用於冷卻電子構件的冷卻模塊的製作方法

2023-05-14 16:30:01

專利名稱：用於冷卻電子構件的冷卻模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及電子構件和電氣構件的冷卻。具體而言，本發明涉及一種包括冷凝器的冷卻模塊、包括冷卻模塊的電力模塊以及冷卻電氣構件和/或電子構件的方法。
背景技術：
在電氣、電子、低壓、中壓和高壓應用的領域中，冷卻系統被廣泛使用。電力電子裝置在運行中必須冷卻，以避免過高的溫度和由此導致的裝置失效。典型應用的特徵不僅在於裝置的高發熱率，而且在於高功率密度，即熱通量。水冷系統典型地可很好地應對高功率密度。然而，系統可能成本高昂，並且可能需要呈泵形式的有源運動部件，該部件具有有限的壽命，並且必須進行維護。而且，水冷系統通常十分昂貴。由從基板延伸的翅片陣列組成的常規的空冷系統可能不需要泵，但可能需要強制對流的風機。然而，由於在翅片表面和空氣之間的熱傳遞係數較低，充足的冷卻性能需要較大的翅片面積。此外，如果要避免過大的空氣速度、壓降和噪音水平，則必須提供足夠橫截面的空氣流。這樣的設計可能導致有龐大的散熱器，其具有既長又厚、而且因此重的翅片，以實現可接受的翅片效率。如在大多數應用中可能存在的那樣，如果為了避免翅片間通道在髒的空氣環境中堵塞而對相鄰翅片之間的最小間距有要求，這個問題可能變得甚至更嚴重。兩相冷卻器在EP2031332 Al中有所描述，該專利顯示了一種基於環熱虹吸原理的無源系統。發明概沭
本發明的目的可看作是提供一種用於電子和電氣構件的改進的高效而靈活的冷卻。該目的通過根據獨立權利要求的冷卻模塊、包括該冷卻模塊的電力模塊、以及冷卻電氣和/或電子構件的方法來實現。另外的實施例根據從屬權利要求是顯而易見的。根據本發明的一個實施例，提供了一種包括冷凝器的冷卻模塊，其中冷凝器具有至少一個面板，該至少一個面板帶有通過包含輥壓結合的工藝附連到彼此的兩個片材，使得在兩個片材之間形成在由片材形成的平面的方向上延伸的管道。這樣的冷卻模塊可具有比常規空冷或水冷系統更優良的性能，並且可避免在髒的空氣環境中的堵塞。冷卻模塊的另一個可能的優點是它可提供高的冷卻性能，並且可能夠應對高功率密度，即高熱通量。如上所述，冷卻模塊可不需要有源泵，並且可提供寬的冷卻空氣通路以降低在髒的空氣環境中堵塞的風險。冷卻模塊可提供足夠的流動橫截面積和翅片表面積，以允許有適度的空氣速度、壓降和噪音，冷卻模塊可能通過重量輕而仍然非常高效率的翅片實現。對於這樣的冷卻模塊，可高效地冷卻電力電子構件，例如，在馬達變流器和地鐵的輔助變流器中使用的絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)模塊。冷卻的IGBT模塊可為1500A/3300VABB HiPak 模塊。以上所述冷卻模塊可為諸如地鐵變流器的電子構件提供足夠的冷卻性能，以便在地鐵運行的瞬態負荷下使電子裝置的溫度和溫度波動(特別是IGBT和二極體結溫度)保持足夠低，從而保證電子構件的足夠壽命。由以上提及的冷卻模塊冷卻的地鐵變流器可安裝在地鐵車體下面，其中高度可限定至約560-600_。冷卻模塊可以最佳方式利用該高度，以使得冷卻模塊所用空間最小。如上所述，用於例如冷卻地鐵變流器的冷卻模塊可使得能夠將地鐵變流器的模塊緊密布置在一起，例如，將6-12個IGBT模塊以2X3、2X4、2X 5或2X6矩陣布置在平面中，使得可避免相鄰模塊之間的較大間隙。因此，可避免過長的電子連接(母線排)。因此，除了應對高功率(高損耗)之外，冷卻模塊也可應對高功率密度。冷卻模塊的另一個優點可為其聲學噪音水平較低，適用於地鐵變流器，例如在地鐵正在車站中等待時，而車站對冷卻空氣速度以及大功率冷卻風機的使用 施加限制，以保持較低噪音水平。如上所述，冷卻模塊可以能夠從外部例如用水軟管清洗，並且可以在如在地鐵應用中典型的髒的空氣狀況下不堵塞或喪失其性能。此外，冷卻模塊可為重量和空間優化的且有成本優勢的，並且可為模塊化的，例如，冷卻模塊可被拼裝以用於2X I的IGBT模塊。通過彼此緊鄰地布置η個相同的冷卻模塊，可以例如獲得用於2Χη的IGBT模塊的冷卻器。以上提及的冷卻模塊可具有不超出25kg的重量，從而提供在製造期間的易於操縱性。根據本發明的另一個實施例，冷凝器可包括不止一個面板，例如，至少兩個面板。輥壓結合式片材可附連到彼此，使得在兩個片材之間設置至少一個管道。根據本發明的另一個實施例，對各個面板可設置一個或不止一個的管道。 根據本發明的又一個實施例，管道可包括多個環路。根據本發明的另一個實施例，管道可具有環形形式。根據本發明的另一個實施例，管道可為開環的，而不是閉環。根據本發明的另一個實施例，管道可為閉環的。根據本發明的另一個實施例，冷卻模塊可為熱虹吸冷卻模塊。根據本發明的另一個實施例，冷卻模塊可為環熱虹吸冷卻模塊。根據本發明的另一個實施例，冷卻模塊可為兩相冷卻模塊。根據本發明的另一個實施例，面板可適合形成翅片或冷凝器面板。根據本發明的另一個實施例，冷卻模塊可為用於諸如電力電子構件(例如IGBT)的電子構件的冷卻模塊。