CN106954366B - 用于电力电子构件的换热器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了用于具有半导体模块的电力电子模块组件的两相换热器装置(100)。两相换热器装置包括：底板(110)，其配置成在底板的第一侧(123)处与第一半导体模块(201)接触；和用于第一冷却介质(131)的至少一个管元件(120)，其包括具有至少一个蒸发器通道的第一部分(121)和具有至少一个冷凝器通道的第二部分(122)。底板具有容纳管元件的槽(111；112)，其中，槽在尺寸方面设置成允许底板与管元件的第一部分之间的热接触，并且，在尺寸方面设置成在底板与管元件的第二部分之间形成间隙(113)，以实现底板与管元件的第二部分的热分离。

Description

用于电力电子构件的换热器
技术领域
本发明大致涉及换热器。具体地，本发明涉及能够用于电力电子构件的换热器。本发明进一步涉及包括换热器的电力电子模块组件。
背景技术
在典型的电力电子系统中，诸如离散式或集成式(即模块型)半导体装置、电感器、电阻器、电容器以及铜母线之类的电力电子构件极接近地组装。在所有的设计中，同样地存在PCB面板和电子控制装置。在运行的期间，这些构件发散出不同量的热。另外，这些构件受制于不同水平的温度。驱动系统的热管理及集成概念必须考虑出现的温度范围。
对于低功率和中等功率的范围内的电力电子(PE)系统，由于简单性、稳健性以及低投资成本而导致空气冷却是通常使用的解决方案。然而，与水冷却相比，空气冷却在冷却性能的方面受限制。
另一引人注目的冷却选择是无源式两相冷却。在此，蒸发器与热源(典型地，半导体模块)进行热接触。将蒸发的两相流体引导至冷凝器，从而将热传递至环境空气，在冷凝器中，流体回到液体状态。两相流体的运动由重力、压力脉动或毛细力驱动，而不使用机械泵。在生产时，填充两相流体，并且，将冷却器密封地封闭，以致于在寿命期间，无需维护。
如在空气冷却中，在两相冷却中，热最后传递至空气。然而，经由两相流体的中间步骤避免传统的基于传导的空气冷却(空气冷却式热沉)中的热扩散的问题。因此，关于两相冷却，与空气冷却相比，能够达到更高的冷却性能和热通量。
然而，成本的考虑和具有挑战性的将两相系统集成至电力电子系统中并定向的过程制约电力电子系统中的两相冷却系统的应用。
发明内容
鉴于上文，提供本发明的两相换热器和电力电子模块组件。
根据本发明的方面，提供用于具有至少一个半导体模块的电力电子模块组件的两相换热器装置。两相换热器装置包括：底板，其配置成在底板的第一侧处与第一半导体模块接触；和用于第一冷却介质的至少一个管元件，其中，管元件包括具有至少一个蒸发器通道的第一部分和具有至少一个冷凝器通道的第二部分。典型地，底板具有容纳管元件的槽。槽在尺寸方面设置成允许底板与管元件的第一部分之间的热接触，并且，槽在尺寸方面设置成在底板与管元件的第二部分的至少一部分之间形成间隙，以实现底板与管元件的第二部分的热分离。
根据本发明的又一方面，电力电子模块组件包括半导体模块的堆叠件和夹持于半导体模块之间的根据本文中所描述的实施例的多个换热器装置。
根据本文中所描述的实施例的换热器允许将两相换热器集成至空气冷却式电力电子系统(诸如，电力电子变换器)中，具体地，其中半导体布置成堆叠的系统中。动机是能够以各种方式使用的提高的冷却性能。例如，可能在恒定的结温和/或增大的开关频率(且因此，增加开关损耗)下增大电力电子系统的额定电流(且因此，可能增加损耗)，并且，能够在恒定的温度下实现减小的滤波器大小。备选地，在使用根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置时，能够在恒定的额定电流下达到更低的温度，且因此，能够达到提高的可靠性和寿命。根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置的又一好处可以是，对于固定的结温，电力电子系统有更高的环境温度额定值。根据一些实施例，对于固定的结温，能够使用降低的空气流速、风扇功率以及声学噪声。另外，与相对地庞大的铝挤制热沉相比，能够实现重量减轻。
因而，关于根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置，可能引起若干个影响，从而允许电力电子系统(具体地，包括半导体堆叠件的系统)中的两相换热器装置的高效使用。
附图说明
将参考附图中所图示的优选的示范性的实施例而在下文的文本中更详细地解释本发明的主题，其中：
图1显示根据本文中所描述的实施例的具有两个半导体模块的两相换热器装置的示意图；
图2显示根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置的局部视图；
图3显示根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置的局部透视图；
图4显示根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置的示意透视图；
图5显示根据本文中所描述的实施例的具有导流装置的两相换热器装置的示意正视图；
图6显示根据本文中所描述的实施例的沿着图5中所显示的线A-A的两相换热器装置的示意截面图；
图7显示根据本文中所描述的实施例的具有导流装置的两相换热器装置的示意正视图；
图8显示根据本文中所描述的实施例的沿着图7中所显示的线A-A的两相换热器装置的示意截面图；
图9显示根据本文中所描述的实施例的具有导流装置的两相换热器装置的示意正视图；
