一種功率單元的散熱結構及機櫃的製作方法
2023-06-14 01:01:36
一種功率單元的散熱結構及機櫃的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及變流器或變頻器的冷卻【技術領域】，尤其是涉及一種功率單元的散熱結構及機櫃，包括功率單元框架、以及設置在該功率單元框架上的功率單元和水冷散熱器；所述功率單元包括半導體器件和直流支撐電容；所述半導體器件設置在所述水冷散熱器上，所述直流支撐電容與所述功率單元框架之間設有功率單元循環散熱風道。本實用新型提供的功率單元的散熱結構及機櫃，在功率單元內設置功率單元循環散熱風道，有效冷卻直流支撐電容；進一步，將功率單元循環散熱風道與機櫃循環散熱風道連接配合成為一體式風道，既提高了機櫃的散熱效率，又節省了機櫃的製造成本。
【專利說明】一種功率單元的散熱結構及機櫃
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及變流器或變頻器的冷卻【技術領域】，尤其是涉及一種功率單元的散熱結構及機櫃。
【背景技術】
[0002]變流器或變頻器中的功率單元是其正常工作的核心部件，也是主要的發熱部件。功率單元的主要發熱器件為:絕緣柵雙極型電晶體(111811131:6(1 6^1:6 011)0181-1^211181001'，簡稱模塊、可控矽等半導體器件以及直流支撐電容。直流支撐電容器，又稱電容器。直流支撐電容器，屬於無源器件的一種。直流支撐電容器，現主要採用聚丙烯薄膜介質直流支撐電容器，其具有耐電壓高、耐電流大、低阻抗、低電感、容量損耗小、漏電流小、溫度性能好、充放電速度快、使用壽命長(約10萬小時)、安全防爆穩定性好、無極性安裝方便等優點。被廣泛應用於電力電子行業。
[0003]高溫不但會導致功率單元運行不穩，使用壽命縮短，甚至有可能使某些部件燒毀。單個大功率單元的1(^81模塊在工作中發熱量最大即可達到2鼎以上。1(^81中核心溫度在達到150° (新型175° )時將被燒毀，甚至爆炸。功率單元的散熱是否良好直接影響變流器或變頻器是否穩定運行。
[0004]現有功率單元的散熱主要有以下幾種方案:
[0005]風冷散熱。將1(^81、可控矽等半導體器件貼裝在風冷散熱器上，直流支撐電容自然冷卻或借用半導體器件的散熱風道散熱。風冷散熱器作為區別於水冷散熱器的一個主流產品類別，除了散熱器本身之外，離不開散熱風扇的強大作用，散熱風扇近年來有很多不同的種類，最好的如包膠風扇，靜音首選；然後如120燈風扇等等。
[0006]水冷散熱。將1(^81、可控矽等半導體器件貼裝在水冷散熱器上。直流支撐電容底部也貼裝在水冷散熱器上散熱或專門給直流支撐電容加裝獨立的風扇散熱。水冷散熱系統一般包含以下部件:水冷塊、循環液、水泵、管道、水箱、換熱器等。水冷塊是一個內部留有水道的金屬塊，由銅或鋁製成，與元器件接觸並將吸收元器件內的熱量。循環液由水泵的作用在循環的管路中流動，如果液體是水，就是我們俗稱的水冷系統。吸收了元器件熱量的液體就會從元器件上的水冷塊中流走，而新的低溫的循環液將繼續吸收元器件的熱量。水管連接水泵、水冷塊和水箱，其作用是讓循環液在一個密閉的通道中循環流動而不外漏，讓液冷散熱系統正常工作。
[0007]上述水冷的散熱技術中，存在的技術問題在於:功率單元內直流支撐電容的散熱效果不佳，需要加大水冷散熱板面積或獨立的冷卻風扇，增加成本。
實用新型內容
[0008]本實用新型的目的在於提供一種功率單元的散熱結構及機櫃，以解決現有技術中存在的機櫃內功率單元散熱效果差，並且製造成本高的技術問題。
[0009]本實用新型通過以下技術方案實現:
[0010]一種功率單元的散熱結構，包括功率單元框架、以及設置在該功率單元框架上的功率單元器件和水冷散熱器；所述功率單元器件主要包括半導體器件和直流支撐電容；所述半導體器件設置在所述水冷散熱器上，所述直流支撐電容與所述功率單元框架之間設有功率單元循環散熱風道。
[0011]其中，所述直流支撐電容與所述功率單元框架之間設有間隙；所述功率單元循環散熱風道設置在所述間隙內。該技術方案的技術效果在於，在直流支撐電容與所述功率單元框架之間間隙內設置功率單元循環散熱風道，既方便又節省成本。
