多孔分散器辅助的射流和喷雾冲击冷却系统技术方案

一种冲击冷却系统包括：多孔热分散器和喷嘴，该喷嘴构造成将流体引导为冲击在多孔热分散器上的射流和/或喷雾。多孔热分散器由诸如金属、金属合金、碳/石墨或陶瓷之类的导热材料制成，并与热源热接触。喷嘴可以构造成将流体引导为射流，该射流包括单一组分的液体或气体(包括空气)或液体混合物，比如水

Jet and spray impingement cooling system assisted by porous disperser

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔分散器辅助的射流和喷雾冲击冷却系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本PCT国际专利申请要求于2019年12月13日提交的、标题为“Porous Spreader Assisted Jet And Spray Impingement Cooling Systems(多孔分散器辅助的射流和喷雾冲击冷却系统)”的序列号为62/947,954的美国临时专利申请的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容通过参引并入本文中。


[0003]本公开总体上涉及用于从热源去除热的冷却模块。更具体地说，本公开涉及用于冷却电力电子装置的冷却模块。

技术介绍

[0004]废热的有效去除和管理在跨多个行业的各种应用中具有至关重要的意义，包括但不限于汽车、航空航天、微型电子、材料加工、太阳能和可再生能源发电、电池、照明、数据中心、干燥、医疗保健(诊断)和冷藏。对集中目标或热点、比如在这种应用中使用的高密度电子模块进行高效且具有成本效益的冷却一直是持续且重大的挑战。对小型化的持续努力还导致每单位面积耗散的热能(或损失、比如在大功率电子设备中的损失)不可避免地且大幅地增加，并且因此有必要开发新的且更有效的热管理策略。单相射流和喷雾冲击冷却方案已被广泛认为是解决这种系统的冷却要求的潜在候选方案，但对于在包括电动汽车马达驱动器之类的许多应用中常见的数100s W/cm2量级的大的热通量来说仍然是不够的。具有相变的射流和喷雾冷却能够有助于提高整体冷却性能，但会受到各种系统的流体不相容性的影响，或者通常伴随着流体压降增加或泵送工作/能量上的增加。

