一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板及散热装置

本发明涉及功率器件热管理与微尺度两相强化换热，尤其涉及一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板及散热装置。

背景技术：

1、功率器件通常是指用于电能变换、功率控制和电力驱动的半导体器件或模块，典型器件包括功率mosfet、igbt、功率二极管、sicmosfet及ganhemt等；其中，高功率器件可理解为在较高电压、电流或高功率密度条件下工作的功率器件及其模块，常见形式包括igbt功率模块、sic功率模块、大电流整流模块，以及用于新能源汽车主驱逆变器、光伏、储能变流器和工业电机驱动的功率模块。上述器件在工作过程中会产生导通损耗和开关损耗，并以热量形式集中释放，因此其高热流密度区域需要高效、稳定的热管理手段。

2、随着功率半导体芯片、功率模块及高热流密度电子组件的集成度和功率密度不断提高，器件表面热流分布呈明显非均匀特征，局部热点可能出现在冷却通道前部、中部、后部或其他位置。光滑微通道具有较大的换热面积，但其沿流向的几何强化程度基本一致，难以针对不同位置、不同强度的热点实施差异化热管理。

3、在微通道内设置锯齿、肋或突起可以增强局部扰动，但传统固定参数结构通常在整条通道内采用相同的齿高、齿间距和齿根形状。若按最高热负荷采用较强扰流参数，非热点区域可能承担不必要的流动阻力；若采用较弱的统一参数，又难以充分抑制局部热点。因此，需要建立热源位置、局部热负荷与允许压降之间的对应关系，并将其落实为可制造、可量化的分区几何参数。

4、另一方面，流动沸腾能够利用液体汽化时的相变潜热强化散热，但微通道受限空间内的汽相或气泡容易生长、聚并并占据局部通流截面。当大尺度汽相长期覆盖受热壁面附近时，会削弱近壁液体补给并增加局部干涸风险。单独设置扰流齿或单独设置凹槽通常只能强化扰动或改善局部储液中的一个环节，难以对汽化生成、气泡生长、汽相迁移和液体回补形成连续的结构化调控。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板及散热装置，以解决固定参数微通道难以适配非均匀热点，以及流动沸腾过程中汽相调控与受热壁面液体回补不足的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板，包括冷板基体、形成于所述冷板基体内的至少一条微通道，所述微通道的左右两侧分别设有冷却工质入口和冷却工质出口，所述微通道的上壁和下壁分别设置有向内侧凹入的上壁梯形锯齿和下壁梯形锯齿，所述下壁梯形锯齿后方设置有向下壁外侧凸出的底部再润湿槽；所述冷板基体底部还连接有功率器件单元。

3、优选的，所述微通道沿冷却工质流向划分为至少两个流向区域，包括前部受热区、中部受热区和后部受热区中的至少两个，各区域采用包含齿高hi、齿间距或节距li以及迎流侧齿根圆角半径rfi的锯齿参数组pi，且不同区域的所述锯齿参数组pi至少有一个参数取值不同。

4、优选的，所述上壁梯形锯齿和下壁梯形锯齿沿流向交错布置或具有预定相对偏移，使上壁梯形锯齿最低部位与下壁梯形锯齿之间形成小于无锯齿区域通流高度的局部约束区。

5、优选的，每个所述上壁梯形锯齿和下壁梯形锯齿都具有迎流侧齿根圆角和背流侧齿根圆角；rfi表示第i分区的迎流侧齿根圆角半径，作为所述锯齿参数组pi中的自适应变量；rbi表示第i分区的背流侧齿根圆角半径，不作为所述锯齿参数组pi的自适应变量，并在各流向区域保持相同或按预定固定值设置。

6、优选的，所述底部再润湿槽为向下壁外侧凸出的非对称槽；沿冷却工质入口指向冷却工质出口的流向，所述底部再润湿槽的迎流侧槽壁为倾斜壁，背流侧槽壁为直壁。

7、优选的，所述功率器件单元包括设置在所述冷板基体底部的受热壁面，所述受热壁面的下方连接有功率器件。

8、优选的，所述功率器件包括功率半导体芯片、功率模块、变流器模块和高热流密度电子组件中的至少一种。

9、本发明还提供了一种用于功率器件流动沸腾散热的散热装置，包括微通道冷板，所述微通道冷板左右两侧的冷却工质入口和冷却工质出口均连接至冷却工质循环系统。

10、优选的，所述冷却工质循环系统包括连接在所述冷却工质出口与冷却工质入口之间的冷却工质循环回路，所述冷却工质循环回路里设置有循环泵、冷凝器和储液部，冷却工质由冷却工质出口流出后通过所述冷却工质循环回路依次流经所述冷凝器和储液部，最后经循环泵加压后再由所述冷却工质入口进入所述微通道冷板内部，形成循环。