根據本發明的另一個實施例，冷凝器可安裝在距蒸發器一定距離處，這意味著冷凝器可在距藉助於蒸發收集熱量的地方一定距離處，例如，在機櫃的頂部處。 根據本發明的另一個實施例，管道包括至少一個環路。根據本發明的另一個實施例，冷卻模塊可包括連接到管道的熱接收單元。熱接收單元具有連接器件，用於連接至少一個熱源，使得熱負荷可熱傳遞至熱接收單元。熱接收單元可流體地連接到管道。根據本發明的另一個實施例，冷卻模塊可包括不止一個熱接收單元。根據本發明的另一個實施例，面板包括熱接收單元。根據本發明的另一個實施例，冷凝器面板可以機械的方式和在熱的方面連接到基板，例如基板可具有接納冷凝器面板或冷凝器面板的端部的凹槽。根據本發明的另一個實施例，熱接收單元從不止一個熱源接收熱量。根據本發明的另一個實施例，熱接收單元從諸如低壓、中壓或高壓電子構件的熱源接收熱量。熱源可為電力電子裝置。高壓電子構件可布置在熱接收單元處。根據本發明的另一個實施例，高壓電子構件可附連到熱接收單元。根據本發明的另一個實施例，冷卻模塊還包括多個面板，該多個面板布置在熱接收單元處，使得形成面板疊堆，其中熱接收單元連接到各個面板的至少一個管道。熱接收單元可流體地連接到各個面板的至少一個管道。 根據本發明的另一個實施例，該多個面板可布置在熱接收單元處或距待冷卻元件一定距離處，例如使得包括該多個面板的面板疊堆可安裝在機櫃的頂部，其中諸如蒸發器的熱接收單元布置在機構內部。根據本發明的另一個實施例，該多個面板以模塊方式布置在熱接收單元處，使得各個面板可以能夠互換。根據本發明的另一個實施例，面板的至少一部分可彎曲以相比於基板而增大面板陣列的面板疊堆的寬度。根據本發明的另一個實施例，面板陣列的頂部或頂部和底部可被覆蓋板或覆蓋冷凝器面板覆蓋。因此，面板間空氣通道的較小側可製成熱活性的，從而能夠增進一些熱性倉泛。根據本發明的另一個實施例，熱接收單元為導熱基板。根據本發明的另一個實施例，基板可為鋁板或雙鋁板，並且可聯結到輥壓結合式單元。根據本發明的另一個實施例，各個冷凝器可緊鄰另一個冷凝器布置以形成冷凝器疊堆，其中通過將各個冷凝器的各個基板釺焊到彼此上，可將冷凝器附連到彼此。根據本發明的另一個實施例，熱接收單元為蒸發器。根據本發明的另一個實施例，冷卻模塊還包括存在於管道中用於傳遞熱量的冷卻齊U，其中通過蒸發冷卻劑的第一部分並冷凝冷卻劑的第二部分來傳遞熱量。根據本發明的另一個實施例，第一百分比的冷卻劑為液體，第二百分比的冷卻劑為氣態。因此，冷卻劑可處於填充管道的飽和狀態。液體冷卻劑與氣態冷卻劑的比率可取決於冷卻劑類型、溫度、冷卻劑壓力、熱負荷(必須消散的熱量)，以及包含冷卻劑的管道的直徑及幾何形狀。根據本發明的另一個實施例，對於非脈動面板，諸如內部通道的管道可具有長方形、多邊形、三角形、梯形、圓形和橢圓形橫截面幾何形狀中的一種。輥壓結合式面板之間的間距可在幾毫米(例如在強制對流中)直至IOmm或更多(用於自然對流應用或防堵塞目的)之間的範圍內。管道因而可具有適合根據本發明的一個實施例由重力冷卻提供的冷卻劑運動的任何幾何形狀。這樣的管道可具有多個環路，並且可為閉環管道，其中冷卻劑由傳遞的熱源的熱負荷加熱，並且在管道的蒸發器段處蒸發。蒸發的冷卻劑由於重力而移動至管道的冷凝器段。在冷凝器段處，氣態冷卻劑冷凝為液體，將熱量傳遞到諸如空氣的熱載體。由於重力，液體冷卻劑流回到蒸發器段，並且以上提及的過程重新開始。
根據本發明的另一個實施例，管道具有提供脈動冷卻的幾何形狀，這種冷卻不按照重力原理工作，因此冷卻器可相對於重力加速度的方向任意布置。脈動管道可具有以蛇形方式纏繞並端對端連結的毛細管尺寸。管道可首先抽空，並且然後用工作流體部分地填充，工作流體自身可以液體-蒸氣栓(Plug)和塞(slug)的形式自然分布在毛細脈動管道內部。管道的一端可接收熱量(蒸發器段)，並且可通過液體-蒸氣系統的脈動作用將熱量傳遞至另一端(冷凝器段)。在兩端之間可存在可選的絕熱區。因此，帶有脈動管道的冷卻模塊可基本上為非平衡熱傳遞裝置，其性能上的成功可主要取決於系統內這些非平衡狀況的持續維持。液體-蒸氣塞輸送可以歸因於在相應管道中的熱驅動壓力脈動。在操作期間，在蒸發器段和冷凝器段之間可普遍存在溫度梯度，從而導致非平衡壓力狀況。向蒸發段的熱傳遞可導致蒸發器段中的汽泡不斷增長，從而由於較高的壓力/溫度而朝低溫端(冷凝器段)推動液體。同時，在另一端處的冷凝將進一步提高兩端之間的壓差。因此，在驅動熱勢之間可形成非平衡狀態，並且系統轉而試圖平衡內部壓力。如果多個管道環路彼此互連，則在一個環路中的液體塞和蒸氣泡的運 動可導致相鄰環路中的塞和泡的運動。驅動力和恢復力之間的相互作用導致蒸氣泡和液體塞的振蕩。此外，真實系統中存在的固有擾動可增強系統中的壓力波動。與例如帶有重力管道(一個或多個)的常規熱管不同，不可以實現用於操作的脈動冷卻的穩態壓力平衡。振蕩的頻率和振幅可取決於液體在脈動管道中的熱流率和質量分數。通過這些振蕩，由熱源在蒸發器段供應的熱量可傳至冷凝器段，並且可被諸如空氣的熱載體移除。