CN220123320U - 液冷散热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种液冷散热器，包括：主体结构，主体结构具有换热面，换热面用于与功率单元换热，主体结构内沿换热面分布有多个并联设置的主流道；其中，每个主流道内均具有加强散热段，加强散热段内具有多个并联的小流道，加强散热段与功率单元所在位置对应。在本方案中，主流道中在与功率单元的安装位置对应的加强散热段内设置有多个并联的小流道，这样一方面多个小流道的侧壁增大了与冷却流体的接触面积，从而加快了对功率单元产生的热量的散热，另一方面，小流道内的流体速度加快，也增加了流体的扰流效果，从而能够将热集中区域的热快速带出，提升了整个液冷散热器的换热效率。

Description

液冷散热器

技术领域

本实用新型涉及电力电子设备散热技术领域，具体而言，涉及一种液冷散热器。

背景技术

电力电子行业随着功率密度的高集成化，设备内部依靠现有的风冷散热已经不能满足要求，这就更多地引入了液体冷却技术在电力电子行业的应用，因此液冷散热器作为核心散热部件被广泛采用。

例如，电力电子行业典型的水冷技术应用于风能变流器，随着近年海上风电行业的大力发展，对变流器功率密度要求更高，因此对变流器核心的功率单元设计就尤其重要；随着三电平风能变流器的应用越来越多，同时功率密度要求越来越高，开发高效率的液冷散热器就尤其重要。

现有的液冷散热器在当下大功率和高功率密度下很难满足使用要求，主要体现在以下方面：(1)现有液冷散热器通过大流道和大流量来实现热量交换，在高散热效率(单位流量下需要带走更多的流量)要求下，现有的液冷散热器就很难满足；(2)现有的液冷散热器水道设计简单，通常没有扰流设计，热交换效率低。因此，现有的液冷散热器存在散热效率低的问题，需要进行改进。

实用新型内容

本实用新型提供了一种液冷散热器，以解决现有技术中的液冷散热器散热效率低的问题。

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种液冷散热器，包括：主体结构，主体结构具有换热面，换热面用于与功率单元换热，主体结构内沿换热面分布有多个并联设置的主流道；其中，每个主流道内均具有加强散热段，加强散热段内具有多个并联的小流道，加强散热段与功率单元所在位置对应。

进一步地，主流道包括多个依次连通的换向段，相互连通的两个换向段的延伸方向不同，相互连通的两个换向段的换向过渡位置具有倒角或圆角；其中，至少一个换向段形成加强散热段。

进一步地，每个主流道均具有多个间隔设置的加强散热段，每个加强散热段分别对应至少一个功率单元。

进一步地，换热面划分为多排换热区，每排换热区内分布有多个功率单元，每个主流道均分布于多排换热区，且每个主流道在每排换热区内均具有至少一个加强散热段。

进一步地，每排换热区的长度方向均为第一方向，每个加强散热段的长度方向均为第二方向，第二方向垂直于第一方向，每排换热区内的多个加强散热段均并排设置。

进一步地，主体结构内还具有至少一个旁路流道，旁路流道的两端分别和两个主流道连通。

进一步地，主体结构具有两个相对设置的换热面，主流道位于两个换热面之间，每个换热面上均可布置功率单元。

进一步地，主体结构具有用于输送冷却流体的进液口和出液口，每个主流道的一端均和进液口连通，每个主流道的另一端均和出液口连通。

进一步地，主体结构包括基板和盖板，基板上的开槽形成多个主流道，盖板和基板连接以密封开槽的槽口；其中，盖板背离基板的一侧形成换热面，和/或，基板背离盖板的一侧形成换热面。

进一步地，基板和盖板的材料为铝合金或铜合金或不锈钢，基板和盖板通过焊接实现密封连接。

进一步地，加强散热段内具有多个并排设置的导热筋，相邻两个导热筋之间形成一个小流道，和/或，导热筋和加强散热段的内壁之间形成一个小流道。

进一步地，主体结构包括基板和盖板，基板上的开槽形成主流道，盖板和基板连接以密封开槽的槽口；其中，导热筋与基板为一体结构且导热筋和盖板密封配合，或导热筋与盖板为一体结构且导热筋和基板密封配合。

