大功率器件的工質接觸式冷卻系統及其工作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大功率器件的工質接觸式冷卻系統，密封箱體為內外層結構，內外層之間的空腔填充熱超導工質，密封箱體的外層外壁設有散熱翅片；密封箱體內裝絕緣液體導熱工質，工質泵沉于絕緣液體導熱工質中，過濾器安裝在工質泵的入口，工質泵連接噴淋總管，多個噴淋支管并聯連接噴淋總管，每個噴淋支管設有多個噴嘴，噴嘴對著大功率器件；噴嘴對著大功率器件的正面和背面噴淋，形成相對開放式的噴淋結構；絕緣液體導熱工質為非極性物質，噴淋過程中絕緣液體導熱工質無相變。本發(fā)明還提供了一種大功率器件的工質接觸式冷卻系統的工作方法。本發(fā)明散熱結構合理，散熱效率高。
【專利說明】
大功率器件的工質接觸式冷卻系統及其工作方法
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及大功率器件的冷卻技術領域，具體涉及一種大功率器件的工質接觸式冷卻系統及其工作方法。
【背景技術】
[0002]隨著新能源戰(zhàn)略實施，電動汽車正在大規(guī)模普及，鋰離子動力電池因其優(yōu)異的功率輸出特性和長壽命等優(yōu)點得到良好應用。但大容量、高功率鋰離子電池性能對溫度變化較敏感?？臻g有限，電池數目較大，均為緊密排列連接。當車輛在不同行駛狀況下運行時，電池會以不同倍率放電，以不同生熱速率產生大量熱量，加上時間累積以及空間影響會產生不均勻熱量聚集，從而導致電池組運行環(huán)境溫度復雜多變。如果長時間積累，會造成部分電池過充電和過放電，進而影響電池的壽命與性能，并造成安全隱患。
[0003]并且隨著電子元器件的小型化、微小型化，集成電路的高集成化和微組裝，元器件、組件的熱流密度不斷提高，熱設計正面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。雷達發(fā)射器、大功率電子器件、芯片、數據機房設備、大功率電源、IGBT、變壓器等技術領域均存在器件散熱問題。
[0004]電子功率模塊、電池電源、以及電子芯片等大功率器件在工作時會產生熱量，這些熱量必須被冷卻裝置所帶走，以防止溫度超過其安全工作的極限。目前的大功率散熱結構，存在如下技術缺陷:
[0005]1、由于電子器件需要絕緣保護，當前的冷卻裝置所采用的冷卻介質與需散熱器件均為間接接觸，熱量傳遞需要通過導熱硅脂、導熱油、金屬熱沉(用于接收熱量)等作為中間媒介，且絕大多數采用強制風冷進行散熱。這種傳統的散熱冷卻裝置，因為增加了上述中間媒介，熱阻增大而使得導熱效率降低，如不能及時將熱量散出，則較容易造成高功率熱量堆積，使電子器件結溫升高造成損壞。
[0006]2、采用空氣強制對流冷卻，空氣的導熱性能遠低于液體導熱性能，且需加裝風扇等耗功設備實現環(huán)境空氣的強制對流。此技術通過冷卻電子器件所在環(huán)境空間間接實現對發(fā)熱本體的冷卻，換熱條件及換熱效率受限；同時風扇等強制對流設備自身消耗一部分電功率，隨散熱功率升高，耗功增加；
[0007]3、由于空氣強制對流循環(huán)，電子器件放置環(huán)境對空氣潔凈度要求也較高。

【發(fā)明內容】

[0008]為了解決上述的技術問題，本發(fā)明提供了一種大功率器件的工質接觸式冷卻系統，散熱結構合理，散熱效率高。
[0009]本發(fā)明還提供了一種大功率器件的工質接觸式冷卻系統的工作方法。
