CN105934139A - 大功率器件的工质接触式冷却系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大功率器件的工质接触式冷却系统，密封箱体为内外层结构，内外层之间的空腔填充热超导工质，密封箱体的外层外壁设有散热翅片；密封箱体内装绝缘液体导热工质，工质泵沉于绝缘液体导热工质中，过滤器安装在工质泵的入口，工质泵连接喷淋总管，多个喷淋支管并联连接喷淋总管，每个喷淋支管设有多个喷嘴，喷嘴对着大功率器件；喷嘴对着大功率器件的正面和背面喷淋，形成相对开放式的喷淋结构；绝缘液体导热工质为非极性物质，喷淋过程中绝缘液体导热工质无相变。本发明还提供了一种大功率器件的工质接触式冷却系统的工作方法。本发明散热结构合理，散热效率高。

Description

大功率器件的工质接触式冷却系统及其工作方法
技术领域
本发明涉及大功率器件的冷却技术领域，具体涉及一种大功率器件的工质接触式冷却系统及其工作方法。
背景技术
随着新能源战略实施，电动汽车正在大规模普及，锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和长寿命等优点得到良好应用。但大容量、高功率锂离子电池性能对温度变化较敏感。空间有限，电池数目较大，均为紧密排列连接。当车辆在不同行驶状况下运行时，电池会以不同倍率放电，以不同生热速率产生大量热量，加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集，从而导致电池组运行环境温度复杂多变。如果长时间积累，会造成部分电池过充电和过放电，进而影响电池的寿命与性能，并造成安全隐患。
并且随着电子元器件的小型化、微小型化，集成电路的高集成化和微组装，元器件、组件的热流密度不断提高，热设计正面临严峻的挑战。雷达发射器、大功率电子器件、芯片、数据机房设备、大功率电源、IGBT、变压器等技术领域均存在器件散热问题。
电子功率模块、电池电源、以及电子芯片等大功率器件在工作时会产生热量，这些热量必须被冷却装置所带走，以防止温度超过其安全工作的极限。目前的大功率散热结构，存在如下技术缺陷：
1、由于电子器件需要绝缘保护，当前的冷却装置所采用的冷却介质与需散热器件均为间接接触，热量传递需要通过导热硅脂、导热油、金属热沉(用于接收热量)等作为中间媒介，且绝大多数采用强制风冷进行散热。这种传统的散热冷却装置，因为增加了上述中间媒介，热阻增大而使得导热效率降低，如不能及时将热量散出，则较容易造成高功率热量堆积，使电子器件结温升高造成损坏。
2、采用空气强制对流冷却，空气的导热性能远低于液体导热性能，且需加装风扇等耗功设备实现环境空气的强制对流。此技术通过冷却电子器件所在环境空间间接实现对发热本体的冷却，换热条件及换热效率受限；同时风扇等强制对流设备自身消耗一部分电功率，随散热功率升高，耗功增加；
3、由于空气强制对流循环，电子器件放置环境对空气洁净度要求也较高。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种大功率器件的工质接触式冷却系统，散热结构合理，散热效率高。
本发明还提供了一种大功率器件的工质接触式冷却系统的工作方法。
本发明解决上述技术问题的方案如下：
大功率器件的工质接触式冷却系统，包括大功率器件、绝缘液体导热工质、喷嘴、喷淋支管、喷淋总管、工质泵、过滤器和密封箱体，
所述密封箱体为内外层结构，内外层之间的空腔填充热超导工质，密封箱体的外层外壁设有散热翅片；
所述密封箱体内装绝缘液体导热工质，工质泵沉于绝缘液体导热工质中，过滤器安装在工质泵的入口，工质泵连接喷淋总管，多个喷淋支管并联连接喷淋总管，每个喷淋支管设有多个喷嘴，喷嘴对着大功率器件；
所述喷嘴对着大功率器件的正面和背面喷淋，形成相对开放式的喷淋结构；
所述绝缘液体导热工质为非极性物质，喷淋过程中绝缘液体导热工质无相变。
所述喷淋支管和大功率器件纵向平行间隔排布。
所述绝缘液体导热工质为变压油、导热油或者矿物油。
所述热超导工质为氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或者导热姆换热剂。
