流固耦合散熱器及散熱方法
2023-11-07 03:14:37
專利名稱：流固耦合散熱器及散熱方法
技術領域：
本發明涉及散熱器領域，特別涉及IGBT等大功率發熱器件的散熱領域。
背景技術：
近年來，隨著大功率電力電子器件的發展，變頻器的容量得到迅速提高，其散熱系統設計已成為一個關鍵問題。實際經驗表明，變頻器散熱系統設計的好壞，直接影響到變頻器能否安全穩定的長時間工作。變頻器發熱的絕大部分是由功率器件的損耗引起，而功率器件本身對溫度比較敏感，溫度的變化會影響器件的開通和關斷過程，並影響變頻器的工作性能。為了限制功率器件的溫升，常見的散熱方式一般有自然冷卻、強迫風冷、油冷和水冷四種。強制風冷的散熱效果是自然風冷的5 10倍，油冷或水冷的散熱效果是自然冷卻的120 150倍。從結構的複雜性和實現的難易程度來看，強制風冷比水冷有著結構簡單， 實現容易和可靠性高等優點，因此功率在數百瓦的變頻器主要採用強制風冷進行散熱。目前對變頻器散熱系統已有一些研究，大多集中在IGBT發熱量方面的分析，請參見《基於PSPICE仿真的IGBT功耗計算》，微電機，曹永娟、李強，林明耀.2004，37 (6) 40-42 ；《高壓變頻器散熱與通風的設計》，變頻器世界，續明進，張皓，董武，2005，9(5) 68-71 ；《高壓變頻器散熱系統的設計》，電力電子技術，王丹，毛承雄，範澎等，2005，39 O) 115-117。關於強制風冷散熱器的研究，往往也集中在對翅片厚度、高度、間距等幾何尺寸的研究上，請參見《電力電子裝置強制風冷散熱方式的研究》，電力電子技術，楊旭、馬靜、張新武等，2000,34(8) :36-38;《牽引逆變器散熱系統的分析與設計》，同濟大學學報(自然科學版)，張舟雲、徐國卿、沈祥林，2004，32 (6) :775-778 ；《影響功率器件散熱器散熱性能的幾何因素分析》，電子器件，付桂翠、高澤溪，2003，沈(1 :3M-357。上述研究成果僅能小幅度的調高散熱器的性能，並沒有對散熱路徑做任何的更改。因此，其散熱對象往往集中在百瓦級別的IGBT散熱上。在上千瓦的大功率IGBT的散熱中，目前多採用水冷散熱器。通過在散熱器的吸熱底板上設計流道，並由水泵驅動流體， 將熱量更均勻的分布到散熱齒上。這存在以下缺點1、需要額外的動力裝置，耗費電能。2、水泵作為一個運動部件，容易損壞；3、往往需要管路連接，眾多的接頭，容易導致洩漏。4、外力如水泵或者攪拌器驅動的液體流動，在靠近壁面的地方存在流體邊界層， 該區域內為層流狀態，導熱能力非常差，熱阻很大。發明人經過對風冷散熱器的深入的CFD仿真和實驗測試，發現使用風冷散熱器， 散熱效果不夠理想，主要原因在於安裝熱源的吸熱部件溫度均勻性不好，如圖1所示，在 IGBT發熱功率1500W的情況下，吸熱底板上的溫差高於30°C，很多散熱齒的溫度較低，起不到太大的散熱效果，導致散熱器的散熱效率低下，如果將此溫差消除，則能使熱源IGBT的溫度降低15°C ；而水冷散熱器存在邊界層內是層流狀態，對流傳熱效果弱的缺點。
發明內容
