CN104755860B - 功率电子器件冷却 - Google Patents

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Abstract

根据本公开，提供一种用于冷却发热装置(10)的蒸发单元(40a)。典型地，冷却回路(20a)包括叠堆(22)，其由布置成与发热装置(10)交替的蒸发单元(40a)形成。各个蒸发单元(40a)连接到冷凝器(80)上，并且包括第一入口通道(43a)、第一多个蒸发通道(45a)和第一出口通道(50a)。蒸发单元(40a)设计成使在其中流动的冷却流体预热。

Description

功率电子器件冷却
技术领域
本文描述的主题大体涉及功率模块的冷却系统。特别地，主题涉及用于电子构件的蒸发器或两相冷却器、使用这样的蒸发器的冷却系统和用于冷却电子构件(诸如例如，功率半导体)的方法。
背景技术
冷却是设计任何电气产品(诸如基于IGBT(绝缘栅双极晶体管)的产品，例如DC断路器)的关键方面，因为流过电路的电流会不可避免地产生热。近几年的趋势是功率电子装置达到越来越大的功率值。典型地，这个功率提高直接与功率电子装置所扩散的热能增加有关。但是，由于功率电子装置仍然易受热问题的影响，所以不断需要更高效的冷却系统。
进一步的趋势是实现较高的功率密度，这意味着较紧凑的功率电子装置能够应付与之前相比等量或更大量的功率，以及用于冷却系统和空气流的空间的减少，该趋势不断对所采用的冷却系统的设计和冷却性能提出挑战。
此外，期望用于现代电气产品的冷却系统具有较高的性能和较低的价格。
目前，对功率电子装置(诸如基于IGBT(绝缘栅双极晶体管)的DC断路器)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通过蒸发单元与发热装置进行热接触。液体在蒸发单元内部被从发热装置扩散的热加热，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发热装置温度最多保持处于液体的沸点的温度。液体的蒸气然后被导引通过蒸气上升管系统到达冷凝器。在冷凝器内，蒸气由于放热而变成液体。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。冷凝器和蒸发单元通过液体下降管系统连接，使得冷凝蒸气作为液体馈送回到蒸发单元。例如在 EP 2 282 624中公开了这种两相冷却系统，该专利通过引用而整体地结合在本文中。
一般而言，两相冷却回路提供提高的冷却性能。但是，由于功率电子装置的使用期限且耐热性有限，所以需要改进的两相冷却回路，尤其是对于改进的冷却效率。另外，由于这样的冷却回路的市场竞争性质，期望以相同或降低的成本提高冷却效率。
发明内容
一方面，提供一种用于通过使冷却流体蒸发来冷却至少一个发热装置的蒸发单元。蒸发单元包括：导热壁，其可在热方面连接到至少一个发热装置上；适于接收来自冷凝器的冷凝的冷却流体的第一入口通道；第一流体分配器，其在流体方面连接到第一入口通道上，以从其中接收冷却流体，并且具有用于在其中聚集冷却流体的容积；各自具有第一端和第二端的第一多个蒸发通道，第一端在流体方面连接到第一流体分配器上，以从其中接收冷却流体，第一多个蒸发通道与至少一个导热壁处于热接触，使得在运行状态中，其中的冷却流体在第一多个蒸发通道中被来自至少一个发热装置的热加热，并且从而至少部分地蒸发，以及在第一多个蒸发通道的第二端处从第一多个蒸发通道排出；第一流体聚集器，其在流体方面连接到第一多个蒸发通道的第二端上，以从其中接收蒸发的冷却流体，并且具有用于在其中聚集蒸发的冷却流体的容积；以及第一出口通道，其在流体方面连接到第一流体聚集器上，并且适于从其中接收蒸发的冷却流体。另外，至少一个导热壁具有冷却表面部分，其限定为包围多个蒸发通道在至少一个导热壁上的所有投影的最小凸形表面部分，而且此外，第一入口通道定位在蒸发单元中，使得其在至少一个导热壁上的投影位于冷却表面部分的外部，使得在运行状态中，第一入口通道内部的冷却流体在进入流体聚集器之前被至少一个发热装置预热。在下面，第一入口通道也简称“入口通道”。
另一方面，提供了前述蒸发单元用于使入口通道中的冷却流体从其液相-气相过渡点至少预热到-5°C的用途。另一方面，蒸发单元包括两个导热壁，它们设置在蒸发单元的相互相对的侧，并且适于与两个发热装置处于热接触，特别地，叠堆的两个相邻发热装置包括交替的发热装置和蒸发单元。
又一方面，提供一种用于通过使冷却流体蒸发来冷却至少一个发热装置的冷却回路。冷却回路包括：上面描述的至少一个蒸发单元；冷凝器，其具有用于将冷凝器在热方面联接到热沉上的联接部分；以及管系统，其包括蒸气上升管系统，蒸气上升管系统将第一出口通道连接到冷凝器上，以在运行状态中，将蒸气状冷却流体从第一出口输送到冷凝器；以及液体下降管系统，其将冷凝器连接到第一入口通道上，以在运行状态中，将液体冷却流体从冷凝器输送到第一入口通道。
又一方面，提供一种功率电子模块，其包括上面描述的至少一个蒸发单元和在热方面连接到至少一个蒸发单元的导热壁上的至少一个发热装置。
又一方面，提供一种用于用至少一个蒸发单元来冷却至少一个发热装置的方法，该至少一个蒸发单元包括：至少一个导热壁；第一入口通道；第一流体分配器；第一多个蒸发通道；第一流体聚集器；以及第一出口通道。该至少一个发热装置在至少一个蒸发单元的冷却表面部分处连接到至少一个导热壁上，从而在它们之间形成接触区域，以及其中，第一入口通道定位在至少一个蒸发单元中，使得其在至少一个导热壁上的投影位于所述接触区域的外部。方法包括通过至少一个导热壁将热从至少一个发热装置传递到第一入口通道，使得第一入口通道内部的冷却流体在进入第一流体分配器之前被至少一个发热装置预热；通过至少一个导热壁将热从至少一个发热装置传递到第一多个蒸发通道；使第一多个蒸发通道中的液体冷却流体沸腾，使得其中的冷却流体至少部分地蒸发，从而使冷却流体从第一多个蒸发通道移位到第一流体聚集器，并且被从第一流体分配器进入第一多个蒸发通道的液体冷却流体代替。
根据从属权利要求、描述和附图，本发明的另外的方面、优点与特征是显而易见的。
附图说明
在说明书的其余部分(包括对附图的参照)中更具体地阐述完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，其中：
图1和图2示意性地显示根据本文的实施例的冷却回路的透视图。
图3示意性地显示根据本文的实施例的蒸发单元的俯视图。
图4示意性地显示图3中显示的蒸发单元的沿着平面A-A的横截面。
图5示意性地显示根据本文的另一个实施例的蒸发单元的俯视图。
图6示意性地显示根据本文的另一个实施例的蒸发单元的俯视图。
图7示意性地显示根据本文的另一个实施例的蒸发单元的横截面。
图8示意性地显示根据本文的实施例的包括蒸发单元和功率电子构件的功率电子模块的透视图。
图9示意性地显示图8中显示的功率电子模块的沿着平面D-D的横截面。
图10示意性地显示根据本文的另一个实施例的包括蒸发单元和功率电子构件的功率电子模块的透视图。
图11示意性地显示图10中显示的蒸发单元的沿着平面E-E的横截面。
