冷却板和功率模块柜的制作方法

本申请涉及风力发电技术领域，具体为一种冷却板和功率模块柜。

背景技术：

随着电子元器件的高功率、高集成的飞速发展，单位体积功率密度较高的元器件被越来越广泛的应用。在实际工作中，功率元器件的温度每增加10℃，其寿命将减少一半，因此，与大功率元器件相配套的散热器件也在逐渐的发生技术变革。传统风冷冷却方式已经无法满足大功率电子元器件的工作要求，水冷正逐步取代风冷主要应用于大功率元器件的冷却。

目前，市面上的直槽式冷却板产品普遍是由平板、槽板和进水口、出水口各一个等部件组成。但是，申请人发现，直槽式冷却板的流道较长，流动方向单一，在冷却液流动过程中，冷却液温度沿流道上升，会造成冷却板两端温差较大，温度不均匀，影响绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor；igbt)芯片的性能。并联流道通常流动长度短，在整个冷却板上横向流动，同样会在冷却板两侧产生较大的温差，导致冷却板表面温度不均匀。而且，由于直槽形式冷却板并联流道较多，可能会造成流体分配不均，进一步加大冷却板表面的温度不均匀度。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种冷却板和功率模块柜，通过改进冷却板的流体通道的设计，解决风力发电机组中冷却板表面温度不均匀，影响绝缘栅双极型晶体管芯片性能的技术问题。

为了解决上述问题，本申请实施例主要提供如下技术方案：

在第一方面中，本申请实施例公开了一种冷却板，包括：流道层以及汇流层；

所述流道层包括回形通道模块，所述回形通道模块包括入口、出口以及多个通道形成的回形通道，所述入口连接入口通道，所述出口连接出口通道；并且，设置所述回形通道的各通道，使得所述入口通道位于所述回形通道的中间区域。

可选地，所述回形通道为矩形平面结构，靠近所述回形通道的各侧边的各通道包括流体的流动方向不同的通道。

可选地，设置所述回形通道的多个通道结构，使得相邻通道的流体温差最大化。

可选地，所述回形通道的相邻通道内的流体流动方向相反。

可选地，沿垂直于所述冷却板的水平面方向，所述汇流层位于所述流道层的下方，所述流道层与待冷却的发热部件贴合设置。

可选地，所述汇流层包括汇流入口以及汇流出口，所述汇流入口和所述汇流出口位于所述冷却板的同一侧。

可选地，所述流道层的所述入口和所述出口位于所述冷却板的同一侧，并且与所述汇流层的所述汇流入口以及所述汇流出口的位于冷却板的一侧为相同的一侧。

可选地，多个所述通道还包括中间通道，并且所述出口通道与所述入口通道相邻。

可选地，多个所述通道还包括多个中间通道，并且所述出口通道与第一中间通道相邻。

可选地，所述流道层包括至少两个回形通道模块，各所述回形通道模块之间相互独立。

可选地，所述回形通道模块包括至少两个所述入口通道以及至少两个所述出口通道，分别形成至少两个回形通道。

可选地，至少两个回形通道的所述回形通道模块中，所述入口通道位于中间位置，所述出口通道位于边缘位置，流体的流动方向为从中间区域向边缘区域迂回流动。

可选地，至少两个回形通道的所述回形通道模块中，所述入口通道位于边缘位置，所述出口通道位于中间位置，流体的流动方向为从边缘区域向中间区域迂回流动。

可选地，至少两个回形通道的所述回形通道模块中，一个所述入口通道位于中间位置，另一个所述入口通道位于边缘位置，流体的流动方向为从中间区域向边缘区域迂回流动以及从边缘区域向中间区域迂回流动。

可选地，形成所述回形通道的多个所述通道包括流体流动方向相同的多个子通道，所述子通道的宽度为0.5毫米～10毫米。

可选地，所述冷却板还设置有散热翅片，所述散热翅片位于冷却板的流道层之外的部分，所述散热翅片的宽度基本与所述子通道的宽度相同。

在第二方面中，本申请实施例公开了一种功率模块柜，包括功率模块和第一方面所述的冷却板，所述功率模块位于所述冷却板的流道层的顶部。

借由上述技术方案，本申请实施例提供的技术方案至少具有下列优点：

由于本申请实施例的冷却板包括多个通道形成的回形通道，通过该回形通道，使得相对热和相对冷的流体通道交错设计，从而使同一绝缘栅双极型晶体管芯片区域的冷板表面温度基本一致，降低了芯片温度，提高芯片性能与寿命。

