冷却系统

技术领域

本发明涉及用于电力电子器件的冷却系统，尤其涉及具有低压降和/或减小的温度梯度的冷却系统。

背景技术

众所周知，电子电路在使用期间会产生热量。这在传输和/或转换功率的电气电路中尤其如此，因为随着通过电路的电气功率增加，所产生的热量通常也增加。尽管尤其是在使用几十千瓦到几百千瓦量级的高功率电子转换器中，这种电路的效率不断增加，但仍需要消散或者以其它方式去除通过热量(通常为几千瓦)的功率损耗。这是为了避免对电路系统、功率模块或其它部件的退化或其它损坏，并且避免在温度增加以引起温度进一步增加的方式改变条件的情况下发生的热崩溃，这通常导致破坏性结果。它是一种不受控制的正反馈。

最初，空气冷却系统足以消散所产生的热量的量，但是越来越发现这些空气冷却系统容量不足。因此，优选水冷系统，甚至更优选使用直接水冷以避免多层热界面。高功率电子转换器通常包括一系列单独的功率模块，在这些功率模块中功率被转换，并且这些功率模块通常被焊接或以其他方式直接接合到配备有针状翅片的板，该针状翅片能够直接接触冷却流体，该冷却流体通常是水。

常规的水冷系统通常提供穿过针状翅片所延伸到的腔室的冷却水的流动，从而允许水吸收从安装在与针状翅片相对的腔室壁的表面上的功率模块产生的热量。然而，这导致腔室上的温度梯度，因为入口水比出口水冷，并且这可能导致更靠近出口的部件的冷却不足或者导致功率模块上的不期望的热点。这种热点会导致电子器件的性能降低，或者甚至导致部件的损坏或故障。当热梯度太高时，尤其是当功率模块经受热循环和/或功率循环时，这会导致材料疲劳。

一种解决方案是增加冷却水的流速，从而确保适当的冷却水平，但是这是以增加压降为代价的。压降由针状翅片的流动阻力引起，使得随着翅片密度/翅片尺寸增大，压降也增大。此外，入口和出口流动限制必然导致压降。

因此，与待冷却的功率模块相比，常规的直接水冷系统相对较重且较大，并且这种尺寸使得它们难以集成到较大的系统中，尤其是难以集成到例如其中空间有限的混合动力汽车中。

此外，当在赛车中需要这种冷却系统时，部件的尺寸和重量会极大地影响车辆的整体性能。

因此，期望改进冷却系统以避免或至少减少以上指出的问题中的一个或更多个。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于电力电子器件的冷却系统，该系统包括冷却模块以及冷却板；该冷却模块具有入口端部和出口端部、具有入口通道的入口侧、以及具有出口通道的出口侧；该入口通道用于在入口端部处接收冷却流体的流动；在出口端部处，出口流动通过该出口通道离开系统；该冷却板安装在冷却模块的面上且具有冷却腔室，冷却腔室经由位于冷却模块的相对侧上的多个冷却流体通路与入口流动通道和出口流动通道流体连通，使得在使用中，冷却腔室中的冷却流体的流动是从入口侧到出口侧的。

这样，本发明提供了一种冷却系统，该冷却系统具有从入口到出口减小的温度梯度，并且使压降最小化。使冷却剂流以一系列较短但较宽的平行流动流的形式流过冷却腔室的宽度。

本发明还提供一种冷却剂流动分配器，其包括基本平面的元件和纵向分隔器，纵向分隔器从平面元件的第一面突出，使得第一面被分成两个侧部，其中分隔器包括S形部分。

本发明还提供一种冷却剂流动分配器，其包括基本平面的元件和纵向分隔器，该纵向分隔器从平面元件的第一面突出，使得第一面被分成两个侧部，其中基本平面的元件包括开口或切口，该开口与两个侧部的边缘相邻，该切口在两个侧部的边缘中。

