CN2673048Y - 一种大功率电力电子器件蒸发冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种大功率电力电子器件的蒸发冷却装置。它由蒸发冷却箱[8]和冷凝器[9]组成。大功率电力电子器件即功率模块[4]安装在蒸发冷却箱[8]的外侧板表面，功率模块[4]工作时产生的热量传至与模块接触的蒸发冷却箱[8]，箱内冷却液[5]吸热，在沸点蒸发产生相变，由液态转化为气态，气态冷却液上升至冷凝器[9]，与装于箱体顶部的冷凝管[3]进行热交换，气态冷却液把热量传给冷却水后，自身冷凝变为液态，由于自身重力的作用向下流动，重新回到蒸发冷却箱[8]。本实用新型采用自循环方式，不需要泵，体积小，冷却液具有绝缘性，运行安全可靠，冷却液蒸发冷却温度均匀，冷却效率高，适于高热密度的大功率器件的冷却。

Description

一种大功率电力电子器件蒸发冷却装置

技术领域

本实用新型涉及电力电子器件冷却的一种冷却装置，尤其是涉及大功率电力电子器件的蒸发冷却装置。

背景技术

大功率电力电子装置作为电量处理设备，其核心的电力电子器件自身的功耗大约占到处理功率的1％以上，功率密度很高。而器件的表面积小，不能有效地散热，易产生很高的温升。所有的半导体器件都是热敏器件，参数随结温度而变化，温升过高会造成损坏，因此保证电力电子器件的可靠冷却，使它们在规定的温度以下运行是电量处理设备稳定可靠的必要条件。

目前功率器件的冷却方式主要有：空气冷却、油水冷却、热管冷却技术。空气冷却方式简易可行，但冷却效果差、噪音大，只适用于小功率器件。变压器油尽管绝缘性能好，但导热性差(约为水的十分之一)，因此并不是理想的冷却液。水的导热性好，但绝缘性差，因此只应用于低电压场合，如具有离子交换树脂的电解设备上，结构复杂，一旦发生泄漏容易造成短路。热管冷却效果比较好，但制造工艺要求较高，需要真空密闭，且只适用于单个器件冷却。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本实用新型提供了一种非浸泡方式的蒸发冷却装置。它由用于安装器件的蒸发冷却箱和冷凝器组成，冷凝器置于蒸发冷却箱之上方，蒸发冷却箱与器件散发热量的底座接触面为平面，蒸发冷却箱内充冷却液，冷凝器中有冷凝管，及进水口和出水口便于连接用户水管，冷凝管内通水冷却。冷却液采用沸点适中(在一个大气压下沸点温度50℃以下)符合环保要求的冷却介质。冷却液的液面高于功率模块4散发热量底座的中线。

大功率电力电子器件即功率模块用于散发热量的底座安装在蒸发冷却箱的外侧板表面，功率模块工作时产生的热量通过模块底座传至与模块接触的蒸发冷却箱，箱内的冷却液吸热在沸点蒸发产生相变，由液态转化为气态，气态冷却液上升至冷凝器，与装于冷凝器箱顶部的冷凝管进行热交换，气态冷却液把热量传给冷却水后，自身冷凝变为液态，由于自身重力的作用向下流动，重新回到蒸发冷却箱。如此的蒸发冷却方式由于相变吸热量大，所以能对大功率电力电子器件进行高效的冷却。

根据传热学的基本原理，为器件设计热阻尽可能低的热流通路，使器件的热量能通过它尽快的发散出去。

设导热两表面分别维持均匀恒定的温度，平壁的导热为一维稳态导热。壁厚为δ，导热率为λ，无内热源，两面温度分别为t_w1、t_w2，且t_w1＞t_w2。

平壁的导热微分方程为：

d²t/dx²＝0    边界条件为x＝0，t＝t_w1

                           x＝δ，t＝t_w2

通解：t＝C₁x+C₂

代入边界条件得：C₂＝t_w1

                C₁＝(t_w1-t_w2)/δ

则有：dt/dx＝-(t_w1-t_w2)/δ

         q＝-λdt/dx＝λ(t_w1-t_w2)/δ

通过整个平面的热流量：

         φ＝Aq＝Aλ(t_w1-t_w2)/δ    A：散热面积

因为功率器件的故障率随结温的升高按指数函数增加，因此器件运行时保证其内部的结温始终保持在允许的结温之内。根据公式，应尽量提高导热率λ。减小器件与冷却介质之间的热阻。

本实用新型冷却效率高，为风冷的100倍，油冷的10倍，可为装置小型化创造条件。同时由于冷却介质本身具有绝缘性，因此提高了器件的可靠性。

冷却液依靠自身重力来进行自循环，故不需要泵类装置。蒸发时冷却介质温度均匀，相变吸热温度几乎不变，使各个功率器件可以安装在相同温度的散热平台，因此结构相对简单，安装方便。

