CN203038911U - 基于液态金属的散热装置 - Google Patents

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本实用新型提供一种基于液态金属的散热装置,其包括:液态金属管路,是装有液态金属的循环封闭管路,其与热源导热连接;驱动泵,用来驱动所述液态金属管路中的液态金属循环流动;热管阵列,其吸热端与所述液态金属管路导热连接;散热器,与所述热管阵列的放热段导热连接。本实用新型特别适合于具有体积小、热流密度大特点的大功率IGBT的散热。使用的时候,液态金属管道紧贴IGBT模块,将IGBT模块的高密度热量吸收并输运至与液态金属管道紧邻的热管阵列,热管阵列再进一步将热量输运至翅片散热器进行散热。本实用新型具有高效的热输运能力和优异的低成本特征,在大功率高/低压变频器领域具有重要的应用价值。

Description

基于液态金属的散热装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种散热装置,特别涉及一种综合利用液态金属和热管的优势,对大功率IGBT进行散热的装置,该装置采用液态金属将IGBT处的高热量导出,并在远端利用热管和翅片散热器进行散热,可应用于能源电力领域,可对大功率高/低压变频器高效地散热。
背景技术
[0002] 在能源电力领域,大功率高/低压变频器往往要求有极高的可靠性,而影响电力设备失效的主要形式是热失效,因此高/低压变频器的热设计直接关系到设备的可靠性与稳定性。高/低压变频器内多颗高功率IGBT密集排列所产生的“局部热点”是大功率变频器散热最为棘手的难题。单个高功率IGBT即可产生较大的发热量及较高的热流密度,而多颗高功率IGBT密集排列导致严重的“热量堆叠”效应,不仅造成电子组件温度过高而失效,同时使远离热源的翅片散热器效率低下,甚至失去意义。
[0003]目前,大功率IGBT的散热主要有两种方法,一种是常规的铝/铜散热器,铝、铜的热导率有限,远离“局部热点”的散热翅片温度接近环境温度,换热效率低下,增加散热面积并不能有效提升散热能力。另一种是在铝/铜基板中嵌入热管,利用热管将IGBT处的热量传递至远端,这是目前最为常用的方法,然而,热管是一种被动传热部件,其传递热量的能力比较有限,在大功率IGBT组件较集中的情况下,需布置非常密集的热管阵列,成本较高且难以满足传热需求。此外,热管的布置方式也会对热传递产生影响,受限空间内多段弯折后热管的传热性能大幅度下降。
[0004] IGBT模块的体积小、热流密度大,热量导出后体积大热流密度小,但整体热流一直大。因此需要在IGBT模块处设置高效的散热方法,同时在热量导出后的大空间内设置低成本的散热方法。
发明内容
[0005] 为此,本实用新型提出一种基于液态金属的散热装置,其利用液态金属将IGBT的高密度热量导出,然后在远端结合低成本热管进行散热。
[0006] 为实现上述目的,本实用新型采用的技术方案是:
[0007] —种基于液态金属的散热装置,其特征在于,包括:
[0008] 液态金属管路,是装有液态金属的循环封闭管路,其与热源导热连接;
[0009] 驱动泵,用来驱动所述液态金属管路中的液态金属循环流动;
[0010] 热管阵列,其吸热端与所述液态金属管路导热连接;
[0011 ] 散热器,与所述热管阵列的放热段导热连接。
[0012] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述散热器具有前侧面与后侧面,所述后侧面上安装有散热翅片;所述热源、液态金属管路、驱动泵以及热管阵列均固定在所述散热器的前侧面。[0013] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述液态金属管路是铜管,采用紧配合的方式嵌入所述散热器的前侧面。
[0014] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述的液态金属管路与所述热源直接导热连接。
[0015] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述热管阵列嵌入所述散热器的前侧面上,且所述热管阵列的吸热端均邻近于所述液态金属管路。
[0016] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述液态金属管路是柔性塑料管路,所述热源固定在所述的液态金属管路上;所述热管阵列的吸热端与所述液态金属管路导热连接,所述散热器与所述热管阵列的放热段焊接连接。
[0017] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,还包括连接金属板,用于将所述液态金属管路与热管阵列的吸热端固定在一起。
[0018] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,还包括向所述散热器吹风的风扇。
[0019] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述驱动泵为电磁泵、机械泵、电润湿泵或压电泵。