為了解決現有技術中的上述不足，本發明提供了一種實施簡單、可靠性高、性能大幅提高的流固耦合散熱器，以及一種散熱效率高、實施方便的流固耦合散熱方法。為實現上述目的，本發明採用以下技術方案一種流固耦合散熱器，所述散熱器包括吸熱部件，所述吸熱部件用於安裝熱源；所述吸熱部件的內部設有與外界相密封的腔，所述腔內裝有液體且不充滿所述腔；散熱部件，所述散熱部件設置在所述吸熱部件上；所述散熱部件通過所述吸熱部件、所述腔內的液體與所述熱源連接。根據上述的流固耦合散熱器，所述液體在工作狀態下呈沸騰狀態。根據上述的流固耦合散熱器，可選地，所述液體是水或丙酮或乙二醇溶液。根據上述的流固耦合散熱器，可選地，所述散熱部件設置在所述吸熱部件上遠離所述熱源的部位。根據上述的流固耦合散熱器，可選地，所述散熱部件是散熱齒。根據上述的流固耦合散熱器，可選地，所述腔內處於負壓狀態。根據上述的流固耦合散熱器，優選地，所述腔內的液體的液面不低於所述熱源在重力方向上的最高點。本發明的目的還通過以下技術方案得以實現流固耦合散熱方法，所述散熱方法包括以下步驟(Al)熱源的熱量傳遞到吸熱部件上與所述熱源相接觸的部位；(A2)所述部位上的熱量傳遞到所述吸熱部件內部的與外界相密封的腔內的液體， 所述液體不充滿所述腔；(A3)所述液體吸收熱量而沸騰，從而劇烈地攪動所述液體，使得與所述液體接觸的吸熱部件的溫度趨向均勻；氣態的流體從壁面產生時，完全破壞了外力驅動流動中所存在的邊界層，使靠近熱源的液體都處於湍流狀態；(A4)所述吸熱部件通過散熱部件散熱，所述散熱部件通過所述吸熱部件、所述腔內的液體與所述熱源連接。根據上述的流固耦合散熱方法，所述腔內是負壓。根據上述的流固耦合散熱方法，所述散熱部件是散熱齒。根據上述的流固耦合散熱方法，優選地，所述腔內的液體的液面不低於所述熱源在重力方向上的最高點。本發明的基本原理為在工作狀態下，隨著溫度的升高，腔內的流體達到沸騰狀態，液體內部劇烈翻滾，形成強烈的湍流狀態，從而攪動整個液體的流場，使液體的溫度場趨向均勻，因此凡是與液體接觸的散熱部件溫度趨向一致，提高了散熱部件根部的平均溫度，降低了熱源的溫度，提高了散熱器的散熱能力。如圖5所示，相比於圖1中所示的散熱器，在相同發熱量的情況下，本發明的散熱器的吸熱部件的溫度更均勻，熱源的溫度下降了 18 "C。與現有技術相比，本發明具有如下技術效果
1、實施簡單、成本低。由於使用沸騰散熱方式，省去了普通水冷或者油冷裝置中的管路、驅動泵，成本大大降低。2、無運動部件。由於該流固耦合散熱器無需外部循環泵，因此不存在運動部件，不易損壞。3、可靠性高。由於該流固耦合散熱器無外部管路，流體是密封在腔內部，不存在管接頭，且內部可為負壓，因此不會產生洩漏。4、體積小。由於該散熱器的散熱效率高，因此在相同的散熱量情況下，其體積更
參照附圖，本發明的公開內容將變得更易理解。本領域技術人員容易理解的是這些附圖僅僅用於舉例說明本發明的技術方案，而並非意在對本發明的保護範圍構成限制。 圖中圖1是現有技術中風冷散熱器的溫度分布示意圖；圖2是根據本發明實施例1的流固耦合散熱器的基本結構圖；圖3是根據圖1中的流固耦合散熱器在俯視方向上的剖視結構圖；圖4是根據本發明實施例1的流固耦合散熱方法的流程圖；圖5是使用了本發明後的散熱器的溫度分布示意圖。
