功率電子器件冷卻的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文描述的主題大體涉及功率模塊的冷卻系統(tǒng)。特別地，主題涉及用于電子構(gòu)件的蒸發(fā)器或兩相冷卻器、使用這樣的蒸發(fā)器的冷卻系統(tǒng)和用于冷卻電子構(gòu)件(諸如例如，功率半導體)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]冷卻是設(shè)計任何電氣產(chǎn)品(諸如基于IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的產(chǎn)品，例如DC斷路器)的關(guān)鍵方面，因為流過電路的電流會不可避免地產(chǎn)生熱。近幾年的趨勢是功率電子裝置達到越來越大的功率值。典型地，這個功率提高直接與功率電子裝置所擴散的熱能增加有關(guān)。但是，由于功率電子裝置仍然易受熱問題的影響，所以不斷需要更高效的冷卻系統(tǒng)。
[0003]進一步的趨勢是實現(xiàn)較高的功率密度，這意味著較緊湊的功率電子裝置能夠應付與之前相比等量或更大量的功率，以及用于冷卻系統(tǒng)和空氣流的空間的減少，該趨勢不斷對所采用的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和冷卻性能提出挑戰(zhàn)。
[0004]此外，期望用于現(xiàn)代電氣產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)具有較高的性能和較低的價格。
[0005]目前，對功率電子裝置(諸如基于IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的DC斷路器)提供高效冷卻系統(tǒng)的一種方式是提供兩相冷卻回路。這種冷卻回路使液體通過蒸發(fā)單元與發(fā)熱裝置進行熱接觸。液體在蒸發(fā)單元內(nèi)部被從發(fā)熱裝置擴散的熱加熱，并且達到沸騰溫度。由于液體的溫度不會升高到沸騰溫度以上，所以液體的溫度且因此發(fā)熱裝置溫度最多保持處于液體的沸點的溫度。液體的蒸氣然后被導引通過蒸氣上升管系統(tǒng)到達冷凝器。在冷凝器內(nèi)，蒸氣由于放熱而變成液體。例如，在冷凝器中，熱放給冷卻劑介質(zhì)，諸如處于周圍溫度的空氣。因而蒸氣恢復其液相。冷凝器和蒸發(fā)單元通過液體下降管系統(tǒng)連接，使得冷凝蒸氣作為液體饋送回到蒸發(fā)單元。例如在EP 2 282 624中公開了這種兩相冷卻系統(tǒng)，該專利通過引用而整體地結(jié)合在本文中。
[0006]—般而言，兩相冷卻回路提供提高的冷卻性能。但是，由于功率電子裝置的使用期限且耐熱性有限，所以需要改進的兩相冷卻回路，尤其是對于改進的冷卻效率。另外，由于這樣的冷卻回路的市場競爭性質(zhì)，期望以相同或降低的成本提高冷卻效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]一方面，提供一種用于通過使冷卻流體蒸發(fā)來冷卻至少一個發(fā)熱裝置的蒸發(fā)單元。蒸發(fā)單元包括:導熱壁，其可在熱方面連接到至少一個發(fā)熱裝置上；適于接收來自冷凝器的冷凝的冷卻流體的第一入口通道；第一流體分配器，其在流體方面連接到第一入口通道上，以從其中接收冷卻流體，并且具有用于在其中聚集冷卻流體的容積；各自具有第一端和第二端的第一多個蒸發(fā)通道，第一端在流體方面連接到第一流體分配器上，以從其中接收冷卻流體，第一多個蒸發(fā)通道與至少一個導熱壁處于熱接觸，使得在運行狀態(tài)中，其中的冷卻流體在第一多個蒸發(fā)通道中被來自至少一個發(fā)熱裝置的熱加熱，并且從而至少部分地蒸發(fā)，以及在第一多個蒸發(fā)通道的第二端處從第一多個蒸發(fā)通道排出；第一流體聚集器，其在流體方面連接到第一多個蒸發(fā)通道的第二端上，以從其中接收蒸發(fā)的冷卻流體，并且具有用于在其中聚集蒸發(fā)的冷卻流體的容積；以及第一出口通道，其在流體方面連接到第一流體聚集器上，并且適于從其中接收蒸發(fā)的冷卻流體。