CN110690531B

CN110690531B - 一种电子元件恒温液冷板

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Publication number: CN110690531B
Application number: CN201911001987.8A
Authority: CN
Inventors: 潘洪建
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2020-12-25
Anticipated expiration: 2039-10-21
Also published as: CN110690531A

Abstract

一种高热流密度电子元件恒温液冷板，包括顺序叠置的上冷板、液冷机构和下冷板，叠置后，上冷板的凹腔与下冷板的凹腔对合形成包围在液冷机构两侧的恒温腔，恒温腔中设有固液相变储热机构；液冷机构包括液冷板体和连接管体，液冷板体包括多路平行的管体部，管体部首尾两端分别贯通连接管体并一体焊接，连接管体间隔设有多个堵头，使得多路平行的管体部首尾连通形成S形冷却路；所述固液相变储热机构包括在固态或液态时均与所述凹腔内壁无间隙地直接接触的固液相变储热材料。所述高热流密度电子元件恒温液冷板，能使动力电池长期温度保持在固液相变材料的熔点以下，温升速率低，各部位温差小。

Description

一种电子元件恒温液冷板

技术领域

本发明涉及电子元件散热的技术领域，具体涉及一种电子元件恒温液冷板。

背景技术

自从1947年晶体管问世以来电子元器件迅猛发展，越来越大的功率和越来越小的体积是趋势。这种高度集成化形成了大量高热流密度电子设备。高热流密度电子器件结温过高会导致电子器件失效，其工作温度每升高2℃时，可靠性随之下降10%。因此，高热流密度电子设备的可靠性需要冷却技术来保障。所谓高热流密度是指热流密度大于等于100W/cm²。比如以高性能多核CPU 为例，目前其产热量达到100~150 W，而芯片面积却只有1 cm2，其热流密度达到了100 W/cm2 以上，而且趋势还在增长。液冷板冷却技术是指内部设有供液体冷却介质流动的流道的铜/铝板，与发热元件接触并吸收热量。安装时还需要构建包括储液箱、泵、冷板和换热器的冷却介质的封闭循环通路，以持续地带走与冷板接触的发热元件的热量。

液冷板的现有技术存在以下问题：

1）焊接+机加工，缺乏先进制造工艺

目前，主要通过“焊接+机加工”方式形成冷板，而且冷板本身功能及使用环境决定其内部流道密封性要求很高，构建流道主要靠焊接，导致焊接成型工艺比较复杂。因此，冷板的焊接工艺水平决定了冷板的可靠性。但是，焊接工艺与生产周期、成本是矛盾的，设计一种焊接工艺要求低的液冷板是降低成本的关键。

2）高热流密度时，液冷板的温升抑制性能差

以系统中的一块液冷板为例，给定液冷板的冷却面积S，其进水口额定流量为5L/min，进水温度为25℃，进出口额定压降为9.17KPa。导热硅胶垫的导热系数是2W/m*k，每个模组产生的热量为268W。设计目标：动力电池系统模组，要求电池包温度控制在0-55℃，温差<5℃。

液冷板在40℃环境中，动力电池采用高倍率充电时，对液冷板的降温性能最具挑战性。现有技术的液冷板，设计时考虑上述极限情形液冷板达到额定流量和压降即能够保证散热。但需要时间，在该段时间内，温度迅速升高，然后缓慢下降。因此，该温度的迅速升高，就无法满足电池包的温度控制要求。

3）重量要轻

对于高热流密度电子设备，尤其是机载电子设备的液冷板，对液冷板的重量要尽可能地轻，设计液冷板结构和材料选择是关键。

卡耐新能源有限公司的发明专利（CN109037854 A，20181218）公开了一种液冷板，液冷板包括由铝型材挤压形成的多个方形的内部空心腔126并布有加强筋127的中空主体结构，空心腔依次首尾连通，最后用实心铝板焊接在主体结构两端形成液冷板。这样的液冷板虽然解决了“散热面积小，刚性弱、装配复杂，长期使用焊缝易漏液”的问题，但这样的结构型铝材生产需要特殊的挤出模具，成本高，重量比较重，一体挤出的铝材同样与侧实心板同样存在焊缝，长期使用该焊缝也会腐蚀漏液。

