CN110380083A - 一种供能散热一体化系统及其应用、供能散热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子系统的散热与供能技术领域，其具体涉及一种供能散热一体化系统及其应用、供能散热方法。其可实现为电子系统提供供能及散热，所述供能散热一体化系统包括电池主体及为所述电池主体提供流动的含能工质的输运管道，其中，电池主体在获得含能工质后，基于电化学反应将对应含能工质的化学能转换为电能并提供给所述电子系统，所述输运管道与电子系统接触设置，电子系统运行所产生的能量经由输运管道内流动的含能工质吸收并带走散发。本发明通过使用流体电池电解液作为含能工质使得其具有为系统供电的同时带走系统热量的技术效果。所述供能散热一体化系统相较于现有的单独液冷系统与供能系统所占的体积更小，有利于电子系统的小型化。

Description

一种供能散热一体化系统及其应用、供能散热方法

【技术领域】

本发明涉及电子系统的散热与供能技术领域，其具体涉及一种供能散热一体化系统及其应用、供能散热方法。

【背景技术】

电子系统在工作中会产生热量，为了解决其发热问题，通常需使用散热系统以快速散热，以避免电子系统因过热而降低寿命或损毁。目前主流的散热系统微风冷热系统和水冷散热系统，其中水冷散热系统因其显著的散热性能以及较低的噪音已被大量应用。同时电子系统的工作需要能源供给，燃料电池作为一种清洁的、高效的的供能方式，成为未来电子系统的主要供能方式之一。

然而，单独液冷系统与供能系统占据较大体积，不利于电子系统的小型化。

【发明内容】

为克服目前电子系统散热所存在的技术问题，本发明提供一种供能散热一体化系统及其应用、供能散热方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下方案：一种供能散热一体化系统，其用于为电子系统提供供能及散热，所述供能散热一体化系统包括电池主体及为所述电池主体提供流动的含能工质的输运管道，其中，所述电池主体在获得含能工质后，基于电化学反应将对应含能工质的化学能转换为电能并提供给所述电子系统，所述输运管道与所述电子系统接触设置，电子系统运行所产生的能量经由所述输运管道内流动的含能工质吸收并带走散发。

优选地，所述供能散热一体化系统还包括散热区，所述散热区与所述输运管道连通，用于将含能工质中热量传递至环境中。

优选地，所述输运管道包括毛细管网络段，其设置在与所述电子系统接触的区域。

优选地，所述电池主体包括使用流体含能工质输入能量的能量转换单元，所述电池主体包括燃料电池、液流电池、空气电池中任一种。

优选地，当所述电池主体为液流电池，在所述供能散热一体化系统还包括正极储液罐与负极储液罐。其中，所述正极储液罐与所述负极储液罐通过所述输运管道与电池主体连通，并可对应将所述正极储液罐与所述负极储液罐中的正极储液和负极储液对应输送至所述电池主体之间。

优选地，所述电池主体包括依次设置的正极集流体、正极、离子交换膜、负极及负极集流体，其中，所述正极集流体与所述正极连接，所述负极集流体与所述负极连接，所述正极、所述离子交换膜及所述负极之间分隔设置。在所述正极与所述离子交换膜之间形成第一反应室；在所述负极与所述离子交换膜之间形成第二反应室。

优选地，所述电子系统设在所述正极储液罐与所述第一反应室之间、所述负极储液罐与所述第二反应室之间。

本发明为了解决上述技术问题，还提供一种供能散热方法，所述供能散热方法S10包括以下步骤：步骤S11，输送含能工质的输送管道与用能模块接触，所述含能工质经由所述输送管道进入电池主体内进行反应，所述电池主体对应产生电能并提供至用能模块；及步骤S12，用能模块运动所产生的热量被在所述输送管道中流动的所述含能工质吸收并散发。

优选地，在步骤S12之后还可包括以下步骤：步骤 S13，吸收用能模块产生的热量后的含能工质被输入至所述电池主体内进行反应；和/或步骤S14，吸收用能模块产生的热量后的含能工质被传输至所述散热区或储液罐后进行散热。

