大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)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(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，密封箱體為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層之間的空腔填充熱超導(dǎo)工質(zhì)，密封箱體的外層外壁設(shè)有散熱翅片；密封箱體內(nèi)裝絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)，工質(zhì)泵沉于絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)中，過濾器安裝在工質(zhì)泵的入口，工質(zhì)泵連接噴淋總管，多個噴淋支管并聯(lián)連接噴淋總管，每個噴淋支管設(shè)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(jié)構(gòu)；絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為非極性物質(zhì)，噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)無相變。本發(fā)明還提供了一種大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的工作方法。本發(fā)明散熱結(jié)構(gòu)合理，散熱效率高。
【專利說明】
大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及大功率器件的冷卻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)及其工作方法。
【背景技術(shù)】
[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(yīng)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(shù)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(chǎn)生大量熱量，加上時間累積以及空間影響會產(chǎn)生不均勻熱量聚集，從而導(dǎo)致電池組運行環(huán)境溫度復(fù)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(shè)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(shù)據(jù)機房設(shè)備、大功率電源、IGBT、變壓器等技術(shù)領(lǐng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，存在如下技術(shù)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(zhì)與需散熱器件均為間接接觸，熱量傳遞需要通過導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱油、金屬熱沉(用于接收熱量)等作為中間媒介，且絕大多數(shù)采用強制風冷進行散熱。這種傳統(tǒng)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(dǎo)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(jié)溫升高造成損壞。
[0006]2、采用空氣強制對流冷卻，空氣的導(dǎo)熱性能遠低于液體導(dǎo)熱性能，且需加裝風扇等耗功設(shè)備實現(xiàn)環(huán)境空氣的強制對流。此技術(shù)通過冷卻電子器件所在環(huán)境空間間接實現(xiàn)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(shè)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(nèi)容】

[0008]為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，散熱結(jié)構(gòu)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(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的工作方法。
[0010]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的方案如下:
[0011 ]大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，包括大功率器件、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)、噴嘴、噴淋支管、噴淋總管、工質(zhì)栗、過濾器和密封箱體，
[0012]所述密封箱體為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層之間的空腔填充熱超導(dǎo)工質(zhì)，密封箱體的外層外壁設(shè)有散熱翅片；
[0013]所述密封箱體內(nèi)裝絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)，工質(zhì)栗沉于絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)中，過濾器安裝在工質(zhì)栗的入口，工質(zhì)栗連接噴淋總管，多個噴淋支管并聯(lián)連接噴淋總管，每個噴淋支管設(shè)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(jié)構(gòu)；
[0015]所述絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為非極性物質(zhì)，噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)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(dǎo)熱工質(zhì)為變壓油、導(dǎo)熱油或者礦物油。
[0018]所述熱超導(dǎo)工質(zhì)為氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或者導(dǎo)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(shù)據(jù)機房設(shè)備、大功率電源、IGBT、IGCT、IEGT、CPU組件、GPU組件、刀片服務(wù)器模組或者變壓器。
[0020]上述的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的工作方法，所述工質(zhì)栗啟動，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)通過過濾器進入工質(zhì)栗，工質(zhì)栗把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)輸送到噴淋總管，噴淋總管把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)分配到各個噴淋支管，噴嘴噴出的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)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(dǎo)熱工質(zhì)帶走，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)在重力作用下回流到密封箱體；
[0021]所述絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)與熱超導(dǎo)工質(zhì)進行熱交換，熱超導(dǎo)工質(zhì)與散熱翅片進行熱交換，如此循環(huán)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)不斷將大功率器件的熱量帶走。
[0022]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)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(jié)構(gòu)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)直接與需要散熱的大功率器件發(fā)熱表面接觸傳導(dǎo)熱量，降低接觸熱阻，沒有任何中間介質(zhì)和傳熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱工質(zhì)為非極性物質(zhì)，噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)無相變，噴淋的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)在大功率器件表面形成霧化液膜，霧化液膜熱傳導(dǎo)具有小流量、大溫差、高傳熱系數(shù)、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(dǎo)熱工質(zhì)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(dǎo)效率會提高(換熱量與面積成正比關(guān)系)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)有效利用率更高。
[0028]6、二次熱傳導(dǎo)循環(huán)采用熱超導(dǎo)技術(shù)，熱傳導(dǎo)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(dǎo)熱工質(zhì)冷卻且工作過程依靠自身熱效應(yīng)，無需額外耗功。
[0029]7、噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)無相變，因此系統(tǒng)循環(huán)不需要氣相工質(zhì)回收設(shè)備，只需設(shè)置常見過濾器用于過濾工質(zhì)在相對開放式循環(huán)過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，系統(tǒng)自適應(yīng)性及可靠性更高。
[0030]8、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為非極性物質(zhì)，不會對電子、電器設(shè)備及回路產(chǎn)生影響，對硬件不會有損壞。
[0031]9、噴淋管路結(jié)構(gòu)簡單、動力消耗?。粐娮觳考圃旒夹g(shù)成熟、可靠性高，傳熱過程和結(jié)構(gòu)越簡單其可靠性和可控性越高。