上述说明仅是本申请实施例技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请实施例的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请实施例的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请实施例的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文可选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出可选实施方式的目的，而并不认为是对本申请实施例的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请实施例的冷却板第一实施例中包括多个回形通道模块的结构示意图；

图2为本申请实施例的冷却板第一实施例中第一回形通道模块的结构示意图；

图3为本申请实施例的冷却板第一实施例中第二回形通道的结构示意图；

图4为本申请实施例的冷却板第一实施例中第三回形通道的结构示意图；

图5为本申请实施例的冷却板第一实施例中第四回形通道的结构示意图；

图6为本申请实施例的流道层和汇流层的侧视图；

图7为本申请实施例的汇流入口和汇流出口的俯视图；

图8为本申请实施例的冷却板第二实施例的结构示意图；

图9为本申请实施例的冷却板第三实施例的结构示意图；

图10为本申请实施例的流体仿真模拟图；

图11为在同一截面上各个通道内流体的温度的示意图。

附图标记介绍如下：

1-冷却板；2-入口；3-出口；4-流道层；41-中间区域；

5-汇流层；51-汇流入口；52-汇流出口；53-汇流入口通道；54-汇流出口通道；6-回形通道模块；

61-第一中间通道；62-第二中间通道；63-第三中间通道；64-第四中间通道；65-第五中间通道；66-第六中间通道；67-第七中间通道；

70-入口通道；80-出口通道。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为解决上述技术问题，在第一方面中，本申请实施例公开了一种冷却板1，包括：流道层4以及汇流层5。流道层4包括回形通道模块6，回形通道模块6包括入口2、出口3以及多个通道形成的回形通道，入口2连接入口通道7，出口3连接出口通道8；并且，设置回形通道的各通道，使得与入口2连接的入口通道7位于回形通道的中间区域41。

需要明确的是，多个本申请实施例所指出的子通道组合形成单个通道，多个通道组合形成本申请实施例所指出的回形通道，多个回形通道组合形成本申请实施例所指出的回形通道模块，多个回形通道模块组合形成本申请实施例所指出的流道层。

具体地，如图1所示，冷却板1为适应于发热功率模块的形状设计，以覆盖或者支撑发热功率模块表面，对发热面进行散热。为使发热功率模块的发热表面最大程度地被散热流道覆盖，并且考虑与发热功率模块的形状配合、减小占用空间，本申请的冷却板包括双层流道，以图1所示的俯视图为例，上层为流道层4，流道层4上放置发热功率模块，与发热功率模块的发热表面贴合，对功率模块进行冷却；下层为汇流层5，流体由汇流层5进入流道层4，再返回汇流层5。相比于一般的将汇流通道和散热流道设置在同一层的结构，减小了冷却板的平面面积；或者在保持一定平面面积的情况下，可以在该平面面积上将散热流道布置得完全覆盖或者稍多于发热面积，提高了对发热功率模块的冷却效果。

在一些实施例中，流道层4包括至少两个回形通道模块6，各回形通道模块6之间相互独立地设置，可以视功率模块发热量的大小增减流道模块，设计灵活，维护方便，优化冷却成本。以本申请图1为例，设置了3个相互独立设计的回形通道模块6。并且，多个回形通道模块6也可以呈不同形状地布置，例如布置在同一延长线上的长条形、布置成集中的正方形、布置成环形或圆形等，视发热功率模块的布置结构和散热需求而定。

以单个回形通道模块6为例，下面具体说明本申请实施例的回形通道模块6的通道设置结构。回形通道模块6包括多个通道形成的回形通道，通过该回形通道的通道设置，使得在回形通道模块的各个方向上的通道中的流体，均不是单向流动，并且，使得温差较大的流体的两个通道相邻，促进流体在流体通道流动时，最大程度地与相邻的通道的流体之间进一步换热，从而使同一绝缘栅双极型晶体管芯片区域的冷板表面温度基本一致，降低了芯片温度，提高芯片性能与寿命。

