用于冷却功率电子器件的冷却设备和方法技术

一种用于冷却功率电子器件的冷却设备和方法，该设备包括至少一个板，其中，该板适于热连接到热量源，以便从该热量源接收热量。该板还适于与空气流热接触，以便从该板传递热量。该板进一步包括该板的第一侧面和该板的第二侧面之间的至少一个孔。该孔适于衰减由声学噪声源生成并且由空气承载的振动气压。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通过二相冷却系统来冷却功率电子器件，更具体地涉及降低这样的冷却系统的声学噪声。
技术介绍
由于当今的功率半导体不理想，所以它们产生作为副产品的热量。同时，为了使功率半导体工作，其温度必须被保持在给定范围内。因此，通常必须冷却该半导体。功率电子器件可以例如由二相冷却系统来冷却。这样的二相冷却系统可以例如由循环系统组成，在该循环系统中，在蒸发器和冷凝器之间传递冷却剂。蒸发器热连接到诸如IGBT模块的热量源。在蒸发器中，冷却剂被蒸发。蒸发冷却 剂限制热量，并由此冷却热量源。蒸发的冷却剂然后通过使用循环系统而被移动到冷凝器。在冷凝器中，冷却剂被冷凝，并且它所包含的热量被释放。该热量可被传递到空气流。图I图示了二相冷却系统，其中，蒸发器10经由冷却剂导管12连接到由一堆板11制成的冷凝器。在此情形中为IGBT模块13的功率电子器件被安装在蒸发器10上。图2图示了另一个二相冷却系统，其中，冷凝器板20被嵌入在功率电子器件22所附着到的基板21中。空气流可以是重力的或者被机械地产生。因重力生成的空气流具有受限制的空气速度，这意味着受限制的热传递系数，并因此意味着受限制的冷却性能。为了实现更高的性能，可能必须使用机械地产生的空气流。可使用风扇来产生空气流。图3以很示意性的方式示出了具有空气通风系统的示例性功率驱动系统。该空气通风系统由在其内部提供了风扇31来生成空气流的空气管道30和一堆冷凝器板32组成。冷凝器板32将热量从安装在蒸发器34上的功率电子器件33传递到空气流。诸如扼流圈的无源部件35也可以被放置在空气管道30中以被空气流冷却。在图3中，可实现的冷却性能可能由于声学噪声局限而受到限制。风扇31可能构成主导噪声源，并且噪声级可能分别随着增大的空气体积流动速率或速度而强烈地增大。由风扇31生成的噪声可在管道30的空气中传播，并经过入口和出口，退出管道进入环境，在环境中，可允许的噪声级受到限制。可允许的噪声级可能限制所使用的最大空气速度，并且受限制的空气速度继而可能限制空气流和板之间的热传递系数，并因此限制冷却性能。为了降低空气传播的噪声向图3的功率驱动系统中的环境中的发射(或者，可替选地，为了允许风扇以及因此冷却功率的增大，同时仍然遵守噪声限制)，空气管道系统30可以配备有用于衰减噪声的装置。由于噪声可以向风扇31的上游和下游传播，所以在通风系统中可能需要两个额外的部件。然而，添加这些部件可能增大冷却布置的体积、重量、压力下降和成本
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种方法和设备以便减轻以上缺点。本专利技术的目的通过根据本专利技术的实施例的方法和设备来实现。还公开了本专利技术的优选实施例。通过向单个设备中集成两个功能即热传递和声音衰减而无需额外的部件就能遵守噪声级限制。可以从构成二相冷却系统的冷凝器的穿孔板形成声音衰减器。可通过由腔和板中的孔形成的亥姆霍兹共振器来实现声音衰减。穿孔板也可以被布置成使得噪声诱发所述板的两个侧面之间的压力差。该压力差继而引起流过所述孔的空气流。噪声衰减由于流过所述孔的空气流的摩擦而发生。该设备的声音衰减特性允许选择较高功率的风扇(其发射更大的噪声)以提高冷却性能，同时仍处于通常施加在功率电子系统上的噪声限制以内。 附图说明下面，将参考附图通过优选实施例更详细地描述本专利技术，在附图中图I图示了其中单独的蒸发器经由管子连接到由一堆板制成的冷凝器的一个二相冷却系统；图2图示了其中冷凝器板20被嵌入基板中的另一个二相冷却系统；图3图不了具有空气通风系统的不例性功率驱动系统；图4图示了具有声音衰减特性的示例性冷凝器板；图5图不了用于冷却功率电子器件的一个不例性冷却设备；图6a、6b和6c图不了不同亥姆霍兹共振器实施方式的例子；图7a、7b和7c图示了示例性亥姆霍兹共振器的模拟效率；图8a、8b和8c图示了孔布置的效率的模拟例子；图9a和9b图不了用于冷却功率电子器件的另一个不例性冷却设备；图10图示了穿孔板的示例性布置；图Ila和Ilb图示了用于向板中的孔之内或之上添加阻性元件的示例性实施方式；以及图12a、12b和12c图示了用于快速交通系统的牵引变流器的示例性冷却布置。