CN1851379A

CN1851379A - 一种发热部件分布式蒸发冷却散热结构

Info

Publication number: CN1851379A
Application number: CN 200610011902
Authority: CN
Inventors: 李振国; 国建鸿; 顾国彪; 田新东; 傅德平; 李静
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2006-05-16
Publication date: 2006-10-25

Abstract

一种发热部件分布式蒸发冷却散热结构，蒸发盒通过其侧面的绝缘管与储液分配单元的分配管相连，并通过蒸汽管与集气管相连；集气管通过进气管与冷凝器连接；冷凝器与储液分配单元通过软管或法兰连接；蒸发冷却介质灌入储液分配单元和蒸发盒，将储液分配单元储液箱体浸满；发热部件固定在蒸发盒载板上。发热部件将热量传递给蒸发盒内的冷却介质，达到一定压力下的饱和温度，介质汽化吸热，在冷凝器中汽化的介质与二次冷却水进行能量交换，被冷凝为液体，流回储液分配单元。本发明避免了整体冷却对系统部件布置造成的限制，优化了装置结构，减少了密封部分给系统造成的介质泄漏、安装复杂等风险，由于各个发热部件不存在电关系，保证了电路的安全可靠。

Description

一种发热部件分布式蒸发冷却散热结构

技术领域

本发明涉及各种发热部件的散热，特别涉及采用蒸发冷却自循环系统的发热部件散热。

背景技术

目前，随着各种控制技术的不断提高，各种设备的容量越来越大，而设计的体积却越来越小，导致发热部件的散热成了设备容量进一步发展的薄弱环节，譬如在大容量变频逆变电路中，功率器件是否能够正常地工作，是影响设备可靠的关键，而功率器件能否正常工作，除器件本身的质量外，在很大程度上还取决器件与散热器的合理配合。功率器件在工作状态下，由于结内产生热损耗而使结温上升，如果不用适当的方法将这种热损耗散到外面去，结温就会过高，从而使功率器件损坏，整个设备故障。因此，必须解决功率器件的冷却，满足不同工况的需要。

发热部件的冷却方式可分为自然冷却、强迫风冷、液体冷却、沸腾冷却四大类。

自然冷却散热效率低，单位功率的体积大，通常适用于额定电流在20A以下的器件或发热量较小的部件上。

强迫风冷散热效率高，是自然冷却的2～4倍，但噪音大、容易吸入灰尘、维护困难、可靠性相对低，而且在外界温度较高的工作状况下，散热效果会明显下降。

液体冷却主要用的冷却介质为水或者油。以水冷散热器代替风冷，可以大大提高器件的容量。由于水的绝缘性能很差，而且会在高电压下出现电腐蚀和漏电现象，电压越高，则电蚀现象越严重，有时需要采取额外的防蚀措施。因此对高压装置来说，其冷却水必须用离子交换树脂来进行处理，同时采用复杂的循环水系统。

油冷的散热效率在水冷和风冷之间，油的粘度大，需要较大的循环动力，且容易燃烧。

沸腾冷却具有极高的冷却效率，沸腾冷却的传热效率比油冷高若干倍，比风冷却高十几倍，也超过水冷。因此，沸腾冷却装置的体积比同容量油冷却和自冷却装置要小得多。

浸泡式沸腾冷却的冷却效果极好，但更换器件困难，非浸泡式冷却的效果虽然差些，但更换器件却很方便。

中国专利CN200320129492.1“大功率电力电子器件蒸发冷却装置”，提出功率电力电子器件即功率模块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传至与模块接触的蒸发冷却箱，箱内冷却液吸热，沸腾冷却。其传热效果较好，但其结构对于发热部件分布比较分散的系统，特别是要求各个发热部件，不存在电关系的情况下，不能够使用，必须从新进行结构设计。而且整体冷却会造成系统内部件的布置造成限制，使得整个装置体积有所增加，冷却效率没有达到较好的发挥。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，针对独立分布的发热部件，提出了一种分布式蒸发冷却散热结构，使独立分布的发热部件保持原有各种电状态，减少体积、提高散热效率。本发明可减少密封部分给系统造成的介质泄漏、安装复杂等缺点，依靠介质汽化潜热带走热量，冷却效率高。

