专利名称：一种绝缘栅双极晶体管的平板式水冷散热器的制作方法
技术领域：
本实用新型是关于一种绝缘栅双极晶体管(IGBT)的平板式水冷散热器，适用于使用IGBT元件的电力电子变流器，尤其适用于混合动力和电动汽车变流器及其他移动设备变流器。
背景技术：
目前，大功率变流器上普遍使用大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)元件。IGBT在运行时会产生功率损耗，同时产生大量的热量，引起温度升高，从而影响IGBT的寿命和运行可靠性。因此需要能够及时有效地散热的冷却系统。
IGBT冷却系统，可以采用风冷、油冷和水冷三种散热方式，目前风冷方式占多数。但是由于气体的比热小，采用风冷的IGBT冷却系统，存在散热效率低、散热器体积大、冷却性能差的缺点，经常会发生IGBT过热现象，影响IGBT的正常工作。采用油冷的IGBT冷却系统，由于机油的粘性较大，流动性较差，循环速度慢，存在压力损失大的问题，有的需配套较大功率的机油泵；同时为防止机油的泄漏污染，对设备密封条件要求高，从而提高了整个冷却系统的成本。也有少数使用水冷散热器的方式，但易产生压力损失大、死水区、流速不均、回流等现象，散热效果很不均匀。
CN 2696126Y公开了一种IGBT迷宫式水冷散热器，该散热器采用模块化设计，对模块化单元内部结构采用迷宫式设计，可以提高散热效率并减小冷却系统的体积和重量。但是该专利采用了迷宫式的结构，即水道为迷宫式设计，使冷却液多次改变流动方向，所以压力损失大，而且水流容易先从离入水口远处水道流过，使迷宫式结构的水道易出现死水区，导致散热不均。
US 005631821公开了一种用于电动车辆逆变器的冷却系统，该专利的冷却系统散热片的水道为直水道，压力损失较小，并且水道两端主出/入水道水槽外侧壁存在倾角θ，即主出/入水道水槽靠近出/入水口端内径大，该水道可使冷却液在进入各个单独冷却水道时流速更均匀。但是一方面由于其是直水道结构，使冷却液的流向难于控制，易产生冷却液流经水道后不向出水口端流动，反而向相反方向流动的回流现象；另一方面由于其散热水道垂直于主出入水道，冷却液循环时需要克服阻力进行垂直变向，二者综合容易造成散热片靠近入水口部分冷却液循环不畅，导致散热不均。
实用新型内容本实用新型的目的是克服现有技术中绝缘栅双极晶体管迷宫式水冷散热器所存在的冷却效率低和冷却均匀性差的缺点，提供一种具有强制均匀冷却能力的绝缘栅双极晶体管平板式水冷散热器。
本实用新型提供了一种绝缘栅双极晶体管平板式水冷散热器，该水冷散热器包括冷却主体3和密封板1，所述冷却主体3内设有水道结构，以及与水道结构相通的入水口5和出水口10，其特征在于，所述水道结构为多通道蛇形结构7。
本实用新型所提供的IGBT平板式水冷散热器，由于选择比热较大的水作为冷却液，而且水路结构设计合理；与现有技术的散热器相比，一方面有效降低了冷却液在水路中的流动阻力，并解决了冷却液回流的问题；另一方面各水道中水流的流速比较均匀，冷却主体受热壁的面积更大，从而使热交换更为均匀，因此冷却效率高。基于以上原因，可以采用更小功率的外接水泵完成冷却液的循环。本实用新型所提供的IGBT平板式水冷散热器，在降低成本、减轻整个冷却系统重量、缩小整个冷却系统体积的同时，还能保证IGBT的正常运行。
图1为本实用新型IGBT的平板式水冷散热器的IGBT与冷却主体及密封板安装位置结构示意图；图2为冷却主体与IGBT安装位置的主视图；图3为冷却主体与IGBT安装位置的俯视图；图4为实施例1的冷却主体的结构图；图5为冷却液的循环示意图；图6为实施例2的冷却主体的结构图。
图中1、密封板 10、出水口2、密封板固定孔 11、IGBT模块3、冷却主体 12、模块固定孔4、冷却主体固定孔 13、导热硅脂5、入水口 14、冷却主体侧面6、主进水道 15、主进水道近入水口端外侧面7、蛇形水道(多条) 16、主进水道远入水口端外侧面8、凸台 17、主出水道远出水口端外侧面9、主出水道 18、主出水道近出水口端外侧面具体实施方式
