用于冷却电力电子设备的散热器的制造方法
【专利摘要】一种用于冷却电力电子设备模块的散热器装置包括：相对侧上具有第一表面和第二表面的基台；从所述基台的所述第一表面向外延伸且界定空腔的多个垂直构件，其中所述电力电子设备模块被安置以与所述基台的所述第一表面有传导性热交换关系；和从所述基台的所述第二表面向外延伸且界定多个冷空气流通道的多个热传递翅片。
【专利说明】用于冷却电力电子设备的散热器
[0001]相关申请案的交叉引用
[0002]参看本申请，且本申请要求2011年5月17日提交的题为“HEAT SINK FOR COOLINGPOWER ELECTRONICS”的美国临时申请案N0.61/487，068的优先权和权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文。
[0003]发明背景
[0004]本发明一般涉及冷却电子设备组件，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、半导体器件、电容器和电子装置的其它组件，例如，变速驱动的电力电子设备模块。
[0005]电力电子设备装置通常用于控制和/或操纵供给各种电动装置的电能的特征，例如频率和/或电压。例如，变速驱动通常结合变速马达使用，以控制马达的速度。变速马达结合压缩机、水泵、鼓风机及其它装置使用。例如，制冷蒸汽压缩机，例如但不限于，卷轴压缩机、往复式空气压缩机和螺杆压缩机，使得能够在不同操作速度下驱动压缩机的压缩机制。当压缩机制的操作速度减小时，压缩机的输出容量减小，相反，当压缩机的操作速度增加时，压缩机的输出容量增加。变速驱动可操作以改变供给压缩机的驱动马达的电能的频率，从而改变马达的操作速度，且因此改变压缩机的操作速度和输出容量。
[0006]在操作中，必须通过去除电力电子设备产生的热来保证例如但不限于变速驱动的电力电子设备装置的充分冷却，以维持电力电子设备装置的可靠性和功能性。
发明概要
[0007]在一方面，提供一种适于将电力电子设备模块冷却处于低于特定操作临界温度的温度的散热器装置。
[0008]在一方面，提供一种适于冷却容纳在密封外壳中的变速驱动的电力电子设备的散热器装置，其中冷空气流导向通过所述密封外壳且通过散热器装置上方。
[0009]—种用于冷却电力电子设备模块的散热器装置包括:相对侧上具有第一表面和第二表面的基台；从所述基台的所述第一表面向外延伸且界定空腔的多个垂直构件，其中所述电力电子设备模块被安置以与所述基台的所述第一表面有传导性热交换关系；和从所述基台的所述第二表面向外延伸且界定多个冷空气流通道的多个热传递翅片。在一个实施方案中，多个热传递翅片可被安置以具有平行间隔关系，侧面至侧面间距均匀。鼓风机可被安置以与多个冷空气流通道可操作性地相关，用于使冷空气流通过与多个热传递翅片有对流性热交换关系的冷空气流通道。翅片间距对多个热传递翅片中每一翅片的基部的厚度的比率可在2(含)至3(含)范围内。在一个实施方案中，多个热传递翅片可包括具有均匀厚度的平板翅片。在一个实施方案中，多个热传递翅片可包括多个梯形翅片，每个梯形翅片具有基部和梢部，基部的厚度大于梢部的厚度。当从翅片中心线测量时，梯形翅片的翅片斜度可在1.0至1.5度范围内。
[0010]附图简述
[0011]通过结合附图阅读以下详细描述来进一步理解本发明，其中:
[0012]图1是如本文所公开的散热器装置的示例性实施方案的透视图；[0013]图2是沿图1的线2-2所得的图1示出的散热器装置的示例性实施方案的横断面立体图；
[0014]图3是本文所公开散热器装置的另一示例性实施方案的横断面立体图，示出了热传递翅片的不同配置；
[0015]图4是沿图2的线4-4所得的图2示出的散热器装置的平面图；
[0016]图5是如本文所公开容纳在冷空气管道中的散热器装置的透视图；
[0017]图6是沿图5的线6-6所得的横断面立体图；
[0018]图7A和7B分别是示出关于均匀厚度热传递翅片和梯形热传递翅片的各种尺寸参数的侧面立体图；和
[0019]图8A、8B、8C和8D是示出分别具有凸点/凸起、翅片中断处、波状配置和弧形配置的翅片的各种尺寸参数的侧面立体图。
【具体实施方式】
