CN102067304A - 用于电子结构单元的冷却系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷却系统(1)，尤其用于冷却电子结构单元(2)或组件，该冷却系统配备有外壳(3)，并且在其中配备有用于冷却剂的冷却通道(6)。电子结构单元(2)在大面积上紧靠外壳(3)的导热冷却器壁(7)。用于将冷却剂引导至冷却器壁上的装置(11)被设置在冷却通道(6)中。冷却剂引导装置(11)在冷却器壁(7)中具有凹槽(12)，这些凹槽相对于冷却通道(6)横向地形成，并从冷却通道开口。具有用于冷却剂的内部纵向通道(14)的插入元件(13)被插入到每个凹槽(12)中，与内部纵向通道(14)连接的外部纵向通道(15)被形在凹槽(12)与相关插入元件(13)之间。插入元件(13)占用冷却通道(6)的一端配备有倾斜式输入表面(19)和至内部纵向通道(14)的进口(20)。

Description

用于电子结构单元的冷却系统
技术领域
本发明涉及冷却系统，该冷却系统尤其适于冷却电子结构单元或组件。该冷却系统配备有外壳，并且在其中配备有至少一个冷却通道，该冷却通道具有流入部和流出部并用于冷却剂，电子结构单元在大面积上紧靠外壳的导热冷却器壁。
背景技术
如已知的那样，随着与功率相关的电子结构元件的进一步发展，电子组件的功率消耗以及因此其发热不成比例地增加。虽然实际上这些部件正变得越来越小，但是它们的效率以及因此要被去除的热量增加了。此外，由于它们的体积小，这些电子元件被放置在更小的空间，因此这又产生了更高的局部发热。在风扇冷却的情况下仅利用复杂的大冷却体可以实现所达到的功率消耗，这因此是不能接受的。在大损耗的情况下，空气冷却因此明显地达到其限度。
新的高性能处理器在大约10cm2的面积上传递大约70到100W，因此实现了相当高的热通量密度。该处理器的制造商预测，可预料到废热在未来的几年内进一步增加。由于该发展，本领域技术人员正在考虑用于这种应用的液体冷却。液体冷却更加有效地从电子组件中提取热量，结果，可以实现更高的功率密度。液体冷却系统允许带有大量电子部件的更加小型的开关柜。此外，液体冷却器安静地操作。
这种冷却装置已被公开(例如在美国2008/0066888-A1中)，其中，相对于半导体器件的冷却壁横向地在冷却通道中安装针块。因此，这些金属针被设置成使得相对于冷却剂流的主方向横向地分布在冷却器的液体通道中，以便于改善电子结构元件和冷却剂之间的热传递。
虽然已经证明传统液体冷却的冷却体在过去适用，但是发现它们对于当前许多具有更高、尤其是日益增加的能量消耗的部件来说不适用。
在另一种该类型的冷却设备(美国2005/0143000-A1)[在实践中还被认为是“阵雨力量”]的情况下，在外壳中提供设置成彼此间隔一定距离的三个板，这些板一起形成用于冷却剂的分配器单元，用以通过冷却板来冷却电子功率部件。第一板具有出口和排放口，这些出口和排放口分别具有在一个管状元件帮助下的喷嘴状设计，并被连接到形成于相邻板之间的馈给通道或排放通道。来自进口通过馈给通道的冷却剂流从那里由第二板的开口进行分配，并通过管道进入第一板的出口，从那里穿过到达冷却板的下侧，并随着热量的去除以及同时功率部件的冷却，流过排放口进入排放通道，从那里到达出口。
在以上设置中，具有喷嘴的分配器装置用于将冷却液横向传送到半导体器件的金属表面，结果，热传递可以提高到一定程度，但是进口和出口喷嘴的复杂设计伴随着制造问题。另一方面，该冷却器由众多元件构成，为此，其装配或其维护需要无法接受的长时间。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种开始时提及的类型的改进的冷却系统，虽然其尽可能地小，但是其允许更有效的冷却结构和更轻、更简单的设计。