根據本發明的另一個實施例，至少一個管道形成為使得在冷卻模塊的操作狀態下通過重力或脈動冷卻提供冷卻劑運動。根據本發明的另一個實施例，冷卻劑的蒸發蒸氣的密度可小於冷凝的冷卻劑。根據本發明的另一個實施例，用於脈動冷卻的管道的直徑可在2mm以下。大體上，用於脈動冷卻的管道的直徑可具有使得能夠有脈動冷卻、脈動熱管冷卻或脈動熱虹吸冷卻運動的任何尺寸。根據本發明的另一個實施例，用於脈動冷卻的管道可為開環的，而不是閉環管道。根據本發明的另一個實施例，用於脈動冷卻的管道可為閉環的。根據本發明的另一個實施例，用於脈動冷卻的管道可包括若干環路。帶有通過脈動冷卻提供冷卻劑運動的管道的這樣的冷卻模塊可不依賴於重力，並且因此可以獨立於重力的任何形式布置。兩相冷卻劑的脈動流可例如以塞流形式發生在管道中，從而導致非常高效的熱傳遞。脈動流可被幾何形狀激發，其中管道可具有曲折管道的形式，並且可在管道的180°彎曲部處接觸熱接收單元，其中曲折管道可為或者閉環或者開環的。根據本發明的另一個實施例，彎曲部可為至少部分地長方形的彎曲部，以最大程度地增大與基板的接觸面積，從而提供對基板的較小熱阻和提供在基板凹槽中的翅片的良好機械穩定性。根據本發明的另一個實施例，在冷卻模塊的操作狀態下，熱量可通過熱載體從冷凝器傳遞至環境。
根據本發明的另一個實施例,熱載體可為冷卻空氣。根據本發明的另一個實施例，熱載體可為水。根據本發明的另一個實施例，提供了電力模塊，該電力模塊包括熱連接到熱接收單元的至少一個電氣和/或電子構件；以及本發明的前述示例性實施例中的任一個的冷卻模塊，其具有冷卻劑，用於接收來自熱接收單元的熱量，並且用於在冷卻模塊的操作狀態下通過熱載體將熱量傳遞至環境。根據本發明的另一個實施例，提供了上述示例性實施例中的任一個的冷卻模塊的使用，該冷卻模塊用於冷卻至少一個電氣和/或電子構件。根據本發明的另一個實施例，電子構件可為電力電子構件，並且例如為 IGBT。根據本發明的另一個實施例，提供了一種冷卻電氣和/或電子構件的方法。該方法包括下列步驟在冷卻模塊的操作狀態下，通過冷卻模塊的熱接收單元從熱連接到熱接收單元上的至少一個電氣和/或電子構件接收熱量；以及將熱量從熱接收單元傳遞至冷卻模塊的冷凝器。冷卻模塊包括具有兩個片材的面板，該兩個片材通過包含輥壓結合的工藝附連到彼此，使得在冷卻模塊的操作狀態下在兩個片材之間形成在由片材形成的平面的方向上延伸的管道。根據本發明的另一個實施例，該方法還包括通過下者將熱量從冷凝器傳遞到環境的步驟蒸發管道中的冷卻劑的第一部分；冷凝管道中的冷卻劑的第二部分；以及將熱量從管道傳遞到熱載體。該至少一個管道形成為使得在冷卻模塊的操作狀態下由重力提供冷卻運動。根據本發明的另一個實施例，該方法還包括通過下者將熱量從冷凝器傳遞到環境的步驟蒸發管道中的冷卻劑的第一部分；冷凝管道中的冷卻劑的第二部分；以及將熱量從管道傳遞到熱載體，其中該至少一個管道形成為使得在冷卻模塊的操作狀態下由脈動冷卻提供冷卻運動。參照下文所述實施例，本發明的這些和其它方面將變得顯而易見和清晰明了。附圖簡述
在下文中，將參照附圖中示出的示例性實施例更詳細地說明本發明的主題。圖I示意性地示出根據本發明的實施例的帶有冷凝器和蒸發器的冷卻模塊的透視 圖2示意性地示出圖I的冷凝器的面板的透視 圖3示意性地示出圖I的蒸發器的透視 圖4示意性地示出圖I的蒸發器的橫截面的透視 圖5示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有冷凝器和蒸發器的冷卻模塊的透視 圖6示意性地示出圖5的蒸發器的透視 圖7示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有冷凝器和蒸發器的冷卻模塊的透視 圖8示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有冷凝器和蒸發器的冷卻模塊的橫截面的透視 圖9示意性地示出圖8的冷卻模塊的另一個橫截面的透視圖；

圖10示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有具有對稱布置的面板的冷凝器和蒸發器的冷卻模塊的透視 圖11示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有基板的冷凝器的透視 圖12示意性地示出根據本發明的一個實施例的圖11的基板的透視 圖13示意性地示出根據本發明的另一個實施例的圖11的基板的透視 圖14示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有冷凝器和基板的冷卻模塊的透視 圖15示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有冷凝器和基板的冷卻模塊的透視圖；
圖16示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有多個冷凝器的冷卻模塊的透視圖，其中冷凝器與基板形成面板疊堆；
