一種波形微通道式換熱器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種波形微通道式換熱器，其特征在于，包括基座(2)以及與基座(2)配合使用的蓋板(3)；其中，基座(2)與蓋板(3)的配合面的中心處開設(shè)有波形微通道(201)，波形微通道(201)的進(jìn)出口處均開設(shè)有儲液池(202)，蓋板(3)上開設(shè)有分別與兩個儲液池(202)相連通的進(jìn)水口(301)和出水口(302)。本發(fā)明波形微通道的設(shè)計(jì)以及密封設(shè)計(jì)與現(xiàn)有針型柱結(jié)構(gòu)相比，具有良好的密封性和較強(qiáng)的換熱效果。本發(fā)明換熱器厚度較薄，換熱面積較大，流動阻力較小，換熱效果較強(qiáng)，非常適用于機(jī)車IGBT模塊的散熱。
【專利說明】
一種波形微通道式換熱器
技術(shù)領(lǐng)域
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[0001]本發(fā)明屬于熱能工程領(lǐng)域，具體涉及一種用于冷卻機(jī)車IGBT模塊的波形微通道式換熱器。
【背景技術(shù)】
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[0002]散熱是影響電力電子設(shè)備可靠性的重要因素，一般電力電子設(shè)備元器件的工作溫度如果超過一定的限制范圍，元器件的性能就會顯著下降，有關(guān)資料表明，電子器件溫度每升高2°C，可靠性下降10%。而在機(jī)車中，牽引系統(tǒng)的一個重要功率元件是IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊，它是一種高頻的開、關(guān)功率元件，由于工作時通過的電流較大，開、關(guān)頻率較高，所以器件的發(fā)熱量很大。因此，IGBT模塊散熱性能的好壞直接影響到整個牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0003]目前，功率器件的冷卻方式主要以自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷為主，即在被冷卻的電子器件表面加裝散熱翅片，通過強(qiáng)迫流動的冷風(fēng)將器件散發(fā)出的熱量帶走。但根據(jù)傳熱學(xué)知識，強(qiáng)迫水冷的散熱具有更高的換熱效率。但是，水冷散熱有一個很大的問題就是散熱器內(nèi)水流流動阻力過大導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。目前常用的有針柱狀矩陣散熱器和平直矩形通道散熱器。對于針柱狀矩陣散熱器，由于每個針柱都很矮小，而且針柱之間的構(gòu)造會影響流體的流動，使流體無法形成低阻力的流場，所以，這類針柱狀換熱器存在明顯的設(shè)計(jì)缺陷；而對于平直矩形通道，由于通道表面平整，由傳熱學(xué)知識可知，平直通道對流體流動的擾動很小，在流體流動時形成的邊界層較厚，故而換熱效果較差。因此，如何有效地提高液冷式換熱器的換熱效果是當(dāng)今研究高熱流密度電子器件冷卻的難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于冷卻機(jī)車IGBT模塊的波形微通道式換熱器，在減小流動阻力的情況下，能顯著提高IGBT的散熱效果。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0006]—種波形微通道式換熱器，包括基座以及與基座配合使用的蓋板;其中，
[0007]基座與蓋板的配合面的中心處開設(shè)有波形微通道，波形微通道的進(jìn)出口處均開設(shè)有儲液池，蓋板上開設(shè)有分別與兩個儲液池相連通的進(jìn)水口和出水口。
[0008]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，基座與蓋板的配合面的中心處通過電火花加工方式加工出波形微通道。
[0009]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，波形微通道與兩個儲液池的周向上開設(shè)有密封圈，密封圈上設(shè)置有密封墊片，且密封墊片位于基座與蓋板之間。
[0010]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，密封墊片為硅膠墊片。
[0011]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，基座與蓋板的配合面的周向上開設(shè)有若干螺紋孔，蓋板上開設(shè)有若干與螺紋孔相對應(yīng)的直孔，蓋板與基座之間通過螺釘、直孔以及螺紋孔連接在一起。
