CN102869234A

CN102869234A - 用于冷却功率电子器件的冷却设备和方法

Info

Publication number: CN102869234A
Application number: CN2012102332962A
Authority: CN
Inventors: 托马斯·格拉丁格尔; 弗朗切斯科·阿戈斯蒂尼
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: EP2544518A1; CN102869234B; US20130008633A1; US8714302B2

Abstract

一种用于冷却功率电子器件的冷却设备和方法，该设备包括至少一个板，其中，该板适于热连接到热量源，以便从该热量源接收热量。该板还适于与空气流热接触，以便从该板传递热量。该板进一步包括该板的第一侧面和该板的第二侧面之间的至少一个孔。该孔适于衰减由声学噪声源生成并且由空气承载的振动气压。

Description

用于冷却功率电子器件的冷却设备和方法

技术领域

本发明涉及通过二相冷却系统来冷却功率电子器件，更具体地涉及降低这样的冷却系统的声学噪声。

背景技术

由于当今的功率半导体不理想，所以它们产生作为副产品的热量。同时，为了使功率半导体工作，其温度必须被保持在给定范围内。因此，通常必须冷却该半导体。

功率电子器件可以例如由二相冷却系统来冷却。这样的二相冷却系统可以例如由循环系统组成，在该循环系统中，在蒸发器和冷凝器之间传递冷却剂。

蒸发器热连接到诸如IGBT模块的热量源。在蒸发器中，冷却剂被蒸发。蒸发冷却剂限制热量，并由此冷却热量源。蒸发的冷却剂然后通过使用循环系统而被移动到冷凝器。在冷凝器中，冷却剂被冷凝，并且它所包含的热量被释放。该热量可被传递到空气流。

图1图示了二相冷却系统，其中，蒸发器10经由冷却剂导管12连接到由一堆板11制成的冷凝器。在此情形中为IGBT模块13的功率电子器件被安装在蒸发器10上。图2图示了另一个二相冷却系统，其中，冷凝器板20被嵌入在功率电子器件22所附着到的基板21中。

空气流可以是重力的或者被机械地产生。因重力生成的空气流具有受限制的空气速度，这意味着受限制的热传递系数，并因此意味着受限制的冷却性能。为了实现更高的性能，可能必须使用机械地产生的空气流。可使用风扇来产生空气流。

图3以很示意性的方式示出了具有空气通风系统的示例性功率驱动系统。该空气通风系统由在其内部提供了风扇31来生成空气流的空气管道30和一堆冷凝器板32组成。冷凝器板32将热量从安装在蒸发器34上的功率电子器件33传递到空气流。诸如扼流圈的无源部件35也可以被放置在空气管道30中以被空气流冷却。

在图3中，可实现的冷却性能可能由于声学噪声局限而受到限制。风扇31可能构成主导噪声源，并且噪声级可能分别随着增大的空气体积流动速率或速度而强烈地增大。由风扇31生成的噪声可在管道30的空气中传播，并经过入口和出口，退出管道进入环境，在环境中，可允许的噪声级受到限制。

可允许的噪声级可能限制所使用的最大空气速度，并且受限制的空气速度继而可能限制空气流和板之间的热传递系数，并因此限制冷却性能。

为了降低空气传播的噪声向图3的功率驱动系统中的环境中的发射（或者，可替选地，为了允许风扇以及因此冷却功率的增大，同时仍然遵守噪声限制），空气管道系统30可以配备有用于衰减噪声的装置。由于噪声可以向风扇31的上游和下游传播，所以在通风系统中可能需要两个额外的部件。然而，添加这些部件可能增大冷却布置的体积、重量、压力下降和成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法和设备以便减轻以上缺点。本发明的目的通过根据本发明的实施例的方法和设备来实现。还公开了本发明的优选实施例。

通过向单个设备中集成两个功能即热传递和声音衰减而无需额外的部件就能遵守噪声级限制。可以从构成二相冷却系统的冷凝器的穿孔板形成声音衰减器。

可通过由腔和板中的孔形成的亥姆霍兹共振器来实现声音衰减。穿孔板也可以被布置成使得噪声诱发所述板的两个侧面之间的压力差。该压力差继而引起流过所述孔的空气流。噪声衰减由于流过所述孔的空气流的摩擦而发生。

