CN100392847C - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

冷却装置具有在待冷却的电子功率元件(5)的导热的散热板(6)和一板状的冷却流体配流机构(4)。配流机构在其朝向散热板(6)的那侧具有一些冷却流体出口(9)，这些出口与散热板(6)间隔一定距离并对准散热板。另外，配流机构(4)具有至少一个冷却流体的排流口(10)。为了使冷却装置适用于不同形式的功率元件并且为各种形式和数量的功率元件确保在整个散热面上的均匀冷却并为了能简单制成该冷却装置，配流机构(4)具有第一板(1)、第二板(2)和第三板(3)，这些出口(9)和多个排流口(10)均匀分布在第一板中，这些板重叠布置，两块板(1，2；2，3)各自限定出一与所有出口(9)相连的输入通道(13)和一与所有排流口(10)相连的排流通道(12)。

Description

冷却装置
技术领域
本发明涉及冷却装置，尤其是用于电子功率元件的冷却装置，它具有一个在待冷却体侧的导热的散热板以及一个设置在散热板附近的用于冷却流体的板状配流机构，该配流机构在其朝向散热板的那侧具有多个冷却流体出口并且具有至少一个用于冷却流体的排流口，这些出口与散热板间隔一定距离并且对准散热板。
背景技术
在这种已知的冷却装置中(FR-A-2715773)中，冷却液体从配流机构的起到喷嘴作用的出口中对准散热板喷出。在散热板的外表面上设有一个功率元件，该功率元件包括多个功率半导体元器件。每个功率半导体元器件在散热板底面上分别对应于一个喷嘴。配流机构是一块整体的板，在该板上开设有呈U形分支的且成孔状的冷却液体输入通道。冷却液体通过唯一一个开口和一个在散热板中央的孔状排流通道被排走。配流机构的制造是很困难的，因为这些平行于散热板平面延伸的孔只能很困难地形成。由于在每个功率半导体元器件下面设有一个喷嘴，所以，冷却装置只适用于一定的功率元件。对于其它形状的功率元件来说，必须要重新设计。此外，由于每个功率半导体元器件通只通过一股冷却液流来冷却并且冷却液通过一个共同的开口被排出，所以，在功率半导体元器件的散热面上出现了相当大温度梯度。于是，这些喷嘴都布置在被冷却液流过的且位于散热板和配流板之间的空间的外边缘上。因此，冷却液不是在所有方向上对称地在功率元件下方从一个喷嘴沿着流向中心的排流口的。尤其是沿配流板边缘没有出现液流。所以，在那里就无法获得充分的散热。
发明内容
本发明的任务是提出上述类型的冷却装置，它适用于各种形式的功率元件，并且只要它被用于冷却功率元件，它就能为每个功率元件确保在散热板的整个散热面上的均匀冷却，并且该冷却装置容易制造。
根据本发明，如此完成该任务，即配流机构具有第一板、第二板和第三板，这些出口和多个排流口均匀分布在第一板中，这些板重叠布置并且其中的两块板分别限定出一个与所有的出口相通的输入通道和一个与所有的排流口相通的排流通道。
由于这些出口和排流口均匀分布，所以确保了在散热板的整个散热面上的均匀散热和冷却，这尽可能与或许要冷却的功率元件的形状和数量无关。同样的情况适用于待冷却的流体如气体或液体，该气体或液体与散热板的散热面接触。由于配流机构象夹层那样由多个限定出输入通道和排流通道的板组成，所以，配流机构的制造简单。通道成型可以在一块板或两块板的一侧外表面和两侧外表面上进行，例如在相应的成型模具中。同时，或许在同一成型模具中能够形成在第一板中的所需的出口和排流口。
为此最好以下措施，输入通道通过横贯排流通道的管路与这些出口连通并且排流口直接通入排流通道。这种实施形式允许通过简单方式将冷却流体分配给这些出口并且允许形成这些排流口。
