專利名稱：改進的散熱器組件的制作方法
技術領域：
本發明涉及 一 種運輸車輛，其使用需要冷卻系統的高功率電子裝置
(power electronics),且更特別地涉及一種用于減少氣路堵塞的散熱器組件。
背景技術：
機車和相關運輸車輛裝備有功率電子裝置，其冷卻系統使用具帶散熱片 的散熱器來幫助散熱。這些散熱器通過強制通風冷卻。先前的散熱器設計使 用具有均勻間隔的散熱片設置。散熱片的數目和間隔和形狀和尺寸確定了散 熱器的冷卻性能。當前在機車中使用的典型的散熱器是Aavid Thermalloy開發的。
在一些情況下，氣流被引導以流動穿過散熱器。這樣的設計可能容易被 例如柴油機煙霧、粉塵、泥土等氣載沉降物阻塞。當阻塞時，散熱器的效率 顯著降低，導致功率電子裝置的較差的冷卻，且導致由于這些電子裝置可能 經受過高的溫度而增加故障率。
發明內容
本發明涉及改良的散熱器，其用于減少散熱器內的氣路阻塞。為此，揭 示了 一種包括在冷卻系統中的帶散熱片的散熱器，所述冷卻系統用于冷卻機 車上的功率電子裝置，所述散熱器使得空氣穿過進口氣流通道，以到達多個 散熱片，其中可減少所述多個散熱片的氣載沉降物阻塞，該散熱器包括至
少一個旁路區域，該旁路區域在一區域沒有散熱片，在那里沉降物穿過所述 多個散熱片；轉向引導部，其在特定位置處引導所述多個散熱片之間的空氣； 所述多個散熱片中至少 一個散熱片上的降低阻塞散熱片結構；和/或大致在所 述進口氣流通道內的散熱片。
在另一優選實施例中，揭示了一種散熱器組件，其最小化了由沉降物導 致的氣路阻塞。該組件包括限定所述散熱器組件的兩個尺寸的基座元件、 連接到所述基座元件且從所述基座元件延伸的多個散熱片。該組件進一步包括進口氣流通道，空氣穿過該通道行進以到達所述多個散熱片。該組件包括 至少一個旁路區域，該旁路區域在一區域沒有散熱片，在那里沉降物穿過所
述多個散熱片；轉向引導部，其在特定位置處引導所述多個散熱片之間的空 氣；所述多個散熱片中至少一個散熱片上的降低阻塞散熱片結構；和/或大致 在所述進口氣流通道內的散熱片。
參考附圖中所示的具體實施例，將對上面簡要描述的本發明進行更詳細 的說明。理解這些附圖僅描述了本發明的典型實施例，且不認為是對本發明 范圍的限制，本發明通過使用附圖進行描述和解釋附加特征和細節，其中 圖1是具有現有技術的帶散熱片的散熱器的現有技術外殼的示意圖； 圖2是帶散熱片的散熱器的典型實施例的橫截面，示出了中心旁路區域； 圖3是保持帶散熱片的散熱器的外殼內的外殼引導葉片的典型實施例； 圖4是外殼內的帶散熱片的散熱器的典型實施例的頂視圖，其中外殼的 實心分隔部纟皮去除；
圖5是外殼內的帶散熱片的散熱器的典型實施例的頂視圖，其中散熱器 擴張到進口通道區域內；
圖6是散熱片和外殼之間的過渡密封件的詳細視圖； 圖7示出了外殼中的散熱器，其中外殼沒有分隔壁； 圖8示出了用于散熱器散熱片的典型引導邊緣設計； 圖9示出了各種散熱片設置的典型實施例
圖10示出了散熱片如何被分隔以提供對于散熱片的支撐的典型現有技 術實施例；
圖11 (a)和ll (b)是不同長度的散熱片的典型實施例的視圖； 圖12是具有波狀外形(contoured)的散熱片的典型實施例的視圖。
具體實施例方式