圖17示意性地示出帶有圖16的基板的一個面板的透視 圖18示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷凝器的面板在附接到冷卻模塊的基板之如的側視 圖19示意性地示出根據本發明的另一個實施例的附接到冷卻模塊的基板的面板；
圖20示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的面板的透視圖，其指出了蒸發段和冷凝段；
圖21示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的一個面板的透視 圖22示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有基板和多個面板的冷卻模塊的橫截面 圖23示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有基板和多個面板的冷卻模塊的橫截面 圖24示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有基板和多個面板的冷卻模塊的橫截面 圖25示意性地示出根據本發明的另一個實施例的帶有基板和多個面板的冷卻模塊的橫截面 圖26示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的面板的兩個片材的橫截面的放大視 圖27示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的面板的兩個片材的橫截面的放大視 圖28示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的面板的橫截面 圖29示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的面板的橫截面 圖30示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的面板的橫截面 圖31示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的面板的橫截面 圖32示意性地示出根據本發明的另一個實施例的用於脈動冷卻的帶有閉環管道和冷卻模塊的指示的蒸發段的面板；
圖33示意性地示出根據本發明的另一個實施例的用於脈動冷卻的帶有開環管道和冷卻模塊的指示的蒸發段的面板；
圖34示意性地示出根據本發明的另一個示例性實施例的冷卻模塊的面板的蒸發段的橫截面的放大視 圖35示意性地示出根據本發明的另一個實施例的圖34的基板的橫截面A-A的部分；圖36示意性地示出根據本發明的另一個實施例的冷卻電氣和/或電子構件的方法的流程圖。附圖中使用的參考標號及其意義以概要形式作為參考標號列表而列出。原則上，附圖中對相同的部件提供相同的參考符號。
示例件實施例的詳細描沭
圖I示意性地描繪了包括帶有面板11的冷凝器I的冷卻模塊100，面板11具有通過包含輥壓結合的工藝附連到彼此的兩個片材，使得在兩個片材之間形成在由片材形成的平面的方向上延伸的管道113。管道113包括多個環路1130。冷凝器I包括具有管道113的多個面板11，各個管道113通往冷凝物管道12，冷凝物管道12從單獨的面板11或翅片11通往冷凝物集管121。一個冷凝物導管122從冷凝物集管122通往呈蒸發器2A形式的熱接收單元2、2A。蒸發器2A由蒸氣管道21流體地連接到管道113，各個蒸氣管道21通往一個翅片11或面板11的管道113。呈蒸發器2A形式的熱接收單元2、2A具有連接器件，該連接器件用於將至少一個熱源3連接到蒸發器2A，使得熱源3的熱負荷可熱傳遞到熱接收單元2、2A。熱源3可為熱連接到熱接收單元2、2A的地鐵變流器(諸如半導體開關的)或任何其它電氣和/或電子構件(例如電力電子構件或IGBT)。圖I所述實施例以及以下附圖的所有其它實施例適合解決在地鐵變流器冷卻應用中的常規空冷帶翅片散熱器遇到的有限的翅片效率的問題，在這類散熱器中傳導是翅片內唯一的熱傳輸機制。在常規系統中，高冷卻性能、高功率密度、有限的空氣速度(由於在地鐵站的噪音限制)以及足夠寬的翅片間通道的邊界條件可導致有長翅片。為了使翅片效率保持足夠高，這些翅片必須製造得非常厚，這導致重而大的散熱器。該問題通過圖I的實施例和另外的附圖的實施例解決，因為翅片內部的熱傳遞通過對流增強。具有兩相冷卻劑的環熱虹吸可根據附圖的實施例使用，使得冷卻運動僅通過重力驅動，而不需要有源泵。環熱虹吸可由環形管道113、1130組成，管道包含在兩相範圍內工作的冷卻劑。一段管道113可用來蒸發冷卻劑，而另一段管道則可用來冷凝冷卻劑。冷卻劑運動可通過重力驅動，因為冷卻劑蒸氣的密度遠小於液體的密度。在根據附圖的實施例的冷卻系統中，熱虹吸管道的蒸發段接收來自電子裝置3的熱量，同時熱虹吸管道的冷凝器段將熱量傳遞到冷卻空氣或其它一些合適的冷卻介質。成本高效的冷卻方案可包括輥壓結合式面板和/或太陽能熱吸收器。