CN102160172A - 电路部件载体 - Google Patents

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Abstract

一种电路部件载体，一个或多个电路部件(14，16)安装在所述电路部件载体。穿过载体(12)形成一个或多个用于冷却液的供应通道(30)以及一个或多个用于冷却液的返回通道(32)。所述返回通道(32)的横截面面积要小于所述供应通道(30)的横截面面积，从而针对第一部件和第二部件(14，16)实现基本一致冷却能力。

Description

电路部件载体
技术领域
本发明涉及一种电路部件载体以及该载体的使用。
背景技术
电子部件不断地改进，它们的尺寸减小并且它们的容量增加。由于功率密度日益增加，使得对电子部件的冷却也需要加以改进。
EP1605741 A1涉及一种电子设备的冷却元件。在冷却元件的流体通道中，在流体通道的首部和尾部之间具有压力差。因此，能够在处于压力差区域的流体通道进口和出口之间分叉出第二个循环。
WO9517765 A2公开了一种用于冷却电子部件的热沉。所述热沉包括在热沉的相对侧形成的通道。
US5002123 A1涉及一种用于冷却电子部件的流体热交换器，所述热交换器具有用于接收来自电子部件的热的外壳。所述外壳在其相对端有流体入口和出口。用于从入口到出口输送流体的腔的横截面面积从入口到出口是缩小的，因此降低压降，而不会牺牲热性能。
US6822865 B2描述了一种用于半导体模块的冷却设备，其中流体通道直径可出于分配目的而调整。该设备的缺点是不能得到优化和一致的冷却。尤其是当通过流经串联连接的通道的冷却剂来冷却半导体部件时，位于最下游的部件将承受更高的工作温度。工作温度上升10℃通常将使器件的工作寿命缩短50％。
因此，电子部件的冷却需要改进。主要是期望高度一致地进行冷却，利用该方案能够将两个或多个部件、或两个或更多部件的部分的温度保持在同等水平。此外，相对于流速，冷却速度也将被优化。设计应当紧凑、简单和节约成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点。提供电路部件的一致、有效和优化的冷却。该目的通过挤压成型的铝电路部件载体来获得，一个或多个电路部件被安装在所述电路部件载体上。所述载体包括第一侧部和第二侧部。所述第一侧部包括用于安装至少一个第一电路部件的区域，并且所述第二侧部包括用于安装至少一个第二电路部件的区域。
此外，所述载体包括可以连接冷却液的入口管道的入口，以及可以连接冷却液的出口管道的出口。贯穿载体的第一侧部形成一个或多个供应通道，贯穿载体的第二侧部形成一个或多个返回通道。供应通道和返回通道串联连接，从而供应通道的入口与返回通道的出口位于载体的相同侧。
通过返回通道的横截面的面积比供应通道的横截面的面积更小的设置，使得电路部件的冷却高度一致。本发明的载体的冷却回路，包括供应通道和返回通道，所述冷却回路被设置为相继地冷却两个或更多电路部件。返回通道的较小的横截面的面积增大了返回通道的冷却速率，其中所述至少一个第二电路部件的冷却得到改善。该得到改善的冷却补偿返回通道中较高的冷却液温度。因此，通过紧凑的电路部件载体实现了第一电路部件和第二电路部件的一致冷却。
第一侧部和第二侧部可以由载体的左、右部分，或由载体的上、下部分构成。至少两个电路部件可以是两个或多个分立的部件，也可以是一个单个部件的两个部分。
根据本发明的要求，平坦的挤压成型铝电路部件必须要求高强度、简单和成本节约的设计。有利的是铝是一种高导热性材料。