图10显示根据本文中所描述的实施例的沿着图9中所显示的线A-A的两相换热器装置的示意截面图；
图11 显示管元件中的池沸腾的情形的示意图；并且，
图12显示根据本文中所描述的实施例的管元件中的对流沸腾的情形的示意图。
将附图中所使用的参考标号及其含义以概要的形式在参考标号的列表中列出。原则上，在图中，相同的部件具有相同参考标号。
参考标号
100 两相换热器
110 底板
111 槽的第一部分
112 槽的第二部分
113 间隙
114 槽
116 间隙大小
120 管元件
121 管元件的第一部分
122 管元件的第二部分
123 冷却单元的沿堆叠方向的第一侧
124 冷却单元的沿堆叠方向的第二侧
125 管元件的蒸发器通道
126 管元件的冷凝器通道
130 外部(第二)冷却介质
131 工作流体，第一冷却介质
141、142 导流装置
150 翅片
200、201、202 半导体模块
300 组件
301 宽度方向
302 长度方向，堆叠方向
303 深度方向。
具体实施方式
在下文中，描述本发明的各种方面和实施例。旨在无论是否在特定的实施例或其他特征的背景下描述，各方面都能够与任何其他方面组合。
在附图和下文的描述中，针对类似的元件而使用相同的参考编号，并且，任何实施例的关于同一参考标号的描述可应用于任何其他实施例，除非以另外的方式提到，且/或除非描述将与该实施例不一致。
图1显示根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置100。换热器装置100在图1中示范性地显示为堆叠于两个半导体模块201和202之间。典型地，如能够在图1中的坐标系上看到的，换热器装置100和两个半导体模块201、202沿堆叠方向302堆叠。根据本文中所描述的一些实施例，两个半导体模块201、202可以是电力电子模块组件的一部分。
根据本文中所描述的实施例，换热器装置100包括底板110，底板110配置成在底板110的第一侧123(沿堆叠方向)处与第一半导体模块201接触。典型地，底板110可以配置成通过使底板的几何结构适应于半导体模块的几何结构，来与半导体模块接触。例如，底板110和半导体模块201可以具有配合面，这些配合面可以静置成彼此接触。根据本文中所描述的一些实施例，底板110可以具体地在第一侧123处具有大体上平面的表面，以便与半导体模块接触。典型地，底板110与换热器装置之间的接触允许在两个元件之间传热。在一些实施例中，底板110的第一侧123和沿堆叠方向302与第一侧123相对的第二侧124可以大体上彼此平行，以便具体地赋予底板的平面的外形形状(被槽114中断)。底板的平面的外形形状，且尤其是两侧的平行布置，允许能够实现换热器装置和半导体模块的稳定的堆叠。
如本文中所使用的术语“大体上”可以意指可能存在与以“大体上”表示的特性的一定的偏差。例如，术语“大体上平行”是指可能存在与彼此确切地平行的定向的一定的偏差，诸如与平行布置的大约1°至大约10°的偏差的两个元件。又一示例可以是，大体上沿一个方向延伸的流路可以包括与这一个方向的大约1°至大约10°的偏差。
如能够在图1中看到的，两相换热器装置100布置于沿堆叠方向302堆叠的半导体模块201、202的堆叠件中。典型地，基本上，在与半导体堆叠件的堆叠方向正交的平面上，诸如沿宽度深度方向延伸的平面(例如，方向301和303所跨越的平面)上，两相换热器装置100布置或夹持于半导体模块之间。布置有两相换热器装置的平面典型地包括两相换热器装置100的底板110的第一侧123。典型地，底板110的第一侧123大体上沿宽度方向301延伸。
根据本文中所描述的实施例，换热器装置100进一步包括用于第一冷却介质131或工作介质的至少一个管元件120(在图3和图4中示范性地显示)。第一冷却介质131可以是适合于在出现于电力电子模块组件中的温度范围下蒸发的液体(具体地，由于模块组件至流体之间的温度梯度而导致第一冷却介质在比出现于电力电子模块组件中的温度更低的温度下蒸发)。典型地，管元件120是用于使第一冷却介质循环于其中的封闭式元件。
如在本文中在实施例中描述的第一冷却介质或工作介质可以是具有典型地在大约-40°C与大约100 °C之间，更典型地大约70°C与大约90°C之间的范围内，且还更典型地为大约80°C的饱和温度的两相流体。根据一些实施例，出现于电力电子模块组件中的温度范围可以属于大约40°C至大约150 °C之间。在一些实施例中，第一冷却介质或工作介质可以具有属于出现于电力电子模块组件中的温度的范围内的饱和温度。半导体模块中的典型的峰值温度(结温)可以属于大约100°C至大约175 °C之间。根据一些实施例，第一冷却流体可以至少是_R134a、R245fa、R1234yf以及R1234ze中的一个。
管元件120包括具有至少一个蒸发器通道125的第一部分121，和具有至少一个冷凝器通道126的第二部分122。能够在图3中示范性地看到蒸发器通道125和冷凝器通道126。在图1中所显示的示例中，第一部分121包括两个蒸发器通道。图1的管元件120的示例的第二部分122包括六个冷凝器通道。技术人员可以理解到，蒸发器通道和冷凝器通道的数量不限于所显示的示例，并且，可以针对根据本文中所描述的实施例的管元件而选择任何合适的数量的蒸发器通道和冷凝器通道。根据本文中所描述的实施例，在选择合适的数量的蒸发器通道和冷凝器通道时，存在致力于蒸发的至少一个通道和致力于冷凝的至少一个通道。
