CN116705732A - 一种面向功率芯片的液冷储热复合控温装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向功率芯片的液冷储热复合控温装置，包括功率模块、水冷板、相变储热模块；所述功率模块、水冷板、相变储热模块自上而下依次设置，水冷板内设有导热肋柱且延伸至相变储热模块中；所述导热肋柱的位置对应功率模块的位置下方，用于将功率模块处的产热传递至相变储热模块中，同时增大水冷板与流体的接触面积，增强水冷散热能力；所述水冷板用于对功率模块在额定电流时产生的热量进行先行散热；所述相变储热模块用于结合水冷板对功率模块在超过负载电流时产生的热量进行后续散热，实现不同电流下的大功率芯片温度自动调控。本发明具有很好的均温散热能力，并且可以实现额定电流与负载电流下的大功率芯片温度自动调控。
Description
技术领域
本发明属于电子设备散热装置，特别是一种面向功率芯片的液冷储热复合控温装置。
背景技术
近年来随着电子设备朝着高集成度、高功率趋势发展，电子器件的热流密度越来越高。温度对电子器件的性能有重要影响，55％的电子器件失效都是由于其温度过高引起的。电子设备热流密度的急剧增加对电子设备的稳定性和使用寿命提出了很大的挑战，也对电子设备的热设计提出了更高的要求。特别是机载和弹载设备等特殊环境条件下的电子设备，对于散热装置的电负荷和外部输入动力具有更严格的要求。而且对于机载和弹载设备中存在着分散布置的电子器件，各器件产生的热量不同会造成设备温度分布不均匀，不均匀的温度分布会造成设备各器件之间电性能的不同，极大地影响设备的工作性能和效率。针对特殊条件下电子设备对于输入过载电流的严格要求，散热装置需尽量减小电负荷并且实现不同电流倍数下的温度自动调控。针对分散布置的电子器件，散热装置需要利用导热肋柱将热量快速传递到水冷板与相变储热模块中，减少热量分布不均。而对于不同的负载电流，则需要由肋柱连接的相变储热模块应对热冲击并吸收水冷板无法吸收的热量。由以上分析可知散热装置需要散热能力强，均温性好，有层次地进行的电子器件自动温度控制。
传统高热流密度大功率电子器件一般使用水冷板散热，水冷板散热具有强大的载热能力，且热阻小，但调控不灵活，无法应对突如其来的热冲击并应用于不同热负载条件下的热调控。若水冷板持续以高负载功率运行，虽然可以应对高负载电流的热控，但会增加外部输入功率以及整个散热装置的体积、重量。相比于传统的风冷、水冷散热技术，固液相变材料的潜热储存技术由于其较大的储热能力以及近乎恒温的储热、放热过程，被广泛应用于热沉资源少、间歇性、高低功率循环以及脉冲性电子器件热管理中。相变材料也由于具有较高的相变潜热值，性能稳定、无腐蚀、无毒性等优点，被广泛应用。因此将水冷板与相变储热模块相结合，组成复合散热系统，由水冷板对常态功率模块进行散热冷却，相变储热模块应对过载电流下多余的热量，防止功率器件的烧毁。
各国研究人员都对水冷板与相变储热模块的复合散热方案进行了广泛的研究，主要对水冷板的流量参数以及尺寸大小对散热的影响进行了研究，特别是针对功率，水冷入口流量、流速对电子设备温差、最高温度的影响给与了很多的关注。但是针对短时的大电流负载，仅靠水冷板散热模块不能很好的对电子设备移除热量，必然需要额外的散热模块来应对热冲击。而对于不定时的热负载电流，必须需要在面临热冲击时相变储热模块通过肋柱连接按需自动接入，实现温度的自动调控。对比文献1(JiahaoCao,YiWu,etal.Upgradestrategyofcommercialliquid-cooledbatterythermalmanagementsystemusing electricinsulatingflexiblecompositephasechangematerials,AppliedThermalEngineering199(2021)117562)研究了相变材料/液冷混合冷却装置对于锂离子电池的热管理模式以及热失控效果，研究表明单相液冷系统冷却下的锂离子电池的温差大于7℃，而添加了相变材料的混合冷却系统的温差降至3.2℃，证明了混合冷却系统的优越性；然而以往的混合冷却模式都是液冷和相变材料相变二者同时作用于功率模，而对于如何抵御热冲击以及如何使相变储热模块在遇到热冲击时自动接入散热系统、并实现有层次自动控温的目标，还没有相关研究。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种面向功率芯片的液冷储热复合控温装置，解决传统单一液冷散热效率低、无法抵御热冲击，相变储热模块不能自动接入、实现自动控温的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种面向功率芯片的液冷储热复合控温装置，包括功率模块、水冷板、相变储热模块；