该目的在很大程度上由主权利要求的特征来实现。本发明其它有利改进在从属权利要求中阐述。
本发明的本质是，冷却剂引导及冷却剂分布装置在冷却器壁中具有凹槽，这些凹槽相对于冷却通道横向或垂直地形成，并从冷却通道开口。具有内部纵向通道的插入元件被插入到每个凹槽中，与内部纵向通道连接的外部纵向通道被形成为用于凹槽与相关插入元件之间的冷却剂。插入元件占用冷却通道的一端配备有倾斜式输入表面和至内部纵向通道的进口。但是，相邻插入元件的倾斜式输入表面与进口被设置成彼此相对地错开。代替本身倾斜的输入表面，还可以提供一种流入通道，其连接输入表面，并且变得相应更深，因此实现了与每个单独的进口上的单个的倾斜式输入表面大致相同的效果。这种可替选的配置导致沿流入通道的完全倾斜的进口，该进口充当用于每个单个的输入表面的倾斜式进口表面。
本发明的可实现的最重要的优点和其它细节在以下附图的描述中将被发现。
附图说明
以下参考工作实例的附图对本发明进行更加详细的描述。
●图1示出了根据本发明的冷却系统的第一工作实例的纵截面；
●图2示出了根据图1的方案的细节；
●图3示出了根据图1的冷却器壁和插入元件的彼此相关的设置；
●图4示出了沿图1中IV-IV的截面；
●图5示出了插入元件的优选设置变化；
●图6示出了根据本发明的冷却系统的第二工作实例的纵截面；
●图7以更大比例示出了根据图6的方案的一部分；
●图8示出了联结的插入元件的优选实施例的透视图；以及
●图9-14示出了具有倾斜的进口通道的插入件的变化的图，作为图8的替选方案，图9示出了透视的底视图，图10示出了底视图，图11以稍微更大的比例示出了沿图10的XI-XI的横截面，图12示出了侧视图，图13示出了透视的侧视图(截取)，图14示出了透视的顶视图。
附图标记列表
1冷却系统
2电子结构单元
3外壳
4流入部
5流出部
6冷却通道
7冷却器壁
8冷却区域
9顶部
10箭头
11用于引导及分配冷却剂的装置
12凹槽
13插入元件
14内部纵向通道
15外部纵向通道
16箭头
17下侧
18角
19倾斜式输入表面
20进口
21倾斜板
22肋部
23距离
24厚度
25斜面
26距离
D1凹槽12(例如，盲孔)的直径
D2插入元件13(例如，管件部分)的外径
具体实施方式
图1到图5中所示的冷却系统1尤其适于电子结构单元2(例如，功率半导体器件、整流器等)或组件的强冷却。冷却系统1配备有外壳3，以及在其中配备有至少一个冷却通道6，该冷却通道6具有流入部4和流出部5并用于冷却剂。冷却通道6的流入部4和流出部5具有至管件系统(未示出)的额外连接，冷却剂流通过该额外连接被馈入及移除。在这种情况下，冷却液(水/甘醇50/50％)被选作冷却剂，并且如在典型的冷却循环的情况下，冷却液的流速例如选择为6.0升/分钟。
电子结构单元2在大面积上紧靠外壳3的导热冷却器壁7。在本实施例中，该冷却器壁7由铝制成，并在其冷却区域8按向下的方向变厚。在图1中，电子结构单元2通过其完整的基板依靠在冷却器壁7的平坦顶部9上。
在图1中以箭头10指明冷却通道6中的冷的冷却液流的主要流向。在冷却通道6中，提供了用于将冷却剂横向分布及引导至冷却器壁7的装置11。根据本发明，该装置11包括：凹槽12，该凹槽12被形成为优选垂直于冷却通道6地横向分布，其在冷却器壁7中从冷却通道7开口(比较图2)；以及专用插入元件13，插入元件13具有至少一个内部纵向通道14，用于使冷却剂插入每个凹槽12(图3)。与内部纵向通道14连接的至少一个外部纵向通道15被形成为用于凹槽12和相关的插入元件13之间的冷却剂。偏斜垂直向上通过装置22的冷的冷却液流由图1和图3中的箭头16指明。
在所示实施例中，垂直的凹槽12通过钻孔在冷却器壁7的下侧17中形成为盲孔。这里，孔的末端优选为具有大约120°的角18的圆锥形，但其可选择地还可以提供球形或其它孔的末端。
