CN110530181A - 沸腾冷却装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种沸腾冷却装置。所述沸腾冷却装置包括功率半导体，其竖直设置；散热板，其设置在功率半导体的两侧面上；热接收护套，其设置在功率半导体的两侧并覆盖散热板；制冷剂，其填充在热接收护套中并与散热板接触；冷凝器，其连接至热接收护套；以及细纵向凹槽，其在散热板的散热面上形成并沿竖直方向延伸，其中通过功率半导体中产生的热量和细纵向凹槽而促进气泡的产生，所产生的气泡上升并穿过前管然后到达冷凝器以液化，使得液体经由回管返回至热接收护套。

Description

沸腾冷却装置
技术领域
本发明涉及一种沸腾冷却装置，更具体地，涉及一种能够有效冷却安装在车辆中的功率半导体的沸腾冷却装置。
背景技术
图14(现有技术)是示出常规双面冷却型功率半导体的示例的视图。如图14所示，功率半导体1用于控制逆变器中的功率并产生热量。因此，设置在功率半导体1上方和下方的水冷管2填充有制冷剂3，以允许制冷剂利用强制对流从两侧冷却功率半导体1。在这种构造中，导热润滑油(lubricant oil)4在功率半导体1与水冷却水管2之间形成，因此限制了散热。这是因为导热润滑剂4的热导率低至约3W/mK。另外，当水冷管2的翅片具有复杂形状时，压力损失增加，因此水冷管与制冷剂3之间的热阻减小受到限制。当制冷剂3的循环量增加时，热阻降低，但是需要增加泵容量，因此在成本和容纳空间方面存在限制。因此，期望可以在不使用泵的情况下进行高散热的沸腾冷却方法，但是由沸腾引起的临界热通量在约180W/cm2的值处不会波动。在诸如SiC-MOSFET等的下一代装置中，芯片面积变小，因此迄今为止使用的临界热通量不足，并且需要将临界热通量提高至约500W/cm2。
在日本发明No.2011-047616中公开的用于电子装置的冷却系统中，L形蒸发促进板313经由导热润滑油210安装在半导体装置200上并且覆盖有热接收护套，而用作制冷剂的水Wa在蒸发促进板中循环。制冷剂在减压下通过半导体装置的热量沸腾并蒸发，流入冷凝器320，在冷却风扇中冷却，液化，然后再次返回至热接收护套。蒸发促进板由铜板制成，并且在上述板的表面上以长度和宽度为0.5mm的间距间隔设置多个0.2mm×0.2mm的细角孔。当角孔中的制冷剂沸腾时，它会蒸发并带走热量。然而，在汽化促进板的水平面上产生的气泡不会大量生长。此外，L形蒸发促进板的竖直面在制冷剂液面上方的部分中蒸发附着的制冷剂，并且所有的面不都具有抑制每个气泡的直径或整流气泡的功能。
在日本发明No.2013-155925中公开的沸腾冷却器中，放置的半导体装置H由设置在上侧和下侧的沸腾冷却器M冷却。沸腾冷却器M具有容纳在其中的液态制冷剂3A和气态制冷剂3B，并且利用半导体装置H的热量产生气泡的多孔体5和围绕多孔体的附接部件4安装在液态制冷剂3A中。在连通孔8中产生的气泡穿过附接部件4的气流通道6然后上升。然而，由于气泡穿过连通孔8和水平气体通道6，因此气泡几乎不能平稳地排出，并且可能产生冷却效果降低的干燥(或烧毁)。
公开于该背景技术部分的上述信息仅仅旨在加深对发明背景的理解，因此其包括的信息可以并不构成在该国已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种沸腾冷却装置，其可以改善热通量从而改善散热性能。
根据本发明的沸腾冷却装置可以包括功率半导体，其竖直设置；散热板，其分别设置在功率半导体的左右两侧面上；热接收护套，其设置在功率半导体的左右两侧，并分别配置为覆盖散热板；制冷剂，其填充在热接收护套中并配置为与散热板直接接触；冷凝器，其经由前管和回管而连接至热接收护套；以及多个细纵向凹槽，其在散热板的散热面上形成并沿竖直方向延伸，其中可以通过在功率半导体中产生的热量在设置在散热面上的细纵向凹槽上产生气泡，气泡上升并穿过前管然后到达冷凝器以液化，然后液体经由回管返回至热接收护套。
