用于冷却至少两个功率电子装置的冷却装置和方法与流程

本发明涉及用于通过工作流体来冷却至少两个功率电子装置的冷却装置。具体来说，本发明涉及具有脉动热管回路系统(circuitsystem)的冷却装置，其中工作流体通过脉动热管作用(action)来传输。

背景技术：

由于电气组件的正进行小型化和技术的一般进步，高热通量的热管理成为功率电子装置的关键要求。虽然常规热管证明了对冷却是有效的，但是它们在极高热通量下的功能性被其形状因数和操作极限限制。

这些局限性部分通过由akachi等人(akachih.、polášekf.和štulcp.，pulsatingheatpipes，proc.5thint.heatpipesymp.，melbourne，1996，208-217)所介绍并且在ep2444770a1中所述的不同冷却器类型、脉动热管(php)来克服。脉动热管作为基本结构具有带有与常规热管不同的管几何结构的脉动热管回路系统，从而反映工作流体的基本上不同的传输原理，下面要更详细描述。

但是，甚至当冷却通过基于脉动热管的冷却装置来执行时，也仍然存在获得仍然更高功率密度和更紧凑配置的需要。

技术实现要素：

鉴于上述，提供如权利要求1所述的用于冷却至少两个功率电子装置的冷却装置、如权利要求8所述的功率电子布置、如权利要求11所述的使用以及如权利要求12所述的用于冷却至少两个功率电子装置的方法。本发明的其他可能方面通过独立权利要求、下面描述和附图是显而易见的。

因此，本发明的方面允许安装至少两个功率电子装置,在冷却装置的热接收器布置的每侧上一个，由此允许同时冷却至少两个功率电子装置。由此，能够实现增加的冷却功率密度和/或紧凑配置，同时可降低成本。而且，本发明的实施例通过多个功率电子装置的共享冷却允许有效地弄平(levelout)温度不匀性。本发明的实施例特别适合于串联连接的功率电子装置。

附图说明

在下面参照附图更详细描述本发明的方面和实施例，附图包括

图1a-1d示出可按照本发明的方面来使用的脉动热管回路系统的不同示例的示意侧视图；

图2a-2c分别以透视图、正视图和水平截面图来示出按照本发明的实施例的冷却装置；

图3以分解图来示出包含其顶部和底部连接歧管的图2a-2c的冷却装置；

图4a-4c示出图示顶部和底部连接歧管的可能备选配置的示意水平截面图；

图5a示出具有形成两个热传导壁的公共互连环路的脉动热管回路系统的冷却装置的示意侧视图；

图5b示出具有形成每个热传导壁的独立环路的脉动热管回路系统的冷却装置的示意侧视图；

图6a和图6b示出具有布置在分别彼此接触和彼此不接触的金属块上的热传导壁对的冷却装置的示意侧视图；

图7示出其中通过冷却装置来冷却两个功率电子装置的功率电子布置的示意侧视图；以及

图8示出其中按照交替顺序堆叠功率电子装置和冷却装置的功率电子布置的示意侧视图。

具体实施方式

在下面描述本发明的各个方面和实施例。预计无论在具体实施例还是其他特征的上下文中所述的方面的每个能够与任何其他方面相结合。

在附图和下面描述中，相同参考数字用于类似元件，以及与相同参考符号相关的任何实施例的描述可适用于任何其他实施例，除非另有提及和/或除非描述将会与那个实施例不一致。

脉动热管

首先将描述与脉动热管(php)相关的一些方面。脉动热管回路系统60的示例在图1a-1d中示出，并且在下面中，即使描述脉动热管的一般方面也参照这些附图的参考数字。

脉动热管具有脉动热管回路系统60，其具有毛细管大小的管子(tube)，并且包含工作流体,形成液体-蒸汽塞子(plug)61和段塞(slug)62。能够通过排空管子回路系统60并且然后采用工作流体部分填充它，来得到液体-蒸汽塞子61和段塞62。由于具有毛细管大小的直径的管子，流体自然自行分配到液体-蒸汽塞子61和段塞62中。

