CN109103155B - 用于发热装置的热传递组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于发热装置的热传递组件。所述组件包括：用于收纳冷却剂的模块入口；至少一个模块，所述至少一个模块具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有用于收纳所述发热装置的一部分的凹部，并且所述第二部分具有成形的切口部分和实心部分，其中所述第二部分允许对设置在所述第一部分上的密封部件进行均匀压缩。所述第一部分和所述第二部分机械地连接到彼此；并且使用模块出口以在吸收来自所述发热装置的热量之后排放吸热的冷却剂，其中所述至少一个模块连接到所述模块入口和所述模块出口。
Description
技术领域
本公开的实施例涉及一种冷却例如功率电子装置等发热装置(heat emittingdevice)或冷却多个发热装置所需的热传递组件(heat transfer assembly)。
背景技术
传统上，在例如功率电子装置等发热装置的液体冷却中，装置被安装在冷却板(通常被称为冷板)上，所述冷却板经受液体冷却剂的内部、单相流体流动。由电子装置产生的热量通过三层进行传导，这三层包括电子装置基板、热界面材料(TIM)和冷板本体。最后，热量被对流进入液体冷却剂中并且向下游输送以被排放到周围环境中。
存在提供不同结构以实现本说明书中上述冷却的不同的解决方案。对这种冷却的一些改进还包括直接冷却解决方案，其中TIM层和冷板本体传导层被移除并且冷却剂流动被施加到功率电子装置的基板。
然而，直接冷却设计通常经受泄漏相关问题，所述泄漏相关问题使功率电子装置损坏并且是这些冷却解决方案的制造过程中的严重的可靠性问题。进一步地，这些设计中的一些设计还经受冷却剂流动分布问题。通常，单个泵用于驱动冷却剂穿过多个流动路径。在若干设计中，当一个路径具有与其它路径相比不同的冷却剂流动阻力时，流动是不均衡的。另一个问题是一些设计中的水锤效应，当高速流动绕过一些路径并且穿过最终路径产生更高的流速时出现所述水锤效应。
因此，冷却剂的有效密封和恰当的流动分布在用于发热装置的冷却解决方案中继续存在一些挑战。
发明内容
在一方面，公开了一种联接到发热装置的热传递组件，所述热传递组件用于使来自所述发热装置的热量消散。所述热传递组件包括：用于收纳冷却剂的模块入口；至少一个模块，所述至少一个模块包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有用于收纳所述发热装置的一部分的凹部，并且所述第二部分具有成形的切口部分(shaped cutout portion)和实心部分(solid portion)，其中所述第二部分允许对设置在所述第一部分上的密封部件进行均匀压缩，并且其中所述第一部分和所述第二部分机械地连接到彼此；以及用于在吸收来自所述发热装置的热量之后排放吸热的冷却剂的模块出口，其中所述至少一个模块连接到所述模块入口和所述模块出口。
在另一个实施例中，所述热传递组件包括多个模块，所述多个模块被布置成对称的布局以允许所述冷却剂在所述热传递组件中对称流动(symmetrical flow)。
本发明技术方案1提供一种联接到发热装置的热传递组件，所述热传递组件用于使来自所述发热装置的热量消散，所述热传递组件包括：用于收纳冷却剂的模块入口；至少一个模块，所述至少一个模块包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有用于收纳所述发热装置的一部分的凹部，并且所述第二部分具有成形的切口部分和实心部分；密封部件，所述密封部件被设置在所述发热装置与所述至少一个模块之间；用于在吸收来自所述发热装置的热量之后排放吸热的冷却剂的模块出口，其中所述至少一个模块连接到所述模块入口和所述模块出口，其中所述第二部分允许对所述密封部件进行均匀压缩，并且其中所述第一部分和所述第二部分机械地连接到彼此。
技术方案2：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述冷却剂是单相冷却剂或相变冷却剂中的至少一种。
技术方案3：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述第二部分中的所述成形的切口部分和所述实心部分实现用于均匀压缩所述密封部件的四点弯曲。
技术方案4：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，包括多个模块，所述多个模块被布置成对称的布局以允许所述冷却剂在所述热传递组件中对称流动。