根据本发明的另一沸腾冷却装置可以包括功率半导体，其竖直设置；散热板，其分别设置在功率半导体的左右两侧面上；热接收护套，其设置在功率半导体的左右两侧，并分别配置为覆盖散热板；制冷剂，其填充在热接收护套中并配置为与散热板直接接触；冷凝器，其经由前管和回管而连接至热接收护套；以及网格状凹槽，其在散热板的散热面上形成并包括多个沿竖直方向延伸的细纵向凹槽和多个与细纵向凹槽交叉并沿水平方向延伸的细横向凹槽，其中通过在功率半导体中产生的热量和设置在散热面上的网格状凹槽促进气泡的产生，所产生的气泡上升并穿过前管然后到达冷凝器以液化，然后液体经由回管返回至热接收护套。
此处，细纵向凹槽的宽度可以为50μm或更小。
另外，细纵向凹槽可以通过散热面的激光加工而形成。
下面讨论本发明的其它方面和优选实施方案。
附图说明
接下来将参照由所附附图显示的本发明的某些示例性实施方案来详细地描述本发明的以上及其它特征，这些附图在下文中仅作为说明给出，因而对本发明是非限定性的，在这些附图中：
图1是根据本发明的沸腾冷却装置的示意图；
图2是示出沟槽加工的一个示例的视图，其中凹槽在散热板上沿一个方向指向形成；
图3是示出沟槽加工的一个示例的视图，其中凹槽在散热板上以网格(格子)状形成；
图4A和图4B是显示在散热板的表面上产生气泡的状态的说明图，其中，图4A示出了凹槽以竖直方向指向的情况，图4B示出了凹槽以水平方向指向的情况；
图5是示出图1所示的散热板的散热面的横截面的显微图片；
图6是示出热通量与导热率之间关系的曲线图；
图7是示出热通量与热阻之间关系的曲线图；
图8A和图8B是测量散热性能的评估设备的说明图，其中，图8B是图8A的A-A横截面视图；
图9是示出热通量与热阻之间关系的曲线图；
图10是示出热通量与热阻之间关系的曲线图；
图11是示出热通量与热阻之间关系的曲线图；
图12是示出过热度与导热率之间关系的曲线图；
图13是示出过热度与导热率之间关系的曲线图；和
图14(现有技术)是示出常规双面冷却型功率半导体的示例的视图。
应当了解，所附附图不一定是按比例的，而是显示了说明本发明的基本原理的各种优选特征的略微简化的画法。在此所公开的本发明的特定的设计特征，包括例如特定的尺寸、定向、位置和形状，将部分地由特定目的的应用和使用环境加以确定。
在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记表示本发明的同样的或等同的部分。
具体实施方式
应当理解，此处所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语一般包括机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非化石能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
本文所使用的术语仅为了描述特定实施方案的目的，并不旨在限制本发明。除非上下文中清楚作出相反表示，否则如本文所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。应当进一步了解，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指定所述特征、数值、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一种或多种其它特征、数值、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。如本文所使用的术语“和/或”包括列出的相关项目的一个或多个的任何和全部组合。在本说明书中，除非另有明确地说明，措辞“包括”及其变体例如“包含”或“含有”应理解为暗示包括所述要素但不排除任何其它要素。此外，说明书中描述的术语“单元”、“构件”、“组件”和“模块”表示用于处理至少一个功能和操作的单元，并且可以由硬件组件或软件组件及其组合来实现。
此外，本发明的控制逻辑可以体现为包含由处理器、控制器等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于ROM、RAM、压缩光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、闪存驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读介质还可以分布在网络耦合的计算机系统中，使得计算机可读介质以分布式方式存储和执行，例如，通过远程信息处理服务器或控制器区域网络(CAN)。