在操作期间，管子回路系统60的一个部分(热接收器部分)20’接收热量，以及工作流体通过液体-蒸汽系统的脉动作用将热量传递给取出热量所在的另一个部分(散热器部分)40’。

又称作脉动热管作用的这个脉动作用是创建大压力波动(在其下，液体-蒸汽塞子61和段塞62在管子回路系统中来回传输)的非均衡浑沌过程。这个过程所要求的非均衡条件通过热接收器部分20’与散热器部分40’之间的温度差来创建。除此之外，不需要外部功率源来发起或维持脉动热管作用。因此，按照本发明的一个方面，冷却装置是无源的，即，没有包括任何有源组件、例如用于工作流体的泵。

脉动热管与常规热虹吸是基本不同的。一个差异在于脉动热管回路系统60的管子具有(优选地始终)毛细管大小，由此保持液体-蒸汽塞子61和段塞62以及脉动热管作用。具体来说，不存在工作流体的较大体积储液器，即将会充当压力储液器并且由此将会干扰脉动热管作用的体积的储液器。

脉动热管共享常规热虹吸的一些优点、例如无源性和可靠性；但是另外，它们因其独特几何结构和热流体传输机制而提供一些具体优点。

·基本上不存在工作流体的预定义或优选流向；而是在两个方向上的浑沌移动；这可引起更均匀冷却；

·脉动热管作用与重力无关，并且因此脉动热管在任何定向上是可操作的；

·低制造复杂度以及只有极少的几何限制引起低成本；

·高热负荷以及对应改进紧凑性和/或冷却性能。

管子几何结构：

如上所述，脉动热管回路系统60的管子具有(优选地始终)毛细管大小。本文中，毛细管大小通过与管子轴向方向垂直的截面平面中的管子的直径来定义。按照优选方面，直径是水力直径，但是直径也能够作为截面几何直径(经过管子中心的最小截面直径)来给出。按照优选方面，直径小于5mm，优选地小于3mm、2mm，或者甚至小于1mm。这些直径对于典型操作条件中的典型工作流体具有大约毛细管大小。

按照另一方面，直径小于由工作流体所定义的临界直径。更详细来说，脉动热管在其中工作流体的表面张力是支配的体系中操作。临界直径通过如下条件来定义：管子的直径要如此小(毛细管)，以致于表面张力支配重力。如果管子直径小于直径dcrit或者其小倍数，则情况是这样，dcrit给出为

其中ρl和ρv分别是液体和蒸汽密度，σlv是工作流体的流体表面张力。这些值在工作流体的操作条件(通常在饱和温度)下获取。

如果d<dcrit，则表面张力趋向为支配的，以及稳定液体段塞如图1a-1d所示地那样形成，从而实现脉动热管作用。另一方面，如果管子直径显著增加到高于dcrit或者其小倍数，则表面张力降低，并且所有工作流体趋向于通过重力成层，以及热管将不会作为脉动热管进行工作。发现某些条件(非绝热、流动沸腾条件)下的泵浦效应对于dcrit的高达10倍的直径是可能的，但是较小直径引起更有效脉动热管作用。

因此，按照具体方面，管子直径小于10*dcrit，优选地小于5*dcrit，更优选地小于2*dcrit，以及特别优选地小于如以上所定义的dcrit。

按照一个方面，可使用下面工作流体的至少一个：水、乙醇、r134a、r245fa、r1233zd、r1234yf、r1234ze或者其混合。

按照一个方面，冷却装置/脉动热管回路系统没有包含用于工作流体的任何大体积储液器,其具有将会充当压力储液器并且将会干扰脉动热管作用的体积。因此，按照一个方面，管子回路系统的管子直径不超过遍及整个管子回路系统的工作流体的上面所定义毛细管大小。

图1a-1d示出可按照本发明的方面来使用的脉动热管回路系统的不同示例的示意侧视图。图1a示出闭环蛇形线(serpentine)配置，其中多个直管元件64在其端部通过接合区段66来接合以形成在每(顶部和底部)侧处具有若干圈数的蛇形线。由于在每侧处具有多圈的蛇形线几何结构，管子在热接收器部分20’和散热器部分40’之间来回蜿蜒而行(meander)。另外，管子端部通过端部对端部接合区段68(其作为散热器部分40’的部分)来接合，以形成闭环。