具體實施例方式圖2-5和以下說明描述了本發明的可選實施方式以教導本領域技術人員如何實施和再現本發明。為了教導本發明技術方案，已簡化或省略了一些常規方面。本領域技術人員應該理解源自這些實施方式的變型或替換將在本發明的範圍內。本領域技術人員應該理解下述特徵能夠以各種方式組合以形成本發明的多個變型。由此，本發明並不局限於下述可選實施方式，而僅由權利要求和它們的等同物限定。實施例1 圖2示意性地給出了本發明實施例1的流固耦合散熱器的基本結構圖，圖3是根據圖1中的流固耦合散熱器在俯視方向上的剖視結構圖，如圖2、3所示，所述散熱器包括吸熱部件21，熱源11安裝在所述吸熱部件21上；所述吸熱部件21的內部設有與外界相密封的腔22，所述腔內裝有液體23，從而使得所述液體23吸收熱量後沸騰，液體 23內部劇烈翻滾，形成強烈的湍流狀態，從而攪動整個液體的流場，使液體的溫度場趨向均勻，因此凡是與液體接觸的吸熱部件溫度趨向一致。所述吸熱部件採用鋁、銀等熱導熱率比較高的材料。散熱部件31，如採用散熱齒、散熱條等形狀，並採用鋁、銀等導熱率比較高的材料。 所述散熱部件31設置在所述吸熱部件21上，通過所述吸熱部件21、所述液體23而與所述熱源11連接。可選地，所述液體23可採用水或丙酮或乙二醇溶液等材料。可選地，所述腔22內處於負壓狀態，從而使得腔22內的液體23在低溫下也能沸騰，從而使得與所述液體23接觸的吸熱部件21上的溫度趨於均勻。
可選地，所述液體23的液面不低於所述熱源11在重力方向上的最高點，但不充滿所述腔22，從而使得熱源11的熱量儘快地傳遞到所述液體23，通過液體23的沸騰使得與所述液體23接觸的吸熱部件21的溫度趨於均勻，提高了散熱效果。圖4示意性地給出了本發明實施例1的流固耦合散熱方法的流程圖，如圖2-4所示，所述散熱方法包括以下步驟(Al)熱源11的熱量傳遞到吸熱部件21上與所述熱源11相接觸的部位；(A2)所述部位上的熱量傳遞到所述吸熱部件21內部的與外界相密封的腔22內的液體23 ；所述液體23可採用水或丙酮或乙二醇溶液等材料；(A3)所述液體23吸收熱量而沸騰，從而攪動所述液體23，使得與所述液體23接觸的吸熱部件21的溫度趨向均勻，因此凡是與液體接觸的吸熱部件21溫度趨向一致，提高了散熱部件31根部的平均溫度，；(A4)所述吸熱部件21通過散熱部件31散熱，所述散熱部件31通過所述吸熱部件 21、液體23與所述熱源11連接。可選地，所述散熱部件31採用散熱齒等散熱效果好的部件。可選地，所述腔22內處於負壓狀態，從而使得腔22內的液體23在低溫下也能沸騰，從而有效地帶走熱源11上的熱量，降低熱源11的溫度。可選地，所述液體23的液面不低於所述熱源11在重力方向上的最高點，但不充滿所述腔22，從而使得熱源11的熱量儘快地傳遞到所述液體23，通過液體23的沸騰使得與所述液體23接觸的吸熱部件21的溫度趨於均勻，提高了散熱效果。根據本實施例的散熱器和散熱方法達到的益處在於在吸熱部件內設置的腔，腔內的流體由於沸騰而使液體內部劇烈翻滾，形成強烈的湍流狀態，從而攪動整個液體的流場，使液體的溫度場趨向均勻，因此凡是與液體接觸的吸熱部件溫度趨向一致，如圖5所示，提高了散熱部件根部的平均溫度，降低了熱源的溫度，提高了散熱器的散熱能力。實施例2 根據本發明實施例1的散熱器和散熱方法在大功率IGBT的散熱中的應用例。密封腔內的液體為水，該密封腔內在熱源不發熱的情況下絕對壓力為56mmHg。吸熱部件和散熱部件都採用鋁。密封腔內的水面低於熱源在重力方向上的最高點。