CN116190330A - 基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子设备散热技术领域，且公开了基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，包括功率模块，还包括散热基板、冷源装置和分流歧管；散热基板设置于功率模块上，散热基板远离功率模块一侧且位于功率模块发热区域的背面设置有微通道，用于承载功率模块并对功率模块进行散热。该基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，可通过优化散热基板上的微通道，初步改变功率模块的局部散热性能，避免多热源系统散热温度均匀性差的情况发生，再通过分流歧管配合冷源装置，基于热源布局特点改变微通道内部冷流的流入位置及流出位置，能够进一步实现定向强化冷却效果，达到基于热点区域的定向强化冷却且散热效率高的效果。

Description

基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器

技术领域

本发明涉及电子设备散热技术领域，具体为基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器。

背景技术

交通电气化的发展需求推动了电力电子变换器朝着小型化、轻量化的方向发展，其功率密度不断增大，散热问题愈发严峻。同时，随着新一代宽禁带半导体材料(GaN、SiC)的大规模应用，器件的封装尺寸进一步减小。在相同损耗下，芯片的表面热流密度远超Si基器件，更容易引起热量聚集问题。在功率半导体的失效因素中，由温度因素诱发的失效占比最大，且结温每升高10℃，失效率提高1倍左右(即10℃法则)。此外，散热系统通常在电力电子变换器中的重量和体积占比高，其单位重量或体积的散热能力对于变换器功率密度指标有着举足轻重的影响。因此，研发高效的散热系统具有重大意义。

传统的大部分变换器是多热源系统，而常规散热设计缺乏对多热源系统温度均匀性的考虑，很容易造成变换器内部功率模块芯片温度的不均衡，影响其可靠性。另外，散热器内部多余的冷却流体被分配在温度较低的区域，拉低了整体的散热效率，不利于进一步提升变换器的功率密度指标，故而提出一种基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器来解决上述技术问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，具备基于热点区域的定向强化冷却且散热效率高等优点，解决了传统的大部分变换器是多热源系统，而常规散热设计缺乏对多热源系统温度均匀性的考虑，很容易造成变换器内部功率模块芯片温度的不均衡，影响其可靠性。另外，散热器内部多余的冷却流体被分配在温度较低的区域，拉低了整体的散热效率，不利于进一步提升变换器的功率密度指标的问题。

(二)技术方案

为实现上述基于热点区域的定向强化冷却且散热效率高的目的，本发明提供如下技术方案：基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，包括功率模块，还包括散热基板、冷源装置和分流歧管；散热基板，设置于功率模块上，散热基板远离功率模块一侧且位于功率模块发热区域的背面设置有微通道，用于承载功率模块并对功率模块进行散热；冷源装置，相对于散热基板间隔设置，用于产生冷流并对散热基板进行散热；分流歧管，设置于散热基板与冷源装置之间，且与散热基板上微通道连通并形成散热通道，用于配合冷源装置对散热基板进行定向强化冷却。

优选的，分流歧管包括分隔板、锯齿型条状凸起、流入口和流出口；分隔板设置于散热基板远离功率模块的一侧，并对微通道的边缘进行密封；锯齿型条状凸起设置于分隔板远离散热基板的一侧，锯齿型条状凸起的侧壁使得散热通道的横截面为渐缩式的梯形结构；分隔板上且位于锯齿型条状凸起内凹区域的一侧开设有与微通道连通的流入口，流入口与冷源装置连通；分隔板上且位于锯齿型条状凸起外凸区域的一侧开设有与微通道连通的流出口。

优选的，通过采用结合有限元软件仿真和优化算法计算得出分隔板上最佳散热流入口和流出口的数量、宽度及位置。

优选的，冷源装置为风冷装置，冷源装置包括第一底座和风机；第一底座设置于分隔板远离散热基板的一侧，且与分隔板上锯齿型条状凸起抵持并使得第一底座分为进风区和排风区；风机设置于第一底座上的进风区内。

