專利名稱：：電子元件的冷卻的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及非水冷卻劑組合物和抑制鋁電子元件在冷卻系統(tǒng)中的腐蝕的方法。更特別地，本發(fā)明涉及在不含水和分子氣的環(huán)境中對鋁電子元件的冷卻。
背景技術：
：很多機動車輛都是由電力牽引發(fā)動機提供動力的，其中在車輛中由內燃發(fā)動機或燃料電池產生電能或者由電池組(battery)提供電能。當由三相交流電提供動力時牽引發(fā)動機通常是最有效的。通常燃料電池和發(fā)動機驅動的發(fā)電機不提供三相交流電。通常將稱作功率變換器(powerinverter)的電子設備與牽引電動機緊密結合使用，用于將直流電或單相交流電轉化為三相交流電(AC)。如有時在機動車輛中所用的，該功率變換器的電路包括絕緣柵雙極晶體管，其通常是含硅的設備。該晶體管和任何相關的電路板(一個或多個)通常安裝在直接結合的銅基體上。這種牽引電動機的功率需要是大量的并且通常會變化，該功率變換器管理大量的電能并產生熱量。如果敏感的電路元件能夠保持在相當恒定的溫度范圍內，那么它們會運行更好。需要提供與用于車輛上基本發(fā)電設備(basicpowergeneratingdevice)的冷卻系統(tǒng)不同且分開的用于功率變換器的冷卻系統(tǒng)。轉讓給本發(fā)明的受讓人的公布的美國專利申請2006/0174642Al和2006/0174643Al公開了針對電子功率變換器和電動機的這種集成聯(lián)合的有用的冷卻設置。這些申請公開了使用非水冷卻劑組合物用于對該變換器的電路進行直接接觸冷卻。在這些公開中，電子元件封裝在位于該牽引電動機上或其附近的功率變換器隔間中。該冷卻劑是介電的，使得其不會對電路產生影響，且其經構成以使得其不會與銅基礎和母線和其它電子元件發(fā)生化學反應。這些公布的申請公開了使用介電流體OS-120(可獲自DowCorning),其是相對惰性的低分子量硅酮(六曱基二硅氧烷，(CH3)3SiOSi(CH3)3)和醚醇(1-曱氧基-2-丙醇，CH3OCH2CH(OH)CH3，也稱作丙二醇甲醚或PGME)兩種物質的混合物。含分子氧和不含水的回路)中泵送與該電子元件接觸，并通過其自身的冷卻系統(tǒng)(其中變換器元件熱量得以釋放)。該循環(huán)的冷卻劑保持在低于關鍵變換器元件所需的操作溫度的溫度范圍內。通常將該冷卻劑噴射在該電子元件上，通過傳導接觸使其冷卻。通常一些冷卻劑可以汽化，由此增加該冷卻劑的熱量去除能力?？梢酝ㄟ^與用于車輛發(fā)動機、或燃料電池等的冷卻系統(tǒng)進行熱傳遞，在該冷卻回路的單獨部分中將該冷卻劑自身冷卻。即使該冷卻劑通常在其沸點(約95°C~約IO(TC)且在該電路元件的表面上汽化，該OS-120材料也不與銅和該變換器電路中的其它材料反應。然而，在變換器外殼的結構中使用鋁是受關注的，這是因為其重量較低，在變換器電路中使用鋁也是受關注的，這是因為其具有高的電導性。盡管對于目前的變換器電路，二硅氧烷-醚醇混合物是有效的冷卻劑，但其往往會溶解鋁。這種溶解在靜止接觸中會發(fā)生，車輛振動使其加劇，并且汽化的冷卻劑會產生氣蝕。因此，需要設計適用于含鋁的功率變換器中的冷卻刑組合物。挑戰(zhàn)在于開發(fā)在基本不含分子氧和水的操作車輛冷卻劑回路環(huán)境中穩(wěn)定且有效的硅氧烷-醚醇冷卻劑和抑制劑組合物。通常，通過在氧化物層上施加鉻酸鹽轉化涂層(chromateconversioncoating)來保護鋁不降解。鉻酸鹽涂層通過吸附在表面上使其較不容易進行進一步反應而起作用。已經顯示該鉻酸鹽從涂層中釋放并移動到氧化物已經損壞的區(qū)域，因此充當自密封系統(tǒng)(self-sealingsystem)并使表面的損壞最小化。然而，由于環(huán)境原因，在汽車應用中將避免使用鉻酸鹽涂層。