技术方案5：根据技术方案3所述的热传递组件，进一步包括用于收纳所述冷却剂的组件入口，其中所述对称的布局为所述冷却剂进入所述多个模块中的每一个提供流动方向；以及用于排放从所述多个模块收纳的所述吸热的冷却剂的组件出口，其中所述组件入口和所述组件出口通过分布式管道而连接到所述多个模块中的每个模块的所述模块入口和所述模块出口。
技术方案6：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述第一部分和所述第二部分集成为单个单元。
技术方案7：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述第一部分和所述第二部分使用卡扣配合配置机械地连接到彼此。
技术方案8：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述至少一个模块由聚合物材料或复合材料中的至少一种制成。
技术方案9：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述发热装置的所述部分使用多个螺栓而螺栓连接到所述至少一个模块，其中每个螺栓穿过所述第一部分和所述第二部分。
技术方案10：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述至少一个模块是柔性的，以实现针对防漏密封的负载均衡的凸曲率。
技术方案11：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述第二部分是柔性的，以实现针对防漏密封的负载均衡的凹曲率。
技术方案12：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，进一步包括第三部分，其中所述第二部分被设置在所述第一部分与所述第三部分之间，并且其中所述第三部分是所述第一部分的镜像。
技术方案13：根据技术方案12所述的热传递组件，其中，所述发热装置的所述部分螺栓连接到所述至少一个模块，其中每个螺栓穿过所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分。
技术方案14：根据技术方案1所述的热传递组件，其中，所述发热装置是功率转换器。
技术方案15：根据技术方案14所述的热传递组件，其中，所述功率转换器包括碳化硅开关。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解，其中在整个附图中相同的标号表示相同的部分，其中：
图1A是用于从发热装置传递热量的热传递组件的实施例的示例实施方案；
图1B是具有密封部件的图1A的实施例的示例实施方案；
图2A是用于说明现有技术中使用的密封部件的不均匀压缩的自由体图；
图2B到图2F是用于示出本说明书中所描述的热传递组件的不同实施方案中的均匀压缩的自由体图；
图3是热传递组件的图解表示，所述图解表示示出了热传递组件的模块的第一部分与第二部分之间的卡扣配合布置；
图4是具有线性地布置的模块的热传递组件的另一个实施例的示例实施方案的顶视图；
图5是具有对称的模块布局的热传递组件的又另一个实施例的图解表示；
图6是示出用于冷却剂的对称的流动路径的热传递组件的又另一个实施例的图解表示；并且
图7是热传递组件连同发热装置的实施例的图解表示。
具体实施方式
本说明书中所描述的热传递组件的不同方面涉及用于任何发热装置的可靠的冷却布置，所述发热装置在它们的操作过程中产生热量。一个这种装置是使用基于半导体的电路系统的功率转换器。功率转换器通常包括半导体开关，所述半导体开关可选地与例如二极管、电容器和/或电感器等其它电路系统结合。由于与这种开关相关联的高的热通量，因此本说明书中所描述的热传递组件尤其对于功率转换器(包括碳化硅开关)是有益的。本说明书中所描述的不同方面侧重于热传递组件的几何结构，所述热传递组件使用于密封发热装置与热传递装置的密封部件能够均匀压缩，并且因此解决以其它方式发生的如本说明书中以上说明的任何泄漏相关问题。
不同的实施例还处理与热传递组件相关的其它方面，例如为冷却剂提供对称的流动路径，这进一步增强了热传递组件的可靠操作。这些实施例为灵活制造提供了简便性而不引入新的部件，并且用于制造热传递组件的材料提供了电绝缘结构，其中还减小了发热装置中的电磁干扰(EMI)，由此也改进了发热装置的操作。