[0020] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述液态金属为熔点在200° C以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、萊基合金或钠钾合金。
[0021] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金。
[0022] 所述的基于液态金属的散热装置,其中,所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
[0023] 本实用新型特别适合于具有体积小、热流密度大特点的大功率IGBT的散热。使用的时候,液态金属管道紧贴IGBT模块,将IGBT模块的高密度热量吸收并输运至与液态金属管道紧邻的热管阵列,热管阵列再进一步将热量输运至翅片散热器进行散热。本实用新型具有高效的热输运能力和优异的低成本特征,在大功率高/低压变频器领域具有重要的应用价值。
[0024] 本实用新型的优点如下:(1)液态金属具有远优于传统铜铝等金属导热及热管的传热能力,针对高密度热流的换热能力和热输运能力极强;(2)成本低廉。本方案中,在IGBT高密度热流处采用液态金属将热量高效导出(体积小,热流集中,液态金属性能优异,同时液态金属充注量较小),导出的热量再采用热管阵列进一步传导到翅片散热器进行散热(在保证性能的同时成本最低),既保证了高密度热源处极为优异的散热能力,又在低热流密度的翅片散热器处省略了液态金属的用量(翅片散热器处热流大,但热流密度小,若采用液态金属不仅对性能的影响不大,同时将产生大量的液态金属充注量,成本迅速提高),有效的降低了成本。
附图说明
[0025]图1为本实用新型的实施例1中液态金属管道为固定式管道的散热装置结构示意图;
[0026]图2为本实用新型的实施例2中液态金属管道为柔性管道的散热装置结构示意 图。
具体实施方式
[0027] 下面结合附图及具体实施例进一步描述本实用新型。
[0028] 实施例1
[0029] 实施例1展示了本实用新型的基于液态金属的大功率IGBT散热装置的典型结构。图1为液态金属管道为固定式管道的散热装置结构示意图。
[0030] 如图1所示,本实施例中散热装置由翅片散热器1、IGBT热源2、液态金属管路3、驱动泵4以及热管阵列5组成;其中:
[0031] 所述翅片散热器I为铝制,具有前侧面与后侧面,所述后侧面上安装有散热翅片;
[0032] 所述IGBT热源2,发热功率可为1000W,固定在所述翅片散热器I的所述前侧面上,并与所述前侧面导热连接;
[0033] 所述液态金属管路3是装有液态金属(如镓铟锡合金)的循环封闭铜管,采用紧配合的方式嵌入翅片散热器I的前侧面,本实施例中,所述的液态金属管路3与所述IGBT热源2直接导热连接;
[0034] 所述驱动泵4,优选为电磁泵,其设置于所述液态金属管路3上,用于驱动所述液态金属在所述液态金属管路3中循环流动,将所述IGBT热源2发出的热量分散到所述液态金属管路3的全周长上;优选情况下,所述驱动泵4也固定在所述翅片散热器I的所述前侧面上;
[0035] 所述热管阵列5,为烧结式或沟槽式铜质热管,其嵌入所述翅片散热器I的前侧面,且所述热管阵列的吸热端均邻近于所述液态金属管路3,用于将所述液态金属管路3上的热量吸收并通过放热段传导出去。
[0036] 其中,所述翅片散热器I的尺寸为IOOcmX IOOcmX IOcm ;所述IGBT热源2的尺寸为IOcmX IOcmX Icm ;所述液态金属管路3为矩形,管路横截面直径为IOmm,液态金属流量为30ml/s ;所述热管阵列5垂直于矩形的液态金属管路3的长边且与所述长边相距1cm,热管数量为10,相互间隔为82mm,所述热管的直径为8mm,长度为700mm。
[0037] 使用的时候,所述IGBT热源2会产生大量的热量,使所述IGBT热源2及其周边区域热流密度急剧升高,液态金属由驱动泵4驱动循环流动,流经IGBT模块2时吸热,并随着液态金属的流动将IGBT模块2的集中热量展开至整个液态金属管路3 ;热管阵列5从紧邻的液态金属管路3中吸热并将热量进一步传递至翅片散热器I的广阔散热面进行散热,而液态金属通过与热管阵列5换热而得到冷却。
[0038] 本实用新型综合应用液态金属和热管,能够使IGBT热源的高密度热流向翅片散热器进行扩散,散热非常容易,系统的散热性能得以有效保障。
[0039] 本实施例中,所述IGBT热源2、液态金属管路3、驱动泵4以及热管阵列5均固定在所述翅片散热器I上,使得整个散热系统集成为一个整体,部件间不能发生相对运动,有利于散热装置的整体热插拔及维护维修。
[0040] 实施例2
[0041] 实施例2展示了本实用新型的基于液态金属的大功率IGBT散热装置的典型结构。图2为液态金属管道为柔性管道的散热装置结构示意图。[0042] 如图2所示,本实施例中的散热装置由翅片散热器1、IGBT热源2、液态金属管路3,驱动泵4,热管阵列5,风扇6以及连接金属板7组成;其中:
[0043] 所述IGBT热源2,例如功率可为1000W,其固定在所述的液态金属管路3上,从而与所述液态金属管路3导热连接;
[0044] 所述液态金属管路3是装有液态金属(如镓铟铋合金)的循环封闭柔性塑料管路;
[0045] 所述驱动泵4,优选为电磁泵,其安装所述的液态金属管路3上,驱动所述液态金属在所述液态金属管路3中循环流动;