典型地，蒸发器通道和冷凝器通道静置成彼此接触，以便第一冷却介质能够经过通道，并且，可以在通道中蒸发和冷凝。技术人员可以理解到，蒸发和冷凝发生于管元件的某一区域或部分中。蒸发和冷凝的确切的位置可以取决于确切的温度、所使用的冷却介质、详细的管几何结构、两相换热器装置外侧的冷却等。因而，虽然为了简化，一些通道可以表示为冷凝器通道，并且，一些通道可以表示为蒸发器通道，但一些蒸发可能发生于冷凝器通道内，并且，一些冷凝可能发生于蒸发器通道内。然而，技术人员可以理解到，由于较大部分的蒸发发生于蒸发器通道中，因而蒸发器通道被命名为蒸发器通道。这加上必要的变更而同样适用于冷凝器通道。同样地，在运行的期间，蒸发器通道可以容纳液体冷却介质和气体冷却介质。这同样适用于冷凝器通道：在运行的期间，冷凝器通道可以容纳液体冷却介质和气体冷却介质。
根据一些实施例，管元件120内的通道布置成沿着换热器装置100的深度方向303延伸。在一些实施例中，蒸发器通道和冷凝器通道在管元件120中大体上彼此平行地对齐。管元件120可以包括使单个通道彼此分开的分离壁。典型地，为了允许第一冷却介质131或工作介质在通道之间流动，可以将通道与歧管(例如，具有开口的圆形管或堆叠板)连接在一起。
在一些实施例中，管元件120可以是包括蒸发器通道和冷凝器通道的多端口挤制管。典型地，冷凝器通道和蒸发器通道可以是同一MPE管的通道。因而，多端口挤制管允许避免单独的管用于蒸发器通道和冷凝器通道。因此，不需要焊接，并且，有可能廉价地生产根据本文中所描述的实施例的换热器装置。
根据一些实施例，典型地包括蒸发器通道的第一部分121放置成比典型地包括冷凝器通道的第二部分122更接近于底板110的第一侧123。换句话说，第一部分121的蒸发器通道放置成更接近于第一半导体模块201(换热器装置100的底板110典型地静置成与第一半导体模块201接触)。
底板110可以典型地由诸如铝、可钎焊的铝或铜之类的(高度地)导热材料制成。可以使用挤制、铸造、机械加工或这样的常见的过程的组合来制造底板。底板110可以典型地不按照管元件120的确切的大小制作。具体地，底板110可以制成沿宽度方向301比管元件更大，以便增大系统的热容。
根据本文中所描述的实施例，底板110具有槽114，槽114容纳管元件120。图2显示底板110、槽114以及槽中的管元件120的放大图。底板110中的第一槽部分111在尺寸方面设置成允许底板110与管元件120的第一部分121之间的热接触。典型地，在管元件120的第一部分121的区域中，管元件120和底板110能够交换热能。从底板110传递至管元件的第一部分的热可能导致第一冷却介质131或工作介质在蒸发器通道中蒸发。
可以通过底板与管元件之间的直接物理接触而提供底板110与管元件120的第一部分121之间的热接触。根据一些实施例，可以经由底板110与管元件120的第一部分121之间的另外的材料，具体地，用于增加管元件120与底板110之间的热接触的材料而提供管元件120的第一部分121与底板110之间的接触。根据一些实施例，可以通过钎焊而建立管元件的第一部分与底板之间的连接。可以利用钎焊剂覆盖管元件，且具体地，管元件的第一部分。在钎焊的期间，钎焊剂熔融而建立管元件的第一部分与底板之间的热连接。
同样地，除了管元件120的第一部分121与底板110之间的良好的导热性之外，第一槽部分111还可以确保将管元件适当地固定于底板110中，并且，可以相应地设置尺寸。可以取决于若干个参数，诸如相应的应用、产品尺寸、诸如环境条件之类的要求、设计等，选择根据本文中所描述的实施例的两相换热器的槽114的尺寸。在一些实施例中，槽114可以典型地具有大约10 mm与大约100 mm之间，更典型地，大约10 mm与大约70 mm之间，且还更典型地，大约15 mm与大约50 mm之间的沿方向302的延伸部分。
槽进一步包括第二槽部分112，第二槽部分112在尺寸方面设置成形成底板110与管元件120的第二部分122的一部分之间的间隙113，从而使底板110与管元件的第二部分122进行热分离。根据一些实施例，间隙可以沿深度方向303包围第二部分122的延伸部分的一部分。具体地，第二部分的被间隙包围的该部分可以典型地包括管的第二部分的沿深度方向303的整个延伸部分的大约10%至大约60%，更典型地，大约20%与大约50%之间，且还更典型地，20%与40%之间。热分离可以意指，在热分离的元件之间，例如管元件120的第二部分122与底板110之间，大体上未发生热能交换。例如，间隙113可以提供管元件的第二部分与底板之间的热分离。
根据一些实施例，第一槽部分111比第二槽部分112更窄，尤其是，以便实现管元件120的第一部分121与底板110之间的热接触，并且，避免管元件120的第二部分122与底板110之间的热接触。典型地，第一槽部分111的沿宽度方向301的延伸部分可以取决于若干个参数，诸如相应的应用、产品尺寸、诸如环境条件之类的要求、设计等而选择。在一些实施例中，第一槽部分111的沿宽度方向301的延伸部分可以典型地为大约1 mm与大约5 mm之间，更典型地，大约1 mm与大约4 mm之间。根据一些实施例，第二槽部分112的沿宽度方向301的延伸部分可以典型地为2 mm与大约20 mm之间，更典型地，大约2 mm与大约15 mm之间。
典型地，能够在图2中看到间隙113的间隙大小116。典型地，间隙大小116可以作为管元件120，尤其是，管元件的第二部分122与底板110中的槽114的第二槽部分112之间的最短的距离而测量。在一些实施例中，间隙大小116可以大体上与第二槽部分112和管元件120的第二部分122垂直而测量。根据一些实施例，间隙大小116可以典型地大于大约0.5 mm，更典型地，等于或大于大约1 mm，且还更典型地，等于或大于1.5 mm，诸如大约2 mm。