各个通道可以具有任意的横截面，例如圆形、椭圆形或多边形。然而，供应通道和/或返回通道具有适于促进平面内流动(in-plane flow)的横截面可以实现增进的冷却。在这方面，多边形横截面是优选的。多边形通道的内角降低内角区域中的冷却液的流速，这将促进平面内流动。包括尖锐的内角优选是锐角的横截面是尤其具有优势的。通过横截面基本上是三角形的返回和/或供应通道的设置可以实现优化冷却。该横截面的优化可以用于供应通道和返回通道二者，或仅仅其中之一。
如果应用三角形横截面，则可以设置供应通道和/或返回通道，使得三角形横截面的一侧面向载体的表面，这在电路部件和冷却液之间导致大的热交换面积。为了优化冷却速率，三角形横截面的高宽比可以至少为2。
电路部件载体可以进一步包括入口歧管、端部歧管以及出口歧管。入口歧管和出口歧管附着至载体的第一端，端部歧管附着至载体的第二端。所述入口歧管和出口歧管可以被集成为单件或作为两个独立的部分形成。
入口歧管将液体冷却剂的入口管道连接到供应通道。类似地，出口歧管将出口管道连接到返回通道。端部歧管将供应通道连接到返回通道。为了平衡流经相应供应通道的冷却剂之间的温度差，端部歧管可以包括混合室，所述混合室收集且混合来自所有供应通道的冷却剂。在所述混合后，端部歧管引导着冷却剂至不同的返回通道。
通过附着至载体的歧管，挤压成型的载体可以投入使用。歧管可以根据流行环境进行设计，同时载体可以大规模地生产。
所述部件载体可以进一步包括冷却装置，所述冷却装置包括入口管道、出口管道以及冷却液泵。所述泵连接至出口管道和入口管道并且设置在出口管道和入口管道之间。
附图说明
现在将参考附图来描述本发明的其它特征和优点，其中
图1示出了根据本发明的电路部件载体的示例的平面图，所述电路部件载体具有安装在其上表面的电气部件，
图2示出了贯穿图1的载体的截面图，
图3示出了贯穿根据本发明的载体的截面图，所述载体具有安装在其上面和下面的部件，
图4示出了具有另一类型的供应通道和返回通道的截面图，以及
图5是两种不同通道的横截面的放大图。
无论是附图还是下面的说明书都不是限制本发明的范围。在所有的附图中，相同的附图标记用于相同或者对应的部分。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电路部件载体12。载体12承载第一电路部件14和第二电路部件16。部件14、16以任意方式安装在载体12的表面上，在这里不对其进行讨论。部件载体12目的是保持部件14、16，并且还冷却部件14、16。通过附图2可以看到，用于冷却剂的供应通道30和返回通道32接近于载体的设置了部件14、16的表面穿过载体12。
电路部件载体12可以还包括入口管道22、出口管道24以及泵26。入口管道22连接至入口歧管38，所述入口歧管38将来自入口管道22的冷却液分配至供应通道30。相应地，出口管道24经由出口歧管46连接至返回通道32。在本实施例中，使用两个供应管道30和两个返回管道32。入口歧管38和出口歧管46设置在载体12的同一端40，在与之相对的载体12的另一端44处设置端部歧管42。端部歧管42的目的是连接供应通道30至返回通道32。通道30、32的数量可以根据不同的情况而改变。分别使用多个供应通道30和返回通道32的优点是：当冷却行为在大面积载体12上延伸时，冷却得到改善。另外，当流体被分配到多个较小的通道30、32时，冷却得到改善。
在操作中，冷却液通过泵26从入口管道22循环通过入口歧管38、供应通道30、端部歧管42、返回通道32、出口歧管46、出口管道24并且回到入口管道。供应通道30被设置成穿过载体12的第一侧部18，并且返回通道32被设置成穿过载体12的第二侧部20。在图1和2中，第一侧部18在六面体载体12的右半部分并且第二侧部20是左半部分。
