CN102870211A

CN102870211A - 流分布器

Info

Publication number: CN102870211A
Application number: CN2011800187633A
Authority: CN
Inventors: K.奥莱森; L.波尔森; A.丹尼尔; F.奥斯特瓦尔德
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: EP2559063A1; EP2559063B1; US20130032230A1; CN102870211B; WO2011127931A1

Abstract

一种通过冷却体对流体流进行分布的流分布器（1），所述流分布器（1）包含：进口集管（10）、出口集管（15）、一或多个流槽，每一个流槽设置为把进口集管（10）和出口集管（15）流畅地互相连接，每一个流槽包含与进口集管（10）进行流体传递的槽进口（13）、与出口集管（15）进行流体传递的槽出口（14）、以及用于引导从槽进口（13）到槽出口（14）的流体流的流通道，其中，流分布器（1）形成在直接接合到将被冷却的绝缘层（3）的固体层（2）中。

Description

流分布器

技术领域

本发明涉及一种分布冷却剂的流分布器。具体地讲，本发明涉及一种提供比现有技术分布器更有效和更经济的冷却的流分布模块。

背景技术

通常把功率半导体安装在衬底上，所述衬底包含每一侧均具有金属层的电绝缘层。可以把功率半导体安装在具有用作连接半导体各个端子的电路的第一金属层的绝缘层的第一侧。当半导体处于工作状态时，半导体会产生热量，这一热量透过第一金属层、透过绝缘层、然后透过附接于绝缘层的相反侧的第二金属层。于是，例如可以使用与第二金属层相接触的冷却剂从半导体转移热量。尽管在许多应用中这一做法是足够的，然而在某些情况下，为了缩短热路径长度并从而增加从半导体转移热量的速率，让冷却剂尽可能接近绝缘层地输送是有益的。

已经建议：在第二金属层中形成流体流通道，于是可以使冷却剂更近地流至绝缘层。这一方案具有如下缺点：传统上，金属层的厚度被限制为最多为大约1毫米，从而导致极窄的通道，这致使流阻增加和流量降低。这样的通道也易遭阻塞并导致可靠性的降低。

对上述方案的修改是，建立包含若干薄层的厚金属层，每一个层包含孔图案，当组装时，这些孔形成一组适合于输送冷却剂的流通道。尽管进行了这一改进，但这一方案仍仅允许形成相对窄的通道，并且具有上述缺点。另外，若干金属层的组装也是昂贵的工艺，从而导致该已知方法的明显的商业缺陷。

发明内容

本发明的一个目的旨在提供一种能够提供比已知技术更均匀的冷却的流分布器。

本发明的另一个目的旨在提供一种能够提供比现有技术流分布器更高冷却效率的流分布器。

本发明的再一个目的旨在提供一种能够提供更好热传递，同时维持跨流分布器的低压力降的流分布器。

本发明还有一个目的旨在提供一种能够比已知流分布器更简单并且能够更便宜地加以制造的流分布器。

根据本发明，通过提供一种通过冷却体对流体流进行分布的流分布器，可以实现上述和其它目的，所述流分布器包含：

- 进口集管

- 出口集管

- 一或多个流槽，每一个流槽设置为把进口集管和出口集管流畅地互相连接，每一个流槽包含与进口集管进行流体传递的槽进口、与出口集管进行流体传递的槽出口、以及用于引导从槽进口到槽出口的流体流的流通道，其中，流分布器形成在直接接合到将被冷却的绝缘层的固体层中。

可以由与绝缘层相同的材料形成固体层，或者可以使用不同的材料形成固体层。

这样的流分布器有助于绝缘层的更均匀的冷却，因为每一个流槽对绝缘层的一小部分进行冷却，并且直接从进口集管提供冷却剂以及直接向出口集管排放。

另外，由于直接在固体层中形成流分布器，所以从将被冷却的绝缘层到冷却剂的热路径长度极短。因此，流分布器的冷却效率极高。

直接接合到绝缘层的方法可以为熔融接合、共晶接合或者其它合适的方法。

流体优选为液体，然而可以替换地为气体或者气体与液体的混合。

流分布器包含进口集管、出口集管以及一或多个流槽。把每一个流槽设置为把进口集管和出口集管流畅地互相连接。因此，流体经由一或多个流槽从进口集管导向出口集管。进口集管将流体分布到流槽，并且来自流槽的流体被收集在出口集管中。可以把进口集管有利地流畅地连接到提供冷流体的流体源。相类似，可以把出口集管有利地流畅地连接到用于收集已经被引导通过流槽的流体的流体排放口。流体可以再循环，在这一情况下，可以有利地把热交换器设置在出口集管和进口集管之间，以避免被引导通过流槽的流体的温度增加。