所述大功率器件为电动汽车功率电池、电子芯片、雷达发射器、数据机房设备、大功率电源、IGBT、IGCT、IEGT、CPU组件、GPU组件、刀片服务器模组或者变压器。
上述的大功率器件的工质接触式冷却系统的工作方法，所述工质泵启动，绝缘液体导热工质通过过滤器进入工质泵，工质泵把绝缘液体导热工质输送到喷淋总管，喷淋总管把绝缘液体导热工质分配到各个喷淋支管，喷嘴喷出的绝缘液体导热工质直接喷淋到大功率器件的正面及背面，大功率器件的热量通过绝缘液体导热工质带走，绝缘液体导热工质在重力作用下回流到密封箱体；
所述绝缘液体导热工质与热超导工质进行热交换，热超导工质与散热翅片进行热交换，如此循环，绝缘液体导热工质不断将大功率器件的热量带走。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、喷嘴对着大功率器件的正面和背面喷淋，形成相对开放式的喷淋结构，绝缘液体导热工质直接与需要散热的大功率器件发热表面接触传导热量，降低接触热阻，没有任何中间介质和传热转换环节，提高热传导效率。
2、喷淋支管和大功率器件纵向平行间隔排布，喷淋面积大，换热效率高。
3、绝缘液体导热工质为非极性物质，喷淋过程中绝缘液体导热工质无相变，喷淋的绝缘液体导热工质在大功率器件表面形成雾化液膜，雾化液膜热传导具有小流量、大温差、高传热系数、高热流密度等优良传热及流动的综合特性。
4、在同等的环境温度下，直接接触式冷却散热温差可控，与非直接接触式传热方式相比，可进一步降低大功率器件表面温度，有助于提高大功率器件工作寿命和可靠性。
5、采用喷淋式散热，绝缘液体导热工质与大功率器件发热面有效接触面积(换热面积)会增加，从而理论热传导效率会提高(换热量与面积成正比关系)，绝缘液体导热工质有效利用率更高。
6、二次热传导循环采用热超导技术，热传导速度快，热流密度大，传热均温性好，能够快速有效的将绝缘液体导热工质冷却且工作过程依靠自身热效应，无需额外耗功。
7、喷淋过程中绝缘液体导热工质无相变，因此系统循环不需要气相工质回收设备，只需设置常见过滤器用于过滤工质在相对开放式循环过程中产生的杂质，系统自适应性及可靠性更高。
8、绝缘液体导热工质为非极性物质，不会对电子、电器设备及回路产生影响，对硬件不会有损坏。
9、喷淋管路结构简单、动力消耗小；喷嘴部件制造技术成熟、可靠性高，传热过程和结构越简单其可靠性和可控性越高。
10、绝缘液体导热工质作为液体换热方式，其热传导性能普遍优于使用空气强制对流，并且相对于传统强制对流风冷系统需要新风单元以及一些复杂的架构设计，液体冷却技术架构的设计要求本身比较少，直接接触喷淋的结构可以更加简单，从而节约成本和延长器件使用寿命。
附图说明
图1是实施例1的大功率器件的工质接触式冷却系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的大功率器件的工质接触式冷却系统，包括大功率器件1、绝缘液体导热工质2、喷嘴3、喷淋支管4、喷淋总管5、工质泵6、过滤器7和密封箱体8，
密封箱体8为内外层结构，内外层之间的空腔填充热超导工质9，密封箱体8的外层外壁设有散热翅片10；
密封箱体8内装绝缘液体导热工质2，工质泵6沉于绝缘液体导热工质2中，过滤器7安装在工质泵6的入口，工质泵6连接喷淋总管5，多个喷淋支管4并联连接喷淋总管5，每个喷淋支管4设有多个喷嘴3，喷嘴3对着大功率器件1；
喷淋支管4和大功率器件1纵向平行间隔排布，喷嘴3对着大功率器件1的正面和背面喷淋，形成相对开放式的喷淋结构；
绝缘液体导热工质2为非极性物质，喷淋过程中绝缘液体导热工质2无相变。
绝缘液体导热工质2为变压油。热超导工质9为氟利昂。大功率器件1为IGBT。
过滤器7保证绝缘液体导热工质2纯净度，防止杂质对工质泵6的损伤以及对喷嘴3的堵塞，提高自适应性及可靠性。
绝缘液体导热工质2必须使用绝缘性好的导热液体工质，例如多种型号的变压油、导热油等，保证工质绝缘性，避免与大功率器件1接触导电，造成器件损毁和系统报废。绝缘液体导热工质2普遍具有较高的导热系数，且通过喷淋可与发热的大功率器件1直接接触散热，从而能够高效的实现对大功率器件1散热。