根据一些实施例，如能够在图1和图2中示范性地看到的，底板110的沿堆叠方向302的延伸部分比管元件120的沿堆叠方向的延伸部分更大。底板110的沿堆叠方向302的更大的延伸部分允许根据本文中所描述的实施例的换热器装置和通过换热器装置而冷却的半导体模块的稳定而可靠的堆叠。
在一些实施例中，如本文中所描述的两相换热器装置100可以是无源式两相换热器。根据一些实施例，两相换热器是如下的装置中的一个：重力驱动式热虹吸管；脉动热管；毛细抽吸回路或回路热管。
如果使用重力驱动式热虹吸管，则冷凝器通道可以有利地沿竖向方向布置于蒸发器通道的上方，即，重力驱动式热虹吸管大体上竖向地定向。根据本文中所描述的一些实施例，这意味着，堆叠方向可以大体上为水平的。
根据本文中所描述的一些实施例，根据本文中所描述的实施例的换热器装置中所使用的管元件可以配置并在尺寸方面设置成导致管元件，尤其是，管元件的蒸发器部分中的第一冷却介质的对流沸腾。技术人员可以理解到，借助于通过管壁处的液体制冷剂膜而传导，从而从管壁表面带走热量，以便实现对流沸腾。引导诸如第一冷却介质之类的液体制冷剂通过具有狭窄的宽度的管元件，以便防止池沸腾。泵送或气泡泵送可以提高管元件内的蒸气流的速度。关于池沸腾，另一方面，通过出于重力的原因而从壁表面缓慢地悬浮的连续成核的蒸气气泡而从壁表面带走热量。在对流沸腾的情况下，热效率比池沸腾更高，这是因为，蒸气流的速度和蒸气品质比池沸腾的情形更高。原因是，从发生蒸发的地点相当迅速地去除蒸气，并且，未将与蒸气流相邻的液体制冷剂加热到对流沸腾的情况下的程度。结果，通过对流沸腾而得到的蒸气的热能含量比池沸腾的情形更高。在图11(池沸腾)和图12(对流沸腾)中示意性地显示池沸腾与对流沸腾之间的差异。图11和图12显示蒸发器部分121中的管元件120的截面。在图11和图12中，池沸腾显示液体冷却介质132中的蒸气的气泡。图12中所显示的对流沸腾显示管元件120的壁处的液体冷却介质132的膜和管元件120的中间部分中的蒸发的冷却介质流133。技术人员可以理解到，液体冷却介质132和蒸发的冷却介质133为第一冷却介质131的不同的状态。
在另一实施例中，可以使用脉动热管，以代替重力驱动式热虹吸管。实现方案的示例包括脉动热管(PLHP)。脉动热管可以具有与重力驱动式热虹吸管相同的外部形状。由于通过脉动热管中的压力脉动(而不是重力)而对两相流进行驱动，因而脉动热管大体上独立于定向。脉动热管还可以按照大体上水平的定向使用。这允许竖向堆叠方向。
如先前所解释的，在当今的系统中，往往选择空气冷却系统。为了获得竞争优势，两相冷却比空气冷却更具有高性能的方案未必是足够的。期望两相冷却系统还比已知的水冷却系统更便宜。
根据一些实施例，为了与已知的系统相比而达到显著的成本优势，选择可以与安装有电力电子系统的电气室的开式空气冷却组合的便宜的两相冷却系统。此外，如上所述，蒸发器通道和冷凝器通道可以集成为单个件，这避免诸如将不同的通道装配至管元件的步骤之类的手工生产步骤。
例如，如果选择热虹吸管系统，则两相换热器可以是重力驱动式，并且定向成使得冷凝器位于顶部，并且，蒸发器位于底部。此外，热虹吸管系统的形状因子与空气冷却式热沉不同。同样地，热虹吸管系统的一些设计可能相当扁平，即，沿空气流方向不那么深。典型地，空气压降比空气冷却式热沉更低得多，导致使用较少的风扇功率来实现相同的冷却效果，或以恒定的风扇功率导致更好的冷却效果。
因而，技术人员可以理解到，存在与将两相换热器集成至电力电子系统中的结构相关联的几个挑战。如上文中所提到的，形状因子与空气冷却式热沉完全地不同，并且，压降更低；必须考虑定向敏感性(例如，在重力驱动式两相换热器的情况下，冷凝器位于顶部)；两相换热器有利地夹持于半导体模块的堆叠件中，并且，期望布置为紧凑的；为了避免热堆叠，期望通过两相换热器装置的空气流大体上平行(即，平行连接)；并且，期望通过半导体模块的空气流在电力电子系统的机柜中沿从前至后的方向流动。
根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置解决上述的问题，并且，提供上文中所讨论的期望的优点。
图3和图4显示根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置的进一步的局部视图。图3显示适应于夹持于半导体模块的堆叠件中的两相换热器的局部视图。底板110具有容纳管元件120的槽114。在图3中，仅显示一个管元件120，然而，如能够在图1中示范性地看到的，可以设置若干个管元件。槽具有用于管元件120的第一部分121的第一槽部分111，管元件120可以是第一冷却介质131所流过的多端口挤制(MPE)管(如在图3中由箭头131示范性地指示)。
根据一些实施例，多端口挤制扁平管的壁厚可以为大约0.2至大约0.75 mm之间。管的材料可以是铝等。根据可以与本文中所描述的其他实施例组合的一些实施例，如本文中所提及的管可以配置成承受大约100 bar的压力。具体地，可以相应地选择壁厚。在根据本文中所描述的实施例的半导体模块的两相换热器装置的典型的应用中，第一冷却介质可以具有大约0.1 bar与大约30 bar之间的压力。