图1A是用于从发热装置(图1中未示出)传递热量的热传递组件100的实施例的非限制性实施方案。热传递组件100包括示出为110的至少一个模块，所述至少一个模块具有第一部分120和第二部分140，所述第一部分具有用于收纳发热装置的一部分的凹部130和设置在凹部中的密封部件(在图1B中示出)，并且所述第二部分具有成形的切口部分150和实心部分160。所属领域的技术人员将理解的是，第二部分140允许对密封部件进行均匀压缩，因此为设置在发热装置与模块之间的密封部件提供防漏密封，并且因此防止可能损坏发热装置的泄漏发生。在此，可以注意到的是，模块110是柔性的(到1mm的量级)以实现负载均衡的凸曲率(convex curvature)或凹曲率(concave curvature)，从而确保防漏密封的均匀压缩。本说明书中提到的密封部件在一个示例中是O形环密封件，并且在另一个示例中是垫片，且在图1B中由附图标记132示出。在此，可以注意到的是，密封部件(O形环、垫片等)可以是单独的部件，或者它甚至可通过增材制造法集成到模块中。图1B中的其它部件与参照图1A示出和描述的部件相同。参照图2A到2F更详细地描述与密封部件的压缩相关的另外细节。
在本说明书中所描述的不同实施例中，第一部分110和第二部分140机械地连接到彼此。在一些实施例中，例如在图1A的实施例中，第一部分120和第二部分140被制造为单个集成单元。图1A中示出的热传递组件100进一步包括用于收纳冷却剂的模块入口170和用于排放吸热的冷却剂的模块出口180。冷却剂是典型地液体冷却剂，例如水、去离子水、水乙二醇(water-glycol)和单氟酮(fluoroketones)，如用于相变应用(phase changeapplications)的Novec649TM。模块入口170和模块出口180被联接到发热装置下面的凹部130的部分，从而使得冷却剂直接接触发热装置(有时也被称为基板)的部分并且因此实现发热装置的有效率且有效的冷却。
进一步地，在一个示例中，所述冷却剂是单相冷却剂(single phase coolant)，这意味着甚至在吸收来自热传递装置的热量之后，液体冷却剂保持液态。在另一个示例中，所述冷却剂是相变冷却剂，这意味着在吸收来自热传递装置的热量之后液体冷却剂变为蒸气。
热传递组件还包括在附图中所见的例如190、190'、190"、190"'的孔洞，所述孔洞用于收纳相应的螺栓(未示出)以将发热装置与热传递组件110机械地紧固。所属领域的技术人员将理解的是，使用这些螺栓将发热装置的期望部分螺栓连接到相应的模块，其中每个螺栓穿过第一部分120和第二部分140。
图2A到2F进一步示出了用于说明一些现有技术设计中的密封部件的不均匀压缩的自由体图解(free body diagrams)以及与本公开的实施例相关的提供密封部件的均匀压缩的自由体图解。如在图2A中示出的现有技术设计的自由体图解200中所见，由于跨越夹紧螺栓的长距离，泄漏在模块220的中央210处发生(所述点距螺栓最远)，螺栓的夹紧力由箭头230和240示出，并且抵消力(offset force)由250和260示出。因此，中央210随时间变得脆弱并且导致穿过密封部件的泄漏。
图2B示出了用于本说明书中所描述的不同实施例的修改的自由体图解270，其中由螺栓和螺母施加的反作用力230和240通过引入由抵消力280和290示出的四点弯曲而被抵消，这提供了均匀的O形环压缩。在不同实施例中描述的热传递组件的模块110因此能够由于四点弯曲(four-point bending)而挠曲(flex)，并且适应如图2C中图解300示出的凹曲率或如图2D中图解350示出的凸曲率。图2E中的自由体图解360示出了实施图2B到图2D的特征的单个模块的一个实施例。图2C到图2D还示出了由附图标记310指示的发热装置的部分。图2E示出了螺母194和螺栓192，所述螺母和所述螺栓用于将模块110与由附图标记310示出的发热装置的一部分附接在一起。
图2F示出了另一个实施例380，其中双侧部件实施图2B到图2D的特征。所属领域的技术人员将理解的是，在此实施例中，模块包括除了参照图1描述的第一部分120和第二部分140之外的第三部分320。第二部分140被设置在第一部分120与第三部分320之间，并且第三部分320是第一部分120的镜像。在此具体实施例中，由于第一部分和第三部分均变得易于收纳功率转化器，因此例如功率转换器等发热装置310和390可被定位在两侧，并且并且第二部分为定位在第一部分和第三部分的顶部上的这两个功率转换器提供所需的冷却。所属领域的技术人员将理解的是，在此配置中，螺栓将穿过第一部分、第二部分和第三部分、以及功率转换器或任何其它发热装置。
所属领域的技术人员将理解的是，如之前所提及的或在一些其它实施例中，例如在如图3中示出的实施例400中，第一部分和第二部分或第一部分、第二部分和第三部分都可处于一个集成单元中，例如第一部分和第二部分的这些部件可使用卡扣配合例如通过使用凹槽连接到彼此，如附图标记410所指示。图3中的其它部件与图1中的部件相同。
现在转向图4，公开了另一个实施例的图解表示500，其中热传递组件具有布置成线性阵列的多个模块510、520、530，每个模块具有由附图标记540、550、560示出的相应的模块入口和由附图标记570、580和590示出的相应的出口，并且所有模块连接到具有组件入口600和组件出口610的管道以便为冷却剂提供流动路径。