具体实施例方式图4图示了具有声音衰减特性的示例性冷凝器板。该板可以例如用在用于冷却功率电子器件的冷却设备中。该设备组合了冷凝器和声音衰减器的功能。它包括至少一个板40。在一些实施例中，可以使用一堆板40。板40适于热连接到热量源，以便从热量源接收热量。该设备可以例如用在二相冷却系统中，该二相冷却系统由循环系统构成，在该循环系统中，在蒸发器和冷凝器之间循环冷却剂。在图4中，冷却剂循环从而经过板40中的冷却剂通道41。板40还适于与空气流热接触，以便从该板传递热量。为了实现声音衰减特性，板40包括该板的第一侧面和该板的第二侧面之间的至少一个孔42。在图4中，孔42的矩阵穿过板40。孔42适于通过在振动气压的激励下诱发流过孔的振动空气流来衰减噪声。噪声以由声学噪声源生成并且由空气承载的振动气压的形式呈现。声音可由流过孔的振动空气流的摩擦力来衰减，其中，振动空气流由噪声源所生成的振动气压引起。流过孔的振动空气流可具有两种类型它可以是共振的或非共振的。为了获得流过孔的共振型振动空气流，可以使用由孔和紧邻孔的腔形成的亥姆霍兹共振器。为了获得非共振型振动空气流，不提供腔，而是可以将孔在两侧直接暴露于冷却空气流。板中的一个或多个孔可以设有增大流过孔的振动空气流的阻力的元件，由此增大声学噪声衰减。可以使用诸如石棉或开孔泡沫的吸收性材料来增大摩擦。声能还可以由共振器的颈部中的摩擦流来耗散。可以在包括用于生成冷却空气流的风扇的布置中使用包括具有噪声衰减特性的至少一个冷凝器板的冷却设备。该布置包括所述冷却设备中的一个或多个。该设备的板可以适于衰减由风扇生成的声学噪声。将热传递和声音衰减整合到单个设备中可以由此免除对用于衰减由风扇生成的噪声的单独装置的需要。示出了一堆板的横截面的图5图示了用于冷却功率电子器件的示例性冷却设备50,其中，使用亥姆霍兹共振器来实现声音衰减。设备50包括多个板51,该多个板51适于热连接到热量源，以便从热量源接收热量。可以例如通过辊压接合来制造板51。板51被布置成一堆相邻的板，在板之间有间隙。板51形成二相冷却系统的冷凝器，该二相冷却系统可以例如包括冷凝器、蒸发器以及连接冷凝器和蒸发器的循环系统。冷却剂在循环系统中循环。冷却剂由热量源加热。热量源可以例如是IGBT模块或者由多个IGBT模块组成。然而，设备50不限于冷却IGBT模块，而是可用于冷却许多种器件。空气流可以由风扇产生。板51还适于与空气流热接触，以便从由板形成的冷凝器传递热量。冷却剂可以经过循环系统被传递到冷凝器。在冷凝器中，存储在冷却剂中的热量被耗散到空气流中。板51包括板的第一侧面和板的第二侧面之间的孔的矩阵。可例如通过冲孔来制作孔的矩阵。板51的第一侧面被布置成与冷却空气流接触。所述孔通向板的第二侧面上的室中。所述孔和室形成可以用来衰减声音的亥姆霍兹共振器。图6a、6b和6c图示了不同的亥姆霍兹共振器实施方式的例子。单个经典亥姆霍兹共振器由颈部60和空腔61组成，如图6a中所示。使用机械模拟，腔61中的空气构成弹簧，颈部60中的空气(与也参与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于冷却功率电子器件的冷却设备，所述设备包括至少一个板，其中，所述板适于热连接到热量源，以便从所述热量源接收热量，所述板适于与空气流热接触，以便从所述板传递热量，并且所述板包括所述板的第一侧面和所述板的第二侧面之间的至少一个孔，其中，所述孔适于通过在由声学噪声源生成并且由空气承载的振动气压的激励下诱发流过所述孔的振动空气流来衰减所述振动气压。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯·格拉丁格尔，弗朗切斯科·阿戈斯蒂尼，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：