[0012]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，蓋板采用有機(jī)玻璃或者與基座相同材料制成。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，蓋板的進(jìn)水口和出水口均有管路連接。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，波形微通道的形狀符合正弦曲線。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，波形微通道的通道高度為3-5mm，長度為100_，通道寬度為0.5-lmm。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，基座采用紫銅材料或者鋁材料制成。
[0017]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)與效果:
[0018]1、呈正弦曲面的波形換熱通道能有效的增大換熱面積并且增大了對流體流動的擾動，極大地提高了換熱效果。
[0019]2、采用硅膠墊片密封，螺絲緊固，拆卸方便，易于安裝。
[0020]3、相比于常規(guī)矩形微通道，波形壁換熱器在相同壓降下，換熱效果得到顯著的提尚O
[0021]4、相比于常規(guī)針柱狀矩陣微型換熱器，在相同換熱效果下，壓力損失減小很大。
[0022]5、可根據(jù)實(shí)際換熱需求調(diào)整波形壁的波長、振幅以及流量，使之達(dá)到相應(yīng)的換熱需求。
[0023]6、流體入口、出口與基板上的流道垂直，方便安裝和集成；入口、出口均位于儲液池的中心位置，有利于將換熱工質(zhì)均勻地分配到各個流道。
【附圖說明】
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[0024]圖1是波形微通道換熱器的組裝圖。
[0025]圖2是本發(fā)明中基座以及微通道設(shè)置的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖3是本發(fā)明中蓋板的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖4是波形微通道的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖5是常規(guī)直通道的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖6是針柱狀矩陣通道的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖中:I為密封墊片，2為基座，3為蓋板，201為波形微通道，202為儲液池，203為密封圈，204為螺紋孔，301為進(jìn)水口，302為出水口，303為直孔。
【具體實(shí)施方式】
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[0031]以下結(jié)合附圖通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0032]如圖1至圖3所示，本發(fā)明提供的波形微通道式換熱器，由基座2、密封墊片I和蓋板3組成，其具體是:基座2的上表面通過電火花加工出波形微通道201，通道兩端設(shè)有儲液池202，在通道及儲液池四周設(shè)有密封臺階，臺階四周設(shè)有安放密封墊片的密封圈203，用來防止液體從基座和蓋板接觸間隙流出，基座座臺四周設(shè)有螺紋孔204，通過螺絲來連接蓋板3。墊片I為硅膠墊片，為長方形，厚度為5mm。蓋板3的左右兩端對應(yīng)儲液池中心處分別設(shè)有進(jìn)水口 301、出水口 302，進(jìn)出口可以互換。蓋板四周對應(yīng)于基座螺紋孔處，設(shè)有與螺紋孔孔徑相同的直孔303，用來放置螺絲連接基座。組裝時將墊片平鋪在流道上方，卡在密封臺階上，將蓋板扣壓在基座上，蓋板上的直孔與基座上的螺紋孔對齊，然后用螺絲緊固即可。已通過具體實(shí)驗(yàn)證明，密封性良好。使用時換熱器底托與被散熱器件緊密接觸固定，底托與被散熱器件之間涂有高導(dǎo)熱率的結(jié)合材料。
[0033]在蓋板的進(jìn)水口、出水口均設(shè)有連接座與管路連接。
[0034]基座可采用紫銅材料或者鋁材料，蓋板可采用有機(jī)玻璃、銅或者鋁材料制作。
