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CN112997303A - 具有增强的热传递的用于电力电子装置的冲击射流冷却板 - Google Patents

具有增强的热传递的用于电力电子装置的冲击射流冷却板 Download PDF

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CN112997303A
CN112997303A CN201980074335.9A CN201980074335A CN112997303A CN 112997303 A CN112997303 A CN 112997303A CN 201980074335 A CN201980074335 A CN 201980074335A CN 112997303 A CN112997303 A CN 112997303A
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CN
China
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substrate
cooling
plate
fins
heat
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CN201980074335.9A
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维瓦尔多斯·耶苏达斯
拉姆·巴拉昌达
罗恩·巴龙
纳拉扬·卡尔
马丁·温特
格尔德·施拉格
拉克希米·瓦拉哈·耶尔
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MAGNA INTERNATIONAL Inc
Original Assignee
MAGNA INTERNATIONAL Inc
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Abstract

一种用于将热从一个或更多个热源比如电力电子装置移除的冷却板，该冷却板包括基板，该基板包括与热源导热连通的第一表面。基板包括与第一表面相反的第二表面，以将热传递到与第二表面接触的冷却流体中。第二表面包括围绕中央区域的外围凸缘，中央区域具有多个平行肋部，这些平行肋部增加表面积以改善从基板和到流体中的热传递。壳体抵接基板的外围凸缘以限定用于使冷却流体循环的冷却通道。射流阵列板将冷却通道细分为供给集管和主通道，并且射流阵列板限定多个孔口，以将流体输送到主通道中并将流体朝向基板上的预定区域导向。

Description

具有增强的热传递的用于电力电子装置的冲击射流冷却板
相关申请的交叉引用
该PCT国际专利申请要求于2018年11月13日提交的、名称为“具有增强的热传递的用于电力电子装置的冲击射流冷却板”的序列号为62/760,322的美国临时专利申请的权益和优先权，该临时专利申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及用于使电力电子装置冷却的冷却板。更具体地，本公开涉及用于使汽车应用中的电力电子装置冷却的冷却板。
背景技术
诸如电力电子装置之类的热源可能产生相对大量的热，该相对大量的热必须散发以防止装置过热、故障或损坏。可以采用多种不同的冷却装置来实现散热，多种不同的冷却装置包括无源装置比如散热器以及可以使用移动的流体将热从热源传递出去的有源装置。各种设计考虑影响冷却装置或可以使用的装置的类型。一些主要的设计考虑包括成本、包装限制和环境条件。在车辆应用中，一种特别恶劣的环境是内部温度的范围可以为-40至170华氏度。
发明内容
提供了一种用于将热从多个热源移除的冷却板。该冷却板包括由导热材料制成的基板，该基板包括与热源导热连通的第一表面。冷却板还包括与第一表面相反的第二表面，其中，第二表面构造成将热从热源传递到与第二表面接触的冷却流体中。壳体和基板一起限定冷却通道，该冷却通道用于使冷却流体循环以将热从基板移除。射流阵列板设置在冷却通道中，并且射流阵列板与基板平行且间隔开地延伸，以将冷却通道细分为与基板相反的供给集管以及在射流阵列板与基板之间延伸的主通道。射流阵列板限定了多个孔口，所述多个孔口延伸穿过射流阵列板以将流体从供给集管输送并且输送到主通道中。孔口构造成将流体朝向基板的第二表面上的预定区域导向。
本公开的冷却板可以是紧凑的、轻量的，并且可以在小区域内提供最大的冷却性能。
附图说明
本发明的设计的更多细节、特征和优点由参照相关联的附图对实施方式示例进行的以下描述得出。
图1是本公开的示例冷却板的剖切侧视图；
图2是用于冷却板的基板的立体图；
图3是具有倒角孔口的射流阵列板的立体图；
