冷却设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于对构件进行冷却的冷却设备以及一种电子装置。


背景技术：

2.通常，功率电子器件中的功率半导体导引强电流，所述强电流可能导致高的损耗热量。经常需要对这样的功率半导体进行冷却，例如用于避免由于过热而引起的损坏。通常为此使用液体冷却或空气冷却。


技术实现要素：

3.相对于此，具有权利要求1的特征的按本发明的冷却设备提供了对构件的改进的冷却的优点，其中，通过特别可靠且稳健的构造来可靠地避免构件的过热。这一点按照本发明通过包括底板的冷却设备来实现，所述底板能够与有待冷却的构件导热地连接。此外，所述冷却设备具有转向区域和中间区域，其中，所述中间区域布置在转向区域与底板之间。此外，所述冷却设备包括冷却元件。所述冷却元件曲折形地构成并且具有多个中间分段和多个转向分段。在此，尤其优选在平面中具有多个换向部的形状被视为“曲折形”。例如，曲折形也能够被称为蛇形。
4.所述冷却元件的中间分段分别从底板延伸至转向区域。所述转向分段分别在底板的内部并且在转向区域的内部形成换向部。每个转向分段分别将两个中间分段彼此连接起来。也就是说，所述冷却元件布置在中间区域中并且以该中间区域为出发点在每个换向部中延伸到底板或者转向区域里面。
5.所述底板优选由铝形成，以便能够实现所述构件的良好的热传导和热连接以及从所述构件进行有效的热运走。此外优选的是，所述冷却元件同样由铝形成，以便能够实现与底板的成本低廉且良好导热的连接、例如硬钎焊连接。
6.此外，所述冷却元件填充有工作介质，该工作介质同时以气态的和液态的形式、换言之以部分气态的形式并且以部分液态的形式处于冷却元件中。也就是说，所述工作介质以两相的形式处于冷却元件中。尤其在此在所述冷却元件的内部同时存在气泡和液柱。优选在额定温度下所述气泡和液柱具有类似大小的体积。特别优选的是，所述工作介质的气态的份额在额定温度下占据冷却元件的内部容积空间的30%到70%，其中，剩余的内部容积空间被工作介质的液态份额所占据。根据所述冷却设备的温度，体积比在此由于工作介质的汽化或冷凝而变化。
7.优选所述冷却元件管状地构成。优选所述冷却元件封闭地构成。为此，所述冷却元件优选具有连接区域，该连接区域优选处于转向区域的内部，并且该连接区域形成冷却元件的封闭的回路。此外优选的是，所述冷却元件具有阀，以便例如能够实现对冷却元件抽真空并且用工作介质来填充冷却元件。
8.所述中间分段具有多个通道、优选至少4个、优选至少8个、特别优选至少20个通道。所述工作介质相应地处于通道的内部。每个通道在此优选形成穴腔，在所述穴腔中接纳
有工作介质。所述通道优选彼此平行地并且彼此并排地布置。尤其所述通道沿着垂直于下述平面的方向来布置，在所述平面中所述冷却元件曲折形地构成。
9.在将热量输送给所述底板时、也就是说在与所述底板邻接的构件加热时，所述热量从底板传递到冷却元件连同处于其中的工作介质上。由此，能够产生所述冷却元件内部的工作介质的相变换以及流动，由此将热量从底板朝中间区域的方向运送。在所述冷却元件、尤其中间区域的表面处，所述热量通过对流释放给周围空气。尤其由此产生了所述工作介质的尤其不规则的、脉动的或者振荡的相变。同样，在所述冷却元件中尤其存在工作介质的脉动的或振荡的流动。所述冷却设备由此根据脉动的热管的原理来工作。
10.在此，通过所述冷却元件的多个通道能够获得特别好的冷却作用。每个通道在此有利地形成单独的脉动的热管。尤其不需要进行例如电的能量输送，而是所述冷却设备作为无源的冷却元件来工作。由此，所述冷却设备提供一种特别有效的、用于对功率电子器件进行冷却的方法并且能够将处于几千瓦特的范围内的废热引走。
11.从属权利要求将本发明的优选的改进方案为内容。
