CN117672996A - 一种多热源用h型分形歧管逆流微小通道散热器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，涉及电子功率器件散热技术领域。本发明在显著提高IGBT模块温度均一性的同时降低IGBT模块的最高温度和压降，刻蚀在基板上的微小通道避免了界面材料带来的热阻，从而最大程度减小系统传热热阻，分流挡板将微小通道分为奇数通道和偶数通道，部分冷却工质在奇数通道内流动，部分冷却工质在偶数通道内流动，即在微小通道中形成了逆流，进而提高温度分布均一性，H型分形可以通过优化流路来缓解流量分配不均，显著改善流量分配均匀性，且H型分形歧管流道结构可有针对性地对每一热源进行独立冷却。
Description
技术领域
本发明涉及电子功率器件散热技术领域，具体为一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器。
背景技术
随着国内新能源汽车的发展，IGBT行业供需情况在2020年之后急速上涨。为了满足新能源汽车日益增长的强动力性与高续航里程的需求，电机控制器正朝着大功率与大电流的方向发展，进而导致IGBT模块高度集成化，IGBT芯片的晶体管数量也呈现爆发式增长的趋势，这种趋势导致了车规级IGBT在高热流密度和高工作温度等恶劣条件下运行，除了显著降低性能及可靠性外，还可能导致设备故障。此外，在多芯片IGBT模块中，IGBT模块的开关特性还受芯片温差的影响，均匀的芯片温度有利于提高模块的可靠性。因此，开发一种既能使模块温度保持在极限运行温度下，又能提高芯片温度均匀性的高效冷却方法具有重要意义。
微通道散热器体积小、结构紧凑、比表面积大，具有极强的换热能力。但是传统的微通道散热器存在高压降、微通道下游芯片散热效果差、沿基板的温度梯度高度不均匀等问题。
因此，亟需针对车规级IGBT模块，开发一种提高模块整体温度均一性的新技术，提升换热系统的稳定性
发明内容
本发明的目的在于提供一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，具体为提出一种针对车规级IGBT模块而设计的H型分形歧管逆流微小通道散热器，在显著提高模块的温度均一性的同时还能增强换热能力并降低泵功消耗。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，包括基板主体、分流挡板、散热器主体和冷却工质；
所述于基板主体上刻蚀有直流微小通道，所述基板主体与IGBT模块的DBC层相接触，所述基板主体的底部与电子器件接触散热，所述微小通道级别的直流流道通过激光刻蚀或离子体干法刻蚀等手段加工与基板主体处；
所述散热器主体内设有冷却工质的进出口，所述散热器主体内还加工有H型分形歧管结构，所述H型分形歧管结构为根据IGBT模块三相桥式拓扑结构而设计的；
所述分流挡板位于H型分形歧管结构和微小通道之间，整体盖在基板主体上，分流挡板上分别设有歧管进液通道和歧管出液通道，所述歧管进液通道和歧管出液通道与H型分形结构相连接；
所述H型分形歧管结构与所述分流挡板相接触，以分流挡板的上顶面作为散热器H型分形歧管结构的底面。
优选的，所述基板主体上刻蚀的微小通道根据热源分布呈现交错分，所述微小通道的宽度为Wm，Wm宽度范围为1.5mm—2.5mm，所述微小通道的进出口与分流挡板上的歧管进液通道和歧管出液通道相匹配，即宽度需保持一致。
优选的，所述H型分形歧管结构包括三个H型分形，单个H分形存在三级分流，单个H分形包括H型分形一级分形流道、H型分形二级分形流道和H型分形三级分形流道，所述H型分形一级分形流道通道的宽度为Wf1，所述Wf1的范围为5mm—10mm，所述H型分形二级分形流道的宽度为Wf2，所述Wf2的范围为3.5mm—5.5mm，所述H型分形三级分形流道为歧管通道，所述H型分形三级分形流道的宽度为Wf3，所述Wf3范围为2.5—5.5mm。
优选的，所述基板主体的材料为铜、铝及其金属合金。
优选的，所述冷却工质为冷却剂，所述冷却工质至少包括水、50％乙二醇水溶液、R134a和润滑油。
优选的，所述散热器主体内设有冷却工质的进出口包括散热器冷却液进口和散热器冷却液出口，所述散热器冷却液进口和散热器冷却液出口分别位于散热器主体的两端。
优选的，所述配装过程中从下至少依次为基板主体、刻蚀于基板主体上的直流微小通道、分流挡板、散热器主体和在散热器主体中加工的H型分形结构。