參考附圖，現在將描述本發明的典型實施例。然而，應注意，盡管本發 明描述了各種發明或改進，其可被用在散熱器上，這些改進也可以單獨用在 單獨的應用中或各種組合中，包括所有的曾經的版本，可被一起使用。為此， 此處所述的典型實施例不應被視為單獨的發明，因為它們也可被一起使用。圖l示出了典型散熱器，其是當前使用的用于冷卻機車上的功率電子裝 置。該散熱器IO容納在外殼12中，該外殼引導氣流13穿過散熱器10。散
熱器10通過設置在把散熱器從進口氣流通道19隔開的兩個實心分隔壁27 之間而被保持在適當位置。散熱器10具有散熱片14，氣流被引導穿過該散 熱片。由于氣流13前進通過進口氣流通道或過道19穿過外殼，且在外殼12 中經過彎曲部15,較重的沉降物顆粒被強制到彎曲部分的外側，且撞擊在散 熱器面18的中心部17上，在那里兩個進口通道匯聚。通過散熱器10的沉 降物攝取實驗，該現象已被進一步驗證。 一旦沉降物阻塞出現在散熱器的中 心部17,該阻塞則繼續橫穿散熱器的面18發展。
圖2描述了帶散熱片的散熱器橫截面的典型實施例，示出了中心旁路區 域。通過在散熱器10中建立中心旁路20，穿過散熱器散熱片14的中心的開 口通道20被建立，其允許沉降物穿過給散熱器10,而不沉淀在散熱器10 的入口面18上。為了彌補去除的散熱器散熱片14,在整體寬度、散熱片高 度、長度和散熱片的數目方面對散熱器10的整體尺寸進行了修改，以實現 與原始散熱器相比時的等效的熱性能。這是通過散熱片14的恒定間隔和旁 路區域20內的較大的間隔或通過朝向散熱器10的中心部17逐漸增加散熱 片14的間隔而實現的。本領域技術人員容易認識到，依賴于氣流被引導的 位置和預期的沉降物的最高濃度的沉積位置，旁路區域20不需要位于面18 的中心部17內，而位于預期的沉降物最高濃度的位置。
圖3描述了固定在保持帶散熱片的散熱器的外殼內的外殼引導葉片的典 型實施例。在外殼12內包括轉向葉片25可進一步增強上述旁路配置的效率。 這些葉片25可用于更準確地控制穿過旁路17轉向的氣流13的特定部分和 量。轉向葉片25引導較重的微粒到較大的開口，以延遲和/或避免阻塞的開 始。盡管示出了兩個葉片25,但可使用多個葉片25。
如上所迷，本散熱器10安裝在兩個實心分隔壁27內，該壁用于定位散 熱器IO,以引導氣流13。另外的包裝散熱器10的方法可用于增加散熱器10 的體積而不增加其總體尺寸和/或重量。增加體積允許散熱片14被去除/移 動，其由此允許增加散熱片間隙，而沒有明顯的傳熱面積的相應損失。
圖4和5示出了具有兩個可供選擇的方法的本設計。具體地，圖4描述 了外殼內帶散熱片的散熱器的典型實施例的頂視圖，其中外殼的實心分隔壁 被去除。在該典型實施例中，分隔壁27被去除。在典型實施例中，外側散熱器散熱片可制造的比內部散熱片厚，以提供額外的結構支撐和/或改善冷卻 系統的熱傳遞速度。
圖6描述了散熱散熱片和外殼之間的過渡密封件的詳細視圖。壁27被 去除，除了傾斜部分31設置在外殼12的端部，以在散熱器IO和組件12之 間具有過渡密封件，所述組件12包括進口氣流通道19、和焊接件33。而且， 有肋的槽35設置在外殼12內，以便于容易地定位和使用密封件37，例如墊 圈，優選地在一側具有壓力敏感粘合劑，盡管可使用任意密封材料。
散熱器0構造有外部實心散熱片14，其具有與傾斜部分31匹配的半徑 和適當的厚度，以安裝到有肋的槽35內和沿散熱片14的長度擠壓墊圈37。 通過這樣的方式，散熱器10取代了原來的分隔物27。
