本實(shí)用新型涉及大功率器件的冷卻技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著新能源戰(zhàn)略實(shí)施，電動(dòng)汽車正在大規(guī)模普及，鋰離子動(dòng)力電池因其優(yōu)異的功率輸出特性和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)得到良好應(yīng)用。但大容量、高功率鋰離子電池性能對(duì)溫度變化較敏感?？臻g有限，電池?cái)?shù)目較大，均為緊密排列連接。當(dāng)車輛在不同行駛狀況下運(yùn)行時(shí)，電池會(huì)以不同倍率放電，以不同生熱速率產(chǎn)生大量熱量，加上時(shí)間累積以及空間影響會(huì)產(chǎn)生不均勻熱量聚集，從而導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度復(fù)雜多變。如果長(zhǎng)時(shí)間積累，會(huì)造成部分電池過充電和過放電，進(jìn)而影響電池的壽命與性能，并造成安全隱患。

并且隨著電子元器件的小型化、微小型化，集成電路的高集成化和微組裝，元器件、組件的熱流密度不斷提高，熱設(shè)計(jì)正面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。雷達(dá)發(fā)射器、大功率電子器件、芯片、數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備、大功率電源、IGBT、變壓器等技術(shù)領(lǐng)域均存在器件散熱問題。

電子功率模塊、電池電源、以及電子芯片等大功率器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，這些熱量必須被冷卻裝置所帶走，以防止溫度超過其安全工作的極限。目前的大功率散熱結(jié)構(gòu)，存在如下技術(shù)缺陷：

1、由于電子器件需要絕緣保護(hù)，當(dāng)前的冷卻裝置所采用的冷卻介質(zhì)與需散熱器件均為間接接觸，熱量傳遞需要通過導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱油、金屬熱沉(用于接收熱量)等作為中間媒介，且絕大多數(shù)采用強(qiáng)制風(fēng)冷進(jìn)行散熱。這種傳統(tǒng)的散熱冷卻裝置，因?yàn)樵黾恿松鲜鲋虚g媒介，熱阻增大而使得導(dǎo)熱效率降低，如不能及時(shí)將熱量散出，則較容易造成高功率熱量堆積，使電子器件結(jié)溫升高造成損壞。

2、采用空氣強(qiáng)制對(duì)流冷卻，空氣的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)低于液體導(dǎo)熱性能，且需加裝風(fēng)扇等耗功設(shè)備實(shí)現(xiàn)環(huán)境空氣的強(qiáng)制對(duì)流。此技術(shù)通過冷卻電子器件所在環(huán)境空間間接實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)熱本體的冷卻，換熱條件及換熱效率受限；同時(shí)風(fēng)扇等強(qiáng)制對(duì)流設(shè)備自身消耗一部分電功率，隨散熱功率升高，耗功增加；

3、由于空氣強(qiáng)制對(duì)流循環(huán)，電子器件放置環(huán)境對(duì)空氣潔凈度要求也較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，散熱結(jié)構(gòu)合理，散熱效率高。

本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問題的方案如下：

大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，包括大功率器件、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)、噴嘴、噴淋支管、噴淋總管、工質(zhì)泵、過濾器和密封箱體，

所述密封箱體為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層之間的空腔填充熱超導(dǎo)工質(zhì)，密封箱體的外層外壁設(shè)有散熱翅片；

所述密封箱體內(nèi)裝絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)，工質(zhì)泵沉于絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)中，過濾器安裝在工質(zhì)泵的入口，工質(zhì)泵連接噴淋總管，多個(gè)噴淋支管并聯(lián)連接噴淋總管，每個(gè)噴淋支管設(shè)有多個(gè)噴嘴，噴嘴對(duì)著大功率器件；

所述噴嘴對(duì)著大功率器件的正面和背面噴淋，形成相對(duì)開放式的噴淋結(jié)構(gòu)；

所述絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為非極性物質(zhì)，噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)無相變。

所述噴淋支管和大功率器件縱向平行間隔排布。

所述絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為變壓油、導(dǎo)熱油或者礦物油。

所述熱超導(dǎo)工質(zhì)為氟利昂、氨、酒精、丙酮、水或者導(dǎo)熱姆換熱劑。

所述大功率器件為電動(dòng)汽車功率電池、電子芯片、雷達(dá)發(fā)射器、數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備、大功率電源、IGBT、IGCT、IEGT、CPU組件、GPU組件、刀片服務(wù)器模組或者變壓器。