在本实施例中，回形通道为矩形平面结构，靠近回形通道的各侧边的各通道包括流体的流动方向不同的通道。本申请中，回形通道的多个通道中，设置了使得流体具有特定流动方向的通道。可选地，多个通道还包括多个中间通道，并且出口通道80与第一中间通道61相邻。以图2所示的通道为例，流体在通道中由入口流向出口，在回形通道的长度方向上，流体在由入口进入的入口通道70中具有相同的流向，当流体流至回形通道长度方向的另一侧后，流体改变流向，由第一中间通道61流向回形通道的一侧，继续在该侧的端部改变流向，由第二中间通道62流向回形通道的另一侧，继续由另一侧的端部改变流向，由出口通道80流向出口；以此形成流体整体单向流动的回形通道，并且在回形通道的各个侧边形成的通道中，流体均不是单方向流动。即，如图所示，靠近回形通道的上侧边的两个通道，为流向相反的两个通道；靠近回形通道下侧边的两个通道，也是流向相反的两个通道；左侧边的两个流向改变的端部通道，为流向相反的两个通道；右侧边的两个流向改变的端部通道，也是流向相反的两个通道。设置相邻通道之间的流体流向相反，可以使得热交换效率提高，更利于将冷热平均化。并且由图2所示，每一个通道分别可以包括多个具有相同流向的子通道，以使得流体在通道中均匀布置，对发热功率模块均匀散热。

可选地，设置回形通道的多个通道结构，使得相邻通道的流体温差最大化。本申请考虑了流体在回形通道中的温度差异，设置了通道的结构，使得存在较大温差的流体在相邻的通道中流动，进一步促进了流体的热交换，提高了冷却板的均温性能。具体地，在图2所示的回形通道形成的回形通道模块6中，流体由于流入通道时间长短或者经历通道长短不同，在入口到出口的通道中，流体会形成由冷到热的温度梯度。设定在入口通道70中流体的温度为t1，在第一中间通道61中流体的温度为t2，在第二中间通道62中流体的温度为t3，出口通道80中流体的温度为t4，则在一般的单向流动的流道设计中，存在t1<t2<t3<t4的温度梯度变化。将入口通道70设置在回形通道的中间区域，即流体由回形通道的中间区域流入，最后由回形通道的边缘区域流出，使得相邻通道的温度差比较大。

可选地，回形通道的相邻通道内的流体流动方向相反。

具体地，以回形通道包括入口通道、第一中间通道、第二中间通道以及出口通道为例，可以有以下几种通道布置方式：

1)参考图2的箭头方向，流体首先经中间区域41右侧的通道流入到入口通道70内；之后流体改变流向并回流到位于入口通道70下方的第一中间通道61；接着流体再次改变流向并回流到位于第一中间通道61下方的第二中间通道62；最后，流体向入口通道70的上方流动，并经位于入口通道70上方的出口通道80流到出口3。

2)在另一个实施例中，如图3所示，流体首先经入口2流入到入口通道70内；之后流体改变流向并回流到位于中间区域41内入口通道70上方的第一中间通道61；接着流体再次改变流向并回流到位于入口通道70下方的第二中间通道62；最后，流体向上方流动，并经位于第一中间通道61上方的出口通道80流到出口3。

3)在其他一个实施例中，如图4所示，流体首先经入口2流入到入口通道70内；之后流体改变流向并回流到位于入口通道70下方的第一中间通道61；接着流体再次改变流向并回流到中间区域41内位于入口通道70上方的第二中间通道62；最后，流体向上方流动，并经位于第二中间通道62上方的出口通道80流到出口3。

4)还在一个实施例中，如图5所示，流体首先经入口2流入到入口通道70内；之后流体改变流向并回流到中间区域41内位于入口通道70上方的第一中间通道61；接着流体再次改变流向并回流到位于出口通道80上方的第二中间通道62；最后，流体向下方流动，经位于第二中间通道62上方的出口通道80流到出口3。

可选地，图6示出了本申请实施例的流道层4和汇流层5的侧视图。如图6所示，沿垂直于冷却板1的水平面方向，汇流层5位于流道层4的下方，流道层4与待冷却的发热部件贴合设置。具体地，流道层4的上方设置发热功率模块，流道层4与发热功率模块的发热表面贴合，对其进行冷却散热。根据流道层4所设置的回形通道模块6的数量，汇流层5的通道长度可以不延伸至整个水冷板1的长度，汇流层5的通道长度的设置，只要满足各回形通道模块6的出口和入口均能够畅通地与汇流通道流体连通即可。以图3的流道层包括3个回形通道模块6为例，汇流层5的通道长度基本为整个水冷板长度的2/3。

在本实施例中，汇流层5与流道层4彼此相互独立且分层设置，避免了汇流层5与流道层4之间的相互干扰。并且，相比于将这两层放置在同一层的结构而言，可以有效减小冷却板1的平面面积，提高了空间利用率。同时，流道层4整体采用回字形设计，增强流体与冷板之间的换热，降低冷板表面温度不均匀度，同时采用长直形流道避免过大的流阻，降低动力源(例如，水泵)的功耗。

