CN203038911U

CN203038911U - 基于液态金属的散热装置

Info

Publication number: CN203038911U
Application number: CN 201320006719
Authority: CN
Inventors: 郭瑞; 邓月光; 考笑梅
Original assignee: BEIJING YIMIKANG THERMAL DISSIPATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: BEIJING YIMIKANG THERMAL DISSIPATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2023-01-07

Abstract

本实用新型提供一种基于液态金属的散热装置，其包括：液态金属管路，是装有液态金属的循环封闭管路，其与热源导热连接；驱动泵，用来驱动所述液态金属管路中的液态金属循环流动；热管阵列，其吸热端与所述液态金属管路导热连接；散热器，与所述热管阵列的放热段导热连接。本实用新型特别适合于具有体积小、热流密度大特点的大功率IGBT的散热。使用的时候，液态金属管道紧贴IGBT模块，将IGBT模块的高密度热量吸收并输运至与液态金属管道紧邻的热管阵列，热管阵列再进一步将热量输运至翅片散热器进行散热。本实用新型具有高效的热输运能力和优异的低成本特征，在大功率高/低压变频器领域具有重要的应用价值。

Description

基于液态金属的散热装置

技术领域

本实用新型涉及一种散热装置，特别涉及一种综合利用液态金属和热管的优势，对大功率IGBT进行散热的装置，该装置采用液态金属将IGBT处的高热量导出，并在远端利用热管和翅片散热器进行散热，可应用于能源电力领域，可对大功率高/低压变频器高效地散热。

背景技术

在能源电力领域，大功率高/低压变频器往往要求有极高的可靠性，而影响电力设备失效的主要形式是热失效，因此高/低压变频器的热设计直接关系到设备的可靠性与稳定性。高/低压变频器内多颗高功率IGBT密集排列所产生的“局部热点”是大功率变频器散热最为棘手的难题。单个高功率IGBT即可产生较大的发热量及较高的热流密度，而多颗高功率IGBT密集排列导致严重的“热量堆叠”效应，不仅造成电子组件温度过高而失效，同时使远离热源的翅片散热器效率低下，甚至失去意义。

目前，大功率IGBT的散热主要有两种方法，一种是常规的铝/铜散热器，铝、铜的热导率有限，远离“局部热点”的散热翅片温度接近环境温度，换热效率低下，增加散热面积并不能有效提升散热能力。另一种是在铝/铜基板中嵌入热管，利用热管将IGBT处的热量传递至远端，这是目前最为常用的方法，然而，热管是一种被动传热部件，其传递热量的能力比较有限，在大功率IGBT组件较集中的情况下，需布置非常密集的热管阵列，成本较高且难以满足传热需求。此外，热管的布置方式也会对热传递产生影响，受限空间内多段弯折后热管的传热性能大幅度下降。

IGBT模块的体积小、热流密度大，热量导出后体积大热流密度小，但整体热流一直大。因此需要在IGBT模块处设置高效的散热方法，同时在热量导出后的大空间内设置低成本的散热方法。

发明内容

为此，本实用新型提出一种基于液态金属的散热装置，其利用液态金属将IGBT的高密度热量导出，然后在远端结合低成本热管进行散热。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于液态金属的散热装置，其特征在于，包括：

液态金属管路，是装有液态金属的循环封闭管路，其与热源导热连接；

驱动泵，用来驱动所述液态金属管路中的液态金属循环流动；

热管阵列，其吸热端与所述液态金属管路导热连接；

散热器，与所述热管阵列的放热段导热连接。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述散热器具有前侧面与后侧面，所述后侧面上安装有散热翅片；所述热源、液态金属管路、驱动泵以及热管阵列均固定在所述散热器的前侧面。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述液态金属管路是铜管，采用紧配合的方式嵌入所述散热器的前侧面。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述的液态金属管路与所述热源直接导热连接。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述热管阵列嵌入所述散热器的前侧面上，且所述热管阵列的吸热端均邻近于所述液态金属管路。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述液态金属管路是柔性塑料管路，所述热源固定在所述的液态金属管路上；所述热管阵列的吸热端与所述液态金属管路导热连接，所述散热器与所述热管阵列的放热段焊接连接。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，还包括连接金属板，用于将所述液态金属管路与热管阵列的吸热端固定在一起。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，还包括向所述散热器吹风的风扇。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述驱动泵为电磁泵、机械泵、电润湿泵或压电泵。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述液态金属为熔点在200°C以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金。