供应通道30和返回通道32串联连接。因此，相同流量的冷却液通过供应通道30和返回通道32。返回通道32的横截面的面积小于供应通道30的横截面的面积。因此，应该意识到返回通道32中的流动速度更高。试验表明，增加的流速将使冷却性能更好。因此，通过第二侧部20的较窄通道32改善了第二侧部20的冷却能力。另一影响冷却能力的因素是冷却液和待冷却的部件之间的温度差。由于进入返回通道32的冷却液已经被安装在第一侧部18上的电路部件14加热的事实的原因，在返回通道32中的冷却液的温度高于供应通道30中的冷却液的温度。由通过设置在第二侧部20中的返回通道32的较高流速来平衡通常导致第二侧部20上降低的冷却能力的较高温度。
在图1中所示的第一电路部件14和第二电路部件16还可以构成一个单个电路部件的部分。这种单个部件被设置在载体12的第一侧部18和第二侧部20的部件区域。在那种情况下，本发明的电路部件载体12用来均衡单个电路部件内的不同部分之间的温度差，而不是不同电路部件14、16之间的温度差。
如在附图1中的34所示，供应通道30和返回通道32可以具有三角形横截面。实验表明，三角形横截面具有高冷却性能。事实上，相对于是圆形通道，三角形横截面的冷却性能可被提高20％。该冷却性能的提高的原因是流速相对于三角形横截面变化。基本上，由于粘性力的作用，在三角形的三个角的流速会比较低，而在三角形中心的流速会比较高。这样会引起压力梯度，在流速比较高的区域压力较低，以及出现“平面内流动”。所述“平面内流动”的意思是一种液流，其垂直于流体通道中的纵向液流。这种平面内流动增加紊流，这种紊流将有利于改善从载体12材料到流经通道30、32的冷却液的热传导。
除了优选的三角形冷却剂通道横截面外，多种其它设计也是可以想到的。多边形横截面具有影响通道30、32内的流动特性的优点，从而促进平面内流动，就像在前已经描述的一样。特别地，包括锐角的横截面更加有优势。此外，横截面优选包括可以将其朝着待冷却的部件设置的直的侧边。
在这里描述的本发明的示例中，无论供应通道20还是返回通道32都具有促进平面内流动的横截面。但是，仅只有供应通道30，或者仅只有返回通道32具有促进平面内流动的横截面也是可以想到的，那么另一通道30、32将具有圆形横截面。通过这种方式，就仅只有局部地在第一或者第二侧部18、20可以增大冷却速率。
电路部件载体12可以进一步包括热交换器28，设置在载体12的外部。热交换器28可以用来降低通过载体12后的冷却液的温度。热交换器28可以被设置在泵26的上游或下游，并且可以用环境中的空气来对冷却液进行冷却。除了热交换器，冷却装置可以包括冷却储藏器28，其中从载体12中出来的被加热过的冷却液在循环进入载体12前与大量的低温冷却液混合。被供应至应冷却储藏器28的热能可以从储藏器的表面通过辐射、传导和/或对流而被导引到环境中。
通过在端部歧管42中设置混合室(未示出)以及连接相应供应通道30到所述腔，来自相应供应通道30的冷却液的温度在进入返回通道32前就返回正常状态。这使得进入返回通道32的冷却液的温度针对每一个返回通道32相同，这确保一致冷却。
在附图3和4的示例中，第一侧部(18)是六面体载体12的上半部分。第二侧部(20)是下半部分。第一电路部件14被安装在载体12的上侧面，以及第二电路部件16被安装在下侧面。附图3和4示出了使用三个供应通道30和三个返回通道32的载体12的示例。可以看到，通道30和32基本覆盖电路部件14、16的整个表面，这对冷却部件14、16是有利的。
在附图1和2中，供应通道30和返回通道32的横截面三角形的顶点指向同一个方向。在附图3和4中，供应通道30和返回通道32的横截面三角形的顶点相互指向对方。
当电路部件14、16被安装在载体12的上部和下部时，供应通道30和返回通道32被分别设置成接近载体12的上表面和下表面，参见附图3。如参考附图1和2已经描述的，冷却液先被导引穿过供应通道30以冷却第一电路部件14，然后穿过返回通道32以冷却第二电路部件16。
附图4示出了根据附图3的示例。但是附图4中通道30和32的高度基本超过宽度。实验表明，高度基本超过宽度的三角形冷却通道将提供高效的冷却性能。也就是说，期望三角形横截面需要在一个方向上有大的延伸并且在另一方向上有小的延伸。