[0020]首先参阅图1-4，示出用于例如绝缘栅双极晶体管、半导体器件、电容器和在操作过程中发热的其它电子设备组件的冷却电子设备组件的散热器装置20的示例性实施方案。在申请书中，本文将描述用于冷却变频驱动的电力电子设备模块22的散热器装置20。在所述实施方案中，电力电子设备模块22包括绝缘栅双极晶体管(IGBT) 24，且可包括其它半导体器件(未示出)、电容器(未示出)或其它产热组件。变速驱动例如结合变速驱动马达(未示出)使用，以驱动运输制冷单元的制冷蒸汽压缩系统上的制冷蒸汽压缩机、空气移动装置和/或水泵，从而控制通过海路、公路、铁路或综合运输装运易腐货物的制冷容器的货箱内的温度。
[0021]散热器装置20包括基台26、多个垂直构件28和多个热传递翅片30。基台26、垂直构件28和热传递翅片30可通过挤压、铸造，或机械加工形成，以形成整体的一片式散热器装置20。散热器装置20可由铝、铝合金、铜、铜合金，或具有高热导率的其它材料形成。
[0022]在所述实施方案中，基台26具有中间跨度32、右手跨度34 (如图2和3所示，在中间跨度32右侧)和左手跨度36 (如图2和3所示，在中间跨度32左侧)。连接构件42将基台26的右手跨度34连接至中间跨度32的右端，且连接构件44将基台26的左手跨度36连接至中间跨度36的左端。在所述实施方案中，连接构件42垂直于右手跨度34和中间跨度32延伸，且连接构件44垂直于左手跨度36和中间跨度32延伸。然而，应理解，基台26可采取其它形状，包括平板、具有一个或更多个凹进跨度的板、具有一个或更多个凸起部分的板、具有一个或更多个凹进跨度和一个或更多个凸起部分的组合的板。
[0023]基台26的一侧上具有第一表面38而相对侧上具有第二表面40。垂直构件28_1、28-2、28-3、28-4从基台26的第一表面38向外延伸，在图2_4示出的实施方案中，第一表面38位于基台26下侧。空腔46在基台26下侧界定，由壁25围起来，所述壁25由外侧垂直构件28-1和28-2和将构件28-1与28_3互连的横向延伸的垂直构件形成。电力电子设备模块22容纳在空腔46中。在所述实施方案中，IGBT24安装在空腔46的中央部分，位于内部垂直件2-3与28-4之间，且被安置以与基台26的中间跨度32有传导性热传递关系。虽然未示出，但是应理解，电力电子设备模块的其它产热组件可被安置以位于空腔46的两侧部分，分别与基台26的右手跨度34和左手跨度36有传导性热传递关系。另外，应理解，空腔46的配置和其中所容纳的电力电子设备的布置及种类是示例性的，且允许其它布置。
[0024]热传递翅片30从基台26的第二表面40向外延伸，在图1_3所示出的实施方案中，第二表面40位于基台26的上侧。从散热器装置20的基台26向外延伸的多个热传递翅片30可部署为处于横向间隔、平行关系且沿基台26的第二表面40大体纵向延伸，以形成多个冷空气流通道48，包括位于各组相邻热传递翅片30中每组之间的冷空气流通道48。如下文将进一步讨论，冷空气流可通过与热传递翅片30有热交换关系的通道48，以把热从热传递翅片30去除。由于热传递翅片30被安置以通过散热器装置20的基台26与空腔36和容纳在其中的电力电子设备模块22具有传导性热传递关系，所以电力电子设备模块22产生的热被有效传递且由通过通道48的冷空气流去除，而无需冷空气流直接接触容纳在空腔46中的电力电子设备模块22。
[0025]在图2示出的实施方案中，热传递翅片30包括具有从基底至梢厚度均匀的矩形横断面图的平板翅片。在图3示出的实施方案中，热传递翅片30包括厚度从基底到梢向内逐渐缩减的梯形横断面图的平板翅片。在均匀厚度实施方案中，例如，热传递翅片30的厚度可在3至4毫米(0.12至0.157英寸)范围内，且侧面至侧面间隔的间距在10至11毫米(0.39至0.43英寸)范围内。在均匀厚度实施方案中，基台26、垂直构件28和热传递翅片30可通过挤压形成为整体的一片式散热器装置20。在梯形翅片实施方案中，例如，热传递翅片的翅片基底的厚度在3至4毫米(0.12至0.157英寸)范围内，且向内倾斜侧具有大于I度且小于1.5度的斜度。在逐渐缩减厚度的翅片实施方案中，基台26、垂直构件28和热传递翅片30可通过铸造形成为整体的一片式散热器装置20。另外，翅片密度和例如横断面厚度、高度和形状因子的翅片参数可沿基台26选择性地改变，以提供最佳热交换模式和横跨基台26的纵向和横向区域的温度分布，从而维持容纳在空腔46中的电力电子设备低于期望操作临界温度。例如，在围绕较高产能电子设备的地区，可期望较高的翅片密度和增加的横断面厚度。
