本申请的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

本申请的一些实施例提出了一种应用于光伏逆变器中的石墨烯散热器，包括：散热器本体，至少由一种金属材料制成具有第一导热率；石墨烯涂层，涂覆于散热器本体且具有第二导热率；其中，第一导热率小于等于第二导热率；散热器本体包括：基板，用于连接或构成光伏逆变器的壳体的一部分；若干翅片，以垂直基板的板面的方式设置于基板的外侧；若干桥片，设置于两个翅片之间以使两个翅片通过桥片构成热传导；其中，桥片处的石墨烯涂层厚度大于等于翅片处的石墨烯涂层厚度。

进一步地，桥片垂直于翅片。

进一步地，桥片包括：中层片，设置于翅片的中段位置；端部片，设置于翅片的端部位置。

进一步地，中层片设置在基板和端部片之间以使两个相邻的翅片之间形成近层风道和远层风道。

进一步地，中层片朝向端部片的一侧设有若干沿远层风道延伸方向排布的石墨烯贴片。

进一步地，端部片朝向中层片的一侧设有若干沿远层风道延伸方向排布的石墨烯贴片。

进一步地，中层片朝向端部片的一侧设有若干凸起结构，凸起结构的体积沿远层风道延伸方向逐渐变化。

进一步地，中层片朝向端部片的一侧设有若干凹槽结构，凹槽结构的体积沿远层风道延伸方向逐渐变化。

进一步地，不同凹槽结构中填充有相变温度相异的相变材料。

本申请的有益效果在于：提供一种通过在翅片之间增加热传导方式改善散热效果的应用于光伏逆变器中的石墨烯散热器。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

另外，贯穿附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。应当理解附图是示意性的，元件和元素不一定按照比例绘制。

在附图中：

图1是根据本申请一种实施例从第一个视角观察时的立体结构示意图；

图2是图1所示的实施例从第二个视角观察时的立体结构示意图；

图3是图1所示的实施例在主视方向的结构示意图；

图4是图1所示的实施例在俯视方向的结构示意图；

图5是根据本申请一种实施例的散热器本体和石墨烯涂层构成的整体的立体结构示意图；

图6是图5所示的散热器本体和石墨烯涂层的剖视示意图；

图7是图5所示的整体在俯视方向的结构示意图；

图8是根据本申请第二种实施例的散热器本体的部分结构示意图；

图9是图8所示部分的剖视结构示意图；

图10是图8所示部分中一个部件的结构示意图；

图11是图8所示部分中另一个部件的结构示意图；

图12是根据本申请第三种实施例的散热器本体的一部分的结构示意图；

图13是图12所示部分的剖视结构示意图；

图14是根据本申请第三种实施例的散热器本体的一部分的结构示意图；

图15是图14所示部分的剖视结构示意图；

图16是图14所示部分的凹槽结构填充相变材料的结构示意图。

图中附图标记的含义：

光伏逆变器100；

逆变器壳体200；

石墨烯散热器300；

散热器本体400，基板401，板面4011，翅片402，桥片403，中层片4031，端部片4032；

石墨烯涂层500；

翅间通道600，远层风道601，近层风道602；

散热器本体700，基板701，T型槽7011，翅片702，T形块7021，插槽7022，桥片703，中层片7031，石墨烯贴片7033,端部片7032；

散热器本体800，基板801，翅片802，桥片803，中层片8031，凸起结构8033,端部片8032；

散热器本体900，基板901，翅片902，桥片903，中层片9031，凹槽结构9033,相变材料9031b，导热胶9031c，端部片9032。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的某些实施例，然而应当理解的是，本公开可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本公开。应当理解的是，本公开的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本公开的保护范围。

另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

本公开实施方式中的多个装置之间所交互的消息或者信息的名称仅用于说明性的目的， 而并不是用于对这些消息或信息的范围进行限制。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

参照图1至图5所示，光伏逆变器100包括逆变器壳体200和石墨烯散热器300。逆变器壳体200内部设有实现功能电气元件等。这里需要说明的是，石墨烯散热器300可以是附加在逆变器壳体200上额外的零件，也可以其本身的一部分即作为逆变器壳体200的一个组成部分。

作为具体方案，石墨烯散热器300包括：散热器本体400和石墨烯涂层500，如图5所示，石墨烯涂层500涂覆于散热器本体400。具体的涂覆工艺属于本领域技术人员所熟知的技术方案，在此不加赘述。

