模塊式冷卻系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文描述的主題大體涉及用于功率模塊的冷卻系統(tǒng)。特別地，主題涉及蒸發(fā)器，即相應(yīng)地用于電子構(gòu)件的兩相冷卻器，而且涉及采用這樣的蒸發(fā)器的冷卻系統(tǒng)和冷卻電子構(gòu)件(諸如例如功率半導(dǎo)體)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]例如半導(dǎo)體開關(guān)元件等的功率電子構(gòu)件典型地易受流過它們的電流所產(chǎn)生的熱能的量引起的熱問題的影響。由于功率電子裝置達到越來越大的功率值且因此散發(fā)熱能，所以對維持這樣的功率電子裝置的可靠性的高效冷卻系統(tǒng)的需要就變得越來越重要。另夕卜，實現(xiàn)更高功率密度的趨勢不斷對所采用的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和效率提出挑戰(zhàn)，更高的功率密度意味著較緊湊的功率電子裝置能夠應(yīng)付與以前等量或更大量的功率以及更少的用于冷卻系統(tǒng)和空氣流的空間。
[0003]此外，期望用于當(dāng)代電氣產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)性能較高，價格較低。一般而言，性能和價格是正相關(guān)的，這對電氣產(chǎn)品的設(shè)計工程師是不斷的挑戰(zhàn)。
[0004]用于對功率電子裝置(例如基于IGBT(絕緣柵雙極晶體管)的構(gòu)件(例如緊壓包)和更一般地處于電壓下、有電流流過它們的裝置)提供冷卻的一個選擇是使用去離子水的水冷卻系統(tǒng)。但是，這些系統(tǒng)體積大且沉重，因為它們典型地需要去離子單元?？諝饫鋮s是另一種對這樣的功率電子裝置提供簡單且廉價的冷卻的方式，但它受到空氣的較差的熱物理屬性的限制，空氣的導(dǎo)熱率低且比熱也低。
[0005]目前，對功率電子裝置提供高效冷卻系統(tǒng)的一種方式是提供兩相冷卻回路。這種冷卻回路使液體與發(fā)熱裝置進行熱接觸。液體被散發(fā)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電子裝置的溫度最高保持處于液體的沸點溫度。然后液體蒸氣被導(dǎo)引通過導(dǎo)管(蒸氣上升管)到達冷凝器。在冷凝器內(nèi)，蒸氣由于放熱或釋放熱而變成液體。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(fù)其液相。冷凝器和蒸發(fā)器單元通過第二管線(下降管)連接，以便在重力的支持下使冷凝的蒸氣作為液體再次回饋到蒸發(fā)器單元的液體儲藏器。
[0006]如果使用兩相冷卻回路來冷卻多個獨立的功率構(gòu)件，則需要提高它們的可靠性和它們的冷卻效率。另外，由于冷卻回路的市場的競爭性質(zhì)，所以希望降低生產(chǎn)成本。
[0007]專利US 4，733，331公開了一種用于功率半導(dǎo)體元件的散熱機構(gòu)，功率半導(dǎo)體元件與相關(guān)聯(lián)的蒸發(fā)塊堆疊在一起而形成柱。蒸發(fā)塊通過管道(包括電絕緣連接元件)在流體方面連接到第一散熱器本體或冷凝器上。第一散熱器本體沿豎向位于第二散熱器本體下方，以便由于自然對流而上升的最冷的空氣首先用來通過相應(yīng)的相關(guān)聯(lián)的第一散熱器本體而冷卻半導(dǎo)體元件。通風(fēng)器可布置成沿著水平堆疊方向提供強制通風(fēng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]—方面，提供一種用于冷卻多個功率電子構(gòu)件的模塊式冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)包括多個冷卻模塊和夾持組件。