用于冷卻支架的組件和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于冷卻具有電子結(jié)構(gòu)元件的支架(203)的組件和方法,該組件包括殼體(200),其帶有底板(204)、圍繞支架的周緣壁部(220)和在支架之上伸延的且封閉殼體的內(nèi)腔(230)的蓋(211)。為了能夠直接由流過底板的冷卻流體來冷卻支架,而不存在支架破壞的風險,提出,內(nèi)腔(230)加載有壓力,其大于由冷卻流體產(chǎn)生的且作用到支架(202)上的壓力。
【專利說明】用于冷卻支架的組件和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于冷卻具有至少一個電氣和/或電子結(jié)構(gòu)元件的支架的組件,其包括具有內(nèi)腔的殼體,該殼體帶有:
-形成殼體的底部的底板,其中,支架支撐在底板上并且引導(dǎo)冷卻流體的通道在支架與底板之間伸延,通道與至少一個進入口和至少一個排出口相連接,
-圍繞支架的周緣壁部(Umfangswandung)以及 -在支架之上伸延的且封閉殼體的內(nèi)腔的蓋(Abdeckung)。
[0002]此外,本發(fā)明參考一種用于冷卻具有至少一個電氣和/或電子結(jié)構(gòu)元件的支架的方法,其中,將支架布置在具有內(nèi)腔的殼體中,該殼體帶有:
-形成殼體的經(jīng)由間隔元件支撐支架的底部的底板,
-圍繞支架的周緣壁部以及
-可封閉殼體的內(nèi)腔的、優(yōu)選地透明的蓋,其中,在支架與底板之間存在間隙,以冷卻流體流過該間隙,借助于冷卻流體以壓力Pi加載支架。
【背景技術(shù)】
[0003]從文件W0-A-2010/012491可得悉一種用于太陽輻射的敞開的封裝的集中器系統(tǒng)(Konzentratorsystem)。在此根據(jù)一實施例將光熱模塊(Photovoltaikmodul)布置在方形的殼體中,該殼體具有冷卻流體流過的雙層壁部(Doppelwandung)。在射線側(cè)(Strahlseitig),殼體由玻璃層封閉。此外,模塊布置在冷卻體上,在冷卻體的下側(cè)處冷卻水沿著流動。
[0004]根據(jù)文件W0-A-2003/095922 (EP-A-1 790 935),曲折地導(dǎo)引冷卻水通過殼體(在其蓋處可來布置具有半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元件的基底),以便冷卻它。關(guān)于此的組件適合于冷卻例如陶瓷基覆銅板(Direct Copper Bonding (DCB)-Platine),其中,冷卻水不直接加載其,因為否則存在斷裂的危險。
[0005]半導(dǎo)體模塊可從文件EP-A-O 411 119得悉。為了冷卻該模塊,將其布置在支架上并且由冷卻板(沿著其來引導(dǎo)冷卻流體)覆蓋。冷卻流體的管路被相對支架密封的殼體圍繞。為了避免冷卻流體流出,殼體被氣體流經(jīng),氣體的壓力大于冷卻流體的壓力。
[0006]從文件US-A-2006/0 138 452已知一種帶有殼體和布置在其中的半導(dǎo)體層的功率半導(dǎo)體模塊。半導(dǎo)體層布置在底板之間,底板在其方面接觸導(dǎo)電的條帶形的電極聯(lián)接元件(Elektrodenanschlusselement)。在殼體中布置有冷卻體,冷卻體與電極聯(lián)接元件為了其冷卻導(dǎo)熱地相連接。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明目的在于在應(yīng)用尤其大面積的例如在30cm2與200cm2之間或者更多的面積的支架時避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點。尤其地,本發(fā)明的目的為將開頭所提及的類型的組件和方法改進成使得如果支架易碎(例如陶瓷基覆銅板(在其上為了形成模塊聯(lián)接太陽能電池、尤其集中器太陽能電池))那么也可直接以冷卻流體加載支架。
