[发明专利]模块式冷却系统

说明书

技术领域

本文描述的主题大体涉及用于功率模块的冷却系统。特别地，主题涉及蒸发器，即相应地用于电子构件的两相冷却器，而且涉及采用这样的蒸发器的冷却系统和冷却电子构件(诸如例如功率半导体)的方法。

背景技术

例如半导体开关元件等的功率电子构件典型地易受流过它们的电流所产生的热能的量引起的热问题的影响。由于功率电子装置达到越来越大的功率值且因此散发热能，所以对维持这样的功率电子装置的可靠性的高效冷却系统的需要就变得越来越重要。另外，实现更高功率密度的趋势不断对所采用的冷却系统的设计和效率提出挑战，更高的功率密度意味着较紧凑的功率电子装置能够应付与以前等量或更大量的功率以及更少的用于冷却系统和空气流的空间。

此外，期望用于当代电气产品的冷却系统性能较高，价格较低。一般而言，性能和价格是正相关的，这对电气产品的设计工程师是不断的挑战。

用于对功率电子装置(例如基于IGBT(绝缘栅双极晶体管)的构件(例如紧压包)和更一般地处于电压下、有电流流过它们的装置)提供冷却的一个选择是使用去离子水的水冷却系统。但是，这些系统体积大且沉重，因为它们典型地需要去离子单元。空气冷却是另一种对这样的功率电子装置提供简单且廉价的冷却的方式，但它受到空气的较差的热物理属性的限制，空气的导热率低且比热也低。

目前，对功率电子装置提供高效冷却系统的一种方式是提供两相冷却回路。这种冷却回路使液体与发热装置进行热接触。液体被散发的热加热，并且达到沸腾温度。由于液体的温度不会升高到沸腾温度以上，所以液体的温度且因此电子装置的温度最高保持处于液体的沸点温度。然后液体蒸气被导引通过导管(蒸气上升管)到达冷凝器。在冷凝器内，蒸气由于放热或释放热而变成液体。例如，在冷凝器中，热放给冷却剂介质，诸如处于周围温度的空气。因而蒸气恢复其液相。冷凝器和蒸发器单元通过第二管线(下降管)连接，以便在重力的支持下使冷凝的蒸气作为液体再次回馈到蒸发器单元的液体储藏器。

如果使用两相冷却回路来冷却多个独立的功率构件，则需要提高它们的可靠性和它们的冷却效率。另外，由于冷却回路的市场的竞争性质，所以希望降低生产成本。

专利US 4,733,331公开了一种用于功率半导体元件的散热机构，功率半导体元件与相关联的蒸发块堆叠在一起而形成柱。蒸发块通过管道(包括电绝缘连接元件)在流体方面连接到第一散热器本体或冷凝器上。第一散热器本体沿竖向位于第二散热器本体下方，以便由于自然对流而上升的最冷的空气首先用来通过相应的相关联的第一散热器本体而冷却半导体元件。通风器可布置成沿着水平堆叠方向提供强制通风。

发明内容

一方面，提供一种用于冷却多个功率电子构件的模块式冷却系统，该冷却系统包括多个冷却模块和夹持组件。各个冷却模块分别包括：适于接收来自功率电子构件中的对应的一个的热的蒸发器单元，蒸发器单元具有用于接收液体冷却流体的入口、用于用热使冷却流体蒸发的蒸发器本体，以及用于放出蒸发的冷却流体的出口；冷凝器，其具有用于接收蒸发的冷却流体的入口、用于使冷却流体冷凝的冷凝器本体，以及用于放出冷凝的液体冷却流体的出口；连接蒸发器单元的出口与冷凝器的入口的第一管系统；以及连接冷凝器的出口与蒸发器单元的入口的第二管系统。各个冷却模块形成与冷却系统的其它冷却模块的冷却流体回路分开的相应的单独的冷却流体回路，并且夹持组件适于保持和挤压交替叠堆，其中，蒸发器单元沿堆叠方向与功率电子构件交替地堆叠。另外，各个冷却模块的冷凝器包括用于外部冷却剂介质的至少一个冷却剂介质通路，其中，该至少一个冷却剂介质通路为外部冷却剂介质限定横向于交替叠堆的堆叠方向的流向。

在单独的冷却模块的邻近或相邻的冷凝器之间使用呈实心层形式的电绝缘部分，这对使多个冷却模块彼此电绝缘开提供易于组装、成本有效且可靠的解决办法，而且避免了在蒸发单元和冷凝器之间的管上提供电绝缘区段的需要。

另一方面，该模块式冷却系统包括用于沿着所述流向推动外部冷却剂介质的通气器件。

另一方面，提供一种功率电子单元，其包括前面提到的模块式冷却系统和多个功率电子构件。夹持组件保持和挤压交替叠堆，其中，蒸发器单元沿堆叠方向与功率电子构件交替地堆叠。

又一方面，使用前面提到的模块式冷却系统或功率电子单元来冷却多个功率电子构件。夹持组件将交替叠堆保持和挤压在一起，其中，蒸发器单元沿堆叠方向与功率电子构件交替地堆叠。