现在将在下文中详细地提及本发明的各个实施方案，这些实施方案的实例示意在附图中并描述如下。虽然本发明与示例性的实施方案相结合进行描述，但是应当了解，本说明书不是要将本发明限制为那些示例性的实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替换、修改、等同和其它实施方案。
为了清楚地描述本发明，省略了与描述无关的部分，并且在整个附图和详细描述中，相同的附图标记用于表示相同或相似的组件。
在下文中，参照附图详细描述根据本发明的实施方案的沸腾冷却装置。
图1是根据本发明的沸腾冷却装置100的示意图。
功率半导体10是用于控制功率的装置，用于将交流电转换为直流电的整流电路，用于将直流电转换为交流电的逆变电路，或用于提升电压的电压升压电路。由于大的热值，功率半导体10需要冷却。如图1所示，功率半导体10布置成允许左散热面和右散热面为竖直面。陶瓷基板(DBC基板)5、14和13设置在功率半导体10的左右两侧面上。DBC基板是直接键合铜基板的缩写，并且是指其上形成有铜电路的陶瓷绝缘基板。陶瓷基板5、14、13的一个侧构件(外侧构件)5成为散热板。可以在散热板上进行沟槽加工。
热接收护套8设置在功率半导体10的左右两侧，以覆盖散热板5。热接收护套8由铝制成。热接收护套8和功率半导体10通过O形环、焊接或烧结而彼此接合以密封散热板5。热接收护套8的内部空间填充有诸如纯水或防冻液的制冷剂3。制冷剂3与散热板5的散热面直接接触。由于这种构造，热量直接从散热板5传递至制冷剂3。当功率半导体10产生热量时，在散热板5的散热面上产生气泡7。气泡7沿竖直方向上升。此处，热接收护套8经由前管11和回管12连接至水冷式冷凝器6。含有气泡7的高温制冷剂3通过前管11移动至冷凝器6，然后在冷凝器6中冷却。气泡7在冷凝器中液化，然后经由回管12返回至热接收护套8。在冷凝器6中进行热交换的冷却水9的温度可以升高至约65℃。高温制冷剂3在前管11中流动并在回管12中进行热交换，使得温度已降低的制冷剂3流动。制冷剂3可以通过自然对流而流动(或循环)。也就是说，可以在不使用泵的情况下执行上述操作。本发明不限于上述构造，并且可以设置有具有小排放流量的泵以使制冷剂3循环。
实施方案1
图2是示出沟槽加工的一个实施例的视图，其中凹槽15在散热板2上沿一个方向指向形成。如图2所示，凹槽15是具有V形横截面的V形凹槽，凹槽的宽度(V形凹槽的两个顶端之间的宽度)小于凹槽之间的宽度(从V形凹槽的顶端(右侧)到相邻凹槽的顶端(左侧)的距离)。由于由“上”指示的方向是竖直方向，因此可以制成其中凹槽15由沿竖直方向延伸的细纵向凹槽15a构成的散热板5。此外，当将由“前”指示的方向定义为竖直方向时，凹槽15变成细横向凹槽15b。
实施方案2
图3是示出沟槽加工的一个实施例的视图，其中凹槽在散热板3上以网格(格子)状形成。如图3所示，凹槽15是具有V形横截面的V形凹槽，凹槽的宽度(V形凹槽的两个顶端之间的宽度)小于凹槽之间的宽度(从V形凹槽的顶端(右侧)到相邻凹槽的顶端(左侧)的距离)。如果3所示，由于由“上”指示的方向是竖直方向，因此可以制成这样的散热板5，其中凹槽15由沿竖直方向延伸的细纵向凹槽15a和沿水平方向的细横向凹槽15b构成。使用散热板A、散热板B、散热板C和散热板D作为散热板5的样品进行散热评估，所述散热板A具有由细纵向凹槽和细横向凹槽构成的网格状凹槽，所述散热板样品B具有细纵向凹槽，所述散热板样品C具有细横向凹槽，所述散热板D不具有凹槽。另外，使用30重量％的乙二醇作为防冻液的制冷剂3。乙二醇经常用作防冻液，因为它易溶于水。
图4A和图4B是显示在散热板3的表面上产生气泡7的状态的说明图，其中图4A示出了凹槽15以竖直方向指向的情况，图4B示出了凹槽15以水平方向指向的情况。如图4A和图4B所示，在凹槽15中产生的气泡7的直径在凹槽的宽度方向上受到抑制，因此气泡7变成小气泡。因此，易于冷凝气泡7并改善散热性能。另外，还可以增加热通量(W/cm2)。如图4A所示，当凹槽15是沿竖直方向延伸的细纵向凹槽15a时，气泡7的流动被整流，凹槽中的气泡7不会与平面上的气泡7结合。如图4B所示，当凹槽15是沿水平方向延伸的细横向凹槽15b时，气泡7的流动与平面上的气泡7混合，因此气泡7易于生长。就热通量而言，图4A中所示的抑制气泡7生长并以竖直方向指向的细纵向凹槽是更佳的。为了改善热通量，在竖直方向上形成细纵向凹槽是有效的。