[0008]為了實現(xiàn)該目的大致設(shè)置成,內(nèi)腔加載有壓力,其大于由冷卻流體所產(chǎn)生的且作用到支架上的壓力。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)尤其可運用于所有在支架上布置有電氣結(jié)構(gòu)元件如太陽能電池(其傾向于高的功率損失)的情況。
[0010]尤其地,本發(fā)明研究集中器太陽能電池模塊的冷卻。在集中的太陽光(其通過拋物面鏡或向日的鏡場來產(chǎn)生)中利用相應(yīng)的模塊。由此將在lOW/cm2至200W/cm2的范圍中的非常高的光強轉(zhuǎn)化成電能。該模塊的熱損失功率處于5W/cm2與200W/cm2之間的范圍中并且可與高功率電子裝置中的熱損失功率相比。然而,在高功率電子裝置中僅在幾平方厘米上產(chǎn)生損失功率,而在集中器光熱模塊中在30cm2至200cm2的范圍中產(chǎn)生熱損失,從而出現(xiàn)若干千瓦的總損失功率。
[0011]可將電子的高功率元件101布置在陶瓷基覆銅板上,如這應(yīng)示例性地根據(jù)圖1來說明的那樣,其相應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù),如它從文件(1.Koch.N.Lescow: Vergleichverschiedener Methoden der Fliissigkeitskiihlung, 2008 年度報告 Institut fiirElektrische Maschinen.Antriebe und Bahnen)可得悉的那樣。在此,可將支架 102 布置在殼體103的金屬板上并且借助于焊層(L^tschicht)與其相連接。該板具有良好的導(dǎo)熱性并且將熱量分配到更大的面積上。為了保護部件101,罐形的敞開的金屬殼體103填充有軟娃酮(Weichsilicon) 109。
[0012]殼體103或金屬或者底板旋擰到水冷卻器104上,其中,在殼體103與水冷卻器104之間的力配合實現(xiàn)成使得建立良好的熱接觸。為了接觸的進一步的改善,可輸送熱脂(Warmefett)。經(jīng)由進入口 104,水到達水冷卻器104中、通過一個或多個通道110流過它,以便從布置在板上的支架101導(dǎo)出熱量。
[0013]在此,可將通道設(shè)計成使得表面變大并且產(chǎn)生渦旋流動。水經(jīng)由一個或多個排出口 108來導(dǎo)出。
[0014]這樣的布置對于高功率電子學(xué)為合適,然而與較少面積(cm2)的高功率電子組件相比不適合于帶有在20 cm2至200 cm2的區(qū)域中的面積的高集中器太陽能電池模塊(HochkoneentraterscIarzeIIenmodule)。
[0015]在高功率電子裝置中,DCB板被與例如由銅構(gòu)成的底板通過焊接相連接,以便導(dǎo)出熱量。因為銅的熱膨脹系數(shù)明顯大于陶瓷的熱膨脹系數(shù),在大面積的連接中在溫度變化應(yīng)力的情況下會確定焊層的損壞。因此不可能例如將包含陶瓷層的DCB板以IOcm X IOcm的面積焊接在實心的銅板上。
[0016]在支架與殼體或板之間的大面積的連接中的另一缺點在于,不保證在必需的范圍中在殼體與支架之間的面接觸,而是出現(xiàn)空隙,由于空隙熱傳遞被減少,導(dǎo)致出現(xiàn)不均勻的溫度分布。
[0017]基于根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)不必需的是,將支架與殼體或板在結(jié)構(gòu)元件的區(qū)域中材料配合地連接。而是存在直接以冷卻流體(如冷卻水)或其它冷卻流體(如甘油/水混合物)加載支架的可能性,而不存在該風險,即支架由于冷卻流體的壓力斷裂;因為從上面作用到支架上的壓力至少等于、但是尤其大于由冷卻流體作用到支架上的壓力。
[0018]利用結(jié)構(gòu)上簡單的措施存在直接借助于冷卻流體加載來冷卻大面積支架的可能性,而不存在斷裂的風險。
[0019]在此尤其設(shè)置成,在殼體的內(nèi)腔中的壓力高于從冷卻流體的側(cè)面作用到支架上的壓力0.2bar至Ibar之間。優(yōu)選地以高于大氣壓力0.2bar至Ibar之間的壓力將冷卻流體如液體引入到在支架與形成殼體的底壁部的底板之間的間隙中,其中,優(yōu)選在0.3m/sec至lm/sec的范圍中的流速。