优选的，所述基板主体的两端开设有多个基板固定螺纹孔，所述基板主体的顶端还设置有基板密封圈，所述基板密封圈的内侧开设有多个与微小通道对应的空间，避免影响微小通道的使用；
优选的，所述分流挡板的内侧还开设有共用歧管出液口。
优选的，为了便于散热器主体与基板主体的配装，所述散热器主体的底端开设有多个与基板固定螺纹孔位置对应的散热器固定螺纹孔。
优选的，为了便于配合基板密封圈，完成对分流挡板的进一步稳定装配，且便于对散热器主体的密封，所述散热器主体的内侧还是设置有散热器密封圈。
优选的，所述H型分形歧管结构还包括散热器歧管出液通道汇流通道和散热器共用歧管出液口汇流通道，所述一级分形流道、H型分形二级分形流道和H型分形三级分形流道均与括散热器歧管出液通道汇流通道和散热器共用歧管出液口汇流通道连接。
通过上述设计，显著提高IGBT模块温度均一性的同时降低IGBT模块的最高温度和压降，刻蚀在基板上的微小通道避免了界面材料带来的热阻，从而最大程度减小系统传热热阻，分流挡板将微小通道分为奇数通道和偶数通道，部分冷却工质在奇数通道内流动，部分冷却工质在偶数通道内流动，即在微小通道中形成了逆流，进而提高温度分布均一性，H型分形可以通过优化流路来缓解流量分配不均，显著改善流量分配均匀性，且H型分形歧管流道结构可有针对性地对每一热源进行独立冷却。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明针对车规级IGBT模块的多热源系统，通过分形与歧管相结合的结构实现了更均匀的流量分配，在降低最高温度的同时也降低了系统的压降。
2、本发明通过歧管与微小通道的协同设计在基板层面实现了逆流结构，由于逆流结构可以在相邻通道内从相反方向直接供给过冷流体，从而显著提高了多热源系统的温度分布均一性；
3、本发明与现有针肋技术相比，H型分形歧管逆流微小通道结构无需采用密集铜制长针肋来进行散热，减小了基板层级的厚度，从而大大降低了生产制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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为是H型分形歧管逆流微小通道散热器的外观结构整体三维示意图；
图2为H型分形歧管微小通道结构的二维流动示意图；
图3为H型分形歧管微小通道结构的二维流动示意图；
图4为分流挡板示意图；
图5为散热器内部H型分形歧管流道示意图；
图6为基板底部热源布局示意图；
图7为入口总流量为8L/min时，本发明实施例与现有针肋散热技术基板底部芯片温度分布仿真对比示意图.
图中：1、散热器主体；2、分流挡板；3、基板主体；4、基板固定螺纹孔；5、基板密封圈；6、微小通道；7、歧管出液通道；8、歧管进液通道；9、共用歧管出液口；10、散热器冷却液进口；11、散热器冷却液出口；12、散热器固定螺纹孔；13、散热器密封圈；14、H型分形一级分形流道；15、H型分形二级分形流道；16、H型分形三级分形流道；17、散热器单侧歧管出液口汇流通道；18、散热器共用歧管出液口汇流通道。
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。
如图1所示，本发明提出的一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器包括散热器主体1、分流挡板2、基板主体3、基板固定螺纹孔4、基板密封圈5、微小通道6、歧管出液通道7、歧管进液通道8、共用歧管出液口9、散热器冷却液进口10、散热器冷却液出口11、散热器固定螺纹孔12、散热器密封圈13、H型分形一级分形流道14、H型分形二级分形流道15、H型分形三级分形流道16、散热器歧管出液通道汇流通道17、散热器共用歧管出液口汇流通道18；
冷却工质的具体流动路径如下：冷却工质经散热器入口10流入即分流流进三个H型分形结构的一级通道14，再经过二级通道15分流流向三级歧管通道16，经过分流挡板2上与微小通道6相匹配的歧管进液通道8流入微小通道6，由于分流挡板2的存在，偶数通道的工质向右流动，奇数通道的工质向左流动，形成逆流结构，从而冷却IGBT模块。最后经由H型分形歧管外的单侧7或共用9歧管出液通道流出，汇集到散热器出口11流出。
图2-3给出了冷却介质在散热器及微小通道内的二维流动示意图，其中图2为冷却介质在散热器内的流动示意图；图3为冷却介质在微小通道内的二维流动示意图。其中微小通道的宽度Wm宽度范围为1.5mm—2.5mm。
图4给出了分流挡板2的示意图；
