一种用于风电变流器高功率密度散热的装置

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1.本发明涉及电力电子器件散热技术领域，特别是涉及一种用于风电变流器高功率密度散热的装置。

背景技术：

2.大功率并网风电机组变流器(风电变流器)是控制风电机组输出功率至电网的核心环节，然而风电机组长时间、频繁和大范围的随机出力变化，会导致其能量转换单元持续承受剧烈的热应力冲击，是风电机组故障率最高的部件之一。风电变流器故障可能导致整个风电系统运行中断，甚至导致重大安全事故和经济损失。同时风电的大型化、海洋化对风电变流器的可靠性提出了越来越高的要求。
3.风电变流器的可靠性取决于igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块、控制板、主电路断路器等各个组件的可靠性。各组件中igbt模块是最容易发生失效的组件。导致igbt模块失效的重要原因是在运行过程中因热应力循环冲击所引发的疲劳损伤累积失效。在正常工作范围内，igbt模块平均温度每上升10℃，器件失效率将翻1倍。并且，过高的温升会导致器件永久性失效。因此降低平均结温是延长igbt模块的使用寿命、保障风电系统稳定运行的关键。
4.为限制igbt的温升，常见的冷却方式为强制风冷和水冷技术。其中，水冷技术系统复杂，工质易泄漏，附加装置费用高，维修复杂，且存在多路检测和控制信号增加等问题。强制风冷技术具有成本低，结构简单紧凑，经济性好等优势，使其在工业应用中更受青睐。但是，现有技术中的强制风冷对于igbt结温的控制仍存在以下不足：空气强制对流换热系数小，需要将散热器的体积设计得很大，以获得更大的换热面积，从而降低相应热阻。因此空间受限制、功率密度要求高的场合平均结温难以降低。

技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种用于风电变流器高功率密度散热的装置，简化散热结构，提高散热效率。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种用于风电变流器高功率密度散热的装置，设置于风电交流器的内部，所述风电交流器包括igbt模块，所述装置包括微热管阵列、多孔翅片和风机；
8.所述微热管阵列的蒸发段与所述igbt模块紧邻设置；所述多孔翅片设置在所述微热管阵列的冷凝段的外周；
9.所述风机正对所述多孔翅片设置，所述风机用于产生强制对流，以带走所述多孔翅片传导出的热量。
10.可选地，所述多孔翅片的形状为多孔锯齿形、多孔泡沫形或者多孔晶格形。
11.可选地，所述微热管阵列包括第一横管阵列和第一竖管阵列，且所述第一横管阵列中的横管与所述第一竖管阵列中的竖管一一对应；
12.所述第一横管阵列与所述第一竖管阵列为“l”型结构；
13.所述第一横管阵列的上表面与所述igbt模块固定设置，或者，所述第一横管阵列的下表面与所述igbt模块固定设置；
14.所述多孔翅片设置在所述第一竖管阵列的外周。
15.可选地，所述微热管阵列包括第二横管阵列、第二竖管阵列和第三竖管阵列；
16.所述第二横管阵列、所述第二竖管阵列和所述第三竖管阵列为“u”型结构，且所述第二竖管阵列中的竖管、所述第二横管阵列中的横管和所述第三竖管阵列中竖管一一对应；
17.所述第二横管阵列的上表面与所述igbt模块固定设置，或者，所述第二横管阵列的下表面与所述igbt模块固定设置；
18.所述多孔翅片设置在所述第二竖管阵列和所述第三竖管阵列之间。
19.可选地，所述微热管阵列和所述多孔翅片的材质均为金属。
20.可选地，所述微热管阵列、所述多孔翅片以及所述igbt模块之间通过导热硅胶粘合；
