[發明專利]流固耦合散熱器及散熱方法

有效

• 申請號: 201110205691.5
• 申請日: 2011-07-20
• 公開（公告）號: CN102412210A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發明（設計）人: 徐麗慧
• 申請（專利權）人: 徐麗慧
• 主分類號: H01L23/34
• 分類號: H01L23/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

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，并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。從結構的復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采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《基于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，范澎等，2005，39(2)：115-117。

關于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)，張舟云、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，2003，26(12)：354-357。

上述研究成果僅能小幅度的調高散熱器的性能，并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，目前多采用水冷散熱器。通過在散熱器的吸熱底板上設計流道，并由水泵驅動流體，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，容易導致泄漏。

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，主要原因在于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于30℃，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℃；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，本發明采用以下技術方案：

一種流固耦合散熱器，所述散熱器包括：

吸熱部件，所述吸熱部件用于安裝熱源；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，所述腔內處于負壓狀態。

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于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：

(A1)熱源的熱量傳遞到吸熱部件上與所述熱源相接觸的部位；