一种用于igbt的两相流冷却装置
阅读说明：本技术 一种用于igbt的两相流冷却装置 (Two-phase flow cooling device for IGBT ) 是由 李萍 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于IGBT的两相流冷却装置,包括换热冷板模块、混流管、储液缓冲罐、散热器和动力泵,换热冷板模块、混流管、储液缓冲罐和散热器依次环状连接形成冷却循环流道,动力泵接入冷却循环流道；换热冷板模块包括一个中空的壳体,壳体的两端接入冷却循环流道,壳体的一侧面为换热面板,换热面板的外侧面焊接IGBT,内侧面上设有换热翅片,在换热翅片上设有强化沸腾层。与现有技术相比,本发明具有实现小流量冷媒的高效散热,降低冷却装置对动力泵的功率要求和整体密闭性要求,提高工作稳定性等优点。(The invention relates to a two-phase flow cooling device for an IGBT (insulated gate bipolar transistor), which comprises a heat exchange cold plate module, a mixed flow pipe, a liquid storage buffer tank, a radiator and a power pump, wherein the heat exchange cold plate module, the mixed flow pipe, the liquid storage buffer tank and the radiator are sequentially connected in an annular manner to form a cooling circulation flow channel, and the power pump is connected into the cooling circulation flow channel; the heat exchange cold plate module comprises a hollow shell, the two ends of the shell are connected into a cooling circulation flow channel, one side face of the shell is a heat exchange panel, the outer side face of the heat exchange panel is welded with an IGBT (insulated gate bipolar translator), the inner side face of the heat exchange panel is provided with heat exchange fins, and reinforced boiling layers are arranged on the heat exchange fins. Compared with the prior art, the invention has the advantages of realizing the high-efficiency heat dissipation of the low-flow refrigerant, reducing the power requirement and the integral tightness requirement of the cooling device on the power pump, improving the working stability and the like.)
技术领域
本发明涉及IGBT散热领域，尤其是涉及一种用于IGBT的两相流冷却装置。
背景技术
目前市场上对于大功率的IGBT芯片散热方式主要采用强制风冷和间接液冷技术。
风冷的主要方式为风扇加散热片的强制对流换热。其主要缺点是：散热效率差，温度控制不稳定，受空间环境及气温的影响大，而且风冷装置整体占用体积大，系统不密闭，对系统电子元器件寿命影响大。
间接液冷技术是采用液冷板进行冷却，IGBT芯片通过导热膏，导热胶等贴在液冷板上，然后将液冷板接入外部的散热器进行循环散热。其主要缺点是：控制芯片的温度需要冷媒的流量大，从而导致整个系统的流阻大，压力大，对系统泵的功率要求较高，对系统的密闭性要求高，从而容易出现故障，工作稳定性差；同时，冷却液一般采用水或者乙二醇水溶液，长时间有结垢、腐蚀等风险。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于IGBT的两相流冷却装置，实现小流量冷媒的高效散热，降低冷却装置对动力泵的功率要求和整体密闭性要求，提高工作稳定性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于IGBT的两相流冷却装置，包括换热冷板模块、混流管、储液缓冲罐、散热器和动力泵，所述换热冷板模块、混流管、储液缓冲罐和散热器依次环状连接形成冷却循环流道，所述的动力泵接入冷却循环流道；所述换热冷板模块包括一个中空的壳体，壳体的两端接入冷却循环流道，壳体的一侧面为换热面板，换热面板的外侧面焊接IGBT，内侧面上设有换热翅片，在换热翅片上设有强化沸腾层。
进一步地，所述的强化沸腾层为层叠设置的微纳多孔层。
进一步地，所述的混流管内设有扰流条、微通道或螺旋盘管。
进一步地，所述的混流管内设有扰流条，所述扰流条每扭转360°的轴向长度与混流管内径之比为4～6。
进一步地，所述的储液缓冲罐包括储液室和缓冲室，储液室和缓冲室之间通过弹性膜隔离，所述的储液室的两端接入冷却循环流道。
进一步地，所述的缓冲室上设有气孔。
进一步地，所述的弹性膜为PVC弹性膜、硅橡胶弹性膜、丁基橡胶弹性膜或EPDM弹性膜。
进一步地，包括多个换热冷板模块，多个换热冷板模块并排设置，多个换热冷板模块的两端共同通过汇流排接入冷却循环流道。
进一步地，所述的散热器上设有风扇组。