具体实施方式
现在将详细参照各种实施例，在各图中示出实施例的一个或多个示例。以解释的方式提供各个示例，而且它们不表示限制。例如，被示为或描述成一个实施例和/或方法的一部分的特征和/或方法步骤可用于其它实施例和/或方法步骤上，或者与它们结合起来使用，以产生另外的实施例或方法。意于的是本公开包括这样的修改和变型。
在图的以下描述内，相同参考标号指示相同或相似的构件。大体上，仅描述关于单独的实施例的区别。除非另有规定，对一个实施例中的部分或方面的描述也适用于另一个实施例中的对应的部分或方面。
虽然可在一些图中显示本发明的各种实施例的具体特征，而在其它图中未显示，但是这仅仅是为了方便。根据本发明的原理，图的任何特征可与任何其它图的任何特征结合起来引用和/或声明。
大体上，将理解的是，期望提供一种可靠且高效的两相冷却系统，其包括在流体方面彼此连接的蒸发单元和冷凝器。因此，本文描述的主题涉及比以往更高效地从发热装置中移除热的方法和系统。在本文描述的实施例中，蒸发单元可将吸收自发热装置的热能传递到存在于蒸发单元的芯体(一个或多个)内部的冷却流体。特别地，通过蒸发单元的前述芯体(一个或多个)内部的冷却流体的沸腾或蒸发过程来吸收热能。典型地，冷却剂流体通过冷凝器将吸收的热能传递到外部冷却剂，之后，冷却剂流体回到蒸发单元，以再一次从发热装置中吸收热能。
大体上，根据日常经验，可假设冷却介质的温度越低，其冷却作用就越好。因此，经预热的冷却流体可改进冷却系统的冷却效率是反直觉和令人惊讶的。在本冷却系统中，冷却流体在其相变期间(例如从液体到气体)所吸收的热能量大于用来使相同冷却流体的温度从冰点升高到略微低于其沸腾点的温度的热能量。换句话说，在两相冷却系统中，使冷却流体保持接近其液相-气相过渡点实际上会提高冷却效率，因为冷却流体在前述液相-气相过渡点处吸收了大量能量。
特别地，本申请的发明人已经惊奇地发现，在两相冷却回路中，如果从冷凝器回到蒸发单元的冷却流体冷却得过于低于其饱和温度，则这可导致蒸发单元中的温度不均匀。这些温度不均匀性可在蒸发单元的芯体中产生不合需要的热点，因为与饱和冷却流体相比，显著更低的热传递系数与过冷液体相关联。必然地，冷却回路中的蒸发单元的冷却效率可能降低，而且热点可导致被冷却的发热装置过早失效。为了防止这样的失效和改进冷却效率，进入蒸发单元的芯体的冷却流体大致饱和是合乎需要的。因此，根据特别有利的实施例，蒸发单元在尺寸上设置成使得在进入到蒸发通道中时，冷却流体预热到非常接近其液相-气相过渡温度的温度，例如比液相-气相过渡点低超过5℃的温度，或者甚至比液相-气相过渡点低超过2℃的温度。尽管如此，在这种实施例中，冷却流体不应在预热通道内完全沸腾，因为这会减少蒸发单元的新鲜冷却流体供应。
根据本文的实施例，确保进入蒸发单元的芯体的冷却流体大致饱和的一个选择可为，将蒸发单元设计成使得将冷却流体导引到蒸发单元的芯体的入口通道设置成紧邻和沿着芯体的最外部蒸发通道的一部分。从而，来自蒸发通道内部的冷却流体的热能可用来在冷却流体进入蒸发单元的芯体之前，有效地预热冷却流体。因而，可避免温度不均匀性，以及避免在蒸发单元的芯体内部形成热点。
为了组装，根据上面提到的设计的蒸发单元在制造过程中需要非常少的额外步骤，并且因此是用于改进蒸发单元和冷却回路的冷却性能和可靠性的成本高效的解决办法。此外，由于不需要额外的预热部件，所以蒸发单元可保持其紧凑构造，而且消除额外的预热部件失效的风险。
如本文所用，用语“蒸发单元”意于代表提供用以从发热装置中移除热能的冷却表面且使其中的冷却流体蒸发的任何装置。特别地，蒸发单元还可被称为“蒸发器”、“冷却器”、“两相冷却器”或“冷板”。
如本文所用，用语“冷却回路”意于代表冷却流体回路，其典型地至少包括彼此处于流体连通的蒸发单元和冷凝器。本文的冷却回路典型地包括基于自然对流的无源热交换，其典型地使冷却流在密闭的闭环回路中循环，不需要体机械泵。但是，可在某些情况下使用马达驱动式泵来提高冷却流体在冷却回路内的循环。
如本文所用，用语“冷凝器”意于代表能够使蒸气冷凝成液体的任何类型的热交换器，诸如例如，板翅片热交换器或相变热交换器或它们的组合。
如本文所用，用语“导热壁”意于代表蒸发单元的一部分，其典型地提供用于冷却发热装置的接触表面。特别地，导热壁大体将热能从发热装置传递到蒸发单元内部的冷却流体。
如本文所用，用语“功率电子模块”意于代表模块，其包括至少一个蒸发单元与通常附连到蒸发单元的导热壁上的至少一个发热装置。典型地，功率电子模块还包括冷凝器，并且蒸发单元与冷凝器处于流体连通，从而形成冷却回路。功率电子模块可进一步包括本文描述的蒸发器或冷却回路的任何其它元件。在功率电子模块的实施例中，至少一个蒸发单元为多个，至少一个发热装置为多个，并且多个蒸发单元和多个发热装置布置成交替叠堆。
如本文所用，用语“投影”意于代表二维投影表面(这里是由导热壁限定的平面)上的正交投影。特别地，正交投影是平行投影，其中，投影射线垂直于投影平面。因此，根据本文的实施例，在蒸发单元中，蒸发通道在导热壁上的投影可看作是由来自蒸发通道的内部容积的垂直于投影平面(在这种情况下是基本平坦的导热壁)的投影射线实现的。换句话说，投影可看作是来自蒸发通道的内部容积的平行射线投在导热壁上的假想阴影。即使在导热壁(投影表面)不完全平坦的情况下，其仍然可用最佳拟合平面或最大的平坦子平面来限定投影平面。
如本文所用，用语“冷却表面部分”意于代表导热壁的表面部分，其由多个蒸发通道在导热壁上的(正交)投影的区域限定。典型地，可将导热壁上的这个区域描述成包围多个蒸发通道在基本平坦的导热壁上的投影的最小凸形表面部分或区域。与别个不同地限定最小凸形表面。
入口通道(更确切地说，其在导热壁上的投影)位于这个冷却表面部分的外部。因此，入口通道的投影应当与冷却表面部分没有显著的交迭，例如小于20%的交迭(即，入口通道的投影的表面区域的小于20%与冷却区域交迭)，优选小于10%的交迭，并且特别优选地小于1%的交迭。
大体上，在本文描述的实施例中的冷却回路的运行期间，冷却流体由于对流力而在其中移动。这个移动典型地在发热装置通过蒸发单元对冷却流体提供热能时开始，从而使冷却流体膨胀或沸腾，并且变得不那么稠密，并且因而相对于还未被提供发热装置的热能的较冷的流体更有浮力。对流使加热或蒸发的冷却流体从蒸发单元移动到冷凝器，这时冷却流体典型地同时被在重力的影响下从冷凝器返回的较冷的流体取代。
冷却流体典型地以液体形式或少量蒸气的形式(这意味着蒸气含量低)输送到蒸发单元，冷却流体在与蒸发单元的芯体(例如蒸发通道)的表面接触时吸去发热装置的最大量的热能。从而，液体经历相变且变成蒸气。如众所周知的那样，在此过程期间吸收的能量的量(蒸发焓)高。作为示例，使温度略微低于100℃的1 kg水(处于周围压力)蒸发所需的能量与将相同量的水从冰点加热到略微低于100℃的液体水所需的能量大致相同。
因此，当通过设计适当地选择冷却剂的特性和冷却系统的运行压力时(这对于熟练技术人员来说是标准任务)，蒸发单元可通过促进冷却剂蒸发(即，相变)来从发热装置(诸如电子构件)扩散大量热能。从而，在进入蒸发单元之前的液体冷却剂和离开蒸发单元的蒸气之间的温度变化典型地不显著，因为扩散的能量主要在蒸发或相变过程中传递。至关重要的是促进蒸发冷却剂可自由流出蒸发单元，以便最大程度地降低芯体中的已经为气态的冷却剂的压力增长，压力增长可能会降低另外的蒸发过程的有效性，并且因而降低冷却效率。