在所显示的示例中，管元件120中的第一最顶端的通道是与底板110进行热接触的蒸发器通道125。为了得到更好的综述，仅显示一个大的蒸发器通道，然而，技术人员可以理解到，可能存在多于一个蒸发器通道，尤其是多于一个比图3和图4中所显示的蒸发器通道更小的蒸发器通道。根据本文中所描述的实施例，管元件120的第二部分122的剩余的通道可以是冷凝器通道126，并且，不与底板110进行热接触。箭头131表示流过蒸发器通道125和冷凝器通道126的第一冷却介质。在包括冷凝器通道126的管元件120的第二部分122处，槽114比包括蒸发器通道125的管元件的第一部分121处更宽，以致于避免底板110与冷凝器通道126直接接触而传热。具体地，为了使两相换热器装置适应于半导体模块的堆叠件，与已知的系统相比，底板110沿堆叠方向更厚。同样地，与已知的系统相比，底板110中的槽114设计得更深。根据一些实施例，槽尤其提供比管元件120更大的沿堆叠方向的延伸部分，能够在图1中示范性地看到该结构。在根据本文中所描述的实施例的更深的槽的设计下，能够从两侧夹持半导体模块。根据一些实施例，底板的尺寸可以取决于若干个参数，诸如相应的应用、产品尺寸、诸如环境条件之类的要求、设计等而选择。
图4显示两相换热器装置的又一实施例的局部视图。图4的两相换热器装置可以是如先前例如关于图1至图3而描述的两相换热器装置。在图4中示范性地显示的实施例包括翅片150，在管元件120的外侧上，翅片150设置于管元件120的第二部分122处。管元件120的外侧可以理解为第一冷却介质不流过的一侧。翅片150典型地沿深度方向303设置于间隙113的上方，或设置于未被间隙113包围的管元件的冷凝器部分的一部分处。根据本文中所描述的一些实施例，翅片150增强换热，并且，支持管元件的冷凝器通道126中的第一冷却介质131或工作介质的冷凝。在图10中所显示的示例中，为了得到更好的视野，在管元件的各侧处，仅显示三个翅片150。然而，技术人员可以理解到，翅片的数量可能变化，并且，可以适应于相应的应用。例如，各侧的翅片的数量可能大于3，诸如大于5，或甚至大于10。
可以通过诸如空气之类的外部第二冷却介质130的对流而使翅片150冷却。可以例如通过冷却风扇或吹送器(未显示)而生成第二冷却介质流130。此外，翅片可以设置成百叶窗式翅片的形状。百叶窗式翅片可以用于增大传热系数，而不存在压降的显著提高(百叶窗是翅片的表面上的扭转的狭缝)。通常，可以从一条铝板切割翅片，并且，如图4中所显示的，翅片弯曲成手风琴那样的形状。能够容易地针对两相换热器的大小和换热器的相应的预期的应用而调整翅片之间的节距。
技术人员可以理解到，虽然翅片描述并显示成手风琴那样的形状，但可以具有用于增强从管元件120的第二部分122至第二冷却介质130的传热的任何合适的形状，诸如波纹翅片、平直翅片、百叶窗式翅片等。
根据一些实施例，在内壁表面上具有划分壁或另外的翅片那样的结构的较小的通道可以用于管元件120的冷凝器通道126，尤其是，以增大内通道表面，从而增大传热表面。
图5和图6显示根据本文中所描述的实施例的半导体模块的堆叠件中的两相换热器装置的组件300。图5是组件的正视图，并且，图6是如例如图5中所显示的沿着线A-A的截面图。如图5和图6中所显示的，两相换热器装置100夹持于形成半导体模块的堆叠件的半导体模块200之间。诸如空气之类的第二冷却介质130沿深度方向303进入组件300(或电力电子系统的机柜)，深度方向303是进入图5中的投影平面中的方向。如能够以更详细的方式在图6中看到的，第二冷却介质130典型地从组件300的前方流动至后方。第二冷却介质流130使半导体模块200冷却，且最后，被向上(沿宽度方向301)抽吸，且具体地，通过装配于电力电子系统的机柜顶板上的风扇而排出。
根据可以与本文中所描述的其他实施例组合的一些实施例，可以由如在图5和图6中示范性地显示的导流装置141、142引导第二冷却介质130的空气流。在一些实施例中，导流装置141、142迫使从换热器装置100的外侧到达至换热器装置100的第二冷却介质130经过管元件120的第二部分，且然后，离开换热器装置100。如能够在图5和图6的示例中看到的，导流装置可以沿深度方向303以交替的方式布置于两相换热器 100前后。
关于紧密度和冷却性能，根据本文中所描述的实施例的第二冷却介质130的流路是有益的。因此，所描述的流路可以在集成于机柜中的许多电力电子系统中使用。具体地，可以通过第二冷却介质而冷却的不同的两相换热器装置有利地平行地布置于第二冷却介质的流路中，这避免根据本文中所描述的一些实施例的半导体模块的堆叠件的热堆叠。
在图5和图6中，两相换热器装置100夹入半导体模块200之间。例如，图5显示CSSCCSSC的两相换热器装置(或冷却器C)和半导体模块(S)的序列。示范性地显示的序列意味着仅从一侧使各半导体模块200冷却。在组件300中，典型地，母线(未在图中绘制)夹持于相邻的半导体之间。
图7和图8显示根据本文中所描述的实施例的半导体模块200的堆叠件中的两相换热器装置100的备选的组件。两相换热器装置100 各自包括根据本文中所描述的一些实施例的两相换热器和导流装置。图7是组件300的正视图，并且，图8是如例如在图7中显示的沿着线A-A的截面图。图7和图8显示两相换热器装置100(或冷却器C)和半导体模块的序列为CSCCSC的实施例。图7和图8的组件300允许各半导体模块200的双侧冷却。
图9和图10显示根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置100和半导体模块200的组件300的实施例。在图9和图10的实施例中，冷却单元和半导体模块的序列为CSCSCSC。