本发明为了解决上述技术问题还提供一种如上所述供能散热一体化系统的应用，其可用于芯片微系统、模块微系统的供能及散热。

与现有技术相比，本发明具有供能散热一体系统及其应用、供能散热方法具有如下的有益效果：

在本发明中所提供的一种供能散热一体化系统，其基于流体电池为系统供电，同时，流体电池的含能工质作为液冷媒质带走电子系统产生的热量。所述供能散热一体化系统可以用于为电子系统提供供能及散热，所述供能散热一体化系统包括电池主体及为所述电池主体提供流动的含能工质的输运管道，其中，所述电池主体在获得含能工质后，基于电化学反应将对应含能工质的化学能转换为电能并提供给所述电子系统，所述输运管道与所述电子系统接触设置，所述电子系统运行所产生的能量经由所述输运管道内流动的含能工质吸收并带走散发。本发明通过使用流体电池电解液作为含能工质使得其具有为系统供电的同时带走系统热量的技术效果。且所述供能散热一体化系统相较于现有的单独液冷系统与供能系统所占的体积更小，有利于电子系统的小型化。

在本发明中还包括提供一种供能散热方法，所述供能散热方法包括输送含能工质的输送管道与用能模块接触，所述含能工质经由所述输送管道进入电池主体内进行反应，所述电池主体对应产生电能并提供至用能模块；及用能模块运动所产生的热量被在所述输送管道中流动的所述含能工质吸收并散发。基于流体电池为系统供电，同时，流体电池的含能工质作为液冷媒质带走电子系统产生的热量。本发明通过使用流体电池电解液作为含能工质使得其具有为芯片微系统供电的同时带走系统热量的技术效果。

在本发明还提供一所述供能散热一体化系统的应用，其可用于芯片微系统、模块微系统的供能及散热。其具有与上述供能散热一体化系统及其供能散热方法相同的技术效果。以在为芯片微系统等控制系统提供供电的同时带走系统热量的技术效果。

【附图说明】

附图标记说明：

图1是本发明第一实施例提供的供能散热一体化系统模块示意图；

图2是本发明第二实施例中供能散热一体化系统模块示意图；

图3是本发明第三实施例供能散热方法的流程示意图；

图4是本发明第三实施例供能散热方法变形实施例的流程示意图；

图5是本发明第四实施例提供的供能散热一体化系统用于芯片微系统的示意图；

图6是本发明第四实施例提供的供能散热一体化系统用于模块微系统的示意图；

图7是本发明第五实施例供能散热一体化系统应用于分布式能源网络的模块示意图；

图8是本发明第五实施例供能散热一体化系统应用于分布式能源网络中含能微系统的模块示意图；

图9是本发明第五实施例供能散热一体化系统应用于分布式能源网络的另一实施中模块示意图；

图10是本发明图7是本发明第五实施例供能散热一体化系统应用于分布式能源网络中开关组的模块示意图。

附图标记说明：

10、供能散热一体化系统；90、电子系统；91、用能模块；18、流体电池；11、电池主体；12、输运管道；121、导热件；13、进液口；14、出液口；15、散热区；16、输电线路；20、供能散热一体化系统；21、电池主体；22、输运管道；211、正极集流体；212、正极；213、离子交换膜；214、负极；215、负极集流体；216、第一反应室； 217、第二反应室；218、正极储液罐；219、负极储液罐； 220、泵；221、第一管道；222、第二管道；223、第三管道；224、第四管道；901、芯片微系统；902、模块微系统；

50、供能散热一体化系统；500、分布式能源网络； 513、换能模块；51、含能微系统；52、处理器；511、用能模块；512、换能模块；513、换能模块；501、第一能量入口/第二能量入口；502、能量出口；519、开关组； 5191、流量控制阀；5192、场效应管开关。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本发明的第一实施例提供一种供能散热一体化系统10，所述供能散热一体化系统10主要用于为电子系统90提供散热及提供电能，具体地，所述电子系统90可以为芯片级电子系统、板卡级电子系统和模块级电子系统。所述供能散热一体化系统10包括流体电池18，在本发明一些具体的实施例中，所述流体电池18可以为燃料电池、液流电池、空气电池等使用流体含能工质输入能量的能量转换单元。