熱源的工作環境溫度為30°C，當熱源開始工作時，熱源的溫度升高，熱源的熱量通過吸熱部件而傳遞到密封腔內的水，水的溫度上升，當上升到40°C時，密封腔內的水開始沸騰，從而攪動整個流場，形成強烈的湍流，將熱量傳遞到散熱部件(如散熱齒)的根部。整個吸熱部件的溫度均勻性良好， 所有的散熱部件(如散熱齒)的根部溫度也比較均勻，從而實現在散掉相同熱量的情況下， 散熱器體積更小。實施例3 根據本發明實施例1的散熱器和散熱方法在大功率IGBT的散熱中的應用例。密封腔內的液體為丙酮，該密封腔內在熱源不發熱的情況下壓力為常壓。吸熱部件和散熱部件都採用鋁。密封腔內的丙酮的液面不低於熱源在重力方向上的最高點。熱源的工作環境溫度為30度，當熱源開始工作時，熱源的溫度升高，熱源的熱量快速地通過吸熱部件而傳遞到密封腔內的丙酮，丙酮的溫度上升，當上升到58°C時，密封腔內的丙酮開始沸騰，從而攪動整個流場，形成強烈的湍流，將熱量傳遞到散熱部件(如散熱齒)的根部。整個吸熱部件的溫度均勻性良好，所有的散熱部件(如散熱齒)的根部溫度也比較均勻，從而實現在散掉相同熱量的情況下，散熱器體積更小。
權利要求
1.流固耦合散熱器，其特徵在於所述散熱器包括吸熱部件，所述吸熱部件用於安裝熱源；所述吸熱部件的內部設有與外界相密封的腔， 所述腔內裝有液體且不充滿所述腔；散熱部件，所述散熱部件設置在所述吸熱部件上；所述散熱部件通過所述吸熱部件、所述腔內的液體與所述熱源連接。
2.根據權利要求1所述的流固耦合散熱器，其特徵在於所述液體在工作狀態下呈沸騰狀態。
3.根據權利要求2所述的流固耦合散熱器，其特徵在於所述液體是水或丙酮或乙二醇溶液。
4.根據權利要求1所述的流固耦合散熱器，其特徵在於所述散熱部件是散熱齒。
5.根據權利要求1所述的流固耦合散熱器，其特徵在於所述腔內處於負壓狀態。
6.根據權利要求1所述的流固耦合散熱器，其特徵在於所述腔內的液體的液面不低於所述熱源在重力方向上的最高點。
7.流固耦合散熱方法，所述散熱方法包括以下步驟(Al)熱源的熱量傳遞到吸熱部件上與所述熱源相接觸的部位；(A2)所述部位上的熱量傳遞到所述吸熱部件內部的與外界相密封的腔內的液體，所述液體不充滿所述腔；(A3)所述液體吸收熱量而沸騰，從而攪動所述液體，使得與所述液體接觸的吸熱部件的溫度趨向均勻；(A4)所述吸熱部件通過散熱部件散熱，所述散熱部件通過所述吸熱部件、所述腔內的液體與所述熱源連接。
8.根據權利要求7所述的流固耦合散熱方法，其特徵在於所述腔內是負壓。
9.根據權利要求7所述的流固耦合散熱方法，其特徵在於所述散熱部件是散熱齒。
10.根據權利要求7所述的流固耦合散熱方法，其特徵在於所述腔內的液體的液面不低於所述熱源在重力方向上的最高點。
全文摘要
本發明公開了一種流固耦合散熱器，所述散熱器包括吸熱部件，所述吸熱部件用於安裝熱源；所述吸熱部件的內部設有與外界相密封的腔，所述腔內裝有流體；所述流體在常態下的液面不低於在重力方向上所述腔內的最高點和最低點的中間位置；散熱部件，所述散熱部件設置在所述吸熱部件上。本發明具有散熱效率高、實施方便等優點，可用於電子領域。
文檔編號H01L23/34GK102412210SQ20111020569
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月20日 優先權日2011年7月20日
發明者徐麗慧 申請人:徐麗慧