所述功率模块、水冷板、相变储热模块自上而下依次设置，水冷板内设有导热肋柱且延伸至相变储热模块中；
所述导热肋柱的位置对应功率模块的位置下方，用于将将功率模块处的产热传递至相变储热模块中，同时增大水冷板与流体的接触面积，增强散热性能；
所述水冷板用于对功率模块在额定电流时产生的热量进行先行散热；
所述相变储热模块用于结合水冷板对功率模块在超过负载电流时产生的热量进行散热，实现不同电流下的大功率芯片的温度自动调控。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)水冷板与相变储热模块相结合，二者共同组成的混合冷却系统可对大功率过载芯片进行有效均温散热，利用水冷板的高效主动散热以及相变储热模块的自动被动散热，可以进行大功率芯片的有效散热控温。
(2)利用高功率芯片的铜基板作为水冷板的上盖板，压缩了水冷板的厚度，减少了散热装置的重量与空间利用。相变材料的密度较小，同时也减轻了散热装置的质量。
(3)水冷板内无流道，使用导流板来进行流体的引导与分流，减轻了冷板的重量，加工难度小，工艺性好。
(4)将导热肋柱布置在高功率器件的下方，自水冷板上盖板穿过整个水冷板延伸至相变材料中。这样布置导热肋柱既提高了相变材料的热导率，又可以将热源处的热量快速传递至相变材料中，同时还能增加水冷板的散热面积。保证所有功率器件温度更均衡，减小功率器件之间的温差。
(5)复合散热系统在额定电流下利用水冷板长时工作，此时相变储热模块不参与散热工作，当电流突变至过载电流时，芯片产生的热量使得温度快速提升至相变材料的相变温度点，相变储热模块将通过肋柱自动接入到复合散热装置中，吸收多余的水冷板无法散去的热量；当电流回落至额定电流时，芯片产热减少，相变散热模块的温度下降使之回复到固相状态，为接下来的新一轮的电流热冲击做准备，实现不同电流下的大功率芯片温度自动调控。
附图说明
图1是本发明的基于水冷板与相变储热模块复合散热的大功率过载芯片自动控温装置的三维结构示意图。
图2是本发明的基于水冷板与相变储热模块复合散热的大功率过载芯片自动控温装置的平面结构示意图。
图3是本发明的基于水冷板与相变储热模块复合散热的大功率过载芯片自动控温装置的水冷板层结构示意图。
图4是本发明的基于水冷板与相变储热模块复合散热的大功率过载芯片自动控温装置的相变储热模块层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1、图2，本发明的一种面向功率芯片的液冷储热复合控温装置，包括功率模块1、水冷板2、导热肋柱3、导流片4、相变储热模块5；所述水冷板2包括n个导热肋柱3，n≥2以及5个导流片4；
所述水冷板2的上盖板为功率模块1的铜基板，形成一体化结构。水冷板2的下盖板与相变储热模块5相连，形成水冷板与相变储热复合散热装置。
水冷板2内为空腔体无规则流道，内含导热肋柱3与导流片4。导热肋柱3自水冷板2上盖板生长，穿过整个水冷板2延伸至相变储热模块5中，起到高效导热与热量分配调控作用；导流片4垂直排布于水冷板2上下表面，引导冷却液流经功率模块1等高热流处。
相变储热模块5中包含导热肋柱3，起到增强热导率的作用，快速吸收水冷板2无法吸收的热量，与水冷板2共同形成至上而下的大功率芯片-水冷板-相变储热复合散热装置。
结合图3，水冷板2的长度L为113mm，宽度W为83mm，厚度H1为7mm，上盖板和下盖板的厚度分别为3mm和1mm，采用紫铜作为材料；导流片4的厚度为1mm，垂直与水冷板2方向，排列分布以引导流体流向功率模块1处为准。导热肋柱3的截面尺寸为2×2mm2，长度为19mm，间距为3mm，布置在功率模块1下方，同样垂直与水冷板2方向。
所述功率模块1下布置的导热肋柱3根据热流密度大小决定布置数量，最好构成矩形结构，导流片4将导热肋柱3矩阵围绕其中，使得冷却液在导流片4的引导作用下通过导热肋柱3流经功率模块1下方，导热肋柱3既增大了水冷板2的换热面积，提高水冷板2的散热性能；同时将水冷板2无法带走的热量传递给相变储热模块5，将相变储热模块5接入复合散热系统。
结合图4，相变储热层5的横截面尺寸与水冷板2相同，厚度H2根据负载电流下的最大散热量决定。高导热相变材料选择膨胀石墨与石蜡复合相变材料，初始相变温度为45℃，热导率为14W/(m·K)，相变潜热为157J/g。
本发明的基于水冷板与相变储热模块复合散热的大功率过载芯片的自动控制温度过程为：