根据本文的实施例，蒸发单元包括蒸发本体，蒸发本体包括至少一个芯体，芯体具有用于在其中容纳冷却流体的容积。蒸发本体典型地进一步包括导热壁，导热壁与蒸发本体的内部容积中的冷却流体处于良好的热接触，使得贴靠着导热壁(一个或多个)的电子构件产生的热传递到冷却流体。导热壁(例如由诸如铝的金属制成)可为基本平坦的，并且是蒸发本体的组成部分，或者可在制造期间安装到蒸发本体上，优选通过硬钎焊。
通常，蒸发单元设计成由诸如铝或铜的金属制成，但也可由其它金属或合金制成。大体上，可将蒸发单元加工成单个刚性本体。
典型地，蒸发单元的本体的外部尺寸(诸如其直径或长度和宽度)类似于冷却的电子构件的尺寸，例如功率半导体，诸如IGTB。蒸发本体的内部或芯体可设计成具有用于交换来自导热壁和冷却流体的热的相当大的表面，以便增大热交换区域，以及局部减少热通量。因此，为了增大芯体和液体冷却剂之间的能量交换的前述有效面积，可用各种措施增加有效面积。芯体例如可包括任何类型的翅片，诸如波纹翅片、百叶窗板翅片、波状翅片、错列翅片、偏移翅片或直翅片。另外，芯体可备选地或者另外包括多端口或多通道轮廓、金属片、管、至少两个连接的管区段、蜂巢结构或开孔泡沫中的一个。
大体上，蒸发单元可包括冷却流体分配和聚集腔室。分配腔室(流体分配器或歧管)可将接收自冷凝器的液体冷却流体分配到蒸发单元的芯体内的多个蒸发通道的第一端，而聚集腔室(流体聚集器或歧管)可聚集来自多个蒸发通道的第二端的蒸发的冷却流体，并且然后使蒸发的冷却流体流出到冷凝器。另外，流体分配器和聚集器的纵向轴线典型地可布置成垂直于多个蒸发通道的纵向轴线。换句话说，如果蒸发通道相对于地球表面沿竖向布置，则流体分配器和聚集器可相对于地球表面水平地布置。大体上，冷却流体分配器/聚集器可为独立部分或蒸发器本体的组成部分。
前述冷却流体聚集器可具有分离器容积，分离器容积使得能够分离冷却流体的液相和气相(即，至少部分地分离主要为液体的部分与主要为蒸气状(即，气态)部分)。主要为气态的相可通过蒸气上升管系统流出到冷凝器。类似地，冷却流体分配器也可具有内部容积，在运行期间，该内部容积容纳不断馈送到蒸发单元的芯体的一池液体冷却流体。另外，液体下降管系统典型地不断对冷却流体分配器提供来自冷凝器的冷凝的冷却流体。
此外，可在沿着蒸气上升管系统或液体下降管系统的任何地方提供绝缘区段，例如介电联接头，以使蒸发单元与冷凝器电绝缘。此外，通过使用介电冷却流体，可进一步支持蒸发单元和冷凝器之间的电分离。作为非限制性示例，使用的冷却流体可选自制冷剂R134a、R1234yf、R1234ze、R245fa、氨或者具有匹配单独的系统的运行状况的热物理属性的任何适当的流体。取决于单独的装备和特性来选择合适的冷却流体是在本领域技术人员的标准知识之内的工作。
大体上，可提供至少一个入口通道和至少一个出口通道，以将液体/蒸气状冷却流体馈送到蒸发单元，以及从蒸发单元中移除液体/蒸气状冷却流体。入口通道和出口通道的形状和大小可取决于装置的电气要求和机械要求而改变，但是典型地， 入口通道和/或出口通道的直径大于蒸发通道的直径。另外，入口通道和/或出口通道可设置成平行于多个蒸发通道，或者与多个蒸发通道成角度(详情见下文)。
作为一般方面，至少一个入口和至少一个出口通道在蒸发单元内定位在与蒸发通道公共的平面上，但在这个平面内，在蒸发通道的不同侧。
作为另一个一般方面，至少一个入口和至少一个出口通道定位在蒸发单元的不同半部中。相对于蒸发单元的中心平面限定半部，诸如为了使半部位于中心平面的不同侧。中心平面可限定成平行于多个蒸发通道的纵向轴线且垂直于由导热壁限定的平面(以及/或者垂直于蒸发通道在其中对齐的平面)而延伸。
特别地，至少一个入口通道定位在蒸发单元的一个半部中，并且在第一位置处连接到流体分配器上，而至少一个出口通道则定位在蒸发单元的另一个半部中，并且在第二位置处连接到流体聚集器上，第二位置定位成与第一位置成对角。换句话说，入口通道的连接到流体分配器上的端部和出口通道的连接到流体聚集器上的起始部可布置成在蒸发单元的中心平面的相对的侧彼此成对角。入口通道和出口通道的这种布置确保冷却流体在蒸发单元的本体的内部(即，在蒸发单元的多个蒸发通道的内部)均匀分配。冷却流体在多个蒸发通道内均匀分配进一步降低局部温度不均匀性，即，减少蒸发单元的芯体中的不合需要的热点，并且因而提供较高效的冷却作用。
另外，为了避免温度不均匀性，以及为了大体上提高冷却效率，蒸发单元可设计成像下面这样预热其中的冷却流体。典型地，蒸发单元包括用于接收来自冷凝器的冷却流体的入口通道。在本文实施例中，入口通道可通过流体分配器将蒸发本体中的冷却流体导引到蒸发单元的芯体中的多个蒸发通道。来自至少一个发热装置的热能大体通过蒸发单元的至少一个导热壁传递到多个蒸发通道内部的冷却流体。换句话说，导热壁包括冷却表面部分，冷却表面部分可大体限定为包围多个蒸发通道在前述导热壁上的投影的最小凸形表面部分。冷却表面部分典型地经历发热装置和冷却流体之间的大量热能传递。
为了在冷却流体通过流体分配器进入蒸发通道之前有效地预热冷却流体，入口通道可设置在蒸发单元中，使得其在导热壁上的投影位于前述冷却表面部分的外部。大体上，入口通道可定位成与多个蒸发通道相距某个距离，以便设定预热程度。从而，在运行状态中，入口通道内部的冷却流体可在通过流体分配器进入多个蒸发通道之前，接收来自发热装置的热能。
另外，通过将入口通道布置成使得其在导热壁上的投影位于冷却表面部分的外部，允许来自发热装置的热能直接传递到入口通道内部的冷却流体，而不受多个蒸发通道的干扰。例如，在其中蒸发通道布置在入口通道和冷却表面部分之间 (使得入口通道的投影不会布置在冷却表面部分的外部)的比较示例中，蒸发通道将吸收大部分热能，并且不会发生有效预热。此外，通过将入口通道定位在冷却表面部分的外部，可通过改变发热装置的位置来调节从发热装置传递到入口通道的热能的量。例如，相对于冷却表面部分将发热装置重新定位成较远离入口通道在导热壁上的投影，例如将对入口通道内部的冷却流体提供较少热能(即，对入口通道内部的冷却流体的预热减少)。相对于冷却表面部分将发热装置重新定位成较接近入口通道在导热壁上的投影，例如将对入口通道内部的冷却流体提供较多热能(即，对入口通道内部的冷却流体的预热增加)。因此，可方便地调节对入口通道内部的冷却流体的预热水平。
根据本文的实施例，前述距离可测量为包围多个蒸发通道的投影的最小表面部分在导热壁上的投影和入口通道的投影之间的距离。典型地，对于给定预热，前述距离可与温差大致成比例，温差可定义为在进入到蒸发单元中时的冷却流体和进入到蒸发单元的流体分配器时的冷却流体之间的温度差异。
在本文的另一个实施例中，可通过改变入口通道和导热壁之间的距离来设定预热量。换句话说，入口通道可定位成较接近导热壁，以实现较多预热，或者定位成朝向蒸发单元的内部较远离导热壁，以实现较少预热。因此，入口通道可定位成与多个蒸发通道相距侧向距离，例如，1 mm至30 mm，优选地6 mm 至18 mm。侧向距离可平行于导热壁的平面和/或垂直于多个蒸发通道的轴线。
