CN109755193A - 功率模块寿命试验冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率模块寿命试验冷却装置包括冷却室、冷凝器、气压调节泵、冷却液循环泵、隔板、冷却液输送管及设置在冷却液输送管出液端，且用于向功率模块位置喷洒冷却液的喷洒孔，隔板将冷却室分为蒸发腔及位于蒸发腔下部的冷凝腔，蒸发腔和冷凝腔连通，冷却室为密封腔室，冷却液循环泵设置在冷却液输送管上，冷凝器位于冷凝腔内，冷却液输送管的进液端位于冷凝腔的冷却液中，气压调节泵用于将蒸发腔内的气体抽送至冷凝腔，该功率模块寿命试验冷却装置的冷却效率提高。

Description

功率模块寿命试验冷却装置

技术领域

本发明涉及寿命测试技术领域，特别涉及一种功率模块寿命试验冷却装置。

背景技术

为了查出对IGBT等功率模块的失效机理，探寻器件状态监控和可靠性管理方法，测试新材料、新设计工艺的可靠性等，需要对功率模块进行寿命试验。由于功率模块的失效形式主要由热机械疲劳引起，因此针对热疲劳的可靠性试验尤为重要。功率循环加速老化试验是其中的一种常用手段，具体的，通过功率模块寿命试验冷却装置对功率模块寿命进行试验。

传统的功率模块寿命试验冷却装置包括位于功率模块下方水冷板及用于进行冷却水循坏的水泵，水冷板内设有冷却水流道，冷却水流道通过管道与水泵连通，进行冷却水循环降温。

然而，由于冷却水通常使用外界冷塔自然冷却的二次供水冷却。因此低温操作温度受二次供水温度的限制，且随着气温的升高而升高，，功率模块降温时间延长，可操作温度区间减小，导致功率模块寿命试验冷却装置的冷却效率降低。

因此，如何提高功率模块寿命试验冷却装置的冷却效率，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种功率模块寿命试验冷却装置，该功率模块寿命试验冷却装置的冷却效率提高。

为实现上述目的，本发明提供一种功率模块寿命试验冷却装置，包括冷却室、冷凝器、气压调节泵、冷却液循环泵、隔板、冷却液输送管及设置在所述冷却液输送管出液端，且用于向功率模块位置喷洒冷却液的喷洒孔，所述隔板将所述冷却室分为蒸发腔及位于所述蒸发腔下部的冷凝腔，所述蒸发腔和所述冷凝腔连通，所述冷却室为密封腔室，所述冷却液循环泵设置在所述冷却液输送管上，所述冷凝器位于所述冷凝腔内，所述冷却液输送管的进液端位于所述冷凝腔的冷却液中，所述气压调节泵用于将所述蒸发腔内的气体抽送至所述冷凝腔。

优选地，所述隔板的上表面设有蒸发器翅片，所述蒸发器翅片等间距平行分布。

优选地，还包括设置在所述隔板下表面的冷凝器翅片，所述冷凝器翅片等间距平行分布。

优选地，所述冷凝腔和所述蒸发腔通过侧壁设置的蒸气输送通道连通，所述气压调节泵设置在所述蒸气输送通道的出气口。

优选地，还包括设置在所述蒸发腔上的气压计。

优选地，还包括冷却液流量控制阀，所述冷却液流量控制阀设置在所述冷却液输送管上。

优选地，所述冷凝器为盘管式冷凝器或板式冷凝器。

优选地，所述冷却液输送管包括与冷却液循环泵进液口连接的输送主管及设置有所述喷洒孔的喷洒支管，所述喷洒支管为多个，每个所述喷洒支管上设有一个所述喷洒孔，多个所述喷洒支管并列设置，且进液口均与所述输送主管的出液口连通。

优选地，所述冷却室顶端设有用于放置功率模块的冷却平台，每个所述冷却平台正下方对应一个所述喷洒孔。

优选地，喷洒孔的出液口端设有雾化喷头。

在上述技术方案中，本发明提供的功率模块寿命试验冷却装置包括冷却室、冷凝器、气压调节泵、冷却液循环泵、隔板、冷却液输送管及设置在冷却液输送管出液端，且用于向功率模块位置喷洒冷却液的喷洒孔，隔板将冷却室分为蒸发腔及位于蒸发腔下部的冷凝腔，蒸发腔和冷凝腔连通，冷却室为密封腔室，冷却液循环泵设置在冷却液输送管上，冷凝器位于冷凝腔内，冷却液输送管的进液端位于冷凝腔的冷却液中，气压调节泵用于将蒸发腔内的气体抽送至冷凝腔。工作时，将功率模块放置在冷却室上方，功率模块在上功率周期通电发热，将自身和相接触的冷却室相应位置加热升温到要求的高温工作限，然后进入去功率周期，冷却液循环泵工作，将冷凝腔内的冷却水通过冷却液输送管输送至喷洒孔位置，通过喷洒孔喷出高压冷却液将功率模块冷却，通过将蒸发腔内的气体抽送至冷凝腔，气体经过冷凝器冷却后再次进行冷却循环。