通常，在固体和液体之间的热传递与热传递系数h成比例。
迪图司-贝尔特(Dittus-Boelter)方程将热传递系数表示为：
h＝(k/Dh)Nu
其中，K是液体(流体)的热导率，Dh是水力直径，Nu是Nusselts数。从这个方程中应意识到随着水力直径的变小，热传递系数变大。
现在，水力直径Dh定义为以下方程：
Dh＝4·A/P
其中A是通道的横截面面积，P是湿润周长。如果横截面面积保持不变，那么随着湿润周长，即横截面三角形的周长变大，水力直径变小。
根据本发明，已经发现，在一个方向上有大的延伸并且在另一个方向上有小的延伸的三角形通道对安装在铝表面的电路部件的冷却是很好的。
附图5示出了两种不同的冷却通道的横截面34a、34b。第一横截面34a是等边三角形，这也在附图2和3中有例示。在三个三角形的角区域中，低流速区域被虚线包围。由于所有三个角是一样的，所以流速下降在所有角区域也是一样的。根据Bernoulli原则，在包围区域中的低流速将导致高的压力。平面内流动将平衡横截面中的压力差，这将改善热传递系数。基本上，所述平面内流动将从等边三角形34a的角落朝向等边三角形34a的中心流动。
附图5中的第二横截面34b是具有大的高宽比的三角形，就像在附图1中34显示的横截面。所示的三角形34b是等腰三角形，并且其底边的长度a大约是侧边长度2a的一半。同样地，流速减缓的角区域被圈出。可以看出，两个钝一些的角被相对小的椭圆圈出，而相对尖锐的角被更大的椭圆圈出。椭圆的尺寸表明了局部流速被降低的程度，以及相应的压力增加。在图的顶部的锐角产生朝向三角形底边的相当大的平面内流动，该平面内流动比附图5中第一横截面34a和第二横截面34b中的钝角产生的平面内流动要大得多。第二横截面34a的顶部的平面内流动的优势是其朝向三角形34a的底边，这正是电路部件14、16所在的地方。
纵观附图2和附图3，可以看出三角形冷却通道总是被设置成使得横截面三角形的一边面向载体12的表面，从而电路部件14、16可以被冷却。当使用大的高宽比的横截面时，横截面三角形的底边必须面向在载体12的表面。事实是靠近三角底边具有最大流速将改善冷却性能。
虽然在附图1、4和5(第二横截面34b)中的冷却通道横截面均选择等腰三角形，但是在优化热传递系数时，也能使用其它的三角形形式，比如直角横截面也可以被使用。等腰三角形横截面的一个优点是几何对称可以产生最大的朝向横截面底边的平面内流动。不考虑选择何种形式的三角形，如果要优化热传递系数，重要的方面是高宽比至少为2。
在任何多边形横截面中，通过使用向内弯曲的侧边，内角可以变得尖锐。因此，向内弯曲的侧边可以被用来增进平面内流动。具有特别突出的优点的横截面可以是具有两个向里弯曲侧边和一个笔直边的三角形(在附图5中用虚线示出)。因此，获得高的热传递系数，同时三角形的笔直边面向器件以保证从器件到冷却液通道的良好的热传导。
理论上，较大的高宽比将产生较低的水力直径，并且从而导致较高的热传递系数。因此，具有很大的高宽比的开口或槽的形式的冷却剂通道横截面是优选地。但是，这样的横截面带来的优点却被增加的流动阻力抵消，从而需要不合理的高的泵功率。面向电路部件的三角形底边必须具有富裕的宽度以提供冷却。可选地，可以并排地设置多个三角形通道，但是这也将增加流动阻力。实验表明，当三角形底边长度少于侧边长度的一半时，可以获得合适的热传递系数，以及因此获得高效的冷却性能。这对应于高宽比近似为2。
附图2和3中的冷却通道的几何形状未被优化，但这与附图5中的第一三角形34a是对应的。附图4中所示的是更优化的通道横截面，其中等腰三角形底边长度少于一半的侧边的长度。容易想到的是，这样的横截面也可以用于附图2中的通道30、32。如附图4所示，通过将相应的供应通道30与相应的返回通道32交替设置，获得高效但是紧凑的电路部件载体12。附图4中的通道30、32基本延伸穿过载体12的整个厚度。