根据本文的实施例，入口通道可布置成使得其纵向轴线平行于多个蒸发通道的纵向轴线。在另外的实施例中，入口通道和多个蒸发通道可定位在相同的平面上。
在另外的进一步实施例中，入口通道可布置成相对于多个蒸发通道的纵向轴线成角度。这个角度可定义为包围多个蒸发通道的投影的最小表面部分在导热壁上的投影和入口通道的投影之间的角度。例如，角度可为10℃至85℃，优选地30℃至65℃。从而，在冷却流体在运行期间流向流体分配器时，从发热装置传递到冷却流体的热能逐渐增加。因此，可对冷却流体实现较均匀的预热。在本文的实施例中，入口通道和多个蒸发通道之间的距离可沿着入口通道的整个长度不断减小，并且/或者可仅沿着入口通道的一部分不断减小。
根据本文的实施例，入口通道可进一步朝蒸发本体的内部或朝蒸发本体的前平面倾斜，即，相对与导热壁成角度，例如， 0℃至45℃的角度，优选地10℃至35℃的角度。从而，以与上面描述的类似的方式，可对冷却流体实现较均匀的预热。
根据本文的实施例，可提供两组蒸发通道，各组具有多个蒸发通道。各组蒸发通道可限定相应的平面，使得各组中的所有蒸发通道的轴线都布置在该平面上。优选地，所有组蒸发通道的平面都彼此平行。
根据本文的实施例，具有至少两个导热壁的蒸发单元可包括两个入口通道(第一入口通道和第二入口通道)。如果存在两组蒸发通道，则两个入口通道可布置成通过公共流体分配器或者通过两个流体分配器，将冷凝的冷却流体从冷凝器馈送到两组蒸发通道。此外，蒸发单元可包括两个出口通道(第一出口通道和第二出口通道)，以使蒸发的冷却流体从两个流体聚集器流到冷凝器。入口通道和/或出口通道中的各个可布置成使其轴线在由相应的一组蒸发通道限定的平面上。
因而，蒸发单元可包括双侧布置，其中，入口通道、流体分配器、一组(多个)蒸发通道、流体聚集器和出口通道分别设置在蒸发单元的相对的侧，各侧例如是另一侧的镜像且面向相应的导热壁。可在单个刚性蒸发单元中提供所有这些元件。在两个单独的流体分配器和两个单独的流体聚集器的情况下，上面描述的布置可在单个蒸发单元的内部提供两个单独的冷却回路。这例如可使得在蒸发单元的一侧对冷却流体的预热能够大于在蒸发单元的另一侧对冷却流体的预热。
两组多个蒸发通道(一组在蒸发单元的任一侧上)例如可在蒸发通道的数量上有变化，以及/或者关于它们的被限定为包围一组多个蒸发通道在相应的导热壁上的投影的最小表面部分的冷却表面部分的尺寸有变化。从而，在蒸发单元的一侧上的冷却表面部分可小于在另一个相对的侧的冷却表面部分。此外，入口通道和/或出口通道中的各个可分别相对于多个蒸发通道和/或蒸发单元的前平面成相同或不同的角度(参见以上描述)。
典型地，可认为蒸发单元的前平面将蒸发单元分成前侧和后侧，因此，各自分别包括用于冷却发热装置的导热壁的前述双侧布置。根据本文的实施例，前侧和后侧可彼此分开，使得在运行期间，冷却流体仍然分别在蒸发单元的各侧。在本文的另外的实施例中，蒸发单元的前侧和后侧的流体聚集器和出口通道可彼此连接。换句话说，蒸发单元的前侧和后侧可共用相同的流体聚集器和/或出口通道。
关于制造，在蒸发单元包括多个部件的情况下，硬钎焊或软钎焊可确保各部件之间有良好的机械连接、热连接和电连接。如果芯体包括翅片，则也可通过在彼此的顶上添加多个翅片层来组装芯体，以增加芯体高度和热交换面积。可在翅片层之间中插入硬钎焊箔层，以在两个连续的层之间提供较好的连接。如果在翅片片材上包了硬钎焊材料，则可以可选地省略插入的箔。大体上，还可通过挤压过程来制造蒸发单元，挤压过程确保有精确且平滑的表面光洁度。
典型地，蒸发的冷却流体将其热能传递到冷凝器中的外部冷却剂，由此冷却流体的密度在伴随的冷凝期间显著提高。这个密度提高在蒸发单元的出口侧上提供所需的低压，促进蒸发的冷却流体从蒸发单元离开，到达冷凝器。
大体上，冷凝器可设计成例如任何传统的空气热交换器，其具有用于在其中容纳冷却流体的内部容积，以及用于使通过其中的冷却流体循环的至少一个入口和出口。另外，为了具有较大的热传递面积，可在本文描述的模块化冷却系统中采用板翅片型热交换器。此类热交换器可使用具有翅片的至少一个通路，以提高导引外部冷却剂介质通过其中的单元的冷却效率。对于至少一个通路存在各种设计选择，包括笔直翅片、偏移翅片和波状翅片(例如百叶窗形翅片)。典型地，这样的翅片型热交换器由铝合金制成，铝合金提供高的热传递效率。这些类型的材料和合金会降低模块化冷却系统的总重量，并且使得冷凝器能够经受住高的工作压力。
大体上，冷凝器包括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，以及用于流出冷凝的液体冷却流体的出口。根据本文描述的实施例，冷凝器典型地与至少一个蒸发单元处于流体连通。类似于蒸发单元，冷凝器可进一步包括冷却流体聚集器/分配器，它们各自可包括用以容纳分别处于两个相的冷却流体的内部容积。关于冷凝器，冷却流体分配器可将接收自蒸发单元的蒸发的冷却流体分配到冷凝器本体，而冷却流体聚集器则可将冷凝的液体冷却流体聚集在冷凝器本体内，以最终将其传递回蒸发器本体。前述冷却流体分配器/聚集器可为单独部分或冷凝器的组成部分。
典型地，在本文的实施例中，多个蒸发单元可与一个或多个发热装置交替地堆叠，并且被压缩力挤压在一起，形成用于在冷却回路中使用的叠堆或压包。大体上，为了利用蒸发单元的所有冷却潜力，包括发热装置、蒸发单元、支承杆和其它构件的叠堆应当恰当地对齐，特别地使得发热装置(一个或多个)与蒸发单元的导热壁(一个或多个)处于良好接触。换句话说，叠堆的机械设计和组装对于蒸发单元的冷却性能和发热装置的可靠性来说是重要的，因为例如叠堆中的压力分配不均匀可导致发热装置过早失效。因此，为了确保多个蒸发单元恰当地对齐，各个单元可包括对齐开口或孔，例如夹紧组件的支承杆插入对齐开口或孔，以便确保各个蒸发单元和发热装置良好地定位，尤其是因为流体流流到整个叠堆中。
可采用夹紧组件或夹具，它们能够经受住压包由于工作条件下出现的温度变化而机械地膨胀和收缩所产生的温度水平和力，而不受损。夹紧组件例如可包括力指示器，力指示器确保交替的蒸发单元和电子构件形成的叠堆由正确的力夹紧，以确保在电气构件(一个或多个)的整个接触表面上有最佳性能和均匀压力分配(可选地，例如通过负载分散器，其可为不锈钢板)。大体上，夹紧力过小可导致阻抗增大，以及喘振流减小，而夹紧力过大则可损伤电子构件(一个或多个)，导致它们过早失效。
在本文的实施例中，用来在流体方面连接蒸发单元和冷凝器的管系统可为柔性的，以有利于组装和允许由不同的材料制成的构件热膨胀。特别地，柔性管可在叠堆长度在被夹紧组件压缩的期间减小的情况下提供移动自由度。可通过对管系统的每个管提供至少一个柔性部分，来实现管系统的柔性。这个柔性部分可插入沿着管的长度的任何地方，或者可定位在管的任一端或两端(一个或多个)处。
大体上，本文描述的冷却回路可认为是重力冷却回路，即，其中蒸发单元可处于竖向底部位置，并且冷凝器可处于蒸发单元上方的竖向顶部位置的冷却回路。照这样，重力可帮助保持冷却流体循环，因为蒸气状冷却流体由于其浮力而沿竖向向上移动，并且从冷凝器回到蒸发单元的液体冷却流体由于其质量密度较高而沿竖向向下移动。