[0020]冷卻流體通過通道流過底板與支架之間的間隙,通道由尤其接片形的突起來限制,突起從底板出發(fā)。備選地或補充地,相應(yīng)的突起也可從支架的下側(cè)出發(fā)。對此,支架具有相應(yīng)的設(shè)計。尤其地,支架的突起由在下側(cè)在支架上存在的金屬化部(Metallisierung)的截段或通過施加到支架的下側(cè)上的突起來形成。
[0021]關(guān)于此的設(shè)計無問題地在DCB板中是可能的,其中,根據(jù)還待稱為鰭的突起的形狀和制造,金屬化部具有不同的厚度或尤其以掩膜技術(shù)(Maskentechnik)將突起構(gòu)造到金屬化部上,突起伸入到在支架與底板之間的間隙中。由此使支架的使能夠熱傳遞的面積變大。同時使流過通道的冷卻流體置于渦旋中,從而提高冷卻效果。
[0022]在支架的下側(cè)處構(gòu)造相應(yīng)的凸起的措施可以是:
-借助于掩膜技術(shù)的電鍍, -借助于掩膜無電流地分離金屬,
-機械加工金屬化部以構(gòu)造突起或者
-固定由金屬(如金屬條)構(gòu)成的相應(yīng)的突起,其材料配合地被與支架的下側(cè)連接。
[0023]因為直接由冷卻流體來加載支架并且因此支架相對它和殼體密封,存在該可能性,即冷卻流體侵入殼體的內(nèi)腔中。這然而基于根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)基本上排除,因為內(nèi)腔中的壓力原則上高于作用到支架上的冷卻流體的壓力。
[0024]而不能完全避免冷卻介質(zhì)的成分擴散通過密封件。由此存在在體積上緩慢但是持久的濕氣積聚直至在溫度下降時濕氣冷凝的危險。
[0025]為了避免濕氣積聚,存在由加載內(nèi)腔的氣體(如空氣或氮氣)流過內(nèi)腔的可能性,由此可運走可能的濕氣。對此,殼體、尤其殼體的周緣壁部具有相應(yīng)的通風閥。
[0026]在體積內(nèi)的超壓通過氣體、優(yōu)選地氮氣通過進入口的輸入來維持。附加地可能將該體積與壓力平衡容器(其減小了在體積中溫度波動時的壓力波動)相連接。
[0027]氣體應(yīng)是干燥的或具有在0%與60%之間的相對空氣濕度。
[0028]開頭提及的類型的方法特征尤其在于,以帶有壓力P2 (其中P2 > Pl)的氣體加載內(nèi)腔。
[0029]優(yōu)選地,本發(fā)明提出,將壓力P2調(diào)節(jié)到1.2 Pl至2 Pl的值上。
[0030]在改進方案中設(shè)置成,將帶有以0.2bar≤P≤Ibar高于大氣壓力的壓力P的冷卻流體引入間隙中并且/或者將輸送給間隙的冷卻流體的流速V調(diào)節(jié)到0.3 m/sec ≤V≤ Im/sec 上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]本發(fā)明的另外的細節(jié)、優(yōu)點和特征不僅由權(quán)利要求、待從權(quán)利要求得悉的特征(單獨和/或相組合))而且由待從附圖的接下來的說明中得悉的優(yōu)選的實施例得到。
[0032]其中: 圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的冷卻組件,
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻支架的組件,
圖3顯示了支架的下側(cè),
圖4a)-c)顯示了用于構(gòu)造突起的制造步驟以及 圖5顯示了支架的另一實施形式。
【具體實施方式】
[0033]從圖2可純原理性地得悉根據(jù)本發(fā)明的用于冷卻支架202的組件。支架202可以是陶瓷板,其在下側(cè)具有尤其由銅構(gòu)成的金屬化部而在上側(cè)具有例如由銅構(gòu)成的導(dǎo)體帶結(jié)構(gòu),以便聯(lián)接太陽能電池201。太陽能電池201和支架202 (其尤其是DCB板)形成模塊,其中,根據(jù)本發(fā)明尤其應(yīng)冷卻高集中器太陽能電池模塊。