在以下特征中的任一个涉及流动分配器的情况下，这些特征可与上文提到的冷却剂流动分配器中的任一个或两者组合，或者与整个冷却系统组合。

冷却模块可包括冷却套和冷却剂流动分配器，冷却套和冷却剂流动分配器可一体形成或者可以是分立元件。

在入口通道和出口通道之间可以设置分隔器。分隔器可将S形限定到入口流动通道和/或出口流动通道的一部分。S形部分可与冷却流体通路相对。

分隔器可包括位于分隔器的端部处或与分隔器的端部处相邻的至少一个开口，以允许在入口侧和出口侧之间的流动。

入口通道和出口通道可以在冷却模块的同一面上。

多个冷却流体通道可设置在入口侧和出口侧中的每一个上。在入口侧和出口侧中的每一个上可以存在相同数量的冷却通路。

冷却流体通路可提供穿过冷却腔室的基本上平行的流动路径。

入口通道和出口通道可以在入口端部和出口端部之间延伸，从而提供基本上纵向的流动。

在使用中，冷却腔室中的冷却流体流动可基本上垂直于入口通道流动和出口通道流动。

冷却板可以在冷却模块的第一面上。第二冷却板可以设置在冷却模块的第二面上。可提供第二组流动通路以用于将冷却流体供应到第二冷却板。冷却板或每个冷却板可包括一个或更多个内部分隔壁，一个或更多个内部分隔壁用于将相应的冷却腔室分成多个部分。

冷却腔室或每个冷却腔室可以具有与冷却模块相对的冷却面。

多个冷却翅片可延伸到冷却腔室或每个冷却腔室中。

冷却翅片可以形成在冷却面上的可拆卸盖板上。

本发明还提供一种电力电子器件系统，其包括如上所述的冷却系统，以及安装在冷却腔室与冷却模块相对的冷却面上将由冷却系统冷却的电力电子器件。

电力电子器件可以包括多个功率模块。两个或更多个流动通路可以与功率模块对准，使得冷却流体平行于功率模块的轴线流动。

附图说明

现在将参照附图通过示例的方式描述本发明。在附图中：

图1示出了用于纵向冷却流体流动的标准冷却套；

图2示出了本发明的示例的分解图；

图3示出了通过冷却模块的示意性横截面；

图4示出了安装有功率模块的冷却模块的示意性平面图；

图5示出了通过双冷却腔室冷却模块的示意性横截面；

图6示出了通过冷却模块的冷却流动的示意图；

图7示出了冷却系统的透视图；以及

图8a和8b示出了流动分配器的替代形式。

具体实施方式

图1示出了具有入口11和出口12的标准设计的冷却套10。入口和/或出口可以沿冷却套的纵向轴线定向(如图1中实线所示)，或者可以具有不同的定向，例如垂直于纵向轴线定向(如图1中虚线所示)。入口和/或出口可以包括一个、两个或更多个单独的流动路径，一个以实线示出，两个以虚线示出。入口11接收冷却流体并将流体分配到冷却腔室13中。冷却流体沿冷却腔室13纵向流过，然后经由出口12从冷却腔室13流出。出口冷却流体比入口冷却流体热，因为由于电子电路/功率模块，热量被传递到冷却流体中，如图2所描述的。箭头14不仅指示冷却流体流动的方向，而且表示从入口到出口的增加的温度梯度。

图2示出了根据本发明的双冷却模块20的分解图。图1的冷却套10基本上没有变化，但是在该示例中，腔室13包含流动分配器21(见图3、4和6)，与图1的布置相比，该流动分配器21改变了冷却流体的流动。流动分配器21是在第一面27上具有入口通道25和出口通道26的基本上平面的流动板24。在入口通道25和出口通道26之间提供了分隔器28。图2的箭头29示出了如何使冷却流体流动从一侧到另一侧行进穿过冷却腔室，而不是纵向地行进穿过冷却腔室。可以设置壁31以将针状翅片板分成通常与相应的功率模块相关联/对准的独立的腔室。壁31优选地具有与针状翅片相同的高度。这在冷却模块的面上形成更宽但更短的流动路径，导致冷却腔室上的温度梯度减小。将参考后面的附图更详细地解释该流动。

