CN110391598A - 电子冷却模块 - Google Patents

Abstract

提供一种电子冷却模块。一种用于冷却电子部件的液体冷却模块，其包括支撑电子部件的壳体，其中壳体包括容纳冷却液体的腔室。液体流动通道可以与腔室流体连通并限定液体冷却环路。支撑壳体的冷板可以具有热联接到液体流动通道的冷却通道。

Description

电子冷却模块

相关申请的交叉引用

该申请要求于2018年4月17日提交的美国申请No.15/955，299的权益，其整体通过引用的方式并入文中。

技术领域

该公开大体涉及一种用于电子部件的冷却模块，更特别地，涉及一种冷却发热电子部件的液体冷却模块及方法。

背景技术

现代电力转换系统，包括在飞行器和地面航行器中运用的系统，向航空电子件和其他装备提供AC、DC或是AC和DC电力的组合，以控制飞行器或地面航行器系统。电子系统还可以包括电路板所承载的电子部件。电路板可以储存在电子机箱中，其施行若干有益功能，包括保护航空电子件免受雷击，耗散电子部件所生成的热量，以及保护航空电子件免受环境暴露。

电子部件可以产生高热负荷，并且运用冷却设备用于在地面待命期间及操作时管理和保护电子件可以是有益的。

发明内容

在一个方面，该公开涉及一种用于冷却电子部件的液体冷却模块。液体冷却模块包括支撑电子部件的壳体，其中壳体包括容纳冷却液体的腔室，并且还包括与腔室流体连通的液体流动通道。液体流动通道可以限定冷却环路。液体冷却模块还可以包括冷板和壳体叶轮，冷板支撑壳体并且具有与液体流动通道热连通的冷却通道，壳体叶轮定位在腔室中，用于使冷却液体循环通过液体冷却环路。

该公开的各方面的任何置换还可以包括，其中，液体流动通道可以热联接到电子部件。该公开的各方面的任何置换还可以包括，其中，液体流动通道的至少一部分可以靠近冷板延续。该公开的各方面的任何置换还可以包括，其中，冷却环路可以是闭合环路，并且其中，冷却液体可以是液态金属。该公开的各方面的任何置换还可以包括在冷却板中的冷却通道内的冷却剂。冷却剂可以包括水、乙二醇、丙二醇、燃料基冷却剂或油基冷却剂。该公开的各方面的任何置换还可以包括构造成将冷却剂泵送通过冷却通道的泵。该公开的各方面的任何置换还可以包括位于冷却板中的冷却通道中的通道叶轮。轴可以将壳体叶轮连接到通道叶轮。该公开的各方面的任何置换还可以包括，其中，通道叶轮可以经由轴驱动壳体叶轮，并且壳体叶轮和通道叶轮可以同时旋转。通道叶轮可以通过在冷却通道内的冷却剂液压驱动。

在另一方面，该公开涉及一种冷却发热电子部件的方法。该方法包括：驱动壳体叶轮的旋转，以使第一冷却剂流动通过支撑电子部件的壳体中的流路；将热量从电子部件传递到第一冷却剂；以及，将热量从第一冷却剂传递到第二冷却剂。

该公开的各方面的任何置换还可以包括：经由轴将壳体叶轮连接到通道叶轮；以及，经由通道叶轮驱动壳体叶轮的旋转。该公开的各方面的任何置换还可以包括，提供用于容纳第二冷却剂的冷却板。该公开的各方面的任何置换还可以包括，其中，驱动进一步包括使第二冷却剂流动通过通道叶轮，以液压驱动壳体叶轮的旋转。通道叶轮可以位于冷却板内。该公开的各方面的任何置换还可以包括，其中，壳体中的流路是闭合流路。

附图说明

在附图中：

图1是根据文中描述的各种方面的具有电子机箱的飞行器的立体图。

图2是图1的示范性电子机箱的立体图，包括根据文中描述的各种方面的冷却模块。

图3是图2的冷却模块的示意图。

图4是示出液体冷却流动的沿着线A-A的图3的冷却模块的横截面视图。

图5图示在图3的冷却模块内的热量流动。

具体实施方式

本公开的各方面描述形成和运用用于电力供应或电力转换系统的液体冷却模块的方法。出于图示的目的，将会相对于飞行器系统描述本公开的冷却模块。将会理解，本公开不限于此，可以在包括太阳能配电系统的非飞行器应用中以及在其他移动或非移动应用中具有普遍适用性，其他移动或非移动应用包括其他基于空气(直升机、无人驾驶的航空器)、基于陆地(即，发电厂、地面航行器)或基于海洋的应用。本公开的各方面也可以应用于诸如陶瓷封装的电子组件。

