專利名稱：用于載流導(dǎo)體的冷卻系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題一般涉及熱管理，且具體而言涉及載流導(dǎo)體的熱管理。
背景技術(shù)：
高電流環(huán)境中的功率分配需要從電源(power supply)到各種構(gòu)件(例如驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)、馬達(dá)、電負(fù)載、放大器、整流器、路由器、服務(wù)器等)的電流。在更加普通的方法中，用來 供應(yīng)功率的是大規(guī)格電線和線纜、開關(guān)裝置、電路板以及匯流條。典型地，功率分配已經(jīng)涉及了一個(gè)或多個(gè)銅質(zhì)匯流條，該銅質(zhì)匯流條設(shè)有用于連 接線纜的連接器或孔。匯流條可彼此隔開，且由絕緣墊片隔離。大型銅質(zhì)或鋁質(zhì)匯流條和 線纜已經(jīng)用于在工業(yè)控制系統(tǒng)中分配功率。這種匯流條較大，且可相對(duì)容易地承載高功率。 傳統(tǒng)上，匯流條冷卻技術(shù)涉及使空氣在機(jī)殼內(nèi)循環(huán)，以冷卻匯流條。在需要隔離的系統(tǒng)中， 匯流條定位得離其它構(gòu)件較遠(yuǎn)，且通過線纜聯(lián)接到其它構(gòu)件上。但是，與匯流條相比，線纜 能夠處理更少的功率。高效的功率分配系統(tǒng)需要更高的工作電流密度，從而使得在系統(tǒng)內(nèi) 分配更多的功率。另外，提高通過匯流條的功率密度具有挑戰(zhàn)，例如空氣流和通風(fēng)、振動(dòng)、噪 聲以及空間的高效利用。期望的是提供一種用于諸如匯流條的導(dǎo)體的冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)提高匯流條的 載流容量，同時(shí)減小其大小，從而節(jié)省空間和重量。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要來說，提出了一種用于載流導(dǎo)體的冷卻機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)包括具有多個(gè)微流通道 (micro fluidic channel)的第一層。第一層以熱的方式聯(lián)接到載流導(dǎo)體上，且構(gòu)造成交換 熱能。微型泵構(gòu)造成使熱交換流體循環(huán)通過微流通道，以與第一層交換熱能，且從載流導(dǎo)體 中移除熱量。熱交換流體和載流導(dǎo)體是電隔離的。在另一個(gè)實(shí)施例中，介紹了一種用以冷卻載流導(dǎo)體的熱交換器。熱交換器包括以 熱的方式聯(lián)接到載流導(dǎo)體上且具有一個(gè)或多個(gè)微型通道的熱交換層。流體路徑限定在微型 通道內(nèi)，以傳送熱交換流體。多個(gè)氣隙以與流體路徑熱連通的方式設(shè)置在微型通道周圍。自 調(diào)節(jié)泵構(gòu)造成使熱交換流體循環(huán)通過流體路徑。在另一個(gè)實(shí)施例中，介紹了一種冷卻載流導(dǎo)體的方法。該方法包括使熱交換層聯(lián) 接到載流導(dǎo)體周圍，該熱交換層以熱的方式聯(lián)接到載流導(dǎo)體上，且與載流導(dǎo)體是電隔離的。 該方法還包括通過限定在具有開孔結(jié)構(gòu)(open porous structure)的熱交換層中的多個(gè)微 流通道提供流體路徑，以及使具有相變材料的熱交換流體在流體路徑內(nèi)循環(huán)。該方法還包 括借助于通過熱交換層的熱交換來冷卻來自載流導(dǎo)體的熱量，以及通過使熱交換流體在聯(lián) 接到氣隙上的微流通道中循環(huán)來冷卻熱交換層。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方法以及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同參考標(biāo)號(hào)在全部圖中表示相同部件，其中圖1是實(shí)施了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的冷卻機(jī)構(gòu)的示例性配電系統(tǒng)的示意圖；圖2示出了圖1中的匯流條的區(qū)段；圖3示出了圖2中的載流導(dǎo)體的截面圖；圖4示出了圖3中的第一層的詳細(xì)視圖；以及圖5示出了在圖2的冷卻機(jī)構(gòu)中實(shí)施的示例性非接觸式電源。部件列表