盡管揭示了過渡密封件和傾斜部分以在散熱器和基座之間提供密封，本 領域技術人員將容易地認識到，其它實施例可以實現同樣的連接，其中散熱 器散熱片14與基座熱連接。例如，具有矩形形狀的散熱片14可具有延伸到 焊接件的端部。類似地，可位于進口氣流通道19內的散熱片14還可與氣流 通道19熱連接。
除了保持壓降恒定以允許分配空氣穿過多個平行散熱器之外，還設置受 控限制元件40。如圖7所示，限制元件40安裝到外殼組件12。本領域技術 人員將認識到，如果不使用外殼，該元件可以是散熱器的一部分。該元件40 用于控制和/或調節由于散熱片124的增加的間隔造成穿過散熱器的壓降。另 外，對于外殼12,設置了進口 41 (在圖7中未示出，但用箭頭41中表示其 位置)以便于檢測散熱器阻塞和/或散熱器IO的清潔。
在典型實施例中，多個散熱器，多達36個，可用在機車上。橫跨所有 散熱器的壓降是均勻的。因此，如果新散熱器代替機車上的現有散熱器，橫 跨該新散熱器的壓降必須與跨其它散熱器的現有壓降是一致的。為此，限制 元件40被確定尺寸，以確保跨替換的散熱器的均勻壓降。這樣， 一個散熱 器與其它相比可具有不同尺寸的限制元件40。這允許用于確保所有未來的散 熱器與例如機車的系統內的當前散熱器向后兼容。
圖5描述了外殼組件內的帶散熱片的散熱器的典型實施例的頂視圖，在 該外殼組件中，散熱器延伸進入外殼的進口通道區域中。在該實施例中，分 隔壁27被去除，且鑒于進口空氣通道19轉變為可用的散熱器體積，散熱器 IO較大。圖8描述了用于散熱器散熱片的典型引導邊緣設計。改進的引導邊緣設 計有助于降低散熱器10的堵塞速度。在傳統的散熱器散熱片設計中，引導
引導邊緣具有平坦表面，如圖8(a)所示。在改進的設計中，引導邊緣形成 帶尖的、帶斜面的邊緣，如圖8 (b)所示，或倒圓的邊緣，如圖8 (c)所 示。這些改進的引導邊緣設計可用于散熱片14的引導邊緣和/或尾緣。在散 熱片不是實心或連續的例子中，例如下述分段的或擴充的散熱片，這些改進 的引導邊緣設計還可用于每個散熱片段的引導邊緣和/或尾緣。
另一個思路是改善表面光潔度，以減少微粒粘附到散熱片表面的傾向。 為了實現不沾散熱片，該散熱片可被處理以具有非常好的表面光潔度，或者 可以涂覆涂層以產生不沾表面。特富龍、含氟聚合物、PFA、 PTFE和FEP 是一些正好可使用的工業用常用涂層。
圖9描述了各種散熱片設置的典型實施例。如所示，揭示了用于散熱片 設置的四個不同的思路。在圖9(a)中示出這些選項，擴充的散熱片，和圖9 (b),直的散熱片，是現有技術的概念。擴充的散熱片具有延伸到氣流通過 區域的部分散熱片，其由此可能導致湍流。湍流的區域可導致沉降物聚集或 阻塞。圖9 (c)描述的配置是分段的散熱片設計，其提供與擴張的散熱片類 似的濃流，而不提供突入氣流的邊緣。由于沒有延伸到氣流中的散熱片部分， 減少了阻塞的可能性。圖9 (d)描述了波紋散熱片設計，其同樣試圖增加湍 流和熱傳遞，同時去除引導邊緣，該引導邊緣促使沉降物增加。
除了提供增強的抗阻塞性，散熱片的邊緣處理和各種散熱片配置可執行 或與諸如散熱片幾何(即厚度、高度等)和散熱片間隔這樣的其它關鍵參數 組合，以調整和/或減少散熱片的氣流導致的噪音產生。例如，如圖10進一 步所示，跨騎安裝散熱片支撐系統典型地用于把每個散熱片]4安裝到散熱 器10上的基板29。由于散熱片的厚度通常較小，該支撐是通過散熱片14 沿相對方向的彎曲和然后把其支撐在散熱器基座29上而完成的。但是，該 技術增加了散熱器10的總成本。通過使用這里討論的技術，其中使用了較 厚的散熱片14且散熱片14之間設置更大的間隔，該散熱片14可制造的較 厚，如圖2所示，以具有更好的熱傳遞速度并能支撐而沒有復雜/高成本的支 撐結構，該機構要求散熱片沿相對方向的彎曲部分。