虽然该冷却模块可以具有普遍适用性，但是，将会进一步详细地描述飞行器的环境以及航空电子机箱和电气组件的具体应用。当与传统的冷却模块或方法相比较时，文中所描述的液体冷却模块的各方面可以允许热量耗散增加。飞行器航空电子件需求增加，在更小的空间内功率密度更高对功率消耗设备的要求增加。新的电力产生单元、转换单元或晶体管可能要求新材料以及更高效的电气和热管理。通过改进冷却性能，文中所描述的液体冷却模块可以使其自身具有在物理受限空间、重量受限空间或体积受限空间内支撑的航空电子件功率密度增加，这允许计算功率增加，或者，传感器或发射器功率增加。

虽然将会描述各种元件“的集合”，但是，将会理解“集合”可以包括任何数量的相应元件，包括仅一个元件。另外，所有方向参考(如，径向、轴向、上、下、向上、向下、左、右、横向、前、后、顶、底、上方、下方、竖直、水平、顺时针、逆时针)仅用于识别目的，以帮助读者理解该公开，而不造成限制，特别是有关其位置、方位或用途。连接参考(如，附接、联接、连接和连结)要被宽泛地诠释，除非另有指示，否则可以包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对移动。这样，连接参考不一定推定两个元件直接连接并且彼此为固定关系。示范性附图仅出于图示的目的，并且附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。

图1示意性地图示带有热管理系统11的飞行器10，热管理系统11图示为机载电子机箱12(以虚线示出)，用于容纳用于在飞行器10操作时使用的电子件、航空电子件或航空电子部件。将会理解，在非限制性示例中，热管理系统11还可以包括散热器、散热片、热交换器、辐射器、相变材料、石墨带或热管。电子机箱12可以容纳各种电子件和航空电子元件，并保护它们免受污染、电磁干扰(EMI)、射频干扰(RFI)、冲击、振动、极端温度等等。替换性地或另外，电子机箱12可以具有安装在其上的各种航空电子件。将会理解，电子机箱12可以位于飞行器10内的任何位置，而不只是图示的机头。

虽然图示在商用客机中，但是，电子机箱12可以被使用在任何类型的飞行器中，而没有限制，例如，固定翼、旋翼、火箭、商用飞行器、私人飞行器或无人驾驶飞行器。而且，本公开的各方面不仅限于飞行器方面，并且可以包括在其他移动和静止构造中。非限制性示例移动构造可以包括基于地面、基于水或另外的基于空气的航行器。

图2进一步详细地图示电子机箱12，其中电子机箱12可以包括限定内部18和外部20的机箱壳体16。电子机箱12可以包括机箱框架30，机箱框架30具有顶盖31、底壁32、后壁33和相对的侧壁34，35。机箱框架30可以进一步包括可移除的前盖36，当移除时，前盖36提供对电子机箱12的内部18的入口，当联接或安装到机箱框架30时，前盖36至少部分地限止对内部18的进入。另外，侧壁34，35可以进一步包括内部表面37和外部表面38。在非限制性示例中，框架可以由任何合适的材料形成，诸如金属(铝或钢)和非金属。

更进一步，一组翅片40可以从侧壁34，35的外部表面38突出。该一组翅片40也可以由任何合适的材料形成，包括铝、铜、钢或带有内侧液体或相变材料的金属。虽然该一组翅片40图示在侧壁34，35上，但是，在另外的非限制性示例中，该一组翅片40可以安置在电子机箱12的任何外部部分上，诸如顶盖31或底壁32。虽然该一组翅片40示出为完全沿着侧壁34，35延伸，但是，应当理解到，该一组翅片40不需要延伸侧壁34，35的全长，并且可以安排成其他构造。