[0035]作為實(shí)施例，采用CFD軟件fluent對波形微通道(如圖4所示)和常規(guī)直通道(如圖5所示)、針柱狀通道(如圖6所示)進(jìn)行了數(shù)值模擬，用來證明波形微通道的優(yōu)越性。如圖4所示，波形壁通道長80mm，肋高5mm，通道寬0.5mm，肋厚0.5mm，正弦曲線滿足Υ = 0.005.sin(2.π.χ/0.01)，即振幅為0.5cm，波長為lcm，換熱工質(zhì)為水，水流速為0.lm/s，通道底面施加lOOw/m2的熱流密度，用來模擬電子器件發(fā)熱;常規(guī)直通道的長、寬，肋高、肋厚等參數(shù)及工質(zhì)流動參數(shù)與波形微通道相同。計(jì)算表明，波形微通道的努塞爾數(shù)比常規(guī)直通道的努塞爾數(shù)提高了 20倍，而摩擦系數(shù)只增大了 10倍。同時，也對相同水力直徑的針柱狀通道，在相同流動條件下和波形壁進(jìn)行了對比。數(shù)值計(jì)算模擬表明，在相同換熱努塞爾數(shù)下，針柱狀通道的壓力損失是波形微通道的2倍。因此，綜合而言，與當(dāng)前同類產(chǎn)品比較，波形微通道的換熱效果得到很大的提升。
[0036]除了換熱器的結(jié)構(gòu)，冷卻水的流動方式與現(xiàn)有的技術(shù)對比:冷卻水經(jīng)過入水口直角轉(zhuǎn)彎后進(jìn)入儲液池，然后分散開來進(jìn)入各個流道，由于入口、出口均對應(yīng)于儲液池的中心，所以能將流體均勻的分配到每一個微通道。流道的方向與水流方向相同，大大降低了流動阻力。同時，整個換熱波形壁完全浸沒在水中，流體能夠形成均勻的流場，使得與基座接觸的IGBT模塊能夠很好的得到冷卻。
[0037]基于強(qiáng)化傳熱原理和流動阻力理論，微通道壁面采用正弦曲面式波形壁，波形壁的控制方程為Y=A.sin(2.Ji.χ/γ )，其中，A為振幅，γ為波長，可根據(jù)實(shí)際散熱需求選取不同的振幅、波長值。波形壁的采用可有效加強(qiáng)對流體的擾動，使流體邊界層被破壞，減小了熱阻。同時，波形曲面又符合流動特性，與常見的針柱矩陣狀通道相比，流動阻力大大降低。
[0038]換熱工質(zhì)可選用水、制冷劑等，換熱以單相對流換熱來實(shí)現(xiàn)冷卻技術(shù)要求。同時可根據(jù)不同散熱需求通過控制換熱工質(zhì)的流量來控制換熱效率。
[0039]本發(fā)明可用于機(jī)車IGBT模塊的冷卻也可用于計(jì)算機(jī)芯片的冷卻。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種波形微通道式換熱器，其特征在于，包括基座(2)以及與基座(2)配合使用的蓋板(3);其中， 基座(2)與蓋板(3)的配合面的中心處開設(shè)有波形微通道(201)，波形微通道(201)的進(jìn)出口處均開設(shè)有儲液池(202)，蓋板(3)上開設(shè)有分別與兩個儲液池(202)相連通的進(jìn)水口(301)和出水口(302)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，基座(2)與蓋板(3)的配合面的中心處通過電火花加工方式加工出波形微通道(201)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，波形微通道(201)與兩個儲液池(202)的周向上開設(shè)有密封圈(203)，密封圈(203)上設(shè)置有密封墊片(3)，且密封墊片(3)位于基座(2)與蓋板(3)之間。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，密封墊片(3)為硅膠墊片。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，基座(2)與蓋板(3)的配合面的周向上開設(shè)有若干螺紋孔(204)，蓋板(3)上開設(shè)有若干與螺紋孔(204)相對應(yīng)的直孔(303)，蓋板(3)與基座(2)之間通過螺釘、直孔(303)以及螺紋孔(204)連接在一起。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，蓋板(3)采用有機(jī)玻璃或者與基座(2)相同材料制成。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，蓋板(3)的進(jìn)水口(301)和出水口(302)均有管路連接。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，波形微通道(201)的形狀符合正弦曲線。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，波形微通道(201)的通道高度為3-5_，長度為100_，通道寬度為0.5-1_。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種波形微通道式換熱器，其特征在于，基座(2)采用紫銅材料或者鋁材料制成。
【文檔編號】H01L23/473GK105870081SQ201610203192
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】敬登偉, 周建東, 沈少華, 耿嘉峰
【申請人】西安交通大學(xué)