图5是八个单独的模块处于一个集成单元中的另一个实施例的图解表示800，其中模块810、830分别是模块820和840的镜像，并且模块850和870分别是模块860和880的镜像。而且，模块810、830、850、870都处于一侧上，而镜像模块820、840、860和880处于由分离器920分离的另一侧上。如所示出，分布式管道910允许组件入口890和组件出口900连接到单独的模块入口和模块出口。
图6是另一个图解表示1000，其中多个模块1010、1030、1050、1070和镜像模块1020、1040、1060、1080被布置成使得存在对称的布局以允许热传递组件1000中的冷却剂从入口1090穿过流动通道的对称流动方向进入这些模块中的每个模块的相应模块入口，并且类似地为穿过每个模块出口进入热传递组件1000的出口1300中的冷却剂的退出提供对称的流动路径。分布式管道1310提供组件入口与每个模块入口以及每个模块出口与热传递组件的组件出口的连接。
冷却剂的对称流动确保冷却剂不在这些模块中的相对于其它模块的任何一个模块中积聚，并且保持贯穿热传递组件的均衡的流动路径。如所示出，流分三次分成两半，从而有效地扰乱已知会引起现有技术设计中流动不均衡的水锤。第一次分流如由箭头1100、1110、1120所指示；第二次存在一侧上由箭头1130、1140和1150示出且另一侧上由箭头1190、1200和1210示出的两路对称分流(two way symmetrical split)；并且存在一侧上由箭头1160、1170、1180示出且另一侧上由箭头1220、1230和1240示出的第三对称分流(thirdsymmetrical split)。如在图6中所见，对称布局使从入口到每个单独的模块的流动路径类似。这使每个单独的模块中的流动阻力类似，并且实现了如本说明书中上文提及的均衡的流动分布。
现在转向图7，图解表示2000示出了功率转换器驱动，其中不同的功率转换器2010、2030、2050被定位在参考例如图5和图6的实施例等上述实施例说明的相应的热传递组件的相应的模块2020、2040和2060的顶部上。
本说明书中所描述的单独模块或多个模块由以下各种材料中的至少一种材料制成：聚合物材料(polymer material)、共聚物材料(copolymer material)或例如聚合物-陶瓷复合材料、碳纤维复合材料等复合材料(composite material)、其它非金属材料、金属和合金。在一些实施例中，整个热传递组件由相同的材料制成。与例如三维印刷等较快的制造技术兼容的另外的其它材料还将适合于本说明书中所描述的多个模块。
因此，本说明书中所描述的热传递组件的模块的不同实施例实现了通过冷却剂与发热装置直接接触的有效冷却，并且此外，模块确保了防漏密封以克服密封部件的不均匀压缩，这对于例如功率转换器等发热装置和用于发热装置的直接液体冷却的使能器(enabler)是至关重要的。
这个密封概念是用于直接液体冷却的使能器，所述使能器将从功率转换器(例如，半导体芯片)到空气的热阻减小了-20degC/kW(摄氏度/千瓦)。这意味着功率转换器装置将具有针对相同的结点温度的较大的功率额定值，或替代性地针对相同的功率额定值的更有效的功率转换(较低结点温度)。进一步地，由于本说明书中所描述的热传递组件中不再需要高热导率的材料，因此它可由经济的聚合物或复合材料制成。这种材料是良好的绝缘体，并且因此起到隔热连同提供结构支撑的作用。由于不需要引起现有技术设计中的EMI的大的天线状有源散热器，因此绝缘结构还将减小EMI。因此，现有技术冷却布置中的例如散热器、TIM和附随的隔离部件等若干部件通过本说明书中所描述的不同的实施例变得冗余，从而使得能够以更低的组装人工成本实现更简单、更紧凑的冷却设计。
本说明书中所描述的热传递组件的实施例还实现了用于冷却剂的对称的流动路径以避免由于用于冷却剂的流动路径中不均匀的流动积聚(non-uniform flow build-up)而产生的任何压力积聚(pressure build-up)。
所属领域的技术人员将理解的是，本说明书中所描述的热传递组件的模块化结构使得其对增材制造可兼容。在一个实施方案中，热传递组件被增材地制造并且在另一个实施方案中进行注塑，这允许用于内部流动路径的复杂的三维几何结构(相对于现有技术机器加工的铝设计)。
所属领域的技术人员应该理解的是，尽管本说明书中已经描述了关于对作为发热装置的功率转换器装置进行冷却的热传递组件，但是发热装置可以是任何基于半导体的装置或电路，这些可以是计算机处理设备或电动机和发电机的一部分，或者是在它们的操作过程中产生热量并且需要冷却以安全操作它们的部件的任何装置。