分流挡板2的出入口宽度需与微小通道6的宽度保持一致。
图5给出了散热器的二维平面透视图，H型分形具有三个重要的参数分别为：H型分形一级分形流道14Wf1，宽度范围为5mm—10mm；H型分形二级分形流道15Wf2，宽度范围为3.5mm—5.5mm，H型分形三级分形流道16Wf3，宽度范围为2.5—5.5mm。
图6给出了基板底部热源布局示意图，所有热源均位于H型分形歧管逆流微小通道散热的范围内。
图7给出了入口总流量为8L/min时，本发明实施例与现有针肋散热技术基板底部芯片温度分布仿真对比示意图；
表1
表1给出了现有针肋流道技术、H型分形歧管逆流微小通道仿真结果；通过歧管与微小通道的协同设计在基板层面实现了逆流结构，由于逆流结构可以在相邻通道内从相反方向直接供给过冷流体，从而显著提高了多热源系统的温度分布均一性，本发明实施例的温差相比针肋流道技术降低了5.85℃；针对这种车规级IGBT模块的多热源系统，通过分形与歧管相结合的结构实现了更均匀的流量分配，在降低最高温度的同时也降低了系统的压降，本发明实施例的最高温度相比针肋流道技术也降低了4.15℃，压降相比针肋流道技术降低了1.5kPa；因此本针对车规级IGBT模块而设计的H型分形歧管逆流微小通道散热器，在显著提高模块的温度均一性的同时增强换热能力并降低泵功消耗，还能降低生产制造成本。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (7)
1.一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，其特征在于：包括基板主体、分流挡板、散热器主体和冷却工质；
所述于基板主体上刻蚀有直流微小通道，所述基板主体与IGBT模块的DBC层相接触，所述基板主体的底部与电子器件接触散热；
所述散热器主体内设有冷却工质的进出口，所述散热器主体内还加工有H型分形歧管结构，所述H型分形歧管结构为根据IGBT模块三相桥式拓扑结构而设计的；
所述分流挡板位于H型分形歧管结构和微小通道之间，整体盖在基板主体上，分流挡板上分别设有歧管进液通道和歧管出液通道，所述歧管进液通道和歧管出液通道与H型分形结构相连接；
所述H型分形歧管结构与所述分流挡板相接触，以分流挡板的上顶面作为散热器H型分形歧管结构的底面。
2.根据权利要求1所述的一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，其特征在于：所述基板主体上刻蚀的微小通道根据热源分布呈现交错分，所述微小通道的宽度为Wm，所述Wm宽度范围为1.5mm—2.5mm，所述微小通道的进出口与分流挡板上的歧管进液通道和歧管出液通道相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，其特征在于：所述H型分形歧管结构包括三个H型分形，单个H分形存在三级分流，单个H分形包括H型分形一级分形流道、H型分形二级分形流道和H型分形三级分形流道，所述H型分形一级分形流道通道的宽度为Wf1，所述Wf1的范围为5mm—10mm，所述H型分形二级分形流道的宽度为Wf2，所述Wf2的范围为3.5mm—5.5mm，所述H型分形三级分形流道为歧管通道，所述H型分形三级分形流道的宽度为Wf3，所述Wf3范围为2.5—5.5mm。
4.根据权利要求1所述的一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，其特征在于：所述基板主体的材料为铜或铝及其金属合金。
5.根据权利要求1所述的一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，其特征在于：所述冷却工质为冷却剂，所述冷却工质至少包括水、50％乙二醇水溶液、R134a和润滑油。
6.根据权利要求1所述的一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，其特征在于：所述散热器主体内设有冷却工质的进出口包括散热器冷却液进口和散热器冷却液出口，所述散热器冷却液进口和散热器冷却液出口分别位于散热器主体的两端。
7.根据权利要求1所述的一种多热源用H型分形歧管逆流微小通道散热器，其特征在于：所述配装过程中从下至少依次为基板主体、刻蚀于基板主体上的直流微小通道、分流挡板、散热器主体和在散热器主体中加工的H型分形歧管结构。
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