于是，第二板可以布置在第一板和第三板之间，而这些管路可以与第二板成一体。这就允许这些管路与该第二板共同制造。这些管路可以按照简单的方式通过插接与这些出口相连。
但是，也可以直接使这些出口与输入通道相接并且使这些排流口通过横贯该输入通道的管路与排流通道相连。此时，第二板可以布置在第一板和第三板之间，这些管路可以与第一板成一体。另外，这些管路可以通过插接与横穿第二板的一些孔连接。
最好为此考虑以下措施，第一板被安置在一个外壳的盖板的一个被散热板遮盖住的开口中，第二板被安置在该外壳的一中间板的一个开口中，第三板由该外壳的底板构成。在这样的实施形式里，输入通道和排流通道简单地在侧面以外壳板为界，在这里，外壳底板同时限定出在其底面上的一些通道中的一个。
或者，第三板可以配备有一些对准第二散热板的出口，这些出口通过排流通道和横贯第二板的管路与输入通道连接，而第三板具有通向排流通道的排流口。这样一来，只通过增加一块板即第二散热板就使得冷却装置的散热面倍增。
最好为此考虑以下措施，即每块散热板由金属制成并且至少第二板和第三板以及这些管路由绝热的热塑性塑料构成。在这里，金属板用于良好的散热，这些绝热板和管路用于使输入通道和排流通道相互热隔绝。这些塑料板和塑料管路还可以通过简单的方式如通过注塑法制成。
一个有利的实施例可能在于，在第一板和第二板之间，与这两个板相贴地设有一个第四板，在第四板中，一大致成梳形的缺口限定出输入通道的侧边界，在第二板和第三板之间，与这两个板相贴地设有一个第五板，在第五板中，一个大致成梳形的第二缺口限定出排流通道的侧边界，第一缺口的每个对应于一梳齿的分支对应于第一板的至少一组出口，第四板的突入第一缺口的相邻分支之间的每个舌片具有一组排流口，这些排流口分别对准在第一板中的一排流口和一在第二板中的排流口，并且第二板的每组排流口分别对应于第二缺口的一个对应于一梳齿的分支。冷却装置的这种构造方案呈板状地扁平而紧凑。可以省略冲压出的管路。在这些板里，只需要形成一些孔或缺口。
另外，在这里可以考虑以下措施，即在散热板和第一板之间，与这两个板相贴地设有一个第六板，在第六板中形成有一些孔，第一板的成组的出口和排流口中的至少一组分别通过这些孔中的每一个与散热板连接。这些孔中的每个孔大于在第一板里的至少一组出口和一组排流口的总流通面积，在这些孔里，从这些出口流出的冷却流体能够大面积地均匀分散开并接触散热板，结果，当在散热板外表面上的这些孔之一上安置一个功率元件时，或者当待冷却流体在散热板外表面上沿着流动时，确保了对待冷却体(功率元件或待冷却流体)的均匀冷却。
另一个改进方案可能在于，上缺口通过形成于第二、第三和第五板中的并彼此对准的一些孔与一个入口管接头连接，第二缺口通过一个形成在第三板中的孔与一个出口管接头连接。对于输入通道和排流通道与入口管接头和出口管接头的连接来说，也只是在这些板中需要设置一些孔。
最好这些板彼此紧密连接。代替气态冷却流体如空气地，也可以使用冷却液，而且不会存在这样的危险，即不利地影响到待冷却元件和/或以不希望的方式流出的冷却液造成了污染。
至少第一板至第五板可以由塑料或金属构成，散热板可以是金属制造的。因此，在这种板状冷却装置中，也可以简单地制造出这些板。
附图说明
以下，结合表示优选实施例的附图来详细描述本发明。附图所示为：
图1是本发明冷却装置的第一实施例及装在其上的待冷却的电子功率元件的俯视透视图；
图2放大示出了图1的截面I-I的局部；
图3表示图2所示剖视图的放大局部；
图4以分解透视图表示根据图1-图3的冷却装置的冷却流体配流机构的两块板；
图5是图1、2所示冷却装置的外壳板的分解透视图；
图6是本发明冷却装置的第二实施例的局剖透视图；