輥壓結合式面板可非常適合作為用於冷卻電氣或電子構件3的翅片，因為其便宜、薄、重量輕，並且在面板11中的通道113或管道113的確切型式方面存在很大靈活性。輥壓結合式面板11可視為非常高效的翅片11。在輥壓結合中，兩個金屬片材可通過輥壓以高壓力擠壓到一起。因此，片材的某些區域可通過用諸如石墨粉的分離劑對其進行處理使得片材在這些區域不能連結而被忽略。在結合之後，片材膨脹以在用分離劑處理的區域中形成翅片通道或管道。這樣的輥壓結合式面板11可用作環熱虹吸或冷卻模塊100的冷凝器I。為了完成環熱虹吸100，可添加上面附連有電力電子裝置3的單獨的蒸發器2A。如下文所述，單獨的蒸發器2A也可省略，其中翅片11中的一段通道113或管道113可構成蒸發器2A。所有翅片11可直接附連到基板2B，在基板2B上可附連電子裝置3 (參見例如圖11)。使用輥壓結合式面板11作為翅片11的一個具體優點可為面板11的表面不平坦，但包含從面板11內部的通道或管道113突出的隆起。這些隆起具有幹擾空氣流的效果，這增強了湍流強度，並且從而增強了面板表面和空氣之間的熱傳遞。圖2示意性地示出權利要求I的單獨的面板11或翅片11，其帶有具有若干環路1130的管道113，使得管道113具有環形形式。
圖3示意性地示出圖I的熱接收單元2、2A的透視圖，其呈帶有冷凝物導管122的蒸發器2A的形式。圖4示意性地示出圖I的呈蒸發器2A形式的熱接收單元2、2A的橫截面的透視圖，該蒸發器2A帶有冷凝物導管122，用於接收來自冷凝器和多個蒸氣管道21的冷凝物，這些蒸氣管道21通往冷凝器的管道，用於接收來自蒸發器2A的蒸發的冷卻劑。圖5示意性地示出圖I的冷卻模塊100的透視圖，區別在於，不存在冷凝物集管，並且不但有一個冷凝物導管122，而且有多個冷凝物導管122，各個冷凝物導管從冷凝器I的各個面11的管道113經由冷凝物管道12直接通往蒸發器2A。圖6示意性地示出帶有根據圖5的冷凝物導管122的呈蒸發器2A形式的熱接收單元2的透視圖。圖7示意性地示出圖I的冷卻模塊100的透視圖，區別在於，冷卻模塊100還包括蒸氣集管211或蒸氣收集器211，用於接收來自呈蒸發器2A形式的熱接收單元2的蒸氣冷卻劑，並且將蒸發的冷卻劑經由多個蒸氣管道21傳遞至冷卻模塊100的冷凝器I的面板11的管道113。冷卻空氣4可從如箭頭4a、4b、4c和4d所指的不同方向流過翅片11或面板11的管道113或通道113。電子裝置3可附連到如圖7所示的蒸發器2A的兩側處，或者僅附連到一側上。通過翅片11的空氣流可歸因於使用風機或鼓風機的強制對流，或歸因於自然對流。當在列車上或者更一般地在任何車輛上使用時，翅片11可定向為利用驅動風。翅片間通道113或管道113的軸線可定向在驅動方向上。圖8示意性地示出帶有冷凝器I的冷卻模塊100的橫截面的透視圖，冷凝器I具有多個面板11，面板11具有通過包含輥壓結合的工藝附連到彼此的兩個片材，使得在兩個片材之間形成在由片材形成的平面的方向上延伸的管道113，各個管道通往連接到冷凝物集管121的冷凝物管道12。冷凝物導管122將冷凝物集管121與呈蒸發器2A形式的熱接收單元2、2A連接。蒸氣導管212將蒸發器2A的蒸氣冷卻劑通往蒸氣集管211或蒸氣收集器 211。圖9示意性地示出圖8的冷卻模塊100的橫截面圖。圖10示意性地示出圖I的冷卻模塊100，區別在於，冷凝器I包括以對稱方式布置的多個面板11。冷卻劑的蒸氣從蒸發器2A傳遞到蒸氣集管211或蒸氣收集器211，並且從那裡經由多個導管傳遞到各個管道113，並傳遞到冷凝器I的各個對稱布置的面板11。圖11示意性地示出包括冷凝器I的冷卻模塊100的透視圖，冷凝器I帶有多個面板11，面板11具有通過包含輥壓結合的工藝附連到彼此的兩個片材，使得在兩個片材之間形成在由片材形成的平面的方向上延伸的管道113。冷卻模塊100還包括呈基板2B形式的熱接收單元2、2B，熱接收單元2、2B具有連接器件，用於連接至少一個熱源3，使得熱負荷可熱傳遞到熱接收單元2、2B，熱接收單元2、2B連接到各個面板11的管道113，使得熱負荷可從熱接收單元2、2B傳遞到管道113。基板2B可為導熱基板2B，其將熱負荷傳導到冷凝器I的各個面板11的管道113。翅片11或面板11可以機械的方式和在熱的方面連接到基板2B。根據圖11，這種連接通過使用帶有接納翅片11的凹槽20的基板2B來建立。為了提供最佳的熱接觸，凹槽20可以適當地深，使得它們完全圍繞管道113或通道113的蒸發段。對應的翅片11可具有鍵孔形狀。製造帶有凹槽的基板2B的一種方式是通過鋁擠制。然而，鍵孔形凹槽20可能難以擠制，因為凹槽20可能在其出口處狹窄，使得擠制工具可能斷裂。為了提高可擠制能力，可將通道113或管道113的蒸發段變寬。對應的凹槽20可能不再有瓶頸。為了確保翅片11或面板11和基板2B之間的緊密接觸，從而產生最小的熱阻，一種方式是在 膨脹之前將翅片11插入基板2B的基板凹槽20，然後使翅片通道113或管道113膨脹，由此凹槽20中的通道113獲得基板2B的凹槽20的確切形狀。