因此，设计一种恒温性能高、重量轻、对焊接要求不高也能保证流道的永久密封性的液冷板，是业界普遍难以解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种电子元件恒温液冷板，提供恒温性能高、重量轻、对焊接要求不高也能保证流道的永久密封性的液冷板。

本发明的目的是这样实现的，一种电子元件恒温液冷板，包括

顺序叠置的上冷板、液冷机构和下冷板，所述上冷板、下冷板分别设有相同的凹腔，叠置后，上冷板的凹腔与下冷板的凹腔对合形成包围在液冷机构两侧的恒温腔；

液冷机构包括液冷板体和连接管体，液冷板体包括多路平行的管体部，管体部首尾两端分别贯通连接管体并一体焊接；连接管体于管体部贯通位置之间间隔设有多个堵头，使得液冷板体的多路平行的管体部首尾连通形成S形冷却路；

固液相变储热机构，所述固液相变储热机构包括固液相变储热材料，固液相变储热材料充满所述恒温腔，且所述固液相变储热材料在固态或液态时均与所述凹腔内壁无间隙地直接接触。

进一步地，液冷板体还包括一字型的连接部，液冷板体为管体部和连接部交替一体连接的挤出成型体。

进一步地，液冷板体包括一对上下扣合的液冷哈夫板形成多路平行的管体部，所述液冷哈夫板包括板本体和与之交替连接的半管凸起部，相应的半管凸起部液密封地对合形成管体部。

进一步地，还包括导热格栅，导热格栅作为嵌入件与管体部共挤出，导热格栅包括管内格栅部、管外格栅部和支座板，管外格栅部和管内格栅部分别包括多片平行的散热岐片，管外格栅部和管内格栅部的散热岐片正对且一体成型在支座板的两侧。

进一步地，所述共挤出为,支座板与管体部内壁一体结合，同时管外格栅部穿过管体部的壁并伸入外侧的恒温腔中，管内格栅部位于管体部的内侧并向管体部中心延伸。

进一步地，还包括导热格栅，所述导热格栅包括管内格栅部和管外格栅部，管内格栅部一体连接于管体部内壁，管外格栅部一体连接于管体部外壁，导热格栅与管体部的壁通过同一种导热塑胶材料一体挤出成型。

进一步地，所述固液相变储热材料在固态或液态时均与所述凹腔内壁无间隙地直接接触实现为：S形冷却路流通一定压力和流量的冷却液，固液相变储热材料加热转变为液体后，恒温腔抽真空，液态的固液相变储热材料同时充满性地灌注在恒温腔的上部和下部中并被冷却液冷却，然后固液相变储热材料与液冷板体一体固化。

进一步地，所述液冷板体采用焊接性能好的热塑性塑料，所述上冷板或下冷板采用第一导热系数的金属材料，导热格栅采用第二导热系数的金属材料，第二导热系数大于第一导热系数。

进一步地，所述散热岐片还包括T形的延伸散热岐片，所述延伸散热岐片在散热岐片管体部共挤出后一体焊接与外侧的散热岐片上。

一种所述电子元件恒温液冷板的恒温控制方法，大致位于凹腔中心部位置的连接部设有温度传感器，温度传感器检测的恒温腔温度T_储发送给控制部，控制部包括判断部，

判断部比较恒温腔温度T_储与阀值温度T_阀，当T_储<T_阀时，以第一流速（V₁）和第一入口温度（T₁）在S形冷却路中通过冷却液；当T_储≥T_阀时，以第二流速（V₂）和第二入口温度（T₂）在S形冷却路中通过冷却液；

阀值温度T_阀设为固液相变储热材料的熔点温度；

第二流速V₂约为第一流速V₁的2倍，第二入口温度T₂约等于第一入口温度T₁的1/3～1/2。

所述电子元件恒温液冷板，通过液冷机构与固液相变储热机构协同配合，导热格栅与管体部共挤出，做到恒温性能高、重量轻、对焊接工艺要求不高，能使动力电池长期温度保持在固液相变材料的熔点以下，温升速率低，动力电池的各部位温差小。