21.或者，所述微热管阵列、所述多孔翅片以及所述igbt模块之间通过自攻螺钉进行固定。
22.可选地，所述微热管阵列包括多个热管通道；
23.多个所述热管通道并联设置，且相邻的两个热管通道之间设置有间壁；所述间壁用于对相邻的两个热管通道进行分隔。
24.可选地，任一所述热管通道为实心管；
25.包含有实心管的微热管阵列、所述多孔翅片以及所述igbt模块之间通过螺栓和螺母固定，包含有实心管的微热管阵列、所述多孔翅片以及所述igbt模块之间的间隙采用导热硅胶填充。
26.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
27.本发明提供了一种用于风电交流器高功率密度散热的装置，将微热管阵列的蒸发段与风电交流器的igbt模块紧邻设置，以使得微热管阵列能够吸收转移igbt模块中产生的热量；微热管阵列的冷凝段的外部周围设置有多孔翅片，使得微热管阵列内部的液体吸热汽化，将热量转移至冷凝段之后，再由多孔翅片导出。多孔翅片所具有的高孔隙率特性使其拥有极高的比表面积，可以在有限体积内可大幅度提升换热面积，同时通过其表面的孔状设计，产生出复杂曲折的空气流动通道，能够强化空气在通道内的湍流扰动程度，以及空气间的交叉混合，实现对流换热系数的强化。最后，正对多孔翅片设置风机，风机产生强制对流，以带走多孔翅片导出的热量，能够有效增强散热效果，提高散热效率。
28.另外，本发明仅需采用微热管阵列、多孔翅片和风机，即可对风电交流器中的igbt模块进行散热，装置结构简单，成本低，同时还提高了散热效率，从而帮助延长了igbt模块的使用寿命，进而保障了风电交流器的工作效率和可靠性。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1为本发明用于风电交流器高功率密度散热的装置的示意图一；
31.图2为本发明多孔锯齿形的多孔翅片的结构示意图；
32.图3为本发明多孔泡沫形的多孔翅片的结构示意图；
33.图4为本发明多孔晶格形的多孔翅片的结构示意图；
34.图5为本发明微热管阵列的横截面图；
35.图6为本发明用于风电交流器高功率密度散热的装置的示意图二；
36.图7为本发明用于风电交流器高功率密度散热的装置的示意图三；
37.图8为本发明用于风电交流器高功率密度散热的装置的示意图四。
38.附图说明：
39.1-微热管阵列，2-多孔翅片，3-igbt模块。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.本发明提供了一种用于风电变流器高功率密度散热的装置，散热结构简单，成本降低，提高了散热效率，延长了igbt模块的使用寿命，保障风电变流器工作效率和可靠性，使风电系统更加稳定。
42.为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
43.实施例一
44.如图1所示，本实施例提供一种用于风电变流器高功率密度散热的装置，设置于风电交流器的内部，所述风电交流器包括igbt模块3，所述装置包括微热管阵列1、多孔翅片2和风机；如图2、图3和图4所示，所述多孔翅片2的形状分别为多孔锯齿形、多孔泡沫形或者基于增程制造技术的多孔晶格形，具体地，多孔翅片2的选用可根据实际情况进行确定。由于所述多孔翅片2具有高孔隙率特性，其拥有极高的比表面积(可达10000m2/m3)，进而能够在有限体积内大幅度提升换热面积。并且，所述多孔翅片2能够产生复杂曲折的空气流动通道，强化空气在通道内的湍流扰动程度，以及空气间的交叉混合，实现对流换热系数的强化。
45.所述微热管阵列1的蒸发段与所述igbt模块3紧邻设置；所述多孔翅片2设置在所述微热管阵列1的冷凝段的外周。具体地，所述微热管阵列1的外形为薄板形状，所述微热管阵列1的薄板外形结构能够使微热管阵列1与igbt模块的换热面紧密贴合。