所述电子系统90包括用能模块91，所述用能模块91 为所述电子系统90中的需要消耗电能的模块，比如，包括处理模块、通讯模块、存储模块等，通常情况下所述电子系统中的热量也由所述用能模块所产生的。

所述供能散热一体化系统10进一步包括：

电池主体11，用于获取含能工质后，基于电化学反应将对应含能工质的化学能转换成电能。

输运管道12，用于将含能工质传输至所述电池主体 11内；

进液口13，用于将电解质流经所述输运管道12之后，进入所述电池主体11之内；

出液口14，用于将由所述电池主体11内流出的电解质排出；

散热区15，其与所述输运管道12连通，用于将电解质中热量散入环境中；

为了使所述供能散热一体化系统10更好地为所述电子系统10中的用能模块91提供散热，因此，可进一步将所述输运管道12与所述用能模块91接触设置。

为了更进一步加速散热，也可设置一导热件121，所述导热件121可与所述用能模块91接触，并可增大其接触面积。

进一步地，如图1中所示，所述供能散热一体化系统 10还包括输电线路16，所述输电线路16可将所述电池主体11与所述电子系统90的用能模块91电性连接，从而可将所述电池主体11所产生的电能可以通过所述输电线路16为所述用能模块91提供运行所需要的电能源。

具体地，如图1中所示，所述含能工质从进液口13 流入所述供能散热一体化系统10中的输运管道12，对于液流电池等需要低温反应的流体电池18，含能工质进入供能散热一体化系统10后首先进去流体电池进行反应产生电能，产生的电能通过输电线路16传输给所述电子系统90的用能模块91支撑其工作。含能工质通过流体电池后，由输运管道12传输到所述用能模块，所述含能工质的输运管道12经过用能模块时转变为毛细管网络，同时与用能模块91的发热区紧密接触形成良好的热传到通路。含能工质通过对流换热吸收电子系统90中用能模块91 产生的热量，将用能模块91运行所产生的热量输运至所述供能散热一体化系统10与所述电子系统90外部并耗散至环境中。同时，在所述散热区15补充含能工质浓度，并重新进入进液口13以实现含能工质的补充和循环。

在本发明中一些特殊的实施例中，对于燃料电池等需要高温反应的流体电池，则含能工质进入供能散热一体化系统10与电子系统90之后，首先通过所述用能模块91 吸收热量，使得含能工质温度升高后进入所述流体电池 18中，并使其满足高温反应的需求。

本发明通过使用流体电池18的电解液作为液冷媒质使得其具有为系统供电的同时带走系统热量的技术效果。

请参阅图2中所示，本发明的第二实施例提供一种供能散热一体化系统20，其与上述第一实施例中所提供的供能散热一体化系统10的不同之处在于：在所述供能散热一体化系统20还包括正极储液罐218与负极储液罐 219。其中，所述正极储液罐218与所述负极储液罐219 通过所述输运管道22与电池主体21连通，并可对应将所述正极储液罐218与所述负极储液罐219中的正极储液和负极储液对应输送至所述电池主体21之间。

如图2中所示，所述电池主体21包括依次设置的正极集流体211、正极212、离子交换膜213、负极214及负极集流体215。其中，所述正极集流体211与所述正极 212连接，所述负极集流体215与所述负极214连接，所述正极212、所述离子交换膜213及所述负极214之间分隔设置。在所述正极212与所述离子交换膜213之间形成第一反应室216；在所述负极214与所述离子交换膜213 之间形成第二反应室217。

如图2中所示，为了可以对进入所述电池主体21内的正极储液罐218和负极储液罐219的流量及速度做调整，具体地，在所述正极储液罐218与所述第一反应室216 之间设有泵220，在所述负极储液罐219与所述第二反应室217之间同样也设有泵220。

所述电子系统90的用能模块91也设在所述正极储液罐218与所述第一反应室216之间、所述负极储液罐219 与所述第二反应室217之间。为了更好的利用所述用能模块91的热量，则可将所述用能模块91设置在所述第一反应室216与所述第二反应室217的对应的电解液的出口端，从而可基于所述用能模块91所产生的热量而使对应的正极电解液和负极电解液可以升温，吸收热量后，电解液进入储液罐，同时储液罐由良导热材料构成，吸收热量后的电解液在储液罐中将热量散入环境中。同时在储液罐中完成电解质中离子浓度的补充。为了实现这一功能，可在所述储液罐内设有离子浓度检测装置，从而可对所述储液罐中各种离子的浓度进行有效的检测。