将进一步理解的是，根据任何具体实施例不一定都可实现所有这些目标或优点。因此，例如，所属领域的技术人员将认识到，本说明书中描述的系统和技术可以以实现或改进本说明书所教导的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不必实现本说明书可能教导或建议的其它目标或优点。
虽然已结合有限数量的实施例详细描述了本发明技术，但应容易理解，说明书不限于此类公开的实施例。而是，可修改技术以合并此前未描述但与权利要求书的精神和范围相称的任何数量的变化、更改、替代或等效布置。另外，虽然已描述了本发明技术的各种实施例，但应理解，说明书的方面可包括所描述实施例中的仅一些。因此，说明书应被视为不受前文描述限制，而仅受所附权利要求书的范围限制。
虽然本说明书中仅展示和描述了本发明的某些特征，但所属领域的技术人员将想到许多修改和改变。因此，应理解，所附权利要求书旨在涵盖如属于本发明的真实精神内的所有此类修改和改变。
Claims (14)
1.一种联接到发热装置的热传递组件，所述热传递组件用于使来自所述发热装置的热量消散，所述热传递组件包括：
用于收纳冷却剂的模块入口；
至少一个模块，所述至少一个模块包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有用于收纳所述发热装置的一部分的凹部，并且所述第二部分具有成形的切口部分和实心部分；
密封部件，所述密封部件被设置在所述发热装置与所述至少一个模块之间；
用于在吸收来自所述发热装置的热量之后排放吸热的冷却剂的模块出口，其中所述至少一个模块连接到所述模块入口和所述模块出口，
其中所述第二部分允许对所述密封部件进行均匀压缩，并且其中所述第一部分和所述第二部分机械地连接到彼此；以及
其中所述至少一个模块是柔性的，以实现针对防漏密封的负载均衡的凸曲率或凹曲率。
2.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，所述冷却剂是单相冷却剂或相变冷却剂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，所述第二部分中的所述成形的切口部分和所述实心部分实现用于均匀压缩所述密封部件的四点弯曲。
4.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，包括多个模块，所述多个模块被布置成对称的布局以允许所述冷却剂在所述热传递组件中对称流动。
5.根据权利要求4所述的热传递组件，进一步包括用于收纳所述冷却剂的组件入口，其中所述对称的布局为所述冷却剂进入所述多个模块中的每一个提供流动方向；以及用于排放从所述多个模块收纳的所述吸热的冷却剂的组件出口，其中所述组件入口和所述组件出口通过分布式管道而连接到所述多个模块中的每个模块的所述模块入口和所述模块出口。
6.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，所述第一部分和所述第二部分集成为单个单元。
7.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，所述第一部分和所述第二部分使用卡扣配合配置机械地连接到彼此。
8.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，所述至少一个模块由聚合物材料或复合材料中的至少一种制成。
9.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，所述发热装置的所述部分使用多个螺栓而螺栓连接到所述至少一个模块，其中每个螺栓穿过所述第一部分和所述第二部分。
10.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，所述第二部分是柔性的，以实现针对防漏密封的负载均衡的凹曲率。
11.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，进一步包括第三部分，其中所述第二部分被设置在所述第一部分与所述第三部分之间，并且其中所述第三部分是所述第一部分的镜像。
12.根据权利要求11所述的热传递组件，其中，所述发热装置的所述部分螺栓连接到所述至少一个模块，其中每个螺栓穿过所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分。
13.根据权利要求1所述的热传递组件，其中，所述发热装置是功率转换器。
14.根据权利要求13所述的热传递组件，其中，所述功率转换器包括碳化硅开关。
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