46.所述微热管阵列1的内部并列设置多根、独立运行的热管通道，即，多个所述热管通道并联设置，从而在单一热管通道损坏的情况下，其他热管通道仍可以正常运行，对整体影响不大。
47.所述微热管阵列1中的热管通道的数量可达数十个，每个热管通道的内表面均具
有微米级突起结构，用于强化传热，具体请见附图5。相邻的两个热管通道之间设置有间壁；所述间壁用于对相邻的两个热管通道进行分隔，所述间壁还能够起到“加强筋”的作用，增大了微热管阵列1的承压能力。
48.所述风机正对所述多孔翅片2设置，所述风机用于产生强制对流，以带走所述多孔翅片2传导出的热量。具体地，所述风机的风力大小是可调的。
49.优选地，所述微热管阵列1包括第一横管阵列和第一竖管阵列，且所述第一横管阵列中的横管与所述第一竖管阵列中的竖管一一对应；所述第一横管阵列与所述第一竖管阵列为“l”型结构或者近似为“l”型结构。所述第一横管阵列对应微热管阵列1的蒸发段，所述第一竖管阵列对应微热管阵列1的冷凝段。
50.如图1所示，所述第一横管阵列的上表面与所述igbt模块固定设置，或者，如图6所示，所述第一横管阵列的下表面与所述igbt模块固定设置。所述多孔翅片设置在所述第一竖管阵列的外周。
51.所述微热管阵列1依靠内部工质汽-液相变传递热量，热管通道内部饱和液体从蒸发段(第一横管阵列与igbt模块接触的一侧)吸收热量汽化，自然向上流动至冷凝段(第一竖管阵列)放热并冷凝成液体，经重力作用回流到蒸发段，实现吸热和放热的自循环过程，这种结构更利于热交换，达到将igbt模块3快速冷却的效果。
52.所述微热管阵列1的表观热导率可达200000w/(m
·
k)，是各类固体材料导热率的数十倍乃至数百倍(铜、石墨烯的导热率分别为400w/(m
·
k)、5000w/(m
·
k)左右)。并且，微热管阵列1具有良好的均温型和热响应速度，50cm长度的微热管阵列(加热区域仅为5cm)温差不超过1℃且在80s内温度达到稳定状态。在具体实际应用中，可根据需要对微热管阵列的长度和宽度进行调整。
53.进一步地，所述微热管阵列1和所述多孔翅片2的材质均为金属。
54.所述微热管阵列1、所述多孔翅片2以及所述igbt模块3之间，有三种固定安装方式：
55.(1)所述微热管阵列1、所述多孔翅片2以及所述igbt模块3之间通过导热硅胶粘合，提高传热效果。
56.(2)所述微热管阵列1、所述多孔翅片2以及所述igbt模块3之间通过自攻螺钉进行固定，而三者之间的间隙则采用导热硅胶进行填充。
57.(3)任一所述热管通道为实心管；包含有实心管的微热管阵列1、所述多孔翅片2以及所述igbt模块3之间通过螺栓和螺母固定，包含有实心管的微热管阵列1、所述多孔翅片2以及所述igbt模块3之间的间隙采用导热硅胶填充。其中，螺栓包括螺帽和螺杆，螺帽和螺杆为一体式结构，螺杆上设有外螺纹；螺母与螺栓对应配合，通过螺纹相连。在实际应用，可根据需要增加垫圈等部件。
58.实施例二
59.本实施例与实施例一的不同之处在于：
60.所述微热管阵列1包括第二横管阵列、第二竖管阵列和第三竖管阵列；所述第二横管阵列、所述第二竖管阵列和所述第三竖管阵列为“u”型结构或者近似为“u”型结构，且所述第二竖管阵列中的竖管、所述第二横管阵列中的横管和所述第三竖管阵列中竖管一一对应；所述第二横管阵列对应微热管阵列1的蒸发段，所述第二竖管阵列和所述第三竖管阵列
对应微热管阵列1的冷凝段。
61.如图7所示，所述第二横管阵列的上表面与所述igbt模块固定设置，或者，如图8所示，所述第二横管阵列的下表面与所述igbt模块固定设置；所述多孔翅片设置在所述第二竖管阵列和所述第三竖管阵列之间。
62.相对于现有技术，本发明还具有如下优点：