如图1至图3所示，按照本实用新型所提供的一种绝缘栅双极晶体管平板式水冷散热器，该水冷散热器包括冷却主体3和密封板1所述冷却主体3内侧设有水道结构，以及与水道结构相通的入水口5和出水口10，其特征在于，所述水道结构为多通道蛇形结构7。所述蛇形水道7的条数可以是5-30条，优选8-15条；所述蛇形水道7的宽度可以是5-15毫米，优选6-10毫米，所述蛇形水道7的深度可以是5-20毫米，优选10-18毫米。
所述蛇形水道结构7两端可以分别设置主进水道6和主出水道9；主进水道6与入水口5和蛇形水道7的一端连接，主出水道9与出水口10和蛇形水道7的另一端连接。所述主进水道6或主出水道9的宽度可以是15-50毫米，优选20-40毫米，深度可以是5-20毫米，优选10-18毫米。所述主进水道6近入水口端外侧面15与冷却主体侧面14夹角以及所述主出水道9近出水口端外侧面18与冷却主体侧面14夹角均为α；所述主进水道6远入水口端外侧面16与冷却主体侧面14夹角以及所述主出水道9远出水口端外侧面17与冷却主体侧面14夹角均为β；α≤30°，优选10°≤α≤20°；β≤15°，优选1°≤β≤10°。夹角α可以起整流作用，防止在出入水口附近形成死水区。夹角β能均匀各蛇形水道的压力，从而提高靠近入水口端的蛇形水道中的水的流速。
所述绝缘栅双极晶体管(IGBT)平板式水冷散热器还包括绝缘栅双极晶体管模块11，所述绝缘栅双极晶体管模块固定在冷却主体3上。所述绝缘栅双极晶体管模块为本领域技术人员公知，是电力电子系统的一种关键电力半导体器件，运行时会产生功率损耗，同时产生大量的热量。所述冷却主体的受热壁为本领域技术人员公知，指冷却主体与IGBT模块直接接触的表面；所述冷却主体受热壁的面积，指冷却主体受热壁接触冷却液的面积。
所述散热器的热效率测试方法可以采用本领域人员公知的Fluent软件，k-e湍流模型，SMPISO算法，迎风差分格式分析。
下面结合实施例，对本实用新型做进一步的说明。
实施例1本实施例说明本实用新型所提供的IGBT平板式水冷散热器。
如图1、图4所示，本实施例的散热器包括冷却主体3和密封板1，所述冷却主体3内侧设有13条蛇形水道7，宽度为6毫米，深度为10毫米。所述主进水道6宽度为40毫米，深度为18毫米。主出水道9的宽度为40毫米，深度为18毫米。所述主进水道6近入水口端外侧面15与冷却主体侧面14夹角以及所述主出水道9近出水口端外侧面18与冷却主体侧面14夹角均为α；所述主进水道6远入水口端外侧面16与冷却主体侧面14夹角以及所述主出水道9远出水口端外侧面17与冷却主体侧面14夹角均为β；α＝0°；β＝0°。如图2、图3所示将IGBT模块11用紧固件如螺钉等安装在冷却主体3的安装面上，IGBT模块和散热器之间使用导热硅脂13，以增强热传递效率，使其散热表面与冷却主体受热壁表面贴紧，IGBT内部所产生的热量传至兼作IGBT固定底座的冷却主体中。如图1至图3所示，将密封板1上的固定孔2和冷却主体3上的固定孔4，用螺钉连接，并在密封板1和冷却主体3的接触表面上涂以密封胶，使其具有足够的密封效果和机械强度。入水接头、出水接头和散热器之间采用螺纹连接，连接时涂以密封胶。
下面对本实用新型的IGBT平板式水冷散热器的工作过程进行说明。
在图5中所示的蛇形水道结构中，冷却液经入水口5流入主进水道6经过分流，沿多条蛇形水道7改变流动方向，再流入主出水道9汇总后经出水口10流出，这样可以达到各个支路水流流速均匀，流向稳定，温度梯度均匀，热交换充分的效果。
实施例2本实施例说明本实用新型所提供的IGBT平板式水冷散热器。
与实施例1不同的是，所述冷却主体3内侧设有15条蛇形水道7，宽度为10毫米，深度为18毫米。所述主进水道6宽度为25毫米，深度为18毫米。主出水道9的宽度为25毫米，深度为18毫米。；如图6所示，α＝13°；β＝2.5°。
对实施例1-2的IGBT水冷散热器进行散热效果测试。测试的条件为，冷却主体受热壁上安装3个IGBT，单个IGBT的发热量为1790瓦，冷却水入口流速1.2米/秒，出口处压力为1个标准大气压，冷却主体的材料为铝。所得数据采用Fluent软件，k-e湍流模型，SMPISO算法，迎风差分格式分析，收敛标准为0.001。