附图说明

图1为本发明一种电子元件恒温液冷板实施例一的图2的A-A主剖视图。

图2为本发明一种电子元件恒温液冷板实施例一的俯剖视图。

图3为本发明一种电子元件恒温液冷板实施例一的的图2的B-B剖视图。

图4为本发明一种电子元件恒温液冷板实施例二的A-A主剖视图。

上述图中的附图标记：

1 上冷板，2 下冷板，3 恒温腔，5 压紧螺栓,6 加强筋，7 温度传感器

10 扣封机构，11 扣合法兰部，12抵压法兰部，13 凹腔

20液冷机构，21 液冷板体，22 管体部，23连接部，24 加强筋， 25连接管体，26 堵头，27 S形冷却路，28导热格栅，29 贯通焊缝

22.1 进水管路，22.2 出水管路，22.3 液冷管路，22.4 进水口，22.5 出水口，22.6一字壁，22.7支撑侧壁

28.1 管内格栅部，28.2管外格栅部，28.3 支座板，28.4 散热岐片，28.5 连通孔，28.6延伸散热岐片

30 固液相变储热机构，31 固液相变储热材料

200 液冷机构，210 液体冷板，220 管体部，211 液冷哈夫板， 212 板本体，213半管凸起部，213.1 顶壁，213.2 侧壁

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

如图1-3所示，一种电子元件恒温液冷板，包括顺序叠置的上冷板1、液冷机构20和下冷板2，上冷板1和下冷板2分别具有扣封机构10，所述扣封机构10包括扣合法兰部11、抵压法兰部12和凹腔13，上冷板1、下冷板2分别通过扣合法兰部11和密封圈扣合在液冷机构20上并通过压紧螺栓5拧紧固定时，抵压法兰部12通过密封圈抵压在液冷机构20上使得上冷板的凹腔与下冷板的凹腔对合形成包围在液冷机构20两侧的恒温腔3，在恒温腔中设有固液相变储热机构30，液冷机构20位于固液相变储热机构30的大致中部位置。

液冷机构20包括液冷板体21，所述液冷板体21包括多路平行的管体部22，管体部22之间通过一字型的连接部23一体连接，连接部23上、下表面分别设有加强筋24，所述液冷板体21可通过挤出成型连续长度并定长切断；管体部22两端贯通连接管体25壁并通过贯通焊缝29一体焊接。

所述液冷板体21采用热塑性塑料，挤出成型制备。因为管体部与导热格栅28共挤出，导热格栅将恒温腔中的热量直接导入管体部内，管体部22的材料的导热性可不做要求，管体部22的材料可采用普通的焊接性能好、热稳定性能好、机械强度高的热塑性塑胶材料，比如聚丙烯（PP）、聚笨乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚甲醛（POM）、聚酰胺（PA），这样可避免在恒温腔中必须采用导热填料的热塑性导热树脂基复合材料的成本增加。

焊接对于热塑性塑料的组装是特别适用的，不用像现有技术的铝合金板去努力提高焊接工艺，只要使用普通的超声、高频、振动焊接都可以满足塑料管体的焊接要求。

关于S形冷却路，所述连接管体25的连接孔之间间隔设有多个堵头26，使得液冷板体21的多路平行的管体部22形成S形冷却路27。连接管体25两端的堵头为端堵头，连接管体25内间隔水路的堵头为间隔堵头26.1，间隔堵头26.1每隔2路管体部设置一个堵头，与管体部22首端一体连接的连接管体25内的间隔堵头的设置为，设置在第i根管体部P_i的紧邻右侧的间隔堵头记为D_i，i为大于等于1的奇数，则和与管体部22尾端一体连接的连接管体25内的间隔堵头设置为，设置在第j根管体部P_j的紧邻右侧的间隔堵头记为D_j，则j=i+1。Di与Dj交替设置在管体部的两端，以形成S形水路。

所述管体部22包括进水管路22.1、出水管路22.2和位于进水管路和出水管路之间的液冷管路22.3，液冷管路22.3位于恒温腔3中，抵压法兰部12液密封地抵压在进水管路22.1、出水管路22.2和连接管体25上。进水管路22.1和连接管体25连接处设有进水口22.4，出水管路22.2和连接管体25连接处设有出水口22.5。

