[发明专利]流固耦合散热器及散热方法

说明书

技术领域

本发明涉及散热器领域，特别涉及IGBT等大功率发热器件的散热领域。

背景技术

近年来，随着大功率电力电子器件的发展，变频器的容量得到迅速提高，其散热系统设计已成为一个关键问题。实际经验表明，变频器散热系统设计的好坏，直接影响到变频器能否安全稳定的长时间工作。变频器发热的绝大部分是由功率器件的损耗引起，而功率器件本身对温度比较敏感，温度的变化会影响器件的开通和关断过程，并影响变频器的工作性能。为了限制功率器件的温升，常见的散热方式一般有自然冷却、强迫风冷、油冷和水冷四种。强制风冷的散热效果是自然风冷的5～10倍，油冷或水冷的散热效果是自然冷却的120～150倍。从结构的复杂性和实现的难易程度来看，强制风冷比水冷有着结构简单，实现容易和可靠性高等优点，因此功率在数百瓦的变频器主要采用强制风冷进行散热。

目前对变频器散热系统已有一些研究，大多集中在IGBT发热量方面的分析，请参见《基于PSPICE仿真的IGBT功耗计算》，微电机，曹永娟、李强，林明耀.2004，37(6)：40-42；《高压变频器散热与通风的设计》，变频器世界，续明进，张皓，董武，2005，9(5)：68-71；《高压变频器散热系统的设计》，电力电子技术，王丹，毛承雄，范澎等，2005，39(2)：115-117。

关于强制风冷散热器的研究，往往也集中在对翅片厚度、高度、间距等几何尺寸的研究上，请参见《电力电子装置强制风冷散热方式的研究》，电力电子技术，杨旭、马静、张新武等，2000，34(8)：36-38；《牵引逆变器散热系统的分析与设计》，同济大学学报(自然科学版)，张舟云、徐国卿、沈祥林，2004，32(6)：775-778；《影响功率器件散热器散热性能的几何因素分析》，电子器件，付桂翠、高泽溪，2003，26(12)：354-357。

上述研究成果仅能小幅度的调高散热器的性能，并没有对散热路径做任何的更改。因此，其散热对象往往集中在百瓦级别的IGBT散热上。在上千瓦的大功率IGBT的散热中，目前多采用水冷散热器。通过在散热器的吸热底板上设计流道，并由水泵驱动流体，将热量更均匀的分布到散热齿上。这存在以下缺点：

1、需要额外的动力装置，耗费电能。

2、水泵作为一个运动部件，容易损坏；

3、往往需要管路连接，众多的接头，容易导致泄漏。

4、外力如水泵或者搅拌器驱动的液体流动，在靠近壁面的地方存在流体边界层，该区域内为层流状态，导热能力非常差，热阻很大。

发明人经过对风冷散热器的深入的CFD仿真和实验测试，发现使用风冷散热器，散热效果不够理想，主要原因在于安装热源的吸热部件温度均匀性不好，如图1所示，在IGBT发热功率1500W的情况下，吸热底板上的温差高于30℃，很多散热齿的温度较低，起不到太大的散热效果，导致散热器的散热效率低下，如果将此温差消除，则能使热源IGBT的温度降低15℃；而水冷散热器存在边界层内是层流状态，对流传热效果弱的缺点。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种实施简单、可靠性高、性能大幅提高的流固耦合散热器，以及一种散热效率高、实施方便的流固耦合散热方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种流固耦合散热器，所述散热器包括：

吸热部件，所述吸热部件用于安装热源；所述吸热部件的内部设有与外界相密封的腔，所述腔内装有液体且不充满所述腔；

散热部件，所述散热部件设置在所述吸热部件上；所述散热部件通过所述吸热部件、所述腔内的液体与所述热源连接。

根据上述的流固耦合散热器，所述液体在工作状态下呈沸腾状态。

根据上述的流固耦合散热器，可选地，所述液体是水或丙酮或乙二醇溶液。

根据上述的流固耦合散热器，可选地，所述散热部件设置在所述吸热部件上远离所述热源的部位。

根据上述的流固耦合散热器，可选地，所述散热部件是散热齿。

根据上述的流固耦合散热器，可选地，所述腔内处于负压状态。

根据上述的流固耦合散热器，优选地，所述腔内的液体的液面不低于所述热源在重力方向上的最高点。

本发明的目的还通过以下技术方案得以实现：

流固耦合散热方法，所述散热方法包括以下步骤：

(A1)热源的热量传递到吸热部件上与所述热源相接触的部位；