大体上，蒸发单元还可倾斜地安装，或者甚至以水平定向安装(相对于地球表面，或者使得蒸发单元的作用方向垂直于地球的重力，如图1中显示的那样)。仍然在这种情况下，顶部、底部等在本文由蒸发本体或冷却回路中的蒸发的冷却流体的流向限定。例如，当蒸发单元相对于地球表面以水平定向安装时，蒸发单元中的蒸发冷却液体仍然朝冷凝器移动，即，朝顶部移动，如果液体柱提供足够压力的话。可选地，马达驱动式泵可促进和支持冷却流体的循环。
图1显示根据本文的实施例的冷却回路20a的透视图。冷却回路20a包括冷凝器80和叠堆22，叠堆22包括与多个发热装置10交替地布置的多个蒸发单元40，各个蒸发单元40包括冷却流体入口通道43a和出口通道50a。在图1中显示的示例性实施例中，叠堆22的纵向方向垂直于地球表面。但是，在本文的另外的实施例中(例如参照图2)，冷却回路可包括交替的蒸发单元和发热装置形成的叠堆，其具有纵向方向，该纵向方向平行于地球表面或者垂直于地球的重力。在后一布置中，相应的蒸发单元的冷却流体入口通道和出口通道将垂直于地球表面，或者平行于地球的重力，以便使流体流容易沿两个方向进入和离开。
典型地，夹紧组件25在叠堆22上施加压缩力，使得多个蒸发单元40和发热装置10被挤压在一起。通常，夹紧组件25包括两个或更多个平行支承杆26。但是，较长的叠堆可采用不止两个支承杆，诸如例如三个、四个、五个或六个支承杆，以便确保最佳的杆机械稳定性，杆机械稳定性对电子构件提供均匀的夹紧力分布(即，压力分布)。
特别地，夹紧组件25可沿叠堆22的纵向方向施加压缩力。这用于机械地将叠堆固定在一起，以及改进发热装置10和多个蒸发单元40之间的对流热流的接触，并且建立良好的电接触。由夹紧组件施加的力可高达200 kN，例如50 kN、100kN或150 kN。在展示的示例中，蒸发单元的数量为五个，而蒸发单元的数量可为一至任意数量，这典型地由待冷却的叠堆发热装置的数量确定，例如，蒸发单元的数量示例为5、7、9、13、17、或21个。发热装置10可为任何类型的电子构件，例如(非限制性)半导体开关，诸如晶闸管、电感器、电阻器、二极管或电容器，或者它们的组合。夹紧组件25典型地进一步包括至少一个负载分散器，以将压力均匀地传递到叠堆22的蒸发器单元40。大体上，夹紧组件可确保高效地冷却蒸发单元，因而提供较可靠且寿命较长的发热装置。
此外，夹紧组件25可由绝缘材料构成，诸如玻璃纤维环氧树脂，与使用诸如钢的传统材料(可能需要额外地对前述部件绝缘，而且/或者带电部件之间需要足够的空气击穿距离)的情况相比，这使得能够有简化且较紧凑设计的叠堆22。
根据图1中显示的实施例，冷却回路20a包括用于将蒸发单元40在流体方面连接到冷凝器80上的蒸气上升管系统60，以及用于将冷凝器80在流体方面连接到蒸发单元40上的液体下降管系统70。更确切地说，蒸气上升管系统60连接蒸发单元40的出口通道50a与冷凝器80的入口通道81，并且液体下降管系统70连接冷凝器80的出口通道83与蒸发单元40的入口通道43a。冷却回路20a的这个布置产生密闭地封闭的流体回路，其中，冷却流体可在不直接暴露于外部环境的情况下循环。
蒸气上升管系统60和液体下降管系统70可由导电材料或绝缘材料制造。在一些实施例中，各个管系统的一部分可由绝缘材料制成，而另一部分则可由例如金属的传导性材料制成。如果管系统不包括至少绝缘部分，则必须分别在蒸气上升管系统60和液体下降管系统70中使用电绝缘部分100。绝缘部分100的关键特征在于它们连接到系统的其余部分上，这可通过使用连接器(未在图中显示)来实现。由不同的材料制成的构件的不同的热膨胀会引起普遍的问题。为了解决这个问题，可将由与蒸发单元40和蒸气上升管系统60和液体下降管系统70相同的材料制成的一件金属管附连到绝缘区段100的两个端部上。这个连结将吸收由部件的不同的热膨胀所产生的应力，可通过将管胶接、硬钎焊或软钎焊到绝缘区段100上来实现这个连结。
根据本文描述的实施例，冷却回路20的蒸气上升管系统60和液体下降管系统70可各自包括至少一个柔性部分150，这对系统提供允许夹紧蒸发单元40和发热装置10形成的叠堆22所需的自由度。特别地，前述柔性部分150可允许在多个蒸发单元40和冷凝器80之间有相对移动，相应地，多个蒸发单元40相对于彼此移动，例如沿叠堆22的纵向方向沿两个方向移动10 mm。因此，例如在多个发热装置10中的一个或多个(典型地功率半导体)由具有不同尺寸的装置代替的情况下，柔性管部分150可使差异均衡。柔性部分150可包括波纹管、波形管，并且/或者可包括电绝缘弹性非金属材料，诸如弹性体。在本文的实施例中，蒸气上升管系统60和液体下降管系统70可包括设置在多个蒸发单元40和冷凝器80之间的任何地方的另外的柔性部分150。
图2显示根据本文的实施例的冷却回路20b的透视图。冷却回路20b包括上面关于冷却回路20a(参见图1)所描述的大部分构件。但是，冷却回路20b布置成使得叠堆22的纵向方向平行于地球表面。换句话说，蒸发单元40相对于地球表面布置成处于直立位置。在本文的实施例中，蒸发单元40可“沿竖向”布置成使得它们的动作方向平行于地球的重力。此类布置可有利于冷却流体在冷却回路内部移动。此外，在图2中显示的实施例中，蒸发单元40与发热装置10交替地堆叠，各个蒸发单元40包括至少两个入口通道(第一入口通道43a和第二入口通道43b)，以及至少两个出口通道：第一入口通道50a和第二入口通道50b (可在下面关于图5和图6找到关于双侧蒸发单元的较详细的描述)。大体上，图1中显示的蒸发单元也可按直立的方式布置，与图2的冷却回路20b显示的方式基本相同。
图2中显示的蒸发单元40的入口通道43a、43b和出口通道50a、50b中的各个可分别通过单独的较短的管61、71在流体方面连接到蒸气上升管系统60和液体下降管系统70上。当描述本文的实施例时，这些短连接管61、71可大体包括在蒸气上升管系统60或液体下降管系统70中。
更详细地说，冷却回路20b的各个冷却单元40可包括分别连接到一对连接液体下降管71和一对连接蒸气上升管61上的一对入口通道43a、43b和一对出口通道50a、50b。这些连接管中的各个可包括类似于上面关于图1描述的柔性部分150的至少一个柔性部分150，柔性部分150允许在多个蒸发单元40和冷凝器80之间有相对移动，相应地，多个蒸发单元40相对于彼此移动，例如沿叠堆22的纵向方向沿两个方向移动10 mm。此外，连接管61、71中的各个可包括电绝缘区段100，或者对于各个蒸发单元40的每对连接管61、71，可同样包括单个电绝缘部分(未在图中显示)。这种单个电绝缘部分可对冷却回路提供额外的稳定性。
类似地，在本文的实施例中，单个连接蒸气上升管和液体下降管可分别在流体方面连接到一对出口通道和一入口通道(未在图中显示)上。这种布置可提供具有较少单独部件的成本较高效且简化的冷却回路。
图3显示根据本文的实施例的蒸发单元40a的俯视图。蒸发单元40a包括布置在蒸发单元40a的相对的侧的两个导热壁42a、42b。导热壁典型地覆盖蒸发单元40a的相应的侧的整个表面。在本文的另外的实施例中，导热壁可仅覆盖蒸发单元的各个侧的可用表面积的一部分，例如，70%至95%，优选80%至90%。