在本实施例中的一个具体实施方式中，所述输运管道22包括第一管道221、第二管道222、第三管道223和第四管道224。以液流电池为例，其具体实现方式为：所述正极储液罐218中储存有正极电解液，并通过泵220使得正极电解液在与正极212连接的第一管道221、第二管道 222输送。负极储液罐219中储存有负极电解液，并通过泵220是得正极电解液在与负极214连接的第三管道223、第四管道224中输送。到正极电解液、负极电解液通过正极212、负极214和离子交换膜213组成的流体电池时，发生氧化还原反应，产生电能即可为系统供电。待电解质流出反应室后，流入所述用能模块，在用能模块处，输运管道变为毛细管精密贴合于用能模块的发热区，吸收用能模块产生的热量。吸收热量后，电解液进入储液罐，同时储液罐由良导热材料构成，吸收热量后的电解液在储液罐中将热量散入环境中。同时在储液罐中完成电解质中离子浓度的补充。

可见，本实施例中所提供的供能散热一体化系统中，可基于流动的含能工质带走热量。同时，通过设置独立的储液罐，可实现对进行反应后的含能工质中反应消耗的例子浓度进行精准的补充。

请参阅图3，本发明的第三实施例中提供一种供能散热方法S10，所述供能散热方法S10是基于上述第一实施例与第二实施例中所提供的供能散热一体化系统而进行的，所述供能散热方法S10包括以下步骤：

步骤S11，输送含能工质的输送管道与用能模块接触，所述含能工质经由所述输送管道进入电池主体内进行反应，所述电池主体对应产生电能并提供至用能模块；及

步骤S12，用能模块运动所产生的热量被在所述输送管道中流动的所述含能工质吸收并散发。

请参阅图4，在所述供能散热方法S10，在进行步骤S12之后，还可包括以下步骤：

步骤S13，吸收用能模块产生的热量后的含能工质被输入至所述电池主体内进行反应；和/或

步骤S14，吸收用能模块产生的热量后的含能工质被传输至所述散热区或储液罐后进行散热。

图4中所示为其中一种步骤顺序，其仅作为示例，不作为本发明的限定。

可见，在本发明中提供了一种基于所述供能散热一体化系统对电子系统的用能模块的供能散热方法。

有关具体供能散热方法S10中具体含能工质、储液罐或散热区的相关说明与上述第一实施例及第二实施例中所述相同，在此不再赘述。

请参阅图5和图6，本发明的第四实施例提供一种供能散热一体化系统10的应用，其可用于芯片微系统901、模块微系统902的供能及散热。

请参阅图7及图8，在本发明第五实施例中，所述供能散热一体化系统还可用于以分布式能源网络500中，所述分布式能源网络500可包括作为用能模块的电子系统，所述供能散热一体化系统即相当于所述换能模块513，也即，其可为将电解液的化学能转换为电能。

其中，所述换能模块513可为所述用能模块91提供电能源及散热供能。

所述换能模块513作用为将其它形式的能源转换为微系统可用的电能，其具体可以为燃料电池、液流电池、空气电池等。

在本发明中，通过将多个含能微系统51集合成一个分布式能源网络500，为了实现各个所述含能微系统51 之间的能量的互传，以使整个所述分布式能源网络500 形成更紧密的整体，不同的所述含能微系统51之间的第一能量入口501、第二能量入口502和能量出口501之间可互相连接。

请参阅图9和图10，以所述换能模块512为直接燃料电池为例，对应的所述开关组519对应可为流量控制阀 5191和场效应管开关5192，所述第二能量入口501输入为含氢含氧液体，所述储能模块512具体为固态锂离子电池。由所述第二能量入口501输入的含氢含氧液体进入所述换能模块113(直接燃料电池)后转换为电能，其中一部分电能传输至所述用能模块511，以维持所述含能微系统51的运转，另外一部分电能则可储存于所述储能模块512(固态锂离子电池)中。