[0010]本發(fā)明解決上述技術問題的方案如下:
[0011 ]大功率器件的工質接觸式冷卻系統，包括大功率器件、絕緣液體導熱工質、噴嘴、噴淋支管、噴淋總管、工質栗、過濾器和密封箱體，
[0012]所述密封箱體為內外層結構，內外層之間的空腔填充熱超導工質，密封箱體的外層外壁設有散熱翅片；
[0013]所述密封箱體內裝絕緣液體導熱工質，工質栗沉于絕緣液體導熱工質中，過濾器安裝在工質栗的入口，工質栗連接噴淋總管，多個噴淋支管并聯連接噴淋總管，每個噴淋支管設有多個噴嘴，噴嘴對著大功率器件；
[0014]所述噴嘴對著大功率器件的正面和背面噴淋，形成相對開放式的噴淋結構；
[0015]所述絕緣液體導熱工質為非極性物質，噴淋過程中絕緣液體導熱工質無相變。
[0016]所述噴淋支管和大功率器件縱向平行間隔排布。
[0017]所述絕緣液體導熱工質為變壓油、導熱油或者礦物油。
[0018]所述熱超導工質為氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或者導熱姆換熱劑。
[0019]所述大功率器件為電動汽車功率電池、電子芯片、雷達發(fā)射器、數據機房設備、大功率電源、IGBT、IGCT、IEGT、CPU組件、GPU組件、刀片服務器模組或者變壓器。
[0020]上述的大功率器件的工質接觸式冷卻系統的工作方法，所述工質栗啟動，絕緣液體導熱工質通過過濾器進入工質栗，工質栗把絕緣液體導熱工質輸送到噴淋總管，噴淋總管把絕緣液體導熱工質分配到各個噴淋支管，噴嘴噴出的絕緣液體導熱工質直接噴淋到大功率器件的正面及背面，大功率器件的熱量通過絕緣液體導熱工質帶走，絕緣液體導熱工質在重力作用下回流到密封箱體；
[0021]所述絕緣液體導熱工質與熱超導工質進行熱交換，熱超導工質與散熱翅片進行熱交換，如此循環(huán)，絕緣液體導熱工質不斷將大功率器件的熱量帶走。
[0022]本發(fā)明相對于現有技術具有如下的優(yōu)點:
[0023]1、噴嘴對著大功率器件的正面和背面噴淋，形成相對開放式的噴淋結構，絕緣液體導熱工質直接與需要散熱的大功率器件發(fā)熱表面接觸傳導熱量，降低接觸熱阻，沒有任何中間介質和傳熱轉換環(huán)節(jié)，提高熱傳導效率。
[0024]2、噴淋支管和大功率器件縱向平行間隔排布，噴淋面積大，換熱效率高。
[0025]3、絕緣液體導熱工質為非極性物質，噴淋過程中絕緣液體導熱工質無相變，噴淋的絕緣液體導熱工質在大功率器件表面形成霧化液膜，霧化液膜熱傳導具有小流量、大溫差、高傳熱系數、高熱流密度等優(yōu)良傳熱及流動的綜合特性。
[0026]4、在同等的環(huán)境溫度下，直接接觸式冷卻散熱溫差可控，與非直接接觸式傳熱方式相比，可進一步降低大功率器件表面溫度，有助于提高大功率器件工作壽命和可靠性。
[0027]5、采用噴淋式散熱，絕緣液體導熱工質與大功率器件發(fā)熱面有效接觸面積(換熱面積)會增加，從而理論熱傳導效率會提高(換熱量與面積成正比關系)，絕緣液體導熱工質有效利用率更高。
[0028]6、二次熱傳導循環(huán)采用熱超導技術，熱傳導速度快，熱流密度大，傳熱均溫性好，能夠快速有效的將絕緣液體導熱工質冷卻且工作過程依靠自身熱效應，無需額外耗功。
[0029]7、噴淋過程中絕緣液體導熱工質無相變，因此系統循環(huán)不需要氣相工質回收設備，只需設置常見過濾器用于過濾工質在相對開放式循環(huán)過程中產生的雜質，系統自適應性及可靠性更高。