12.优选所述中间分段被散热片包围。特别优选的是，所述中间区域的整个空着的容积空间被散热片填满。在此，尤其所述冷却元件的曲折形的线匝之间的空着的区域被散热片填满。在此，所述散热片能够具有任意的几何形状。例如笔直的、板状的散热片是特别简单且成本低廉的。作为替代方案或补充方案，所述散热片优选具有波形的、尤其正弦波形的横截面。特别优选的是，作为替代方案或补充方案，所述散热片以所谓的接条片（offset strip fins）、鳃式片（louvered fins）、深波形片或者光滑片的形式来构成。为了简单且成本低廉的制造以及良好导热的连接，所述散热片优选由铝形成并且尤其借助于硬钎焊连接与冷却元件相连接。
13.优选所述冷却元件一件式地构造为曲折形地弯曲的多通道管。尤其由此所述通道分别在冷却元件的总长的范围内延伸。优选所述转向分段u形地构成并且具有预定义的弯曲半径。所述弯曲半径尤其能够具有最小值，该最小值例如取决于多通道管的制造。由此产生一种能够特别简单且成本低廉地制造的冷却元件，该冷却元件能够实现从底板进行有效的热引走。为了特别简单的可制造性，所述中间分段能够彼此平行地构成。
14.特别优选的是，布置在底板的内部和/或转向区域的内部的所述转向分段直接彼此邻接。优选由此所述转向分段尤其在其外半径处彼此接触。换言之，所述转向分段尽可能紧密地被压实，以便对于每面积单位特别高的冷却功率来说在小的位置空间需求的情况下将尽可能多的数量的转向分段安置在底板中。在此，所述中间分段例如能够朝彼此倾斜或弯曲，以便能够实现转向分段的紧密的布置。
15.优选所述转向区域侧的转向分段具有比底板侧的转向分段要大的弯曲半径。作为替代方案或补充方案，所述中间分段之间的侧向间距至少部分地得到扩大。由此扩大了可供散热片使用的冷却容积空间、也就是尤其所述中间区域中的空着的容积空间，以便实现特别好的热引走，并且由此实现高的冷却功率。
16.此外优选的是，所述底板每个转向分段分别具有一个槽。在此，每个底板侧的转向分段分别布置在槽中。在此，所述槽的半径尤其与转向分段的外半径相适应，以便提供尽可能大的接触面。在此，优选所述冷却元件和底板在槽的区域中借助于材料锁合的连接来彼此连接。所述材料锁合的连接优选是硬钎焊连接。由此确保了所述冷却设备的特别简单且
成本低廉的可制造性并且确保了板与冷却元件之间的良好导热的接触。
17.优选所述底板每个槽分别具有一个插入件。所述插入件布置在转向分段的内侧、尤其内半径处并且尤其能够如此构成，使得其与底板形成齐平的布置结构。在此，优选所述插入件具有呈弓形的形状的横截面。特别优选的是，插入件和转向分段和/或底板借助于材料锁合的连接、优选硬钎焊连接来彼此连接。由此产生特别多的可供热传递使用的面。所述插入件优选由铝形成。插入件和底板能够优选由相同的铝合金形成或者作为替代方案由不同的铝合金形成。
18.优选所述冷却元件多件式地构成。在此，每个中间分段构造为尤其笔直的管件，该管件将底板和转向区域彼此连接起来。优选所有中间分段都相同地构成，以便能够实现所述冷却设备的特别简单且成本低廉的制造。例如所述中间分段能够分别借助于硬钎焊连接与底板并且与尤其构成为板的转向区域相连接。优选所述中间分段分别构造为笔直的多通道-管件，它们尤其彼此平行地布置。特别有利的是，所述转向分段分别构造为在底板的内部的和/或在尤其板状的转向区域的内部的通道。在此，优选所述中间分段部分地插入到相应的转向区域中，以便通入到所述转向区域中。这样的设计例如允许中间分段和转向分段的相对于彼此的直角的布置。由此不需要遵守最小的弯曲半径，由此能够更加紧密地布置所述中间分段。尤其由此能够在所述冷却设备的相同的预定义的宽度的情况下设置更多数量的中间分段，由此能够进行特别有效的冷却。