10配電系統(tǒng)
12電功率源
14保護(hù)裝置
18負(fù)載
20匯流條/載流導(dǎo)體
22冷卻機(jī)構(gòu)
24第一層/熱交換層
28端環(huán)
30流體導(dǎo)管
32流體導(dǎo)管
34改型冷卻機(jī)構(gòu)
36微型泵
40截面圖
42微流通道
44界面層(interface layer)
46流體路徑
50放大圖
52氣隙
56非接觸式電源
58耦合線圈(pick-up coil)
60控制器
62輸出電壓
64電流
具體實(shí)施例方式圖1是實(shí)施了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的冷卻機(jī)構(gòu)的示例性配電系統(tǒng)的示意圖。配電 系統(tǒng)10包括電功率源12、保護(hù)裝置14、匯流條20、負(fù)載18以及冷卻機(jī)構(gòu)22。在示例性實(shí) 施例中，根據(jù)本發(fā)明的一方面，在匯流條20上實(shí)施冷卻機(jī)構(gòu)22。電功率源12的實(shí)例包括構(gòu) 造成將電功率通過保護(hù)裝置輸送到匯流條20的發(fā)電機(jī)。保護(hù)裝置14的實(shí)例包括斷路器。 負(fù)載18通過匯流條20接收來自源12的電功率。典型地，限制匯流條的載流容量的因素是電能流引起的溫度升高，溫度升高提高 了阻抗(由于熱量)。這種升高的溫度和電阻的提高可導(dǎo)致匯流條中的載流容量降低。用以冷卻匯流條的傳統(tǒng)方法包括自然冷卻、強(qiáng)制冷卻技術(shù)(例如吹氣)，以在匯流條導(dǎo)體的截 面上實(shí)現(xiàn)更高的電流密度。其它已知技術(shù)實(shí)施熱沉結(jié)構(gòu)(heat sink structure)，以通過自 然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流來散熱。但是，這種方法對(duì)載流容量具有邊界效應(yīng)。另外，當(dāng)在目前操作 的系統(tǒng)中實(shí)施時(shí)，這種冷卻方法需要大的修改。采用強(qiáng)制液體冷卻的系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的蒸氣 壓縮制冷循環(huán)或大體積冷卻設(shè)備，例如蒸發(fā)器、冷凝器或壓縮機(jī)。本發(fā)明的某些實(shí)施例公開 了用于匯流條的改型冷卻機(jī)構(gòu)22 (其需要最少的系統(tǒng)設(shè)計(jì)變化)，且使得對(duì)于給定的截面 和溫升能夠提高匯流條的載流容量。圖2示出了圖1中的匯流條的截面。冷卻機(jī)構(gòu)22包括具有多個(gè)微流通道42的第 一層24。在示例性實(shí)施例中，第一層包括具有多個(gè)氣隙的開孔結(jié)構(gòu)。第一層24(或熱交換 層)以熱的方式聯(lián)接到載流導(dǎo)體20上，且構(gòu)造成與導(dǎo)體20交換熱能。但是，第一層24與 載流導(dǎo)體20是電隔離的。熱交換流體(未顯示)構(gòu)造成流過微流通道42。在一個(gè)實(shí)施例中，熱交換流體構(gòu)造成用于非接觸型循環(huán)，其中，熱交換流體和載流 導(dǎo)體是隔離的。但是，在某些實(shí)施例中的熱交換流體可設(shè)計(jì)成用于接觸型循環(huán)，其中，熱交 換流體的介電擊穿電壓構(gòu)造成高于對(duì)于導(dǎo)體20的操作電壓。