图4是包括图3的射流阵列板的冷却板的剖切侧视图；
图5是根据本公开的实施方式的示例冷却板的透明立体图；
图6是图5的示例冷却板内的流体通道的示意图；
图7是图5的示例冷却板的侧视图；
图8是图7中所示的示例冷却板内的流体通道的示意图；以及
图9是本公开的示例冷却板的剖切侧视图。
具体实施方式
在附图中重复的特征利用相同的附图标记来标记，在附图中，公开了用于将热从电路板12上的一个或更多个热源10、110比如电力电子装置中移除的冷却板20、120的示例实施方式。这种冷却板20、120在热管理很重要并且需要在宽范围的温度和条件下操作的汽车应用中特别有用。主题冷却板20、120可以用于例如冷却用于发动机、变速器、音频装置/视频装置、HVAC装置和/或另一车辆部件的电子控制器中的热源10、110。主题冷却板20、120可能特别适合于采用氮化镓和/或碳化硅开关的新一代电力转换器，这些新一代电力转换器具有相对较小的形状因子并且其产生的热量所集中的位置可以是精确已知的。
如图1中所示，冷却板20、120可以构造为单层冷却板20，该单层冷却板20包括由导热材料比如金属制成的第一基板22，该第一基板22包括与第一热源10导热连通的第一表面24。如图1所示，第一热源10可以与第一基板22直接物理接触。替代性地，导热装置和/或物质可以在第一热源10与第一基板22之间延伸。例如，可以使用导热膏来增强第一热源10与第一基板22之间的热传导。其他装置比如热管可以在第一热源10与第一基板22之间传递热，从而允许第一热源10与第一基板22在物理上间隔开。第一热源10可以是半导体开关，比如基于Si、SiC和/或GaN的装置。第一热源10也可以是其他装置，比方说例如电容器、电感器和/或变压器。第一基板22包括第二表面26，该第二表面26与第一表面24相反并且构造成将热从第一热源10通过第一基板22传递并且传递到与第二表面26接触的流体中。换句话说，第一基板22优选地由相对薄的板形成，该板足够厚以保持结构刚度，但是足够薄以将热直接通过第一基板22在第一表面24与第二表面26之间有效地传导。
如图2中所示，第一基板22的第二表面26在包括外围凸缘28的大致平坦平面中延伸，外围凸缘28大致平坦并且围绕中央区域30。第一基板22的中央区域30限定多个散热片32，所述多个散热片32横向于第一基板22的大致平坦平面延伸并且延伸到冷却通道42中，以增加第二表面26的表面积以便改善从第一基板22和到流体中的热传递。在一个实施方式中，如图1中所示的横截面所图示，散热片32具有大致矩形的横截面。
在图2所示的示例实施方式中，散热片32形成为平行于彼此延伸的多个肋部32。然而，散热片32可以形成为其他形状或构型，这些其他形状或构型包括柱、交错的块构型和/或形成为在第一基板22的下表面中或上的图案。散热片32可以大致平行于流动通过冷却板20的流体的主要方向而延伸。替代性地，散热片32可以大致垂直于流动通过冷却板20的流体的主要方向而延伸。替代性地，散热片32可以以与流动通过冷却板20的流体的主要方向成一倾斜角度而延伸。
散热片32可以通过任何合适的工艺在第一基板22中形成。例如，散热片32可以被机加工到第一基板22中。替代性地或附加地，散热片32可以与第一基板22一起形成，例如通过铸造一起形成。替代性地或另外地，散热片32可以通过压缩力、比如通过冲压或轧制在第一基板22中形成。替代性地或附加地，散热片32可以通过3D打印工艺、比如增材制造(AM)在第一基板22中形成。
如图1中所示，冷却板20还包括壳体40，该壳体40抵接第一基板22的外围凸缘28，其中，壳体40和第一基板22一起限定冷却通道42，该冷却通道42用于使冷却流体循环以将热从第一基板22的中央区域30移除。壳体40可以由各种不同的材料制成，但是优选地由高耐热塑料制成。以这种方式，冷却板20可以具有相对轻的重量，特别地当与其他除热装置比如散热器、风扇鼓风机和/或传统的液体冷却块相比时可以具有相对轻的重量。冷却流体可以是液体、气体或比如制冷剂的相变流体。冷却流体可以是水、防冻剂比如乙二醇或其溶液。
第一基板22包括延伸穿过第一基板22的多个安装孔43，以将基板22与壳体40紧固在一起。安装孔43可以形成有沉头孔，以在安装时接收与第一表面24齐平的螺钉或其他紧固件。
第一射流阵列板44设置在冷却通道42中，并且第一射流阵列板44与第一基板22平行且间隔开地延伸，以将冷却通道42细分为与第一基板22相反的供给集管46和第一主通道48，该第一主通道48在第一射流阵列板44与第一基板22之间延伸。第一射流阵列板44限定多个第一孔口50，所述多个第一孔口50延伸穿过第一射流阵列板44以将冷却流体从供给集管46输送并且输送到第一主通道48中，其中，第一孔口50构造成将流体朝向第一基板22的第二表面26上的预定区域52导向。第一射流板44可以由特氟龙(Teflon)、迭尔林(Delrin)、铝或任何其他低成本的塑料类型材料制成。