电子机箱12可以进一步包括一组卡轨60，该一组卡轨60在内部18内并由侧壁34，35的内部表面37支撑。该一组卡轨60可以在内部表面37上水平(或竖向)对齐，并在在相对的侧壁34，35上间隔开，以限定有效的卡槽62(通过虚线图示)。包括至少一个航空电子系统卡64的航空电子系统63可以通过卡槽62容纳在电子机箱12内，其中，每个卡槽62可以构造成接收航空电子系统卡64的至少一部分。

每个航空电子系统卡64可以包括一组导线65，如，导线束或导线连接件。该一组导线可以由任何合适的材料形成，包括铜或铝。而且，至少一个发热电子部件66可以包括在航空电子系统卡64上。应当理解，该一组导线65可以视所需而被使用在电子部件66内，或者连接多个电子部件66，或者被使用在航空电子系统卡64内或上的任何其他位置。另外，虽然仅示出一个航空电子系统卡64，但是，电子机箱12可以构造成容纳、支撑或包括任何数量的航空电子系统卡64。在一个非限制性示例中，航空电子系统卡64可以包括陶瓷基板，其中晶片(如，电子部件66)附接到基板。

航空电子系统63可以进一步包括液体冷却模块70，液体冷却模块70图示为设置在电子机箱12内，并且热联接到航空电子系统卡64，使得热量可以通过一组翅片40从电子部件66移走并移出机箱12。通过非限制性示例，可以设想沿着该一组翅片40提供空气以移走热量。可以进一步设想，引入电子机箱12的外部20的热量也可以通过对流耗散。

一组安装脚68可以从机箱壳体16延伸，以便于通过螺栓、楔形锁和螺钉或其他合适的紧固件将电子机箱12安装到飞行器10。进一步，该一组安装脚68还可以作用为电气接地，以将电子机箱12接地到飞行器10的框架。虽然该一组安装脚68示出在该示例中，但是，电子机箱12可以与任何所需类型的附接机构一起使用。

现在参考图3，进一步详细地图示液体冷却模块70。航空电子系统卡64图示为包括一组导线65和示范性的发热电子部件66。在一个示例中，电子部件66可以是晶体管，示出为碳化硅、金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)。将会理解，任何所需的电子部件66可以通过冷却模块70冷却。液体冷却模块70可以包括诸如通过紧固件支撑电子部件66的壳体80。壳体80可以包括相对的第一表面81和第二表面82，其中第一表面81邻近电子部件66。壳体80还可以包括连接第一表面81和第二表面82的、相对的第三表面83和第四表面84。液体冷却模块70可以进一步包括诸如通过紧固件支撑壳体80的冷板90。

图4图示图3的液体冷却模块70越过线A-A的横截面。如所图示的，壳体80可以进一步包括腔室85，腔室85靠近第三表面83并且容纳通过箭头表示的冷却液体86。在一个非限制性示例中，可以设想，可以使用液态金属，诸如镓、镓合金(诸如，镓铟合金或Na-K合金)，作为冷却液体86。还可以使用其他液态金属，以及适合用于液体冷却模块70的环境的其他冷却液体。另外，可以进一步设想，系统卡64可以至少部分地嵌入壳体80内，使得冷却液体86可以直接接触系统卡64。在另一示例中，系统卡64可以联接到壳体80，而不与冷却液体86直接接触。

另外，具有第一部分101、第二部分102和第三部分103的液体流动通道100可以流体地联接到腔室85，并且靠近相应的第一表面101、第四表面104和第二表面102在壳体内延伸，如所示出的。腔室85和液体流动通道100可以在壳体80内限定冷却环路105，还可以设想，冷却环路105可以是在壳体80内的闭合环路。以该方式，液体流动通道100可以热联接到电子部件66，其中液体流动通道100的一部分靠近冷板90延续。

在非限制性示例中，冷板90可以包括至少一个冷却通道92，通过箭头表示的冷却剂94可以流动经过该至少一个冷却通道92，冷却剂94诸如水、乙二醇、丙二醇、燃料基冷却剂或油基冷却剂。诸如内侧热传递翅片的其他结构(未图示)还可以包括在冷却通道92内。多个冷却通道92在图4中示出，每个冷却通道92彼此流体地连接以在冷板90中形成冷却通道回路。该至少一个冷却通道92可以热联接到液体流动通道100，包括通过冷板90与壳体80之间的传导接触。泵120可以构造成将冷却剂94泵送经过冷板90，诸如通过该至少一个冷却通道92。在一个示例中，泵120可以定位在冷板90的外侧，并且经由适当的导管(未示出)流体地联接到该至少一个冷却通道92。在另一个示例中，泵120可以定位在冷板90内。可以进一步设想，泵120可以构造成以任何所需速率将冷却剂94泵送通过冷板90冷却通道92，包括视所需以连续流动、可变流速。