通常，半导体模块的单侧或双侧冷却可以取决于冷却单元相对于半导体模块的定向。例如，根据本文中所描述的实施例的冷却单元可以提供更高效的一侧(诸如图1中的底板的第一侧123)和不那么高效的一侧(底板的与第一侧123相对的第二侧124)。更高效的一侧是被认为提供最佳冷却效果的一侧。因而，如图9和图10中所显示的半导体模块组件可以取决于冷却单元的定向而与第一冷却单元的一个更有效的一侧和第二冷却单元的一个不那么有效的一侧接触，或与两个冷却单元的更有效的一侧接触。在图9和图10中所显示的示例中，使位于右侧的半导体模块被双侧冷却，并且，使半导体模块的剩余部分被单侧冷却。可以根据期望而选择单侧冷却和/或双侧冷却，以达到根据本文中所描述的实施例的期望的冷却性能。
根据可以与本文中所描述的其他实施例组合的本文中所描述的一些实施例，两相换热器装置为平面的，并且，在夹持至半导体模块的堆叠件中时，与堆叠方向302正交。通常，堆叠方向可以为水平的(左右方向)或竖向的(然而，附图仅显示水平的堆叠方向)。典型地，延伸的底板110允许将两相换热器和半导体模块的堆叠件适当地堆叠。
如在图6、图8和图10中由箭头130显示，根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置和半导体模块的堆叠件的组件可能导致第二冷却介质通过组件而流动于大体上S形的路径中。为了迫使第二冷却介质130如图所示地流动，两相换热器之间的空间被如上所述的导流装置150阻挡，具体地，导流装置150沿深度方向303交替地位于两相换热器的冷凝器通道的前面和位于两相换热器的冷凝器通道的后面。沿深度方向303布置于两相换热器装置的前面的导流装置以参考标号141表示，并且，沿深度方向303布置于两相换热器的后面的导流装置以参考标号142表示。可以设置更多的导流装置，例如包括沿深度方向从前至后延伸的竖向板和水平板，以致于能够形成用于期望的流路的相应的通道。根据一些实施例，导流装置141、142可以在两相换热器装置处沿堆叠方向302位于不同的位置。
根据一些实施例，提供包括半导体模块的堆叠件和夹持于半导体模块之间的根据上述的实施例中的任一个的多个换热器装置的电力电子模块组件。在一些实施例中，电力电子模块组件进一步包括用于电力电子模块组件的机柜，以便允许外部第二冷却介质130，具体地，通过经过设置于管元件120的第二部分122处的翅片，从而从大体上与换热器装置100的宽度方向301相对应的前方进入机柜，以使管元件120的第二部分122冷却。如能够在图5至图10中示范性地看到的，从宽度方向进入机柜的第二冷却介质可以包括横过由深度方向303和宽度方向301形成的平面而沿深度方向303流动(因而，大体上与方向302平行地流动)的第二冷却介质。
电力电子模块组件的机柜(未显示)可以包括前门，可以将第二冷却介质130引导通过前门而到达两相换热器。同样地，风扇等可以为引导第二冷却介质出入于机柜作准备。
根据一些实施例，提供布置于机柜中的电力电子变换器。典型地，电力电子变换器包括具有至少一个半导体模块的至少一个半导体堆叠件和至少两个两相冷却器。典型地，两相冷却器可以是如在上文的实施例中所描述的两个两相换热器装置。两相冷却器可以呈现基本上平面的形状，尤其是，平面的外形形状，并且，包括蒸发器部分和冷凝器部分。根据备选的或另外的实施例，各两相冷却器包括具有多个通道的至少一个管，其中，至少一个通道用于使两相介质蒸发，并且，至少一个通道用于使两相介质冷凝回到液体。在根据本文中所描述的实施例的电力电子变换器中，在半导体模块的堆叠件中，可以将两相冷却器的蒸发器沿堆叠方向夹持到至少一个半导体模块上。典型地，两相冷却器的冷凝器部分可以另外为空气冷却式。冷却空气可以从前方(根据一些实施例，前方可以是两相冷却器的宽度方向)进入电力电子变换器所位于的机柜。根据一些实施例，电力电子变换器包括机柜中的空气引导件，其布置成使得冷却空气平行地流过两相冷却器的至少两个冷凝器部分，从而避免热堆叠。热堆叠通常出现于通过冷却流体而使若干个半导体模块冷却时，冷却流体相继地经过半导体模块，以便对冷却流体连续地进行加热。
根据可以与本文中所描述的其他实施例组合的一些实施例，两相冷却器是无源式的。典型地，如本文中所提及的两相冷却器可以是如下的装置中的一个：重力驱动式热虹吸管；脉动热管；毛细抽吸回路或回路热管。在根据本文中所描述的实施例的电力电子变换器中，半导体模块的堆叠件的堆叠方向大体上与布置有电力电子变换器的机柜的前后方向正交。因而，机柜的前后方向可以大体上沿着两相冷却器的深度方向延伸。根据一些实施例，两相冷却器大体上布置于与堆叠方向正交的平面上。这可以意指两相冷却器布置成面向彼此。具体地，沿相邻的两相冷却器的深度宽度方向延伸的两个平面可以面向彼此。
在一些实施例中，大体上通过在冷凝器部分前面和冷凝器部分后面(具体地，沿两相冷却器的深度方向)阻挡流动横截面的一部分来实现空气引导。以所描述的方式下阻挡空气流的流动横截面的一部分可以迫使空气沿堆叠方向(即，沿两相冷却器的宽度方向)经过冷凝器部分。根据一些实施例，以所描述的方式阻挡空气流的流动横截面的一部分导致空气流首先沿机柜的前后方向朝向半导体模块的堆叠件(诸如，图5和图6中的深度方向303)流动，然后，沿堆叠方向流过冷凝器部分(诸如，如能够在图6中看到的，沿横过由方向303和301形成的平面的堆叠或长度方向302)，且然后，进一步朝向后面(例如，再次大体上沿深度方向303)流动。因此，如图6、图8和图10中所显示的，第二冷却介质(例如，空气)的流路可以大体上遵循S形路径。根据一些实施例，通过两相换热器的第二部分的压降相当低，具体地，比如已知的空气冷却式热沉更低。降低的压力可以用于补偿通过根据本文中所描述的实施例的空气流路径的S形而出现的另外的压降。在一些实施例中，冷凝器部分为翅片与管的类型，例如，以便提高第二冷却介质的冷却效果。
