专利名称：电动汽车igbt用热电制冷热管散热器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电动汽车电子散热技术领域，具体涉及一种电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器。
背景技术：
电动汽车电机及其控制系统是电动汽车的关键技术之一，电机控制器是其核心技术部件。近年来，现代电机控制器的发展方向是:高功率密度，高可靠性，高效率，以实现小型化设计，其主要热源是绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等大功率电力电子器件，由于IGBT的发热量集中度高，当温度过高时，甚至会导致功率器件永久损坏，从而使驱动器无法工作。因此电机控制器部分的散热成为一个关键问题。为提高电动汽车电机控制器工作的可靠性、延长其使用寿命，就需要优化设计其散热系统。控制器散热器不仅对电机和电机控制器的可靠性产生重大影响，而且也是影响电机动力性和经济性的重要因素，其功用就是保证电驱动系统在任何负荷条件下和工作环境下均能在最适合的温度状态下正常和可靠地工作。目前传统的电动汽车电机控制器采用强制风冷形式散热、水冷形式散热或热管形式散热。单纯的强制风冷形式散热主要依赖翅片通过风机向四周传递热量，不能将IGBT的热量迅速带走，整体散热效果并不理想；水冷形式散热的冷部件较多，系统复杂且分散，在电动汽车有限空间内布置困难；热管散热充分利用了热传导原理与制冷介质的快速传递性质，其一端是蒸发端，另一端为冷凝端，当热管受热，蒸发端的相变材料受热蒸发，蒸汽在压力差下流向冷凝端并释放出热量，重新凝结为液体，流回蒸发端，如此循环不止，热量可以被源源不断地传导出去。但是，造成电机控制器损毁的最终原因是IGBT模块的局部结点温度过高形成的热应力。如何将IGBT模块上局部的结点上产生的热量迅速扩散开来，是电机控制器散热器设计的主要问题之一。目前汽车级IGBT封装较小，散热面积较小，而电机控制器在大功率工况下运行时生热量较大，很难能够在瞬间将IGBT模块结点上积聚的大量热量迅速扩散开来，即使是使用导热性质很好的铜材料作为IGBT散热端面材质，其导热系数在380W/m.K 400W/m.K之间，也很难将IGBT的局部结点温度迅速展平，仍然存在结温过高的问题。另一方面，汽车的使用特点是经常性的启停和加速。电动汽车在启动或加速行驶时，电机控制器IGBT的热耗会急剧增加，在IGBT模块中形成热积聚，温度迅速上升，造成较强的热冲击，常规风冷、水冷散热器，甚至热管散热器都难以将IGBT瞬间产生的大量热量迅速散去，会导致IGBT温度迅速超过安全临界值，使得电机控制器难以维持在合适的温度范围内，很容易导致电机控制器热损坏，使得行驶中的电动汽车会发生突然停止，易造成电动汽车行车事故，影响了电动汽车的安全行驶
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器。本实用新型采用如下技术方案:电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征在于:由IGBT模块、石墨导热垫、热电制冷器件、散热基板、热管、水平散热片组成；石墨导热垫的一端面与IGBT模块的散热端面紧密接触，石墨导热垫的另一端面与热电制冷器件的制冷端面紧密接触；散热基板的一端面与热电制冷器件的制热端面紧密接触，散热基板的另一端面上凿有平行凹槽；单根热管为U型，热管U形底部的水平蒸发段嵌入散热基板的凹槽中；在多根热管两端的竖直冷凝段A端和竖直冷凝段B端上套入水平散热片。所述的水平散热片设置成两组，套入热管竖直冷凝段A端形成A组散热片，套入热管竖直冷凝段B端形成B组散热片。所述的A组散热片与B组散热片在高度上错排，错排间距为散热片间距的一半。所述的A组散热片和B组散热片个数均为10 50。所述的散热基板端面上开凿的平行凹槽个数与嵌入的热管根数相同，为2 10。所述的热电制冷器件与电源、可调电阻、开关构成回路。所述的水平散热片的外侧设置风扇。与已有的应用相比，本实用新型所公开的电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器具有以下显著优点:(I)由于石墨导热垫的导热性质呈各向异性，且本身的导热率相当之大，厚度方向上15W/m.K，面方向上700W/m.K 1750W/m.K，是铜的2 4倍。