该设备的声音衰减特性允许选择较高功率的风扇（其发射更大的噪声）以提高冷却性能，同时仍处于通常施加在功率电子系统上的噪声限制以内。

附图说明

下面，将参考附图通过优选实施例更详细地描述本发明，在附图中：

图1图示了其中单独的蒸发器经由管子连接到由一堆板制成的冷凝器的一个二相冷却系统；

图2图示了其中冷凝器板20被嵌入基板中的另一个二相冷却系统；

图3图示了具有空气通风系统的示例性功率驱动系统；

图4图示了具有声音衰减特性的示例性冷凝器板；

图5图示了用于冷却功率电子器件的一个示例性冷却设备；

图6a、6b和6c图示了不同亥姆霍兹共振器实施方式的例子；

图7a、7b和7c图示了示例性亥姆霍兹共振器的模拟效率；

图8a、8b和8c图示了孔布置的效率的模拟例子；

图9a和9b图示了用于冷却功率电子器件的另一个示例性冷却设备；

图10图示了穿孔板的示例性布置；

图11a和11b图示了用于向板中的孔之内或之上添加阻性元件的示例性实施方式；以及

图12a、12b和12c图示了用于快速交通系统的牵引变流器的示例性冷却布置。

具体实施方式

图4图示了具有声音衰减特性的示例性冷凝器板。该板可以例如用在用于冷却功率电子器件的冷却设备中。该设备组合了冷凝器和声音衰减器的功能。它包括至少一个板40。在一些实施例中，可以使用一堆板40。板40适于热连接到热量源，以便从热量源接收热量。该设备可以例如用在二相冷却系统中，该二相冷却系统由循环系统构成，在该循环系统中，在蒸发器和冷凝器之间循环冷却剂。在图4中，冷却剂循环从而经过板40中的冷却剂通道41。板40还适于与空气流热接触，以便从该板传递热量。

为了实现声音衰减特性，板40包括该板的第一侧面和该板的第二侧面之间的至少一个孔42。在图4中，孔42的矩阵穿过板40。孔42适于通过在振动气压的激励下诱发流过孔的振动空气流来衰减噪声。噪声以由声学噪声源生成并且由空气承载的振动气压的形式呈现。

声音可由流过孔的振动空气流的摩擦力来衰减，其中，振动空气流由噪声源所生成的振动气压引起。流过孔的振动空气流可具有两种类型：它可以是共振的或非共振的。

为了获得流过孔的共振型振动空气流，可以使用由孔和紧邻孔的腔形成的亥姆霍兹共振器。

为了获得非共振型振动空气流，不提供腔，而是可以将孔在两侧直接暴露于冷却空气流。

板中的一个或多个孔可以设有增大流过孔的振动空气流的阻力的元件，由此增大声学噪声衰减。可以使用诸如石棉或开孔泡沫的吸收性材料来增大摩擦。声能还可以由共振器的颈部中的摩擦流来耗散。

可以在包括用于生成冷却空气流的风扇的布置中使用包括具有噪声衰减特性的至少一个冷凝器板的冷却设备。该布置包括所述冷却设备中的一个或多个。该设备的板可以适于衰减由风扇生成的声学噪声。将热传递和声音衰减整合到单个设备中可以由此免除对用于衰减由风扇生成的噪声的单独装置的需要。

示出了一堆板的横截面的图5图示了用于冷却功率电子器件的示例性冷却设备50，其中，使用亥姆霍兹共振器来实现声音衰减。设备50包括多个板51，该多个板51适于热连接到热量源，以便从热量源接收热量。可以例如通过辊压接合来制造板51。

板51被布置成一堆相邻的板，在板之间有间隙。板51形成二相冷却系统的冷凝器，该二相冷却系统可以例如包括冷凝器、蒸发器以及连接冷凝器和蒸发器的循环系统。冷却剂在循环系统中循环。冷却剂由热量源加热。热量源可以例如是IGBT模块或者由多个IGBT模块组成。然而，设备50不限于冷却IGBT模块，而是可用于冷却许多种器件。空气流可以由风扇产生。

板51还适于与空气流热接触，以便从由板形成的冷凝器传递热量。冷却剂可以经过循环系统被传递到冷凝器。在冷凝器中，存储在冷却剂中的热量被耗散到空气流中。板51包括板的第一侧面和板的第二侧面之间的孔的矩阵。可例如通过冲孔来制作孔的矩阵。

板51的第一侧面被布置成与冷却空气流接触。所述孔通向板的第二侧面上的室中。所述孔和室形成可以用来衰减声音的亥姆霍兹共振器。

图6a、6b和6c图示了不同的亥姆霍兹共振器实施方式的例子。单个经典亥姆霍兹共振器由颈部60和空腔61组成，如图6a中所示。使用机械模拟，腔61中的空气构成弹簧，颈部60中的空气（与也参与振动的颈部附近的某个质量一起）构成共振器的质量，并且颈部60中的空气流引起摩擦阻尼力。