[0030]8、絕緣液體導熱工質為非極性物質，不會對電子、電器設備及回路產生影響，對硬件不會有損壞。
[0031]9、噴淋管路結構簡單、動力消耗??；噴嘴部件制造技術成熟、可靠性高，傳熱過程和結構越簡單其可靠性和可控性越高。
[0032]10、絕緣液體導熱工質作為液體換熱方式，其熱傳導性能普遍優(yōu)于使用空氣強制對流，并且相對于傳統強制對流風冷系統需要新風單元以及一些復雜的架構設計，液體冷卻技術架構的設計要求本身比較少，直接接觸噴淋的結構可以更加簡單，從而節(jié)約成本和延長器件使用壽命。
【附圖說明】
[0033]圖1是實施例1的大功率器件的工質接觸式冷卻系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0035]如圖1所示的大功率器件的工質接觸式冷卻系統，包括大功率器件1、絕緣液體導熱工質2、噴嘴3、噴淋支管4、噴淋總管5、工質栗6、過濾器7和密封箱體8，
[0036]密封箱體8為內外層結構，內外層之間的空腔填充熱超導工質9，密封箱體8的外層外壁設有散熱翅片10;
[0037]密封箱體8內裝絕緣液體導熱工質2，工質栗6沉于絕緣液體導熱工質2中，過濾器7安裝在工質栗6的入口，工質栗6連接噴淋總管5，多個噴淋支管4并聯連接噴淋總管5，每個噴淋支管4設有多個噴嘴3，噴嘴3對著大功率器件I;
[0038]噴淋支管4和大功率器件I縱向平行間隔排布，噴嘴3對著大功率器件I的正面和背面噴淋，形成相對開放式的噴淋結構；
[0039]絕緣液體導熱工質2為非極性物質，噴淋過程中絕緣液體導熱工質2無相變。
[0040]絕緣液體導熱工質2為變壓油。熱超導工質9為氟利昂。大功率器件I為IGBT。
[0041]過濾器7保證絕緣液體導熱工質2純凈度，防止雜質對工質栗6的損傷以及對噴嘴3的堵塞，提高自適應性及可靠性。
[0042]絕緣液體導熱工質2必須使用絕緣性好的導熱液體工質，例如多種型號的變壓油、導熱油等，保證工質絕緣性，避免與大功率器件I接觸導電，造成器件損毀和系統報廢。絕緣液體導熱工質2普遍具有較高的導熱系數，且通過噴淋可與發(fā)熱的大功率器件I直接接觸散熱，從而能夠高效的實現對大功率器件I散熱。
[0043]噴嘴3需選用絕緣優(yōu)良且工程強度符合要求的材料。
[0044]密封箱體8外側設置安裝散熱翅片10。僅依靠環(huán)境空氣的自然對流使熱超導工質9通過散熱翅片10及環(huán)境冷卻降溫。此冷卻方式突出優(yōu)點為:冷卻部分不使用任何耗功電器或機械部件；只要環(huán)境條件滿足基本散熱溫差和自然對流條件，即可使用。密封箱體8中的絕緣液體導熱工質2不斷進行冷卻，以保證絕緣液體導熱工質2與大功率器件I的有效換熱溫差，以對大功率器件I進行有效的冷卻。
[0045]上述的大功率器件的工質接觸式冷卻系統的工作方法，所述工質栗6啟動，絕緣液體導熱工質2通過過濾器7進入工質栗6，工質栗6把絕緣液體導熱工質2輸送到噴淋總管5，噴淋總管5把絕緣液體導熱工質2分配到各個噴淋支管4，噴嘴3噴出的絕緣液體導熱工質2直接噴淋到大功率器件I的正面及背面，大功率器件I的熱量通過絕緣液體導熱工質2帶走，絕緣液體導熱工質2在重力作用下回流到密封箱體8;
[0046]絕緣液體導熱工質2與熱超導工質9進行熱交換，熱超導工質9與散熱翅片10進行熱交換，如此循環(huán)，絕緣液體導熱工質2不斷將大功率器件I的熱量帶走。