图5是示出图1所示的散热板5的散热面的横截面的显微图片。在沟槽加工中使用激光。如图4A和图4B所示，形成的凹槽在凹槽之间具有大约150μm的间距，凹槽的深度大约为80μm，凹槽的宽度大约为30μm。在图4A和图4B的实施例中，虽然仅示出了一个方向上的横截面，但以网格状形成凹槽图案。与不具有凹槽的散热面相比，具有网格状凹槽的散热面的表面积增加了大约两倍，并且导热率提高了大约两倍。
表1：
临界热通量(W/cm<sup>3</sup>)
没有凹槽(平坦面) 147
细横向凹槽 144
细纵向凹槽 175
网格状凹槽 185
图6是示出热通量与导热率之间关系的曲线图，图7是示出热通量与热阻之间关系的曲线图，表1是总结临界热通量的表。上述曲线图示出了具有网格状凹槽的散热板、具有细纵向凹槽的散热板、具有细横向凹槽的散热板和不具有凹槽的散热板的评估结果。与不具有凹槽的散热板相比，具有细横向凹槽的散热板具有低的热阻(参见图7)和改善的散热性能。然而，如表1所示，具有细横向凹槽的散热板的临界热通量为144(W/cm2)，而不具有凹槽的散热板的临界热通量为147(W/cm2)。换言之，临界热通量没有改善。具有细纵向凹槽的散热板的热阻远小于具有细横向凹槽或不具有凹槽的散热板的热阻(参见图6)，并且散热性能得到改善。另外，如表1所示，临界热通量为175(W/cm2)并且显著改善。具有网格状凹槽的散热板具有低得多的热阻(参见图7)并且具有185(W/cm2)的临界热通量，并且散热性能和临界热通量都得到改善。由此可以看出，散热板包括细纵向凹槽是重要的。可以看出，为了改善散热性能和临界热通量，优选在竖直方向上提供高密度的细纵向凹槽。另外，在图6和图7中，曲线图右侧标出的箭头表示对应于各个凹槽的临界热通量的位置。
图8A和图8B是测量散热性能的评估设备的说明图。如图8A所示，评估设备50包括500W的加热器16、青铜块17、背光绝缘板18和铝护套19。铝护套19填充有制冷剂25。另外，铝护套19和背光绝缘板18由密封圈20密封，然后通过螺丝钉21彼此固定。图8B是沿图8A的A-A线的横截面图，其中部分22的长度和宽度尺寸为1cm×1cm。通过加热器16产生热量，并使1cm×1cm的散热面与防冻液的制冷剂3接触以产生气泡7。还测量了每个点的温度。
图9是示出热通量与热阻之间关系的曲线图。
使用评估设备50测量以下三种情况，即制冷剂为纯水的情况A，制冷剂25含有50％乙二醇的防冻液的情况B，以及制冷剂25含有50％乙二醇的防冻液并且在青铜块的散热面上形成凹槽的情况C。将纯水制冷剂与防冻液的制冷剂进行比较。由于50％乙二醇的防冻液稍微粘稠，因此与情况A相比，情况B容易烧毁。曲线图右侧的箭头表示烧毁(临界热通量点)。通常，情况B在烧毁以下的热通量使用，因此情况B使冷却性能劣化。然而，与情况C一样，当在散热面上设置凹槽时，由烧毁导致的防冻液的临界点可以接近纯水制冷剂。即，可以通过使散热面与制冷剂直接接触并在散热面上进行沟槽加工来改善热阻。
图10是示出热通量与热阻之间关系的曲线图。
比较使用平坦散热面和防冻液的情况下的自然对流和强制对流。
图11是示出热通量与热阻之间关系的曲线图。比较使用形成有凹槽的散热面和防冻液的情况下的自然对流和强制对流。如图10所示，当在平坦散热面上使用防冻液时，在自然对流中获得的临界热通量和热阻分别变为120W/cm2和0.4K/W，而在强制对流中获得的临界热通量和热阻分别为210W/cm2和0.25K/W。如图11所示，当在设置有凹槽的散热面上使用防冻液时，在自然对流中获得的临界热通量和热阻分别变为148W/cm2和0.2K/W，而在强制对流中获得的临界热通量和热阻分别为260W/cm2和0.12K/W。因此，可以看出，当在散热面上设置有凹槽时，可以显著改善临界热通量和热阻。