19.特别优选的是，每个转向分段具有唯一的转向通道，通过相应的转向分段来连接的两个中间分段的所有通道通入到所述转向通道中。也就是说，所述转向通道构造为穴腔，所述邻接的中间分段的所有通道相应地通入到所述穴腔中。特别优选的是，所述转向区域在此板状地构成、尤其与底板相同地构成。底板和转向区域优选分别两件式地构造为两个接合到彼此处的板。在此，优选第一板每个中间分段分别具有一个直通孔，所述中间分段插入穿过所述直通孔。第二板优选能够具有形成穴腔的凹部、例如槽或者盲孔，所述中间分段的通道通入到所述穴腔中。在此，两个彼此并排的直通孔和将这两个直通孔连接起来的凹部相应地形成转向分段。由此产生所述冷却设备的特别简单且成本低廉的可制造性，其中，能够在小的尺寸的情况下提供特别多的数量的中间分段。
20.此外优选的是，每个转向分段具有多个转向通道。在此，每个转向通道将通过相应的转向分段连接起来的两个中间分段的两个通道彼此连接起来。由此，所述冷却元件的每个通道优选延伸穿过整个冷却元件，其中，每个通道分别形成单独的、尤其封闭的穴腔。在此，优选转向区域和底板尤其如在前面段落中所描述的那样分别构造为两件式的板，其中，所述转向分段构造为由第一板中的两个直通孔和第二板中的一个凹部组成的组合。在此，所述凹部能够具有多个间隔壁，从而例如存在多个平行的槽，以便形成多个通道。由此，处于相应的通道中的工作介质相应地保持在相应的通道中并且防止了不期望的压力补偿。
21.特别优选的是，所述工作介质具有比最大运行温度要大的临界温度。优选所述工作介质具有至少233 k、优选至少273 k、特别优选至少373 k、并且尤其最大533 k的临界温度。在此，材料的处于临界点处的温度被视为临界温度。由此确保了所述工作介质在优选的运行范围内能够以两相的形式处于冷却元件的内部，所述工作介质尤其在222 k到473 k、尤其273 k到373 k的温度时处于所述运行范围内。优选所述工作介质是例如使用在车辆空调中的有机的制冷剂、如尤其2,3,3,3-四氟丙烯（也被称为r1234yf）、r1233zd（e）等。特别
优选的是，所述工作介质具有最大273 k、优选最大233 k、特别优选最大213 k的熔点。
22.优选所述冷却设备此外具有鼓风机，该鼓风机设立用于产生冷却空气流。所述鼓风机在此如此布置，使得所产生的冷却空气流对准所述散热片、也就是说沿着散热片伸展。由此借助于强制的对流从散热片进行特别有效的热运走。所述冷却空气流在此有利地垂直于以下平面，在所述平面中定义了所述冷却元件的曲折形状。
23.优选所述散热片如此构成，使得散热片表面沿冷却空气流的流动方向增大。特别优选的是，所述散热片表面线性地增大，以便在冷却空气穿流过中间区域时补偿增大的空气温度。由此，在所述中间分段的较大数量的通道的情况下、也就是在较大的纵向延伸的情况下，也能够进行有效的冷却。例如，对所述散热片表面的提高能够通过沿流动方向提高的散热片密度、尤其通过每横截面面积增大的数量的散热片来实现。
24.此外优选的是，所述冷却设备包括空气引导设备，该空气引导设备布置在中间区域与转向区域之间。所述空气引导设备如此构成，以便将冷却空气流引导到中间区域中。例如，所述空气引导设备在此构造为板片。由此保证了，所述冷却空气流完全引导到中间区域中，以便在那里通过强制的对流来将热量从散热片引走。尤其通过所述空气引导设备来实现对冷却设备的并不助于冷却的区域进行遮蔽。
25.此外，本发明实现一种电子装置，该电子装置包括所描述的冷却设备。此外，所述电子装置包括有待冷却的构件，该构件尤其是例如机动车的半导体构件。所述有待冷却的构件与冷却设备的底板导热地连接。在此，所述冷却设备能够实现对所述构件的特别有效且可靠的冷却，以便避免过热。
附图说明
26.下面借助于实施例结合附图来对本发明进行说明。在附图中功能相同的构件分别用相同的附图标记来表示。在此：图1示出了具有按照本发明的第一种实施例的冷却设备的电子装置的简化的示意图；图2示出了图1的冷却设备的细节；图3示出了按照本发明的第二种实施例的冷却设备的简化的示意图；图4示出了按照本发明的第三种实施例的冷却设备的简化的示意图；图5示出了按照本发明的第四种实施例的冷却设备的简化的示意图；图6示出了按照本发明的第五种实施例的冷却设备的简化的示意图；图7示出了图6的冷却设备的细节；图8示出了按照本发明的第六种实施例的冷却设备的细节；并且图9示出了按照本发明的第七种实施例的冷却设备的简化的示意性的细节视图。