功率模块1(高功率芯片)在额定电流下工作，产生热量通过铜基板传导到下方水冷板2，此时水冷板2通过液冷方式将热量完全散去，维持芯片在适宜工作温度，相变储热模块5无需参与散热工作。当电流突增至负载电流时，水冷板2通过液冷散去的热量远小于芯片产热，不能满足芯片的温度要求，此时液冷无法散去的热量通过导热肋柱3传递至相变储热模块5，使模块温度速提升至相变材料的相变温度点，相变储热模块将5自动接入到水冷板-相变储热复合散热系统中，吸收多余的水冷板2无法散去的热量，重新满足高功率芯片的散热要求；当电流回落至额定电流时，芯片产热减少，相变储热模块5不再接收热量，并在水冷板2的冷却作用下温度下降到相变温度点以下，从液态转换为固态，为接下来的新一轮的电流冲击做准备，实现不同电流下的相变储热模块5的自动接入断开以及复合散热装置对功率模块1(高功率芯片)温度的自动调控。
例如：高功率芯片在额定电流下，总的热功率为336W，此时环境温度25℃，水冷板的入口温度40℃，对于额定电流下芯片的工作情况，仅使用水冷板层散热可将芯片最高温度维持51℃。满足芯片正常工作要求，相变储热层无需参与散热。当对高功率芯片施加2倍负载电流时，此时芯片的输入总功率为1345W，水冷板通过液冷无法散去芯片产热，芯片最高温度达到126℃超过温度要求(120℃)，芯片的最大温差达到28.7℃。在本发明中液冷无法散去的热量可通过导热肋柱传递至相变储热模块，使相变储热模块自动接入到水冷板-相变储热复合散热系统中，吸收多余的水冷板无法散去的热量，将芯片最高温度控制71℃，芯片的最大温差控制在8.2℃内，具有更好的均温散热效果。
例如：当高功率芯片的输入电流从2倍负载电流回落至额定电流时，芯片产热减少，相变储热模块不再吸收能量并在水冷板的冷却作用下温度降低至45℃以下，此时相变储热模释放热量由液态重新变成固态。此时高功率芯片突遇到3倍负载电流，芯片的输入总功率为3027W，在只使用水冷板冷却散热的模式下，芯片温度高达202℃远超临界温度，时刻面临烧毁的危险，芯片的最大温差也高达57.9℃。本发明中通过导热肋柱将额定电流产生以外的热量传递至相变储热模块，使水冷板与相变储热层协同作用一起抵抗3倍负载电流的热冲击，将芯片最高温度控制在110℃，芯片的最大温差控制在12.2℃内，实现不同电流倍数下的大功率芯片的温度自动调控。
Claims (7)
1.一种面向功率芯片的液冷储热复合控温装置，包括功率模块、水冷板、相变储热模块；其特征在于，
所述功率模块、水冷板、相变储热模块自上而下依次设置，水冷板内设有导热肋柱且延伸至相变储热模块中；
所述导热肋柱的位置对应功率模块的位置下方，用于将功率模块处的产热传递至相变储热模块中，同时增大水冷板与流体的接触面积，增强水冷散热能力；
所述水冷板用于对功率模块在额定电流时产生的热量进行先行散热；
所述相变储热模块用于结合水冷板对功率模块在超过负载电流时产生的热量进行后续散热，实现不同电流下的大功率芯片的温度自动调控。
2.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，所述水冷板内设有导流片，用于引导冷却液集中流向功率模块处。
3.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，所述水冷板的上盖板采用功率模块的基板。
4.根据权利要求3所述的控温装置，其特征在于，所述基板采用铜基板。
5.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，所述导热肋柱呈矩阵排列在导流片内部流域。
6.根据权利要求5所述的控温装置，其特征在于，导热肋柱矩阵排布应该与其上方功率模块的大小形状相对应。
7.根据权利要求1所述的控温装置，其特征在于，功率模块在额定电流下正常工作时，产生的热量可由上层水冷板散去，此时相变储热模块不参与散热工作；当功率模块接收到过载电流时，产生的热量水冷板无法完全散去，多余的热量通过导热肋柱传递到相变储热模块，使得温度升至相变材料的相变温度点，相变储热模块将自动接入到复合散热装置中，与水冷板协同实现散热目标；当电流回落至额定电流时，产热减少，相变储热模块的温度在水冷板的冷却下下降至相变温度点以下，相变材料恢复到固相状态，以迎接新一轮的电流热冲击，实现不同电流下的大功率芯片的温度自动调控。
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| CN117614147A (zh) * | 2023-11-23 | 2024-02-27 | 中节能风力发电股份有限公司 | 一种集中式储能电站散热系统 |
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2023
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