绝缘层可以具有在以下两方面之间加以折衷的厚度，即，一方面在制造期间易于处理，另一方面可以安装在远离流分布器的绝缘层侧的热生成部件所产生的热量易于传输。在一个实施例中，绝缘层的厚度为0.38mm，例如0.2mm~0.5mm，例如0.1mm~1mm，例如0.01mm~10mm。

绝缘层可以包括陶瓷。合适的陶瓷的示例包括氮化硅、氮化铝以及氧化铝。

可以通过压铸（die casting）形成所述进口集管、所述出口集管以及所述一或多个流槽。与其它在固体中形成通道的方法相比，这样的方法是便宜的，因此，与其它可比的产品相比，按这一方式制造的流分布器制造起来更简单和更便宜。

固体层可以包含诸如铝或者铝合金的金属，或者包含合适的塑料材料。

流分布器的厚度至少为0.5mm，也可以为50mm或者更厚。这样的厚度能够使流分布器包含宽的通路，从而提供更好的热传递，同时维持跨流分布器的低压力降。

当通过引导流体的层流（例如，沿表面的液体流）冷却表面时，通常会在与该表面直接相邻的流动的流体中形成边界层。在该边界层中的流速度低于冷却流体的其余部分的流速度。边界层的厚度沿流体的流方向增加，并且边界层厚度的增加以及较低的流速度的组合导致了热传递，从而在某些情况下大大降低了系统的冷却效率。

为了使流体在从槽进口流至槽出口时反复地改变方向，可以形成至少一个流槽。当流体经由流路径从进口集管流至出口集管时，流方向的这样的变化扰乱了流图案，从而有助于防止边界层的形成。

另外，本发明的流分布器还适合于按以下方式连接到另一个至少基本相同的流分布器：把进口集管连接到另一个至少基本相同的进口集管以形成公共流体进口，以及把出口集管连接到另一个至少基本相同的出口集管以形成公共流体出口，从而流分布器适合于形成流分布器堆的一部分。

本发明的流分布器可以适合于适当场合中诸如水、油、气体或者甚至双态冷却剂的不同的冷却剂。

附图说明

现在，将参照附图更详细地描述本发明，其中，

图1为根据本发明第一实施例的流分布器的透视图，

图2为与图1相同的实施例的透视图，

图3为当前发明的第一实施例的金属层的透视图，

图4示出了组装形式的流分布器，

图6图示了本发明第二实施例的透视图，

图7图示了另一个实施例，

图8图示了本发明另一个实施例的透视图，

图9为图8中所示实施例的部件侧的透视图，以及

图10为组装成流分布器堆的10个图8和9中所示实施例的透视图。

具体实施方式

图1为根据本发明第一实施例的流分布器1的透视图。流分布器1包括铝层2，在铝层2的一个表面上接合了两个陶瓷层3。在离开铝层2的一侧，两个陶瓷层附接到另一个铝层4，在该另一个铝层4上附接了多个功率半导体部件5。当操作时，这样的功率半导体部件5产生通过铝层4、陶瓷层3传导并且达到金属层2的热量。金属层2为10mm厚，然而其可以为其它厚度。

图2为与图1相同的实施例的透视图，但此次从另一个方向观看流分布器1，在这一图中，陶瓷层3是不可见的，陶瓷层3被放置在分布器1的相反侧。然而，这一图中可见的是金属层2及其内部结构。这一结构包含出口壁18和若干内部壁段19，内部壁段19把出口壁中的区域划分成若干个空间，当把盖板6放置在出口壁18之上时，这些空间变为封闭的体积。以下将更详细地描述所述内部结构。此处，盖板6在‘分解的’位置中示出，以能够看清金属层2的内部结构的细节。此处，可以看到的是盖板6中的两个孔、进口7以及出口8，通过它们冷却剂分别进入和离开流分布器1。由铝或者铝合金形成盖板6，并且当在适当的位置进行铜焊或者熔焊时，盖板6连接到金属层2。盖板6增加了流分布器1的整个设计的抗挠劲度和抗压强度。

图3为当前发明第一实施例的金属层2的透视图。在这一图中，按与图1和2稍微不同的角度进行了描绘，以更清楚地看到内部细节。通过压铸工艺形成金属层2。金属层2在与陶瓷层3（不可见）相邻的面上包含平基板20，壁从陶瓷层3沿离开陶瓷层3的方向延伸。这些壁限定了把冷却剂从进口7导向出口8的结构。平基板20的厚度可以明显小于壁18和19的高度。于是，这是其显著的优点，因为其于是将形成从陶瓷层3到冷却剂的较短的热路径。实际上，平基板20的厚度可以为0，其中，这些壁之间的区域延伸到陶瓷层3本身的表面那么远，并且允许冷却剂直接接触陶瓷层，从而明显增强了热传递。