發(fā)明內容已經發(fā)現(xiàn)，低聚-(烷基硅氧烷)和烷基醚烷撐二醇的適合混合物，在結合了分散在該循環(huán)汽化冷卻劑(thecirculatingandvaporizingcoolant)中的合適抑制劑化合物時，可用于冷卻車輛牽引電動機等的含鋁功率變換器電路。這些抑制劑必須與該非水性雙組分冷卻劑組合物和該含鋁變換器電路元件都相容。通常，有用的介電冷卻劑是低分子量硅氧烷和醚醇的適當液體混合物。低級烷基硅氧烷的液體低聚物是合適的，低級烷撐二醇的低級烷基醚的液體單體或低聚物也是適合的。這些組分經配制使得該低聚烷基硅氧烷為該液體冷卻劑混合物提供介電惰性，而烷基醚烷撐二醇的單體或低聚物提供吸熱能力。通常優(yōu)選該混合物的大氣壓沸點為約95匸~約IO(TC,以適當控制變換器電路的通常操作溫度范圍。優(yōu)選的冷卻劑組分的實例是六曱基二硅氧烷(CH3)3SiOSi(CH3)3和l-甲氣基-2-丙醇CH3OCH2CH(OH)CH3。但也可以使用這些化合物的其它低級烷基類似物。優(yōu)選的冷卻劑通常包含約10~30重量％的烷基醚烷撐二醇，余量是低聚烷基硅氧烷。已經發(fā)現(xiàn)某些五元環(huán)雜環(huán)有機化合物可以在寬的操作溫度范圍內分散在該二元組合物冷卻劑中，并且有效防止了鋁電子元件的腐蝕性侵蝕。該五元環(huán)包括三個氮原子，或者氮原子和疏原子的組合，和碳原子。苯并三唑和5-曱基-lH-笨并三唑是這種在基礎雜環(huán)中包含三個氮原子的適合的雜環(huán)化合物實例。2-琉基苯并三唑是在基礎環(huán)中具有氮原子和硫原子的適合抑制劑。這些材料在該說明書中有時也可以稱作"唑"。醚烷撐二醇冷卻劑中，并且在該冷卻^循環(huán)和執(zhí)行;:卩劑l力能-時保持;散，無論該冷卻劑的溫度波動及其在熱鋁電子元件表面上的汽化如何。該抑制劑以相對少但適合的量使用。已經發(fā)現(xiàn)上迷唑在約2~10毫摩爾/升介電冷卻劑的濃度是有效的。從下面的優(yōu)選實施方案詳述中，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將變得更顯而易見。圖l是機動車輛的示意略圖，顯示了包括功率變換器的氣電混合驅動元件；圖2是用于冷卻與圖1的電力牽引電動機相連接的變換器元件的冷卻系統(tǒng)的一種實施方案的示意圖u具體實施方式本發(fā)明的第一實施方案提供了可用于冷卻含鋁電子元件的冷卻劑組合物。該冷卻劑是包含液體烷基硅氧烷組分和液體烷基醚烷基二醇組分的介電液體。適合地，該硅氧烷是烷基硅氧烷低聚物，例如二甲基硅氧烷或三甲基硅氧烷，該醚二醇是烷基醚烷撐二醇的單體或低聚物。該液體混合物包含約2約10毫摩爾的適當唑/升該非水介電流體。該唑是在該冷卻劑組合物中的腐蝕抑制劑組分。例如，該唑可以選自p塞唑、2-巰基苯并噻唑、三唑、苯并三唑和5-甲基-lH-笨并三唑。在優(yōu)選的實施方案中，該非水介電流體可以包含六曱基二硅氧烷和丙二醇曱醚的混合物。本發(fā)明的另一實施方案提供了方法，包括提供包含約2~約10毫摩爾的適當唑/升該非水介電流體的非水介電冷卻劑組合物；在基本不含水和分子氧的冷卻劑回路中將該冷卻劑在冷卻劑儲存容器和含鋁電子元件之間循環(huán)。該循環(huán)的冷卻劑可以作為液滴或薄霧噴灑在該電路元件上，或者其可以以全物流(inafullstream)的形式輸送以淹沒或浸沒該電路元件從而使其冷卻。該唑可以選自漆唑、2-巰基苯并p塞唑、三唑、笨并三唑和5-曱基-lH-苯并三唑。該非水介電流體可以包含六甲基二硅氧烷和丙二醇甲醚的混合物。在另一實施方案中，該冷卻劑組合物用于復合動力車輛的功率電子元件的噴射冷卻中。例如，功率電子元件可以包括具有含鋁的基體或電路元件容器的功率晶體管。在另一實施方案中，該組合物用于復合動力車輛中變換器的噴霧冷卻中。