在本申请中，由于石墨烯涂层对于散热器本体的涂覆关系，在相应实施例附图中，实际附图标记指向实际为石墨烯涂层，但其实其想示意的被石墨烯涂层覆盖的散热器本体的结构，在此特别做出说明，以免误解。

散热器本体400由金属材料制成，比如含铝的材料，其具有第一导热率，石墨烯涂层500具有第二导热率，第二导热率大于第一导热率，这样涂覆在散热器本体400表面的石墨烯涂层500获得更好的热传导效果，从而改善散热。这是本领域人员所熟知的技术效果，在此不加赘述。

参照图2至图6所示，散热器本体400包括：基板401、若干翅片402和若干桥片403。

其中，基板401用于连接或构成逆变器壳体200的一部分。当基板401需要连接到逆变器壳体200时，一般而言，逆变器壳体200会设有一个壳体平面用于来对接基板401，具体而言，如图5和图6所示，基板401设有一个平直的板面4011，可以通过在基板401的板面4011和逆变器壳体200的壳体平面之间填充导热胶9031c的方式使散热器本体400连接至逆变器壳体200。

作为优选方案，基板401的板面4011不涂覆石墨烯涂层这样能够防止导热胶9031c不直接接触散热器本体400，在石墨烯涂层与散热器本体400附着力不够时，无法实现稳固连接。

作为进一步优选方案，基板401在板面4011的相对侧形成有若干梯形的凸起，翅片402的根部设置于这些凸起的顶面上。这样好处在于，增加了基板401在这一侧的散热面积，同时从风道角度而言增加了本申请的近层风道602的横截面积，有助于提高气流流量。

翅片402大致以重复排列的方式设置于基板401的外侧（板面4011的一侧为内侧，凸起的一侧为外侧）。

作为具体方案，翅片402均为平直的片状结构，它们大致以垂直板面4011的方式设置。如图2至图4所展示的相对位置关系，实际在进行设置时，希望翅片是以平行于竖直平面的方式设置的，这样可以利用空气中自然的空气对流沿着竖直方向（图3中A指出的方向）通过两个翅片402之间的空间来带走翅片402传导的热量从而实现散热效果（实际是被动散热）。

这是现有一般的散热器会采用的一般方案，在实际使用时会遇到，某一些翅片402温度不均衡的情况，这种情况的根源源于光伏逆变器100内部的热量本身也是不均衡，另外在散热器装配等原因也会造成热传导不均衡。此时按照传统方案，仅能通过基板401来实现不同的翅片402之间的热传递（更极端情况，需要在逆变器壳体200内通过热传递完成热均衡），不能有效改善不同翅片402温度不均衡情况，这样就导致一些翅片402实际散热效果有限，更重要的是，不同温度的翅片402温差较大时，产生横向（图4中的B方向）的气流流动，从而降低原本希望竖直方向（图3中的A方向）的气流流动，对散热造成负面影响。按照一般认知产生气流流动是有助于散热的，但是横向气流流动实际会收到翅片402本身阻碍，其流动速度有限，同时其降低了原本设计方向期望产生气流流动从而使翅片趋近于与静止空气做热交换，然而我们知道空气本身的热阻极大，这又进一步加剧了翅片402不均衡（翅片402是沿横向排布的）从而进一步恶化了散热环境。

因此，在仅采用分离的翅片402时，即使附加了石墨烯涂层500，仍会产生翅片402散热不均衡导致整体散热效果下降的情况。

为了解决上述问题，本申请的桥片403设置在两个翅片402之间从而使两个翅片402之间构成横向（A方向）的热传导，为了进一步提高热传导的效率，桥片403外也涂覆石墨烯涂层，并且桥片403处的石墨烯涂层的厚度大于翅片402处的石墨烯涂层厚度。这样桥片403能更好的翅片402之间构成实现热传递，从而避免了上述存在的问题。

作为优选方案，桥片403可以以垂直于翅片402的方式设置。

作为进一步的具体方案，如图5和图6所示，桥片403包括中层片4031和端部片4032，其中，中层片4031设置于翅片402的中段位置，而端部片4032设置于翅片402的端部位置。需要说明的是，这里所指的中段位置并非是翅片402长度的中点，而是所有非端部的位置。