通过上述描述可知，在本申请提供的功率模块寿命试验冷却装置中，气压调节泵将蒸发腔中产生的蒸气尽快的输运到冷凝腔中，实现蒸发腔平均压力低于冷凝腔，使得蒸发腔对应低的饱和蒸发温度，而冷凝腔对应高的饱和冷凝温度，使得余液回收可以顺利实现。蒸发腔中的压力进行控制，从而使其饱和蒸发温度不高于低温工作限制。冷却室密封，使得蒸发腔形成一定真空度，使冷却工质在低于环境温度下沸腾，以使低温工作的温度低于环境温度，据此加快冷却速率，扩展功率循环的温度区间，进而有效地提高了功率模块寿命试验冷却装置的冷却效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的功率模块寿命试验冷却装置的工作流程图；

图2为本发明实施例所提供的功率模块寿命试验冷却装置的结构示意图。

其中图1-2中：100-雾化喷头、101-蒸发器翅片、102-气压调节泵、103-冷凝腔、104-冷却液循环泵、105-冷却液流量控制阀、106-冷凝器翅片、107-冷却液输送管、108-蒸发腔、109-蒸气输送通道连通、200-冷凝器、201-水冷盘管、202-储水箱、203-冷塔、300-功率模块、301-冷却平台。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种功率模块寿命试验冷却装置，该功率模块寿命试验冷却装置的冷却效率提高。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1和图2，在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的功率模块寿命试验冷却装置包括冷却室、冷凝器200、气压调节泵102、冷却液循环泵104、隔板、冷却液输送管107及设置在冷却液输送管107出液端，且用于向功率模块300位置喷洒冷却液的喷洒孔，具体的，多个喷洒孔可以为并列设置在一个冷却液输送管107上或通过平板开孔形成喷洒孔。优选，冷却室顶端设有用于放置功率模块的冷却平台301，为了便于快速降温，优选，冷却平台301为金属平台。当冷却液输送管107就多个管路时，冷却液循环泵104可以为冷却液分配泵，用于向多个管路输送冷却液。

隔板将冷却室分为蒸发腔108及位于蒸发腔108下部的冷凝腔103，蒸发腔108和冷凝腔103连通，冷却室为密封腔室，冷却液循环泵104设置在冷却液输送管107上，冷凝器200位于冷凝腔103内，冷却液输送管107的进液端位于冷凝腔103的冷却液中，气压调节泵102用于将蒸发腔108内的气体抽送至冷凝腔103。具体的，冷却液可以为水或其它单质，也可以为混合成分的制冷工质，本申请不做具体限定。

工作时，将功率模块300放置在冷却室上方，功率模块300在上功率周期通电发热，即通过功率器件及冷却平台301的等固态材质的热容蓄热升温达到高温操作温度，将自身和相接触的冷却室相应位置加热升温到要求的高温工作限，然后进入去功率周期，冷却液循环泵104工作，将冷凝腔103内的冷却水通过冷却液输送管107输送至喷洒孔位置，通过喷洒孔喷出高压冷却液将功率模块300冷却，通过将蒸发腔108内的气体抽送至冷凝腔103，气体经过冷凝器200冷却后再次进行冷却循环。

通过上述描述可知，在本申请提供的功率模块寿命试验冷却装置中，由于蒸发腔108和冷凝腔103构成的对外界具有足够的密封等级，一方面阻止工质的泄露，一方面防止外界气体进入系统。气压调节泵102将蒸发腔108中产生的蒸气尽快的输运到冷凝腔103中，实现蒸发腔108平均压力低于冷凝腔103，使得蒸发腔108对应低的饱和蒸发温度，而冷凝腔103对应高的饱和冷凝温度。通过气压调节泵102调节蒸发腔108和冷凝腔103的蒸气压力，控制对应的饱和冷凝和蒸发温度，冷却工质可以低于环境温度下沸腾，从而使装置的低温工作温度能够低于环境温度，因此获得更宽的温度控制区间，更大的传热热流密度，更宽的热负荷区间进而有效地提高了功率模块寿命试验冷却装置的冷却效率。

为了进一步提高工作效率，优选，隔板的上表面设有蒸发器翅片101，蒸发器翅片101等间距平行分布。工作时，冷却液高速冲击被功率模块300加热的冷却平台301，其中一部分冷却液蒸发气化为蒸气，一部分溅射后落回蒸发腔108底部，蒸发器翅片101通过吸收从冷凝腔103的热量使汇集在蒸发腔108底部的液态工质气化，气化的工质在气压调节泵102的驱动下通过蒸气输运通道进入冷凝腔103。

进一步，该功率模块寿命试验冷却装置还包括设置在隔板下表面的冷凝器翅片106，冷凝器翅片106等间距平行分。工作时，一部分蒸气在冷凝腔103顶部的冷凝器翅片106上向蒸发腔108中的余液散热而冷凝成液态，进一步提高冷却效率。

优选的，冷凝腔103和蒸发腔108通过侧壁设置的蒸气输送通道109连通，气压调节泵102设置在蒸气输送通道109的出气口。当然，冷凝腔103和蒸发腔108还可以通过输气管连接。

