[实用新型]可控硅装置的水冷式微槽群复合相变集成冷却散热装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及散热技术领域，是一种可控硅装置的水冷式微槽群复合相变集成冷却散热装置，应用于各种由多个大功率可控硅(晶闸管)电力电子器件组成的超大功率的电力电子设备的散热与热控制系统。

背景技术

与众所周知的用于计算机、电视等信号传播与信息交换的弱电领域中的小功率电子器件不同，电力电子器件是指应用于电力领域(强电领域)对电能进行控制和变换的功率电子器件，通常是指电流可达数千安培，可承受电压数千伏的大功率电子器件。它以交流与直流、直流与直流、交流与交流等相互之间和大小之间的变化，适应不同用电设备、不同场合的用电要求。而可控硅(晶闸管)电力电子器件是电力电子技术的核心和基础。其作用不仅是整流，它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。可控硅装置在电力系统、电气化铁道、金属冶炼、电解、电镀等众多行业中有着及其广泛的应用。由于可控硅元件的发热热流密度大，发热量高，从小尺寸大功率的可控硅元件表面有效地取热一直是个难题，加上可控硅装置的功率超大、可控硅元件数量多以及强电场等工作特点，其散热方法及散热系统与计算机等通常的电子设备的散热有着很大的不同。

目前，国内外用于各种可控硅电力电子装置散热的技术主要有常规尺寸的强制液冷、强制风冷以及热管等三种。其中，采用常规尺寸的强制液冷方式的散热系统主要是由散热器、冷却水、冷却水管路、冷却水泵、水处理装置以及外部用以二次冷却的循环水系统或风冷系统等组成。散热器内部流过冷却水，散热器的外表面与发热的可控硅紧密接触，冷却水通过单相强制对流换热方式将发热的可控硅产生的热量带走，并与外部的循环水系统或风冷系统进行热量交换(二次冷却)，从而降低可控硅电力电子装置的工作温度，而与外部进行热量交换后的冷却水则再经过复杂的水处理装置的去离子处理，由冷却水泵再度输运到散热器中。它一般采用串联的方式对组成电力电子设备的多个可控硅进行依次冷却，对可控硅温度进行控制的能力较差，尤其是对于多个可控硅组成的电力电子装置采用串联方式强制液冷时，各个可控硅的工作温度相差更大。在常规的流动通道尺寸下，其单位面积的取热能力不高，因而散热量不是很大，对大功率可控硅电力电子器件的降温作用有限。另外，其装置复杂，冷却水循环时的压头损失大，所需的冷却水与循环水的流量高，消耗的泵功巨大；散热系统的冷却水管路又几乎全部处于高电压高电流的可控硅电力电子器件所在位置，存在着因冷却水渗漏所导致的电绝缘降低、短路等严重安全隐患，因而该冷却方式对散热系统的密封性要求高；由于冷却水流经与高电压高电流的可控硅电力电子器件相接触的散热器，需对冷却水不断进行去离子处理，以避免电腐蚀和漏电现象，保证电绝缘安全，因而所配套的水处理装置复杂，价格昂贵，整个强制液冷系统的运行维护费用高，安全可靠性低，其能力与技术特点已难以满足由小尺寸大功率的可控硅电力电子器件所组成的超大功率电力电子设备的散热要求。采用在发热的可控硅所处位置加装大而笨重的形状复杂的实体型散热铝锭或大型散热肋片与可控硅紧密接触，并结合多台千瓦级大型风扇和安装专用风道对可控硅进行强制风冷，是目前使用最为普遍的大功率可控硅电力电子装置的散热方式。该技术利用实体型散热铝锭上的散热片或大型散热肋片来增加对流换热面积，再以多台大型风扇和专用风道通风对实体型散热铝锭或大型散热肋片进行强制对流气冷，将可控硅的热量散失出去，从而达到使可控硅冷却的效果。实际应用情况表明：散热片的设计与风扇的配合对这种空冷方式散热效果有决定性的影响。空冷方式的单位面积的取热能力过低，因而散热量很小，对大功率可控硅电力电子器件的降温作用微弱。随着可控硅功率密度的不断提高，若想提高散热量，实现较好的降温效果，就必须在与可控硅相接触的有限取热空间里设置面积超大的散热铝锭或散热片，整个冷却装置占用较大的空间，从而使得整个可控硅电力电子设备的体积变得庞大，同时还必须大幅度地加大风量。显然，实施这种方案并不现实，况且对散热的强化作用也非常有限。另外，与强制液冷方式一样，空冷方式的热控制性能也很差。因而随着可控硅功率的不断增大和尺寸的不断减小，空冷方式的散热问题日益突出，已超过散热片与风扇的组合所能达到的极限散热负荷，而且用于空冷的大型风扇故障率高，需经常性地停机检修维护，因停机所造成的经济损失非常巨大。单独应用强制风冷散热方式已不能满足由小尺寸大功率的可控硅电力电子器件所组成的超大功率电力电子设备的散热要求。热管是目前国内外已应用在一些可控硅整流装置(整流柜)中的一种较新的散热技术。通过夹固装置，热管的蒸发段外壁与发热的可控硅表面紧密接触，可控硅产生的热量使热管蒸发段的液体受热蒸发成蒸汽，蒸汽携带热量流向热管的冷凝段冷凝，在热管冷凝段的外管壁上沿热管轴向方向布置有肋片群，热量最终通过肋片与环境之间的强制空冷换热方式散失到外界环境中去。但是，由于热管的槽道中液体表面存在有相反方向的蒸汽流动，因此除与固体接触的摩擦阻力外，还受到蒸汽逆向流动对液体的摩擦阻力，当热负荷较高，蒸汽流速较大时产生挟带现象，汽液之间的不稳定性增加，减少了凝结液回流至蒸发段蒸发；加上热管的毛细芯结构在承担较高热负荷时，内部所产生的大量汽泡难以破裂，使得蒸汽逸出通道被堵塞，从而导致毛细芯干涸，过早出现沸腾极限。这些都将造成蒸发段管壁温突然上升，使热管因高温损毁或失效。另外，采用热管技术的单个可控硅散热装置的体积仍不小，装配成针对多个可控硅组成的电力电子设备的整个散热装置的体积将很大。另外，由于热管管径较小，热管的蒸发段面积与冷凝段冷凝面积非常有限，热管总的凝结换热量很小，因而，尽管热管冷凝段的外管壁上布置有大量散热肋片，但热管的总散热量仍然非常有限，难以满足大功率的可控硅电力电子设备的散热要求。