在这种类型的亥姆霍兹共振器中，摩擦阻尼力小，并且接近共振频率的颈部中的速度幅度高。结果，共振器是高效的，但是仅在接近共振的频率范围中是高效的。在其它频率处，声能的耗散小。因此，这样的共振器在滤除特定频率、比如音调噪声中的主导频率方面可能是有用的。对于宽带噪声，它们很可能是低效的。

图7a、7b和7c图示了示例性亥姆霍兹共振器的模拟效率。该共振器具有以下几何：颈部直径2mm，颈部长度1.2mm，室深度9.6mm，具有20mm的边长的正方形室占地（footprint）。

图7a中的实线基于颈部中的亥姆霍兹流示出了被吸收的声功率（W_abs）与在通道中传输的声功率（W_in）的比率。亥姆霍兹共振器是针对约1kHz的共振频率而设计的，并且可以看出：在该频率周围，被吸收的功率达到峰值，而当移动到更低或更高的频率时，被吸收的功率急剧下降。

图7b对于一堆板中的很多亥姆霍兹共振器示出了外出功率（W_out）与进入功率（W_in）的比率。使用板的以下尺寸：板高度250mm，板长度（在流的方向上）500mm。板堆之内的总的空气流横截面面积是0.152m²。

假设共振器在每个方向上的间距是20mm（＝室占地边长），板厚度（＝室颈部长度）是1.2mm，室深度是9.6mm，并且可用板面积的90%可被共振器的阵列覆盖。这导致总共约34000个亥姆霍兹共振器。假设这些共振器串联地作用于声功率，从而每个共振器将声功率降低恒定的比率。尽管共振器的数目多，然而在图7b中可以看出，声功率仅在1kHz的邻域中被强烈地降低。

在图7c中，示出了共振器对生成宽带噪声的径向风扇的声功率级的影响。声功率在1kHz附近被降低到几乎零，但是在低频和高频处保持几乎不变，从而A加权声压级的总降低是小的，在此情形中仅为3dB(A)。

随着流阻力的增大，速度幅度和耗散在共振频率处降低，但是耗散在远离共振频率的频率处增大。对于颈部阻力被增大了倍数f_R,HR=50和100的情形而言，这一点可以在图9的顶部绘图中看出。

返回到图6a、6b和6c，可在原理上通过用吸收性材料填充室61来实现颈部60阻力的增大，如图6b的中部所示。吸收性材料62在接近颈部60的区域中更有效，因为那里的速度最高。对于当前情形，f_R,HR=50是最佳的，并且获得声功率和声压的最大总降低。A加权声压级的减小分别对于f_R,HR=50而言是13.2dB(A)，而对于f_R,HR=100而言是10.7dB(A)。

用于获得这些值的计算模型是用MATLAB实现的分析模型。该模型不用于噪声级的绝对预测，而是用于解释物理效果并且示出本构思的可行性。

为了使得构造更容易，可以使用吸收性材料62来形成室61的壁，如图6c中所示。吸收性材料62具有与壁类似的效果，因为它大大抑制了相邻的室之间的空气流。

在图5中，相邻的板51之间每隔一个间隙被填充有吸收性材料52。其间具有吸收性材料52的两个板51形成声音衰减复合结构53。

为了降低声音衰减复合结构53的空气动力阻力并且保护吸收性材料52，可以将端帽54附着到声音衰减复合结构53，如图5所示。吸收性材料52可以是任何适当的材料，例如石棉、玻璃纤维或开孔塑料泡沫。板51可例如由铝辊压接合而成。端帽54可例如通过塑料的注射成型来制成。

辊压接合板当前用在冰箱中。因此，已经存在用于廉价地大规模生产这些板的基础架构。该基础架构可以直接用于如上面公开的辊压接合板的生产。声音吸收材料用在许多种应用中，所以可使用用于大规模生产的现有基础架构。

由于可通过冲孔来制作板中的孔的矩阵，所以可以在加工中的初始投资之后对于大数目的件以成本有效的方式生产孔。

孔还可以具有如下效果：通过增大湍流来干扰空气流，并由此增大空气和板之间的热传递系数。

图5中所示的构思的缺点是：与图1和图2的各堆板相比，板表面的仅一半具热活性，因为另一半被吸收材料覆盖。使用亥姆霍兹共振器的原理不能避免这一点，因为它们需要板的一个侧面上的室（或者，等价地，吸收性材料）。尽管如此，与不具热活性的声音衰减相比，图5的构思中节省了部件的体积、重量和数目。