所述的基于液态金属的散热装置，其中，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。

本实用新型特别适合于具有体积小、热流密度大特点的大功率IGBT的散热。使用的时候，液态金属管道紧贴IGBT模块，将IGBT模块的高密度热量吸收并输运至与液态金属管道紧邻的热管阵列，热管阵列再进一步将热量输运至翅片散热器进行散热。本实用新型具有高效的热输运能力和优异的低成本特征，在大功率高/低压变频器领域具有重要的应用价值。

本实用新型的优点如下：（1）液态金属具有远优于传统铜铝等金属导热及热管的传热能力，针对高密度热流的换热能力和热输运能力极强；（2）成本低廉。本方案中，在IGBT高密度热流处采用液态金属将热量高效导出（体积小，热流集中，液态金属性能优异，同时液态金属充注量较小），导出的热量再采用热管阵列进一步传导到翅片散热器进行散热（在保证性能的同时成本最低），既保证了高密度热源处极为优异的散热能力，又在低热流密度的翅片散热器处省略了液态金属的用量（翅片散热器处热流大，但热流密度小，若采用液态金属不仅对性能的影响不大，同时将产生大量的液态金属充注量，成本迅速提高），有效的降低了成本。

附图说明

图1为本实用新型的实施例1中液态金属管道为固定式管道的散热装置结构示意图；

图2为本实用新型的实施例2中液态金属管道为柔性管道的散热装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例进一步描述本实用新型。

实施例1

实施例1展示了本实用新型的基于液态金属的大功率IGBT散热装置的典型结构。图1为液态金属管道为固定式管道的散热装置结构示意图。

如图1所示，本实施例中散热装置由翅片散热器1、IGBT热源2、液态金属管路3、驱动泵4以及热管阵列5组成；其中：

所述翅片散热器1为铝制，具有前侧面与后侧面，所述后侧面上安装有散热翅片；

所述IGBT热源2，发热功率可为1000W，固定在所述翅片散热器1的所述前侧面上，并与所述前侧面导热连接；

所述液态金属管路3是装有液态金属（如镓铟锡合金）的循环封闭铜管，采用紧配合的方式嵌入翅片散热器1的前侧面，本实施例中，所述的液态金属管路3与所述IGBT热源2直接导热连接；

所述驱动泵4，优选为电磁泵，其设置于所述液态金属管路3上，用于驱动所述液态金属在所述液态金属管路3中循环流动，将所述IGBT热源2发出的热量分散到所述液态金属管路3的全周长上；优选情况下，所述驱动泵4也固定在所述翅片散热器1的所述前侧面上；

所述热管阵列5，为烧结式或沟槽式铜质热管，其嵌入所述翅片散热器1的前侧面，且所述热管阵列的吸热端均邻近于所述液态金属管路3，用于将所述液态金属管路3上的热量吸收并通过放热段传导出去。

其中，所述翅片散热器1的尺寸为100cm×100cm×10cm；所述IGBT热源2的尺寸为10cm×10cm×1cm；所述液态金属管路3为矩形，管路横截面直径为10mm，液态金属流量为30ml/s；所述热管阵列5垂直于矩形的液态金属管路3的长边且与所述长边相距1cm，热管数量为10，相互间隔为82mm，所述热管的直径为8mm，长度为700mm。

使用的时候，所述IGBT热源2会产生大量的热量，使所述IGBT热源2及其周边区域热流密度急剧升高，液态金属由驱动泵4驱动循环流动，流经IGBT模块2时吸热，并随着液态金属的流动将IGBT模块2的集中热量展开至整个液态金属管路3；热管阵列5从紧邻的液态金属管路3中吸热并将热量进一步传递至翅片散热器1的广阔散热面进行散热，而液态金属通过与热管阵列5换热而得到冷却。

