CN113811149A - 一种用于高功率igbt模块热管理的两相微通道散热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，包括端盖板、微通道板底座，端盖板与微通道板底座固定连接；端盖板两侧分别设有进液口、出液口，端盖板表面位于进液口、出液口之间处设有坡状渐深凹槽；微通道板底座两侧分别设有与进液口连通的进口缓冲池以及与出液口连通的出口缓冲池，微通道板底座远离端盖板一面设有发热源；进口缓冲池通过并联式微通道组与出口缓冲池连通，所述坡状渐深凹槽正对并联式微通道组设置，坡状渐深凹槽深度由进液口到出液口的方向逐渐加深。优点为：利用各种结构极大程度抑制了流动沸腾过程中的流动不稳定性问题，且装置加工方便，成本较低，市场推广有着很大优势。

Description

一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置

技术领域

本发明属于微电子冷却技术领域，具体涉及一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置。

背景技术

在市场影响下，IGBT模块向着大功率、集成化方向发展，大功率IGBT模块在工作过程中会产生更多功率损耗，产生更多热量，这让散热问题显得愈发严峻。大功率IGBT芯片的瞬时热流密度可达500W/cm²，如果热量不能及时转移极有可能导致芯片烧毁或出现焊料层分离断裂、焊丝翘起、芯片裂纹等问题，导致IGBT模块无法正常工作。不仅如此，模块内部温差大也会产生热应力引起热失控问题，降低模块的可靠性。因此良好的热管理对于IGBT模块尤其重要，过高的温度和温度不均匀性都可能导致性能快速下降和系统故障，既需要及时转移走其工作产生的大量热量，又要保证其运行过程中保持良好的均温性。

沸腾换热是一种高效的换热方式，且沸腾换热冷却在保持均温性方面性能十分优异，是IGBT热管理的一种很好的解决方案。其中微细通道内的流动沸腾换热有着结构紧密、换热能力强、传热系数极高、均温性良好和工质充注量少的优点，加上近年来微加工工艺进步，微细通道的加工成本降低，使得微细通道内的两相沸腾换热在IGBT热管理领域有着极大的发展前景。

申请号为CN201920013716.3的中国专利，公开了一种大功率IGBT相变热管理系统，包括IGBT芯片组件、结温检测器、微通道液体蒸发器、介质回路和气相压缩冷凝调控装置，能够对IGBT芯片进行精确温度调控，保障电力电子设备器件的运行性能和可靠性。

综合考虑到IGBT模块的合理运行温度范围以及对应冷却工质蒸发温度与压力选择的多样性，制冷剂工质已经成为冷却工质的重要选项。制冷剂工质作为冷却工质主要分为两大类，即纯组分工质与混合工质。由于纯组分工质在品种和性质上的局限，采用混合工质可以实现纯组分工质之间的优势互补，为调制冷却工质的性质和扩大冷却工质的选择开辟了更为宽广的空间。

然而在高热流下产生的大量蒸汽导致微通道内流动不稳定性，混合工质的复杂机理也增大了微通道内流动不稳定的可能。流动逆转、气泡堵塞和流动不稳定性是在微电子散热领域实现两相流微通道冷却的一些主要挑战，使得混合工质两相微通道散热的推广收到极大阻碍。

已有部分专利针对流动不稳定性采取了一些举措：

申请号为CN202011071272.2的中国专利，公开了一种气液相分离型微通道相变冷却器，其中，包括：上层盖板上设置有流体进液口和流体出液口；下层微通道板上设置有进口流体分配腔、微通道阵列和出口流体汇集腔；微通道阵列由入口微通道阵列、周期性轴向渐扩通道阵列、周期性径向渐扩汇聚联箱以及两侧的分相通道组成；上层盖板的流体进液口以及流体出液口分别正对下层微通道板上的进口流体分配腔和出口流体汇集腔；底层模拟发热源位于下层微通道板背面并正对微通道阵列区域，两侧分相通道位于底层模拟发热源加热区域外侧。发明尽管针对流动不稳定性有一些针对性结构改良，但其采用的周期性轴向通道阵列需要加工周期性渐扩凹槽使得微通道水力直径呈周期性渐扩变化，加工复杂；而且仅此对流动不稳定性抑制能力有限，可能需要进一步优化。

申请号为CN201610245384.2的中国专利，公开了属于微尺度相变传热技术领域中的一种针肋壁面微通道换热器。所述热交换器包括键合在一起的第一硅基片和第二硅基片，第二硅基片上加工有热交换器入口和热交换器出口，表面加工有针肋壁面微通道，且针肋壁面微通道位于热交换器入口和热交换器出口之间；针肋壁面微通道由11条梯级针肋壁隔开成12个光通道，梯级针肋壁由大量单个针肋柱组成，包括针肋密集区和针肋疏松区，针肋疏松区位于针肋密集区的两侧。