管体部22横截面优选为六边形，包括平行的一字壁22.6和呈八字形对称支撑连接在一字壁的支撑侧壁22.7。还包括导热格栅28，所述导热格栅28作为嵌入件分别与液冷管路21.3的上一字壁21.1和下一字壁21.2共挤出。导热格栅28包括管内格栅部28.1、管外格栅部28.2和支座板28.3，管外格栅部28.2和管内格栅部28.1分别包括多片平行的散热岐片28.4，管外格栅部28.2和管内格栅部28.1的散热岐片28.4正对且一体成型在支座板28.3的两侧。所述管外格栅部28.2沿长度方向间隔设有多排连通孔28.5，所述共挤出为：支座板28.3与管体部内壁一体结合，同时管外格栅部28.2穿过管体部的一字壁并伸入管体部21的外侧的恒温腔3中，管内格栅部28.1位于管体部21的内侧并向管体部21中心延伸。

所述固液相变储热机构30包括设置在恒温腔3中的固液相变储热材料31，所述固液相变储热材料包括熔化温度为40-50℃的石蜡。所述固液相变储热材料31加热转变为液体后，恒温腔3抽真空，液态的固液相变储热材料31同时充满性地灌注在恒温腔3的上部和下部中。如此填充工艺，是因为，待固液相变材料冷却至室温完全固化后，固液相变材料固化时的体积膨胀被热塑性材料的管体部的稍微变形弥补，这样保证固液相变材料在固态时与上冷板或下冷板的凹腔壁的直接接触。固液相变储热材料31具有良好的恒温性和巨大的相变潜热，能有效地解决短期、周期性的大功率电子器件的散热问题，所述固液相变储热材料31优选为石蜡，具体为熔化温度为40.6℃、纯度98%的正21烷（C₂₁H₄₄）。经测试，在功率为2000w/m²的情况下仍有1个多小时的温升缓冲时间，很好地延缓了电子组件的升温过程。导热格栅28作为相变潜热的导热材料，经管外格栅部直接传热至管内格栅部，并通过液冷机构带走热量。固液相变储热材料在室温下通常是固态。

更为优选的是，上冷板或下冷板的凹腔13内壁横向和纵向分别设有加强筋6，使得凹腔13抗弹性变形能力增强，同时可降低上冷板或下冷板的厚度。如此，可保证充满液体的固液相变储热材料31固化时，其体积膨胀被管体部的收缩变形吸收，而不至于使得上冷板或下冷板的凹腔13鼓包。

所述液冷板体采用焊接性能好的热塑性塑料，所述上冷板或下冷板采用第一导热系数的金属材料，导热格栅采用第二导热系数的金属材料，第二导热系数大于第一导热系数。

一种电子元件恒温液冷板的恒温控制方法，大致位于凹腔中心部位置的连接部23设有温度传感器7，温度传感器7检测的恒温腔温度T_储发送给控制部，控制部包括判断部，判断部比较恒温腔温度T_储与阀值温度T_阀，当T_储<T_阀时，以第一流速V₁和第一入口温度T₁在S形冷却路中通过冷却液；当T_储≥T_阀时，以第二流速V₂和第二入口温度T₂在S形冷却路中通过冷却液。阀值温度T_阀设为固液相变储热材料31的熔点温度。第二流速V₂约为第一流速V₁的2倍，第二入口温度T₂约等于第一入口温度T₁的1/3～1/2。

上述方法的思路是借助于目前变频电机带动的泵来实现的。不同流速对应泵电机的不同功率。

实施例二

仅对液冷板体做了改进，其他结构与实施例一相同。

如图4所示，一种电子元件恒温液冷板，包括液冷机构200，所述液冷机构200包括液冷板体210和连接管体250，所述液冷板体210包括一对液冷哈夫板211对扣形成多路平行的管体部220，液冷哈夫板211包括板本体212和等间隔连接在板本体212的半管凸起部213，所述半管凸起部213包括顶壁213.1和侧壁213.2，两所述侧壁呈八字形支撑连接在顶壁和板本体212之间。