通过进口7进入的冷却剂将首先在进口集管10得以接收。从那里，冷却剂将流过两个与进口集管10流体连接的侧通路11，12之一，并且从那里流过16个流槽之一，这些流槽均具有槽进口13和槽出口14并且全部经由槽壁所限定的曲折的通路将冷却剂从槽进口13输送到槽出口14。所有槽出口与出口集管15流体连接，而出口集管15又与出口8流体连接。

显然可以理解，在从进口集管10移动到出口集管15的过程中，冷却剂将把热量从安装在金属层2的相反侧的产生热量的功率半导体5去除。也可以明显看出，在从进口集管10流至出口集管15的过程中，冷却剂将仅流过一个流槽。因此，可以看出，每一个流槽均直接从进口集管10获得冷却剂，从而最大化了冷却效果。

图4示出了组装形式的流分布器1，盖板6已经附接到金属层2。

图5示出了沿图1中平面V-V的透视与横截面的组合图。进口集管11、12以及出口集管15的部分为可见的。

图6图示了本发明第二实施例的透视图。这一实施例与第一实施例一样，所不同的是流槽的图案。此处，仅包含7个流槽，每一个流槽均具有进口13和出口14。

图7图示了另一个实施例。此处，同样有7个流槽。为了从金属层2的相反侧上的功率半导体部件5的具体配置中除去热量，设计了不同的流槽图案。

图8图示了本发明另一个实施例的透视图。这一实施例适合按以下方式连接到另一个至少基本相同的流分布器1：把进口集管10连接到另一个至少基本相同的进口集管10以形成公共流体进口，以及把出口集管15连接到另一个至少基本相同的出口集管15以形成公共流体出口，因此，流分布器1适合于形成流分布器堆的一部分。为了能够实现这一点，在进口集管10中制造第二开口16，并且在出口集管15中制造类似的附加开口17。当流分布器1被堆叠时，这些开口能够互相进行流体传递，从而能够形成公共流体进口和公共流体出口。

图9为图8中所示实施例的部件侧的透视图。连接器21为至与功率半导体5相关联的电路的电连接器。

图10为组装成流分布器堆的10个图8和9中所示实施例的透视图。此处，把塞子22放置在顶部流分布器上未使用的进口和出口中，以封堵进口和出口集管。冷却剂经由堆的相反端的进口（未在图中加以显示）带入系统并且从相应的出口离开。

以上针对用于冷却绝缘层以及通过它意味着功率半导体部件的冷却的流分布器的结构与使用，描述了各实施例。然而，本发明并不局限于用于从物体中抽取热量，因为热传递领域的技术人员将会意识到，所述技术也可用于向物体添加热量。

尽管已经描述与示出了本发明的各种实施例，然而本发明并不局限于此，也可以在以下权利要求中所定义的主题范围内，以其它方式体现本发明。

Claims

1. 一种通过冷却体对流体流进行分布的流分布器（1），所述流分布器（1）包含：

- 进口集管（10）

- 出口集管（15）

- 一或多个流槽，每一个流槽设置为把进口集管（10）和出口集管（15）流畅地互相连接，每一个流槽包含与进口集管（10）进行流体传递的槽进口（13）、与出口集管（15）进行流体传递的槽出口（14）、以及用于引导从槽进口（13）到槽出口（14）的流体流的流通道，

其中，流分布器（1）形成在直接接合到将被冷却的绝缘层（3）的固体层（2）中。

2. 根据权利要求1所述的流分布器（1），其中，绝缘层（3）包含与固体层（2）相同的材料。

3. 根据权利要求1所述的流分布器（1），其中，绝缘层（3）包含与固体层（2）不同的材料。

4. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器（1），其中，绝缘层（3）的厚度为0.38mm，例如0.2mm~0.5mm，例如0.1mm~1mm，例如0.01mm~10mm。

5. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器（1），其中，绝缘层（3）包括陶瓷。

6. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器（1），其中，通过压铸形成进口集管（10）、出口集管（15）以及一或多个流槽。

7. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器（1），其中，固体层（2）包含金属。

8. 根据权利要求7所述的流分布器（1），其中，金属为铝或者铝合金。

9. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器（1），其中，流分布器（1）的厚度至少为0.5mm。

10. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器（1），其中，为了使流体在从槽进口（13）流至槽出口（14）时反复地改变方向，形成至少一个流槽。

11. 根据以上权利要求中任何一个权利要求所述的流分布器（1），所述流分布器（1）适合于按以下方式连接到另一个至少基本相同的流分布器（1）：把进口集管（10）连接到另一个至少基本相同的进口集管（10）以形成公共流体进口，并且把出口集管（15）连接到另一个至少基本相同的出口集管（15）以形成公共流体出口，从而流分布器（1）适合于形成流分布器堆的一部分。