为了使每个板的热有用面积加倍，可以将板的两个侧面布置成与空气流接触。当板的两个侧面与空气流接触时，可能不能实现亥姆霍兹共振器。然而，板可以被布置成按如下方式与空气流接触：使得振动气压形式的噪声生成这两个侧面之间的气压差。该气压差将诱发流过孔的空气流，并且与该流相关联的摩擦力将衰减声音（耗散声能）。

图8a、8b和8c图示了其中使用穿孔板侧面之间的压力差来进行声音衰减的示例性布置的效率的模拟。对于具有2mm的直径的平（即，空）孔，摩擦阻尼力颇小。因此，可能需要高速度幅度来获得声能的显著耗散。这样的高速度仅存在于很低的频率处，因为孔构成低通滤波器。对于较高的频率，流过孔的流的惯性防止了高速度幅度。

以与图7a、7b和7c类似的方式，在图8a、8b和8c中用实线示出了结果。归因于较高频率的弱衰减，A加权声功率的总降低仅为5dB(A)。将以下尺寸用于图8a、8b和8c中的模拟：孔直径2mm，孔长度（＝板厚度）1.2mm，孔间距（＝相邻的孔的中心之间的距离）20mm。

针对该堆板选择以下参数：板高度250mm，板长度（在流的方向上）500mm。板堆之内的总的空气流横截面面积是0.155m²，并且板中的孔的数目约为35000。这些参数类似于图7a、7b和7c中的例子的值。假设这些孔串联地作用于声功率，从而每个孔将声功率降低恒定的比率。

当在模拟中空气流阻力一直增大到特定值时，速度幅度降低。同时，耗散在除了很低频率以外的几乎所有频率处增大，如图8a、8b和8c中的短划线曲线所示。这里，倍数f_R,HA=50被应用于乘以流过平孔的亥姆霍兹流的阻力。

阻力的进一步增大引起耗散再次衰减，如图8a、8b和8c中的f_R,HA=500的虚线曲线所示。对于当前情形，倍数f_R,HA=50看起来接近最佳。于是，根据用MATLAB实现的计算模型，声功率的降低是22.3dB(A)。

图9a和9b图示了用于冷却功率电子器件的另一个示例性冷却设备。在图9a中，使用一堆穿孔的辊压接合板90来分离两个相邻的空气管道91，这两个空气管道91承载来自两个风扇92的噪声。每个板90在一侧被暴露于第一风扇的振动气压并且在另一侧被暴露于第二风扇的振动气压。这两个风扇92是不相关的噪声源，即，这两个风扇92的压力之间的相位在感兴趣的频率处是随机的。噪声衰减由于流过板90中的孔的流的摩擦而发生。

图9b图示了可以在图9a的布置中使用的示例性板堆93。在图9b中，由第一风扇生成的空气流a从左向右流过板90的堆93，并且由第二风扇生成的空气流b从上向下流过板90的堆93。板90的堆93的每个侧面设有被绘制有图9b中的近似三角形横截面的分裂器94，分裂器94将流引导到各个通道并且担当退出通道的流的扩散器（恢复静态压力）。

图10图示了穿孔板100的示例性布置，其中，也可以使用一个风扇来实现压力差。板100中的孔适于通过在噪声的振动气压的激励下诱发振动空气流来衰减噪声。

通过首先在一个方向上在一个通道中、并在180°转弯101之后在相反方向上在另一个相邻通道中引导空气来产生压力的相位差。空气流首先与板的一个侧面接触，并在进行转弯之后与板的另一个侧面接触。在通过该相邻通道之后，空气流进行90°转弯102。在图10中，空气流朝观察者退出。

相移在180°转弯101处为零，并且随着图10中所示的距离L而增长。这种布置的一个略微的缺点是通过180°转弯101和90°转弯102来引入额外的压力下降。

如果2L=λ/2，其中λ是波长，则压力差处于其最大值。在此情形中，相移是180°。对于低频率，距离L可以颇长：例如，对于100Hz，λ=3.4m，并且L=0.85m。因此，为了在低频率处有效，图10的布置要求板100的特定长度。

可通过在每个孔中插入阻性元件来增大孔的阻力。图11a和11b图示了用于向板111中的孔110添加这样的阻性元件的示例性实施方式。在图11a中，塞子112由具有开口孔的材料制成。该塞子可被粘附到孔110的壁，或者它可通过过盈配合被保持就位；即，塞子的直径略微过大，并且在向孔110中的插入期间略微压缩弹性的塞子112。图12b图示了一种可替选方式，其中，例如通过粘附或钎焊来将网状物113附着到板111以覆盖孔110。