將翅片11結合到基板2B的另一種選擇是通過釺焊。如果基板凹槽20僅接納輥壓結合式面板11的平片材端，而不是蒸發通道113，則這種選擇尤其有意義，因為在這種情況下，通過膨脹建立緊密接觸不在選擇範圍內。基板2B可如圖11所示位於多個翅片11的一側上，或者位於多個翅片11的底部(未示出)處。圖12示意性地示出圖11的呈基板2B形式的熱接收單元2、2B的透視圖，熱接收單元2、2B包括具有鍵孔形狀的多個凹槽20，用於接納冷凝器的面板。圖13示意性地示出圖12的基板2B的透視圖，區別在於，凹槽20不具有帶有瓶頸的鍵孔的形狀，而具有不帶有瓶頸的瓶的形狀。圖14示意性地示出圖11的冷卻模塊100的透視圖，其中基板2B部分地圍繞面板11的各個管道113的蒸發段。圖15示意性地示出帶有呈基板2B形式的熱接收單元2、2B的冷卻模塊100的透視圖，熱接收單元2、2B接納形成面板疊堆111的多個面板11，各個面板11包括用於在操作之前填充冷卻劑的入口 1133。圖16示意性地示出圖15的冷卻模塊100，其處於這樣的狀態，其中帶有基板2B的各個面板11堆疊成面板疊堆111或冷凝器疊堆111。圖17示意性地示出圖16的一個冷凝器1，其包括接納一個面板11的呈基板2B形式的熱接收單元2、2B。圖18示意性地示出圖17的冷凝器I的透視圖，其中帶有管道113的面板11處於在連接到呈基板2B形式的熱接收單元2、2B之前的狀態。圖19示意性地示出圖18的冷凝器I的透視圖，其中帶有管道113的面板11附連到呈基板2B形式的熱接收單元2、2B。圖20示意性地示出帶有管道113的冷卻模塊的面板11的透視圖，其中標出了蒸發段1131和冷凝段1132。管道113中存在用於傳遞熱的冷卻劑，其中通過在蒸發段1131中蒸發冷卻劑的第一部分1134，並且通過在冷凝段1132處冷凝冷卻劑的第二部分1135來傳遞熱量。圖21示意性地示出冷卻模塊的面板11的透視圖，其具有入口 1133，用於在操作之前將冷卻劑填充到具有多個環路1130的管道113。圖22示意性地示出帶有呈基板2B形式的熱接收單元2、2B的冷卻模塊100的橫截面圖，基板2B用於接納冷凝器的輥壓結合式面板11，其中帶有彎曲部112的成對的四個面板11緊鄰一個直面板11對稱地布置在基板2B處。相比於基板2B，帶有彎曲部112的面板11可用來增大多個面板11的寬度。可提供大的翅片表面和流動橫截面積，同時使基板2B的尺寸保持較小，如根據圖22的實施例的高功率密度所需要的那樣。圖22和23的彎曲部112可為圓形的。帶有彎曲部112的面板11具有兩個圓形的邊緣。面板11可具有多個圓 形的邊緣。圖23示意性地示出圖22的冷卻模塊100的橫截面圖，其中帶有彎曲部112的成對的六個面板11對稱地布置在基板2B處。圖24示意性地示出呈基板2B形式的熱接收單元2、2B的橫截面圖，基板2B接納形成冷卻模塊100的冷凝器的面板11，其中一個覆蓋面板116或覆蓋單元116覆蓋多個面板11，其中覆蓋面板116具有兩個彎曲部112，使得遠離基板2B的面板11的管道的較小側可以製成熱活性的，從而增進熱性能。覆蓋單元116也可不是面板。橫向於面板11布置的內部子通道117可為可選的，其用於使得能夠有更有效的空氣流動。子通道117可由塑料板或金屬板可能地在垂直於面板11的平面的方向上形成。子通道117可引導空氣流，且可使得能夠有對於限定的流率更高的速度，並且可提供具有在相反方向上的空氣流的可能性。圖25示意性地示出圖24的冷卻模塊100的俯視圖。圖26示意性地示出根據本發明的冷卻模塊的冷凝器的面板的兩個片材114、115，這兩個片材通過包含輥壓結合的工藝附連到彼此，使得在兩個片材114、115之間形成在由片材114、115形成的平面的方向上延伸的管道113。管道113中存在用於傳遞熱量的冷卻劑5。第一片材114和第二片材115彎曲而形成管道113。圖27示意性地示出根據圖26的兩個片材114和115的橫截面圖，其中只有第一片材114彎曲，形成其中存在冷卻劑5的管道113。圖28示意性地示出帶有管道113的面板11的橫截面圖，管道113包括若干環路1130。在環路1130處的邊緣為圓形的邊緣。不同數量的平行管道113或通道113可為可能的，如圖28至30所示。在圖28中，描繪了一個管道113或通道113。圖29示意性地示出帶有管道113的面板11的橫截面圖，管道113具有環路1130，其中邊緣為圓形的邊緣。在圖29中，描繪了多個平行的管道113或通道113。圖30示意性地示出面板11的橫截面圖，其中管道113包括具有邊緣的環路1130，邊緣為圓形的邊緣。圖30描繪了兩個平行的管道113或通道113。圖31示意性地示出帶有管道113的面板11的橫截面圖，管道113包括略微傾斜的通道113或管道113，以通過重力輔助流動。可以選擇可通過重力輔助流動的任何幾何形式的管道113。圖32示意性地示出帶有管道113的面板11的橫截面圖，管道113允許有脈動熱虹吸操作。在蒸發段1131中，管道113中存在的冷卻劑分別被加熱和蒸發，導致冷卻劑在遠離蒸發段1131的方向上移動。