更进一步，该功率模块寿命试验冷却装置还包括设置在蒸发腔108上的气压计。通过设置气压计，便于工作人员及时得知蒸发腔108内气压，进而调节气压调节泵102，进一步提高了功率模块300的冷却效率。

进一步，该功率模块寿命试验冷却装置还包括冷却液流量控制阀105，冷却液流量控制阀105设置在冷却液输送管107上。在去功率区间，通过向冷却平台301喷雾冷却液，带走热容热量，降温达到低温操作限通过液体分配泵抽取液态散热工质，并通过流量调节阀来控制喷雾时机和喷雾量和雾化后液滴密度，从而控制降温的速率。

优选的，冷凝器200为盘管式冷凝器或板翅式冷凝器。冷凝器200的水冷盘管201，由外循环的水冷系统提供冷凝冷却水，外循环具体包括水泵、储水箱202和冷塔203，冷却水系统为喷雾冷却循环提供可持续的冷凝冷却水，具体提使用时可以根据需要设置流量调节阀及温度监测调节装置等装置。

在上述各方案的基础上，优选，冷却液输送管107包括与冷却液循环泵104进液口连接的输送主管及设置有喷洒孔的喷洒支管，喷洒支管为多个，每个喷洒支管上设有一个喷洒孔，多个喷洒支管并列设置，且进液口与输送主管的出液口连通。通过设置并列布置的多个喷洒支管，使得各个喷洒孔喷洒流量相等，进而便于工作人员掌握功率模块300的冷却时间。

为了提高功率模块300的冷却效率，优选，每个冷却平台301正下方对应一个喷洒孔。

为了提高功率模块寿命试验冷却装置可靠性和控制性，冷却液输送管107上设有安全阀和过滤装置，冷却室底部设有减振装置。

优选的，喷洒孔的出液口端设有雾化喷头100。采用了高效的喷雾冷却方式，可以实现更快的降温速率。冷却液循环泵104在去功率周期启动，抽吸冷凝腔103中的冷却液，通过雾化喷头100向冷却平台301喷淋冷却液。

在工作时冷凝腔103中蒸气主要在冷凝器200上冷凝成液态，滴漏到冷凝腔103底部。气压调节泵102和冷却液循环泵104等散热装置自身的散热也由冷凝腔103内的液态工质蒸发后在冷凝器200的水冷盘管201表面上的冷凝带走，最终系统产生的热量由冷凝器200的外循环水路带走排向外界环境。

该功率模块寿命试验冷却装置具有结构紧凑、轻量化、低噪声、高效率的特点，适用于功率循环加速老化试验的散热需求。特别的，本发明在考虑了功率器件功率循环老化试验的运行特点和制约条件的基础上，进行设计，具有很强的应用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，包括冷却室、冷凝器(200)、气压调节泵(102)、冷却液循环泵(104)、隔板、冷却液输送管(107)及设置在所述冷却液输送管(107)出液端，且用于向功率模块(300)位置喷洒冷却液的喷洒孔，所述隔板将所述冷却室分为蒸发腔(108)及位于所述蒸发腔(108)下部的冷凝腔(103)，所述蒸发腔(108)和所述冷凝腔(103)连通，所述冷却室为密封腔室，所述冷却液循环泵(104)设置在所述冷却液输送管(107)上，所述冷凝器(200)位于所述冷凝腔(103)内，所述冷却液输送管(107)的进液端位于所述冷凝腔(103)的冷却液中，所述气压调节泵(102)用于将所述蒸发腔(108)内的气体抽送至所述冷凝腔(103)。

2.根据权利要求1所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，所述隔板的上表面设有蒸发器翅片(101)，所述蒸发器翅片(101)等间距平行分布。

3.根据权利要求2所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，还包括设置在所述隔板下表面的冷凝器翅片(106)，所述冷凝器翅片(106)等间距平行分布。

4.根据权利要求1所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，所述冷凝腔(103)和所述蒸发腔(108)通过侧壁设置的蒸气输送通道(109)连通，所述气压调节泵(102)设置在所述蒸气输送通道(109)的出气口。

5.根据权利要求4所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，还包括设置在所述蒸发腔(108)上的气压计。

6.根据权利要求1所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，还包括冷却液流量控制阀(105)，所述冷却液流量控制阀(105)设置在所述冷却液输送管(107)上。

7.根据权利要求1所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，所述冷凝器(200)为盘管式冷凝器或板式冷凝器。

8.根据权利要求1所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，所述冷却液输送管(107)包括与所述冷却液循环泵(104)进液口连接的输送主管及设置有所述喷洒孔的喷洒支管，所述喷洒支管为多个，每个所述喷洒支管上设有一个所述喷洒孔，多个所述喷洒支管并列设置，且进液口均与所述输送主管的出液口连通。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，所述冷却室顶端设有用于放置功率模块(300)的冷却平台(301)，每个所述冷却平台(301)正下方对应一个所述喷洒孔。

10.根据权利要求9所述的功率模块寿命试验冷却装置，其特征在于，喷洒孔的出液口端设有雾化喷头(100)。