其中，所述直接燃料电池指的是直接用气态或液态的燃料作为能源进行阳极反应，从而转换为电能的装置。也即，其可直接通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能。

结合图8和图9，当所述含能微系统51内所述换能模块513损坏后，所述含能微系统51的所述储能模块512 (固态锂离子电池)开始为所述用能模块511进行供电，以维持所述含能微系统51的运转。同时，为了保证该含能微系统51能正常运行，则所述处理器52可进一步控制多个含能微系统通过其对应的能量出口502输出电能，而所述含能微系统51则通过所述第一能量入口501获取电能。

当某一条输送给所述含能微系统51的含氢含氧液体的管路损坏时，由于所述分布式能源网络50将各个所述含能微系统51互相连接，因此其中一条管路损坏后，可以通过其它管路为含能微系统供能。

所述含能微系统51可通过所述流量控制阀5191控制含氢含氧液体流量实现功率控制。

当含能微系统51的换能模块513(燃料电池)无法满足系统的功率需求时，所述处理器52控制其他的所述含能微系统51、所述含能微系统51、所述含能微系统51 一同为所述含能微系统50进行供能，以满足其功率的需求。

本发明所提供的分布式能源网络50具有形式多样、可灵活组合的，可实现分布式布局；由于所述分布式能源网络50中包括多个含能微系统51，因此，当其中一个或几个含能微系统51内模块局部损毁，也不会影响整体系统的继续运行，因此，本发明所提供的分布式能源网络 50具有防损毁的功能；进一步地，所述分布式能源网络 50可以根据需要重新通过控制器53、处理器52对所述分布式能源网络50进行重构输出，以满足实际应用的需求。

更进一步地，在本发明所提供的分布式能源网络50 中，所述换能模块513靠近所述用能模块511，所述换能模块513在产生电能的同时，可以带走部分所述用能模块 511运行所产生的热量，因此，可以获得更优的散热效果。

与现有技术相比，本发明具有供能散热一体系统及其应用、供能散热方法具有如下的有益效果：

在本发明中所提供的一种供能散热一体化系统，其基于流体电池为系统供电，同时，流体电池的含能工质作为液冷媒质带走电子系统产生的热量。所述供能散热一体化系统可以用于为电子系统提供供能及散热，所述供能散热一体化系统包括电池主体及为所述电池主体提供流动的含能工质的输运管道，其中，所述电池主体在获得含能工质后，基于电化学反应将对应含能工质的化学能转换为电能并提供给所述电子系统，所述输运管道与所述电子系统接触设置，所述电子系统运行所产生的能量经由所述输运管道内流动的含能工质吸收并带走散发。本发明通过使用流体电池电解液作为含能工质使得其具有为系统供电的同时带走系统热量的技术效果。

在所述供能散热一体化系统中设置散热区，所述散热区与所述输运管道连通，通过设置与所述输运管道连通的散热区，则可增大所述输送管道中流动的含能工质的能量，从而利于能量的传递。

为了增大接触面积，提高与所述用能模块接触的输送管道内传输的含能工质的能量，所述输运管道还可进一步包括毛细管网络段，所述毛细管网络段设置在与所述电子系统接触的区域。

在本发明中，将所述电池主体限定为使用流体含能工质输入能量的能量转换单元，所述电池主体包括燃料电池、液流电池、空气电池中任一种，上述列举的电池类型中，均采用流体含能工质，从而可同时实现供能和散热的功能。

当所述电池主体为液流电池，在所述供能散热一体化系统还包括正极储液罐与负极储液罐。其中，所述正极储液罐与所述负极储液罐通过所述输运管道与电池主体连通，并可对应将所述正极储液罐与所述负极储液罐中的正极储液和负极储液对应输送至所述电池主体之间。通过设置所述正极储液罐与所述负极储液罐，可基于实际的需要向所述电池主体提供稳定浓度的电解液。