[0032]10、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)作為液體換熱方式，其熱傳導(dǎo)性能普遍優(yōu)于使用空氣強制對流，并且相對于傳統(tǒng)強制對流風冷系統(tǒng)需要新風單元以及一些復(fù)雜的架構(gòu)設(shè)計，液體冷卻技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計要求本身比較少，直接接觸噴淋的結(jié)構(gòu)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(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)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(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，包括大功率器件1、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2、噴嘴3、噴淋支管4、噴淋總管5、工質(zhì)栗6、過濾器7和密封箱體8，
[0036]密封箱體8為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層之間的空腔填充熱超導(dǎo)工質(zhì)9，密封箱體8的外層外壁設(shè)有散熱翅片10;
[0037]密封箱體8內(nèi)裝絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2，工質(zhì)栗6沉于絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2中，過濾器7安裝在工質(zhì)栗6的入口，工質(zhì)栗6連接噴淋總管5，多個噴淋支管4并聯(lián)連接噴淋總管5，每個噴淋支管4設(shè)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(jié)構(gòu)；
[0039]絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2為非極性物質(zhì)，噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2無相變。
[0040]絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2為變壓油。熱超導(dǎo)工質(zhì)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(dǎo)熱工質(zhì)2純凈度，防止雜質(zhì)對工質(zhì)栗6的損傷以及對噴嘴3的堵塞，提高自適應(yīng)性及可靠性。
[0042]絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2必須使用絕緣性好的導(dǎo)熱液體工質(zhì)，例如多種型號的變壓油、導(dǎo)熱油等，保證工質(zhì)絕緣性，避免與大功率器件I接觸導(dǎo)電，造成器件損毀和系統(tǒng)報廢。絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2普遍具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，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(xiàn)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(cè)設(shè)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(dǎo)工質(zhì)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(dǎo)熱工質(zhì)2不斷進行冷卻，以保證絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)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(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的工作方法，所述工質(zhì)栗6啟動，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2通過過濾器7進入工質(zhì)栗6，工質(zhì)栗6把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2輸送到噴淋總管5，噴淋總管5把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2分配到各個噴淋支管4，噴嘴3噴出的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)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(dǎo)熱工質(zhì)2帶走，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2在重力作用下回流到密封箱體8;
[0046]絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2與熱超導(dǎo)工質(zhì)9進行熱交換，熱超導(dǎo)工質(zhì)9與散熱翅片10進行熱交換，如此循環(huán)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2不斷將大功率器件I的熱量帶走。
[0047]對于熱超導(dǎo)工質(zhì)9依據(jù)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(zhì)，工質(zhì)充裝量依據(jù)熱傳導(dǎo)工作模式(相變式/非相變式)進行調(diào)節(jié)，充裝完成后保持腔內(nèi)真空狀態(tài)。
[0048]若熱超導(dǎo)循環(huán)采用相變循環(huán)方式，即工質(zhì)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(nèi)壁流回腔體下方(蒸發(fā)端)繼續(xù)循環(huán)；
[0049]若依據(jù)實際換熱功率也可采用非相變循環(huán)方式，即工質(zhì)熱傳導(dǎo)過程中不發(fā)生任何相變，其傳熱的動力來源于熱超導(dǎo)工質(zhì)9吸熱后，其內(nèi)部分子力作用。最終，通過熱超導(dǎo)工質(zhì)9的二次熱傳導(dǎo)實現(xiàn)高效均溫散熱，對密封箱體8內(nèi)的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)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(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，其特征在于:包括大功率器件、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)、噴嘴、噴淋支管、噴淋總管、工質(zhì)栗、過濾器和密封箱體， 所述密封箱體為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層之間的空腔填充熱超導(dǎo)工質(zhì)，密封箱體的外層外壁設(shè)有散熱翅片； 所述密封箱體內(nèi)裝絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)，工質(zhì)栗沉于絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)中，過濾器安裝在工質(zhì)栗的入口，工質(zhì)栗連接噴淋總管，多個噴淋支管并聯(lián)連接噴淋總管，每個噴淋支管設(shè)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(jié)構(gòu)； 所述絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為非極性物質(zhì)，噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)無相變。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求1所述的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為變壓油、導(dǎo)熱油或者礦物油。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，其特征在于:所述熱超導(dǎo)工質(zhì)為氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或者導(dǎo)熱姆換熱劑。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，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(shù)據(jù)機房設(shè)備、大功率電源、IGBT、IGCT、IEGT、CPU組件、GPU組件、刀片服務(wù)器模組或者變壓器。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的工作方法，其特征在于:所述工質(zhì)栗啟動，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)通過過濾器進入工質(zhì)栗，工質(zhì)栗把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)輸送到噴淋總管，噴淋總管把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)分配到各個噴淋支管，噴嘴噴出的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)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(dǎo)熱工質(zhì)帶走，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)在重力作用下回流到密封箱體； 所述絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)與熱超導(dǎo)工質(zhì)進行熱交換，熱超導(dǎo)工質(zhì)與散熱翅片進行熱交換，如此循環(huán)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)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