导热格栅28作为嵌入件预顶壁213.1一体共挤出，二者材料不同，顶壁采用塑胶材料，导热格栅是高导热系数的金属材料；或者，导热格栅28作为顶壁213.1的一部分一体延伸，二者材料相同，均为导热聚合物材料。液冷哈夫板211的板本体相对合并通过间隔地螺栓紧固，使得上下的半管凸起部222形成多路平行的液密封的管体部220。连接管体250也包括一对液冷哈夫板211对扣形成一路管体部220。为了保证管体部的液密封性，所述对扣可选择地包括夹在板本体之间的密封垫。

液冷板的工作原理：

本申请通过如下技术手段解决“设计一种恒温性能高、重量轻、对焊接要求不高也能保证流道的永久密封性的液冷板”的技术问题，

（1）液冷机构与固液相变储热机构协同配合，恒温性能好。

电子元件的高热流密度热量首先被固液相变储热机构30吸收，固液相变储热材料31由固态变为液态时能吸收很多热量而缓慢升温，而仅有固液相变储热机构30，则电子元件会长期处在较高温度状态下，比如50℃左右，这是不利于电子元件的正常运转的。所以，固液相变储热机构30只能起延缓升温的作用，相变潜热还需要液冷机构20带走，液冷机构20在相变的缓慢升温阶段迅速带走固液相变储热机构30的相变潜热，控制了液冷板的温升速率。

（2）导热格栅与管体部共挤出，降低了固液相变储热材料与液冷管路之间的热阻，减轻了液冷板的重量

导热格栅28与管体部共挤出，导热格栅28间隔设有连通孔，保证了管体壁不是被导热格栅分割成几个窄条，而是连通孔或敞口通槽也有管体壁树脂的整体结构，这样保证了管体壁与导热格栅的液体密封性。

固液相变材料31的热量由管外导热格栅直接热传导至管内导热格栅，并由管体部流经的冷却液带走管内导热格栅的热量，与管体壁共挤出的导热格栅，降低了固液相变储热材料与液冷管路之间的热阻，使得不用考虑固液相变材料31与液冷板之间的界面热阻。

使用导热格栅直接传导热量，使得液冷板体21可采用热塑性塑料制备，这样既可保证恒温腔中充满的固液相变材料固化时管体部的塑性收缩，不致于使上/下冷板鼓包；同时，热塑性塑料的液冷板体21相比铝合金、铜合金板材作为液冷流道板来说，重量减轻了不少。

（3）热塑性塑料的管体部与连接管体一体焊接，易焊性好，流道不会因腐蚀而漏液。

因液冷板体21和连接管体25均是热塑性塑料挤出成型，构建流道时，管体部的首末端分别焊接一连接管体25，管与管的垂直相贯焊接，因热塑性塑料，采用通常的超声、高频、振动均可形成可靠的一体焊缝，热塑性塑料的耐腐蚀性也比金属流道好。

（4）液冷哈夫板扣合，拆开扣合体，即可清理S形冷却路，清理方便

本申请的液冷板，在长期使用后需要清理流道，仅仅需要拧开上下共8个紧固螺栓，反方向移动上/下冷板，即可拆开对扣的液冷哈夫板，S形冷却路内的残杂物即可清理，流道清理非常方便。

本申请正是通过①液冷机构与固液相变储热机构协同配合；②导热格栅与管体部共挤出，降低热阻；③热塑性塑料的管体部与连接管体一体焊接，三个方面的改进，使得液冷板恒温性能高、重量轻、对焊接工艺要求不高。通过④液冷哈夫板扣合，拆开扣合体，即可清理S形冷却路，拆卸清理方便。

Claims

1.一种电子元件恒温液冷板，其特征在于，包括

顺序叠置的上冷板（1）、液冷机构（20,200）和下冷板（2），所述上冷板（1）、下冷板（2）分别设有相同的凹腔（13），叠置后，上冷板的凹腔与下冷板的凹腔对合形成包围在液冷机构（20,200）两侧的恒温腔（3）；

液冷机构（20，200）包括液冷板体（21,210）和连接管体（25），液冷板体（21,210）包括多路平行的管体部（22，220），管体部首尾两端分别贯通连接管体（25）并一体焊接；连接管体（25）于管体部贯通位置之间间隔设有多个堵头（26），使得液冷板体（21）的多路平行的管体部（22，220）首尾连通形成S形冷却路（27）；