技术人员可以理解到，本文中的上述的实施例提供若干个好处。例如，标准的平面底部-空气的两相换热器可以用于形成根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置，这降低成本。而且，如在具有热沉的空气冷却系统中，冷却单元具有电势，并且，空气可以用作电绝缘材料。节省冷却单元中的电绝缘材料，导致根据本文中所描述的实施例的冷却单元更进一步便宜。
如在上文中具体地关于图5至图10而详细地讨论的，根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置提供灵活性。不但能够灵活地设计这样的两相交换器装置的组件，而且还能够灵活地设计具有多个半导体模块和换热器装置的电力电子模块组件。另外，两相换热器可以设计成与如在已知的系统中使用的空气冷却式热沉相比而不那么厚。因而，能够缩短堆叠件的沿堆叠方向的长度(具体地，在水平堆叠的情况下，为长度，在竖向堆叠的情况下，为高度)。该缩短能够用于补偿用于针对冷却单元的冷凝器部分而使用的额外的高度。
根据一些实施例，可通过调节冷凝器部分的高度(或沿方向301的宽度)，而使半导体模块的堆叠件的长度(沿方向302)不受影响，来调节冷却功率。
根据一些实施例，根据本文中所描述的实施例的两相换热器装置可以在冷却单元的第一示例中使用。根据第一示例，冷却单元可以针对电力电子模块组件而配置，并且，可以包括两相换热器，两相换热器包括沿冷却单元的宽度方向(301)延伸的多个管元件(120)，管元件(120)位于冷却单元内，并且，在冷却单元的蒸发器部分(121)与冷凝器部分(122)之间连通。管元件(120)可以沿着冷却单元的深度方向(303)以间隔开的方式布置，从而形成冷却路径(213)，以便允许第二或外部冷却介质(130)流过冷却路径(213)，从而使至少一个管元件(120)内的工作介质冷却，冷却路径(213)沿冷却单元的长度方向(302)穿过冷凝器部分(122)。冷却单元可以进一步包括导流装置(141；142)，以便迫使第二或外部冷却介质(130)从冷却单元的外侧通过冷却路径(213)而到达换热器处，且然后，离开冷却单元。根据可以与第一示例组合的第二示例，两相换热器可以相对于工作介质而为无源式的，且/或为如下的装置中的一个：重力驱动式热虹吸管；脉动热管；毛细抽吸回路或回路热管。根据可以第一和第二示例中的至少一个组合的第三示例，至少一个管元件(120)可以包括：冷却单元的蒸发器部分(121)中的至少一个蒸发器通道(125)，用于使第一冷却介质(131)蒸发；和冷却单元的冷凝器部分(122)中的至少一个冷凝器通道(126)，用于使第一冷却介质(131)冷凝。根据可以与第一至第三示例中的至少一个组合的第四示例，两相换热器可以包括蒸发器部分(121)中的底板(110)，其中，两相换热器的至少一个管元件(120)可以至少部分地布置于底板(110)中的槽(114)中。根据可以与第一至第四示例中的至少一个组合的第五示例，冷却单元的冷凝器部分(122)可以是具有在冷却路径中延伸的翅片(150)的翅片与管的类型。根据可以与第一至第五示例中的至少一个组合的第六示例，至少一个管元件(120)可以是多端口挤制管。根据可以与第一至第六示例中的至少一个组合的第七示例，导流装置(141；142)配置成接收从基本上与长度方向(302)垂直，优选地，沿着深度方向(303)的方向到达换热器处的第二或外部冷却介质(130)，且/或用于在引入的冷却介质的相对的一侧将冷却介质释放至基本上与长度方向(302)垂直，优选地，沿着深度方向(303)和/或宽度方向的方向。根据可以与第一至第七示例中的至少一个组合的第八示例，冷却单元可以进一步包括沿与冷却单元的长度方向(302)相对应的堆叠方向(302)堆叠的多个两相换热器，其中，相应的两相换热器的冷凝器部分(122)之间的流路可以被导流装置(141；142)阻挡，导流装置(141；142)交替地位于冷却单元的第一侧(161)处和冷却单元的沿深度方向(303)与第一侧相对的第二侧(162)处。根据第九示例，电力电子模块组件设置成包括根据上述的示例中的任一个的冷却单元。根据可以与第九示例组合的第十示例，电力电子模块组件可以进一步包括多个半导体模块(200)，半导体模块(200)沿与冷却单元的长度方向(302)相对应的堆叠方向(302)堆叠，并且，包括多个两相换热器，其中，各半导体模块(200)与至少一个两相换热器接触。根据可以与第十示例组合的第十一示例，多个冷却单元中的冷却单元的导流装置(141；142)可以在两相换热器的一侧处沿堆叠或长度方向(302)阻挡冷却介质(130)的流动。根据可以与第九至第十一示例中的至少一个组合的第十二示例，多个冷却单元中的冷却单元的导流装置(141；142)可以交替地在冷却单元的沿深度方向(303)的第一侧(161)处和在冷却单元的沿深度方向(303)的与第一侧相对的第二侧(162)处阻挡冷却介质在相邻的冷却单元之间的流动。根据可以与第十至第十二示例中的至少一个组合的第13示例，两相换热器可以通过基本上在与堆叠方向(302)正交的平面上被夹持到半导体模块之一而与半导体模块(200)接触。根据可以与第九至第13示例中的至少一个组合的第14示例，电力电子模块组件可以进一步b包括用于电力电子模块组件的机柜，其中，冷却介质(130)从大体上与冷却单元的宽度方向(301)相对应的前方进入机柜，从而使冷却单元的冷凝器部分(122)冷却。