[0012]進一步，所述直流支撐電容上設有電容殼體，所述電容殼體與所述功率單元框架之間形成半封閉空間，該半封閉空間形成功率單元循環散熱風道。該技術方案的技術效果在於，通過半封閉空間形成功率單元循環散熱風道，節省成本又能保證直流支撐電容的散熱效果。
[0013]本實用新型還提供一種機櫃，包括櫃體和機櫃循環散熱風道，該機櫃還包括如上所述的功率單元的散熱結構；其中，所述功率單元循環散熱風道與所述機櫃循環散熱風道連接。
[0014]進一步，所述機櫃還包括水冷裝置和水風換熱器；所述機櫃循環散熱風道通過所述水風換熱器與所述水冷裝置連接。該技術方案的技術效果在於，通過與水冷裝置的水風換熱器連接，保證了機櫃整體的水冷散熱效果的基礎上，還能實現功率單元的冷卻。
[0015]其中，所述水風換熱器包括櫃體內散熱風扇。該技術方案的技術效果在於，保證了水冷裝置的散熱效果。
[0016]其中，所述機櫃循環散熱風道上設有冷卻驅動單元，所述冷卻驅動單元設置在所述櫃體側部，與外界空氣連通。該技術方案的技術效果在於，冷卻驅動單元與外界空氣連通，保證功率單元的冷卻效果的穩定性。
[0017]優選地，所述冷卻驅動單元包括冷卻風扇。該技術方案的技術效果在於，採用冷卻風扇在保證冷卻效果的同時，安裝簡便，節約成本。
[0018]優選地，所述櫃體上在靠近所述功率單元循環散熱風道的進風口位置設有櫃體進風口。該技術方案的技術效果在於，提高了功率單元循環散熱風道的散熱效果。
[0019]進一步，所述機櫃包括多個功率單元循環散熱風道，分別與所述機櫃循環散熱風道連接。該技術方案的技術效果在於，機櫃循環散熱風道作為機櫃的公用風道，冷卻整個機櫃，提高了機櫃循環散熱風道的利用率，節約了成本。
[0020]本實用新型的有益效果:
[0021]本實用新型提供的功率單元的散熱結構及機櫃，在功率單元內設置功率單元循環散熱風道，有效冷卻直流支撐電容；而且，將功率單元循環散熱風道與機櫃循環散熱風道連接配合成為一體式風道，既提高了機櫃的散熱效率，又節省了機櫃的製造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]為了更清楚地說明本實用新型【具體實施方式】或現有技術中的技術方案，下面將對【具體實施方式】或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0023]圖1為本實用新型實施例提供的功率單元的立體分解圖；
[0024]圖2為本實用新型實施例提供的機櫃的結構示意圖；
[0025]圖3為本實用新型另一實施例提供的機櫃的結構示意圖。
[0026]附圖標記:
[0027]1-直流支撐電容；2-半導體器件；3-水冷散熱器；4-功率單元框架；41-功率單元進風口 ；如-框架側板；5-功率單元循環散熱風道；6-機櫃循環散熱風道；7-櫃體內散熱風扇；8-水風換熱器；9-元器件；10-櫃體；11-冷卻風扇；12-櫃體進風口。
【具體實施方式】
[0028]下面將結合附圖對本實用新型的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0029]在本實用新型的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」、「第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0030]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。
[0031]圖1為本實用新型實施例提供的功率單元的立體分解圖；圖2為本實用新型實施例提供的機櫃的結構示意圖；圖3為本實用新型另一實施例提供的機櫃的結構示意圖。如圖1-3所示，本實施例提供的一種用於變頻器或變流器中的功率單元的散熱結構，包括功率單元器件、水冷散熱器3和功率單元框架4，功率單元器件主要包括半導體器件2和直流支撐電容1。半導體器件2、直流支撐電容1和水冷散熱器3分別安裝在功率單元框架4上；半導體器件2直接貼裝在水冷散熱器3上，直流支撐電容1與半導體器件2並列排布。功率單元框架4由框架側板如構成。直流支撐電容1與功率單元框架4之間設有功率單元循環散熱風道5。該功率單元循環散熱風道5能夠對直流支撐電容1進行風冷循環散熱，以解決依靠水冷散熱器無法直接帶走的功率單元內部熱量。