优选的，冷源装置为水冷装置，冷源装置包括第二底座、冷却腔、进水口和出水口；第二底座设置于分隔板远离散热基板的一侧；第二底座内开设有冷却腔，且锯齿型条状凸起与冷却腔的内壁相抵持并将冷却腔分为左腔室和右腔室，左腔室和右腔室通过流入口、微通道和流出口连通；第二底座上开设有与左腔室连通的进水口；第二底座上开设有与右腔室连通的出水口。

优选的，通过采用结合有限元软件仿真和优化算法对散热基板上电路的发热源分析并计算得出最佳散热微通道的数量、尺寸、拓扑形状及位置。

优选的，散热基板、冷源装置和分流歧管通过螺栓可拆卸式装配连接，或通过3D打印、金属键合等方式形成一个整体部件。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，具备以下有益效果：

1、该基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，可通过优化散热基板上的微通道，初步改变功率模块的局部散热性能，避免多热源系统散热温度均匀性差的情况发生，再通过分流歧管配合冷源装置，基于热源布局特点改变微通道内部冷流的流入位置及流出位置，能够进一步实现定向强化冷却效果，达到基于热点区域的定向强化冷却且散热效率高的效果。

2、该基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，通过分流歧管采用分隔板、锯齿型条状凸起、流入口和流出口配合使用，进而改变冷流在分流歧管内不同位置的流量分布及换热效率，同时分流歧管内流体流动方向与微通道内的流动方向相垂直，能最大限度增大对流体的扰动，从而提高换热系数，且冷源装置可采用风冷装置或水冷装置，进一步提高了该歧管微通道散热器适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例一中的歧管微通道散热器结构爆炸图；

图2为本发明中散热基板的结构示意图；

图3为本发明中分流歧管的结构立体图；

图4为本发明实施例二中的歧管微通道散热器结构爆炸图；

图5为本发明中分流歧管的结构仰视图；

图6为本发明中歧管微通道散热器局部结构爆炸图。

图中：1功率模块、2散热基板、3冷源装置、31第一底座、32风机、4分流歧管、41分隔板、42锯齿型条状凸起、43流入口、44流出口、a进风区、b排风区、c左腔室、d右腔室。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-3，基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，包括功率模块1，还包括散热基板2、冷源装置3和分流歧管4，冷源装置3为风冷装置，冷源装置3包括第一底座31和风机32，第一底座31内固定安装有风机32，散热基板2固定安装于功率模块1上，用于承载功率模块1，散热基板2远离功率模块1的一侧且位于功率模块1发热区域的背面开设有微通道20，微通道20用于增强功率模块1的散热效率，冷源装置3相对于散热基板2间隔设置并用于产生冷空气气流且对散热基板2及功率模块1进行散热，分流歧管4固定安装与冷源装置3上的第一底座31内并与散热基板2固定连接，且分流歧管4与散热基板2上的微通道20连通并形成散热通道40；通过冷源装置3上的风机32高速旋转并产生冷空气气流，通过分流歧管4配合散热基板2进行导流，使得冷空气气流经过散热通道40及微通道20对功率模块1的发热区域进行定向强化冷却，从而避免冷空气气流被分配在温度较低的区域拉低了整体的散热效率或造成变换器内部功率模块芯片散热温度的不均衡等情况发生，进而达到基于热点区域的定向强化冷却且散热效率高的效果。