图1b示出其中省略端部对端部接合区段68使得形成具有端部69的开环蛇形线配置而不是图1a的闭环配置的备选配置。

图1c对应于图1a，但是图示热接收器部分20’可与散热器部分40’直接相邻、从而引起甚至更紧凑设计的一般方面。端部对端部接合区段68可以是或者可以不是热接收器部分20’(或者散热器部分40’)的部分。图1c示出其中端部对端部接合区段68与热接收器部分20’相邻但不是其的部分的示例。

可改变管子几何结构的蛇形线数量。图1d示出具有仅一个的最小数量(=从部分20到40并且返回或者反之亦然的回路系统部分，因而在每侧处仅具有一圈)的示例,该蛇形线在热接收器部分20’与散热器部分40’之间来回蜿蜒而行。

按照优选方面，管子回路系统包括至少两个蛇形线、并且优选地为至少10个蛇形线，其中蛇形线的数量对应于每侧处的圈数。

按照一般方面，管子回路系统包括直段，其与热接收器部分20’和散热器部分40’重叠，并且其中至少一些在其端部(通道状/小直径)处通过接合区段彼此直接接合。

如图2a-2c所示使用多个元件的冷却装置设计

在下面更详细描述图2a-2c所示的冷却装置1。本文中，图2a以透视图示出冷却装置;图2b示出正视图，以及图2c示出经过热接收器布置的水平截面图。

冷却装置1包括在垂直方向上延伸的多个多管元件10(多端口挤压管)，每个多管元件10具有在纵向方向上延伸的多个平行直毛细管，如图2c所示。在多管元件10的底(热接收器部分侧)端以及在顶(散热器部分侧)端，分别提供第一连接歧管30和第二连接歧管50。这些第一和第二连接歧管30、50提供按照选择性方式将毛细管的端部部分彼此连接的连接通路，如以下更详细描述。由此，多管元件10的管子以及第一和第二连接歧管30、50的连接通路形成脉动热管回路系统的(一个或多个)环路。本文中，回路系统定义为工作流体的所有管子和其他通路的集合，以及环路是回路系统的子集，其部分全部彼此流体地互连。因此，脉动热管回路系统可具有一个互连环路(如果回路系统的所有部分如图5a所示地那样彼此互连)或者多于一个环路(如果回路系统具有如图5b所示地那样没有彼此互连的若干环路)。因此，回路系统像两个独立冷却器那样进行操作，但是具有更小覆盖区域。

图2a-2c的冷却装置1还包括热接收器布置20。热接收器布置20包括金属块22，其具有容纳多管元件10的开口，使得多管元件10的部分经过这些开口延伸。多管元件10的管子的插入部分又称作脉动热管回路系统的热接收器部分。金属块22还在相对侧上具有一对热传导壁20a、20b，其适合于各接收至少一个功率电子装置。具有所附连功率电子装置4的配置在图7中示出。

金属块22包含热传导壁对20a、20b，并且延伸到多管元件10，由此提供热传导壁20a、20b与多管元件10之间的热耦合。由此，在操作状态中，热量经过相应热传导壁20a、20b从功率电子装置4传递给热接收器部分，由此加热工作流体。

通过同时冷却夹合(sandwich)热接收器布置20的两个功率电子装置，能够实现紧凑配置和高冷却密度。此外，金属块22提供到多端口元件10的有效热量传递，并且由此确保高冷却性能。

与(上述)热接收器布置20直接相邻的是散热器布置40，其具有热耦合到(例如焊接或铜焊)到多管元件10的鳍片42。脉动热管回路系统的对应部分(具有所附连鳍片的部分)又称作散热器部分。鳍片允许从散热器部分到外部冷却流体、例如流经鳍片的冷却空气的热量传递，用于冷却散热器部分中的工作流体。

