CN106783770B - 液体直接接触式冷却器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直接接触式冷却器，包括冷却器本体、换热结构和循环泵，冷却器本体的连接口的周缘用于与功率器件配合密封冷却腔体，所述冷却器本体的冷却腔体和换热结构可以通过循环泵使冷却介质形成循环回路。工作时，本发明的直接接触式冷却器中的冷却介质可以直接与功率器件的散热表面相接触进而带走热量，一方面相对于空气比热容较小的散热方式，消除了传统功率器件的散热表面与冷却器的散热板的接触热阻，可显著提高传热性能，另一方面通过冷却介质的循环流动，换热结构不断带走热量，整体上大大提高了功率器件的散热效率。同时，本发明的液体直接接触式冷却器可以使功率器件的散热表面的温度均匀，提高功率器件的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件的冷却技术领域，特别是涉及一种液体直接接触式冷却器。
背景技术
在实际工作中，高度集成的大功率器件产生的热量会使芯片温度升高，如果散热缓慢，就有可能使芯片温度升高到超过所允许的最高结温，器件的性能将显著下降，并且不能稳定工作，甚至可能会直接烧坏。因此控制大功率器件的升温速度，使芯片内部温度始终维持在允许的结温之内，保证机器稳定运行，成为大功率器件技术领域研究的重点和难题。
由于功率器件需要绝缘保护，功率器件的散热多采用风冷散热模式和水冷板散热器。当采用风冷散热模式时，空气的比热容较小，通过空气带走的热量相对较小，面对结构日益紧凑而功率日益增大的功率器件，风冷散热模式无法满足散热需求。当采用水冷板散热器时，将大功率器件直接贴附在水冷板散热器的表面，通过冷却水的循环流动来散热，这种散热方式一方面可能出现漏液导致停机，另一方面水冷基板散热器长期使用形成的水垢会大幅降低导热系数，并且接触热阻大，无法大功率器件的满足散热需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种提高冷却效果的液体直接接触式冷却器。
一种液体直接接触式冷却器，用于功率器件的散热，包括冷却器本体、第一换热结构和循环泵；
所述冷却器本体具有冷却腔体和与所述冷却腔体相连通的散热口；所述冷却腔体用于填充冷却介质，并用于通过所述散热口使所述冷却介质能够直接接触所述功率器件的散热表面；所述冷却器本体至少围绕所述散热口的周边部分用于与所述散热壁密封配合；
所述第一换热结构的冷却通道与所述冷却腔体通过回流管道相连通；
所述循环泵设于所述回流管道上，用于使从所述冷却腔体内流出的所述冷却介质经所述第一换热结构冷却后回流至所述冷却腔体内。
在其中一个实施例中，所述散热口设于所述冷却器本体的一侧壁的中部。
在其中一个实施例中，所述冷却器本体的循环出液口位于所述冷却腔体的底部，所述循环出液口与所述回流管道相连通。
在其中一个实施例中，所述冷却器本体的循环进液口位于所述冷却腔体的顶部，所述循环进液口与所述回流管道相连通；当所述冷却器本体与所述功率器件密封配合时，在所述冷却腔体内，所述冷却介质的填充量至少能够淹没所述散热口。
在其中一个实施例中，所述液体直接接触式冷却器还包括喷射结构，所述喷射结构位于所述冷却腔体内且朝向所述散热口设置，所述喷射结构的储液腔与所述第一换热结构的所述冷却通道相连通；所述冷却腔体内位于所述散热口的下方为用于填充所述冷却介质的积液部。
在其中一个实施例中，所述喷射结构包括喷射板，所述喷射板上布满喷孔以用于使从所述冷却通道冷却回流的所述冷却介质喷向所述散热口。
在其中一个实施例中，所述喷射结构包括喷嘴，所述喷嘴朝向所述散热口设置以使从所述冷却通道冷却的所述冷却介质以雾化状喷向所述散热口。
在其中一个实施例中，所述喷嘴有多个，多个所述喷嘴呈阵列设置。
在其中一个实施例中，所述液体直接接触式冷却器还包括第二换热结构，所述第二换热结构具有冷凝通道，所述冷凝通道与所述冷却腔体相连通，用于从积液部挥发后的冷却介质冷凝回流至所述冷却腔体内。