可以设想，双叶轮115可以定位在壳体80与冷板90之间。更具体地，壳体叶轮110可以位于或定位在壳体80的腔室85内，壳体叶轮110带有从轴114径向延伸的多个间隔开的叶片111。叶片111可以使冷却液体86循环通过冷却环路105。如所图示的，叶片111具有凸起的前表面111S，用于当致动时将冷却液体86推动经过腔室85。另外，通道叶轮112可以位于或定位在冷板90的冷却通道92内，通道叶轮110带有从轴114径向延伸的多个间隔开的叶片113。如所图示的，叶片113具有大致垂直的前表面113S，用于被流动经过冷却通道92的冷却剂94推动。应当认识到，叶片111，113可以有许多形状和大小。可以优化叶片113的形状，以被冷却剂94推动，可以优化叶片111的形状，以在腔室85中推动冷却液体86。以该方式，壳体叶轮110、轴114和通道叶轮112可以至少部分地限定双叶轮115。

轴114可以将壳体叶轮110连接到通道叶轮112。例如，孔口116可以形成在壳体80和冷板90中，轴114可以延伸通过孔口116以连接壳体叶轮110和通道叶轮112。可以进一步设想，孔口116可以围绕轴114流体地密封，以便保持闭合的冷却环路105，并防止壳体80与冷板90之间的泄漏。虽然示出叶轮110，112经由轴114连接，但是，应当认识到，每个叶轮110，112可以通过分离且独立的轴或通过分离且独立的驱动力(诸如，泵或其他驱动机构)驱动。

操作时，泵120可以使冷却剂94循环通过冷板90，包括通过至少一个冷却通道92。通道叶轮112可以通过冷却剂94液压驱动，如，通过冷却剂94流动通过冷却通道92而旋转。这样，通道叶轮112可以经由轴114驱动壳体叶轮110。在一个非限制性示例中，壳体叶轮110可以与通道叶轮112同步地旋转，如，两个叶轮110，112具有相等的转速。应当理解，其他部件(未示出)可以包括在液体冷却模块70中，以视所需提供叶轮110，112的不同转速。

图5示意性地图示液体冷却模块70的操作期间的热量流动。电子部件66(例如SiCMOSFET)可以产生热量(利用箭头130示出)，热量可以诸如通过传导而传递到冷却液体86，诸如在液体流动通道100中循环的液态金属。随着冷却液体86沿者第三部分103流动，热量可以从冷却液体86传导性传递(通过箭头140图示)到流动通过冷板90的冷却剂94。

冷却发热电子部件(诸如电子部件66)的方法包括，驱动壳体叶轮110的旋转，以使第一冷却剂(诸如冷却液体86)流动通过壳体80中的流路，诸如液体流动通道100。该方法进一步包括，将热量从电子部件传递到冷却液体86，以及，将热量从冷却液体86传递到冷却剂94，如图5所示。可选地，该方法可以进一步包括提供冷却板(诸如冷板90)用于容纳冷却剂94。可选地，该方法可以进一步包括，将通道叶轮112定位在冷板90内。可选地，壳体80中的流路(诸如液体流动通道100)可以是闭合流路。

本公开的各方面提供各种益处。冷却SiC MOSFET的传统方法包括在壳体中使用微型复杂几何形状的通道，冷却剂可以流动通过该通道。这种方法通常造成高流体压降，这对于流动循环泵来说难以提供。可以理解到，壳体中的液体冷却通道的简化设计以及提供用于使液态金属循环通过的闭合环路可以允许制造成本降低、操作简易性改进以及冷却性能增加。