可选地，图7示出了申请实施例的汇流入口51和汇流出口52的俯视图。如图7所示，汇流层5包括汇流入口51以及汇流出口52，流道层4的入口和出口位于冷却板1的同一侧，并且与汇流入口51和汇流出口52的位于冷却板1的一侧为相同的一侧。当包括至少两个回形通道模块时，其他回形通道模块的入口和出口也以靠近汇流入口51和汇流出口52布置为利；以减小流体流动能量损耗。在本实施例中，流体的整体流动路径为：流体首先通过汇流入口51，经汇流入口通道53流入到各回形通道模块的入口2，进入上层的流道层4内，经过流道层4的回形通道，从各出口3处汇流至下层的汇流层5的汇流出口通道54内，由汇流出口52流出水冷板1。汇流入口通道53以及汇流出口通道54长度和宽度的设置，以能够覆流道层4的回形通道模块6的入口和出口为宜。

本申请实施例的水冷板1可以为一整块铝板，在制备时加工出上下两层通道，上层通道为流道层4，下层通道为汇流层5，发热部件(例如，芯片)放置于流道层4的上方，与流道层4紧贴，便于散热。汇流层5可以不占满水冷板1的整个下层，节约制造成本。也可以将多个回形通道模块6分别独立制作，根据实际回形通道模块6的布置结构所形成的形状，再制作适宜的汇流层5，将汇流层5以及各回形通道模块6再组装成一个整体的水冷板1，这样可以实现适应不同需求的灵活的布置，提高水冷板1的通用性。

可选地，流道层4包括至少两个回形通道模块6，各回形通道模块6之间相互独立。图8示出了本申请实施例的冷却板第二实施例的结构示意图。如图8所示，第二实施例的冷却板1的流道层4的回形通道模块6包括至少两个入口通道7以及至少两个出口通道8，分别形成至少两个回形通道。

在本实施例中，参考图8，入口2和出口3分别设置在回形通道模块6的两侧，两个回形通道形成了一个回形通道模块6，为实现本申请的水冷板1具有最大化均温性的功能，需要设置回形通道的各通道在该回形通道各侧的通道内的流体流动方向相反、相邻通道的流体流动方向相反、以及相邻通道流体温差最大化。因此，可以包括这样的通道布置，至少两个回形通道的回形通道模块6中，入口通道70位于中间位置，出口通道80位于边缘位置，使得流体的流动方向为从中间区域向边缘区域迂回流动，即两个回形通道的两个入口通道70均位于回形通道模块6的中间位置，以图8的上侧单个回形通道的通道设置为例，流体由位于中间位置的入口通道70进入，向上跨越两个通道进入第一中间通道61，向下进入第二中间通道62，再向下进入第三中间通道63，转而向上跨越两个通道进入出口通道80；使得入口通道70与第三中间通道63相邻，第一中间通道61与出口通道80相邻。

当然，中间通道的设置数量不仅限于三个，还可以是更多数量。中间通道的位置设置也不仅限于图8所示的方式，还可以是多种其他方式的组合，只要实现了本申请的可以达到最大程度均温性的通道的设置均可以，在这里不一一列出。

由于多个回形通道的通道总数比单个回形通道的通道总数多，各通道的流体体积量相应减少，即携带的热量总量减小，使得各流道之间的热差异量减小，那么，为实现冷却板1的均温性能，也可以设置至少两个回形通道的回形通道模块6中，入口通道70位于边缘位置，出口通道8位于中间位置，流体的流动方向为从边缘区域向中间区域迂回流动，即两个回形通道的两个入口通道70均位于回形通道模块6的边缘位置，流体由位于边缘的入口通道70进入，向下跨越两个通道进入第一中间通道61，向上进入第二中间通道62，再向上进入第三中间通道63，转而向上跨越两个通道进入出口通道80；使得入口通道70与第三中间通道63相邻，第一中间通道61与出口通道80相邻。

当然，回形通道模块6还可以包括大于两个回形通道，多个回形通道可以包括相同的通道设置结构，也可以包括不同的通道设置结构。

需要说明的是，本申请实施例中的中间区域41指的是在第一实施例中，单个回形通道的中间位置部分(参见图2)；而中间位置是指在第二实施例和第三实施例中整个流道层4的中间位置。因此，中间区域41不同于中间位置。