[0026]应理解，在其它实施方案中，热传递翅片40可为具有平行间隔关系的纵向延伸的弯曲板翅片或波状翅片。如所述实施方案中示出，热传递翅片30可具有矩形或梯形的横断面形状，但是可替代地具有三角形、不规则四边形、双曲线、抛物线、椭圆或其它期望横断面外形的横断面形状。热传递翅片30可包括热传递增强件，例如但不限于，表面粗糙、泡、表面凸点或凸起、散热孔、偏移和翅片之间的中断处。可在本文所公开的散热器装置20上使用以上所提及的热传递增强件特征的任何组合。
[0027]现参阅图5和图6，散热器装置20示出为安置在外壳50中，所述外壳50界定腔52，也界定冷空气流管道54，其中散热器装置20被安置在腔52中。外壳50还包括位于外壳50的第一端处的冷空气入口 56和位于与外壳50的第一端纵向相对的外壳32的第二端处的冷空气出口 58。提供冷空气鼓风机60与外壳50可操作性地相关，以使冷空气通过流动管道54。冷空气鼓风机60可安装在冷空气入口 56处，以吹动冷空气通过流动管道54，或可安装在冷空气出口 42处，以牵拉冷空气通过流动管道54。在任一布置中，冷空气鼓风机50是可操作性的，以使通常但不限于环境空气的冷空气流，通过在热传递翅片30的多组相邻对之间形成的通道48。
[0028]当安置在外壳50中时,热传递翅片30的梢以与外壳50的一个内壁基本上相接的方式并置，而形成围壁25的垂直构件的端面以与外壳50的相对内壁基本上相接的方式并置。冷空气流通过通道48，且通过热传递翅片30的热传递表面上方，并与所述热传递表面有对流性热交换关系。以此方式，冷空气流通过传导性热交换的方法将由容纳在腔46中的电力电子设备模块22产生的热从空腔46和电力电子设备模块22通过基台26去除至热传递翅片30，且通过对流性热交换的方法将热从热传递翅片30去除至通过通道48的冷空气流。然而，安置在空腔46中的电力电子设备模块22与冷空气流保持隔离，且因此不暴露于冷空气流中可能存在的湿气或腐蚀性成分下。
[0029]在所述实施方案中，冷空气鼓风机60安装在冷空气入口 56处且操作以将环境空气吹进并通过冷空气流管道54，从而通过散热器装置20的热传递翅片30和基台26的表面且通过所述表面上方。根据本文所公开的方法，为实现冷空气流与散热器装置20的热传递翅片30和基台26之间充分的对流性热交换，以保证将电力电子设备模块24冷却至低于临界温度85°C (185° F)，对于电力电子设备模块24的每瓦热消耗，冷空气流可以以在4至20毫米每秒范围内的气流速率通过气流通道。
[0030]例如，测试了容纳有300瓦IGBT的散热器装置20的原型且所述散热器装置20安置在冷空气流管道中，处于或在冷空气鼓风机60的出口下游、散热器装置宽度的一半的距离内。另外，热传递翅片30为梯形翅片，所述梯形翅片在基台26的右手和左手部分34、36上具有45毫米(1.77英寸)的高度、3毫米(0.118英寸)的基底宽度，和1.43毫米(0.056英寸)的梢宽度，且在基台26的中间部分32上具有70毫米(2.76英寸)的高度、4毫米(0.157英寸)的基底宽度和0.56毫米(0.022英寸)的梢宽度。所测试散热器装置20的基台26在中间部分32上具有8毫米(0.315英寸)的厚度，且在基台26的右手侧和左手侧部分34、36上具有4毫米(0.157英寸)的厚度。使用AlSi 12铝硅合金将散热器装置铸造成整体的一片式散热器装置20。使用冷空气流将300W IGBT的温度维持在临界最高温度85°C (185° F)以下，所述冷空气流具有39°C (100° F)的入口温度，以在至少3.0米/秒(9.8英尺/秒)至8.0米/秒(26英尺/秒)范围内的气流速率、鼓风机排出冷空气流率在70至90CFM(立方英尺/分)(2.0至2.5立方米每分钟)范围内，通过冷空气流通道。
[0031]已识别和量化多个特定非空间几何比率以便于生产和增强本文所公开散热器装置20的热传递效能，同时实现覆盖区面积、材料含量和成本的降低。在以下段落中所提及的各种尺寸参数在图7A中关于具有均匀厚度的热传递翅片来示出，且在图7B中关于梯形热传递翅片来示出。