本实用新型冷却效率高，采用自循环方式，不需要泵，结构相对简单，器件安装和检修方便，安全可靠。

附图说明

图1为本实用新型实施例之一：蒸发冷却箱与冷凝器一体式的剖面图；

图2是本实用新型实施例之二：蒸发冷却箱与冷凝器分体式的剖面图；

图中：1进水口，2出水口，3冷凝管，4功率模块，5冷却液，6回液管，7连接管，8蒸发冷却箱，9冷凝器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例功率模块额定电流800A，电压1600V。最大结温150℃，管结到环境的热阻0.07℃/W.冷凝水管采用紫铜管，管总长6.5米，外径10mm，内径8mm，冷凝水管螺旋盘起放在尺寸长340mm宽300mm，高300mm的箱盖内。蒸发冷却箱体尺寸长340mm宽300mm，高340mm，冷却液液面高于模块用于发散热量的底座高度二分之一，介质采用氟里昂F113。

功率模块4安装在蒸发冷却箱8的外侧板表面，用螺丝钉固定。为提高导热率，蒸发冷却箱与模块接触的外侧壁面采用了纯铜板，外表面加工光滑平整，铜板上用螺丝固定模块。在功率模块4与接触壁之间涂抹导热硅脂以减小热阻，蒸发冷却箱8内为冷却液5，冷凝器包括进水口1，出水口2，冷凝管3。

如图1所示，本实用新型的一个实施例为蒸发冷却箱与冷凝器一体式，蒸发冷却箱8与冷凝器体连为一整体，在其顶部装有冷凝管3。功率模块4安装在蒸发冷却箱体8的外侧板表面，功率模块4的热量通过蒸发冷却箱8的外侧板传至箱内的冷却液5，使其产生相变吸热，由液态转化为气态蒸发，把功率模块4的热量带走，冷却液5的蒸气上升至箱顶，与顶部的冷凝管3进行热交换，水将热量带走，冷凝下来的冷却液5变成液态回落到箱体下部。

实验表明：工作电流为250A，压力为零压力时，功率模块平均壁温可控制在55℃内；工作电流为250A，压力为负压力时，功率模块平均壁温可控制在47.℃内；工作电流为500A，压力为零压力，电压5.2v，功率为2600w时，功率模块平均壁温可控制在65℃内；工作电流为500A，压力为负压力，电压5.2v，功率为2600w时，功率模块平均壁温可控制在59℃内。压力为零压力时，工作电流为250A，铜板外接触壁温为54℃，加到500A时，铜板外接触壁温为57℃。

采用非浸泡式蒸发冷却方式冷却大功率器件可以达到理想的冷却效果。而且一个箱体可以冷却多个功率器件，结构简单冷却效率高。

如图2所示，本实用新型的另一个实施例是蒸发冷却箱与冷凝器分体式，蒸发冷却箱8与冷凝器9分体，冷凝器9置于蒸发冷却箱8之上方，两者通过连接管7连通。功率模块4安装在蒸发冷却箱8的外侧板表面，功率模块4的热量通过蒸发冷却箱的外侧板传至箱内冷却液5，冷却液5吸热，产生相变，蒸发由液态转化为气态，气态的冷却液通过连接管7进入冷凝器9中，与冷凝管3进行热交换，冷凝下来的冷却液5通过回液管6流回到蒸发冷却箱8中。这种方式的冷凝器放置比较灵活，一旦冷凝水管3漏水，只需要打开冷凝器9即可，无需打开蒸发冷却箱8。

这两种结构的优点是功率模块4通过螺钉和导热胶固定在蒸发冷却箱外侧表面上，安装和检修方便，更换器件时不需要打开蒸发冷却箱。由于冷却液的沸点低于50摄氏度，从而使得模块的最高温度控制在模块结温允许的范围。

Claims (3)

1、一种大功率电力电子器件的蒸发冷却装置，包括蒸发冷却箱[8]和冷凝器[9]，其特征在于冷凝器[9]置于蒸发冷却箱[8]之上方，冷凝器[9]中有冷凝管[3]、进水口[1]和出水口[2]；蒸发冷却箱[8]与冷凝器[9]连为一整体或与冷凝器[9]分体，两者通过连接管[7]连通；蒸发冷却箱[8]中与器件接触的壁面为平面，内充有冷却液[5]，功率模块[4]固定在蒸发冷却箱[8]的外侧板表面。

2、按照权利要求1所说的大功率电力电子器件的蒸发冷却装置，其特征在于蒸发冷却箱[8]的侧板为导热金属板，外表面光滑平整，在功率模块[4与接触壁之间涂抹导热硅脂。

3、按照权利要求1或2所说的大功率电力电子器件的蒸发冷却装置，其特征在于蒸发冷却箱[8]内的冷却液[5]的液面高于功率模块[4]底座之中线。

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