另外，图3显示导热壁42a、42b的冷却表面部分51的俯视图。冷却表面部分51大体上可限定为包围多个蒸发通道43a在蒸发单元40a的导热壁42a、42b中的任一个上的投影的最小凸形表面部分。大体上，发热装置(未在此图中显示)可连接到蒸发单元40a的导热壁42a、42b上，使得其在冷却表面部分51内贴靠导热壁42a、42b。
蒸发单元40a另外包括用于接收来自冷凝器的液体冷却流体的入口通道43a和用于使蒸发的冷却流体流出到冷凝器的出口通道50a。蒸发单元芯体44包括多个蒸发通道45a，多个蒸发通道45a布置成沿纵向方向(在一平面内对齐)并排，以将入口通道43在流体方面连接到出口通道50a上。此外，流体分配器48a和流体聚集器49a可设置在多个蒸发通道45a的任一端部上(参照图4和下面的对应的描述)。
在图3的示例性实施例中，入口通道43a可布置成紧挨着多个蒸发通道45a中的一个最外部蒸发通道。出口通道50a可布置在多个蒸发通道45a中的另一个最外部蒸发通道的顶部上。另外，在图3的实施例中显示假想平面A-A，假想平面A-A按蒸发单元40a的中心将其分成两个对称半部。为此，假想平面A-A可限定为对称平面，使得前述两个半部为彼此的镜像。此外，蒸发单元40a的中心平面(未在此图中显示)可限定为在蒸发单元40a的中心处垂直于假想平面A-A的平面。类似于假想平面A-A，这个中心平面可将蒸发单元40a分成两个半部，使得入口通道43和出口通道50a布置在蒸发单元40a的相对的侧或半部上。
图4显示图3中显示的蒸发单元40a的沿着平面A-A(也标为参考标号30)的横截面。特别地，蒸发单元40a的横截面显示多个蒸发通道45a设置成使得它们的纵向轴线平行于入口通道43a和出口通道50a两者的纵向轴线。另外，流体分配器48a和流体聚集器49a的最长延伸部的纵向轴线或纵向方向可布置成垂直于多个蒸发通道45a的纵向轴线。
根据图4中显示的实施例，流体分配器48a大体上对多个蒸发通道45a的第一端46a提供液体冷却流体。在运行期间，液体冷却流体由于发热装置(未在图4中显示)提供的热能而在多个蒸发通道45a的内部蒸发。流体聚集器49a接收来自多个蒸发通道45a的第二端47a的蒸发的冷却流体。最后，蒸发的冷却流体通过出口通道50a流出蒸发单元40a。
在本文的实施例中且关于平面A-A，入口通道43a的连接到流体分配器48a上的端部部分可布置成与出口通道50a的连接到流体聚集器49a上的端部部分对角地相对。(即，蒸发器本体的最接近相应的端部部分的边缘定位成彼此成对角)。换句话说，入口通道43a和出口通道50a可布置在蒸发单元40a的中心平面D-D的相对的侧(参见图8，中心平面D-D也标为参考标号33)，中心平面D-D平行于多个蒸发通道45a的纵向轴线且垂直于导热壁42a、42b(并且/或者垂直于多个蒸发通道45a的纵向方向170)而延伸。中心平面D-D还可在本文描述成垂直于平面A-A。按上面提到的方式布置入口通道和出口通道的端部部分，确保冷却流体在蒸发单元40a的芯体内(即，在多个蒸发通道45a内)均匀地分配。从而，可避免不合需要的热点，而且可对蒸发单元40a实现较可靠且较高的冷却效率。
大体上，流体分配器48a可为管状结构，其在平行于其纵向轴线的方向上具有多个开口。开口在流体方面连接到多个蒸发通道45a的相应的第一端46a上。类似地，流体聚集器49a也可为管状结构，其在平行于其纵向轴线的方向上具有多个开口，并且其中，开口在流体方面连接到多个蒸发通道45a的相应的第二端47a上。
另外，图4显示导热壁42a、42b的冷却表面部分51的图形表示(参见图4中的虚线)。冷却表面部分51大体上可限定为包围多个蒸发通道43a在蒸发单元40a的导热壁42a、42b中的任一个上的投影的最小凸形表面部分。入口通道43a可布置成使得其在导热壁42a、42b中的任一个上的投影位于冷却表面部分51的外部。大体上，入口通道43a可定位成与多个蒸发通道45a相距某个预热距离52，以便设定预热程度。从而，在运行状态中，入口通道43a内部的冷却流体可在通过流体分配器48a进入多个蒸发通道45a之前，接收来自发热装置的热能。
前述预热距离52可进一步限定为在导热壁上在冷却表面部分51和入口通道43a在对应的导热壁42a、42b上的投影之间测得的距离。典型地，对于给定量的预热，预热距离52可与冷却流体的温差大致成比例，温差被定义为冷却流体在进入到蒸发单元40a中时的温度与冷却流体在进入到流体分配器48a中时的温度的差异。
根据本文的另外的实施例，预热距离可描述为入口通道43a的纵向轴线和导热壁42a和42b中的任一个的冷却表面部分51之间的最短距离。这种预热距离可为0.5 mm至30mm，优选4mm 至16 mm。
蒸发单元可由若干个部分制造而成，然后组装该若干个部分。例如，可单独制造图3中显示的由线A-A分开的上部部分和下部部分，然后用本领域中已知的任何组装技术组装它们。备选地，参照图4，可单独制造顶部部分(在蒸发通道45a上方)、底部部分(在蒸发通道45a下方)和它们之间的且包括蒸发通道45的中间部分，然后组装它们。然后流体聚集器49a和流体分配器48a分别由中间部分和顶部部分/底部部分之间的空间形成。
图5显示根据本文的另一个实施例的蒸发单元40b的俯视图。特别地，这个实施例显示蒸发单元40b包括两组蒸发通道45a、45b。换句话说，蒸发单元40b可包括成多芯体构造的两个芯体44a、44b。大体上，在本文的实施例中，蒸发单元可包括不止两个芯体，诸如例如三至八个芯体和更多个芯体。另外，图5显示导热壁42a、42b的冷却表面部分51的俯视图。
在图5中显示的实施例中，假想平面B-B(也标为参考标号31)可将蒸发单元40b分成前半部和后半部，它们各自包括分别面向导热壁42a和42b的一组蒸发通道45a和45b。大体上，蒸发单元40b的后半部和前半部可构造成彼此的镜像。换句话说，各个半部分别包括入口通道43a和43b、流体分配器48a和48b(参见图4和图7)、多个蒸发通道45a和45b、流体聚集器49a和49b和出口通道50a和50b。
大体上，这样的多芯体构造的优点在于，可对各个入口通道中的冷却流体提供不同程度的预热。换句话说，入口通道可设置在不同的预热距离处。
在本文的另外的进一步实施例中，蒸发单元40c的后半部和前半部可构造成彼此不同，特别是关于它们的相应的入口通道和出口通道的定向。图6显示一实施例，其包括假想平面C-C(也标为参考标号32)将蒸发单元40c分成前半部和后半部。其中，当与入口通道43b和出口通道50b的位置相比时，入口通道43和出口通道50a的位置可看作是相反的。换句话说，假设多个蒸发通道45a和45b布置成彼此的镜像，则入口通道43可布置成与最外部的蒸发通道45a相距某个预热距离，最外部的蒸发通道45a与最外部的蒸发通道45b对角地相对。入口通道43b和出口通道50a和50b可按与上面描述的类似的方式布置。另外，图6显示导热壁42a、42b的冷却表面部分51的俯视图。