[0032]热传递翅片30的高度对翅片30延伸起始处的基台26的厚度的比率应在2 (含)至30(含)范围内以便于生产。
[0033]翅片30延伸起始处的基台26的厚度tp对额定翅片厚度的比率应在0.5 (含)至
1.0 (含)范围内，以保证翅片30与基台26之间充分的传导性热传递，所述额定翅片厚度对于具有均匀厚度tf的翅片和具有非均匀厚度的翅片来说为平均厚度(tb-tt)/2。
[0034]对于梯形翅片，翅片基底的厚度与翅片梢的厚度之差(tb_tt)对翅片高度hf的比率应使得当从翅片中心线测量时，翅片斜度0在1.0 (含)至1.5 (含)度范围内，以便于散热器装置20的铸造。
[0035]翅片基底处相邻翅片30的侧壁之间的间距S对翅片基底处翅片厚度tb的比率应在2(含)至3(含)范围内以便于生产。
[0036]如前所述，热传递翅片30可包括热传递增强件，例如，表面粗糙、表面凸点(包括凸起)和翅片中断处。关于表面粗糙，表面粗糙增强件可具有在0.38至1.52毫米(0.015至0.06英寸)范围内的高度。关于具有表面凸点或凸起的翅片30，参看图8A，增强件高度he对增强件间距Se的比率的值可在0.01至0.10范围内，且更窄地，在0.02至0.05范围内。关于具有翅片中断处的翅片30，参看图8B，中断处宽度W。对中断处之间的间距S。的比率的值可在0.25至0.75范围内，且更窄地，在0.4至0.6范围内，且中断处高度h。对翅片间距的比率的值可在0.1至0.5范围内。
[0037]对于波状热传递翅片，参看图8C，波高hw对波长Iw的比率的值可在0.06至0.56范围内，且更窄地，在0.12至0.28范围内。热传递翅片可为纵向扩张，具有额定曲率半径和曲率长度的弧形。例如，在一个实施方案中，弧形翅片可具有曲率，所述曲率在垂直面具有上升的凸轮廓，以便水/冷凝物排出而不是聚集在弧形翅片的曲线上。对于所述弯曲翅片，参看图8D，翅片的额定曲率半径对翅片的通道长度L。的比率的值可在0.5至3范围内，且更窄地，在0.8至1.5范围内。
[0038]对于如本文所公开的散热器装置20，可首先通过对基台26的传导性热交换，且借此对热传递翅片30的传导性热交换，且由此主要通过热传递翅片30对通过散热器装置20的通道48的冷空气流的对流性热交换，从空腔36和所述空腔36内的所公开电力电子设备模块24去除热。以此方式，可冷却电力电子设备模块24，而无需与冷空气直接接触。因此，电力电子设备模块24不会暴露于通常为环境空气的冷空气中的湿气或腐蚀性成分及伴随所述暴露而来的可能的腐蚀作用下。
[0039]本文所使用的术语为达描述而非限制的目的。本文所公开的具体结构和功能细节不应理解为限制，而仅应理解为用于教导本领域技术人员使用本发明的基本原理。本领域技术人员也应认识到在不脱离本发明的范围的情况下可替代参阅本文所公开示例性实施方案所描述的元件的同等物。
[0040]如图所示，参阅示例性实施方案详细示出并描述了本发明，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明精神和的范围的情况下，可对本发明进行多种修改。因此，本公开案不限于所公开的特定实施方案，而应包括落入所附权利要求书范围中的所有实施方案。
【权利要求】
1.一种用于冷却电力电子设备模块的散热器装置，其包括: 基台，其在相对侧上具有第一表面和第二表面； 多个垂直构件，其从所述基台的所述第一表面向外延伸且界定空腔，其中所述电力电子设备模块被安置以与所述基台的所述第一表面有传导性热交换关系； 多个热传递翅片，其从所述基台的所述第二表面向外延伸且界定多个冷空气流通道。
2.如权利要求1所述的散热器装置，其还包括鼓风机，所述鼓风机被安置以与所述多个冷空气流通道可操作性地相关，以用于使冷空气流通过与所述多个热传递翅片有对流性热交换关系的所述多个冷空气流通道。
3.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个热传递翅片被安置以具有平行间隔关系，侧面至侧面间距均匀。
4.如权利要求3所述的散热器装置，其中所述翅片间距对所述多个热传递翅片中每一翅片的基部的厚度的比率在2(含)至3(含)范围内。