在另一實施方案中，該冷卻刑流體可以用于美國專利申請公布2006/0174642Al和美國專利申請公布2006/0174643A的冷卻設置中?，F(xiàn)在參照圖1,示出了為車輛12提供動力的氣電驅動器10的實例，其采用內燃機14和電力牽引電動機16通過變速器20來驅動車輛的車輪18。該氣電雙動力驅動器10可以使用汽油發(fā)動機、柴油發(fā)動機、渦輪發(fā)動機或任何其它發(fā)動機構造。功率分配器22確定是內燃機14還是電動機16驅動該變速器20，或者是變速器20還是內燃機驅動發(fā)電機24。在另一實施方案中，發(fā)電機24安裝成臨近(nextto)電力牽引電動機16,用與該牽引電動機相同的裝置進行冷卻。該發(fā)電機24為電池組26充電和/或為變換器28提供電流，該交換器28為電力牽引電動機16提供電流。依照本發(fā)明，電力牽引電動機16和變換器28構造為模塊單元30。這為電力牽引電動機16和變換器28所占用空間的降低提供了機會由于變換器28產生熱量，因此該變換器需要冷卻裝置32。依照本發(fā)明的一個方面，該冷卻裝置32具有密封的冷卻回路，其與冷卻內燃機14的散熱器34熱連接。該冷卻裝置32可以遠離模塊30,如圖1所示，或者該冷卻裝置32可以與該模塊30整合。在另一實施方案中，該電力牽引電動機16由燃料電池提供動力。該燃料電池可以直接或通過電池堆(batterypack)與用于電動機16的變換器28連接。該冷卻裝置32用于冷卻該燃料電池。圖2舉例描述了該冷卻系統(tǒng)32的一種實施方案。該變換器28可以位于與電動機16相鄰設置的隔間50(例如包含在鋁外殼中)中。該變換器28可以包括絕緣柵雙極晶體管(IGBT)52,所述雙極晶體管52與直接連接的基體54(例如含鋁的基體)相連接，所迷基體與AC/DC總線整合構成變換器電路。該IGBT52可以由冷卻劑分配器60冷卻，該分配器具有噴嘴62將液態(tài)的冷卻劑組合物64直接分配到IGBT52和相關的基體54和總線上。盡管示出的實施方案將冷卻劑64作為液滴噴射，但在其它實施方案中，該冷卻劑以物流形式分配或淹沒到變換器28上。在另一些實施方案中，該變換器28浸沒在該冷卻劑組合物64中，但優(yōu)選該冷卻劑組合物64以霧或離散液滴形式噴射到該變換器28上。通過使用該冷卻劑分配器60，將該冷卻劑組合物64直接施加到IGBT52的熱源上，這樣使得電動機變換器28的功率密度(功率/單位體積)可以提高。為了被該冷卻劑組合物64冷卻，IGBT52產生的熱量不需要通過多層材料，這些材料中的一些具有低的導熱性。確切地說，噴射冷卻提供的直接熱路徑降低了IGBT52的溫度。IGBT52的溫度越低，可通過變換器28傳到牽引電動機16的功率就越高。可替代地，由亍冷卻得以改進，因此可以提供較小的變換器28來為牽引電動機16產生相同的功率水平。通過噴嘴62提供的噴射冷卻也可用于其它和變換器28相關的元件，例如電容器、變壓器、對溫度敏感的集成電路和母線。噴射冷卻對1GBT52的元件之間的焊線(wirebond)提供了冷卻，防止焊線過熱，繼而有助于使故障最小化。因此，不僅所得到的元件溫度降低，還提供了改進的可靠性。因為噴射冷卻提供了提高的冷卻能力，因此噴霧冷卻提高了該變換器28對瞬時功率波動的抵抗力。由于車輛12短時間內功率需求的突然提高，在功率變換器28的輸入上存在著瞬時功率波動。該波動可能是由于對電動機16輸出的阻力增加而造成的，其繼而造成IGBT52的溫度提高。通過將冷卻組合物64直接應用于IGBT52，在持續(xù)時間和溫度增加兩方面中都降低了溫度變化。再次參考圖2,將冷卻劑組合物64作為液體噴霧，收集到隔間50的收集池部分70，通過噴射回流(sprayreturn)72到儲存容器74,儲存容器通過過濾器75連接到泵76。泵76連接到分配器60,分配器將循環(huán)的冷卻劑輸送到噴嘴62,用于對變換器28進行連續(xù)冷卻。