多管元件10的管子通过工作流体的脉动热管作用来连接热接收器布置20和散热器布置40。因此，在操作期间，热量经过热传导壁20a、20b和金属块22从布置在热接收器布置20的两个相对侧上的功率电子装置传递给多管元件10的管子的热接收器部分中的工作流体，由此加热工作流体。这个热量然后通过脉动热管作用来传输到散热器布置40，从其中，热量经由鳍片42传递到环境(空气或另一个外部冷却流体)。

虽然上面描述参照图2a-2c进行，但是所述方面并不局限于这些附图，而是图示更一般方面。在下面提及一些这类一般方面。按照一个方面，冷却装置包括多个多和管元件10，其各沿纵向方向具有多个平行直毛细管。优选地，多管元件的管子按照选择性方式在其两个端部处彼此连接。按照另外方面，每个多管元件包括3个管子或更多，优选地在4与12个管子之间。按照另一方面，每个多管元件包括偶数的管子。按照另外方面，热接收器区段与散热器区段直接相邻。

按照另外方面，多管元件被挤压和/或由金属来制成，金属优选地是铝或铝合金。按照另外方面，多管元件随其纵向方向(与直管的延伸平行)在z方向上延伸，并且被定向,使得管子沿y方向对齐，以及多管元件沿x方向对齐，其中x、y和z方向彼此正交。

按照另外方面，在图2c中图示，热接收器布置20或者甚至整个冷却装置相对于热传导壁20a、20b之间的中心对称平面是基本上对称的(即，至少相对于权利要求1提及和可选地在从属权利要求中提及的部分是对称的)。按照另外方面，热传导壁20a和/或20b与其最靠近管子之间的距离小于多管元件10在与热传导壁20a、20b正交的横向方向上的延伸，并且优选地甚至小于那个长度的一半。

连接歧管

参照图3，现在更详细描述第一和第二连接歧管30、50。第二连接歧管50提供在多管元件10的顶(散热器部分侧)端14处，并且包括具有流体分配开口56的流体分配板54。流体分配板54夹合在多管侧密封板52与外密封板58之间。多管侧密封板52具有开口，经过其，管子的端部暴露于流体分配板54。否则，多管侧密封板52和外密封板密封流体分配开口56，使得流体分配开口56形成连接通路，其按照选择性方式将管子端部彼此连接，但是以其他方式从外面密封。

第一连接歧管30按照同样方式来构成。第一连接歧管30提供在多管元件10的底(热接收器部分侧)端12处和在顶(散热器部分侧)端14处，并且包括具有流体分配开口36的流体分配板34。图3中，流体分配板34由若干子板34来制成，但是它备选地也能够是单个组合板。流体分配板34夹合在多管侧密封板32与外密封板38之间。多管侧密封板32具有开口，经过其，管子的端部暴露于流体分配板34。否则，多管侧密封板32和外密封板38密封流体分配开口36，使得流体分配开口36形成连接通路，其按照选择性方式将管子端部彼此连接，但是以其他方式从外面密封。

流体分配开口56(短划线)和36(虚线)连同在其中所提供的多管元件10的端部和管子11的端部也在图4a的示意顶视图中示出。

参照图3和图4a，现在将描述第一和第二连接歧管30、50以及第一和第二连接通路—通过流体分配开口36、56所定义并且指配相同参考符号—的一些可能一般方面：按照方面，第一连接通路36可以仅连接相同多管元件的毛细管，或者也可将不同多管元件的毛细管彼此之间互连。同样，第二连接通路56可以仅连接相同多管元件的毛细管，或者也可将不同多管元件的毛细管彼此之间互连。但是，优选的是，第一和第二连接通路36、56其中之一将不同多管元件的毛细管彼此之间连接，以及另一个仅连接相同多管元件的毛细管。