盲孔状垂直凹槽12的直径由图3中的附图标记D1来指明，该直径的值在工作实例中为大约5mm。在根据本发明的冷却系统1中，插入元件13优选为管状元件，即，在所示实施例中外径D2被选为大约4mm的管件部分。凹槽12和相关的同轴插入元件13之间的外部纵向通道15在该实施例中具有环形孔隙(大约0.5mm宽)的形式。因此存在包括两个“滑坡”结构的“优良”结构。在图2中，凹槽12分开大约6mm的距离23。冷却区域8中的冷却器壁7的厚度24大约为14mm。
根据图1和图3很明显的是，插入元件13占用冷却通道6的下端配备有倾斜式输入表面19和至纵向通道14的进口20，在相邻的插入元件13的情况下，该倾斜式输入表面19与进口20被设置成彼此相对地错开。优选地，插入元件13的倾斜式输入表面19在冷却通道6的纵方向上被设置在公共倾斜平面中。
在所示工作实例中，插入元件13优选地被制作成塑料单件，插入元件13的倾斜式输入表面19被结合以给出公共板21。优选地，相邻的管状插入元件13通过在其位于凹槽12外部的区域中的肋部22或通过凹槽彼此连接(图3)，结果，在“冷侧”，在管状插入元件之间存在额外的连接通道。这样，建立了“支持结构”，其首先有助于制造例如为塑料的完整的插入部件，其次提高了它的稳定性。变硬的肋部22或其它元件因此充当相邻管状插入元件13之间的“隔离物”。
代替复杂的进口和出口喷嘴(如在上述“阵雨力量”系统的情况下)，根据本发明，提出了沿冷却区域8的简单的垂直冷却器壁洞，即凹槽12，通过该凹槽12，在每个同轴管状插入元件13的帮助下，容易引入和移除冷却液。
就每个凹槽/插入元件单元来说，冷却液因此在底部流过进口20进入插入元件13的内部纵向通道14。然后，冷却液垂直向上流动，流动方向在椎体末端的顶部改变，接着，其在环形通道中(在洞壁和插入元件之间的外部纵向通道15中)垂直向下流动，并在底部出现在水平主流中。已被加热的冷却剂流由图1和图6中的虚线箭头指明。
图1和图3示出了，冷却通道6中的相邻插入元件13的长度根据倾斜板21而不断增加。这是重要特征，因为由此实现了流通过所有插入元件的均衡分布，并且在所有区域中，水平流速可以保持为大致相同。
对于电子结构单元2或模块的组件，需要稳定的、因此相对厚壁的基部或冷却器壁7；为此，在这里，在冷却区域8中，其变厚30-50％。但是，在制造(铸造)外壳3的过程，当直接制作盲孔(凹槽12)时，额外材料的需求小。
在本发明中，因此通过使用“滑坡”结构(即，相对“大的盲孔”)来制作相对薄的大面积的水膜(形成薄的环形孔隙作为大的结构之间的“差别”)。由于具有大的横截面的非常薄的水膜的层流，因此仅存在很小的压降以及良好的热传递。
此外，本发明允许使用可便宜生产的塑料插入部件来经济地实现(外壳中的盲孔)。
通过使用根据本发明的方案，可以实现更好的热传播与比传统的“针块”系统更小的构造高度相结合。虽然构造高度更小，但是结构的凹陷的机械稳定性明显更高，这保证了例如半导体模块和冷却结构之间的良好的热接触。关于良好的冷却效果本身，因为金属冷却结构具有显著的热容量，所以虽然冷却剂非常接近半导体器件，但也产生良好的干运转特性。
作为另一个特征，应该提到的是，这种结构在每种情况下能够适应热源的给定分布。凹槽例如可以被设置成更接近地聚拢在芯片下，以便于能够集中去除那里产生的更大的热量。
在利用工作实例的试验中，申请人假设插入元件13中的内部纵向通道14的流的横截面应该近似等于或大于外部纵向通道15(环形孔隙)中的流的横截面，以便于实现通过垂直冷却管的一定的传送压力。因此，应该理解的是，环形孔隙(即外部纵向通道15)中的流速倾向于大于在插入元件13的内部纵向通道14中应有的流速。因此，环形孔隙的横截面优选地应该形成为比管件中的情况稍微小一些的尺寸，这是因为其直接影响那里的热传递。