本实用新型中将石墨导热垫与IGBT模块紧密接触，利用石墨导热垫面方向上的超高导热性将IGBT局部结点的高温热量迅速扩散开来，能够显著降低IGBT局部结点的瞬间高温。同时，其高导热率也能够将电动汽车启动或加速时形成的瞬间热量迅速扩散开来，减缓和免除IGBT功率器件瞬时热冲击的影响。(2)由于热电制冷器件的制冷端面温度显著低于IGBT的温度，本实用新型将该制冷端面与石墨导热垫紧密接触，通过这两接触端面的较大温差来获得很高的传热速率，使得电动汽车启动或加速时形成的瞬间热量迅速通过石墨导热垫扩散至热电制冷器件的制冷端面，再通过热电制冷器件将热量传递至热电制冷器件的制热端面，再通过高效的热管散热器带走，能够显著降低电动汽车所有工况下、特别是启动或加速时IGBT的温度。总之，本实用新型将石墨导热垫、热电制冷器件与热管技术相结合，利用石墨导热垫迅速展平IGBT局部结点高温，利用石墨导热垫、热电制冷和热管散热综合减缓和免除IGBT功率器件瞬时热冲击的影响，短时间内迅速将IGBT温度降到合适水平，避免IGBT的瞬时高温，以达到对IGBT进行迅速散热的目的，提高了电机控制器工作的可靠性，延长了其使用寿命，提高了整车性能。
图1为本实用新型实施例1电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器的正视图。图2为本实用新型实施例1电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器的俯视图。图3为本实用新型实施例1电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器的散热器基板的俯视图。图4为本实用新型实施例1电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器的热管正视图。图5为本实用新型实施例2电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器的正视图。图6为本实用新型实施例2电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器的俯视图。图中，1、IGBT模块；2、石墨导热垫；3、热电制冷器件；3_1、制冷端面；3_2、制热端面；4、散热基板；4-1、凹槽；5、热管；5-1、水平蒸发段；5-2、竖直冷凝段A端；5_3、竖直冷凝段B端；6、水平散热片；6-1、A组散热片；6-2、B组散热片；7、风扇；8、可调电阻；9、电源；10、开关。
具体实施方式
实施例1电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，主要由IGBT模块1、石墨导热垫2、热电制冷器件3、散热基板4、热管5、水平散热片6组成。石墨导热垫2的一端面与IGBT模块I的散热端面紧密接触，石墨导热垫2的另一端面与热电制冷器件3的制冷端面3-1紧密接触。石墨导热垫2采用高导热性、高柔软性的石墨膜，导热性质呈各向异性，且本身的导热率相当之大，厚度方向上15W/m.K，面方向上700W/m.K 1750W/m.K,是铜的2 4倍。热电制冷器件3由制冷端面3-1、制热端面3-2、电源9、可调电阻8、开关10构成回路，其制冷端面3-1与石墨导热垫2紧密接触，制热端面3-2与散热基板4紧密接触，通过调节可调电阻8实现对热电制冷器件3制冷量的调节。散热基板4的一端面与热电制冷器件3的制热端面3-2紧密接触，另一端面上凿有平行凹槽4-1。单根热管5为U型，热管5的U形底部的水平蒸发段5-1嵌入散热基板4的凹槽4-1中。平行凹槽4-1个数与嵌入的热管5根数相同，为2 10，本实施例取8。热管5可使用毛细管型热管5，也可采用重力热管5。在本实施例中，由于IGBT模块I置于整个散热器的下部，可采用重力热管5降低成本。在多根热管5两端的竖直冷凝段A端5-2和竖直冷凝段A端5_3上套入水平散热片6。本实施例中水平散热片6设置成两组，套入热管5竖直冷凝段A端5-2形成A组散热片6-1，套入热管5竖直冷凝段B端5-3形成B组散热片6-2 ；A组散热片6_1和B组散热片6-2个数取10 50，本实施例取15片；且A组散热片6_1与B组散热片6_2在高度上错排，错排间距为散热片间距的一半。两组散热片在横向上可以相互交错，也可以有一定的间隔，本实施例采用错排，其优点在于使两组散热片形成气流扰动，增强散热，提高整个散热器的散热功率。风扇7设置在水平散热片6的外侧，并与水平散热片6相平行。