进一步地，主体结构通过紧固件和功率单元连接，换热面和功率单元的表面直接接触；或，换热面通过导热胶和功率单元的表面粘接。

应用本实用新型的技术方案，提供了一种液冷散热器，包括：主体结构，主体结构具有换热面，换热面用于与功率单元换热，主体结构内沿换热面分布有多个并联设置的主流道；其中，每个主流道内均具有加强散热段，加强散热段内具有多个并联的小流道，加强散热段与功率单元所在位置对应。在本方案中，每个主流道内均输入冷却流体，这样可保证足够的流体流量，并且主流道中在与功率单元的安装位置对应的加强散热段内，设置有多个并联的小流道，这样一方面多个小流道的侧壁增大了与冷却流体的接触面积，从而加快了对功率单元产生的热量的散热，另一方面，多个小流道的总流通面积小于主流道其他无小流道位置的流通面积，这样小流道内的流体速度加快，也增加了流体的扰流效果，从而能够将热集中区域的热快速带出，提升了整个液冷散热器的换热效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型的实施例提供的液冷散热器的结构示意图(不含盖板)；

图2示出了图1中的液冷散热器与功率单元配合的示意图；

图3示出了本实用新型的实施例提供的液冷散热器在一侧与功率单元配合的示意图；

图4示出了本实用新型的实施例提供的液冷散热器在两侧与功率单元配合的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、主体结构；11、换热面；111、换热区；12、进液口；13、出液口；14、基板；15、盖板；20、主流道；21、换向段；30、小流道；50、旁路流道；60、导热筋。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，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，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，本实用新型的实施例提供了一种液冷散热器，包括：主体结构10，主体结构10具有换热面11，换热面11用于与功率单元换热，主体结构10内沿换热面11分布有多个并联设置的主流道20；其中，每个主流道20内均具有加强散热段，加强散热段内具有多个并联的小流道30，加强散热段与功率单元所在位置对应。

在本方案中，每个主流道20内均输入冷却流体，这样可保证足够的流体流量，并且主流道20中在与换热面11上功率单元的安装位置对应的加强散热段内，设置有多个并联的小流道30，这样一方面多个小流道30的侧壁增大了与冷却流体的接触面积，从而加快了对功率单元产生的热量的散热，另一方面，多个小流道30的总流通面积小于主流道20其他无小流道30位置的流通面积，这样小流道30内的流体速度加快，也增加了流体的扰流效果，从而能够将热集中区域的热快速带出，提升了整个液冷散热器的换热效率。其中，功率单元可以是三电平IGBT等模块。

其中，小流道30的分流原理如下：

(1)依据液体流态分布，从工程角度上流态越稳定即越处于层流状态则对流体定流量分配越容易，划分流态的主要参数依据即雷诺数Re，雷诺数可由下式求得：

式中，Q——管内流量；d——管径(当量直径)；γ——流体的运动黏度；

其中，当流量、液体种类确定情况下，管径越大雷诺数越小，即流态越接近层流。

(2)依据等压力布局中，截面大小与流量成正比关系来确定并联主流道20的设计，通过多个热集中区域采用多个小流道30并联来实现流量分配，并通过并联小流道30数量和大小设计使得流体流态更加均衡。

如图1所示，主流道20包括多个依次连通的换向段21，相互连通的两个换向段21的延伸方向不同，相互连通的两个换向段21的换向过渡位置具有倒角或圆角；其中，至少一个换向段21形成加强散热段。通过设置多个换向段21，使得主流道20沿换热面11蜿蜒分布，也即在换热面11有限的区域内使得主流道20设置的较为密集，从而提高换热面11的散热效果，这样可以在换热面11上设置较多的功率单元，实现在保证换热效果的同时使得装置布置紧凑。而且，相互连通的两个换向段21的换向过渡位置具有倒角或圆角，与采用直角过渡相比，可以减小过渡位置对流体的阻力，保证冷却流体顺畅流动。

在本方案中，每个主流道20均具有多个间隔设置的加强散热段，每个加强散热段分别对应至少一个功率单元。通过设置多个加强散热段，每个加强散热段内分布有多个小流道30，这样每个主流道20具有多个散热能力强的位置，每个散热能力强的位置，也即每个加强散热段的位置均可对应布置功率单元，从而对多个功率单元均有良好的散热效果。如图1和图2所示，液冷散热器中包括两个并联的主流道20，每个主流道20在延伸方向上均间隔设置有多个加强散热段。