具体实施方式
27.图1示出了按本发明的电子装置100的简化的示意图。所述电子装置100包括带有功率电子器件的半导体构件101以及按照本发明的第一种实施例的冷却设备1。所述冷却设备1在此构造用于对半导体构件101进行冷却。为此，由铝形成的底板2与半导体构件101导热地连接。
28.所述冷却设备1包括冷却元件5，该冷却元件曲折形地构成并且具有多个中间分段51以及多个转向分段52。所述冷却元件5在此一件式地构造为曲折形地弯曲的多通道管。
29.图2示出了图1的细节、也就是冷却元件5的剖视图。如在图2中能够看出的那样，所述冷却元件5拥有扁平的矩形的横截面并且总共具有八个彼此分开的通道53，它们彼此并排地沿着纵向方向a布置。要说明的是，作为替代方案，任意数量的通道53是可行的。所述纵向方向a在图1中垂直于附图平面。所述通道53分别具有正方形的横截面，该横截面尤其具有0.001 m的边长。所述通道53分别延伸穿过整个冷却元件5并且形成彼此分开的穴腔。
30.如在图1中能够看出的那样，所述冷却元件5从底板2向上穿过中间区域4一直延伸至转向区域3。中间区域4和转向区域3在此优选充有空气。所述中间分段51分别从底板2延伸至转向区域3、也就是穿过中间区域4。在此，所述中间分段51笔直地构成并且彼此平行地布置。所述转向分段52分别在中间分段51的端部处布置在转向区域3的内部以及布置在底板2的内部并且分别形成换向部。在此，转向分段52分别将两个中间分段51彼此连接起来。
31.所述转向分段52分别u形地构成并且具有弯曲半径55。由此，所述中间分段51以对应于双倍的弯曲半径55的间距50来相对于彼此布置。在底板侧，所述转向分段52分别布置在槽21中，从而在所述转向分段52的外侧处分别存在所述转向分段52与底板2的面状的接触。
32.在所述转向分段52的内侧处分别存在弓形的插入件22，所述插入件与底板2形成齐平的布置结构。由此，能够特别地将热量以特别小的温差并且均匀地传递到冷却元件5上。
33.为了能够实现牢固的连接以及从底板2到冷却元件5处的良好的热运送，所述转向分段52、底板2和插入件22借助于硬钎焊连接60来彼此连接。
34.此外，所述冷却元件5具有连接区域58，该连接区域布置在转向区域3的内部，并且该连接区域提供冷却元件5的封闭的回路。在所述连接区域58的内部设置阀59，该阀在关闭的状态中将冷却元件5保持关闭并且打开的状态中允许对冷却元件5的通道53进行抽真空并且进行填充。
35.在所述冷却元件5的通道53的内部存在工作介质，该工作介质同时以液态的和气态的状态存在。在所述底板2通过半导体构件101加热时，对所述冷却元件5以及处于其中的工作介质进行加热。通过由汽化、冷凝、对流的热运送和热传导组成的组合，将热量从所述底板2运走并且由此对所述半导体构件101进行冷却。
36.在此通过导热地与所述中间分段51相连接的散热片6将热量从所述冷却元件5运走。在此，所述散热片6在中间区域4的整个空着的容积空间的内部布置在中间分段51之间。所述冷却设备1由此根据脉动的热管的原理来工作。
37.图3示出了按照本发明的第二种实施例的冷却设备1的简化的示意图。所述第二种实施例基本上对应于图1和图2的第一种实施例，其中，所述冷却设备1额外地具有鼓风机7和空气引导设备8。为了所述冷却设备1的更好的清楚性，仅用虚线勾画出所述空气引导设备8。
38.所述鼓风机7产生冷却空气流，该冷却空气流对准所述散热片6。所述冷却空气流的流动方向70在此平行于纵向方向a。所述空气引导设备8构造为板片并且引起将所述冷却空气流完全引导到中间区域4中，其方式是：所述空气引导设备8遮蔽转向区域3。由此，通过
所述冷却空气流借助于强制的对流来特别好地将热量从散热片6运走，以便获得所述冷却设备1的特别高的冷却功率。