按照另外方面，第一和/或第二连接歧管30、50通过在与由多管元件所定义的管轴正交的方向上延伸的多个板来构成。

按照另外方面，第二连接通路56将不同(例如相邻)多管元件的管子端部彼此连接。按照另外方面，它们没有将一个和相同多管元件的所有管子端部彼此连接。按照另外方面，第二连接通路56以两行设置，从而按照相对于彼此交错方式连接相邻多管元件。按照另外方面，第二连接通路56的第一子集提供互连接近第一热传导壁20a的管子端部的第一集合的流体通路，以及第二连接通路56的第二子集提供互连接近第二热传导壁20b的管子端部的第二子集的流体通路，其中第二连接通路56没有提供管子的第一与第二子集之间的任何连接。按照另外方面，第一连接通路36提供管子的第一与第二子集之间的连接，优选地提供相应多管元件内的连接，但是没有互连不同多管元件的管子端部。按照另外方面，第一和第二连接通路36、56提供单个连接回路系统，其中回路系统的每个管子连接到回路系统的每个其他管子。

因此，流体通路56将来自给定多管元件10的第一组管子与相邻多管元件的对应第一组管子相连接，同时不提供与给定多管元件10的第二组管子的管子的连接。另一方面，流体通路36将给定多管元件10的第一组管子与相同多管元件的另一个第二组管子相连接，同时不提供与另一个相邻多管元件10的管子的连接。

按照另外方面，流体通路36、56具有小于如上所定义的毛细管大小和/或小于多管元件的管子直径的两倍的厚度(在多管元件的管轴方向上)。

单环、二环配置：

如上所述，图3和图4a所示的连接歧管30的流体通路36互连给定多管元件10的所有管子。由此，整个脉动热管回路系统形成单个公共环路，其与热传导表面20a和20b进行紧密热接触(分别具有接近每个热传导壁20a/20b的环路区段)。

这个概念在图5a中进一步图示，其中示意指示公共互连环路6。该图图示一般方面：公共互连环路6具有接近(紧挨)热传导壁20a的第一环路区段以及接近(紧挨)另一热传导壁20b的第二环路区段。由此，“接近”定义为包含最靠近相应热传导壁20a/20b的管子(例如多管元件的每个或者至少一些的最靠近管子)和/或比热接收器布置的宽度的¼更靠近相应热传导壁20a/20b的管子，在它们之间具有金属或其他良好热导体。

因此，公共互连环路平衡或减少热传导壁对20a、20b之间的任何热差，并且由此允许降低附连到热传导壁对20a、20b的功率电子装置之间的热不平衡。因此，如果应当平衡冷却装置的两侧上的热差，则图5a的布置是有益的。这个布置特别适合其中热类似功率电子装置、即具有(例如相同类型的)相同热损耗的功率电子装置用于热传导壁20a和20b上的配置。

这个优点将不会通过只将两个冷却器放入背靠背配置(所述布置可能不仅更消耗空间，而且还引起两侧之间的热不平衡以及可能引起热堆叠)来实现。基于这种背靠背配置，可能已经尝试通过借助管道连接两个冷却器来减轻这些热不平衡。但是，普通管道将会阻止压力脉动，并且由此阻碍脉动热管作用。因此，图5a的配置的优点在于，降低热不平衡，同时具有专用公共互连回路系统结构的单个冷却装置允许保持脉动热管作用及其显著高热传输性能。

图5a中，公共互连环路通过使第一连接歧管30和第二连接歧管50均提供将多管元件10的所有管子彼此互连的流体通路来实现。如图3所示，如果连接歧管30、50中只有一个提供将多管元件10的所有管子彼此互连的流体通路，则它备选地是充分的。在另外变化中，连接歧管30、50中没有一个需要将所有管子彼此互连，只要其组合流体通路将多管元件10的所有管子彼此互连。

相比之下，图5b图示其中脉动热管回路系统划分为两个独立环路6a和6b的备选实施例：第一环路6a接近热传导壁20a，以及第二环路6b接近热传导壁20b。这个布置通过两个连接歧管30、50提供将(第一环路6a的)第一组管子与(第二环路6b的)多管元件10的第二组管子分离的流体通路来实现。