[0034]支架202布置在殼體200中、亦即在例如由銅或鋁構(gòu)成的執(zhí)行殼體200的底部的功能的金屬板204上。在底部或金屬板204上經(jīng)由螺栓來固定罩210,其中,借助于密封元件如O形環(huán)212實現(xiàn)在罩210與底板204之間的密封。罩210由周緣壁部220和由在支架202上方且與其有間距地延伸的透明的蓋211組裝而成。在太陽能電池201的上側(cè)與蓋211的下側(cè)之間的距離可處在Imm與20cm之間的范圍中。
[0035]支架202 (其也可被稱為電路板)的面積處于3cm x 3cm至優(yōu)選地20cm x 20cm之間,同時也可考慮更大的支架202。聯(lián)接至模塊的太陽能電池201具有比支架202的面積更小的面積。支架202此外經(jīng)由保險裝置如夾緊元件203在底板204的方向上力加載,其中,密封件如O形環(huán)209在邊緣區(qū)域中延伸。
[0036]支架202尤其是陶瓷基覆銅板,其通常具有大于IOcm x IOcm的面積并且基于根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)被直接水冷。
[0037]如從繪制的圖示得出的那樣,底板204被一個或多個進口 207和一個或多個出口208貫穿。經(jīng)由進口將冷卻流體如冷卻水或者例如甘油/水混合物輸送給在支架202的下側(cè)與底板204的上側(cè)之間伸延的間隙,以便導(dǎo)出支架(也稱支架板202)的損耗熱。對此,通道205在支架板202與底板204之間的間隙中伸延,通道205由突起206來限制,支架202經(jīng)由突起206支撐在底板204上。突起206可從底板205或從支架202的下側(cè)出發(fā)。然而還存在該可能性,即突起不僅從底板205而且從支架202出發(fā),其然后彼此相間隔地接合到彼此中。
[0038]此外,存在該可能性,即將間隔物(Abstandshalter)插入底板204與支架202之間的縫隙中,其必要時代替突起或補充突起。
[0039]尤其設(shè)置成,0.5mm至5mm高的微鰭(Mikrofinne)作為突起從支架202的背側(cè)出發(fā),流過通道205的流體如水或甘油/水混合物分布在其上并且產(chǎn)生渦旋流動。同時提高支架202的背側(cè)與冷卻流體的接觸面積。優(yōu)選地,從支架202出發(fā)的突起(如鰭)傾斜地指向水流動的方向延伸,由此提高渦旋效果。
[0040]構(gòu)造從支架202的下側(cè)伸出的突起或者微鰭例如可以以以下方式之一來實現(xiàn):
-通過電鍍使鰭在背側(cè)金屬化部(Rilckseitenmetallisierung)(其可由銅或招構(gòu)成)上生長。帶有細的縫隙的掩膜(Maske)在此限定結(jié)構(gòu)。
[0041]-在導(dǎo)體板上從背側(cè)金屬化部削出(herausschjilen)鰭。[0042]-從厚的背側(cè)金屬化層蝕刻出(herausjitzten)鰭。
[0043]-將鰭焊接或釬焊在背側(cè)上。對此,可利用相應(yīng)的金屬小帶。
[0044]蓋211可以是白玻璃或石英玻璃。蓋211相對周緣壁部220機械地固定并且通過耐高溫的密封件來密封,使得內(nèi)腔220相對周圍環(huán)境密封。
[0045]為了防止由于流過通道205的冷卻流體和與此相聯(lián)系的壓力加載支架202斷裂,根據(jù)本發(fā)明設(shè)置成,內(nèi)腔230經(jīng)由開口 214以氣體如氮氣這樣來加載,使得相對由冷卻流體作用到支架202上的壓力以超壓來加載內(nèi)腔230,從而支架202不會斷裂。尤其設(shè)置成,相對由冷卻流體所產(chǎn)生的壓力以0.2bar至Ibar的超壓來加載內(nèi)腔230。
[0046]可以以相對大氣壓力在優(yōu)選地0.2bar至Ibar的范圍中的超壓經(jīng)由輸入管路207將冷卻流體輸送給間隙。流體的流速應(yīng)處在0.3m/sec與lm/sec之間。