在這樣的脈動熱虹吸11中，在管道113中例如以塞流形式出現兩相冷卻劑的不穩定的脈動流，這導致非常高效的熱傳遞。這種脈動流由圖32的幾何形狀激發。曲折的管道113在管道113的180°彎曲部1130處與熱源接觸。曲折的管道113可或者如圖32所示為閉環的，或者如圖33示意性地示出的為開環的。180°彎曲部1130不必是如圖32和33所描繪的嚴格半圓形。圖34示意性地示出面板11的一部分在圖32或圖33的蒸發段1131處的放大視圖，其具有呈基板2B形式的熱接收單元2、2B。管道113的近長方形的彎曲部1130可以最大程度地增大與基板2B的接觸面積，這既是為了使對基板2B的熱阻較小，又是為了在基板2B的基板凹槽20 (圖35所示)中的翅片11有良好機械穩定性。通過在將通道113插入基板凹槽20中之後使通道113膨脹，可建立在面板11或翅片11和基板2B之間的緊密接觸。基板2B可仍然具有稜柱形狀，並且可由擠制鋁製成。圖35示出了根據圖34所示橫截面A-A的俯視橫截面圖，其描繪了作為 基板2B的熱接收單元2、2B的凹槽20。如上所述，圖33示意性地示出帶有開環的管道113的面板11的側視圖，管道113用於在冷卻模塊的操作狀態下的脈動冷卻，以使得能夠有脈動運動。圖36示意性地示出冷卻電氣和/或電子構件的方法150的流程圖，該方法具有下列步驟在冷卻模塊151的操作狀態下，通過熱接收單元接收來自熱連接到冷卻模塊的熱接收單元上的至少一個電氣和/或電子構件的熱量；將熱量從熱接收單元傳遞到冷卻模塊的冷凝器，冷凝器包括具有兩個片材的面板，這兩個片材通過包含輥壓結合的工藝附連到彼此，使得在冷卻模塊152的操作狀態下在兩個片材之間形成在由片材形成的平面的方向上延伸的管道；以及通過蒸發在管道中的冷卻劑的第一部分，冷凝在管道中的冷卻劑的第二部分，並且將熱量從管道傳遞到熱載體，來將熱量從冷凝器傳遞到環境。至少一個管道可形成為使得在根據本發明的一個實施例的冷卻模塊的操作狀態下通過重力提供冷卻劑運動。至少一個管道可形成為使得在根據本發明的另一個實施例的冷卻模塊的操作狀態下可通過脈動冷卻提供冷卻劑運動。雖然已在附圖和以上描述中詳細說明和描述了本發明，但這樣的說明和描述應被視為說明性或示例性而不是限制性的；本發明不限於所公開的實施例。根據對附圖、公開內容和所附權利要求的研究，本領域的技術人員和實踐要求保護的本發明的技術人員可以理解和實施對所公開的實施例的其它變型。在權利要求中，詞語「包括」不排除其它元件或步驟，並且不定冠詞「一」或「一個」不排除複數。單個冷卻模塊或單個電力模塊可以實現權利要求中敘述的若干項目的功能。僅在互不相同的從屬權利要求中引述某些措施，並不表示不可以使用這些措施的組合來得到優點。權利要求中的任何參考標號不應理解為限制範圍。參考標號列表
I冷凝器、多個冷凝器 2熱接收單元 2a蒸發器 2b基板3熱源、電子裝置、電子構件(一個或多個)、電氣構件(一個或多個)、IGBT (—個或多個)、高壓電子構件、電力電子裝置
4，4a, 4b, 4c, 4d冷卻空氣、冷卻介質 5冷卻劑、兩相冷卻劑
11面板(一個或多個)、翅片(一個或多個)、冷凝器面板 12冷凝物管道(一個或多個)
20基板凹槽、凹槽(一個或多個)
21蒸氣管道(一個或多個)
100冷卻模塊
111面板陣列、面板疊堆、冷凝器疊堆 112彎曲部、面板彎曲部、多個面板彎曲部 113管道、通道、曲折管道(一個或多個)
114第一片材、第一金屬片材、片材 115第二片材、第二金屬片材、片材 116覆蓋面板、覆蓋單元
117內部子通道(一個或多個)、子通道(一個或多個)
121冷凝物集管、液體收集器、冷凝物填充入口
122冷凝物導管
211蒸氣集管、蒸氣收集器
212蒸氣導管
1130環路(一個或多個)、彎曲部(一個或多個)、180°彎曲部(一個或多個)、長方形彎曲部(一個或多個)
1131面板中的管道的蒸發段
1132面板中的管道的冷凝段
1133入口、用於填充冷卻劑的管道開口
1134(冷卻劑的)第一部分
1135(冷卻劑的)第二部分。
權利要求
1.一種用於冷卻至少ー個電氣和/或電子構件的冷卻模塊(100),所述冷卻模塊(100)包括冷凝器(I)，所述冷凝器(I)具有 面板(11)，所述面板(11)具有兩個片材(114，115)，所述兩個片材(114，115)通過包含輥壓結合的エ藝附連到彼此，使得在所述兩個片材(114，115)之間形成在由所述片材(114, 115)形成的平面的方向上延伸的管道(113)。
2.根據權利要求I所述的冷卻模塊，其特徵在幹， 所述管道(113)包括至少ー個環路(1130)。
3.根據權利要求I或2所述的冷卻模塊(100)，其特徵在於，還包括 熱接收單元(2，2A，2B)，所述熱接收單元(2，2A，2B)流體地連接到所述管道(113)； 其中，所述熱接收單元(2，2A，2B)具有連接器件，所述連接器件用於連接至少ー個熱源(3)，使得熱負荷能夠熱傳遞到所述熱接收單元(2，2A, 2B)。