图7表示与第一、第二实施例相比略有改动的冷却流体配流机构；
图8是在图7中局部示出的配流机构的分解透视图；
图9是本发明冷却装置的另一实施例的分解视图；
图10是本发明冷却装置的又一实施例的局剖透视图。
具体实施方式
如图1-5所示的冷却装置至少包括一块第一板1、一块第二板2和一块第三板3，这些板共同分别构成一个配流机构4，该配流机构用于一种通过金属的散热板6来冷却电子功率元件5的冷却流体。冷却装置用于同时冷却多个电子功率元件5，即所谓的功率模块，它们可能分别包含有许多功率半导体元器件(所谓的芯片)并且配备有接线端子7。这些功率元件5分别借助螺丝8安置在其中一块散热板6(图2)上。
该板或每块板1具有许多均匀分布在其表面上的出口9和排流口10(图3、4)。锥形管接头在外侧接在这些出口9上，它们对准散热板6。排流口10以简单的孔的形式开设在板1中并且直接通入一排流通道12，该排流通道在图1-3所示位置上在上侧以板1为界并在下侧以板2为界。第二板2在其和第三板3之间限定出一个输入通道13。输入通道13与冷却流体的入口管接头14连接，排流通道12与冷却流体的出口管接头15连接。
输入通道13通过插接并通过成形于板2中的多个开口16和一体成形于板上的管路17与出口9连接，这些管路横贯在板2、3之间的排流通道12。为了形成插接，在板1的底表面上，一体形成了分别对准其中一个出口9的外锥形接管18，并且这些接管分别匹配地被插入管路17的一个相应呈锥形的内端部19中并且最好传力配合地如通过粘接或焊接被固定在其中(图3)。如果在冷却流体是气体如空气而不是液体如水的情况下，也可以抛开传力配合连接。
每块第一板1分别被安置在一个外壳22的盖板21的一个通过散热板6被盖住的开口20中，尤其是见图1、2和5。每块第二板2分别安置在外壳22的一中间板24的一个开口23里，尤其参见图1、2和5。第三板3由外壳22的底板构成。盖板21此时以每个开口20的边缘分别限定出冷却室的周边，该冷却室的上下以散热板6和板2为界并且分别对应于其中一个功率元件5。此外，中间板24以一个空腔的边缘25的每一部分限定出开口23和排流通道12的周边的一部分。在板1上还形成有圆柱形管接头26(图2、4，图3未示出)，这些管接头贴在有关的散热板6的底面上以防止板1向上弯曲。此外，这些管路17同时防止板2朝上弯曲，而形成于板2底面上的且在图3、4中看不到的圆柱形管接头27(图2)防止板2向下弯曲。板3也以一边缘28(图2、5)以及形成在空腔底面30上的长方体形突起31限定出输入通道13的侧面。入口管接头14通过一个在中间板24里的孔32(图2、5)与输入通道13连接，排流通道12直接与出口管接头15相连。
因此，冷却流体按照所示流动箭头的方向从入口管接头14流过输入通道13并从那里起分配给在板2中的这些开口16并通过管路17进入板1的出口中，接着，冷却流体从那里起尽可能均匀分布地流到每个散热板6的底面并且在功率元件5散热和均匀冷却的情况下流经板1的排流口10地进入排流通道12并从那里流向出口管接头15。冷却装置很扁平，在这里，板3、21、24的总厚度小于10毫米。板3、21和24最好由绝热的热塑性塑料构成并且紧密地相互连接，最好是传力配合连接如通过粘接或焊接。但是，这些板也可以由金属构成。在这两种情况下，冷却装置可以简单地制成。功率元件5的数量和进而配流机构4的数量不局限于所示的六个。这个数量可以大一些或小一些，例如也可以只是一个。