[0032]其中，任何能夠使直流支撐電容散熱的功率單元循環散熱風道結構都在本實用新型的保護範圍。本實施例中，直流支撐電容1與功率單元框架4之間設有間隙。為了優化本實施例中的功率單元的結構，功率單元循環散熱風道5形成在該間隙內。直流支撐電容1上設有用於固定安裝直流支撐電容1的電容殼體，該電容殼體與功率單元框架4之間的間隙形成半封閉空間，該半封閉空間形成功率單元循環散熱風道5。因而，該功率單元的散熱結構可以利用自身的結構形成功率單元循環散熱風道，無需另外增加水冷散熱板面積或獨立的冷卻風扇，節省了成本。
[0033]具體地，功率單元的側部設有功率單元進風口 41 ；功率單元循環散熱風道5的一端與功率單元進風口 41連接，另一端可與機櫃循環散熱風道6連接。
[0034]其中，水冷散熱器3優選採用水或防凍液作為冷卻介質，既能保證水冷散熱器的冷卻效果，又能降低成本。
[0035]圖1為本實用新型實施例提供的功率單元的立體分解圖；圖2為本實用新型實施例提供的機櫃的結構示意圖。本實施例還提供一種機櫃，如圖1和圖2所示，包括櫃體10和機櫃循環散熱風道6，還包括如上所述的功率單元的散熱結構。其中，功率單元循環散熱風道5與機櫃循環散熱風道6連接。機櫃循環散熱風道6還可與櫃體內其他的元器件9的散熱風道連接，直接利用機櫃循環散熱風道6帶走功率單元循環散熱風道5和其他的元器件9的散熱風道中的熱量，使整個櫃體內形成整體式的循環冷卻系統。本實施例既解決了直流支撐電容的散熱問題，又不需要單獨設置獨立風扇等其他的循環風道驅動單元，節省成本。
[0036]進一步，機櫃還包括水冷裝置和水風換熱器8。櫃體內設置水冷裝置(圖中沒有顯示)作為該機櫃的主要散熱方式。水冷裝置具有以下部件:水冷塊、循環液、管道和水箱，其中水箱可以設置在本機櫃內部，也可以設置在單獨的機櫃中。水冷塊是一個內部留有水道的金屬塊，由銅或鋁製成，與機櫃內元器件接觸並將吸收元器件的熱量。循環液由外界水泵的作用在循環的管路中流動，如果液體是水，就是我們俗稱的水冷系統。吸收了元器件熱量的液體就會從元器件上的水冷塊中流走，而新的低溫的循環液將繼續吸收元器件的熱量。管道連接水泵、水冷塊和水箱，其作用是讓循環液在一個密閉的通道中循環流動而不外漏，讓液冷散熱系統正常工作。
[0037]而且，為了加強櫃體內的散熱效果，在機櫃內設置水風換熱器提高機櫃的水冷裝置的冷卻效果。水風換熱器就是一個類似散熱片的裝置，循環液將熱量傳遞給具有大表面積的散熱片。水風換熱器8的冷卻介質為水、防凍液或流體冷媒。機櫃循環散熱風道6通過水風換熱器8與水冷裝置連接，從而提高整個機櫃內的散熱效果。
[0038]其中，水風換熱器8包括櫃體內散熱風扇7，櫃體內散熱風扇7能夠將流入空氣的熱量帶走，提高水風換熱器的換熱效果。
[0039]本實施例中的功率單元的散熱結構及機櫃，在功率單元內設置功率單元循環散熱風道，有效冷卻直流支撐電容；而且，將功率單元循環散熱風道與機櫃循環散熱風道連接配合成為一體式風道，既提高了機櫃的散熱效率，又節省了機櫃的製造成本。
[0040]圖3為本實用新型另一實施例提供的機櫃的結構示意圖。本實用新型另一實施例提供的機櫃，如圖3所示，機櫃循環散熱風道6上設有冷卻驅動單元，冷卻驅動單元設置在櫃體10側部，與外界空氣連通。冷卻驅動單元用於整個機櫃的機櫃循環散熱風道6的冷卻驅動，為機櫃循環散熱風道6提供驅動動力和冷卻源。
[0041〕 優選地，本實施例中，冷卻驅動單元採用冷卻風扇11，驅動機櫃循環散熱風道6的風體循環，並將櫃體內的熱量散入外界空氣中。採用冷卻風扇11，安裝簡便，並且所佔空間小，節省成本。
[0042]冷卻風扇11包括多種，如軸流風扇、離心風扇、混流風扇和貫流式風扇。軸流風扇的葉片推動空氣以與軸相同的方向流動。軸流風扇的葉輪和螺旋槳有點類似，它在工作時，絕大部分氣流的流向與軸平行，換句話說就是沿軸線方向。軸流風扇當入口氣流是0靜壓的自由空氣時，其功耗最低，當運轉時會隨著氣流反壓力的上升功耗也會增加。軸流風扇通常裝在電氣設備的機柜上，有時也整合在電機上，由於軸流風扇結構緊湊，可以節省很多空間，同時安裝方便，因此得到廣泛的應用。本實施例採用軸流風扇，其具有的特點為:具有較高的流率，中等風壓，能夠對機櫃有效地散熱。