申请号为CN202011579788.8的中国专利，涉及散热、换热器技术领域，公开了一种相变换热器，包括主体、盖板以及散热组件；散热组件包括若干散热件，相邻散热件间隔设置形成微通道，微通道内均设置有多个第一针肋，各个微通道组合形成微通道区域；主体包括汇入腔以及汇出腔，汇出腔通过微通道区域与汇出腔连通；盖板设置有汇入管以及汇出管，汇入管与汇入腔连通，汇出管与汇出腔连通。主要是从增加汽化核心，增强微通道内流体湍动程度的角度提出了一种全新的微通道热沉，即在微通道的上下两个底面均设置有针肋结构，以此来增强换热器内流动沸腾稳定性，极大地提高了热沉的冷却和均温效果。

上述两个专利有着针肋壁面的结构，结构重点在于增加汽化核心，主要侧重点在于增强传热以及传热稳定性，对于抑制流动不稳定性的能力有限，而且结构较为复杂不易加工。

综上所述目前对于解决流动不稳定性仍有很大进步空间，因此解决微通道内部流动不稳定性问题成为了推广两相微通道散热的关键问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，以解决流动不稳定性的问题，采取的技术方案如下：

一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，包括端盖板、微通道板底座，端盖板与微通道板底座固定连接；

端盖板两侧分别设有进液口、出液口，端盖板表面位于进液口、出液口之间处设有坡状渐深凹槽；

微通道板底座两侧分别设有与进液口连通的进口缓冲池以及与出液口连通的出口缓冲池，微通道板底座远离端盖板一面设有发热源；

进口缓冲池通过并联式微通道组与出口缓冲池连通，所述坡状渐深凹槽正对并联式微通道组设置，坡状渐深凹槽深度由进液口到出液口的方向逐渐加深。

作为优选方案，并联式微通道组包括依次联接的多个并联式微通道，并联式微通道包括多条相互平行且等间距布设的微通道，相邻两个并联式微通道之间形成垂直于微通道的缓冲通道。

作为优选方案，缓冲通道的水利直径为微通道水利直径的1.5-2倍。

作为优选方案，微通道由两块平行的通道板构成。

作为优选方案，靠近进口缓冲池的多条微通道均设有收缩入口，每条微通道均通过相应收缩入口与进口缓冲池连通。

作为优选方案，收缩入口的水利直径为微通道水利直径的4％。

作为优选方案，微通道水利直径为0.5mm。

作为优选方案，并联式微通道组底部设有网状散热片。

作为优选方案，网状散热片设有多个成核位点，成核位点为一凹坑。

作为优选方案，所述坡状渐深凹槽的坡度为0.2°。

本发明的有益效果是：

1、所述装置基于气泡动力学，从各个角度出发利用各种独特的结构极大程度的抑制了流动沸腾过程中的流动不稳定性问题，解决了微通道流动沸腾不稳定、不可控的难题；

2、所述装置针对IGBT热管理设计，在解决了流动沸腾稳定性问题后采用混合工质微通道流动沸腾的热管理方案不仅可以在多种工况下均能实现高效的热量转移而且可以保证均温性良好，是IGBT热管理的优选方案。

3、所述装置加工方便，成本较低，市场推广有着很大优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置的总装示意图；

图2是本发明所述一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置的内部流道结构示意图；

图3是本发明所述端盖板的结构示意图；

图4是本发明所述微通道板底座的结构示意图；

图5是图4中A部分的局部放大图；

图中：1、端盖板，2、微通道板底座，11、进液口，12、出液口，13、坡状渐深凹槽，21、进口缓冲池，22、出口缓冲池，23、收缩入口，24、并联式微通道组，241、并联式微通道，25、成核位点，26、网状散热片，27、微通道，28、缓冲通道。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参照图1-4，本实施例提供了一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，包括端盖板1、微通道板底座2，端盖板1与微通道板底座2固定连接；

端盖板1两侧分别设有进液口11、出液口12，端盖板1表面位于进液口11、出液口12之间处设有坡状渐深凹槽13；

微通道板底座2两侧分别设有与进液口11连通的进口缓冲池21以及与出液口12连通的出口缓冲池22，微通道板底座2远离端盖板1一面设有发热源，作为底层模拟发热源。

进口缓冲池21通过并联式微通道组24与出口缓冲池22连通，所述坡状渐深凹槽13正对并联式微通道组24设置，坡状渐深凹槽深度13由进液口11到出液口12的方向逐渐加深。