在本发明中，所述电池主体还可进一步包括依次设置的正极集流体、正极、离子交换膜、负极及负极集流体，其中，所述正极集流体与所述正极连接，所述负极集流体与所述负极连接，所述正极、所述离子交换膜及所述负极之间分隔设置。在所述正极与所述离子交换膜之间形成第一反应室；在所述负极与所述离子交换膜之间形成第二反应室。所述电子系统设在所述正极储液罐与所述第一反应室之间、所述负极储液罐与所述第二反应室之间。这样的设置可以提供可实际应用的液流电池的具体应用实施例。

在本发明中还包括提供一种供能散热方法，所述供能散热方法包括输送含能工质的输送管道与用能模块接触，所述含能工质经由所述输送管道进入电池主体内进行反应，所述电池主体对应产生电能并提供至用能模块；及用能模块运动所产生的热量被在所述输送管道中流动的所述含能工质吸收并散发。基于流体电池为系统供电，同时，流体电池的含能工质作为液冷媒质带走电子系统产生的热量。本发明通过使用流体电池电解液作为含能工质使得其具有为芯片微系统供电的同时带走系统热量的技术效果。

在本发明还提供一供能散热一体化系统的应用，其可用于芯片微系统、模块微系统的供能及散热。其具有与上述供能散热一体化系统及其供能散热方法相同的技术效果。以在为芯片微系统等控制系统提供供电的同时带走系统热量的技术效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种供能散热一体化系统，其特征在于：其用于为电子系统提供供能及散热，所述供能散热一体化系统包括电池主体及为所述电池主体提供流动的含能工质的输运管道，其中，所述电池主体在获得含能工质后，基于电化学反应将对应含能工质的化学能转换为电能并提供给所述电子系统，所述输运管道与所述电子系统接触设置，电子系统运行所产生的能量经由所述输运管道内流动的含能工质吸收并带走散发。

2.如权利要求1中所述供能散热一体化系统，其特征在于：所述供能散热一体化系统还包括散热区，所述散热区与所述输运管道连通，用于将含能工质中热量传递至环境中。

3.如权利要求1中所述供能散热一体化系统，其特征在于：所述输运管道包括毛细管网络段，所述毛细管网络段设置在与所述电子系统接触的区域。

4.如权利要求1中所述供能散热一体化系统，其特征在于：所述电池主体包括使用流体含能工质输入能量的能量转换单元，所述电池主体包括燃料电池、液流电池、空气电池中任一种。

5.如权利要求1中所述供能散热一体化系统，其特征在于：当所述电池主体为液流电池，在所述供能散热一体化系统还包括正极储液罐与负极储液罐。其中，所述正极储液罐与所述负极储液罐通过所述输运管道与电池主体连通，并可对应将所述正极储液罐与所述负极储液罐中的正极储液和负极储液对应输送至所述电池主体之间。

6.如权利要求1中所述供能散热一体化系统，其特征在于：所述电池主体包括依次设置的正极集流体、正极、离子交换膜、负极及负极集流体，其中，所述正极集流体与所述正极连接，所述负极集流体与所述负极连接，所述正极、所述离子交换膜及所述负极之间分隔设置。在所述正极与所述离子交换膜之间形成第一反应室；在所述负极与所述离子交换膜之间形成第二反应室。

7.如权利要求1中所述供能散热一体化系统，其特征在于：所述电子系统设在所述正极储液罐与所述第一反应室之间、所述负极储液罐与所述第二反应室之间。

8.一种供能散热方法，其特征在于：所述供能散热方法S10包括以下步骤：

步骤S11，输送含能工质的输送管道与用能模块接触，所述含能工质经由所述输送管道进入电池主体内进行反应，所述电池主体对应产生电能并提供至用能模块；及

步骤S12，用能模块运动所产生的热量被在所述输送管道中流动的所述含能工质吸收并散发。

9.如权利要求8中所述供能散热方法，其特征在于：在步骤S12之后还可包括以下步骤：

步骤S13，吸收用能模块产生的热量后的含能工质被输入至所述电池主体内进行反应；和/或

步骤S14，吸收用能模块产生的热量后的含能工质被传输至所述散热区或储液罐后进行散热。

10.一种如权利要求1-7中任一项所述供能散热一体化系统的应用，其可用于芯片微系统、模块微系统的供能及散热。