作为扩展方案，中层片4031可以设置多层。

如图5和图6所示，中层片4031仅设置一层且大致设置在翅片402整体长度的中点位置附近。

端部片4032的作用是尽可能的利用翅片402长度封闭一个封闭用于气流过流的空间，而中层片4031是为了防止翅片402长度过长时，中段部分没法有效热传导，当然其也进一步分隔气流流过的空间。

作为优选方案，中层片4031以及端部片4032将两个相邻的翅片402之间空间，即翅间空间600分隔成了近层风道602和远层风道601。

这样中层片4031和端部片4032不但在翅片402之间实现了热传递还形成了相对封闭的近层风道602和远层风道601以保证气流到原来设计的自然对流方向（即前述竖直方向）的气流流动，保证散热效果。

作为更具体的方案，中层片4031和端部片4032仅设置在所有翅片402中的一部分翅片402之间，即并不是所有翅片402之间均设有桥片403，这样相当于兼顾两个方向（横向和数竖直方向）的气流流动，因为，某些翅片402之间的翅间空间已经被端部片4032所封闭，所以即使有横向气流流动也不会影响这部分竖直方向气流流动，这样翅片402之间也可以通过空气流动传递热量。

作为优选方案，如图6所示，中层片4031和端部片4032相当于所有翅片402而言是间隔设置的，也即当前一组两个翅片402之间设有中层片4031和端部片4032则下一组两个翅片402之间就不再设置中层片4031和端部片4032。

通过以上方案，可以解决由于不同位置翅片402温度不均衡导致散热效果不佳的问题。

上述方案在竖直方向上气流流动仍然是依靠所处空间的自然气流流动，在环境较为复杂时，该方向气流可能存在气流流动动力不足的情况，从而无法保证散热效果。

作为扩展方案，图8至图11示出的散热器本体700的一部分，其基板701与翅片702不再采用一体成型的方案，而采用装配的方案。

这里需要说明的是，在本领域一般技术认知下，一体成型是为了获得更好的热传导效果，装配产生间隙影响热传导，因此一般采用一体成型的技术方案。

本申请基板701开有一个T形槽，翅片702一侧端部被构造为能与T形槽7011适配的T形块7021，它们可以通过插装的方式结合成一个整体，同时翅片702也设有插槽7022，该方案中桥片703的中层片7031和端部片7032通过不同位置的插槽7022插入至两个翅片702之间。这样相较一体成型方案，更便于制造加工和在桥片703上加工相应结构或增加零件。

为了解决装配缝隙影响热传导的问题，可以采用如下方案，在分别制造好基板701、翅片702和桥片703各自的本体后，放置于零下5度至10度（优选零下5度）的环境中10小时至20小时，优选12小时，然后在室温环境下采用石墨烯油墨向它们进行喷涂后，在装配结合的部位（比如T形槽7011、T形块7021、插槽7022处等）涂覆导热胶9031c，完成涂覆后进行插装的装配，装配完成后，在40度至60度的环境下进行烘烤固化。这样通过热胀冷缩以及石墨烯油墨和导热胶9031c本身的流体性质从而在保证装配稳固的基础上消除了间隙对热传导影响，尤其是石墨烯涂层在装配处大大改了导热性能。

如图8和图9所示的方案中，在中层片7031和端部片7032的相对侧贴附石墨烯贴片7033，它们大致沿中层片7031和端部片7032的长度方向（也是近层风道602和远层风道601的延伸方向）延伸，因为它们本身材料，在它们周边会产生相应的热场（高于环境温度，即高于周边的空气温度），调整相应位置石墨烯贴片7033组分组成使它们导热率不同，这样在不同空间处产生不同的热场，由于热场之间存在温差，这样可以使气流按照设计方向（图9中的C方向）流动。从而解决了依靠自然流动的气流不足以及时带走散热器热量的问题，因为以上方案提高了散热器整体的热传导效果（石墨烯涂层导热率较高），但是如果不及时带走这部分热量仍然无法获得较好的散热效果。

图12和图13所示的方案中，翅片802插装至基板801中，中层片8031和端部片8032插装在两个翅片802之间。

在该方案中，采用凸起结构8033来实现类似图8和图9所示方案的技术效果。

凸起结构8033可以与桥片803一体成型，这些凸起结构8033也沿中层片8031和端部片8032的长度方向排布，可以通过涂覆不同导热率的石墨烯涂层实现不同温度的热场效果。