即坡状渐深凹槽13深度较浅一端的起始处与并联式微通道组24入口端贴合，使得并联式微通道组24与端盖板1之间形成了一条逐渐增大的坡状缝隙。

具体地：

参照图4，并联式微通道组24包括依次联接的多个并联式微通道241，并联式微通道241包括多条相互平行且等间距布设的微通道27，微通道27由两块平行的通道板构成。相邻两个并联式微通道241之间形成垂直于微通道27的缓冲通道28，以对液体起到缓冲作用。缓冲通道28的水利直径为微通道27水利直径的1.5-2倍。

因此，坡状渐深凹槽13使得微通道27成为了均一发散通道，不仅有助于气泡的平稳排空，抑制通道之间的压力不稳定性，降低流动沸腾的不稳定因素，而且有效降低了流动过程中的压力损失，减小泵的输出功率。其中，本实施例中所述坡状渐深凹槽13的坡度为0.2°。

参照图4、5，靠近进口缓冲池21的多条微通道27均设有收缩入口23，每条微通道27均通过相应收缩入口23与进口缓冲池21连通。

收缩入口23的水利直径为微通道27水利直径的4％，收缩入口23可以加强入口处的流体流速，高流速的流体可以冲刷入口处可能出现的堵塞气泡，减少流动不稳定性因素。

本实施例中所述微通道27水利直径为0.5mm。

参照图5，并联式微通道组24底部设有网状散热片26。网状散热片26可以降低沸腾开始所需的表面过热温度，利于气泡动力学，减小气泡演化随机性。网状散热片26设有多个成核位点25，成核位点25为一凹坑。成核位点25为流动沸腾过程提供稳定的气化核心，减少了气泡生成的不确定性同时增强了散热。

所述装置的运行过程为：

所选混合工质流体从进液口11流进，通过进口缓冲池21缓冲后经收缩入口23流入并联式微通道组24；经底层模拟发热源的加热在人工成核位点25以及表面网状散热片26的影响下稳定地沸腾散热，生成的气泡通过收缩入口23形成的高速流体冲散以免堵塞影响流动稳定性；在并联式微通道组24流动过程中由于坡状渐深凹槽13与并联式微通道组24之间形成的渐扩式结构以及缓冲通道28的设置，使得气泡平稳排空，通道压力稳定，流动过程平稳而良好；最后流体经出口缓冲池22从出液口12流出，完成流动过程。

所述装置克服流动沸腾不稳定性的原理为：坡状渐深凹槽13使得微通道27成为了均一发散通道，有助于气泡的平稳排空，抑制通道之间的压力不稳定性；收缩入口23加强入口处的流体流速，高流速的流体可以冲刷入口处可能出现的堵塞气泡，减少流动不稳定性因素；人工成核位点25为流动沸腾过程提供稳定的气化核心，减少了气泡生成的不确定性同时增强了散热；并联式微通道组24底部设有网状散热片26，可以降低沸腾开始所需的表面过热温度，利于气泡动力学，减小气泡演化随机性。几种特殊结构共同作用下从气泡动力学出发最大限度地减少了气泡生成的不确定性，极大程度地抑制了流动不稳定性。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，包括端盖板、微通道板底座，端盖板与微通道板底座固定连接；

端盖板两侧分别设有进液口、出液口，端盖板表面位于进液口、出液口之间处设有坡状渐深凹槽；

微通道板底座两侧分别设有与进液口连通的进口缓冲池以及与出液口连通的出口缓冲池，微通道板底座远离端盖板一面设有发热源；

进口缓冲池通过并联式微通道组与出口缓冲池连通，所述坡状渐深凹槽正对并联式微通道组设置，坡状渐深凹槽深度由进液口到出液口的方向逐渐加深。

2.根据权利要求1所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，并联式微通道组包括依次联接的多个并联式微通道，并联式微通道包括多条相互平行且等间距布设的微通道，相邻两个并联式微通道之间形成垂直于微通道的缓冲通道。

3.根据权利要求2所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，缓冲通道的水利直径为微通道水利直径的1.5-2倍。

4.根据权利要求3所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，微通道由两块平行的通道板构成。

5.根据权利要求3所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，靠近进口缓冲池的多条微通道均设有收缩入口，每条微通道均通过相应收缩入口与进口缓冲池连通。

6.根据权利要求5所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，收缩入口的水利直径为微通道水利直径的4％。

7.根据权利要求6所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，微通道水利直径为0.5mm。

8.根据权利要求1所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，并联式微通道组底部设有网状散热片。

9.根据权利要求8所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，网状散热片设有多个成核位点，成核位点为一凹坑。

10.根据权利要求1所述的一种用于高功率IGBT模块热管理的两相微通道散热装置，其特征在于，所述坡状渐深凹槽的坡度为0.2°。

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