上述的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的工作方法，所述工質(zhì)泵啟動(dòng)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)通過過濾器進(jìn)入工質(zhì)泵，工質(zhì)泵把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)輸送到噴淋總管，噴淋總管把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)分配到各個(gè)噴淋支管，噴嘴噴出的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)直接噴淋到大功率器件的正面及背面，大功率器件的熱量通過絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)帶走，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)在重力作用下回流到密封箱體；

所述絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)與熱超導(dǎo)工質(zhì)進(jìn)行熱交換，熱超導(dǎo)工質(zhì)與散熱翅片進(jìn)行熱交換，如此循環(huán)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)不斷將大功率器件的熱量帶走。

本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

1、噴嘴對(duì)著大功率器件的正面和背面噴淋，形成相對(duì)開放式的噴淋結(jié)構(gòu)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)直接與需要散熱的大功率器件發(fā)熱表面接觸傳導(dǎo)熱量，降低接觸熱阻，沒有任何中間介質(zhì)和傳熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高熱傳導(dǎo)效率。

2、噴淋支管和大功率器件縱向平行間隔排布，噴淋面積大，換熱效率高。

3、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為非極性物質(zhì)，噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)無相變，噴淋的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)在大功率器件表面形成霧化液膜，霧化液膜熱傳導(dǎo)具有小流量、大溫差、高傳熱系數(shù)、高熱流密度等優(yōu)良傳熱及流動(dòng)的綜合特性。

4、在同等的環(huán)境溫度下，直接接觸式冷卻散熱溫差可控，與非直接接觸式傳熱方式相比，可進(jìn)一步降低大功率器件表面溫度，有助于提高大功率器件工作壽命和可靠性。

5、采用噴淋式散熱，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)與大功率器件發(fā)熱面有效接觸面積(換熱面積)會(huì)增加，從而理論熱傳導(dǎo)效率會(huì)提高(換熱量與面積成正比關(guān)系)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)有效利用率更高。

6、二次熱傳導(dǎo)循環(huán)采用熱超導(dǎo)技術(shù)，熱傳導(dǎo)速度快，熱流密度大，傳熱均溫性好，能夠快速有效的將絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)冷卻且工作過程依靠自身熱效應(yīng)，無需額外耗功。

7、噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)無相變，因此系統(tǒng)循環(huán)不需要?dú)庀喙べ|(zhì)回收設(shè)備，只需設(shè)置常見過濾器用于過濾工質(zhì)在相對(duì)開放式循環(huán)過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)，系統(tǒng)自適應(yīng)性及可靠性更高。

8、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)為非極性物質(zhì)，不會(huì)對(duì)電子、電器設(shè)備及回路產(chǎn)生影響，對(duì)硬件不會(huì)有損壞。

9、噴淋管路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力消耗??；噴嘴部件制造技術(shù)成熟、可靠性高，傳熱過程和結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單其可靠性和可控性越高。

10、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)作為液體換熱方式，其熱傳導(dǎo)性能普遍優(yōu)于使用空氣強(qiáng)制對(duì)流，并且相對(duì)于傳統(tǒng)強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)冷系統(tǒng)需要新風(fēng)單元以及一些復(fù)雜的架構(gòu)設(shè)計(jì)，液體冷卻技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)要求本身比較少，直接接觸噴淋的結(jié)構(gòu)可以更加簡(jiǎn)單，從而節(jié)約成本和延長(zhǎng)器件使用壽命。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

如圖1所示的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)，包括大功率器件1、絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2、噴嘴3、噴淋支管4、噴淋總管5、工質(zhì)泵6、過濾器7和密封箱體8，

密封箱體8為內(nèi)外層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層之間的空腔填充熱超導(dǎo)工質(zhì)9，密封箱體8的外層外壁設(shè)有散熱翅片10；

密封箱體8內(nèi)裝絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2，工質(zhì)泵6沉于絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2中，過濾器7安裝在工質(zhì)泵6的入口，工質(zhì)泵6連接噴淋總管5，多個(gè)噴淋支管4并聯(lián)連接噴淋總管5，每個(gè)噴淋支管4設(shè)有多個(gè)噴嘴3，噴嘴3對(duì)著大功率器件1；