喷嘴3需选用绝缘优良且工程强度符合要求的材料。
密封箱体8外侧设置安装散热翅片10。仅依靠环境空气的自然对流使热超导工质9通过散热翅片10及环境冷却降温。此冷却方式突出优点为：冷却部分不使用任何耗功电器或机械部件；只要环境条件满足基本散热温差和自然对流条件，即可使用。密封箱体8中的绝缘液体导热工质2不断进行冷却，以保证绝缘液体导热工质2与大功率器件1的有效换热温差，以对大功率器件1进行有效的冷却。
上述的大功率器件的工质接触式冷却系统的工作方法，所述工质泵6启动，绝缘液体导热工质2通过过滤器7进入工质泵6，工质泵6把绝缘液体导热工质2输送到喷淋总管5，喷淋总管5把绝缘液体导热工质2分配到各个喷淋支管4，喷嘴3喷出的绝缘液体导热工质2直接喷淋到大功率器件1的正面及背面，大功率器件1的热量通过绝缘液体导热工质2带走，绝缘液体导热工质2在重力作用下回流到密封箱体8；
绝缘液体导热工质2与热超导工质9进行热交换，热超导工质9与散热翅片10进行热交换，如此循环，绝缘液体导热工质2不断将大功率器件1的热量带走。
对于热超导工质9依据传热方式(相变/非相变)可采用多种无机类、有机类换热冷却工质，工质充装量依据热传导工作模式(相变式/非相变式)进行调节，充装完成后保持腔内真空状态。
若热超导循环采用相变循环方式，即工质吸热后迅速汽化，蒸气进行热扩散不断流向上端，在腔体上方(冷凝端)冷凝成液体并释放出热量，热量通过密封箱体8外的散热翅片10散到环境中，冷凝后的液体再沿腔体内壁流回腔体下方(蒸发端)继续循环；
若依据实际换热功率也可采用非相变循环方式，即工质热传导过程中不发生任何相变，其传热的动力来源于热超导工质9吸热后，其内部分子力作用。最终，通过热超导工质9的二次热传导实现高效均温散热，对密封箱体8内的绝缘液体导热工质2进行冷却。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.大功率器件的工质接触式冷却系统，其特征在于：包括大功率器件、绝缘液体导热工质、喷嘴、喷淋支管、喷淋总管、工质泵、过滤器和密封箱体，
所述密封箱体为内外层结构，内外层之间的空腔填充热超导工质，密封箱体的外层外壁设有散热翅片；
所述密封箱体内装绝缘液体导热工质，工质泵沉于绝缘液体导热工质中，过滤器安装在工质泵的入口，工质泵连接喷淋总管，多个喷淋支管并联连接喷淋总管，每个喷淋支管设有多个喷嘴，喷嘴对着大功率器件；
所述喷嘴对着大功率器件的正面和背面喷淋，形成相对开放式的喷淋结构；
所述绝缘液体导热工质为非极性物质，喷淋过程中绝缘液体导热工质无相变。
2.根据权利要求1所述的大功率器件的工质接触式冷却系统，其特征在于：所述喷淋支管和大功率器件纵向平行间隔排布。
3.根据权利要求1所述的大功率器件的工质接触式冷却系统，其特征在于：所述绝缘液体导热工质为变压油、导热油或者矿物油。
4.根据权利要求1所述的大功率器件的工质接触式冷却系统，其特征在于：所述热超导工质为氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或者导热姆换热剂。
5.根据权利要求1所述的大功率器件的工质接触式冷却系统，其特征在于：所述大功率器件为电动汽车功率电池、电子芯片、雷达发射器、数据机房设备、大功率电源、IGBT、IGCT、IEGT、CPU组件、GPU组件、刀片服务器模组或者变压器。
6.根据权利要求1所述的大功率器件的工质接触式冷却系统的工作方法，其特征在于：所述工质泵启动，绝缘液体导热工质通过过滤器进入工质泵，工质泵把绝缘液体导热工质输送到喷淋总管，喷淋总管把绝缘液体导热工质分配到各个喷淋支管，喷嘴喷出的绝缘液体导热工质直接喷淋到大功率器件的正面及背面，大功率器件的热量通过绝缘液体导热工质带走，绝缘液体导热工质在重力作用下回流到密封箱体；
所述绝缘液体导热工质与热超导工质进行热交换，热超导工质与散热翅片进行热交换，如此循环，绝缘液体导热工质不断将大功率器件的热量带走。
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