各個冷卻模塊分別包括:適于接收來自功率電子構(gòu)件中的對應(yīng)的一個的熱的蒸發(fā)器單元，蒸發(fā)器單元具有用于接收液體冷卻流體的入口、用于用熱使冷卻流體蒸發(fā)的蒸發(fā)器本體，以及用于放出蒸發(fā)的冷卻流體的出口 ；冷凝器，其具有用于接收蒸發(fā)的冷卻流體的入口、用于使冷卻流體冷凝的冷凝器本體，以及用于放出冷凝的液體冷卻流體的出口 ；連接蒸發(fā)器單元的出口與冷凝器的入口的第一管系統(tǒng)；以及連接冷凝器的出口與蒸發(fā)器單元的入口的第二管系統(tǒng)。各個冷卻模塊形成與冷卻系統(tǒng)的其它冷卻模塊的冷卻流體回路分開的相應(yīng)的單獨的冷卻流體回路，并且夾持組件適于保持和擠壓交替疊堆，其中，蒸發(fā)器單元沿堆疊方向與功率電子構(gòu)件交替地堆疊。另外，各個冷卻模塊的冷凝器包括用于外部冷卻劑介質(zhì)的至少一個冷卻劑介質(zhì)通路，其中，該至少一個冷卻劑介質(zhì)通路為外部冷卻劑介質(zhì)限定橫向于交替疊堆的堆疊方向的流向。
[0009]在單獨的冷卻模塊的鄰近或相鄰的冷凝器之間使用呈實心層形式的電絕緣部分，這對使多個冷卻模塊彼此電絕緣開提供易于組裝、成本有效且可靠的解決辦法，而且避免了在蒸發(fā)單元和冷凝器之間的管上提供電絕緣區(qū)段的需要。
[0010]另一方面，提供一種功率電子單元，其包括前面提到的模塊式冷卻系統(tǒng)和多個功率電子構(gòu)件。夾持組件保持和擠壓交替疊堆，其中，蒸發(fā)器單元沿堆疊方向與功率電子構(gòu)件交替地堆疊。
[0011]又一方面，使用前面提到的模塊式冷卻系統(tǒng)或功率電子單元來冷卻多個功率電子構(gòu)件。夾持組件將交替疊堆保持和擠壓在一起，其中，蒸發(fā)器單元沿堆疊方向與功率電子構(gòu)件交替地堆疊。
[0012]又一方面，提供一種用于用模塊式冷卻系統(tǒng)來冷卻多個功率電子構(gòu)件的方法，該冷卻系統(tǒng)包括多個冷卻模塊和夾持組件。各個冷卻模塊分別包括:蒸發(fā)器單元，其具有入口、蒸發(fā)器本體和出口 ；冷凝器，其具有入口、冷凝器本體、出口，以及至少一個冷卻劑介質(zhì)通路；第一管系統(tǒng)；以及第二管系統(tǒng)。夾持組件將交替疊堆保持和擠壓在一起，其中，蒸發(fā)器單元沿堆疊方向與功率電子構(gòu)件交替地堆疊。方法包括將熱從一個功率電子構(gòu)件傳遞到蒸發(fā)器本體中的對應(yīng)的一個；用來自功率電子構(gòu)件的熱使蒸發(fā)器本體內(nèi)部的液體冷卻流體蒸發(fā)；通過第一管系統(tǒng)將蒸發(fā)的冷卻流體從蒸發(fā)器的出口導(dǎo)引到冷凝器的入口 ；通過從冷凝器本體中的蒸發(fā)的冷卻流體中移除熱來使蒸發(fā)的冷卻流體冷凝成液相；以及通過第二管系統(tǒng)將液體冷卻流體從冷凝器的出口導(dǎo)引到蒸發(fā)器的入口。冷卻流體在流體冷卻回路中循環(huán)，流體冷卻回路包括相應(yīng)的冷卻模塊的蒸發(fā)器本體、第一管系統(tǒng)、冷凝器本體和第二管系統(tǒng)，其中，流體冷卻回路是與其它冷卻模塊的流體冷卻回路分開的單獨的流體冷卻回路，以及其中，從冷凝器本體中的蒸發(fā)的冷卻流體中移除熱包括沿橫向于交替疊堆的堆疊方向的流向來導(dǎo)引外部冷卻劑介質(zhì)。
[0013]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)點和特征是顯而易見的。
【附圖說明】
[0014]在說明書的其余部分(包括參照附圖)中更具體地闡述完整且能夠?qū)嵤┑墓_，包括其最佳模式，其中:
圖1示意性地顯示根據(jù)本文的實施例的冷卻模塊的透視圖。
[0015]圖2示意性地顯示根據(jù)本文的實施例的模塊式冷卻系統(tǒng)的透視圖。
[0016]圖3示意性地顯示在圖2中看到的細(xì)節(jié)A的透視圖。
[0017]圖4示意性地顯示根據(jù)本文的實施例的包括夾持組件的模塊式冷卻系統(tǒng)的透視圖。