图5b的布置一般不太优选，但是如果存在例如因冷却装置的两侧上的不同操作温度引起的热差，并且当这些热差不应当平衡时，则可能是有益的。因此，这个布置特别适合其中热不同的功率电子装置(不同热负荷的装置)用于热传导壁20a和20b上的配置。

热接收器布置20

接下来，参照图6a和图6b描述热接收器布置20的另外可能细节。

图6a示出其中热接收器布置20的金属块22由彼此直接接触的两段22a、22b来制成的配置。这个布置对应于图2c所示的布置。更详细来说，第一金属块22a具有热传导壁20，并且将它热耦合到(将它直接接触)多管元件10的第一部分，以及第二金属块22b具有热传导壁20b，并且将它热耦合到多管元件10的第二部分，使得基本上不存在除了第一和第二部分之外的多管元件10的剩余部分。

该布置允许从热传导壁20a和20b到脉动热管回路系统的最大热量传递。在另一个实施例中，金属块22还能够由具有与段22a、22b或者多于两段的组合相同的形状的一段来制成。图6a的配置能够与图5a和图5b所图示的两种环路结构相结合。

另一方面，图6b示出其中热接收器布置20的金属块22由没有彼此接触的两个单独段22a、22b来制成的配置。由此，在段22a、22b之间，仍然存在多管元件10的中间部分，其没有热耦合到(直接接触)两段22a、22b的任一个。

在一些实施例中，图6a的配置可提供到脉动热管回路系统的更有效热量传递，并且因此一般是优选的。但是，图6b的配置在一些配置中可降低功率电子装置之间的热量传递，并且因此能够提供特别是与图5b的实施例相结合的优点。

功率电子布置

图7示出具有本文所述冷却装置1的功率电子布置2。提供待冷却的两个功率电子装置4，热接收器布置20的相对侧上的热传导壁20a的每个上一个，使得功率电子装置4将冷却装置1夹合在它们之间。功率电子装置4的每个热耦合到相应热传导壁20a、20b,并且由此在操作期间通过经过相应热传导壁20a、20b的热量传递来冷却。

功率电子装置4的至少一个可通过待冷却的另一个装置(例如虚释热元件或功能元件(例如提供具有以电气并联配置的叠层的能力的绝缘体))来替换。功率电子装置、(一个或多个)虚释热元件和其他(一个或多个)功能元件在本文中统称为待冷却装置。每当本文中在具体实施例或方面中提及功率电子装置时，理解，它们的一些可通过这类其他装置来替换，并且术语功率电子装置因而能够由待冷却装置来替代。

优选地，待冷却装置是功率电子装置，但是它们也可包括许多其他装置、例如上述装置。优选地，待冷却装置的至少50%或者甚至至少80%是功率电子装置。从另一个观点来看，待冷却装置中全部除了最多1或2个之外是功率电子装置。

图8示出其中多个功率电子装置4和冷却装置1按照交替顺序堆叠的功率电子布置2。功率电子装置4的中间功率电子装置由此通过两个冷却装置1来冷却，相应功率电子装置4的每侧上一个。甚至更有利地，最外面功率电子装置4的充分冷却也能够通过备选布置(未示出)来实现，其中冷却装置1提供在交替叠层的两个端部处，使得所有电子装置4通过两个冷却装置1来冷却。

甚至对于那种变化，仅需要n+1个冷却装置1用于冷却n个功率电子装置4，而不是按照常规设计的2n个装置。

图7和图8的功率电子布置2还能够包括将功率电子装置4和冷却装置1的交替叠层相对于彼此挤压的钳位装置，由此确保机械稳定性以及功率电子装置4与热传导壁20a、20b之间的良好热耦合。

按照一般方面，功率电子装置4可包含功率半导体装置、例如igct或igbt。本文所述的功率电子布置2对于串联连接的功率电子装置4是特别有用的。

采用图7和图8的布置，仅需要减少数量的冷却装置1用于冷却给定数量的功率电子装置4。由此，更紧凑布置是可能的。此外，通过使用图5a的冷却装置1，热不平衡能够降低。备选地，本文所述的任何其他冷却装置能够用于图7和图8的功率电子布置2。