[0043]離心風扇在工作時，葉片推動空氣以與軸相垂直的方向(即徑向)流動，進氣是沿軸線方向，而出氣卻垂直於軸線方向。大多數情況下，使用軸流風扇就可以達到冷卻效果，然而，有時候如果需要氣流旋轉90度排出或者需要較大的風壓時，就必須選用離心風扇。風機嚴格而言，也屬於離心風扇。其特點:有限流率，高風壓。
[0044]混流風扇又稱對角線流向風扇，混流風扇和軸流風扇的區別在於，混流風扇的進氣是沿軸線的，然而出氣卻是沿軸線和垂軸線的對角線方向。這種風扇由於葉片和外罩稱圓錐形，因此致使風壓較高，在相同尺寸和其他可比性能下，與軸流風扇相比，離心風扇的噪聲更低。其特點:高流率和相對較高的風壓。
[0045]貫流式風扇能產生大面積的風流，通常用於冷卻設備的大表面。這種風扇的進氣和出氣均垂直於軸線。貫流式風扇是使用一個比較長的圓桶狀扇葉輪進行工作，這個圓桶狀扇葉的口徑都比較大，因為口徑大，才能在保證整體空氣循環量的基礎上使用比較低的轉速，從而，降低由於高速運轉帶來的噪音。本實施例中的機櫃，也可採用該貫流式風扇作為冷卻風扇，其具有低流速和低風壓的技術效果，並且噪音較低。
[0046]進一步，該機櫃循環散熱風道與外界空氣循環散熱，同時櫃體上在靠近功率單元循環散熱風道的功率單元進風口 41位置設有櫃體進風口 12，使外界空氣進入櫃體內時，首先進入功率單元循環散熱風道的進風口，由於外界空氣的溫度比櫃體內的空氣溫度低，快速進入功率單元內，提高了功率單元循環散熱風道的散熱效果。櫃體進風口 12的數量可為多個，分布在櫃體10上與冷卻風扇11相對的另一側，使櫃體進風口 12遠離冷卻風扇11，進入櫃體內的空氣溫度不會受到冷卻風扇排放的較高溫度氣體的影響。
[0047]進一步，在櫃體10內設有多個功率單元，因而櫃體10內設有多個功率單元循環散熱風道5。每個功率單元循環散熱風道5分別與機櫃循環散熱風道6連通。機櫃循環散熱風道6作為櫃體內的公用風道，冷卻整個機櫃，提高了機櫃循環散熱風道的利用率，節約了成本。
[0048]最後應說明的是:以上各實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的範圍。
【權利要求】
1.一種功率單元的散熱結構，包括功率單元框架、以及設置在該功率單元框架上的功率單元器件和水冷散熱器；所述功率單元器件包括半導體器件和直流支撐電容；所述半導體器件設置在所述水冷散熱器上，其特徵在於，所述直流支撐電容與所述功率單元框架之間設有功率單元循環散熱風道。
2.根據權利要求1所述的功率單元的散熱結構，其特徵在於，所述直流支撐電容與所述功率單元框架之間設有間隙；所述功率單元循環散熱風道設置在所述間隙內。
3.根據權利要求2所述的功率單元的散熱結構，其特徵在於，所述直流支撐電容上設有電容殼體，所述電容殼體與所述功率單元框架之間形成半封閉空間，該半封閉空間形成功率單元循環散熱風道。
4.一種機櫃，包括櫃體和機櫃循環散熱風道，其特徵在於，還包括權利要求1-3任一項所述的功率單元的散熱結構；其中，所述功率單元循環散熱風道與所述機櫃循環散熱風道連接。
5.根據權利要求4所述的機櫃，其特徵在於，所述機櫃還包括水冷裝置和水風換熱器；所述機櫃循環散熱風道通過所述水風換熱器與所述水冷裝置連接。
6.根據權利要求5所述的機櫃，其特徵在於，所述水風換熱器包括櫃體內散熱風扇。
7.根據權利要求4所述的機櫃，其特徵在於，所述機櫃循環散熱風道上設有冷卻驅動單元，所述冷卻驅動單元設置在所述櫃體側部，與外界空氣連通。
8.根據權利要求7所述的機櫃，其特徵在於，所述冷卻驅動單元包括冷卻風扇。
9.根據權利要求7所述的機櫃，其特徵在於，所述櫃體上在靠近所述功率單元循環散熱風道的進風口位置設有櫃體進風口。
10.根據權利要求4-9任一項所述的機櫃，其特徵在於，所述機櫃包括多個功率單元循環散熱風道，分別與所述機櫃循環散熱風道連接。
【文檔編號】H05K7/20GK204258598SQ201420795551
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月15日 優先權日:2014年12月15日
【發明者】譚建軍 申請人:北京合力電氣傳動控制技術有限責任公司