[0018]圖5示意性地顯示根據(jù)本文的實施例的包括支承結(jié)構(gòu)的模塊式冷卻系統(tǒng)的正視圖。
[0019]圖6示意性地顯示在圖5中看到的細(xì)節(jié)B的正視圖。
【具體實施方式】
[0020]現(xiàn)在將詳細(xì)參照各種實施例，在各幅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，而且這不表示限制。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。
[0021]在附圖的以下描述內(nèi)，相同參考標(biāo)號指示相同或相似的構(gòu)件。大體上，僅描述與單獨的實施例有關(guān)的差別。除非另有規(guī)定，否則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(yīng)的部分或方面。
[0022]雖然可能在一些圖中顯示本發(fā)明的各種實施例的具體特征，而在其它的圖中未顯示，但是這只是為了方便。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。
[0023]大體上，將理解的是，期望提供一種可靠且高效的冷卻系統(tǒng)，其包括至少兩個硬焊式或結(jié)合式蒸發(fā)器單元，它們典型地與待冷卻的電子構(gòu)件(諸如功率半導(dǎo)體)交替地堆疊。因此，本文描述的主題涉及使得能夠像前面提到的那樣比以往移除熱的方式更高效地從電子構(gòu)件中移除熱的方法和系統(tǒng)。在本文描述的實施例中，蒸發(fā)器單元通過沸騰或蒸發(fā)過程，將吸收的熱能從電子構(gòu)件傳遞到存在于蒸發(fā)器單元內(nèi)部(更特別的是存在于蒸發(fā)器單元的核芯內(nèi)部)的流體，在蒸發(fā)器單元的一個或多個內(nèi)部核芯的表面上進行沸騰或蒸發(fā)過程。
[0024]本冷卻系統(tǒng)的一個優(yōu)點在于其模塊性。換句話說，本文公開的冷卻系統(tǒng)包括模塊式結(jié)構(gòu)，這允許對冷卻系統(tǒng)添加單獨的冷卻模塊，或者從冷卻系統(tǒng)中移除單獨的冷卻模塊。從而，當(dāng)待冷卻的電子構(gòu)件的數(shù)量增加或減少時，可相應(yīng)地調(diào)節(jié)模塊式冷卻系統(tǒng)。例如這確保冷卻系統(tǒng)在可用空間量有限的環(huán)境中有空間經(jīng)濟性。另外，由于模塊式冷卻系統(tǒng)易于組裝，所以可避免用新的冷卻系統(tǒng)更換整個冷卻系統(tǒng)，尤其是在待冷卻的電子構(gòu)件的數(shù)量改變的情況下，或者在冷卻模塊之一失效的情況下。因此，可顯著地降低與通過使用本文公開的模塊式冷卻系統(tǒng)來冷卻電子構(gòu)件相關(guān)聯(lián)的整體采購成本和維護成本。
[0025]此外，由于各個冷卻模塊都適于在冷卻模塊之一失效，其余冷卻模塊仍然可工作的情況下，形成與其它冷卻模塊的冷卻流體回路分開的相應(yīng)的單獨的冷卻流體回路。因此，冷卻系統(tǒng)的可靠性提高，而且電子構(gòu)件由于冷卻系統(tǒng)失效而受損傷的風(fēng)險顯著降低。另外，由于每個冷卻模塊都可輕易地調(diào)節(jié)成適合電子構(gòu)件的特定冷卻要求，所以冷卻效率也得到提聞。
[0026]根據(jù)本文描述的實施例(參見下面的圖2的描述)，在單獨的冷卻模塊的鄰近或相鄰的冷凝器之間使用呈實心層的形式的電絕緣部分，這對使多個冷卻模塊彼此電絕緣開提供易于組裝、成本有效且可靠的解決辦法。因此，不需要在蒸發(fā)單元和冷凝器之間的管上提供電絕緣區(qū)段。
[0027]如本文所用，用語“蒸發(fā)器單元”意于代表提供冷卻表面來從電子構(gòu)件中移除熱且使其中的冷卻流體蒸發(fā)的任何裝置。特別地，蒸發(fā)器單元也可被稱為“冷卻器”、“兩相冷卻器”或“冷板”。如本文所用，用語“冷卻模塊”意于代表封閉式冷卻流體回路，其典型地