63.(1)本发明用于风电交流器高功率密度散热的装置，采用微热管阵列和多孔翅片的散热系统能迅速进行热响应，在有限体积内可大幅度提升换热面积，同时实现对流换热系数的强化；成本降低，结构简单，散热效率高，延长igbt块的使用寿命，保障了风电变流器的运行效率和可靠性。
64.(2)本发明所采用的热管冷却依托于微热管阵列，体积小寿命长、冷却过程无噪音且导热性强。热管技术利用相变介质快速热传递的性质，能够将热源热量迅速传递出去，其导热能力超过任何已知金属。
65.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
66.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种用于风电变流器高功率密度散热的装置，设置于风电交流器的内部，所述风电交流器包括igbt模块，其特征在于，所述装置包括微热管阵列、多孔翅片和风机；所述微热管阵列的蒸发段与所述igbt模块紧邻设置；所述多孔翅片设置在所述微热管阵列的冷凝段的外周；所述风机正对所述多孔翅片设置，所述风机用于产生强制对流，以带走所述多孔翅片传导出的热量。2.根据权利要求1所述的用于风电交流器高功率密度散热的装置，其特征在于，所述多孔翅片的形状为多孔锯齿形、多孔泡沫形或者多孔晶格形。3.根据权利要求1所述的用于风电交流器高功率密度散热的装置，其特征在于，所述微热管阵列包括第一横管阵列和第一竖管阵列，且所述第一横管阵列中的横管与所述第一竖管阵列中的竖管一一对应；所述第一横管阵列与所述第一竖管阵列为“l”型结构；所述第一横管阵列的上表面与所述igbt模块固定设置，或者，所述第一横管阵列的下表面与所述igbt模块固定设置；所述多孔翅片设置在所述第一竖管阵列的外周。4.根据权利要求1所述的用于风电交流器高功率密度散热的装置，其特征在于，所述微热管阵列包括第二横管阵列、第二竖管阵列和第三竖管阵列；所述第二横管阵列、所述第二竖管阵列和所述第三竖管阵列为“u”型结构，且所述第二竖管阵列中的竖管、所述第二横管阵列中的横管和所述第三竖管阵列中竖管一一对应；所述第二横管阵列的上表面与所述igbt模块固定设置，或者，所述第二横管阵列的下表面与所述igbt模块固定设置；所述多孔翅片设置在所述第二竖管阵列和所述第三竖管阵列之间。5.根据权利要求1所述的用于风电交流器高功率密度散热的装置，其特征在于，所述微热管阵列和所述多孔翅片的材质均为金属。6.根据权利要求1所述的用于风电交流器高功率密度散热的装置，其特征在于，所述微热管阵列、所述多孔翅片以及所述igbt模块之间通过导热硅胶粘合；或者，所述微热管阵列、所述多孔翅片以及所述igbt模块之间通过自攻螺钉进行固定。7.根据权利要求1所述的用于风电交流器高功率密度散热的装置，其特征在于，所述微热管阵列包括多个热管通道；多个所述热管通道并联设置，且相邻的两个热管通道之间设置有间壁；所述间壁用于对相邻的两个热管通道进行分隔。8.根据权利要求7所述的用于风电交流器高功率密度散热的装置，其特征在于，任一所述热管通道为实心管；包含有实心管的微热管阵列、所述多孔翅片以及所述igbt模块之间通过螺栓和螺母固定，包含有实心管的微热管阵列、所述多孔翅片以及所述igbt模块之间的间隙采用导热硅胶填充。

技术总结

本发明公开一种用于风电变流器高功率密度散热的装置，设置于风电交流器的内部，所述风电交流器包括IGBT模块，涉及电力电子器件散热技术领域，装置包括微热管阵列、多孔翅片和风机；所述微热管阵列的蒸发段与所述IGBT模块紧邻设置；所述多孔翅片设置在所述微热管阵列的冷凝段的外周；所述风机正对所述多孔翅片设置，所述风机用于产生强制对流，以带走所述多孔翅片传导出的热量。本发明简化了散热结构，提高了散热效率。提高了散热效率。提高了散热效率。