可选地，图9示出了本申请实施例的冷却板第三实施例的结构示意图。如图9所示，不同于图8的设计，至少两个回形通道的回形通道模块6中，一个入口通道70位于中间位置，另一个入口通道70位于边缘位置，流体的流动方向为从中间区域向边缘区域迂回流动以及从边缘区域向中间区域迂回流动。

因此，可以包括这样的通道布置，使得流体的整体流动方向可以从边缘位置向中间位置的中间区域流动，同时从中间位置的中间区域向边缘位置流动，即两个入口通道70分别位于回形通道模块6的边缘位置和中间位置，以图9中入口通道70位于回形通道模块6的边缘位置为例，流体由位于中间位置的入口通道70进入，向右跨越六个通道进入第一中间通道61，接着向左回跨越五个通道进入第二中间通道62，向右回跨越五个通道进入第三中间通道63，向左回流相邻通道进入第四中间通道64，向左回流相邻通道进入第五中间通道65，向右回跨越两个通道进入第六中间通道66，向左回跨越四个通道进入第七中间通道67，最后向右回跨越七个通道进入出口通道80。

另外一个回形通道模块6的流体流动方向与上述中的回形通道模块6的流动方向一致，两个回形通道模块6的区别点在于：其中一个回形通道模块6中的入口通道70和出口通道80分别位于回形通道模块6的边缘位置和中间位置；而另一个回形通道模块6中的入口通道70和出口通道80分别位于回形通道模块6的中间位置和边缘位置。

可选地，冷却板1的流道层4与功率部件的发热表面贴合，还可以在冷却板1的与放置功率部件相对一侧和/或冷却板1的厚度方向的四个侧面设置散热翅片，增加换热面积，提高换热效率。

可选地，对于一般的功率部件的尺寸而言，形成回形通道的多个通道包括流体流动方向相同的多个子通道，子通道的宽度为0.5毫米～10毫米。考虑一般流体通道对流体的流动阻力，可以选择子通道的宽度为1.5毫米。

可选地，在一个实施例中，冷却板还设置有散热翅片，散热翅片位于冷却板的流道层之外的部分，散热翅片的宽度基本与子通道的宽度相同。

图10示出了本申请实施例的冷却板1用于功率部件的冷却散热的流体仿真模拟图以及图11示出了在同一截面上九个通道内流体的温度的示意图。如图11所示，九个通道别分成3个通道单元，每个通道单元内有3个通道，位于图11中左侧的通道单元内的通道温度分别为77.0237℃、76.3879℃和77.2857℃。由此可见，3个通道内流体的最大温差为0.8978℃。在图11中间的通道单元中，3个通道温度分别为77.1447℃、76.0348℃和76.992℃，由此可见，3个通道内流体的最大温差为1.1099℃。最后，在图11右侧的通道单元中，3个通道温度分别为76.8448℃、75.7869℃和76.0168℃，由此可见，3个通道内流体的最大温差为1.0579℃。绝缘栅双极型晶体管芯片对应位置的温度最大温差为1.1099℃，远低于通常的水冷板的要求(3℃)，这对贴合在冷却板1上的芯片是有利的，能够减少温差对芯片寿命的影响。

在第二方面中，本申请实施例公开了一种功率模块柜，包括功率模块和第一方面的冷却板1，该功率模块与冷却板1的流道层4贴合。由于第二方面的功率模块柜包括了第一方面的冷却板1，使得功率模块柜具有与冷却板1相同的有益效果。因此，在此不再重复赘述第二方面的功率模块柜的有益效果。

应用本申请实施例所获得的有益效果包括：

1、由于本申请实施例的冷却板包括多个通道形成的回形通道，通过该回形通道，使得相对热和相对冷的流体通道交错设计，从而使同一绝缘栅双极型晶体管芯片区域的冷板表面温度基本一致，降低了芯片温度，提高芯片性能与寿命。

2、汇流层5与流道层4彼此相互独立且分层设置，避免了汇流层5与流道层4之间的相互干扰。同时，流道层4整体采用回字形设计，增强流体与冷板之间的换热，降低冷板表面温度不均匀度，同时采用长直形流道避免过大的流阻，降低动力源的功耗。

3、绝缘栅双极型晶体管芯片可以放置于流道层4的上方，与流道层4紧贴，便于散热。汇流层4可以不占满水冷板1的整个下层，节约制造成本。

以上所述仅是本申请的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。