虽然没有示出，但是电路部件载体12在各侧部18、20上分别可以承载多于一个的电路部件14、16。相对于供应通道30来说，较小的返回通道32的横截面将在第二侧部20上的部件产生高效的冷却，尽管设置在第二侧部20中的返回通道中的冷却液的温度较高。
所有的相应供应通道30具有相同的横截面面积，这同样适用于返回通道32。相对于供应通道30，可以调整返回通道32的减小的冷却通道的面积以使得分别在各自侧部18、20上的电路部件14、16的温度得到平衡。如果第二侧部20上设置了多于一个的电路部件16，则返回通道面积的有利的减小数量为：第二侧部20的最上游部件的温度被限定为与第一侧部18的最上游电路部件16的工作温度相同。在承载2个或更多个部件14、16的典型电路部件载体中，这样的减小数量为15-25％，并且优选为18-22％。这样的减小数量适于均衡第二侧部20的最上游部件和第一侧部18的最上游部件16之间的10℃的温度差。如果这些建议的减小数量不能够均衡所述温差的需求，则可以增大减小数量。
减小返回通道32的冷却通道面积的另一优点是可以使用更低的冷却剂流速也能满足使得电路部件14、16保持规定的温度。如果没有采取可以一致冷却的措施，则在被返回通道32冷却的最下游部件16的温度将决定需要的冷却剂流速。这会导致安装在所述部件上游的部件14超出需要地被冷却。通过本发明的一致冷却，可以使用更冷的低却剂流速。
附图2、3、4不同的设计要求不同的入口歧管38、端部歧管42、出口歧管46。注入歧管38和出口歧管46可以是两个单独的单元，如附图1所示，或者被集成在一个单元(未示出)。也能够将所有的歧管38、42、46都集成到载体12中。如果歧管38、42、46设置作为附着至载体12的单独单元，则可以使用一个无需后续处理或需要最少后续处理的挤压成型的载体12。将歧管38、42、46附着到载体12的一个合适连接技术是使用摩擦搅拌焊，该技术节约成本，速度快。与载体一样，适合歧管的材料是铝。
安装在本发明电路部件载体上的电路部件的典型运行温度在60-120℃的范围内。冷却液可以由水和乙二醇组成，并且具有50-90℃的运行温度，其中，冷却液在50℃的温度下进入载体，在90℃的温度流出载体。对于更高的运行温度，也可以用油来代替水和乙二醇。
高效电路部件载体的一个示例包括宽度为100mm、长度为100mm、厚度为10mm的载体。在该载体上安装有4个电路部件。两个部件安装在第一侧部，并且两个部件安装在第二侧部。该示例与附图1所示的相对应，但是不是两个部件，而是四个部件。此外，使用5个供应通道和返回通道。所有四个部件各自产生500W的热负载。供应通道30具有1.0mm的宽度和2.0mm的高度，并且返回通道32具有0.8mm的宽度和2.0mm的高度。因此，流体通道30、32横截面的减小为20％。
应该意识到，电路部件载体在实际操作中可以例如上下颠倒安装。在全文中，当参考电路部件载体在附图中的取向时，使用了术语“上/下”以及“左/右”。

Claims (15)

1.一种挤压成型铝电路部件载体(12)，一个或多个电路部件安装在所述挤压成型铝电路部件载体(12)上，
所述载体包括第一侧部(18)和第二侧部(20)，
其中所述第一侧部(18)包括用于安装至少一个第一电路部件(14)的区域，并且所述第二侧部(20)包括用于安装至少一个第二电路部件(16)的区域，
所述载体(12)还包括入口和出口，冷却液的入口管道(22)能够连接到所述入口，而冷却液的出口管道(24)能够连接到所述出口，以及
一个或多个用于所述冷却液的供应通道(30)，所述供应通道(30)穿过所述载体(12)的所述第一侧部(18)形成，并且