冷却套10和流动分配器21在(图2中)上面由第一针状翅片板22封闭，该第一针状翅片板22限定了主冷却腔室30。第一翅片板22设置有翅片23的阵列，当针状翅片板22固定到冷却套时，该翅片23的阵列延伸到主冷却腔室30中，使得冷却流体可以围绕翅片流动并从翅片吸收热量。翅片23比通常在常规的翅片板上使用的翅片短，并且优选地翅片23为1mm，而不是更通常的4mm长度。低高度的优点在于，由于相对较大的宽度，压降减小。翅片可接触流动分配器的面41或可与其间隔开。如果被间隔开，间隔优选相对较小以确保围绕冷却针的冷却剂流最大。这也有助于使冷却模块的总体高度最小化。图3和5示出了翅片的高度可以是冷却腔室的整个深度(虚线)或者可以仅在深度的一部分上延伸。功率模块或其它电子器件(见图3至图5、图7)可以固定到板22的相对面上，并将热量传递到针23。密封件29确保冷却剂不泄漏，在该示例中密封件29为密封垫圈。密封垫圈通常设置在翅片板22中的凹槽内，这有助于使冷却模块的总体高度最小。

第二翅片板33限定了第二主冷却腔室32，在图5更详细地示出。第二针状翅片板33通常与第一翅片板22的形式相同，然后第二针状翅片板33可以固定到冷却套10的相对侧。

流动分配器21的形式和效果在图3、5和6中更清楚地示出。

图3是穿过单侧冷却模块60的横截面，并且示出了围绕流动分配器的流体流动。流动分配器21具有基本上平面的流动板24，该流动板24具有第一面27和第二面41。分隔器28远离第一面延伸，并与封闭件50一起限定入口通道25和出口通道26。封闭件50可与分隔器一体形成，使得流动分配器具有上平面元件24、分隔器28和下平面元件50。可选地，流动板24和分隔器可以是一体的，与封闭件50是分离的，或者实际上封闭件50和流动分配器可以是一体的，流动板24是(如图8所示)分离的元件。入口通道25从入口11接收冷却流体，并引导其朝向在入口通道25和主冷却腔室30之间延伸的入口流动通路45。然后，冷却流体穿过主冷却腔室30，通过出口流动通路46，并回到出口通道26。然后，冷却流沿着出口通道流过，并经由出口12离开。

在该示例中，分隔器28采用S形壁的形式。当在平面图中看时，即垂直于流动板24观察时，是S形的。分隔器本身不一定必须是S形的，但是如图8的示例中可以看到的，在入口通道25和出口通道26中的每一个的内侧上具有S形壁是有利的。如图3所示，分隔器优选地采用窄壁的形式，并且这是有益的，因为其允许入口通道和出口通道的最大尺寸，从而使冷却流动的量最大化。此外，S形确保了更远离入口的入口流动通路31经历与更靠近入口的流动通路基本相同的流速和压力。S形可以是连续的曲线，或者可以在中间包括一个或更多个直的部分。图8中示出了流动分配器的一种替代形式。

如图4所示，功率模块55安装在翅片板22的外侧，并且这些功率模块通常可以横跨冷却模块，使得冷却模块内的冷却流动沿着功率模块的长度。这样，冷却模块提供了对各个功率模块的并行冷却，因为每个功率模块都经历基本相同的冷却效果。虽然在图2中示出了三个流动通路45、46，但是可以设置不同数量。每侧上的相等数量有利于维持一系列基本上平行的流动流。每侧上的流动通路的数量可以对应于待冷却的功率模块的数量。在这种布置中，功率模块可以与相应的成对的流动通路对准。功率模块可以单独安装，或者可以是单个结构的一部分，该单个结构然后被安装到翅片板22上。功率模块可以安装在任一或两个翅片板上。冷却流动优选地沿着这些功率模块或每个功率模块的轴线，该轴线通常是功率模块的纵向轴线。

在图2中，流动通路45、46由流动分配器21中的流动板24的边缘中的相应开口或凹部提供。替代地和/或另外地，流动通路可以包括冷却套中(未示出)的流动路径或甚至延伸通过冷却套然后回到主冷却腔室中的通路。流动通路可包括在其它部件中的开口。

图5中示出了双冷却腔室冷却模块80，其中，代替封闭件50，设置了第二翅片板33。封闭件50的等效功能由另一平面元件61提供，该平面元件61与板24一起将分隔器28夹在中间。该第二翅片板可与翅片板22相同，并与另一平面元件61一起限定第二主冷却腔室32。不需要第二分隔器。形成相应的第二入口流动通路63和第二出口流动通路64，以允许来自入口通道25的冷却流体流动以与上述关于主冷却腔室30相同的方式流过第二主冷却腔室32。第二入口流动通路63和第二出口流动通路64可以采取与第一入口通路25和第一出口通路26匹配的形式，并且可以在数量上相同。然而，它们的数量或形式也可以不同，这取决于第二主冷却腔室32的冷却要求。