优选的，为了进一步提高该歧管微通道散热器的散热性能；具体的，分流歧管4包括分隔板41、锯齿型条状凸起42、流入口43和流出口44，分隔板41固定安装于散热基板2远离功率模块1的一侧并对微通道20的边缘进行密封，避免冷空气气流溢出或紊乱而影响该歧管微通道散热器散热性能的情况发生，锯齿型条状凸起42设置于分隔板41远离散热基板2的一侧，锯齿型条状凸起42的侧壁使得散热通道40的横截面为渐缩式的梯形结构，分隔板41上且位于锯齿型条状凸起42内凹区域的一侧开设有与微通道20连通的流入口43，流入口43与冷源装置3的出风口连通，锯齿型条状凸起42与分隔板41上锯齿型条状凸起42抵持并使得第一底座31分为进风区a和排风区b，风机32固定安装于第一底座31上的进风区a内，分隔板41上且位于锯齿型条状凸起42外凸区域的一侧开设有与微通道20连通的流出口44；通过锯齿型条状凸起42的侧壁对冷源装置3产生的冷空气气流进行导向，并改善通道内流体分布的均匀性，再通过分隔板41上的流入口43将冷空气气流导入微通道20中对散热基板2进行冷却，并通过分隔板41上的流出口44将微通道20内换热后的热空气导出，实现快速冷却，由于分隔板41配合流入口43和流出口44对冷空气气流进行上下导流，并通过微通道20对进入散热基板2内的冷空气气流进行三维空间定向导流，冷空气气流在分流歧管4内流体流动方向与在微通道20内的流动方向相垂直，能最大限度增大对流体的扰动，从而提高换热系数，同时延长了冷空气气流的流动路径并相对提高了冷空气气流的换热效率，且分流歧管4上的锯齿型条状凸起42与分隔板41和分隔板41与散热基板2之间均能够接触式传递热量，使得流入微通道20的冷空气气流对锯齿型条状凸起42的一侧进行初步换热，流出微通道20的冷空气气流对锯齿型条状凸起42的另一侧进行二次换热，进一步增大了该歧管微通道散热器的换热面积及换热效率，实现基于热点区域的定向强化冷却且散热效率高的效果。

优选的，为了进一步提高该歧管微通道散热器的散热性能；具体的，通过采用结合有限元软件仿真和优化算法计算得出分隔板41上最佳散热流入口43和流出口44的数量、宽度及位置及微通道10的数量及位置，从而进一步优化该歧管微通道散热器的散热性能。基于有限元仿真软件COMSOL的LiveLink for MATLAB接口，用特定编码规则表示不同的分流歧管结构形状，并对每种结构形状进行CFD仿真，根据仿真结果不断筛选、更改、迭代，直至收敛到最优解，经过实验验证，该优化后的歧管微通道散热器能够将相同损耗芯片之间的温度不均匀性控制在5％以内，该基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器比传统歧管微通道散热器散热效率更高，在相同芯片损耗下和相同流量条件，所提出的方案能够减小10-20％的系统热阻。

优选的，为了进一步提高该歧管微通道散热器的散热性能；具体的，通过散热基板2、冷源装置3和分流歧管4采用螺栓可拆卸式装配连接，进而便于定期对该歧管微通道散热器内部进行清理，避免微通道20及散热通道40内壁存在污渍而影响该歧管微通道散热器的散热性能的情况发生。

实施例二：

请参阅图4-6，与实施例一的区别仅在于该实施例二中冷源装置3采用水冷装置，冷源装置3为水冷装置，冷源装置3包括第二底座33、冷却腔34、进水口35和出水口36，第二底座33固定安装于分隔板41远离散热基板2的一侧，第二底座33内开设有冷却腔34，且锯齿型条状凸起42与冷却腔34的内壁相抵持并将冷却腔34分为左腔室c和右腔室d，左腔室c和右腔室d通过流入口43、微通道20和流出口44连通，第二底座33上开设有与左腔室c连通的进水口35，第二底座33上开设有与右腔室d连通的出水口36，冷却腔34内填充有冷却液体，冷却液体采用乙二醇溶液，通过进水口35将冷却液体导入冷却腔34的左腔室c中，并通过分隔板41上的流入口43将冷却液体导入散热基板2的微通道20中并对散热基板2及功率模块1进行定向强化冷却，换热后的冷却液体通过分隔板41上的流出口44导出，实现快速冷却，同理，由于分隔板41上锯齿型条状凸起42的侧壁使得散热通道40的横截面为渐缩式的梯形结构，并配合流入口43和流出口44对冷却液体进行导流，进而改变该歧管微通道散热器内局部冷却液体的分部量及流速，进而改变该歧管微通道散热器的散热均匀性，最后通过有限元软件仿真和优化算法对其具体结构进行实验性论证及优化，进一步提高了该歧管微通道散热器的散热性能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，包括功率模块(1)，其特征在于：还包括散热基板(2)、冷源装置(3)和分流歧管(4)；