當冷卻劑組合物64通過儲存容器74循環(huán)時，它被第二冷卻劑77(例如水和乙二醇溶液)冷卻，第二冷卻劑通過管道78在儲存容器74中流動。第二冷卻劑77由冷卻圖1中的內燃機14的散熱器34供給。泵76優(yōu)選為變速泵，由IGBT52的輸出進行控制。當IGBT52的輸出增加時，泵76的速度提高，這就提高了通過噴嘴62噴射的冷卻劑組合物64的量。可替代地，可以用熱電偶裝置對IGBT52的溫度進行監(jiān)控，泵76的速度隨著IGBT溫度的提高而增加，以噴射更多的冷卻劑，由此降低IGBT的溫度。以下實施例的提供用于描迷本發(fā)明的各種實施方案。然而，下面的實施例并不限制本發(fā)明。確定與該非水冷卻劑組合物相容且可在其中分散且在冷卻系統(tǒng)操作的較高溫度下有效抑制冷卻劑對鋁的侵蝕的待選抑制劑材料是具有挑戰(zhàn)性的。通過測試(例如以下的測試)發(fā)現(xiàn)，以下的抑制劑在這種苛刻的環(huán)境中是有用的。在鋁球上測試數(shù)種腐蝕抑制劑。表1列出了選擇的腐蝕抑制劑、化學來源、純度、用量(g)和用量(mmol)。將該腐蝕抑制劑與非水介電流體OS-120(可獲自DowCorning,是以下兩種液體化合物的二元混合物相對惰性的低分子量硅酮(六曱基二硅氧烷，(CH3)3SiOSi(CH3)3)和醚醇(l-曱氧基-2-丙醇，CH3OCH2CH(OH)CH3,也稱作丙二醇曱醚或PGME))混合。用于該測試的鋁球是AlfaAesarPuratronic^級的99.999%(以金屬計)鋁彈(4-8mm)。表1.適合的腐蝕抑制劑<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>腐蝕測試過程如下所示。在分子篩上對該非水介電流體OS-120干燥數(shù)天，然后通過用干氮氣噴洗進行脫氧。然后將OS-120過濾通過0.2|iim多孔Tefloi^過濾器以去除任何殘余的顆粒。然后，將20mL經干燥脫氧的OS-120在氮氣氣氛下與表1中給出量的各經稱重的腐蝕抑制劑混合在瓶中。在搖動器中約20分鐘之后，將OS-120和腐蝕抑制劑的混合物注入250mL的圓底燒瓶中。用額外80mL的OS-120將瓶中任何殘余物都清洗到該燒瓶中。該燒瓶包含蛋狀的涂覆Teflon的磁攪拌棒和預先稱重的鋁球。使用其24/40磨口玻璃接頭將該燒瓶及其內容物連接到冷凝器上用于回流。通過使用Tefloi^套管保護該24/40磨口玻璃接頭不會卡住，在接頭上不使用油脂。該冷凝器已經用干氮氣沖洗過。在一個裝置中將數(shù)字控制的攪拌器設定在240rpm，其它攪拌器調節(jié)到大約相同的旋轉速率。然后在氮氣氣氛下在環(huán)境壓力下回流這些測試溶液。施加熱量使得沸騰非常溫和。將燒瓶和冷凝器周期性提高到攪拌裝置和加熱罩上方，對鋁球進行肉眼檢查。在10天后結束測試。表2中提供了這些腐蝕測試的結果。鋁質量損失為"無"的表示從肉眼來看鋁球表現(xiàn)出原來的面貌而沒有蝕斑或明顯降解的跡象。表2.用鋁球回流后的結果<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>作為腐蝕測試的結果，我們發(fā)現(xiàn)當與OS-120混合時，適合的噻唑和三唑是有效的腐蝕抑制劑。盡管按照優(yōu)選的實施方案對本發(fā)明進行了描述，但認識到本領域的技術人員可以任意進行該過程的其它形式。本發(fā)明的范圍僅通過以下的權利要求進行限定。權利要求1.電子功率變換器和用于所述功率變換器的液體介電冷卻劑組合物的組合，所述功率變換器包含鋁元件，所述冷卻劑組合物包含低聚-(烷基硅氧烷)和烷基醚烷撐二醇的單體或低聚物的液體混合物，并包含以抑制所述鋁元件溶解的量分散在所述液體混合物中的唑。2.