上述散热器的冷却效果见表1。
表1
由表1可以看出，实施例2的进出口压力差比实施例1的略低，说明实施例2的循环阻力更小；在冷却主体受热壁的面积基本相同的情况下，实施例2的出口平均温度比实施例1的高2K，说明实施例2所带走的热量更多，冷却效果更好；实施例2的冷却主体受热壁的平均温度比实施例1的低3.7K，说明实施例2中夹角α的整流作用和夹角β均匀各蛇形水道压力的作用，可进一步提高散热器的散热效率。另外，与现有迷宫式水冷散热器相比，本实用新型提供的IGBT水冷散热器的冷却主体受热壁的面积大，测试结果冷却主体受热壁的平均温度低，冷却效果好；本实用新型提供的IGBT水冷散热器所需的入口压力很小，约是现有迷宫式水冷散热器要达到同样冷却效果时所需入口压力的九分之一，表明冷却液在本实用新型散热器中循环阻力小，即本实用新型所提供散热器的压力损失小，从而可以使用功率很小的外接循环水泵，减小了整个散热系统的体积和重量，最终降低了成本。
权利要求1.一种绝缘栅双极晶体管平板式水冷散热器，该水冷散热器包括冷却主体(3)和密封板(1)，所述冷却主体(3)内设有水道结构，以及与水道结构相通的入水口(5)和出水口(10)，其特征在于，所述水道结构为多通道蛇形结构(7)。
2.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述蛇形水道(7)的条数为5-30条。
3.根据权利要求2所述的散热器，其中，所述蛇形水道(7)的条数为8-15条。
4.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述每个蛇形水道(7)的宽度为5-15毫米，深度为5-20毫米。
5.根据权利要求4所述的散热器，其中，所述每个蛇形水道(7)的宽度为6-10毫米，深度为10-18毫米。
6.根据权利要求1所述的散热器，其中，所述蛇形水道(7)结构两端分别设置主进水道(6)和主出水道(9)；主进水道(6)与入水口(5)和蛇形水道(7)的一端连接，主出水道(9)与出水口(10)和蛇形水道(7)的另一端连接。
7.根据权利要求6所述的散热器，其中，所述主进水道(6)或主出水道(9)的宽度为15-50毫米，深度为5-20毫米。
8.根据权利要求7所述的散热器，其中，所述主进水道(6)或主出水道(9)的宽度为20-40毫米，深度为10-18毫米。
9.根据权利要求7所述的散热器，其中，所述主进水道(6)近入水口端外侧面(15)与冷却主体侧面(14)夹角以及所述主出水道(9)近出水口端外侧面(18)与冷却主体侧面(14)夹角均为α；所述主进水道(6)远入水口端外侧面(16)与冷却主体侧面(14)夹角以及所述主出水道(9)远出水口端外侧面(17)与冷却主体侧面(14)夹角均为β；α≤30°；β≤15°。
10.根据权利要求9所述的散热器，其中，所述夹角α、β为10°≤α≤20°；1°≤β≤10°。
11.根据权利要求1所述的散热器，其中，该散热器还包括绝缘栅双极晶体管模块，所述绝缘栅双极晶体管模块固定在冷却主体(3)上。
专利摘要一种绝缘栅双极晶体管平板式水冷散热器，该水冷散热器包括冷却主体(3)和密封板(1)，所述冷却主体(3)内设有水道结构，以及与水道结构相通的入水口(5)和出水口(10)，其中，所述水道结构为多通道蛇形结构(7)。本实用新型提供的绝缘栅双极晶体管平板式水冷散热器，有效降低了冷却液在水路中的流动阻力，并解决了冷却液回流的问题；冷却主体受热壁的面积大，从而使散热器与绝缘栅双极晶体管模块之间的热交换更为均匀，因此冷却效率高，能保证绝缘栅双极晶体管的正常运行。
文档编号H05K7/20GK2842735SQ20052012952
公开日2006年11月29日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者尚小良 申请人:比亚迪股份有限公司