虽然已基于一些优选的实施例而描述本发明，但本领域技术人员应当意识到，那些实施例决不应当限制本发明的范围。在不背离本发明的实质和概念的情况下，对实施例的任何变更和修改应当属于本领域普通技术人员的理解力内，且因此，属于由所附权利要求定义的本发明的范围内。

Claims (17)

1.一种两相换热器装置(100)，其用于具有至少一个半导体模块(201；202)的电力电子模块组件，所述两相换热器装置包括：
底板(110)，其配置成在所述底板(110)的第一侧(123)处与第一半导体模块(201)进行热接触；和
用于第一冷却介质(131)的至少一个管元件(120)，所述管元件包括具有至少一个蒸发器通道的第一部分(121)和具有至少一个冷凝器通道的第二部分(122)；
其中，所述底板(110)具有容纳所述管元件(120)的槽；
其中，所述槽在尺寸方面设置成允许所述底板(110)与所述管元件的所述第一部分(121)之间的热接触，并且，
其中，所述槽在尺寸方面设置成在所述底板(110)与所述管元件(120)的所述第二部分(122)的至少一部分之间形成间隙(113)，以实现所述底板(110)与所述管元件(120)的所述第二部分(122)的热分离。
2.根据权利要求1所述的换热器装置，其特征在于，通过所述底板(110)与所述槽(111)中的所述管元件(120)的所述第一部分(121)之间的物理接触，来允许所述管元件(120)的所述第一部分(121)与所述底板(110)之间的热接触。
3.根据权利要求2所述的换热器装置，其特征在于，通过所述底板(110)与所述管元件(120)的所述第一部分(121)之间的直接接触或经由所述底板(110)与所述管元件(120)的所述第一部分(121)之间的另外的材料，来提供物理接触。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，所述槽具有用于容纳所述管元件(120)的所述第一部分(121)的第一槽部分(111)和用于容纳所述管元件(120)的所述第二部分(122)的第二槽部分(112)，其中，所述槽的所述第一槽部分(111)比所述槽的所述第二槽部分(112)更窄。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，所述槽在所述底板(110)中形成为挤制槽口。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，所述两相换热器装置(100)配置成夹持于所述底板(110)的第一侧(123)处的所述第一半导体模块(201)与所述底板(110)的第二侧处的第二半导体模块(202)之间。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，所述两相换热器装置(100)是无源式两相换热器。
8.根据权利要求7所述的换热器装置，其特征在于，所述无源式两相换热器是如下的装置中的一个：重力驱动式热虹吸管；脉动热管；毛细抽吸回路或回路热管。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，所述两相换热器装置(100)适应于布置于沿堆叠方向(302)堆叠的半导体模块的堆叠件中，其中，所述两相换热器布置于与所述半导体堆叠件的所述堆叠方向正交的平面上，所述平面包括所述底板(110)的第一侧(123)。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，翅片(150)在所述管元件(120)的外侧上附接到所述管元件(120)的所述第二部分(122)。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，所述至少一个管元件是包括所述至少一个蒸发器通道(125)和所述至少一个冷凝器通道(126)的多端口挤制管。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，所述底板(110)的所述第一侧(123)平行于与所述第一侧相对的第二侧(124)。
13.根据权利要求1至3中的任一项所述的换热器装置，其特征在于，所述至少一个蒸发器通道(125)和至少一个冷凝器通道(126)在所述管元件(120)中彼此平行地对齐。
14.根据权利要求13所述的换热器装置，其特征在于，所述底板(110)具有的沿堆叠方向(302)的延伸部分比所述管元件(120)的沿堆叠方向(302)的延伸部分更大。
15.一种电力电子模块组件，其包括半导体模块的堆叠件和夹持于所述半导体模块之间的多个根据权利要求1至14中的任一项所述的换热器装置(100)。
16.根据权利要求15所述的电力电子模块组件，进一步包括导流装置(141；142)，以便迫使从所述换热器装置(100)的外侧到达所述换热器装置(100)的外部第二冷却介质(130)，以经过所述管元件(120)的所述第二部分(122)，且然后，离开所述换热器装置(100)。
17.根据权利要求15至16中的任一项所述的电力电子模块组件，进一步包括用于所述电力电子模块组件的机柜，以便允许外部第二冷却介质(130)从与所述换热器装置(100)的宽度方向(301)相对应的前方进入所述机柜，以使所述换热器装置(100)的所述管元件(120)的所述第二部分(122)冷却。
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