本实用新型综合应用液态金属和热管，能够使IGBT热源的高密度热流向翅片散热器进行扩散，散热非常容易，系统的散热性能得以有效保障。

本实施例中，所述IGBT热源2、液态金属管路3、驱动泵4以及热管阵列5均固定在所述翅片散热器1上，使得整个散热系统集成为一个整体，部件间不能发生相对运动，有利于散热装置的整体热插拔及维护维修。

实施例2

实施例2展示了本实用新型的基于液态金属的大功率IGBT散热装置的典型结构。图2为液态金属管道为柔性管道的散热装置结构示意图。

如图2所示，本实施例中的散热装置由翅片散热器1、IGBT热源2、液态金属管路3，驱动泵4，热管阵列5，风扇6以及连接金属板7组成；其中：

所述IGBT热源2，例如功率可为1000W，其固定在所述的液态金属管路3上，从而与所述液态金属管路3导热连接；

所述液态金属管路3是装有液态金属（如镓铟铋合金）的循环封闭柔性塑料管路；

所述驱动泵4，优选为电磁泵，其安装所述的液态金属管路3上，驱动所述液态金属在所述液态金属管路3中循环流动；

所述热管阵列5，为烧结式或沟槽式铜质热管，其吸热端与所述液态金属管路3直接导热连接，将热量传导出来；

所述连接金属板7，优选为铜板，用于将所述液态金属管路3与热管阵列5的吸热端固定在一起，并使所述液态金属管路3与热管阵列5的吸热端之间直接导热连接。

所述翅片散热器1，与所述热管阵列5的放热段焊接连接，从而将所述热管阵列5所吸收的热量发散出去；

所述风扇6，是轴流式、离心式或混流式风扇，向所述翅片散热器1吹风，采用强制对流方式提升翅片散热器1的散热能力。

其中，所述IGBT热源2的尺寸为10cm×10cm×1cm；液态金属管路的直径为10mm，长度为10~500cm，管路内液态金属流量为30ml/s；热管阵列5的数量为10，直径8mm，热管间距10mm，长度700mm；所述翅片散热器1的尺寸为25cm×25cm×0.05cm，数量为35，翅片的间隔0.5cm。

工作的时候，液态金属由驱动泵4驱动流经IGBT热源2吸热，然后流经所述连接金属板7处散热，散发的热量被热管阵列5所吸收，进一步传递至翅片散热器1中散热。

由于所述液态金属管路3采用柔性塑料管道，整个散热系统空间布置可以非常灵活。

上述实施例中，所述驱动泵可为电磁泵、机械泵、电润湿泵或压电泵；所述液态金属可为熔点在200°C以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金；其中，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金；所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。

以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于液态金属的散热装置，其特征在于，包括：

热管阵列，其吸热端与所述液态金属管路导热连接；

散热器，与所述热管阵列的放热段导热连接。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述散热器具有前侧面与后侧面，所述后侧面上安装有散热翅片；所述热源、液态金属管路、驱动泵以及热管阵列均固定在所述散热器的前侧面。

3.根据权利要求2所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述液态金属管路是铜管，采用紧配合的方式嵌入所述散热器的前侧面。

4.根据权利要求1所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述的液态金属管路与所述热源直接导热连接。

5.根据权利要求2所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述热管阵列嵌入所述散热器的前侧面上，且所述热管阵列的吸热端均邻近于所述液态金属管路。

6.根据权利要求1所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述液态金属管路是柔性塑料管路，所述热源固定在所述的液态金属管路上；所述热管阵列的吸热端与所述液态金属管路导热连接，所述散热器与所述热管阵列的放热段焊接连接。

7.根据权利要求6所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，还包括连接金属板，用于将所述液态金属管路与热管阵列的吸热端固定在一起。

8.根据权利要求6所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，还包括向所述散热器吹风的风扇。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述驱动泵为电磁泵、机械泵、电润湿泵或压电泵。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述液态金属为熔点在200°C以下的钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金。

11.根据权利要求10所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金。

12.根据权利要求10所述的基于液态金属的散热装置，其特征在于，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。