散热基板(2)，设置于功率模块(1)上，散热基板(2)远离功率模块(1)一侧且位于功率模块(1)发热区域的背面设置有微通道(20)，用于承载功率模块(1)并对功率模块(1)进行散热；

冷源装置(3)，相对于散热基板(2)间隔设置，用于产生冷流并对散热基板(2)进行散热；

分流歧管(4)，设置于散热基板(2)与冷源装置(3)之间，且与散热基板(2)上微通道(20)连通并形成散热通道(40)，用于配合冷源装置(3)对散热基板(2)进行定向强化冷却。

2.根据权利要求1所述的基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，其特征在于：分流歧管(4)包括分隔板(41)、锯齿型条状凸起(42)、流入口(43)和流出口(44)；

分隔板(41)设置于散热基板(2)远离功率模块(1)的一侧，并对微通道(20)的边缘进行密封；

锯齿型条状凸起(42)设置于分隔板(41)远离散热基板(2)的一侧，锯齿型条状凸起(42)的侧壁使得散热通道(40)的横截面为渐缩式的梯形结构；

分隔板(41)上且位于锯齿型条状凸起(42)内凹区域的一侧开设有与微通道(20)连通的流入口(43)，流入口(43)与冷源装置(3)连通；

分隔板(41)上且位于锯齿型条状凸起(42)外凸区域的一侧开设有与微通道(20)连通的流出口(44)。

3.根据权利要求2所述的基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，其特征在于：通过采用结合有限元软件仿真和优化算法计算得出分隔板(41)上最佳散热流入口(43)和流出口(44)的数量、宽度及位置。

4.根据权利要求2所述的基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，其特征在于：冷源装置(3)为风冷装置，冷源装置(3)包括第一底座(31)和风机(32)；

第一底座(31)设置于分隔板(41)远离散热基板(2)的一侧，且与分隔板(41)上锯齿型条状凸起(42)抵持并使得第一底座(31)分为进风区(a)和排风区(b)；

风机(32)设置于第一底座(31)上的进风区(a)内。

5.根据权利要求2所述的基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，其特征在于：冷源装置(3)为水冷装置，冷源装置(3)包括第二底座(33)、冷却腔(34)、进水口(35)和出水口(36)；

第二底座(33)设置于分隔板(41)远离散热基板(2)的一侧；

第二底座(33)内开设有冷却腔(34)，且锯齿型条状凸起(42)与冷却腔(34)的内壁相抵持并将冷却腔(34)分为左腔室(c)和右腔室(d)，左腔室(c)和右腔室(d)通过流入口(43)、微通道(20)和流出口(44)连通；

第二底座(33)上开设有与左腔室(c)连通的进水口(35)；

第二底座(33)上开设有与右腔室(d)连通的出水口(36)。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，其特征在于：通过采用结合有限元软件仿真和优化算法对散热基板(1)上电路的发热源分析并计算得出最佳散热微通道(10)的数量、尺寸、拓扑形状及位置。

7.根据权利要求1所述的基于热点区域定向优化的歧管微通道散热器，其特征在于：散热基板(2)、冷源装置(3)和分流歧管(4)通过螺栓可拆卸式装配连接，也可通过3D打印、金属焊接等方式形成一个整体部件。

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