在一些实施方式中，第一热源10中的每个第一热源10与第一基板22的第二表面26上的预定区域52中的相应一个预定区域52直接对准。预定区域52优选地定位成与第一热源10直接相反，使得冷却流体通过第一孔口50中的每个第一孔口50作为射流朝向预定区域52中的相应一个预定区域52被导向并加速，以将热从预定区域52移除。换句话说，射流优选地直接向下述预定区域提供最大的冷却：所述预定区域从第一热源10中的相应的第一热源直接横跨第一基板22。可以设置附加的第一孔口50，以将射流朝向任何热点或需要对称冷却的地方导向。
冷却流体的射流可以具有比冷却板20、120中的其他流体的速度高得多的速度。例如如图1中所示，从第一孔口50作为射流导向出的冷却流体可以具有1.2m/s或更大的速度，而冷却通道42中的冷却流体在射流的外部可以具有0.48m/s或更小的速度。冷却流体的实际速度可以根据很多因素而变化，这些因素包括例如冷却流体的量、冷却流体的类型以及热源10、110的冷却要求。
如图1中所示，壳体40限定与供给集管46流体连通的流体入口54，以接收冷却流体。壳体40还限定与第一主通道48流体连通的流体出口56，以将冷却流体输送出第一主通道48。
在一些实施方式中，并且如图5至图8中所示，冷却板20、120可以构造成包括第二基板122的双层冷却板120，第二基板122可以与第一基板22相似或相同。这种双层冷却板120可以被夹在具有相等或不相等的额定功率和设计的两个电力转换器之间。
第二基板122包括第一表面124，该第一表面124与多个第二热源110的每个第二热源110导热连通，如图5中所示。第二热源110可以与第二基板122直接物理接触，如图7中所示。替代性地，导热装置和/或物质可以在第二热源110与第二基板122之间延伸。例如，可以使用导热膏来增强第二热源110与第二基板122之间的热传导。其他装置比如热管可以在第二热源110与第二基板122之间传递热，从而允许第一热源10与第二基板122在物理上间隔开。第二热源110可以是半导体开关，比如基于Si、SiC和/或GaN的装置。第二热源110也可以是其他装置，比方说例如电容器、电感器和/或变压器。第二基板122包括第二表面126，第二表面126与第一表面124相反并且构造成将热从第二热源110通过第一基板22传递并且传递到与第二表面126接触的流体中。换句话说，第二基板122优选地由相对薄的板形成，该板足够厚以保持结构刚度，但是足够薄以将热直接通过第二基板122在第一表面124与第二表面126之间有效地传导。在一些实施方式中，第二基板122可以被嵌入有一个或更多个相变材料(PCM)以增强热传递。在一些实施方式中，并且如图5至图8中所示，第二基板122与第一基板22平行且与第一基板22间隔开地延伸，其中，供给集管46设置在第一基板22与第二基板122之间。替代性地，基板22、122可以具有另一构型。例如，基板22、122可以与彼此成直角或倾斜角度定向。
第二射流阵列板144设置在冷却通道42中，并且第二射流阵列板144与第二基板122平行且间隔开地延伸，以将供给集管46与第二主通道148分开，该第二主通道148在第二射流阵列板144与第二基板122之间延伸。第二射流阵列板144可以与第一射流阵列板44相似或相同。第二射流阵列板144限定多个第二孔口150，其中，多个第二孔口150中的每个第二孔口150延伸穿过第二射流阵列板144以将流体从供给集管46输送并且输送到第二主通道148中。第二孔口150构造成将流体朝向第二基板122的第二表面126上的预定区域导向。如图8中所示，第一主通道48和第二主通道148可以在会聚区域149处接合，该会聚区域149经由返回集管146与流体出口56流体连通，从而为冷却流体提供从主通道48、148中的任一者或两者至流体出口56的流动。
在一些实施方式中，第二基板122在大致平坦平面中延伸，并且第二基板122的中央区域限定多个散热片32，所述多个散热片32横向于第二基板122的大致平坦平面延伸并且延伸到冷却通道42中。可以通过任何合适的工艺在第二基板122中形成散热片32。例如，散热片32可以被机加工到第二基板122中。替代性地或附加地，散热片32可以与第二基板122一起形成，例如通过铸造一起形成。替代性地或附加地，散热片32可以通过压缩力比如通过冲压或轧制而形成在第二基板122中。替代性地或附加地，可以通过3D打印工艺比如增材制造(AM)在第二基板122中形成散热片32。设计细节比如散热片32或肋部32可以以相同或不同的方式应用于基板22、122中的每一者。例如，两个基板22、122都不具有散热片32或肋部32，两个基板22、122中的任一者或两者可以具有散热片32或肋部32，并且这些散热片32或肋部32在基板22、122之间可以相似或不同。