一个或多个用于所述冷却液的返回通道(32)，所述返回通道(32)穿过所述载体(12)的所述第二侧部(20)形成，所述供应通道(30)串联连接至所述返回通道(32)，
其中所述返回通道(32)的横截面的面积小于所述供应通道(30)的横截面的面积，从而在使用中所述返回通道(32)中的流速超过所述供应通道(30)中的流速，使得针对所述第一电路部件和所述第二电路部件(14，16)实现基本一致的冷却能力。
2.根据权利要求1所述的载体，其中所述第一侧部(18)和所述第二侧部(20)构成所述载体(12)的右侧部和左侧部，使得所述第一电路部件和所述第二电路部件(14，16)被并排布置在所述载体(12)上。
3.根据权利要求1所述的载体，其中所述第一侧部(18)和所述第二侧部(20)构成所述载体(12)的上部和下部，使得所述第一电路部件和所述第二电路部件(14，16)被布置在所述载体(12)的相对侧上。
4.根据前述任一项权利要求所述的载体，其中，与所述供应通道(30)的面积相关地调整所述返回通道(32)的面积，使得所述第一侧部(18)的最上游电路部件(14)的工作温度基本上等于所述第二侧部(20)的最上游电路部件(16)的工作温度。
5.根据权利要求4所述的载体，其中所述返回通道(32)的面积比所述供应通道(30)的面积大约小15-25％，优选小18-22％。
6.根据权利要求4所述的载体，其中所述供应通道(30)宽度大约为约1mm，高度大约为2mm，并且所述返回通道(32)的宽度大约为0.8mm，高度大约为2mm。
7.根据权利要求1-6中的任一项所述的载体，其中，所述供应通道和/或所述返回通道(30，32)具有适于促进平面内流动的横截面(34)，优选为多边形横截面。
8.根据权利要求7所述的载体，其中所述供应通道和/或所述返回通道(30，32)具有三角形横截面，并且所述供应通道和/或返回通道(30，32)被设置成使得所述三角形横截面的一侧面向所述载体(12)的表面，这使得在所述电路部件(14，16)和所述冷却液之间具有大的热传递面积。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的载体，其中所述供应通道和/或所述返回通道(30，32)具有高宽比至少为2的三角形横截面。
10.根据权利要求1-9中的任一项所述的载体，其中所述供应通道和所述返回通道(30，32)具有等腰三角形形式的三角形横截面，并且所述等腰三角形的底边面向所述载体(12)的表面。
11.根据权利要求1-10中的任一项所述的载体，包括多个供应通道(30)和多个返回通道(32)。
12.根据前述任一项权利要求所述的载体，还包括冷却装置，所述冷却装置包括：
入口管道(22)，
出口管道(24)，以及
冷却液泵(26)，所述冷却液泵(26)连接至所述出口管道(24)和所述入口管道(22)并且布置在所述出口管道(24)和所述入口管道(22)之间。
13.根据前述任一项权利要求所述的载体，其中所述载体(12)还包括：
入口歧管(38)，所述入口歧管(38)附着至所述载体(12)的第一端(40)并且将所述供应通道(30)连接至所述入口管道(22)，
端部歧管(42)，所述端部歧管(42)附着至所述载体(12)的第二端(44)并且将所述供应通道(30)连接至所述返回通道(32)，以及
出口歧管(46)，所述出口歧管(46)附着至所述载体(12)的所述第一端(40)并且将所述返回通道(32)连接至用于所述出口管道(24)的出口。
14.根据权利要求12所述的载体，其中所述端部歧管(42)包括混合室，所述供应通道和所述返回通道(30，，32)连接至所述混合室。
15.前述任一项权利要求所述的电路部件载体(12)的用途，用于冷却一个或多个电路部件(14，16)。
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