[0046] 所述热管阵列5,为烧结式或沟槽式铜质热管,其吸热端与所述液态金属管路3直接导热连接,将热量传导出来;
[0047] 所述连接金属板7,优选为铜板,用于将所述液态金属管路3与热管阵列5的吸热端固定在一起,并使所述液态金属管路3与热管阵列5的吸热端之间直接导热连接。
[0048] 所述翅片散热器1,与所述热管阵列5的放热段焊接连接,从而将所述热管阵列5所吸收的热量发散出去;
[0049] 所述风扇6,是轴流式、离心式或混流式风扇,向所述翅片散热器I吹风,采用强制对流方式提升翅片散热器I的散热能力。
[0050] 其中,所述IGBT热源2的尺寸为IOcmX IOcmX Icm ;液态金属管路的直径为IOmm,长度为l(T500cm,管路内液态金属流量为30ml/s ;热管阵列5的数量为10,直径8mm,热管间距10mm,长度700mm ;所述翅片散热器I的尺寸为25cmX25cmX0.05cm,数量为35,翅片的间隔0.5cm。
[0051] 工作的时候,液态金属由驱动泵4驱动流经IGBT热源2吸热,然后流经所述连接金属板7处散热,散发的热量被热管阵列5所吸收,进一步传递至翅片散热器I中散热。
[0052] 由于所述液态金属管路3采用柔性塑料管道,整个散热系统空间布置可以非常灵活。
[0053] 上述实施例中,所述驱动泵可为电磁泵、机械泵、电润湿泵或压电泵;所述液态金属可为熔点在200° C以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多兀合金、铟基合金、秘基合金、萊基合金或钠钾合金;其中,所述镓基二兀合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金;所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
[0054] 以上说明对本实用新型而言只是说明性的,而非限制性的,本领域普通技术人员理解,在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下,可作出许多修改、变化或等效,但都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于液态金属的散热装置,其特征在于,包括: 液态金属管路,是装有液态金属的循环封闭管路,其与热源导热连接; 驱动泵,用来驱动所述液态金属管路中的液态金属循环流动; 热管阵列,其吸热端与所述液态金属管路导热连接; 散热器,与所述热管阵列的放热段导热连接。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述散热器具有前侧面与后侧面,所述后侧面上安装有散热翅片;所述热源、液态金属管路、驱动泵以及热管阵列均固定在所述散热器的前侧面。
3.根据权利要求2所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述液态金属管路是铜管,采用紧配合的方式嵌入所述散热器的前侧面。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述的液态金属管路与所述热源直接导热连接。
5.根据权利要求2所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述热管阵列嵌入所述散热器的前侧面上,且所述热管阵列的吸热端均邻近于所述液态金属管路。
6.根据权利要求1所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述液态金属管路是柔性塑料管路,所述热源固定在所述的液态金属管路上;所述热管阵列的吸热端与所述液态金属管路导热连接,所述散热器与所述热管阵列的放热段焊接连接。
7.根据权利要求6所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,还包括连接金属板,用于将所述液态金属管路与热管阵列的吸热端固定在一起。
8.根据权利要求6所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,还包括向所述散热器吹风的风扇。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述驱动泵为电磁泵、机械泵、电润湿泵或压电泵。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述液态金属为熔点在200° C以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多兀合金、铟基合金、秘基合金、萊基合金或钠钾合金。
11.根据权利要求10所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓萊合金。
12.根据权利要求10所述的基于液态金属的散热装置,其特征在于,所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。
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