11、本发明采用上述一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板及散热装置的有益效果为：将前部、中部、后部等流向区域与pi=(hi，li，rfi)建立明确对应关系，使热点信息直接转化为可量化的几何参数，并将允许压降作为参数选择约束，避免整条通道统一采用过强或过弱的扰流结构；仅将迎流侧齿根圆角rfi纳入自适应参数组，并使背流侧圆角rbi保持固定或按预定值设置，在保留局部流动调节能力的同时减少设计变量，提高参数化设计和制造的可实施性；通过下壁梯形锯齿、上壁梯形锯齿和底部再润湿槽的空间配合，将局部汽化、长大汽相结构调控、汽相迁移和液体回补连接为连续作用过程，有利于相变潜热利用、气液界面更新和受热壁面再润湿。

12、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板，其特征在于：包括冷板基体、形成于所述冷板基体内的至少一条微通道，所述微通道的左右两侧分别设有冷却工质入口和冷却工质出口，所述微通道的上壁和下壁分别设置有向内侧凹入的上壁梯形锯齿和下壁梯形锯齿，所述下壁梯形锯齿后方设置有向下壁外侧凸出的底部再润湿槽；所述冷板基体底部还连接有功率器件单元。

2.根据权利要求1所述的一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板，其特征在于：所述微通道沿冷却工质流向划分为至少两个流向区域，包括前部受热区、中部受热区和后部受热区中的至少两个，各区域采用包含齿高hi、齿间距或节距li以及迎流侧齿根圆角半径rfi的锯齿参数组pi，且不同区域的所述锯齿参数组pi至少有一个参数取值不同。

3.根据权利要求1所述的一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板，其特征在于：所述上壁梯形锯齿和下壁梯形锯齿沿流向交错布置或具有预定相对偏移，使上壁梯形锯齿最低部位与下壁梯形锯齿之间形成小于无锯齿区域通流高度的局部约束区。

4.根据权利要求3所述的一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板，其特征在于：每个所述上壁梯形锯齿和下壁梯形锯齿都具有迎流侧齿根圆角和背流侧齿根圆角；rfi表示第i分区的迎流侧齿根圆角半径，作为所述锯齿参数组pi中的自适应变量；rbi表示第i分区的背流侧齿根圆角半径，不作为所述锯齿参数组pi的自适应变量，并在各流向区域保持相同或按预定固定值设置。

5.根据权利要求1所述的一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板，其特征在于：所述底部再润湿槽为向下壁外侧凸出的非对称槽；沿所述冷却工质入口指向冷却工质出口的流向，所述底部再润湿槽的迎流侧槽壁为倾斜壁，背流侧槽壁为直壁。

6.根据权利要求1所述的一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板，其特征在于：所述功率器件单元包括设置在所述冷板基体底部的受热壁面，所述受热壁面的下方连接有功率器件。

7.根据权利要求6所述的一种用于功率器件流动沸腾散热的微通道冷板，其特征在于：所述功率器件包括功率半导体芯片、功率模块、变流器模块和高热流密度电子组件中的至少一种。

8.一种用于功率器件流动沸腾散热的散热装置，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的微通道冷板，所述微通道冷板左右两侧的所述冷却工质入口和冷却工质出口均连接至冷却工质循环系统。

9.根据权利要求8所述的一种用于功率器件流动沸腾散热的散热装置，其特征在于：所述冷却工质循环系统包括连接在所述冷却工质出口与冷却工质入口之间的冷却工质循环回路，所述冷却工质循环回路里设置有循环泵、冷凝器和储液部，冷却工质由所述冷却工质出口流出后通过所述冷却工质循环回路依次流经所述冷凝器和储液部，最后经所述循环泵加压后再由所述冷却工质入口进入所述微通道冷板内部，形成循环。