噴淋支管4和大功率器件1縱向平行間隔排布，噴嘴3對(duì)著大功率器件1的正面和背面噴淋，形成相對(duì)開放式的噴淋結(jié)構(gòu)；

絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2為非極性物質(zhì)，噴淋過程中絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2無相變。

絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2為變壓油。熱超導(dǎo)工質(zhì)9為氟利昂。大功率器件1為IGBT。

過濾器7保證絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2純凈度，防止雜質(zhì)對(duì)工質(zhì)泵6的損傷以及對(duì)噴嘴3的堵塞，提高自適應(yīng)性及可靠性。

絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2必須使用絕緣性好的導(dǎo)熱液體工質(zhì)，例如多種型號(hào)的變壓油、導(dǎo)熱油等，保證工質(zhì)絕緣性，避免與大功率器件1接觸導(dǎo)電，造成器件損毀和系統(tǒng)報(bào)廢。絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2普遍具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，且通過噴淋可與發(fā)熱的大功率器件1直接接觸散熱，從而能夠高效的實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率器件1散熱。

噴嘴3需選用絕緣優(yōu)良且工程強(qiáng)度符合要求的材料。

密封箱體8外側(cè)設(shè)置安裝散熱翅片10。僅依靠環(huán)境空氣的自然對(duì)流使熱超導(dǎo)工質(zhì)9通過散熱翅片10及環(huán)境冷卻降溫。此冷卻方式突出優(yōu)點(diǎn)為：冷卻部分不使用任何耗功電器或機(jī)械部件；只要環(huán)境條件滿足基本散熱溫差和自然對(duì)流條件，即可使用。密封箱體8中的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2不斷進(jìn)行冷卻，以保證絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2與大功率器件1的有效換熱溫差，以對(duì)大功率器件1進(jìn)行有效的冷卻。

上述的大功率器件的工質(zhì)接觸式冷卻系統(tǒng)的工作方法，所述工質(zhì)泵6啟動(dòng)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2通過過濾器7進(jìn)入工質(zhì)泵6，工質(zhì)泵6把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2輸送到噴淋總管5，噴淋總管5把絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2分配到各個(gè)噴淋支管4，噴嘴3噴出的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2直接噴淋到大功率器件1的正面及背面，大功率器件1的熱量通過絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2帶走，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2在重力作用下回流到密封箱體8；

絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2與熱超導(dǎo)工質(zhì)9進(jìn)行熱交換，熱超導(dǎo)工質(zhì)9與散熱翅片10進(jìn)行熱交換，如此循環(huán)，絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2不斷將大功率器件1的熱量帶走。

對(duì)于熱超導(dǎo)工質(zhì)9依據(jù)傳熱方式(相變/非相變)可采用多種無機(jī)類、有機(jī)類換熱冷卻工質(zhì)，工質(zhì)充裝量依據(jù)熱傳導(dǎo)工作模式(相變式/非相變式)進(jìn)行調(diào)節(jié)，充裝完成后保持腔內(nèi)真空狀態(tài)。

若熱超導(dǎo)循環(huán)采用相變循環(huán)方式，即工質(zhì)吸熱后迅速汽化，蒸氣進(jìn)行熱擴(kuò)散不斷流向上端，在腔體上方(冷凝端)冷凝成液體并釋放出熱量，熱量通過密封箱體8外的散熱翅片10散到環(huán)境中，冷凝后的液體再沿腔體內(nèi)壁流回腔體下方(蒸發(fā)端)繼續(xù)循環(huán)；

若依據(jù)實(shí)際換熱功率也可采用非相變循環(huán)方式，即工質(zhì)熱傳導(dǎo)過程中不發(fā)生任何相變，其傳熱的動(dòng)力來源于熱超導(dǎo)工質(zhì)9吸熱后，其內(nèi)部分子力作用。最終，通過熱超導(dǎo)工質(zhì)9的二次熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高效均溫散熱，對(duì)密封箱體8內(nèi)的絕緣液體導(dǎo)熱工質(zhì)2進(jìn)行冷卻。

上述為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。