如權利要求1所述的電子功率變換器和用于所述功率變換器的液體介電冷卻劑組合物的組合，其中所述冷卻劑組合物液體混合物的大氣壓力沸點在約95°C~約100。C的范圍內。3.如權利要求1所述的電子功率變換器和用于所述功率變換器的液體介電冷卻劑組合物的組合，其中所述冷卻劑組合物液體混合物基本由六曱基二硅氧烷和1-甲氧基-2-丙醇的混合物組成。4.如權利要求1的電子功率變換器和用于所迷功率變換器的液體介電冷卻劑組合物的組合，其中分散在所述液體混合物中的所述。坐選自噻唑、2-巰基苯并噻唑、三唑、笨并三唑和5-甲基-lH-苯并三唑。5.如權利要求1的電子功率變換器和用于所述功率變換器的液體介電冷卻劑組合物的組合，其中分散在所述液體混合物中的所述峻抑制劑的濃度為約2~10毫摩爾/升所迷液體混合物。6.用于直接接觸冷卻包含鋁元件的電子功率變換器的介電液體冷卻劑組合物，所述冷卻劑組合物包含低聚-(烷基硅氣烷)和烷基醚烷撐二醇的單體或低聚物的液體混合物，并包含以抑制所述鋁元件溶解的量分散在所述液體混合物中的唑。7.如權利要求6所述的介電液體冷卻劑組合物，其中所述冷卻劑組合物液體混合物的大氣壓力沸點在約95'C~約IO(TC的范圍內。8.如權利要求6所述的介電液體冷卻劑組合物，其中所述冷卻劑組合物液體混合物基本由六甲基二硅氧烷和1-甲氧基-2-丙醇的混合物組成，其大氣壓力沸點在約95。C~約IO(TC的范圍內。9.如權利要求6所述的介電冷卻劑組合物，其中所迷唑抑制劑的濃度為約2~10毫摩爾/升所迷液體混合物。10.如權利要求6所述的介電冷卻劑組合物，其中所述唑選自p塞哇、2-巰基苯并噻唑、三唑、苯并三唑和5-曱基-lH-苯并三唑。11.冷卻機動車輛的用于驅動所述車輛至少一個車輪的電力牽引電動機的電子功率變換器的方法，其中所述電子功率變換器包含含鋁元件，所迷方法包括在基本不含水和分子氧的冷卻劑循環(huán)中，將非水液體介電冷卻劑組合物在冷卻劑儲存容器和所迷鋁元件之間循環(huán)，所述冷卻劑組合物基本由低聚-(烷基硅氧烷)和烷基醚烷撐二醇的單體或低聚物的液體混合物組成，并包含以抑制所述鋁元件溶解的量分散在所述液體混合物中的唑。12.如權利要求n所迷的冷卻用于電力牽引電動機的電子功率變換器的方法，其中將所迷介電冷卻劑組合物噴射到所述含鋁元件上。13.如權利要求11所述的冷卻用于電力牽引電動機的電子功率變換器的方法，其中將所述含鋁元件浸入所述介電冷卻劑組合物中或用所述介電冷卻劑組合物將其淹沒。14.如權利要求n所述的冷卻用于電力牽引電動機的電子功率變2-10毫摩爾/升。15.如權利要求11所述的冷卻用于電力牽引電動機的電子功率變換器的方法，其中所述唑抑制劑選自噻唑、2-巰基苯并噻唑、三唑、苯并三唑和5-甲基-lH-苯并三唑。16.如權利要求U所迷的冷卻用于電力牽引電動機的電子功率變換器的方法，其中所述冷卻劑組合物液體混合物的大氣壓力沸點在約95。C~約100"C的范圍內。17.如權利要求11所迷的冷卻用于電力牽引電動機的電子功率變換器的方法，其中所迷冷卻劑組合物液體混合物基本由六甲基二硅氧烷和l-甲氧基-2-丙醇的混合物組成，其大氣壓力沸點在約95。C約100'C的范圍內。全文摘要本發(fā)明涉及電子元件的冷卻，其示例性實施方案提供了用于牽引電動機的功率變換器和用于該變換器的冷卻劑。該功率變換器包含鋁元件，該冷卻劑是包含抑制劑的非水介電液體冷卻劑組合物。該冷卻劑基本由低聚-(烷基硅氧烷)，例如六甲基二硅氧烷，和烷基醚烷撐二醇的單體或低聚物，例如1-甲氧基-2-丙醇，的混合物組成，而且包含抑制該鋁電子元件溶解的量的唑。文檔編號C09K5/10GK101275068SQ200810087468公開日2008年10月1日申請日期2008年3月28日優(yōu)先權日2007年3月28日發(fā)明者A·M·曼斯,J·L·林登申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司