进一步地，冷却循环流道内的液体冷媒为电子氟化液。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明在传统的换热冷板内增加了设有强化沸腾层的换热翅片，并且在冷却循环流道内增加了混流管和储液缓冲罐。在冷媒的散热循环过程中，由于强化沸腾层可以增加冷媒的汽化核心数，部分冷媒可在换热冷板内直接汽化提高散热效率；然后将气液混合的冷媒导入混流管中重新充分混合，形成单相液体进入到储液缓冲罐中；储液缓冲罐用于调节冷媒相变导致的压力变化。由此，本发明实现了小流量冷媒的高效散热，能够显著降低对动力泵的功率要求和循环流道的密闭性要求，减小整体体积，提高工作稳定性，并且节约能源。
2、本发明通过将IGBT和换热冷板模块焊接，减小互相之间的热阻，增强换热效率。
3、混流管内设有扰流条、微通道或螺旋盘管，提高气液混合的效率。
4、缓冲室上设有气孔，通过外置气泵装置能够更好地调节缓冲室气压，从而提高储液缓冲罐缓冲和释放的效果。
5、本发明可以设置多个换热冷板模块并排接入，通过汇流排的结构易于装配和调整。
6、本发明中的液体冷媒采用电子氟化液，惰性强，不会对系统产生腐蚀，提高了可靠性。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图。
图2为图1中换热冷板模块的A向剖视示意图。
图3为储液缓冲罐的结构示意图。
图4为实施例二的换热冷板模块结构示意图。
附图标记：1-换热冷板模块、101-换热翅片、102-强化沸腾层、103-壳体、104-换热面板、2-IGBT、3-温度传感器、4-混流管、5-储液缓冲罐、501-储液室、502-弹性膜、503-缓冲室、504-气孔、6-风扇组、7-散热器、8-动力泵、9-汇流排。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种用于IGBT的两相流冷却装置，针对某充电桩内的IGBT。两相流冷却装置包括换热冷板模块1、混流管4、储液缓冲罐5、散热器7和动力泵8。换热冷板模块1、混流管4、储液缓冲罐5和散热器7依次环状连接形成冷却循环流道，动力泵8接入冷却循环流道，具体为设置在换热冷板模块1和散热器7之间。IGBT2焊接在换热冷板模块1上。
本实例的冷却循环过程为：一定过冷度的液体冷媒通过动力泵8传输到换热冷板模块1中，在换热冷板模块1中进行部分汽化，汽液混合物从换热冷板模块1中排出进入到汽液混流管4中；在混流管4中气体冷媒和液体冷媒充分混合，形成单相液体进入到储液缓冲罐5中；最后液体冷媒进入散热器7中进行降温，再进入泵中，完成整个循环。
如图2所示，换热冷板模块1包括一个中空的壳体103，壳体103的两端接入冷却循环流道。壳体103的顶面为换热面板104，换热面板104的外侧面焊接IGBT2，内侧面上设有换热翅片101，在换热翅片101上设有强化沸腾层102。换热面板104采用纯铜材料，采用线切割的方式加工出换热翅片101。其中换热翅片101的厚度为2mm，翅片的高度为10mm，翅片的间距为2mm。换热翅片101有效地增加了换热面板104的表面积，而强化沸腾层102增加了汽化核心数，有利于部分冷媒可在换热冷板模块1内直接汽化提高散热效率。强化沸腾层102为微纳多孔层(微米或纳米级别的多孔结构)，可以采用烧结铜粉层，粘接铜网层，生长纳米线层等，本实施例中优选采用焊接铜网层。铜网分三层由内往外依次分别是200目、200目、100目，采用真空压力扩散焊。具体焊接方法是将铜网排布在换热翅片101中，采用齿合模具进行加压压制，压力为5MPa，在真空压力扩散焊炉中，焊接24小时，焊接温度为800℃。
IGBT2和换热面板104采用低温锡膏进行焊，减小IGBT2与换热面板104之间的热阻。
混流管4的作用是将高效换热板的汽液共混的冷却液进一步充分混合，将管路中两相流变成单相流。为了充分混合，混流管4内设有扰流条、微通道或螺旋盘管的至少一种，本实施例中优选扰流条。扰流条的扭转程度采用全节距H即扰流条每扭转360°的轴向长度与圆管内径Di之比表示，称为扭率YY＝H/Di，扭率Y一般设计4～6，优选5。
如图3所示，储液缓冲罐5既是储存液体的容器也是平衡系统压力的装置，可以更好地调节冷媒相变导致的压力变化。储液缓冲罐5包括储液室501和缓冲室503，储液室501和缓冲室503之间通过弹性膜502隔离，储液室501的两端接入冷却循环流道。缓冲室503上设有气孔504。气孔504连接有气泵未给出。具体作用为，两相流循环流道内压力变大，气泵抽气缓冲室503变小，储液室501变大降低系统压力。相反，两相流循环流道内压力变小，气泵打气缓冲室503变大，储液室501变小增大系统压力。弹性膜502具有超弹性，满足小压差大形变，可以采用PVC弹性膜502、硅橡胶弹性膜502、丁基橡胶弹性膜502或EPDM弹性膜502，本实施例中选用EPDM弹性膜502。
储液缓冲罐5的具体工作过程为，当IGBT2未工作时，系统中充满冷却液，为保持弹性膜502不发生形变，需要给缓冲室503内进行加压，压力为50KPa；系统运行时，由于流道内为两相流，气体占据系统的空间体积，因此，流道内的整体压力变大，为保持系统的压力恒定，弹性膜502开始向缓冲室503侧进行凸起，压缩缓冲室503的空间，缓冲室503压力变大，为保持缓冲室503压力不变，对缓冲室503进行抽气维持压力平衡。当IGBT2功率越大，冷媒汽化越多，缓冲室503越被压缩，缓冲室503抽出的空气越多。当IGBT2工作或功率降低时，冷媒汽化减小，弹性膜502回复变形，缓冲室503需要进行打气以维持整个系统压力的平衡。
散热器7上还设有风扇组6，风扇组6和散热器7最终将IGBT2热量释放到大气中。
本实施例中动力泵8具体为磁力泵；风扇选择轴流风扇；散热器7为风冷表冷器。
在IGBT2和换热冷板模块1之间还可以设有温度传感器3，用于连接风扇组6调节风扇的转速，当温度传感器3采集温度超过设定阈值，通过PWM调节控制风扇的转速，提高风扇的转速，以降低系统的温度，满足IGBT2的散热需求。
本实施例中的液体冷媒采用电子氟化液，惰性强，不会对系统产生腐蚀，提高了可靠性。
实施例二
如图4所示，本实施例和实施例一的不同之处在于：具有多个并排设置的换热冷板模块1，多个换热冷板模块1的两端共同通过汇流排9接入冷却循环流道，本实施例中优选四个。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
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