39.图4示出了按照本发明的第三种实施例的冷却设备1的简化的示意图。就所述冷却元件5的作为替代方案的布置而言，所述第三种实施例基本上对应于图1和图2的第一种实施例。在图4的第三种实施例中，所述转向分段52直接彼此邻接地布置，从而在所述底板2中安置较大数量的转向分段52。由此能够提高所述冷却设备1的每容积空间单位的冷却功率。为了能够实现所述转向分段52的较紧密的被压实的布置，所述中间分段51弯曲地构成，使得所述冷却元件5具有拥有多个哑铃状的回路（schleife）的几何形状。
40.图5示出了按照本发明的第四种实施例的冷却设备1的简化的示意图。所述第四种实施例基本上对应于图4的第三种实施例，其中，所述转向区域侧的转向分段52相对于底板侧的转向分段52具有扩大的弯曲半径55b。此外，所述中间分段51之间的侧向间距50在转向区域3的附近得到扩大。为了实现这一点，所述转向区域3相对于底板2加宽。这些措施由此在中间区域2中提供了较大的空着的容积空间，以便为所述散热片6提供更多的空着的空间，从而能够获得特别高的冷却功率。
41.图6示出了按照本发明的第五种实施例的冷却设备1的简化的示意图。图7示出了图6的细节-剖视图。就所述冷却元件5的和底板2的以及转向区域3的一种作为替代方案的设计方案而言，所述第五种实施例基本上对应于图1和图2的第一种实施例。在所述第五种实施例中，所述底板2由两个板2a、2b两件式地构成。就第一板3a和第二板3b而言，所述转向区域3具有类似的两件式的结构。
42.此外，在所述第五种实施例中，所述冷却元件5多件式地构成。在此，所述冷却元件5包括多个单个的构成为多通道管的笔直的中间分段51。
43.所述冷却元件5的构造示例性地借助于围绕着转向区域3的单个的换向部在图7中示出。在此，所述第二板3b每个中间分段51分别具有一个直通孔30，所述中间分段51插入穿过该直通孔。在与其邻接的情况下，在所述第一板3a的内部构造了呈槽的形式的转向通道56。所述转向通道56将两个彼此并排的中间分段51彼此连接起来。所述转向通道56在此形成转向分段52的换向部。此外，所述转向通道56以单个的穴腔的形式来构成，相应地邻接的中间分段51的所有通道53通入到所述穴腔中。为了进行流体密封的连接并且为了确保良好的热传导，在第一板3a与第二板3b之间的以及中间分段51与第二板3b之间的接触面处分别设置有硬钎焊连接35。
44.图8示出了按照本发明的第六种实施例的冷却设备1的细节。所述第六种实施例基本上对应于图6和图7的第五种实施例，其中，所述转向分段52具有多个转向通道56来取代单个的转向通道。在图8中在此示出了所述第一板3a的俯视图，在该第一板中所述多个转向通道56分别构造为槽。在各个转向通道56之间分别构造有间隔壁57。由此，所述中间分段51的每个通道53分别存在刚好一个转向通道56，从而在各个通道53之间不会进行工作介质的交换。
45.图9示出了按照本发明的第七种实施例的冷却设备1的简化的示意性的细节视图。就所述散热片6的一种作为替代方案的设计方案而言，所述第七种实施例基本上对应于图3的第二种实施例。在图9中在此示出了所述散热片6的在沿着流动方向70的不同的剖切平面中的视图，所述流动方向尤其垂直于附图平面。在此，视图（a）示出了所述散热片6的、在冷
却空气流的进入到所述冷却设备1的装满散热片6的区域中的进入平面中的俯视图。视图（b）示出了所述散热片6的、在沿流动方向70处于视图（a）中所示出的几何形状的下游的剖切平面中的情况，并且视图（c）示出了所述散热片6的、在沿流动方向70处于视图（b）中所示出的几何形状的下游的剖切平面中情况。如在图9中能够看出的那样，在此每容积空间单位的散热片密度沿流动方向70增大。由此，散热片表面沿着流动方向70也增大。由此，沿流动方向70可供用于对流的热运送的散热片表面增大。由此，所述冷却空气流的由于所吸收的热量而沿流动方向70的增大的加热能够得到补偿，以便在所述冷却设备1的整个容积空间的范围内获得特别有效的热运走。