[發明專利]一種浸入式水冷功率模塊裝置、散熱控制方法及設計方法

有效

• 申請號: 202110453147.6
• 申請日: 2021-04-26
• 公開（公告）號: CN113133287B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 孫全斌;張明亮;謝地林
• 申請（專利權）人: 合肥鈞聯汽車電子有限公司
• 主分類號: H05K7/20
• 分類號: H05K7/20
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 婁岳

1.一種高效節能的浸入式雙面水冷功率模塊裝置，其特征在于，包括：

殼體(1)，所述殼體包括底座(11)，以及設置于底座的頂外殼(12)；

冷卻系統模塊(2)，所述冷卻系統模塊包括設置于殼體的進出水口(21)，以及冷卻管道(22)；

所述進出水口包括設置于底座一側的進水口(211)，以及設置于底座另一側的出水口(212)；

所述冷卻管道包括設置于頂外殼與水冷功率半導體模塊之間的頂部冷卻管道(221)、設置于底座與水冷功率半導體模塊之間的底部冷卻管道(222)，以及布置于底座的回流冷卻管道(223)，所述回流冷卻管道兩端分別連接于頂部冷卻管道和出水口；

功率模塊(3)，所述功率模塊包括設置于底座與頂外殼之間的水冷功率半導體模塊(31)，以及設置于水冷功率半導體模塊兩側面的若干個擾流柱(32)；

所述出水口處設置有第一閥門(41)，所述頂部冷卻管道與底部冷卻管道首端連通處設置有第二閥門(42)，所述頂部冷卻管道與底部冷卻管道尾端連通處設置有第四閥門(44)，所述頂部冷卻管道與回流冷卻管道連通處設置有第三閥門(43)；

第一閥門、第二閥門、第三閥門，以及第四閥門能夠切換不同散熱模式，具體步驟為：

實時獲取工作狀態下功率模塊的工作溫度T；

將獲取的工作溫度T與預設溫度閾值比較，判斷采取不同散熱模式；

當工作溫度T不超過預設溫度閾值T1時，采用打開第一閥門、第二閥門、第四閥門，關閉第三閥門，進行擾流散熱；

當工作溫度T大于預設溫度閾值T1且小于預設溫度閾值T2時，采用打開第一閥門，關閉第二閥門、第三閥門、第四閥門，進行擾流散熱；

當工作溫度T大于預設溫度閾值T2時，采用打開第三閥門，第四閥門，關閉第一閥門、第二閥門，進行擾流散熱。

2.根據權利要求1所述一種高效節能的浸入式雙面水冷功率模塊裝置，其特征在于，所述水冷功率半導體模塊側邊設置有信號端子(33)和功率端子(34)。

3.一種包括如權利要求1至2任一項所述的一種高效節能的浸入式雙面水冷功率模塊裝置的散熱控制方法，其特征在于，具體步驟包括：

實時獲取工作狀態下功率模塊的工作溫度T；

將獲取的工作溫度T與預設溫度閾值比較，判斷采取不同散熱模式。

4.一種包括如權利要求1至2任一項所述的一種高效節能的浸入式雙面水冷功率模塊裝置的冷卻管道設計方法，其特征在于，具體步驟包括：

獲取功率模塊裝置的底部冷卻管道的寬度a與高度b₁，以及設定頂部冷卻管道的寬度a與高度b₂，計算底部冷卻管道與頂部冷卻管道的當量直徑d₁與d₂；

根據底部冷卻管道與頂部冷卻管道的水頭損失一致，得到底部冷卻管道與頂部冷卻管道的水頭損失關系；

根據底部冷卻管道與頂部冷卻管道的流量一致，得到冷卻管道的冷卻液流速關系；

根據水頭損失關系和冷卻液流速關系，得到頂部冷卻管道的高度。

5.根據權利要求4所述一種高效節能的浸入式雙面水冷功率模塊裝置的冷卻管道設計方法，其特征在于，所述水頭損失關系具體為：

冷卻管道的沿程水頭損失公式為：

冷卻管道的局部水頭損失公式為：

底部冷卻管道與頂部冷卻管道的水頭損失關系公式為：

P_f1+P_m1＝P_f2+P_m2；

其中，c為沿程阻力系數，β為局部阻力系數，l_p為管道的長度，ρ為冷卻液的密度，v為冷卻液的流速，d為冷卻管道的當量直徑，P_f1、P_m1、P_f2、P_m2分別為底部冷卻管道與頂部冷卻管道的沿程水頭損失和局部水頭損失。

6.根據權利要求5所述一種高效節能的浸入式雙面水冷功率模塊裝置的冷卻管道設計方法，其特征在于，所述根據水頭損失關系和冷卻液流速關系，得到頂部冷卻管道的高度的具體步驟包括：

所述冷卻液流速關系公式為：

根據水頭損失關系公式，得到底部冷卻管道的高度為：

其中，m＝c₁l₁(a+b₁)，n＝4ab₁β+b₁c₂l₂，g＝ac₂l₂。