另外，至少一個導熱壁具有冷卻表面部分，其限定為包圍多個蒸發(fā)通道在至少一個導熱壁上的所有投影的最小凸形表面部分，而且此外，第一入口通道定位在蒸發(fā)單元中，使得其在至少一個導熱壁上的投影位于冷卻表面部分的外部，使得在運行狀態(tài)中，第一入口通道內(nèi)部的冷卻流體在進入流體聚集器之前被至少一個發(fā)熱裝置預熱。在下面，第一入口通道也簡稱“入口通道”。
[0008]另一方面，提供了前述蒸發(fā)單元用于使入口通道中的冷卻流體從其液相-氣相過渡點至少預熱到-5° C的用途。另一方面，蒸發(fā)單元包括兩個導熱壁，它們設(shè)置在蒸發(fā)單元的相互相對的側(cè)，并且適于與兩個發(fā)熱裝置處于熱接觸，特別地，疊堆的兩個相鄰發(fā)熱裝置包括交替的發(fā)熱裝置和蒸發(fā)單元。
[0009]又一方面，提供一種用于通過使冷卻流體蒸發(fā)來冷卻至少一個發(fā)熱裝置的冷卻回路。冷卻回路包括:上面描述的至少一個蒸發(fā)單元；冷凝器，其具有用于將冷凝器在熱方面聯(lián)接到熱沉上的聯(lián)接部分；以及管系統(tǒng)，其包括蒸氣上升管系統(tǒng)，蒸氣上升管系統(tǒng)將第一出口通道連接到冷凝器上，以在運行狀態(tài)中，將蒸氣狀冷卻流體從第一出口輸送到冷凝器；以及液體下降管系統(tǒng)，其將冷凝器連接到第一入口通道上，以在運行狀態(tài)中，將液體冷卻流體從冷凝器輸送到第一入口通道。
[0010]又一方面，提供一種功率電子模塊，其包括上面描述的至少一個蒸發(fā)單元和在熱方面連接到至少一個蒸發(fā)單元的導熱壁上的至少一個發(fā)熱裝置。
[0011]又一方面，提供一種用于用至少一個蒸發(fā)單元來冷卻至少一個發(fā)熱裝置的方法，該至少一個蒸發(fā)單元包括:至少一個導熱壁；第一入口通道；第一流體分配器；第一多個蒸發(fā)通道；第一流體聚集器；以及第一出口通道。該至少一個發(fā)熱裝置在至少一個蒸發(fā)單元的冷卻表面部分處連接到至少一個導熱壁上，從而在它們之間形成接觸區(qū)域，以及其中，第一入口通道定位在至少一個蒸發(fā)單元中，使得其在至少一個導熱壁上的投影位于所述接觸區(qū)域的外部。方法包括通過至少一個導熱壁將熱從至少一個發(fā)熱裝置傳遞到第一入口通道，使得第一入口通道內(nèi)部的冷卻流體在進入第一流體分配器之前被至少一個發(fā)熱裝置預熱；通過至少一個導熱壁將熱從至少一個發(fā)熱裝置傳遞到第一多個蒸發(fā)通道；使第一多個蒸發(fā)通道中的液體冷卻流體沸騰，使得其中的冷卻流體至少部分地蒸發(fā)，從而使冷卻流體從第一多個蒸發(fā)通道移位到第一流體聚集器，并且被從第一流體分配器進入第一多個蒸發(fā)通道的液體冷卻流體代替。
[0012]根據(jù)從屬權(quán)利要求、描述和附圖，本發(fā)明的另外的方面、優(yōu)點與特征是顯而易見的。
【附圖說明】
[0013]在說明書的其余部分(包括對附圖的參照)中更具體地闡述完整和能夠?qū)嵤┑墓_，包括其最佳模式，其中:
圖1和圖2示意性地顯示根據(jù)本文的實施例的冷卻回路的透視圖。
[0014]圖3示意性地顯示根據(jù)本文的實施例的蒸發(fā)單元的俯視圖。
[0015]圖4示意性地顯示圖3中顯示的蒸發(fā)單元的沿著平面A-A的橫截面。
[0016]圖5示意性地顯示根據(jù)本文的另一個實施例的蒸發(fā)單元的俯視圖。
[0017]圖6示意性地顯示根據(jù)本文的另一個實施例的蒸發(fā)單元的俯視圖。
[0018]圖7示意性地顯示根據(jù)本文的另一個實施例的蒸發(fā)單元的橫截面。