图6示出了通过图5的双冷却腔室模块80的流动路径。入口冷却剂流被接收进入入口腔室25的较宽端部中，并使入口冷却剂流流向较窄端部。当流动路径沿着入口腔室变窄时，使得冷却剂流的一部分进入入口流动通路45，但是由于入口通道的尺寸减小，入口通道中的剩余冷却剂的压力不会显著改变。这全部沿着入口通道发生，从而确保通过每个入口流动通路的流动在压力和流速上基本相同。这确保了冷却模块可以在其长度上提供均匀的冷却效果。然后，冷却剂在流进相应的出口流动通路46之前流入并穿过主冷却腔室30、32的每一个的宽度，然后在出口流动通道26中重新结合。出口流动通道朝向出口的加宽有助于在出口冷却剂流中保持恒定的流速和压力。分隔器孔86和87可以设置在分隔器中，通常设置在分隔器的一端或两端处或与分隔器的一端或两端相邻。孔的作用是消除涡流的产生，并因此消除静态流动区域。这种静态流动不被新的冷却剂更新，因此可能形成热点。孔的尺寸允许少量冷却剂流直接穿过分隔器以防止形成涡流，但是仍然使大部分冷却剂流沿着入口通道流动并通过流动通路，以便用于(一个或更多个)冷却腔室内的冷却。

图7示出了双冷却腔室模块80的一种替代形式，并且特别地，该图示出了入口11和出口12。在该示例中，入口包括冷却剂流入其中的基本上圆形的入口开口81，该开口通向发散的入口歧管83，该入口歧管83允许入口流动基本上在通道的整个宽度上进入入口通道25。这确保了入口冷却流体的更平滑的流动，具有较少的再循环涡流等，所述再循环涡流会不利地影响冷却模块的冷却剖面。出口具有类似的形式，具有汇流出口歧管84，汇流出口歧管84接收基本上穿过出口通道26的整个宽度的冷却剂流体，并将其引导到出口开口82。使用基本上整个宽度确保了冷却流体不会留在出口通道的区域中，这会导致不能提供正确的冷却水平的区域。

在入口歧管和出口歧管内以及在入口通道和出口通道内的流动路径的横截面的逐渐变化使具有高压降的区域最小化，从而带来更平滑的冷却流体流动。有助于使系统内的压降最小化的其它因素包括在流动路径内没有尖角或显著的障碍物，以及相对于流动行进穿过冷却腔室的距离而言，主冷却腔室内的冷却流动宽度较大。

图8a和8b示出了正在单个冷却腔室冷却模块中使用的流动分配器21的替代形式。这里所示的形式也可以用于双冷却腔室冷却模块。在该示例中，冷却套由两部分形成，下部90和上部91，下部90包括限定入口通道25和出口通道26的一体形成的流动分配器21，上部91包括冷却剂入口11和出口12，且上部91还包括以与图3的流动板类似的方式起作用的中心平面部分92。在该示例中，分隔器28不是沿整个长度的窄壁，而是具有变化的宽度。该分隔器仍然为入口通道25和出口通道26中的每一个的内壁提供S形。尽管未示出，图6的分隔器孔86、87仍然可以结合在图8的布置中。

图8a示出了结合在一起的上部91和下部90，而图8b仅示出了下部90并示出了入口通道25和出口通道26。

流动分配器21可以与冷却套10一体形成，或者形成在图8的下部中，并且可以通过3D打印或铸造形成。或者，它们可以是单独的元件，在这种情况下，流动分配器优选地通过过盈配合安装在冷却套内。一个或更多个(未示出的)弹性元件可以放置在冷却套和流动分配器之间以帮助过盈配合。

申请人由此单独地公开了本文所描述的每个单独的特征以及两个或更多个这样的特征的任何组合，在一定程度上使得这样的特征或组合能够根据本领域技术人员的公知常识基于本说明书整体上来执行，而不管这样的特征或特征的组合是否解决本文所公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的方面可以由任何这样的单独特征或特征的组合组成。鉴于前面的描述，对于本领域技术人员来说，显然可以在本发明的范围内进行各种修改。