[0047]對于熱超導工質9依據傳熱方式(相變/非相變)可采用多種無機類、有機類換熱冷卻工質，工質充裝量依據熱傳導工作模式(相變式/非相變式)進行調節(jié)，充裝完成后保持腔內真空狀態(tài)。
[0048]若熱超導循環(huán)采用相變循環(huán)方式，即工質吸熱后迅速汽化，蒸氣進行熱擴散不斷流向上端，在腔體上方(冷凝端)冷凝成液體并釋放出熱量，熱量通過密封箱體8外的散熱翅片10散到環(huán)境中，冷凝后的液體再沿腔體內壁流回腔體下方(蒸發(fā)端)繼續(xù)循環(huán)；
[0049]若依據實際換熱功率也可采用非相變循環(huán)方式，即工質熱傳導過程中不發(fā)生任何相變，其傳熱的動力來源于熱超導工質9吸熱后，其內部分子力作用。最終，通過熱超導工質9的二次熱傳導實現高效均溫散熱，對密封箱體8內的絕緣液體導熱工質2進行冷卻。
[0050]上述為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述內容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.大功率器件的工質接觸式冷卻系統，其特征在于:包括大功率器件、絕緣液體導熱工質、噴嘴、噴淋支管、噴淋總管、工質栗、過濾器和密封箱體， 所述密封箱體為內外層結構，內外層之間的空腔填充熱超導工質，密封箱體的外層外壁設有散熱翅片； 所述密封箱體內裝絕緣液體導熱工質，工質栗沉于絕緣液體導熱工質中，過濾器安裝在工質栗的入口，工質栗連接噴淋總管，多個噴淋支管并聯連接噴淋總管，每個噴淋支管設有多個噴嘴，噴嘴對著大功率器件； 所述噴嘴對著大功率器件的正面和背面噴淋，形成相對開放式的噴淋結構； 所述絕緣液體導熱工質為非極性物質，噴淋過程中絕緣液體導熱工質無相變。2.根據權利要求1所述的大功率器件的工質接觸式冷卻系統，其特征在于:所述噴淋支管和大功率器件縱向平行間隔排布。3.根據權利要求1所述的大功率器件的工質接觸式冷卻系統，其特征在于:所述絕緣液體導熱工質為變壓油、導熱油或者礦物油。4.根據權利要求1所述的大功率器件的工質接觸式冷卻系統，其特征在于:所述熱超導工質為氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或者導熱姆換熱劑。5.根據權利要求1所述的大功率器件的工質接觸式冷卻系統，其特征在于:所述大功率器件為電動汽車功率電池、電子芯片、雷達發(fā)射器、數據機房設備、大功率電源、IGBT、IGCT、IEGT、CPU組件、GPU組件、刀片服務器模組或者變壓器。6.根據權利要求1所述的大功率器件的工質接觸式冷卻系統的工作方法，其特征在于:所述工質栗啟動，絕緣液體導熱工質通過過濾器進入工質栗，工質栗把絕緣液體導熱工質輸送到噴淋總管，噴淋總管把絕緣液體導熱工質分配到各個噴淋支管，噴嘴噴出的絕緣液體導熱工質直接噴淋到大功率器件的正面及背面，大功率器件的熱量通過絕緣液體導熱工質帶走，絕緣液體導熱工質在重力作用下回流到密封箱體； 所述絕緣液體導熱工質與熱超導工質進行熱交換，熱超導工質與散熱翅片進行熱交換，如此循環(huán)，絕緣液體導熱工質不斷將大功率器件的熱量帶走。
【文檔編號】H05K7/20GK105934139SQ201610439360
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月16日
【發(fā)明人】王偉
【申請人】廣東合新材料研究院有限公司, 廣東合一新材料研究院有限公司