图12是示出过热度与导热率之间关系的曲线图。比较使用平坦散热面和防冻液的情况下的自然对流和强制对流。图13是示出过热度与导热率之间关系的曲线图。比较使用形成有凹槽的散热面和防冻液的情况下的自然对流和强制对流。
如图12所示，当在平坦散热面上使用防冻液时，通过自然对流获得的导热率最大变为30kW/m2K，而在强制对流中获得的导热率最大可以为47kW/m2K。
如图13所示，当在设置有凹槽的散热面上使用防冻液时，通过自然对流获得的导热率最大为55kW/m2K，而在强制对流中获得的导热率最大变为100kW/m2K。因此，可以看出，当在散热面上设置有凹槽时，可以显著提高导热率。
根据本发明的沸腾冷却装置可以有效地冷却功率半导体，因此非常适合用作安装在车辆中的沸腾冷却装置。
根据本发明的沸腾冷却装置，由于在散热板上设置有沿竖直方向延伸的多个细纵向槽，因此可以抑制气泡7的生长并保持气泡7具有较小的直径。小气泡7易于在流动通道和冷凝器中液化。此外，由于气泡7沿竖直方向上升，因此可以改善热通量。特别地，可以在功率半导体的一侧实现约250W/cm2的热通量，并且当功率半导体两侧的热通量相加时，可以获得约500W/cm2的热通量。
根据本发明的另一沸腾冷却装置，由于网格状凹槽设置有在与细纵向沟槽交叉的方向上延伸的多个细横向沟槽，所以制冷剂与散热板的散热面之间的接触面积可以进一步增加，以增加气泡的产生，并且可以获得与仅设置细纵向槽的情况等同或更好的效果。
由于纵向槽形成为具有50μm或更小的凹槽宽度，因此该凹槽可以产生小的气泡。在小气泡和大气泡中，大气泡快速上升，但小气泡对于冷凝是有效的。换言之，小气泡可以增强散热性能。
由于通过激光加工形成用于散热面的细纵向凹槽，因此与蚀刻工艺相比，不需要掩模，并且尽管略微粗糙，但是可以容易地制造该纵向凹槽。
尽管参考了用于说明本发明原理的优选实施方案示出并描述了本发明，但是本发明不限于参考上述实施方案中的附图描述的结构和操作，并且本领域技术人员可以理解，在不脱离所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以对本发明进行多种改变和修改。

Claims (8)

1.一种沸腾冷却装置，包括：
功率半导体，其竖直设置；
散热板，其分别设置在功率半导体的左右侧面上；热接收护套，其分别设置在功率半导体的左右侧，并配置为覆盖散热板；
制冷剂，其填充在热接收护套中并配置为与散热板直接接触；冷凝器，其经由前管和回管而连接至热接收护套；以及多个细纵向凹槽，其在散热板的散热面上形成并沿竖直方向延伸，其中，通过在功率半导体中产生的热量在设置在散热面上的细纵向凹槽上产生气泡，所述气泡上升并穿过前管然后到达冷凝器以液化，使得液体经由回管返回至热接收护套。
2.根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其中，每个细纵向凹槽具有50μm或更小的宽度。
3.根据权利要求2所述的沸腾冷却装置，其中，每个细纵向凹槽通过散热面的激光加工而形成。
4.根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其中，每个细纵向凹槽通过散热面的激光加工而形成。
5.一种沸腾冷却装置，包括：
功率半导体，其竖直设置；
散热板，其分别设置在功率半导体的左右侧面上；
热接收护套，其分别设置在功率半导体的左右侧，并配置为覆盖散热板；
制冷剂，其填充在热接收护套中并配置为与散热板直接接触；
冷凝器，其经由前管和回管而连接至热接收护套；以及
网格状凹槽，其在散热板的散热面上形成，并且包括多个沿竖直方向延伸的细纵向凹槽以及多个与细纵向凹槽交叉并沿水平方向延伸的细横向凹槽，
其中，通过在功率半导体中产生的热量和设置在散热面上的网格状凹槽促进气泡的产生，所述气泡上升并穿过前管然后到达冷凝器以液化，使得液体经由回管返回至热接收护套。
6.根据权利要求5所述的沸腾冷却装置，其中，每个细纵向凹槽具有50μm或更小的宽度。
7.根据权利要求6所述的沸腾冷却装置，其中，每个细纵向凹槽通过散热面的激光加工而形成。
8.根据权利要求5所述的沸腾冷却装置，其中，每个细纵向凹槽通过散热面的激光加工而形成。
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