[0019]圖8示意性地顯示根據(jù)本文的實施例的包括蒸發(fā)單元和功率電子構(gòu)件的功率電子模塊的透視圖。
[0020]圖9示意性地顯示圖8中顯示的功率電子模塊的沿著平面D-D的橫截面。
[0021]圖10示意性地顯示根據(jù)本文的另一個實施例的包括蒸發(fā)單元和功率電子構(gòu)件的功率電子模塊的透視圖。
[0022]圖11示意性地顯示圖10中顯示的蒸發(fā)單元的沿著平面E-E的橫截面。
【具體實施方式】
[0023]現(xiàn)在將詳細參照各種實施例，在各圖中示出實施例的一個或多個示例。以解釋的方式提供各個示例，而且它們不表示限制。例如，被示為或描述成一個實施例和/或方法的一部分的特征和/或方法步驟可用于其它實施例和/或方法步驟上，或者與它們結(jié)合起來使用，以產(chǎn)生另外的實施例或方法。意于的是本公開包括這樣的修改和變型。
[0024]在圖的以下描述內(nèi)，相同參考標號指示相同或相似的構(gòu)件。大體上，僅描述關(guān)于單獨的實施例的區(qū)別。除非另有規(guī)定，對一個實施例中的部分或方面的描述也適用于另一個實施例中的對應的部分或方面。
[0025]雖然可在一些圖中顯示本發(fā)明的各種實施例的具體特征，而在其它圖中未顯示，但是這僅僅是為了方便。根據(jù)本發(fā)明的原理，圖的任何特征可與任何其它圖的任何特征結(jié)合起來引用和/或聲明。
[0026]大體上，將理解的是，期望提供一種可靠且高效的兩相冷卻系統(tǒng)，其包括在流體方面彼此連接的蒸發(fā)單元和冷凝器。因此，本文描述的主題涉及比以往更高效地從發(fā)熱裝置中移除熱的方法和系統(tǒng)。在本文描述的實施例中，蒸發(fā)單元可將吸收自發(fā)熱裝置的熱能傳遞到存在于蒸發(fā)單元的芯體(一個或多個)內(nèi)部的冷卻流體。特別地，通過蒸發(fā)單元的前述芯體(一個或多個)內(nèi)部的冷卻流體的沸騰或蒸發(fā)過程來吸收熱能。典型地，冷卻劑流體通過冷凝器將吸收的熱能傳遞到外部冷卻劑，之后，冷卻劑流體回到蒸發(fā)單元，以再一次從發(fā)熱裝置中吸收熱能。
[0027]大體上，根據(jù)日常經(jīng)驗，可假設(shè)冷卻介質(zhì)的溫度越低，其冷卻作用就越好。因此，經(jīng)預熱的冷卻流體可改進冷卻系統(tǒng)的冷卻效率是反直覺和令人驚訝的。在本冷卻系統(tǒng)中，冷卻流體在其相變期間(例如從液體到氣體)所吸收的熱能量大于用來使相同冷卻流體的溫度從冰點升高到略微低于其沸騰點的溫度的熱能量。換句話說，在兩相冷卻系統(tǒng)中，使冷卻流體保持接近其液相-氣相過渡點實際上會提高冷卻效率，因為冷卻流體在前述液相-氣相過渡點處吸收了大量能量。
[0028]特別地，本申請的發(fā)明人已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)，在兩相冷卻回路中，如果從冷凝器回到蒸發(fā)單元的冷卻流體冷卻得過于低于其飽和溫度，則這可導致蒸發(fā)單元中的溫度不均勻。這些溫度不均勻性可在蒸發(fā)單元的芯體中產(chǎn)生不合需要的熱點，因為與飽和冷卻流體相比，顯著更低的熱傳遞系數(shù)與過冷液體相關(guān)聯(lián)。必然地，冷卻回路中的蒸發(fā)單元的冷卻效率可能降低，而且熱點可導致被冷卻的發(fā)熱裝置過早失效。為了防止這樣的失效和改進冷卻效率，進入蒸發(fā)單元的芯體的冷卻流體大致飽和是合乎需要的。因此，根據(jù)特別有利的實施例，蒸發(fā)單元在尺寸上設(shè)置成使得在進入到蒸發(fā)通道中時，冷卻流體預熱到非常接近其液相-氣相過渡溫度的溫度，例如比液相-氣相過渡點低超過5°C的溫度，或者甚至比液相-氣相過渡點低超過2°C的溫度。盡管如此，在這種實施例中，冷卻流體不應在預熱通道內(nèi)完全沸騰，因為這會減少蒸發(fā)單元的新鮮冷卻流體供應。
[0029]根據(jù)本文的實施例，確保進入蒸發(fā)單元的芯體的冷卻流體大致飽和的一個選擇可