在具体实施时可根据安装空间的要求设置在A组散热片6-1的外侧，也可设置在B组散热片6-2的外侧。风扇7可以采用吹风方式，也可采用抽风方式，本实施例建议采用抽风方式。本实用新型工作原理如下:电动汽车启动时，电机控制器开始工作，同时热电制冷回路的开关10闭合，热电制冷器件3启动工作，同时风扇7也启动开始工作。IGBT模块I的功率器件产生热损耗，在局部结点生成的热量迅速被石墨导热垫2水平扩散，在较大的温差下热量迅速通过石墨导热垫2传至热电制冷器件3的制冷端面3-1。热电制冷器件3根据帕尔贴效应将制冷端面3-1吸收的热量输送至制热端面3-2。制热端面3-2的热量再经过散热基板4、热管5的水平蒸发段5_1传递给热管5内的工作介质，由工作介质将热量输送至竖直冷凝段A端5-2和竖直冷凝段B端5-3上，再由A组散热片6-1和B组散热片6-2在风机的驱动下将热量释放出去。实施例2在本实施例中，水平散热片6设置成一组，其目的是加工简单，风阻和风噪减少。其余结构和工作原理与实施例1相同。
权利要求1.电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征在于:由IGBT模块(I)、石墨导热垫(2)、热电制冷器件(3)、散热基板(4)、热管(5)、水平散热片(6)组成；石墨导热垫(2)的一端面与IGBT模块(I)的散热端面紧密接触，石墨导热垫(2)的另一端面与热电制冷器件(3)的制冷端面(3-1)紧密接触；散热基板⑷的一端面与热电制冷器件(3)的制热端面(3-2)紧密接触，散热基板(4)的另一端面上凿有平行凹槽(4-1);单根热管(5)为U型，热管(5) U形底部的水平蒸发段(5-1)嵌入散热基板(4)的凹槽(4-1)中；在多根热管(5)两端的竖直冷凝段A端(5-2)和竖直冷凝段B端(5-3)上套入水平散热片(6)。
2.根据权利要求1所述的电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征是所述的水平散热片(6)设置成两组，套入热管(5)竖直冷凝段A端(5-2)形成A组散热片(6-1)，套入热管(5)竖直冷凝段B端(5-3)形成B组散热片(6-2)。
3.根据权利要求2所述的电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征是所述的A组散热片(6-1)与B组散热片(6-2)在高度上错排，错排间距为散热片间距的一半。
4.根据权利要求2所述的电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征是所述的A组散热片(6-1)和B组散热片(6-2)个数均为10 50。
5.根据权利要求1所述的电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征是所述的散热基板(4)端面上开凿的平行凹槽(4-1)个数与嵌入的热管(5)根数相同，为2 10。
6.根据权利要求1所述的电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征是所述的热电制冷器件⑶与电源(9)、可调电阻(8)、开关(10)构成回路。
7.根据权利要求1所述的电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征是所述的水平散热片的外侧设置风扇(7)。
专利摘要电动汽车IGBT用热电制冷热管散热器，其特征在于由IGBT模块、石墨导热垫、热电制冷器件、散热基板、热管、水平散热片组成；石墨导热垫的一端面与IGBT模块的散热端面紧密接触，石墨导热垫的另一端面与热电制冷器件的制冷端面紧密接触；散热基板的一端面与热电制冷器件的制热端面紧密接触，散热基板的另一端面上凿有平行凹槽；单根热管为U型，热管U形底部的水平蒸发段嵌入散热基板的凹槽中；在多根热管两端的竖直冷凝段A端和竖直冷凝段B端上套入水平散热片。本实用新型利用石墨导热垫迅速展平IGBT局部结点高温，利用石墨导热垫、热电制冷和热管散热综合减缓和免除IGBT功率器件瞬时热冲击的影响，避免IGBT的瞬时高温，以达到对IGBT进行迅速散热的目的。
文档编号H01L23/427GK202940230SQ201220689138
公开日2013年5月15日 申请日期2012年12月2日 优先权日2012年12月2日
发明者唐志国, 江超, 李荟卿, 王博, 周平, 朱步建 申请人:合肥工业大学