图7显示根据本文的另一个实施例的蒸发单元40d的横截面。蒸发单元40d包括设置在其相对的侧的两个对齐部分120。对齐部分120可为突破口或孔，它们使得支承杆26能够穿过其中，并且使与多个发热装置10(参见图1和图2)交替地布置的蒸发单元40d形成的叠堆22对齐。大体上，对齐部分120可设置在蒸发单元40d的任何侧，并且/或者可布置在蒸发单元40d中的任何地方，只要功能特征(入口通道、流体分配器、多个蒸发通道、流体聚集器和出口通道)不受干扰即可。
另外，图7中显示的实施例显示蒸发单元40d的电连接唇缘160。电连接唇缘160也可沿着蒸发单元的其它侧布置，这取决于相应的单元的布局。
图7中显示的蒸发单元40d包括入口通道43c，入口通道43c可布置成相对于多个蒸发通道45b成角度110。例如，这个角度可相对于多个蒸发通道45b为20℃至80℃，优选25℃至55℃。换句话说，入口通道43c和多个蒸发通道45b之间的预热距离可沿朝向流体分配器48b的方向不断减小。这个布置可对入口通道43b内的冷却流体提供较均匀的预热。
虽然未在任何图中显示，但根据本文的实施例的入口通道(一个或多个)可朝蒸发本体的内部(即，朝前述假想前平面)进一步倾斜，即，相对于导热壁成角度，例如，0℃至45℃的角度，优选10℃至35℃的度度。从而，以与上面描述的类似的方式，可对冷却流体实现较均匀的预热。
图8显示根据本文的实施例的功率电子模块90a的透视图，其包括蒸发单元40a(参见图3和图4)和连接到各个导热壁42a和42b上的功率电子构件或发热装置10。典型地，发热装置在尺寸上设置成装配到导热壁42a和42b上而无突出，并且定位在冷却表面部分51内(关于图4所描述的)。在本文的实施例中，至少一个发热装置可在尺寸上设置成或定位成使得其在导热壁上的投影等于或延伸超过冷却流体分配器和聚集器中的一个或两者。冷却流体流130a显示液体冷却流体典型地从冷凝器流到蒸发单元40a中。冷却流体出口流140a显示蒸发的冷却流体从蒸发单元40a流到冷凝器。
图9示意性地显示沿着图8中显示的功率电子模块90a的平面D-D的横截面。特别地，图9显示功率电子模块90a包括包含两个导热壁42a、42b的蒸发单元40a和贴靠导热壁42a、42b中的各个的发热装置10。虚线代表多个蒸发通道45a、流体分配器48a和流体聚集器49a的轮廓。此外，冷却流体进入流130a显示蒸发的冷却流体从蒸发单元40a流到冷凝器。未在图9中显示冷却流体入口通道43a和出口通道50a的端部部分分别在流体方面连接到流体分配器48a和流体聚集器49a上。
图10示意性地显示根据本文的实施例的功率电子模块90b的透视图，功率电子模块90b包括蒸发单元40b(参见图5和图6)和连接到各个导热壁42a和42b上的功率电子构件或发热装置10。典型地，发热装置10在尺寸上设置成装配在相应的导热壁42a和42b上而无突出，并且定位在冷却表面部分51内(例如关于图4所描述的)。冷却流体进入流130a和130b显示液体冷却流体典型地从冷凝器流到蒸发单元40b中。冷却流体出口流140a和140b显示蒸发的冷却流体从蒸发单元40b流到冷凝器。
图11示意性地显示图10中显示的功率电子单元90b的沿着平面E-E(也用参考标号34表示)的横截面。特别地，图11显示功率电子模块90b包括包含两个导热壁42a、42b的蒸发单元40b和贴靠各个导热壁42a、42b的发热装置10。虚线代表多个蒸发通道45a、45b、流体分配器48a、48b和流体聚集器49a、49b的轮廓。蒸发单元40b包括双芯体布置，其中，各个芯体分别包括一组多个蒸发通道45a和45b。多个蒸发通道45a、45b连接到对应的流体分配器48a、48b和对应的流体聚集器49a、49b上。典型地，多个蒸发通道45a、45b比流体分配器42a、42b和/或流体聚集器49a、49b具有更小的直径。此外，冷却流体进入流130a、130b显示蒸发的冷却流体从蒸发单元40b流到冷凝器。
根据本文描述的实施例，提供一种用于通过蒸发单元来冷却发热装置的方法。大体上，蒸发单元包括导热壁、入口通道、流体分配器、多个蒸发通道、流体聚集器和出口通道。典型地，发热装置在蒸发单元的冷却表面部分处连接到导热壁上，从而在它们之间形成接触区域，并且入口通道定位在蒸发单元中，使得其在导热壁上的投影位于前述接触区域的外部。方法包括以下步骤：通过导热壁将热从发热装置传递到入口通道，使得入口通道内部的冷却流体在进入流体分配器之前被发热装置预热；通过导热壁将热从发热装置传递到多个蒸发通道；使蒸发通道中的液体冷却流体沸腾，使得其中的冷却流体至少部分地变成蒸气，从而从蒸发通道转移到流体聚集器，并且由从流体分配器进入蒸发通道的液体冷却流体取代。
用于冷却发热装置的方法可进一步包括相对于入口通道调节导热壁上的发热装置，使得在运行状态中，通过导热壁从发热装置传递到入口通道的热量足以使入口通道中的冷却流体从其液相-气相过渡点加热至少±5℃。大体上，从发热装置传递出的热量不足以使入口通道内部的冷却流体基本蒸发。
上面描述的系统和方法实现且促进使用具有集成式预热器的蒸发单元来冷却电子构件。更特别地，蒸发单元的入口通道设置成接收来自电子构件的热能，以预热其中的液体冷却流体。从而，可避免蒸发单元的冷却区域中有温度不均匀性。特别地，通过在液体冷却流体进入冷却区域之前使其预热，可避免当过冷冷却流体(比饱和冷却流体具有显著更低的热传递系数)进入冷却区域时在蒸发单元的冷却区域中形成热点。从而，可提高蒸发单元的冷却效率。另外，可避免热点中的集中热能损害电子构件，从而延长它们的寿命。
在上面详细地描述了用于通过具有集成式预热器的蒸发器来冷却多个电子构件的系统和方法的示例性实施例。系统和方法不限于本文描述的具体实施例，系统的构件和/或方法的步骤而是可与本文描述的其它构件和/或步骤单独地使用和分开来使用。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。虽然在前面公开了各种具体实施例，但是本领域技术人员将认识到，权利要求的精神和范围允许有等效的修改。特别地，上面描述的实施例的相互不排斥的特征可彼此结合。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例具有不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。
部件列表
发热装置　 　10
冷却回路　 　20a、20b
叠堆　　 22
夹紧组件　　 25
支承杆　 　26
平面A-A　 　 30
平面B-B　　 31
平面C-C　　 32
平面D-D　　 33
平面E-E　　 34
蒸发单元　 　40a、40b、40c、40d
蒸发单元本体 　　41
导热壁　 　42a、42b
入口通道　　 43a、43b、43c
蒸发单元芯体　 　44a、44b
蒸发通道　　 45a、45b
第一端　　 46a、46b
第二端　　 47a，45b
流体分配器　　 48a、48b
流体聚集器　　 49a、49b
出口通道　　 50a、50b
冷却表面部分 　　51
预热距离　 　52
蒸气上升管系统　 　60