[0047]因為在內(nèi)腔230中相對由冷卻液體所產(chǎn)生的壓力存在超壓,保證液體不可侵入內(nèi)腔230中。附加地,在濕氣散入內(nèi)腔中時保證盡管如此在內(nèi)腔230中存在干燥的大氣,因為經(jīng)由通風閥215持續(xù)地從內(nèi)管230導(dǎo)出氣體。
[0048]內(nèi)腔230中的背壓使尤其大面積的陶瓷支架的水冷卻成為可能,陶瓷支架否則將不可避免地由于存在的水壓而破裂。
[0049]殼體200的形成罩的一部分的側(cè)壁部202同樣由金屬如銅或鋁構(gòu)成。
[0050]在運行期間高集中的光線穿過蓋211并且打到光熱模塊(其包括太陽能電池201和支架202)上。光強度足以熔化未冷卻的金屬件。因此,保證在周緣壁部220與底板204之間的良好的導(dǎo)熱性是有利的。還待稱為底壁部的底板204具有與水流的直接接觸并且因此被主動地冷卻。
[0051]在本發(fā)明的設(shè)計方案中,如提及的那樣,還待稱為陶瓷板的支架202的背側(cè)可構(gòu)造成使得存在至水的改善的傳熱。通常,相應(yīng)的支架板(其具有陶瓷層)、如DCB板的背側(cè)構(gòu)造有連續(xù)的銅層,其與陶瓷層相連接。
[0052]相應(yīng)于圖3,支架202或陶瓷板的背側(cè)構(gòu)造成使得在支架202與在間隙中流動的水之間的接觸區(qū)域變大并且同時促進渦旋的水流動。尤其地,背側(cè)301可構(gòu)造成使得存在帶有在之間的范圍中的高度和窄的間距的小鰭302。
[0053]這些鰭或突起302可用作支架202的支撐部、即用作在底板204的上側(cè)上的支撐部。在該情況中不強制性地需要突起206從底板204伸出。
[0054]從支架202的背側(cè)301伸出的突起或鰭可相應(yīng)于圖4或5如下來構(gòu)造。由此存在將帶有由縫隙構(gòu)成的樣式(Muster)的擋板(Blende)402固定在支架202的背側(cè)金屬化部401處的可能性。例如以銅來電鍍或者化學(xué)地涂覆背側(cè)401。同樣可考慮其它合適的金屬。沉積的金屬填充在擋板402或掩膜中的縫隙并且然后形成鰭。
[0055]在移除擋板402后,在支架202的背側(cè)上保留有鰭或突起的布置。
[0056]方法過程可從圖4得悉。鰭或突起利用附圖標記403來表示。
[0057]根據(jù)圖5還存在使支架202設(shè)有相當厚的例如帶有Imm厚度的背側(cè)金屬化部501的可能性。然后借助于機械工具502將鰭從背側(cè)金屬化部取下或剝下。
[0058]但是還存在將例如金屬帶或金屬線的截段安裝如焊接、釬焊或粘貼到背側(cè)金屬化部301上的可能性。同樣可使用措施如電焊、超聲波焊接、熱壓焊接(ThermokompressionsschweiBen)、釬焊、直接銅連結(jié)(Direct Copper Bonding)或其它方法。
[0059]此外,鰭例如可以以多層篩網(wǎng)壓制法(Multilagensiebdruckverfahren)來施加并且然后來燒結(jié)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于冷卻具有至少一個電氣或電子結(jié)構(gòu)元件的支架(202)的組件,其包括具有內(nèi)腔(230)的殼體(200),所述殼體(200)帶有: -形成所述殼體的底部的底板(204),其中,所述支架支撐在所述底板上并且引導(dǎo)冷卻流體的通道(205)在所述支架與所述底板之間伸延,所述通道(205)與至少一個進入口和至少一個排出口(207,208)相連接, -圍繞所述支架的周緣壁部(220)以及 -在所述支架之上伸延的且封閉所述殼體的內(nèi)腔(230)的蓋(211), 其特征在于, 所述內(nèi)腔(230)加載有壓力,其大于由所述冷卻流體所產(chǎn)生的且作用到所述支架(202)上的壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件,其特征在于,所述支架(202)是帶有太陽能電池(201)的支架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件,其特征在于,第一突起如接片所所述底板(204)并且/或者第二突起(302)如片層從所述支架(202)的在底板側(cè)伸延的下側(cè)(301,501)出發(fā),并且所述支架經(jīng)由所述第一突起和/或所述第二突起支撐在所述底板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組件,其特征在于,所述第一突起和/或第二突起(302)限制所述通道(205)。