本发明由蒸发盒、储液分配单元、集气管、冷凝器、进气管和绝缘管组成，采用沸腾冷却的方式实现器件的冷却。发热部件的热量依靠传导和对流的作用，传递给蒸发盒内的冷却介质，冷却介质吸热沸腾，通过汽化潜热将热量带出，并沿管道上升至集气管，然后通过进气管进入冷凝器中与冷却管道完成热量交换，热量通过二次冷却水带走，介质蒸汽变为液体，向下流回到储液分配单元，进行液体分配再循环，如此形成密闭自循环系统。

本发明发热部件的固定采用螺母拧紧的方法，将发热部件固定在蒸发盒的载板上。载板将热量依靠传导和对流将热量传递给蒸发盒内的冷却介质，冷却介质吸热，达到一定压力下的饱和温度时，沸腾通过汽化吸热将热量带走。本发明中载板外表面，即发热部件固定面抛光处理，以减少器件与载板面的接触热阻，在载板的的背面设计了三种结构，以提高散热效率，蒸发盒依靠两侧的螺孔固定。

本发明储液分配单元是整个散热系统冷却介质的骨架。储液分配单元由储液箱、分配管、回液管组成，分别完成储存冷却介质、分配冷却介质、冷却介质回流功能。材料采用不锈钢，储液箱的容量根据实际器件的发热量来设计。分配管的分管数目与发热部件相匹配(分管数＝蒸发盒数)。为了降低各个发热部件间的电位影响，分配管与蒸发盒之间的连接依靠绝缘管连接，如聚四氟乙烯、橡胶管等。回液管与冷凝器的连接根据实际需要可以采用法兰连接或软管连接。

本发明所用的蒸发冷却介质是高绝缘、低沸点、物化性能稳定、满足环保要求的蒸发冷却介质，如新氟碳化合物Fla、4310、3000等以及目前正在采用的F-113介质。常温下为液态，受热到50～60℃左右，吸热蒸发，变为气体。

本发明具有明显的优点：冷却效率高、结构简单、噪音小，可靠性高等而且不对发热部件的布置有所限制，优化结构。

附图说明

图1是本发明具体实施方式蒸发冷却散热结构示意图，图中：10蒸发盒、20储液分配单元、30集气管、40冷凝器、50进气管、60绝缘管；

图2是本发明蒸发盒10结构示意图。101储液体、102进液管、103蒸汽管、104载板、105螺孔；

图3a、3b、3c是本发明发热部件的载板结构示意图，其中图3a为正视图，图b、c、d为图3a剖视图；其中图3b为光面结构，图3c为带肋结构，图3d为凹板结构；图3a中的螺孔用来固定发热部件，可以根据发热部件的固定脚或固定方式进行设计；

图4是本发明储液分配单元20结构示意图。201储液箱体、202回液管、203带阀门排液口、204分配管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

本发明的具体实施方法如图1所示。方形的蒸发盒10通过绝缘管60与储液分配单元20的分配管204相连。方形的蒸发盒10通过其上面的蒸汽管103与集气管30相连。集气管30通过其上面进气管50与冷凝器40连接。冷凝器40与其下面的储液分配单元20通过软管或法兰连接，形成了一种发热部件分布式蒸发冷却介质密闭自循环散热结构。通过冷凝器40上部的进液口充入蒸发冷却介质，灌入量为将储液分配单元20的储液箱体201浸满为宜。发热部件采用螺母拧紧的方法，将部件固定在蒸发盒10的载板104面上，当运行时发热部件的热量依靠传导和对流的作用，传递给蒸发盒10内的冷却介质，冷却介质吸热沸腾，通过汽化热将热量带出，并沿蒸汽管103管道上升至集气管30，然后通过进气管50进入冷凝器40中与冷却管道完成热量交换，热量通过二次冷却水带走，介质蒸汽变为液体，向下流回到储液分配单元20，进行再分配循环，这样就形成密闭自循环系统。