孔口50、150可以形成为具有特定的形状和/或方向，以用作喷嘴并根据需要对冷却流体的流动进行导向。孔口50、150可以具有下述直径：这些直径被优化以在给定的冷却剂流速和温度下提供低压降，同时提供均匀冷却。孔口50、150中的一些孔口或所有孔口可以是筒形钻孔，这些筒形钻孔大致垂直于第一射流阵列板44的平面延伸。替代性地或附加地，孔口50、150中的一些孔口或所有孔口可以包括截头锥形的截面、比如图3和图4中所示的倒角形状。该倒角形状减小了压降并且避免了孔口50、150中的流动分离。在一些实施方式中，孔口50、150中的一些孔口或所有孔口可以包括筒形孔洞以及截头锥形的截面，比如图3和图4中所示的倒角形状。孔口50、150可以具有其他形状、比如槽形或楔形，以根据需要对冷却流体的流动进行导向。基板22、122中的任何一者或所有基板可以包括具有两个或更多个不同的尺寸和/或两个或更多个不同的形状的孔口50、150。
在一些实施方式中，并且如图9中所示，基板22、122中的一个或更多个基板限定一个或更多个腔体60，所述一个或更多个腔体60包含相变材料(PCM)以增强通过基板22、122中的相应基板的热传递。
已经出于说明和描述的目的提供了实施方式的前述描述。前述描述并非旨在穷举或限制本公开。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是即使未具体示出或描述，在适用的情况下也是可互换的并且可以在选择的实施方式中使用。同样的也可以以多种方式变化。这样的变化不被认为是背离本公开，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (15)

1.一种冷却板，包括：
基板，所述基板由导热材料制成，所述基板包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，其中所述第一表面构造成与多个热源导热连通；
壳体，所述壳体和所述基板一起限定冷却通道，所述冷却通道用于使冷却流体循环，以将热从所述基板移除；
射流阵列板，所述射流阵列板设置在所述冷却通道中并且与所述基板平行且间隔开地延伸，以将所述冷却通道细分为与所述基板相反的供给集管以及在所述射流阵列板与所述基板之间延伸的主通道；
所述射流阵列板限定多个孔口，所述多个孔口延伸穿过所述射流阵列板以将流体从所述供给集管输送并且输送到所述主通道中，其中所述孔口构造成将所述流体朝向所述基板的所述第二表面上的预定区域导向。
2.根据权利要求1所述的冷却板，其中，所述热源中的每个热源与所述基板的所述第二表面上的所述预定区域中的相应一个预定区域直接对准。
3.根据权利要求1所述的冷却板，其中，所述基板在大致平坦平面中延伸，并且其中，所述基板的中央区域限定横向于所述基板的所述大致平坦平面延伸并且延伸到所述冷却通道中的多个散热片。
4.根据权利要求3所述的冷却板，其中，所述多个散热片的所述散热片平行于彼此延伸。
5.根据权利要求3所述的冷却板，其中，所述多个散热片的所述散热片具有大致矩形的横截面。
6.根据权利要求3所述的冷却板，其中，所述多个散热片的所述散热片通过机加工或通过压缩力形成在所述基板中。
7.根据权利要求3所述的冷却板，其中，所述多个散热片的所述散热片通过铸造形成在所述基板中。
8.根据权利要求3所述的冷却板，其中，所述多个散热片的所述散热片通过3D打印形成在所述基板中。
9.根据权利要求1所述的冷却板，其中，所述多个孔口中的至少一些孔口是大致筒形的。
10.根据权利要求1所述的冷却板，其中，所述多个孔口中的至少一些孔口包括截头锥形的截面。
11.根据权利要求1所述的冷却板，还包括：
第二基板，所述第二基板由导热材料制成，所述第二基板包括第一表面和与所述第一表面相反的第二表面，其中所述第一表面构造成与多个第二热源导热连通；
第二射流阵列板，所述第二射流阵列板设置在所述冷却通道中并且与所述第二基板平行且间隔开地延伸，以将所述供给集管与在所述第二射流阵列板与所述第二基板之间延伸的第二主通道分开；
所述第二射流阵列板限定多个第二孔口，所述多个第二孔口延伸穿过所述第二射流阵列板以将流体从所述供给集管输送并且输送到所述第二主通道中，其中所述第二孔口构造成将所述流体朝向所述第二基板的所述第二表面上的预定区域导向。
12.根据权利要求11所述的冷却板，其中，所述第二基板与所述基板平行且间隔开地延伸，其中所述供给集管设置在所述第二基板与所述基板之间。
13.根据权利要求11所述的冷却板，其中，所述第二基板在大致平坦平面中延伸，并且其中，所述第二基板的中央区域限定横向于所述第二基板的所述大致平坦平面延伸并且延伸到所述冷却通道中的多个散热片。
14.一种用于电子装置的外壳，所述外壳包括根据权利要求1所述的冷却板。
15.根据权利要求14所述的外壳，其中，所述电子装置包括印刷电路板，所述印刷电路板平行于所述基板的所述第一表面设置。
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