在插入元件13的情况下，进口20的倾斜式输入表面19允许内建在流入的冷却剂中的压力。更具体地说，在这里，所有进口20上的均衡的压力和流速分布是重要的。仿真显示，由于基本小于1m/s的低流速，在实践中测量不到冷却通道中具体的压降，这是本发明不寻常的效果。
另一方面，根据本发明，流传导的插入部件的设计导致冷的冷却介质总是流入每个进口20和每个插入元件13中，而被加热的冷却剂从环形孔隙(外部纵向通道15)中出现，而不能进入其它相邻的进口20。
本发明的另一个方面是，例如可以利用铝合金来制造实际的冷却器，即具有盲孔的热传导的固体冷却器板7，其中铝合金具有高的机械稳定性和良好的热传导特性，这因此对于在大的面积上与半导体模块的良好的热接触是有利的。这同时允许冷却介质传递到要被冷却的冷却器壁7的顶部9之下十分之几毫米，这导致冷却介质和要被冷却的模块之间的更小的温差。在本文中，由申请人进行的仿真显示，盲孔上具有120°锥角的圆锥形末端给出了非常有利的结果。
图4和图5示出了凹槽12和插入元件13的优选设置变化。在该实施例中，管状插入元件13被设置在外部，具有六边形横截面。另一方面，这里，插入元件13以六边形的形状分布在盲孔凹槽12中。该“六边形分布”(所谓的蜂巢结构)允许每个单元区域中具有最大可能数量的孔。在该实施例中，相邻凹槽12之间的最小间距26大约为5.2mm。这样，在冷却体中实现了最短可能的横向热路径。对流的影响小，另外，冷却介质的“暖”和“冷”侧通过倾斜式输入表面19而被完全分开(还参见图3)。因此，只有冷介质能够进入相邻的内部纵向通道14中。
图6-8示出了根据本发明的冷却系统1的第二工作实例。(相同或相似的元件由相同的附图标记来指明)。关于构造和操作模式，本实施例基本对应于根据图1-5的第一实施例。
这里，更重要的差别是，冷却器壁7在外壳3中形成冷却通道6的下侧，并且作为冷却器壁7的顶部9中的盲孔的凹槽12被从顶部垂直向下钻成。类似地，这里的管状插入元件13作为单个塑料件从上面插入到凹槽中，具有环形孔隙，该环形孔隙形成外部纵向通道15。电子结构单元2紧靠冷却器壁7的平坦下侧17。
图6和图7示出了陡斜面25(在图7中镜像对称地示出)被设置在倾斜板21的开始(在“基部”)。在试验仿真中发现到，在“基部”，具有小台阶形式的陡斜面25非常有利，因此，第一外部纵向通道15(具有最短的管长)的开始的横截面更大，这导致更加均衡的流分布。还可以想到这种实施例：其中盲孔在“基部”的稍微更靠后的位置开始。
图8示出了在基部具有板21和斜面25的联结的插入元件13的优选实施例的透视图。它们包括肋部22，其全部由塑料整体性地一起制成。
图9-14示出了根据图8的塑料插入件的实施例，相同或相似的元件由相同的附图标记来指明。分离的进口位于本身具有不同壁高的流入通道中被识别为显著的差别。该不同壁高的结果是，本身不再直接倾斜的进口产生与前述附图中的倾斜进口相同的效果。通道面向冷却介质的该开口侧总体上充当倾斜的进口。因此，主权利要求的用语也包含本实施例。
因此，本发明的最重要的优点被认为是：
●冷却能力的均衡分布；
●允许有目的的冷却器架构，即，在发热更多的区域中更有效的冷却；
●横向热流仍然可能；
●即使没有拱顶，冷却器壁中有足够的洞深；
●“滑坡”结构(例如，大约为5.2mm)也可以借助于铸造(如果合适的话，注模)来实现；
●可以经济地大批生产塑料部件；
●具有水的层状“虹吸管”压降仅为大约5hPa(Hagen-Poiseuille，无流入、偏转)；
●通过缩短冷却液-半导体器件的距离改进了冷却液和半导体器件之间的热传递；
●增加了有效的铝横截面；
●增加了铝-水作用表面的尺寸；
●避免了冷却通道中的“死水”区；
●关于凹陷的高机械强度。
与已知设置(例如指状结构)相比，根据本发明的冷却系统1结合相同的容积流量和相同的压降，显示了冷却介质和要被冷却的区域之间的基本更好的热传递。另外，产品基本上更简单，例如，钻孔代替打磨，砂型铸造代替拉模铸造。