另外，使用液态金属流代替壳体内的传统冷却液体提供增加的传热系数，由此产生更有效的传热机制以将热量从电子部件驱走，这允许功率密度比在传统电子部件(诸如航空电子件中发现的那些)中更高。因此，可以理解到，如文中所描述的液体冷却模块可以增加部件可靠性和冷却性能两者，以及降低热管理系统的总重量和体积。

除了上面附图中示出的之外，通过本公开，可以考虑许多其他可能的配置。在尚未描述的范围内，各种方面的不同特征和结构可以视所需与其他特征和结构组合地使用。在所有方面中不能图示一个特征并不意味着被诠释为它不能有，而是为了描述的简洁性而做的。因而，可以视所需混合和匹配不同方面的各种特征以形成新的方面，无论是否明确地描述了新的方面。该公开涵盖文中描述的特征的组合或置换。

该书面描述使用示例来公开该发明的各方面，包括最佳模式，还使本领域的普通技术人员能够实践该发明的各方面，包括制造和使用任何设备或系统，并施行任何并入的方法。该发明的专利权范围由权利要求书来限定，可以包括本领域的技术人员容易想到的其他示例。如果该示例具备与权利要求书的文字语言并无不同的结构元件的话，或者，如果该示例包括与权利要求书的文字语言无实质不同的等效结构元件的话，这种其他示例意在包括于权利要求书的范围内。

本发明的各种特性、方面和优势还可以具化为下面的技术方案，如以下条款所限定的：

如文中所描述的液体冷却模块，其中，液体流动通道的一部分靠近冷板延续。

如文中所描述的液体冷却模块，其中，冷却剂包含水、乙二醇、丙二醇、燃料基冷却剂或油基冷却剂中的一种。

如文中所描述的液体冷却模块，其中，壳体叶轮和通道叶轮同时旋转。

一种冷却发热电子部件的方法，该方法包括：驱动壳体叶轮的旋转，以使第一冷却剂流动通过支撑电子部件的壳体中的流路；将热量从电子部件传递到第一冷却剂；以及，将热量从第一冷却剂传递到第二冷却剂。

如文中所描述的方法，进一步包含，经由轴将壳体叶轮连接到通道叶轮。

如文中所描述的方法，进一步包含，经由通道叶轮驱动壳体叶轮的旋转。

如文中所描述的方法，进一步包含，提供用于容纳第二冷却剂的冷却板。

如文中所描述的方法，其中，驱动进一步包含，使第二冷却剂流动通过通道叶轮，以液压驱动壳体叶轮的旋转。

如文中所描述的方法，其中，通道叶轮位于冷却板内。

如文中所描述的方法，其中，壳体中的流路是闭合流路。

Claims (10)

1.一种用于冷却电子部件的液体冷却模块，其特征在于，包含：

壳体，所述壳体支撑所述电子部件，所述壳体具有容纳冷却液体的腔室，并且还具有与所述腔室流体连通的液体流动通道，所述液体流动通道限定冷却环路；

冷板，所述冷板支撑所述壳体，并且具有热联接到所述液体流动通道的冷却通道；以及

壳体叶轮，所述壳体叶轮定位在所述腔室中，用于使所述冷却液体循环通过所述冷却环路。

2.如权利要求1所述的液体冷却模块，其特征在于，其中，所述液体流动通道被热联接到所述电子部件。

3.如权利要求1所述的液体冷却模块，其特征在于，其中，所述冷却环路是闭合环路。

4.如权利要求1所述的液体冷却模块，其特征在于，其中，所述冷却液体是液态金属。

5.如权利要求1所述的液体冷却模块，其特征在于，进一步包含在所述冷板中的所述冷却通道内的冷却剂。

6.如权利要求5所述的液体冷却模块，其特征在于，进一步包含被构造成将所述冷却剂泵送通过所述冷却通道的泵。

7.如权利要求1所述的液体冷却模块，其特征在于，进一步包含位于所述冷板中的所述冷却通道中的通道叶轮。

8.如权利要求7所述的液体冷却模块，其特征在于，进一步包含将所述壳体叶轮连接到所述通道叶轮的轴。

9.如权利要求8所述的液体冷却模块，其特征在于，其中，所述通道叶轮经由所述轴驱动所述壳体叶轮。

10.如权利要求7所述的液体冷却模块，其特征在于，其中，所述通道叶轮由所述冷却通道内的冷却剂液压驱动。