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項所述的組件,其特征在于,所述支架(202)的下側(cè)(301,401,501)具有施加在陶瓷體上的金屬化部,在其上所述第二突起(302)以掩膜技術(shù)通過電鍍或無電流的涂覆`或者通過所述金屬化部的機械加工或者通過由金屬構(gòu)成的條帶形的元件如金屬帶的固定來構(gòu)造。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的組件,其特征在于,所述支架(202)經(jīng)由從所述金屬化部出發(fā)的所述第二突起(302)支撐在所述底板(204)上。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項所述的組件,其特征在于,所述內(nèi)腔(230)經(jīng)由優(yōu)選地貫穿所述周緣壁部(220)的通風閥(215)與所述組件的周圍環(huán)境相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的組件,其特征在于,所述蓋(211)是透明的。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項所述的組件,其特征在于,所述內(nèi)腔(230)加載有氣體如空氣或氮氣,其是干燥的或者具有在0%與60%之間的相對空氣濕度。
10.一種用于冷卻具有至少一個電氣和/或電子結(jié)構(gòu)元件的支架的方法,其中,將所述支架布置在具有內(nèi)腔的殼體中,所述殼體帶有: -形成所述殼體的經(jīng)由間隔元件支撐所述支架的底部的底板, -圍繞所述支架的周緣壁部以及 -能夠封閉所述殼體的內(nèi)腔的、優(yōu)選地透明的蓋, 其中,在所述支架與所述底板之間存在間隙,以冷卻流體流過所述間隙,借助于所述冷卻流體以壓力Pi加載所述支架, 其特征在于, 以帶有壓力P2的氣體加載所述內(nèi)腔,其中P2 > P1。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其特征在于,將DCB板用作支架。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其特征在于,將透明的蓋用作蓋。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其特征在于,將帶有以0.2bar < P < Ibar高于大氣壓力的壓力P的所述冷卻流體引入所述間隙中,,并且/或者將輸送給所述間隙的所述冷卻流體的流速V調(diào)節(jié)到0.3m/sec ^ V ^ lm/sec。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法,其特征在于,將所述壓力P2調(diào)節(jié)到1.2P1至2P1的值上。
15.根據(jù)至少權(quán)利要求10所述的方法,其中,所述支架在間隙側(cè)具有金屬化部, 其特征在于, 在所述金屬化部上和/或從所述金屬化部出來來構(gòu)造在所述支架的方向上延伸的突起,其尤其通過所述金屬化部的以掩膜技術(shù)的電鍍或以掩膜技術(shù)的無電流的涂覆或機械加工或者通過由金屬構(gòu)成的條帶 形的元件如金屬帶的固定來構(gòu)造。
【文檔編號】H01L23/373GK103518259SQ201280013245
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年1月14日
【發(fā)明者】R.勒肯霍夫 申請人:阿祖爾太空太陽能有限責任公司