由于所提出的插入件(插入元件13)，尽管是“滑坡”结构(例如，大约5.0mm的盲孔直径)，也获得非常优良的流的分布(例如，大约0.5mm的环形孔隙)。这里使用了“相似的大尺度之间的差别”的已知原理。
“相似的大尺度之间的差别”描述了环形孔隙产生的方式：使孔的直径大约为5mm，并且插入部件中的管件大约为4mm。于是，环形孔隙的宽度为(5-4)/2＝大约0.5mm，即，仅为孔的直径的1/10。因此，从两个“滑坡”结构获得“优良”结构。
最后，应该注意到，本发明不仅限于上述工作实例。其它发改善、修改和结合也在专利权利要求的范围中，并且对于本领域技术人员来说可以根据以上公开而想到。

Claims (10)

1.一种冷却系统，尤其用于冷却电子结构单元，该冷却系统配备有外壳(3)和至少一个冷却通道(6)，该冷却通道(6)具有流入部和流出部并用于冷却剂，电子结构单元(2)在大面积上紧靠外壳(3)的导热冷却器壁(7)，用于将冷却剂引导至冷却器壁上的装置被设置在冷却通道(6)中，其特征在于：冷却剂引导装置(11)在冷却器壁(7)中具有凹槽(12)，这些凹槽相对于冷却通道(6)横向地形成，并从冷却通道开口，具有内部纵向通道(14)的插入元件(13)被插入到每个凹槽(12)中，与内部纵向通道(14)连接的外部纵向通道(15)被形成为用于凹槽(12)与相关插入元件(13)之间的冷却剂，并且，插入元件(13)占用冷却通道(6)的一端配备有倾斜式输入表面(19)和至内部纵向通道(14)的进口(20)。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其特征在于：相邻插入元件(13)的倾斜式输入表面(19)与进口(20)被设置成彼此相对地错开，并且/或者由具有逐渐增加的壁高的进口通道形成。
3.根据权利要求1或2所述的冷却系统，其特征在于：冷却器壁(7)中的相交凹槽(12)具有垂直盲孔的形式。
4.根据权利要求1、2或3所述的冷却系统，其特征在于：插入元件(13)具有管状元件的形式。
5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的冷却系统，其特征在于：凹槽(12)和相关插入元件(13)之间的外部纵向通道具有环形孔隙的形式。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的冷却系统，其特征在于：在冷却通道(6)的纵方向上，插入元件(13)的倾斜式输入表面(19)和/或进口通道面向冷却介质的一侧被设置在公共倾斜平面中。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的冷却系统，其特征在于：插入元件(13)优选地被制作成塑料单件，插入元件(13)的倾斜式输入表面(19)被结合以给出公共倾斜板(21)，优选地，相邻的管状插入元件(13)通过在其位于凹槽外部的区域中的肋部(22)彼此连接。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的冷却系统，其特征在于：外部纵向通道(15)具有与内部纵向通道(14)近似相同的流的横截面，优选具有比内部纵向通道(14)更小的流的横截面。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的冷却系统，其特征在于：从冷却剂流的主方向(10)观察，在第一插入元件(13)的倾斜式输入表面(19)的前面形成用以实现更均衡的流分布的台阶或斜面(25)。
10.根据前述权利要求中任一权利要求所述的冷却系统，其特征在于：每个插入元件(13)配备有多个内部和/或外部纵向通道(14，15)。
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