技术实现思路

[0005]提供了一种冲击冷却系统。冲击冷却系统包括：多孔热分散器，该多孔热分散器与热源热接触；以及喷嘴，该喷嘴构造成将流体引导为冲击在多孔热分散器上的射流或喷雾。
附图说明
[0006]本专利技术的设计的其他细节、特征和优点从参照相关附图对实施方式示例的以下描述中得到。
[0007]图1呈现了根据本公开的各方面的冷却系统的示意性剖切侧视图；
[0008]图2A至图2C是具有用于根据本公开的各方面的各种不同的多孔材料的热分散器模式的冷却系统的剖视图；
[0009]图3是根据本公开的各方面的具有带三种不同类型的喷嘴的冲击流体系统的冷却系统的立体图；
[0010]图4A是根据本公开的各方面的空间上不均匀的多孔热分散器的俯视图，其覆盖有示出了热分散器的孔隙率作为径向位置的函数的曲线图；
[0011]图4B是根据本公开的各方面的包括空间上不均匀的多孔热分散器的冷却系统的立体图；
[0012]图5A至图5D呈现了根据本公开的各方面的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冷却系统具有对应的代表性类型的单组分、多组分单相和多相多孔分散器射流和喷雾冲击冷却系统；
[0013]图6A至图6F呈现了根据本公开的各方面的具有各种冲击流构型的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板正交的单个冲击流；
[0014]图7A至图7F呈现了根据本公开的各方面的具有各种冲击流构型的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板正交的多个冲击流；
[0015]图8A至图8F呈现了根据本公开的各方面的具有各种不同的冲击流构型的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板成倾斜角度的单个冲击流；
[0016]图9A至图9F呈现了根据本公开的各方面的具有各种不同的冲击流构型的冷却系统的示意性剖切侧视图，每个冲击流构型具有与基板成倾斜角度的多个冲击流；以及
[0017]图10是比较了各种冷却系统的预测努塞尔数的图表，每个冷却系统具有单相射流冲击热传递。
具体实施方式
[0018]在附图中重复的特征利用相同的附图标记来标记，在附图中，公开了用于从电路板上的一个或更多个热源、比如电力电子装置中移除热的冷却系统20的示例实施方式。这种冷却系统20在热管理很重要并且需要在宽范围的温度和条件下操作的汽车应用中可能是特别有用的。本主题的冷却系统20可以用于例如冷却用于发动机、变速器、音频装置/视频装置、HVAC装置和/或另一车辆部件的电子控制器中的热源。本主题的冷却系统20可以特别适合于采用氮化镓和/或碳化硅开关的新一代电力转换器，这些新一代电力转换器具有相对较小的形状因子并且其产生的热量所集中的位置可以是精确已知的。
[0019]尽管现有的冷却技术解决了热传递系数的最大化以提高冷却性能，但是要付出一定的代价，可以提高性能的另一方面是使可用表面积最大化。这可以通过使用传导性多孔结构、比如开孔泡沫或纤维介质作为被动热分散器来实现。在这种多孔介质的微观结构的可制造性和定制方面的最新进展似乎是一种很有前途的技术，可以利用该技术使它们与射流或喷雾一起工作，以显着提高热管理系统的整体冷却性能。本公开的目的是提供这种新颖的热去除或热管理系统的设计，该系统结合了涉及射流或喷雾的单相或多组分和多相(沸腾或蒸发相变)冷却方法的优点以及导热、结构刚性、但高度开放(高孔隙率)的多孔热分散器的优点。
[0020]在若干应用中对高(空间)密度热源进行有效冷却一直是持续的挑战。多年来，有若干技术试图解决这个问题，并且已经在优化热管理系统方面取得了进展。与其他强制对流冷却方案相比，冲击冷却系统具有独特的优势，这是因为在冲击停滞区域中和在冲击停滞区域周围获得了显着更高的热传递系数。由于通过潜热交换去除的额外热量以及在沸腾过程期间相关的其他相关机制，通过冲击液体的沸腾/冷凝引入相变还有助于热传递增强。在其他情况下，据报道，如果经过细心加工以具有高孔径和大比表面积，则高度多孔(80％至90％或更大的孔隙率)表现为出色的热分散器。然而，从这些技术中的任一种技术单独获
得的热传递性能的提高很容易被冷却系统的复杂性或相关的压力下降所抵消。冲击冷却系统中高传导性开放式多孔热分散器的存在不仅期望将与单独系统中的每个系统相关的热传递增强方面的优势附加地组合，而且还具有组合的冷却技术所独有的其他有益特性。这些有益特性中的一些有益特性包括在冲击流期间壁射流区域中的流动湍流显着增加，该壁射流区域为热传递性能远低于停滞点处的热传递性能的区域。除了显着增加整体热传递率外，这还有助于减少整体泵送工作和使用的冷却剂。此外，例如在停滞区域具有低孔隙率以及在停滞点下游具有精心加工的孔隙率的空间变化的多孔分散器可以进一步充分组合下游湍流水平增加的优势和相对未受干扰的冲击射流下的高停滞热传递系数的优势。对于喷雾冲击系统，多孔分散器的存在还增加了能够用于冷却或蒸发的总表面积，以使系统的质量或重量略有增加，从而提高了这种紧凑型冷却模块的整体热传递性能。
[0021]本公开提供了一种冷却系统20形式的混合热管理系统，该冷却系统20涉及冲击冷却和多孔热分散器。在下面列出并用示意图图示出了两个构成实体的各种组合。
[0022]图1示出了也可以被称为冷却模块20的示例性冷却系统20，冷却系统20具有导热材料、比如金属的基板22。基板22也可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种冲击冷却系统，包括：多孔热分散器，所述多孔热分散器与热源热接触；以及喷嘴，所述喷嘴构造成将流体引导为冲击在所述多孔热分散器上的射流或喷雾。2.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其中，所述喷嘴是两个或更多个喷嘴中的一个喷嘴。3.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其中，所述多孔热分散器由下述各者中的一者制成：金属、金属合金、碳、石墨或陶瓷。4.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其中，所述多孔热分散器包括多孔介质，所述多孔介质是下述各者中的一者：纤维、泡沫、针翅矩阵或非结构化的。5.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其中，所述流体构造成在所述多孔热分散器上或在所述多孔热分散器内经历从液体到气体的相变。6.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其中，所述喷嘴构造成将所述流体正交地引导至冲击板。7.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其中，所述喷嘴构造成将所述流体以倾斜的角度引导至冲击板。8.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其中，所述多孔热分散器在空间上是均匀的和各向同性的。9.根据权利要求1所述的冲击冷却系统，其中，所述多孔热...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉姆，
申请(专利权)人：麦格纳国际公司，
类型：发明
国别省市：