相變材料可包括在熱交換流 體內(nèi)。相變材料例如包括無機(jī)鹽或有機(jī)鹽和形成膠狀溶液或漿液的混合物。另外，熱交換 流體構(gòu)造成提供與可為疏水性的或親水性的第一層的良好的表面接觸。仍然參照?qǐng)D2，微型泵36聯(lián)接到流體導(dǎo)管30，32上，且構(gòu)造成使熱交換流體在第一 層24內(nèi)循環(huán)。在一個(gè)實(shí)施例中，非接觸式電源(未顯示)構(gòu)造成將功率供應(yīng)到微型泵36。 參考標(biāo)號(hào)34示出了構(gòu)造成改型到為目前操作系統(tǒng)的一部分的現(xiàn)有匯流條中的冷卻機(jī)構(gòu)22 的示例性實(shí)施例。端板26，28包括構(gòu)造成將熱交換流體引導(dǎo)到微流通道42內(nèi)的流體路徑 中的流體導(dǎo)管30，32。圖3示出了圖2中的載流導(dǎo)體和第一層的截面圖。截面圖40示出了通過界面層 44以熱的方式聯(lián)接到第一層24上的導(dǎo)體20。界面層44是導(dǎo)熱且電絕緣的。層44的非限 制實(shí)例包括漿糊、帶(Strip)或涂層。多個(gè)微流通道42限定在第一層24內(nèi)。流體路徑46 限定在微流通道42內(nèi)，且構(gòu)造成傳送熱交換流體。微流通道42和氣隙是液壓隔離的，從而 使得流體路徑46限制在微流通道內(nèi)。但是，微流通道42和氣隙是熱連通的，且微流通道42 通過與周圍環(huán)境相互作用的氣隙來冷卻。在示例性操作中，承載高安培電流的載流導(dǎo)體20導(dǎo)致熱量的產(chǎn)生。如上所述，如 果沒有適當(dāng)?shù)乩鋮s，導(dǎo)體20可產(chǎn)生過量的熱量，過量的熱量繼而降低載流容量。在一個(gè)實(shí) 施例中，第一層24吸收來自導(dǎo)體20的熱能，這由界面層44加以促進(jìn)。設(shè)置在第一層24內(nèi) 的微流通道42構(gòu)造成承載熱交換流體，例如諸如膠狀混合物或含水混合物。在一個(gè)實(shí)施例中，熱交換流體包括相變材料。載流導(dǎo)體20可在短的持續(xù)時(shí)間經(jīng)受峰值電流，從而導(dǎo)致過量的熱量產(chǎn)生。相變材料構(gòu)造成在短的過度高溫的時(shí)間間隔期間從 固態(tài)變化到液態(tài)或者備選地從液態(tài)變化到氣態(tài)。相的這種變化導(dǎo)致有效冷卻，因?yàn)橄嘧儾?料吸收了來自導(dǎo)體20的潛熱形式的熱量。另外，相變材料可在正常操作期間返回到初始狀 態(tài)，其中，熱能以潛熱的形式存儲(chǔ)。一旦達(dá)到更低的溫度，潛熱就存儲(chǔ)在相變材料內(nèi)。在一 個(gè)實(shí)施例中，熱交換流體和載流導(dǎo)體是電隔離的。在另一個(gè)實(shí)施例中，熱交換流體可與導(dǎo)體 24接觸。在這種情況下，熱交換流體設(shè)計(jì)成比由導(dǎo)體24處理的電壓具有更高的介電強(qiáng)度。 微型泵(未顯示)構(gòu)造成使熱交換流體循環(huán)通過微流通道，以與第一層交換熱能且冷卻第一層。微流通道繼而通過通道周圍的氣隙冷卻，且將熱量分散到周圍環(huán)境中?？勺⒁獾?，如 以上描述的那樣，用于冷卻的這種自冷凝機(jī)構(gòu)從載流導(dǎo)體中有效地移除熱量，而不需要單 獨(dú)的冷凝器單元，從而節(jié)省了成本和空間。圖4示出了圖3中的第一層的詳細(xì)視圖。第一層24的放大圖50示出了具有設(shè)置 在微流通道42周圍的氣隙52的第一層24的開孔結(jié)構(gòu)。第一層24的孔密度(定義為每英 寸的孔)根據(jù)材料的選擇設(shè)計(jì)成包括每英寸約三個(gè)孔至每英寸約十個(gè)孔。另外，第一層包 括諸如電絕緣的屬性，以在熱交換流體和導(dǎo)體之間提供更好的隔離。但是，第一層構(gòu)造成具 有良好的導(dǎo)熱性，以有效地傳遞熱量。