具体地，换热面11划分为多排换热区111，每排换热区111内分布有多个功率单元，每个主流道20均分布于多排换热区111，且每个主流道20在每排换热区111内均具有至少一个加强散热段。此种设置方式可在液冷散热器的换热面11上布置较多的功率单元，实现对多个功率单元的良好散热，并且此种布置方式可使装置整体结构紧凑，减小占用空间。每个功率单元均具有加强散热段与其对应，以保证对每个功率单元的散热效果。

如图1和图3所示，每排换热区111的长度方向均为第一方向，每个加强散热段的长度方向均为第二方向，第二方向垂直于第一方向，每排换热区111内的多个加强散热段均并排设置。这样可实现多个加强散热段分布的比较紧凑，从而实现换热面11上的多个功率单元分布的比较紧凑。具体地，功率单元的长度方向也为第二方向，以使得加强散热段在功率单元的整个长度方向上对功率单元均具有良好的散热效果。

在本方案中，主体结构10内还具有至少一个旁路流道50，旁路流道50的两端分别和两个主流道20连通。通过旁路流道50，实现了不同主流道20的连通，这样可降低整个液冷散热器的热分布梯度，使得液冷散热器内不同位置温度差异小，这样功率单元不同位置的温度差异也小，有利于提高不同位置散热效果的一致性。旁路流道50的具体设置位置以及数量，可根据实际需要进行调整。

在一个具体实施例中，主体结构10内设置旁路流道50和不设置旁路流道50相比，通过仿真验证很好降低了液冷散热器的热分布梯度，相同功率的IGBT芯片壳温温度梯度在2度以内，该液冷散热器很好地保证了各个IGBT工作时的温度均匀性，提升IGBT寿命。

如图4所示，主体结构10具有两个相对设置的换热面11，主流道20位于两个换热面11之间，每个换热面11上均可布置功率单元。这样可在主体结构10的两侧均设置功率单元，以在两侧对更多的功率单元进行冷却。此种方式可提高对液冷散热器的利用率，并且提高装置的结构紧凑性。

如图1所示，主体结构10具有用于输送冷却流体的进液口12和出液口13，每个主流道20的一端均和进液口12连通，每个主流道20的另一端均和出液口13连通。通过进液口12持续输入冷却流体，通过出液口13持续输出冷却流体，实现了冷却流体在不同主流道20以及小流道30的流动，从而带走功率单元产生的热量。其中，冷却流体可采用水等介质。

具体地，主体结构10包括基板14和盖板15，基板14上的开槽形成多个主流道20，盖板15和基板14连接以密封开槽的槽口；其中，盖板15背离基板14的一侧形成换热面11，和/或，基板14背离盖板15的一侧形成换热面11。这样主体结构10为分体结构，先在基板14上加工开槽，通过开槽形成主流道20，再通过盖板15密封开槽的槽口，此种方式可降低加工难度，并且使得主流道20便于换向并且分布均匀。具体地，开槽通过铣削进行加工。

其中，基板14和盖板15的材料为铝合金或铜合金或不锈钢，材料的选择要考虑导热性、成本以及重量。基板14和盖板15通过焊接实现密封连接，这样连接可靠，密封性好。

如图1和图2所示，加强散热段内具有多个并排设置的导热筋60，相邻两个导热筋60之间形成一个小流道30，和/或，导热筋60和加强散热段的内壁之间形成一个小流道30。通过多个导热筋60，在加强散热段内形成了多个间隔的小流道30。并且，多个导热筋60均与小流道30内的冷却流体接触，功率单元产生的热量传递至导热筋60，导热筋60再将热量传递至冷却流体，通过冷却流道带走，从而实现了对功率单元高效散热。

进一步地，主体结构10包括基板14和盖板15，基板14上的开槽形成主流道20，盖板15和基板14连接以密封开槽的槽口；其中，导热筋60与基板14为一体结构且导热筋60和盖板15密封配合，或导热筋60与盖板15为一体结构且导热筋60和基板14密封配合。将导热筋60与基板14设为一体结构，或将导热筋60与盖板15设为一体结构，可减少零件数量，降低加工和装配成本。例如，导热筋60与基板14为一体结构，小流道30通过铣削的方式加工成型，相邻两个小流道30之间的实体结构形成导热筋60。