另一种可替选方式是不使用塞子或网状物，即，完全不使用额外零件，而是通过增大孔周长与孔面积的比率来增大摩擦力。用于实现这一点的简单方式是减小圆孔的直径，同时增加孔的数目，即，减小孔的间距。然而，可能无法冲出很小的圆孔，因为冲孔工具不能任意小。一种可替选方式是冲出（或切割）狭缝，而不是圆孔。

图12a、12b和12c图示了用于诸如地铁的快速交通系统的牵引变流器120的示例性冷却布置。空气冷却的牵引变流器的性能通常受到声学噪声的限制。因此，可能需要噪声衰减措施。根据本公开的冷却设备可以用于衰减噪声。

在服务期间，安装在车体下面的牵引变流器120仅可从侧面访问。因此，必须可以从侧面安装和拆卸功率电子构建块。对牵引变流器的另一个要求可能是高进入保护（IP）类。例如，可能需要65或更多的IP类，这使得橡胶密封是必要的。

利用由空气管道121、一堆辊压接合板122和经由冷却剂导管124连接到辊压接合板122的蒸发器123构成的冷却系统，可以制造功率电子构建块125，功率电子构建块125可从变流器侧面插入，并且使得能够用O形圈126容易地密封。在图12c中，O形圈形成用螺栓128紧固的盖子127和空气管道121之间的密封。

一个密封特征是：密封平面（分离脏和干净的空间）的法线指向构建块插入的方向c，如图12a和12c中所示。图12a、12b和12c仅示出了原理；应理解，可存在更多的板堆、蒸发器和功率电子构建块。特别是在布置蒸发器和IGBT模块方面存在大的灵活性。该堆板122（或者从板122制成的、图12c中的声音衰减复合结构130）可通过框保持在一起，以为功率电子构建块125提供机械稳定性。

本领域的技术人员显然可以按各种方式实现本发明的构思。本发明及其实施例不限于上面描述的例子，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims

1.一种用于冷却功率电子器件的冷却设备，所述设备包括至少一个板，其中，

所述板适于热连接到热量源，以便从所述热量源接收热量，

所述板适于与空气流热接触，以便从所述板传递热量，并且

所述板包括所述板的第一侧面和所述板的第二侧面之间的至少一个孔，其中，所述孔适于通过在由声学噪声源生成并且由空气承载的振动气压的激励下诱发流过所述孔的振动空气流来衰减所述振动气压。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述孔设有增大流过所述孔的所述振动空气流的阻力的元件，由此增大声学噪声衰减。

3.一种包括用于生成冷却空气流的风扇以及至少一个根据权利要求1或2所述的设备的装置，其中，所述设备的所述板适于衰减由所述风扇生成的声学噪声。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，

所述板的两个侧面被布置成按如下方式与所述空气流接触：使得由所述空气流承载的所述振动气压生成所述两个侧面之间的气压差，以便诱发流过所述孔的所述振动空气流。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，至少一个板适于在一侧被暴露于第一风扇的振动气压，并且适于在另一侧被暴露于第二风扇的振动气压，其中，所述风扇是在感兴趣的频率处的不相关的噪声源。

6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述设备适于通过如下方式来产生压力的相位差：首先在一个方向上引导所述空气流使之与所述板的一个侧面接触，并在转弯之后，在相反方向上引导所述空气流使之与所述板的另一个侧面接触。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其中，

所述板的所述第一侧面被布置成与所述冷却空气流接触，并且

所述孔通向所述板的所述第二侧面上的室中，以便使由所述空气承载的所述振动气压生成流过所述孔的所述振动空气流。

8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述室被填充有附着到所述板的所述第二侧面的吸收性材料。

9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述设备包括至少两堆板，每个板之间有间隙，其中，至少一个间隙被填充有所述吸收性材料。

10.根据权利要求8所述的设备，其中，所述吸收性材料形成所述室的壁。

11.一种用于冷却功率电子器件的方法，所述方法包括：

将板热连接到热量源，以便从所述热量源接收热量，其中，所述板包括所述板的第一侧面和所述板的第二侧面之间的至少一个孔，其中，所述孔通过在由声学噪声源生成并且由空气承载的振动气压的激励下诱发流过所述孔的振动空气流来衰减所述振动气压，并且

将所述板布置成与空气流热接触，以便从所述板传递热量。