在示例性實(shí)施例中，微流通道42可包括直徑約100 微米至約2000微米的尺寸。就重量而言，這種泡沫結(jié)構(gòu)包括高導(dǎo)熱性。另外，泡沫結(jié)構(gòu)由 于開孔而具有輕的重量，且通過微流通道提供大的表面積(通過開孔空隙)和更高的液體 側(cè)表面積。圖5示出了在圖2的冷卻機(jī)構(gòu)中實(shí)施的示例性非接觸式電源。在示例性實(shí)施例中， 非接觸式耦合線圈58設(shè)置在載流導(dǎo)體20周圍。耦合線圈設(shè)置成與導(dǎo)體20垂直，從而(通 過感應(yīng)式耦合)使帶有來自導(dǎo)體20的同心磁通的磁鏈最大化。通過耦合線圈中的磁感應(yīng) 所引起的電壓與磁鏈成比例?？赏ㄟ^增加線圈的匝數(shù)或者通過將線圈纏繞在高磁導(dǎo)率磁芯 上來增加磁鏈。控制器60聯(lián)接到耦合線圈58上。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器包括積分器、過 濾器以及構(gòu)造成對(duì)微型泵36提供電功率的其它電子構(gòu)件。在操作中，承載高安培電流的載流導(dǎo)體20產(chǎn)生磁通。電源56是具有與在導(dǎo)體20 中流動(dòng)的電流64成正比的輸出電壓62的自調(diào)節(jié)電源。一旦流過導(dǎo)體20的電流64增大到 超過閾值，由電源56提供功率的微型泵36將自動(dòng)啟動(dòng)操作。而且，速度隨電流64的量的 增大而提高。當(dāng)電流64增大時(shí)，自調(diào)節(jié)泵使更多的熱交換流體(增大的流率)循環(huán)通過流 體路徑?？勺⒁獾剑瑯?gòu)造成基于導(dǎo)體20中的電流來對(duì)微型泵的速度(以及繼而流率)進(jìn)行 自調(diào)節(jié)的非接觸式電源避免了使用傳感器來檢測(cè)電流。有利地，用來冷卻匯流條的這種自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)散熱調(diào)節(jié)提供閉環(huán)控制。另外，缺乏 冷凝器使得冷卻機(jī)構(gòu)容易維護(hù)并減少安裝成本。實(shí)施這種系統(tǒng)的匯流條和載流導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)更 高的電流密度，且?guī)椭鷾p小系統(tǒng)的整體大小。而且，如以上所論述的冷卻機(jī)構(gòu)容易地改型到 現(xiàn)有匯流條和開關(guān)裝置設(shè)備上。因此，可基于匯流條大小來建立基于模塊化的系統(tǒng)。另外， 互連接頭具有高溫，這限制了載流容量。這種模塊化設(shè)計(jì)通過局部化冷卻使得能夠有效處 理特定的熱窩(hot pocket)。實(shí)施這種局部化冷卻機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)使匯流條的溫度降低了高達(dá) 約 50%。雖然已經(jīng)在本文中說明和描述了本發(fā)明的僅某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想 到許多修改和變化。因此，應(yīng)理解的是，所附權(quán)利要求書意在覆蓋落在本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi) 的所有這種修改和變化。
權(quán)利要求