在本方案中，主体结构10通过紧固件和功率单元连接，换热面11和功率单元的表面直接接触，通过直接接触的方式进行换热。或，换热面11通过导热胶和功率单元的表面粘接，此种方式也可对功率单元进行固定，并且具有良好的导热效果。

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

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实用新型的范围。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。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

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实用新型保护范围的限制。

Claims (13)

1.一种液冷散热器，其特征在于，包括：

主体结构(10)，所述主体结构(10)具有换热面(11)，所述换热面(11)用于与功率单元换热，所述主体结构(10)内沿所述换热面(11)分布有多个并联设置的主流道(20)；其中，每个所述主流道(20)内均具有加强散热段，所述加强散热段内具有多个并联的小流道(30)，所述加强散热段与功率单元所在位置对应。

2.根据权利要求1所述的液冷散热器，其特征在于，所述主流道(20)包括多个依次连通的换向段(21)，相互连通的两个所述换向段(21)的延伸方向不同，相互连通的两个所述换向段(21)的换向过渡位置具有倒角或圆角；其中，至少一个所述换向段(21)形成所述加强散热段。

3.根据权利要求1所述的液冷散热器，其特征在于，每个所述主流道(20)均具有多个间隔设置的加强散热段，每个所述加强散热段分别对应至少一个功率单元。

4.根据权利要求3所述的液冷散热器，其特征在于，所述换热面(11)划分为多排换热区(111)，每排所述换热区(111)内分布有多个功率单元，每个所述主流道(20)均分布于多排所述换热区(111)，且每个所述主流道(20)在每排所述换热区(111)内均具有至少一个所述加强散热段。

5.根据权利要求4所述的液冷散热器，其特征在于，每排所述换热区(111)的长度方向均为第一方向，每个所述加强散热段的长度方向均为第二方向，所述第二方向垂直于所述第一方向，每排所述换热区(111)内的多个所述加强散热段均并排设置。

6.根据权利要求1所述的液冷散热器，其特征在于，所述主体结构(10)内还具有至少一个旁路流道(50)，所述旁路流道(50)的两端分别和两个所述主流道(20)连通。

7.根据权利要求1所述的液冷散热器，其特征在于，所述主体结构(10)具有两个相对设置的换热面(11)，所述主流道(20)位于两个所述换热面(11)之间，每个所述换热面(11)上均可布置功率单元。

8.根据权利要求1所述的液冷散热器，其特征在于，所述主体结构(10)具有用于输送冷却流体的进液口(12)和出液口(13)，每个所述主流道(20)的一端均和所述进液口(12)连通，每个所述主流道(20)的另一端均和所述出液口(13)连通。

9.根据权利要求1所述的液冷散热器，其特征在于，所述主体结构(10)包括基板(14)和盖板(15)，所述基板(14)上的开槽形成多个所述主流道(20)，所述盖板(15)和所述基板(14)连接以密封所述开槽的槽口；其中，所述盖板(15)背离所述基板(14)的一侧形成所述换热面(11)，和/或，所述基板(14)背离所述盖板(15)的一侧形成所述换热面(11)。

10.根据权利要求9所述的液冷散热器，其特征在于，所述基板(14)和所述盖板(15)的材料为铝合金或铜合金或不锈钢，所述基板(14)和所述盖板(15)通过焊接实现密封连接。

11.根据权利要求1所述的液冷散热器，其特征在于，所述加强散热段内具有多个并排设置的导热筋(60)，相邻两个所述导热筋(60)之间形成一个所述小流道(30)，和/或，所述导热筋(60)和所述加强散热段的内壁之间形成一个所述小流道(30)。

12.根据权利要求11所述的液冷散热器，其特征在于，所述主体结构(10)包括基板(14)和盖板(15)，所述基板(14)上的开槽形成所述主流道(20)，所述盖板(15)和所述基板(14)连接以密封所述开槽的槽口；其中，所述导热筋(60)与所述基板(14)为一体结构且所述导热筋(60)和所述盖板(15)密封配合，或所述导热筋(60)与所述盖板(15)为一体结构且所述导热筋(60)和所述基板(14)密封配合。

13.根据权利要求1所述的液冷散热器，其特征在于，所述主体结构(10)通过紧固件和功率单元连接，所述换热面(11)和功率单元的表面直接接触；或，所述换热面(11)通过导热胶和功率单元的表面粘接。