固液相变储热机构（30），所述固液相变储热机构（30）包括固液相变储热材料（31），固液相变储热材料（31）充满所述恒温腔（3），且所述固液相变储热材料（31）在固态或液态时均与所述凹腔（13）内壁无间隙地直接接触；

导热格栅（28），导热格栅（28）作为嵌入件与管体部（22,220）共挤出，所述导热格栅（28）的一部分位于管体部（22，220）内，另一部分位于恒温腔（3）内。

2.一种如权利要求1所述电子元件恒温液冷板，其特征在于，液冷板体（21）还包括一字型的连接部（23），液冷板体为管体部（22，220）和连接部（23）交替一体连接的挤出成型体。

3.如权利要求1所述电子元件恒温液冷板，其特征在于，液冷板体（210）包括一对上下扣合的液冷哈夫板（220）形成多路平行的管体部（22，220），所述液冷哈夫板（220）包括板本体（212）和半管凸起部（213），一对液冷哈夫板的半管凸起部液密封地对合形成管体部。

4.如权利要求2或3所述电子元件恒温液冷板，其特征在于，所述导热格栅（28）包括管内格栅部（28.1）、管外格栅部（28.2）和支座板（28.3），管外格栅部（28.2）和管内格栅部（28.1）分别包括多片平行的散热岐片（28.4），管外格栅部（28.2）的散热岐片（28.4）和管内格栅部（28.1）的散热岐片（28.4）正对且一体成型在支座板（28.3）的两侧。

5.如权利要求4所述电子元件恒温液冷板，其特征在于，所述共挤出为,支座板（28.3）与管体部（22,220）内壁一体结合，同时管外格栅部（28.2）穿过管体部的壁并伸入外侧的恒温腔（3）中，管内格栅部（28.1）位于管体部的内侧并向管体部中心延伸。

6.如权利要求2或3所述电子元件恒温液冷板，其特征在于，还包括导热格栅（28），所述导热格栅包括管内格栅部（28.1）和管外格栅部（28.2），管内格栅部（28.1）一体连接于管体部内壁，管外格栅部（28.2）一体连接于管体部外壁，导热格栅与管体部的壁通过同一种导热塑胶材料一体挤出成型。

7.如权利要求3所述电子元件恒温液冷板，其特征在于，所述固液相变储热材料（31）在固态或液态时均与所述凹腔（13）内壁无间隙地直接接触实现为：S形冷却路（27）流通一定压力和流量的冷却液，固液相变储热材料（31）加热转变为液体后，恒温腔（3）抽真空，液态的固液相变储热材料（31）同时充满性地灌注在恒温腔（3）的上部和下部中并被冷却液冷却，然后固液相变储热材料与液冷板体一体固化。

8.如权利要求4所述电子元件恒温液冷板，其特征在于，所述液冷板体（21,210）采用焊接性能好的热塑性塑料，所述上冷板或下冷板采用第一导热系数的金属材料，导热格栅（28）采用第二导热系数的金属材料，第二导热系数大于第一导热系数。

9.如权利要求4所述电子元件恒温液冷板，其特征在于，所述散热岐片（28.4）还包括T形的延伸散热岐片（28.7），所述延伸散热岐片（28.7）在散热岐片（28.4）管体部共挤出后一体焊接与外侧的散热岐片上。

10.一种如权利要求5-6、8-9任一所述电子元件恒温液冷板的恒温控制方法，其特征在于，连接部（23）设有温度传感器（7），温度传感器（7）检测的恒温腔温度T_储发送给控制部，控制部包括判断部，

判断部比较恒温腔温度T_储与阀值温度T_阀，当T_储<T_阀时，以第一流速V₁和第一入口温度T₁在S形冷却路中通过冷却液；当T_储≥T_阀时，以第二流速V₂和第二入口温度T₂在S形冷却路中通过冷却液；

阀值温度T_阀设为固液相变储热材料（31）的熔点温度；

第二流速V₂为第一流速V₁的2倍，第二入口温度T₂等于第一入口温度T₁的1/3～1/2。