一種用于載流導(dǎo)體的冷卻機(jī)構(gòu)，包括具有多個(gè)微流通道的第一層，所述第一層以熱的方式聯(lián)接到所述載流導(dǎo)體上且構(gòu)造成交換熱能；和微型泵，所述微型泵使熱交換流體循環(huán)通過所述微流通道，以與所述第一層交換熱能且從所述載流導(dǎo)體中移除熱量，其中，所述熱交換流體和所述載流導(dǎo)體是電隔離的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述第一層包括開孔結(jié)構(gòu)和設(shè)置在 所述微流通道周圍的多個(gè)氣隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述熱交換流體包括相變材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述微型泵由非接觸式電源驅(qū)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的冷卻機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述非接觸式電源聯(lián)接到在所述載 流導(dǎo)體周圍的耦合線圈上，所述耦合線圈構(gòu)造成用于感應(yīng)式耦合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述泵構(gòu)造成調(diào)節(jié)所述熱交換流體 的流率。
7.一種用以冷卻載流導(dǎo)體的熱交換器，包括以熱的方式聯(lián)接到所述載流導(dǎo)體上且包括一個(gè)或多個(gè)微流通道的熱交換層； 在所述微流通道內(nèi)用以傳送熱交換流體的流體路徑； 以與所述流體路徑熱連通的方式設(shè)置在所述微流通道周圍的多個(gè)氣隙；以及 構(gòu)造成使所述熱交換流體循環(huán)通過所述流體路徑的自調(diào)節(jié)泵。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的熱交換器，其特征在于，所述自調(diào)節(jié)泵還構(gòu)造成基于在所述 載流導(dǎo)體中流動(dòng)的電流來調(diào)整流率。
9.一種冷卻載流導(dǎo)體的方法，包括將熱交換層聯(lián)接到所述載流導(dǎo)體周圍，所述熱交換層以熱的方式聯(lián)接到所述載流導(dǎo)體 上，且與所述載流導(dǎo)體是電隔離的；通過限定在具有開孔結(jié)構(gòu)的熱交換層中的多個(gè)微流通道來提供流體路徑； 使具有相變材料的熱交換流體在所述流體路徑內(nèi)循環(huán)； 借助于通過所述熱交換層的熱交換來冷卻來自所述載流導(dǎo)體的熱量；以及 通過使所述熱交換流體在聯(lián)接到氣隙上的微流通道中循環(huán)來冷卻所述熱交換層。
10.一種構(gòu)造成管理載流導(dǎo)體的熱方面的改型冷卻設(shè)備，所述設(shè)備包括 以熱的方式聯(lián)接到所述載流導(dǎo)體上且是電隔離的第一層；限定在所述第一層內(nèi)的多個(gè)微流通道；構(gòu)造成在所述微流通道內(nèi)流動(dòng)且與所述載流導(dǎo)體接觸的介電熱交換流體；以及 微型泵，所述微型泵構(gòu)造成使所述介電熱交換流體再循環(huán)，以通過所述微流通道將熱 能從所述載流導(dǎo)體傳遞到周圍環(huán)境。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于載流導(dǎo)體的冷卻系統(tǒng)和方法，具體而言，提出了一種用于載流導(dǎo)體的冷卻機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)包括具有多個(gè)微流通道的第一層。該第一層以熱的方式聯(lián)接到載流導(dǎo)體上，且構(gòu)造成交換熱能。微型泵構(gòu)造成使熱交換流體循環(huán)通過微流通道，以與第一層交換熱能并且從載流導(dǎo)體中移除熱量。熱交換流體和載流導(dǎo)體是電隔離的。
文檔編號(hào)H05K7/20GK101990391SQ20101024893
公開日2011年3月23日 申請(qǐng)日期2010年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月31日
發(fā)明者A·K·博霍里, A·庫馬, P·R·蘇布拉馬尼亞姆, S·E·雷迪, T·阿索肯, V·庫馬 申請(qǐng)人:通用電氣公司