在傳統的散熱器中，散熱片14用于冷卻，外殼12的分隔壁27和蓋子 用于氣流控制。在本發明中，散熱片用于散熱和氣流控制。參考圖5，散熱片位于氣流通道19中。圖11 (a)、 11 (b)和圖12是變化長度的散熱片設 置的典型實施例。這些圖示僅顯示了散熱器的散熱片的一側，例如沿圖5的 A-A線的散熱器的一側，其中散熱片配置與圖5所示的不同。具體地，在每 個圖中的表示為"進口"的區域是散熱器上的散熱片，其位于氣流通道的一 側中。如所示，散熱片位于通道19中，該區域內的散熱片可具有不同的長 度，以引導氣流13的路徑。本領域技術人員將容易認識到，這些圖僅是示
類似的結果。
如圖11 (a)所示，氣流通道中的散熱片在散熱器的外側邊緣處較長， 然后越靠近用作汽流出口的散熱器散熱片則散熱片的長度越小。。出口散熱 片也改變長度，其中靠近進口散熱片的散熱片14比更遠離進口散熱片的散 熱片短。在另一典型實施例中，盡管未示出，出口散熱片的具有恒定的長度， 其中進口散熱片的階式長度把氣流轉向出口散熱片。在另 一典型實施例中， 圖11 (b)所示，進口散熱片被去除，且氣流通道引導氣流到不同長度散熱 片。
在另一典型實施例中，如圖12所示，散熱片具有較長的長度且是彎曲 的，因此將上述的轉向葉片結合到散熱片中而不是成為殼體的一部分。不是 每個散熱片都需要葉片。例如，如所示，每隔一個散熱片具有作為散熱片一 部分的葉片。該葉片具有不同的長度，且用于改善轉向效率和氣流的流動分 配。盡管葉片示出在進口散熱片上，在其它實施例中進口散熱片也可不包括 葉片。
當使用不同長度的散熱片時，如上所述，可不再需要散熱器的外殼。該
外殼不再需要是因為散熱器引導和控制氣流。為此，在冷卻系統內需要較少 的零件，其導致成本節省。
雖然本發明在優選實施例中予以討論，許多變化和修改將對于本領域技 術人員是顯而易見的。因此，本發明不限于特定的示出的實施例，但被認為 落入所附的權利要求書的全部精神和范圍內。
權利要求
1.一種包括在冷卻系統中的帶散熱片的散熱器，所述冷卻系統用于冷卻機車上的功率電子裝置，所述散熱器使得空氣穿過進口氣流通道，以到達多個散熱片，其中減少所述多個散熱片的氣載沉降物阻塞，該散熱器包括至少一個旁路區域，該旁路區域在沉降物穿過所述多個散熱片的區域沒有散熱片；轉向引導部，其在特定位置處引導所述多個散熱片之間的空氣；所述多個散熱片中至少一個散熱片上的降低阻塞散熱片結構；和大致在所述進口氣流通道內的散熱片。
2. 如權利要求1所述的散熱器，包括外殼，該外殼具有限定內腔的側壁 和底部。
3. 如權利要求2所述的散熱器，其中所述轉向引導部包括在所述外殼 的腔內的至少一個凸起的結構；彎曲的葉片，其從散熱片橫向延伸；和不同 長度的多個散熱片。
4. 如權利要求1所述的散熱器，其中所述降低阻塞散熱片結構包括如下 的散熱片，該散熱片具有以下設計中的至少一個不粘沉降物的表面光潔度、 倒圓的引導邊緣、帶尖的引導邊緣、倒圓的尾緣、帶尖的尾緣、波紋狀散熱 片設計、分段的散熱片設計。