4.根據權利要求3所述的冷卻模塊(100)，其特徵在於，包括 多個面板(11)，所述多個面板(11)布置在所述熱接收單元(2，2A, 2B)處，使得形成面板疊堆(111)； 其中，所述熱接收單元(2，2A，2B)連接到各個面板(11)的至少ー個管道(113)。
5.根據權利要求3或4所述的冷卻模塊(100)，其特徵在幹， 所述熱接收單元(2，2A, 2B)為導熱基板(2B)。
6.根據權利要求3至5中的任一項所述的冷卻模塊(100)，其特徵在幹， 所述熱接收單元(2，2A, 2B)為蒸發器(2A)。
7.根據前述權利要求中的任一項所述的冷卻模塊(100)，其特徵在於，還包括 冷卻劑(5)，所述冷卻劑(5)存在於所述管道(113)中，用於傳遞熱量； 其中，能夠通過蒸發所述冷卻劑(5)的第一部分(1134)和通過冷凝所述冷卻劑(5)的第二部分(1135)來傳遞熱量。
8.根據權利要求7所述的冷卻模塊(100)，其特徵在幹， 第一百分比的所述冷卻劑(5)為液體，並且第二百分比的所述冷卻劑(5)為氣態，使得所述冷卻劑(5)處於填充所述管道(113)的飽和狀況。
9.根據權利要求7或8所述的冷卻模塊(100)，其特徵在幹， 至少ー個管道(113)形成為使得在所述冷卻模塊(100)的操作狀態下通過重力或脈動冷卻提供冷卻劑運動。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的冷卻模塊(100)，其特徵在幹， 在所述冷卻模塊(100)的操作狀態下，熱量能夠通過熱載體(4，4A，4B，4C，4D)從所述冷凝器(I)傳遞到環境。
11.ー種電カ模塊，包括 至少ー個電氣和/或電子構件(3)，所述至少一個電氣和/或電子構件(3)熱連接到熱接收單元(2，2A, 2B)，以及 根據權利要求I至10中的任一項所述的冷卻模塊(100)，其帶有冷卻劑(5)，所述冷卻劑(5)用於在所述冷卻模塊(100)的操作狀態下從所述熱接收單元(2，2A，2B)接收熱量，並且用於通過熱載體(4，4A，4B，4C，4D)將熱量傳遞到環境。
12.—種冷卻電氣和/或電子模塊(3)的方法(150)，所述方法(150)包括下列步驟在冷卻模塊(100,151)的操作狀態下，通過冷卻模塊(100)的熱接收單元(2，2A，2B)接收來自熱連接到所述熱接收單元(2，2A，2B)的至少ー個電氣和/或電子構件(3)的熱量; 在所述冷卻模塊(100，152)的操作狀態下，將熱量從所述熱接收単元(2，2A，2B)傳遞到所述冷卻模塊(100)的冷凝器(I)，所述冷凝器⑴包括面板(11)，所述面板(11)具有兩個片材(114，115)，所述兩個片材(114，115)通過包含輥壓結合的エ藝附連到彼此，使得在所述兩個片材(114，115)之間形成在由所述片材(114，115)形成的平面的方向上延伸的管道(113)ο
13.根據權利要求12所述的方法(150)，其特徵在於，還包括下列步驟 通過蒸發在所述管道(113)中的冷卻劑(5)的第一部分(1134)，通過冷凝在所述管道(113)中的所述冷卻劑(5)的第二部分(1135)，並且通過將熱量從所述管道(113)傳遞到熱載體(4，4A, 4B, 4C, 4D, 153)來將熱量從所述冷凝器(I)傳遞到環境； 其中，至少ー個管道(113)形成為使得在所述冷卻模塊(100)的操作狀態下通過重力提供冷卻劑運動。
14.根據權利要求12所述的方法(150)，其特徵在於，還包括下列步驟 通過蒸發在所述管道(113)中的冷卻劑(5)的第一部分(1134)，通過冷凝在所述管道(113)中的所述冷卻劑(5)的第二部分(1135)，並且通過將熱量從所述管道(113)傳遞到熱載體(4，4A, 4B, 4C, 4D, 153)來將熱量從所述冷凝器(I)傳遞到環境； 其中，至少ー個管道(113)形成為使得在所述冷卻模塊(100)的操作狀態下通過脈動冷卻提供冷卻劑運動。
全文摘要
本發明涉及電力電子構件的冷卻，具體而言，涉及包括冷凝器的冷卻模塊和包括冷卻模塊的電力模塊，以及用於冷卻電氣和/或電子構件的方法。提供帶有具有至少一個面板(11)的冷凝器(1)的冷卻模塊(100)，以用於冷卻電氣和/或電子構件。面板的兩個片材(114,115)通過包含輥壓結合的工藝附連到彼此，使得在兩個片材(114,115)之間形成管道(113)。管道(113)在由片材(114,115)形成的平面的方向上延伸。管道(113)中存在冷卻劑(5)。通過在面板(11)的蒸發段處蒸發冷卻劑(5)，並通過在面板(11)的冷凝段處冷凝冷卻劑(5)，可提供冷卻。熱負荷可從諸如電氣和/或電子構件的熱源(3)傳遞到熱接收單元(2,2A,2B)。熱接收單元(2,2A,2B)適合將熱負荷傳遞到面板(11)，面板(11)將熱負荷通過諸如空氣(4)的熱載體(4)傳遞到環境。
文檔編號F28D15/02GK102696103SQ201080053606
公開日2012年9月26日 申請日期2010年5月21日 優先權日2009年9月28日
發明者B.耶辛, F.阿戈斯蒂尼, T.格拉丁格 申請人:Abb研究有限公司