5.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个热传递翅片包括具有均匀厚度的平板翅片。
6.如权利要求1所述的散热器总成，其中所述多个热传递翅片包括多个梯形翅片，每个梯形翅片具有基部和梢部，所述基部的厚度大于所述梢部的厚度。
7.如权利要求6所述的散热器装置，其中当从所述翅片中心线测量时，所述翅片的斜度在1.0至1.5度范围内。
8.如权利要求1所述的散热·器装置，其中所述基台具有右跨度、中间跨度和左跨度，所述右跨度和所述左跨度连接至所述中间跨度的相对各端。
9.如权利要求8所述的散热器装置，其中所述基台的所述中间跨度具有第一厚度，所述右跨度具有第二厚度且所述左跨度具有第三厚度。
10.如权利要求9所述的散热器装置，其中所述多个翅片中每一翅片在所述基台处具有有厚度的翅片基底，且每一翅片的所述基底厚度对所述翅片延伸起始处的所述基台的所述各个跨度的所述厚度的比率在0.5(含)至1.0(含)范围内。
11.如权利要求9所述的散热器装置，其中所述多个翅片中每一翅片具有翅片高度，且所述翅片高度对所述翅片延伸起始处的所述基台的所述各个跨度的所述厚度的比率在2(含)至30(含)范围内。
12.如权利要求9所述的散热器装置，其中所述中间跨度的所述第一厚度在8至10毫米范围内，且右跨度的所述第二厚度和所述左跨度的所述第三厚度中的每一个均在4至8毫米范围内。
13.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述热传递翅片被安置以具有非均匀翅片山/又ο
14.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个翅片中的每一个具有选自包括以下的横断面图群的横断面图:矩形、梯形、三角形、不规则四边形、双曲线、抛物线和椭圆。
15.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个翅片包括波状板翅片，每个波状板翅片具有波高和波长，且所述波高对波长的比率的值在0.3至0.8范围内。
16.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个翅片包括至少一个翅片，所述至少一个翅片具有呈多个表面粗糙增强件的形式的热传递增强件，所述表面粗糙增强件具有高达0.060英寸的增强件高度。
17.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个翅片包括至少一个翅片，所述至少一个翅片具有呈多个凸起凸点的形式的热传递增强件，所述凸起凸点具有增强件高度，且所述至少一个翅片以增强件间距被安置在翅片热交换表面上而具有间隔关系，增强件高度对所述增强件间距的比率的值在0.01至0.10范围内。
18.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个翅片包括具有至少一个翅片中断处的多个翅片，所述翅片中断处的中断处宽度对中断处间距的比率在0.25至0.75范围内，且中断处高度对中断处间距的比率在0.1至0.5范围内。
19.如权利要求 1所述的散热器装置，其中所述多个翅片包括在垂直面具有上升的凸曲率的多个弧形翅片。
20.如权利要求19所述的散热器装置，其中所述多个弧形翅片具有有额定曲率半径及曲率长度的曲率，所述额定曲率半径对所述曲率长度的比率的值在0.5至3.0范围内。
21.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个热传递翅片包括具有至少两个不同高度的翅片。
22.如权利要求1所述的散热器装置，其中所述多个热传递翅片包括具有至少两个不同横断面的翅片。
【文档编号】H01L23/367GK103548134SQ201280023520
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年4月12日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】M.F.塔拉斯, 李健雨, M.J.佩尔科维奇, S.杜赖萨米, X.廖 申请人:开利公司