连接蒸气上升管　 　61
液体下降管系统　 　70
连接液体下降管　 　71
冷凝器　 　80
冷凝器入口　 　81
冷凝器本体 　 　82
冷凝器出口　 83
功率电子模块　 　90a、90b
绝缘部分　 　100
倾斜角　　 110
对齐部分　　 120
冷却流体进入流　 　130a、130b
冷却流体出口流　 　140a、140b
柔性部分　　 150
电连接唇缘　　 160
多个蒸发通道的方向　　170。

Claims (10)

1.一种叠堆，其由多个交替的发热装置(10)和蒸发单元(40)形成，其中，所述发热装置包括功率电子构件，以及其中，至少一个蒸发单元(40a)布置成通过使冷却流体蒸发来冷却至少一个发热装置(10)，所述至少一个蒸发单元(40a)包括：
可在热方面连接到所述至少一个发热装置(10)上的至少一个导热壁(42a，42b)；
适于接收来自冷凝器(80)的冷凝的冷却流体的第一入口通道(43a)；
第一流体分配器(48a)，其在流体方面连接到所述第一入口通道(43a)上以从其中接收冷却流体，并且具有用于在其中聚集冷却流体的容积；
各自具有第一端(46a)和第二端(47a)的第一多个蒸发通道(45a)，所述第一端(46a)在流体方面连接到所述第一流体分配器(48a)上，以从其中接收冷却流体，所述第一多个蒸发通道(45a)与所述至少一个导热壁(42a，42b)处于热接触，使得在运行状态中，冷却流体在所述第一多个蒸发通道(45a)中由于来自所述至少一个发热装置(10)的热而加热，并且从而至少部分地蒸发，并且在所述第一多个蒸发通道(45a)的第二端(47a)处从所述第一多个蒸发通道(45a)排出；
第一流体聚集器(49a)，其在流体方面连接到所述第一多个蒸发通道(45a)的第二端(47a)上，以从其中接收蒸发的冷却流体，并且具有用于在其中聚集蒸发的冷却流体的容积；
第一出口通道(50a)，其在流体方面连接到所述第一流体聚集器(49a)上，并且适于从其中接收蒸发的冷却流体；
其中，所述至少一个导热壁(42a，42b)具有冷却表面部分(51)，所述冷却表面部分(51)限定为包围所述第一多个蒸发通道(45a)在所述至少一个导热壁(42a，42b)上的所有投影的最小凸形表面部分，以及
其中，所述第一入口通道(43a)定位在所述蒸发单元(40a)中，使得其在所述至少一个导热壁(42a，42b)上的投影位于所述冷却表面部分(51)的外部，使得在所述运行状态中，在所述第一入口通道(43a)内部的冷却流体在进入所述流体聚集器(49a)之前被所述至少一个发热装置(10)预热。
2.根据权利要求1所述的叠堆，其特征在于，所述第一入口通道(43a)和所述第一多个蒸发通道(45a)布置在单个平面(30)上。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的叠堆，其特征在于，所述叠堆进一步包括以下额外元件中的至少一个：第二入口通道(43b)；第二流体分配器(48b)；第二多个蒸发通道(45b)；第二流体聚集器(49b)；以及第二出口通道(50b)。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的叠堆，其特征在于，所述第一出口通道(50a)、所述第一入口通道(43a)、所述第一多个蒸发通道(45a)和所述第一出口通道(50a)的纵向轴线彼此平行且垂直于所述第一流体分配器(48a)和所述第一流体聚集器(49a)的轴线中的至少一个而延伸。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的叠堆，其特征在于，所述第一入口通道(43a)和所述第一出口通道(50a)布置在所述蒸发单元(40a)的中心平面(33)的相对的侧，所述中心平面(33)平行于所述第一多个蒸发通道(45a)的纵向轴线且垂直于由所述至少一个导热壁(42a，42b)限定的平面而延伸。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的叠堆，其特征在于，所述第一入口通道(43a)和所述第一多个蒸发通道(45a)设置为由导热材料制成的单个刚性本体中的开口。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的叠堆，其特征在于，所述叠堆进一步包括由在所述蒸发单元(40a)的至少两个相对的侧的切除部分限定的至少两个对齐部分(120)，以容纳支承杆(26)，所述支承杆(26)对多个交替发热装置(10)和蒸发单元(40a)形成的叠堆(22)提供固定和支承。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的叠堆，其特征在于，所述蒸发单元(40a)包括设置在所述蒸发单元(40a)的相互相对的侧的两个导热壁(42a，42b)，所述导热壁(42a，42b)适于与两个发热装置(10)处于热接触。
9.一种用于用权利要求1中所限定的由多个交替的发热装置(10)和蒸发单元(40)形成的叠堆中的至少一个蒸发单元(40a)冷却至少一个发热装置(10)的方法，所述至少一个蒸发单元(40a)包括至少一个导热壁(42a，42b)；第一入口通道(43a)；第一流体分配器(48a)；第一多个蒸发通道(45a)；第一流体聚集器(49a)；以及第一出口通道(50a)，
其中，所述至少一个发热装置(10)在所述至少一个蒸发单元(40a)的冷却表面部分(51)处连接到所述至少一个导热壁(42a，42b)上，从而在它们之间形成接触区域，以及
其中，所述第一入口通道(43a)定位在所述至少一个蒸发单元(40a)中，使得其在所述至少一个导热壁(42a，42b)上的投影位于所述接触区域的外部，
所述方法包括：
将热从所述至少一个发热装置(10)通过所述至少一个导热壁(42a，42b)传递到所述第一入口通道(43a)，使得所述第一入口通道(43a)内部的冷却流体在进入所述第一流体分配器(48a)之前被所述至少一个发热装置(10)预热；
将热从所述至少一个发热装置(10)通过所述至少一个导热壁(42a，42b)传递到所述第一多个蒸发通道(45a)；
使所述第一多个蒸发通道(45a)中的液体冷却流体沸腾，使得其中的冷却流体至少部分地蒸发，从而从所述第一多个蒸发通道(45a)移位到所述第一流体聚集器(49a)，并且由从所述第一流体分配器(48a)进入所述第一多个蒸发通道(45a)的液体冷却流体代替。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，相对于所述第一入口通道(43a)来调节所述至少一个发热装置(10)在所述至少一个导热壁(42a，42b)上的位置，使得在所述运行状态中，通过所述至少一个导热壁(42a，42b)从所述至少一个发热装置(10)传递到所述第一入口通道(43a)的热量足以使所述第一入口通道(43a)中的冷却流体从其液相-气相过渡点至少加热到-5℃。
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