5. 如權利要求1所述的散熱器組件，其中所述多個散熱片中的至少一個 散熱片與所述進口氣流通道熱連接。
6. 如權利要求5所述的散熱器組件，其中與所述進口氣流通道熱連接的 散熱片具有比其它散熱片寬的厚度。
7. 如權利要求5所述的散熱器組件，還包括所述散熱器和所述進口氣流 通道之間的過渡密封、靠近所述進口氣路通道的有肋的槽以接收所述散熱器 的外側散熱片，其中所述外散側熱片具有一厚度以接觸所述有肋的槽的內邊
8. 如權利要求7所述的散熱器組件，還包括在所述有肋的槽內的密封件。
9. 如權利要求5所述的散熱器組件，其中所述多個散熱片之間的間隔增大。
10. 如權利要求9所述的散熱器組件，還包括限制元件，以限定由于所述多個散熱片之間的增加的間隔導致的穿過所述散熱器的壓降。
11. 一種散熱器組件，其最小化了由沉降物導致的氣路阻塞，該組件包括限定所述散熱器組件的兩個尺寸的基座元件； 連接到所述基座元件且從所述基座元件延伸的多個散熱片； 進口氣流通道，空氣穿過該通道行進以到達所述多個散熱片； 至少一個旁路區域，該旁路區域在沉降物穿過所述多個散熱片的區域沒 有散熱片；轉向引導部，其在特定位置處引導所述多個散熱片之間的空氣； 所述多個散熱片中至少一個散熱片上的降低阻塞散熱片結構；和大致在所述 進口氣流通道內的散熱片。
12. 如權利要求11所述的散熱器組件，還包括外殼，該外殼具有限定內 腔的側壁和底部。
13. 如權利要求12所述的散熱器組件，其中所述轉向引導部包括在所 述外殼的腔內的至少一個凸起的結構；彎曲的葉片，其從散熱片橫向延伸； 和變長度的多個散熱片。
14. 如權利要求11所述的散熱器組件，其中所述降低阻塞散熱片結構包 括這樣的散熱片，該散熱片具有以下設計中的至少一個不沾沉降物的表面 光潔度、倒圓的引導邊緣、帶尖的引導邊緣、倒圓的尾緣、帶尖的尾緣、波 紋狀散熱片設計、分段的散熱片設計。
15. 如權利要求11所述的散熱器組件，其中所述多個散熱片中的至少一 個散熱片與所述進口氣流通道熱連接。
16. 如權利要求15所述的散熱器組件，其中與所述進口氣流通道熱連接 的散熱片具有比其它散熱片寬的厚度。
17. 如權利要求15所述的散熱器組件，還包括所述散熱器和所述進口氣 流通道之間的過渡密封件、靠近所述進口氣流通道的有肋的槽以接收所述散厚度。
18. 如權利要求17所述的散熱器組件，還包括在所述有肋的槽內的密封件。
19. 如權利要求15所述的散熱器組件，其中所述多個散熱片之間的間隔 增大。
20.如權利要求19所述的散熱器組件，還包括限制元件，以限定由于所 述多個散熱片之間的增加的間隔導致的穿過所述散熱器的壓降。
全文摘要
一種包括在冷卻系統中的帶散熱片的散熱器，所述冷卻系統用于冷卻機車上的功率電子裝置，所述散熱器使得空氣穿過進口氣流通道，以到達多個散熱片，其中可減少所述多個散熱片的氣載沉降物阻塞，該散熱器包括至少一個旁路區域，該旁路區域在一區域沒有散熱片，在那里沉降物穿過所述多個散熱片；轉向引導部，其在特定位置處引導所述多個散熱片之間的空氣；所述多個散熱片中至少一個散熱片上的降低阻塞散熱片結構；和大致在所述進口氣流通道內的散熱片。
文檔編號H01L23/367GK101317264SQ200680044931
公開日2008年12月3日 申請日期2006年11月27日 優先權日2005年12月1日
發明者羅蘭·多納杰科斯基, 西奧多·C·布朗, 阿吉思·K·庫馬 申請人:通用電氣公司