采用凸起结构8033好处在于相对石墨烯贴片7033的方案不需要额外的部件和粘贴的步骤，并且可以采用相同的导热率的石墨烯涂层，而使凸起结构8033在排布方向具有不同尺寸，从而不同尺寸具有不同吸热能力角度构成所需的热场差异。

作为优选方案，按照设计的气流流动方向（比如竖直方向的由下至上）凸起结构8033的体积逐渐减小，并且凸起结构8033被构造为半球结构。

图14和图15所示的方案中，翅片902插装至基板901中，中层片9031和端部片9032插装在两个翅片902之间。

在该方案中，类似的，可以采用中层片9031上沿其长度方向排布的凹槽结构9033实现类似的热场效果，凹槽结构9033实现的方式使气流在凹槽结构9033处被减速，从而使凹槽结构9033内的空气获得更多热交换时间，从而在流出时具有与未流经凹槽结构9033的空气更高的温度。图14和图15中的端部片9032仍为凸起结构8033,当然其也可以改为凹槽结构9033。或者，端部片9032改为采用凹槽结构9033的形式，而中层片9031则改为凸起结构8033的形式。

作为优选方案，按照设计的气流流动方向（比如竖直方向的由下至上）凹槽结构9033的体积逐渐减小，并且凹槽结构9033也被构造成半球结构。

凹槽结构9033相对凸起结构8033更容易加工，而且不容易对气流造成阻碍，一般思维产生热场均是在空间存在热源物质，而凹槽结构9033的方案相当于利用气流停留时间的差异化从而实现了热场差异化的目的。

作为进一步的优选方案，重点参照图16所示，为了使热场差异更明显，可以在凹槽结构9033中填充不同温度的相变材料9031b，并采用导热胶9031c将它们封装，这样在相变材料处的热场会急剧变化，从而实现更明显的对流效果，从而大大改善散热效果。

即凹槽结构9033中填充有相变材料9031b和导热胶9031c，导热胶9031c将相变材料9031b封闭在凹槽结构9033内部，并且导热胶9031c的表面为与桥片的表面在一个平面内，从而避免了之前凹槽结构9033或凸起结构8033的会对气流流动造成阻碍的缺陷。

同时相对凹槽结构9033方案，其不但在热动力效果更明显，并且由于相变材料9031b的特性，热场差异也相对可控。作为优选方案，不同凹槽结构9033中的相变材料9031b的相变温度差值取值范围为1至5度，优选为1.5度，相变材料9031b的相变温度的取值范围40至60度。不同凹槽之间相距的距离取值范围为5cm至10cm。

在相变材料9031b发生相变之前，由于不同相变材料9031b具有不同的比热容，所以其也能实现热场效果，在达到相变温度时，因为相变吸热，优先使热量被相变材料9031b吸收，能帮助散热器吸收一部分热量，然后相变材料9031b区域会产生与周边的气流差异，相变材料9031b可以在排列方向上构成相变温度逐渐变化，这样相变材料9031b形成差异的热场也会逐渐变化从而促进气流按照设计方向流动。

以上描述仅为本公开的一些较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (1)

1.一种应用于光伏逆变器中的石墨烯散热器，包括：

散热器本体，至少由一种金属材料制成且具有第一导热率；

石墨烯涂层，涂覆于所述散热器本体且具有第二导热率；

其中，所述第一导热率小于或等于所述第二导热率；

其特征在于：

散热器本体包括：

基板，用于连接或构成光伏逆变器的壳体的一部分；

若干翅片，以垂直所述基板的板面的方式设置于所述基板的外侧；

若干桥片，设置于两个所述翅片之间以使两个所述翅片通过所述桥片进行热传导；

其中，所述桥片处的石墨烯涂层厚度大于或等于所述翅片处的石墨烯涂层厚度；

所述桥片垂直于所述翅片；

所述桥片包括：

中层片，设置于所述翅片的中段位置；

端部片，设置于所述翅片的端部位置；

所述中层片设置在所述基板和所述端部片之间以在两个相邻的翅片之间形成近层风道和远层风道；

所述中层片朝向所述端部片的一侧设有若干个沿远层风道延伸方向排布的石墨烯贴片；

所述端部片朝向所述中层片的一侧设有若干个沿所述远层风道延伸方向排布的石墨烯贴片；

调整相应位置所述石墨烯贴片组分组成使它们导热率不同以使不同空间处产生不同的热场并使气流按照设计方向流动。

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