图2是本发明蒸发盒10结构示意图。储液体101采用铜或铝等导热率高的金属材料的焊接或铸造而成，形成一方形箱体。发热部件通过螺孔105固定于载板104。进液管102用于给储液体101灌液，当发热部件发热时，将热量传递给储液体101内部的冷却介质，当达到一定饱和压力下的温度时，介质开始沸腾，汽泡通过蒸汽管103上升至集气管。储液体101中与载板104相对的一面(底面)的左右两边的通孔用于固定蒸发盒10。

图3是本发明发热部件的载板结构示意图。为了提高冷却效率，并且不影响装置的承重能力，本发明设计了三种不同载板结构。如图3a的光面结构：载板104的外表面，即发热部件固定面要求研磨、抛光，保证平整度，降低接触热阻，背面与冷却介质接触，不作处理。图3b为带肋结构：为了减少储液盒的重量，并提高传热效率，载板104外表面抛光，保证平整度，降低接触热阻，背面与冷却介质接触部分作成带肋的，包括水平、纵向。如图3c所示的凹板结构：螺孔105的背部较厚，而与发热部件接触的部分减薄，减少热阻，并减轻重量。

图4是本发明储液分配单元结构示意图。整个结构可以采用不锈钢材料焊接而成。储液箱体201与分配管204及回液管202采用焊接方法构成一体，分配管204由一个直径较大的管做总管与一定数量的小直径的管焊接而成。回液管202与冷凝器40的连接可以采用软管或法兰连接，在分配管204的底部有带阀门排液口203，用于排放冷却介质。

本发明采用蒸发冷却，结构简单，安装方便，冷却效率高和无噪声等。本发明适用于应用于各种设备发热部件的冷却，如二极管、三极管、IGBT、IGCT、晶闸管、可关断晶体管以及电路板等。

Claims

1.一种发热部件分布式蒸发冷却散热结构，其特征在于包括蒸发盒【10】、储液分配单元【20】、集气管【30】、冷凝器【40】、进气管【50】、绝缘管【60】；方形的蒸发盒【10】通过其侧面的绝缘管【60】与储液分配单元【20】的分配管【204】相连，并通过其上面的蒸汽管【103】与集气管【30】相连；集气管【30】通过其上面进气管【50】与冷凝器【40】连接；冷凝器【40】与其下面的储液分配单元【20】通过软管或法兰连接；蒸发冷却介质灌入储液分配单元【20】和蒸发盒【10】，介质将储液分配单元【20】储液箱体【201】浸满；发热部件通过螺孔【105】固定在蒸发盒【10】的载板【104】上；集气管【30】在结构布置上要略高于储液箱体【201】。

2.按照权利要求1所述的发热部件分布式蒸发冷却散热结构，其特征在于蒸发盒【10】采用导热率高的铜、铝等金属材料焊接或铸造而成；蒸发盒【10】的载板【104】可采用光板【3a】或带肋板【3b】或凹板【3c】结构。

3.按照权利要求1所述的发热部件分布式蒸发冷却散热结构，其特征在于储液分配单元【20】由储液箱体【201】、回液管【202】、带阀门排液口【203】、分配管【204】组成；分配管【204】的分管数量与蒸发盒数量相等；分配管【204】与蒸发盒【10】之间由绝缘管连接，分配管【204】的底部有带阀门排液口【203】；回液管【202】与冷凝器【40】用法兰连接或软管连接。

4.按照权利要求1所述的发热部件分布式蒸发冷却散热结构，其特征在于所述的蒸发盒【10】、储液分配单元【20】内放置的蒸发冷却介质是高绝缘、低沸点、物化性能稳定、满足环保要求的蒸发冷却介质，如Fla、4310、AE3000等以及F-113。