在其中一个实施例中，所述第二换热结构设于所述冷却器本体上，且位于所述冷却腔体的顶端。
上述直接接触式冷却器包括冷却器本体、换热结构和循环泵，所述冷却腔体用于填充冷却介质，至少围绕所述散热口的周边部分用于与所述散热壁密封配合，所述循环泵设于冷却器本体和换热结构之间以形成循环回路。上述直接接触式冷却器中的冷却介质可以直接与功率器件的散热表面相接触进而带走热量，一方面相对于空气比热容较小的散热方式，消除了传统功率器件的散热表面与冷却器的散热板的接触热阻，可显著提高传热性能；另一方面通过冷却介质的循环流动，换热结构不断带走热量，整体上大大提高了功率器件的散热效率。同时，上述液体直接接触式冷却器工作时，可以使功率器件的散热表面的温度均匀，提高功率器件的使用寿命。
进一步地，通过设置喷射结构直接喷射冷却介质到功率器件的散热表面或使冷却介质雾化发生相变吸热，可以进一步提高功率器件的散热效率。
附图说明
图1为实施例1的液体直接接触式冷却器的结构示意图；
图2为实施例2的液体直接接触式冷却器的结构示意图；
图3为实施例3的液体直接接触式冷却器的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
一实施方式的液体直接接触式冷却器，用于功率器件的散热，包括冷却器本体、第一换热结构和循环泵。其中，功率器件常用于指功率比较大的器件，包括功率半导体器件，例如IGBT，IGCT、可控硅、整流桥或继电器等。功率器件在工作时的及时散热是维持其长期正常运行的关键。
在本实施方式中，冷却器本体具有冷却腔体和与冷却腔体相连通的散热口。冷却腔体用于填充冷却介质，并用于通过散热口使冷却介质能够直接接触功率器件的散热表面。冷却器本体至少围绕散热口的周边部分用于与散热壁密封配合。
具体地，冷却器本体上至少围绕散热口的周边部分和功率器件的散热表面之间可以通过绝缘密封胶层密封连接，使冷却介质直接与功率器件的散热表面相接触传热，提高传热效率。可以理解，冷却介质要求绝缘和导热，常用的硅油、矿物油或植物油均可以采用。优选地，散热口设于冷却器本体的一侧壁的中部。
第一换热结构的冷却通道与冷却腔体通过回流管道相连通。循环泵设于回流管道上，用于使从冷却腔体内流出的冷却介质经第一换热结构冷却后回流至冷却腔体内。
优选地，第一换热结构和冷却器本体相连通的管道可以采用刚性管道连接或柔性管道连接。刚性管道可以为金属管等硬度较大的管道，柔性连接管道可以为塑料管等，结构简单，易于安装。可以理解，本实施例方式中的第一换热结构外接于冷却器本体，其可以采用常规的强制空气冷却方式、水冷换热方式，使从冷却腔体中流出的热流体冷却后循环再用，提高效率。
在本实施方式中，优选地，冷却器本体的循环出液口位于冷却腔体的底部，循环出液口与回流管道相连通。
具体地，冷却器本体的循环进液口位于冷却腔体的顶部，循环进液口与回流管道相连通。当冷却器本体与功率器件密封配合时，在冷却腔体内，冷却介质的填充量至少能够淹没散热口。
进一步地，液体直接接触式冷却器还可以包括喷射结构，喷射结构位于冷却腔体内且朝向散热口设置，喷射结构的储液腔与第一换热结构的冷却通道相连通。冷却腔体内位于的散热口的下方为用于填充冷却介质的积液部。
具体地，喷射结构包括喷射板，喷射板上布满喷孔以用于通过储液腔使从冷却通道冷却回流的冷却介质喷向散热口，以防止与位于冷却腔体底部的温度较高的冷却介质混合，能够大大提高功率器件的散热效率。在其他实施方式中，喷射板可以进一步用喷嘴替代。喷嘴朝向散热口设置以用于通过储液腔使从冷却通道冷却的冷却介质以雾化状喷向散热口。为了进一步提高散热效果，喷嘴有可以多个，多个喷嘴呈阵列设置。
进一步地，液体直接接触式冷却器还包括第二换热结构，第二换热结构具有冷凝通道，冷凝通道与冷却腔体相连通，用于从积液部挥发后的冷却介质冷凝回流至冷却腔体内。优选地，第二换热结构设于冷却器本体上，且位于冷却腔体的顶端。从冷却腔体中挥发的冷却介质发生相变，可以进一步带走热量，提高散热效率。可以理解，本实施例方式中的第二换热结构外接于冷却器本体或者与冷却器本体一体化成型，其可以采用常规的强制空气冷却方式、水冷换热方式，提高效率。
下面结合具体实施例，进一步对本发明的液体直接接触式冷却器做出说明。
实施例1
请参考图1，本实施例提供一种液体浸泡式冷却器10，用于功率器件1的散热，包括冷却器本体100、换热结构110和循环泵120。
冷却器本体100具有冷却腔体101和与冷却腔体101相连通的散热口。散热口设于冷却器本体100的一侧壁的中部。冷却腔体101用于充满绝缘导热液体，并用于通过散热口使绝缘导热液体能够直接接触功率器件的散热表面。冷却器本体100至少围绕散热口的周边部分通过绝缘密封胶层与散热壁密封配合。
换热结构110的进液口与冷却器本体100的出液口相连通，换热结构110的出液口与冷却器本体100的进液口相连通，换热结构110用于冷却从冷却腔体101中流出的绝缘导热液体。换热结构110通过风冷换热。
循环泵120设于冷却器本体100的储液口和换热结构110的进液口之间的管道上使绝缘导热液体在冷却器本体100和换热结构110之间形成循环回路。
当功率器件1工作时，预先充满的绝缘导热液体直接通过散热口接触散热表面，吸收热量，再在循环泵120的抽取动力下进入换热结构110的换热通道内冷却，冷却后再循环流回冷却腔体101，持续循环并带走功率器件1的产生的热量。
实施例2
请参考图2，本实施例提供一种液体喷淋式冷却器20，用于功率器件1的散热，包括冷却器本体200、换热结构210、循环泵220和喷射结构230。
冷却器本体200具有冷却腔体201和于冷却腔体201相连通的散热口。散热口设于冷却器本体200的一侧壁的中部，冷却器本体200至少围绕散热口的周边部分用于与散热壁通过绝缘密封胶层密封配合。换热结构210的冷却通道与冷却腔体201通过回流管道相连通。换热结构210通过水冷换热。循环泵220设于回流管道上，用于使从冷却腔体201内流出的冷却介质2经所述第一换热结构冷却后回流至冷却腔体201内。冷却器本体200的循环出液口位于冷却腔体201的底部，循环出液口与回流管道相连通。
喷射结构230位于冷却腔体201内且朝向散热口设置，喷射结构230的储液腔与换热结构210的冷却通道相连通。冷却腔体201位于散热口的下方为用于填充冷却介质2的积液部。喷射板上布满喷孔以用于使从冷却通道冷却回流的冷却介质2喷向散热口，防止与位于冷却腔体201底部的温度较高的冷却介质混合，能够大大提高功率器件1的散热效率。
当功率器件1工作时，循环泵220的抽取下，预先填充在积液部的冷却介质2进入换热结构210的冷却通道内冷却，冷却后再循环流回冷却腔体201，持续循环并带走功率器件1的发热量。
实施例3
请参考图3，本实施例提供一种液体喷淋式冷却器30，用于功率器件1的散热，包括冷却器本体300、第一换热结构310、循环泵320、喷射结构330和第二换热结构340。
冷却器本体300具有冷却腔体301和于冷却腔体301相连通的散热口。散热口设于冷却器本体300的一侧壁的中部，冷却器本体300至少围绕散热口的周边部分用于与散热壁通过绝缘密封胶层密封配合。第一换热结构310的冷却通道与冷却腔体301通过回流管道相连通。换热结构310通过水冷换热。循环泵320设于回流管道上，用于使从冷却腔体301内流出的冷却介质2经所述第一换热结构310冷却后回流至冷却腔体301内。冷却器本体300的循环出液口位于冷却腔体301的底部，循环出液口与回流管道相连通。
喷射结构330位于冷却腔体301内且朝向散热口设置，喷射结构330的储液腔与第一换热结构310的冷却通道相连通。冷却腔体301位于散热口的下方为用于填充冷却介质的积液部。喷射结构330包括多个喷嘴，多个喷嘴呈阵列设置，多个喷嘴朝向散热口设置以用于通过储液腔使从冷却通道冷却的冷却介质2以雾化状喷向散热口，可以进一步提高散热效果。
第二换热结构340具有冷凝通道，冷凝通道与冷却腔体301相连通，用于从积液部挥发后的冷却介质2冷凝回流至冷却腔体301内。第二换热结构340设于冷却器本体300上，且位于冷却腔体301的顶端。从冷却腔体301中挥发的冷却介质2发生相变，可以进一步带走热量，提高散热效率。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种液体直接接触式冷却器，用于功率器件的散热，其特征在于，包括冷却器本体、第一换热结构和循环泵；
所述冷却器本体具有冷却腔体和与所述冷却腔体相连通的散热口；所述冷却腔体用于填充冷却介质，并用于通过所述散热口使所述冷却介质能够直接接触所述功率器件的散热表面；所述冷却器本体至少围绕所述散热口的周边部分用于与散热壁密封配合；
所述第一换热结构的冷却通道与所述冷却腔体通过回流管道相连通；
所述循环泵设于所述回流管道上，用于使从所述冷却腔体内流出的所述冷却介质经所述第一换热结构冷却后回流至所述冷却腔体内；
还包括第二换热结构，所述第二换热结构具有冷凝通道，所述冷凝通道与所述冷却腔体相连通，用于从积液部挥发后的冷却介质冷凝回流至所述冷却腔体内；所述第二换热结构设于所述冷却器本体上，且位于所述冷却腔体的顶端；
还包括喷射结构，所述喷射结构位于所述冷却腔体内且朝向所述散热口设置，所述喷射结构的储液腔与所述第一换热结构的所述冷却通道相连通；所述冷却腔体位于所述散热口的下方为用于填充所述冷却介质的积液部；
所述喷射结构包括喷射板，所述喷射板上布满喷孔以用于使从所述冷却通道冷却回流的所述冷却介质喷向所述散热口。
2.根据权利要求1所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述散热口设于所述冷却器本体的一侧壁的中部。
3.根据权利要求1所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述冷却器本体上至少围绕所述散热口的周边部分和所述功率器件的散热表面之间通过绝缘密封胶层密封连接。
4.根据权利要求1所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述冷却器本体的循环出液口位于所述冷却腔体的底部，所述循环出液口与所述回流管道相连通。
5.根据权利要求1所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述冷却器本体的循环进液口位于所述冷却腔体的顶部，所述循环进液口与所述回流管道相连通；当所述冷却器本体与所述功率器件密封配合时，在所述冷却腔体内，所述冷却介质的填充量至少能够淹没所述散热口。
6.根据权利要求1所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述第一换热结构的冷却通道与所述冷却器本体相连通的管道采用刚性管道连接或柔性管道连接。
7.根据权利要求1所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述第一换热结构外接于所述冷却器本体。
8.根据权利要求1所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述喷射结构包括喷嘴，所述喷嘴朝向所述散热口设置以使从所述冷却通道冷却的所述冷却介质以雾化状喷向所述散热口。
9.根据权利要求8所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述喷嘴有多个，多个所述喷嘴呈阵列设置。
10.根据权利要求1～9任一项所述的液体直接接触式冷却器，其特征在于，所述冷却介质为硅油、矿物油和植物油中的一种。
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