图6所示实施例与图1-5所示实施例的区别主要在于，只示出其中一个配流机构4分别安置在一个外壳42的自己的腔室里并且由多个功率半导体元器件44(在此是两个)构成的功率元件45被固定在散热板43上。散热板43比较薄并且在中心包括一个由电绝缘陶瓷材料如AlSiC构成的并有良好导热性的层48，其上表面具有铜层46、47以便通电，其下表面具有一个薄铜层49以便平衡在层46、47和48之间的不同的热膨胀系数。冷却流体的输入和排出又是通过设置在外壳42上的未示出的入口管接头和出口管接头完成的。外壳42由绝热塑料构成。板3可以由金属或塑料构成。冷却流体的流向又用流动箭头来表示。
图7表示冷却流体的配流机构54的变型方式的一个局部，图8是其分解视图，该配流机构也能被用在图1-6所示的冷却装置中来代替配流机构4。在图7所示的配流机构54里，横贯输入通道13的管路55与第一板1成一体。这些管路55用于从在图7未示出的散热板6(图2)或散热板43(图6)与第一板1之间把冷却流体排出到排流通道12里。此时，这些管路55与在第二板2中的孔56插装在一起并且最好是传力配合地同这些孔连接。另外，不仅这些出口9，而且这些排流口10在第一板1的朝向未示出的散热板的那侧与接管11或57连接，这些接管分别只通到未示出的散热板的附近，就是说与散热板保持一定距离。在第二板2的这些开口16里装上了其它的管路58，这些管路横贯排流通道12并且与在第三板53里的排流口59相连。此外，与第三板53一体地形成的接管60与这些排流口59相连。这些接管60伸到第二散热板61的附近并且使从输入通道13里经管路58输入的冷却流体对准第二散热板61。在第二散热板61的底面上，可以安置其它的功率元件如功率元件5或45。散热板61也可以象散热板6或散热板43那样构成。冷却流体通过朝向散热板61的并与第三板53成一体的并且与在第三板53中的排流通道12相连的接管62返回。冷却流体的流动方向还是通过流动箭头来表示。
在配流机构54的这个实施例里，在不明显增大空间需求的情况下，总散热面积是先前实施例中的两倍。
图9表示本发明的另一个实施例，它可以构成一个冷却装置的一冷却部分或单独构成本发明的冷却装置。该冷却装置或冷却部分又包括一块第一板71、一块第二板72和一块第三板73。在第一板71和第二板72之间，与这两块板相贴地设有一块第四板74。在第四板74中形成一个大致成梳形的第一缺口76，该缺口限定出输入通道13的侧边界，而板71和72限定出其上边界。在第二板72和第三板73之间，与这两块板相贴地设有一块第五板75，在第五板里形成一个大致成梳形的第二缺口77。该缺口77在侧面限定出排流通道12的边界，这些板72和73限定出其上下边界。第一缺口76的每个对应于一梳齿的分支78对应于排成一列的至少一组79出口9。第四板74的每个突入第一缺口76的相邻分支78之间的舌片80包括一组81排流口82，它们分别与在第一板71中的一排流口10和在第二板72里的一排流口83对齐。第二板72的每组排成一列的排流口83分别对应于第二缺口77的一个相应于一梳齿的分支84。
在散热板6和第一板71之间，与这两个板相贴地设有一个第六板86，在第六板中形成多个孔87。至少其中一组79出口9(在这里是两组79)和一组排流口10(在这里是在两个相邻的出口9组79之间的那组排流口10)通过每个孔87与散热板6连接。第一缺口76通过形成在第二、第三、第五板72、73、75里的且相互对齐的孔88、89、90与一个未示出的入口管接头相连，第二缺口77通过一个形成在第三板73里的孔91与一个未示出的出口管接头相连。板6、71-75和86都紧密相连，在这里是借助螺丝，这些螺丝穿过在板6、71-75和86中的孔92。除此之外或取而代之的是，板6、71-75和86也可以粘接或焊在一起。
散热板6还是金属制成的，但也可以象图6中的散热板43那样构成。
图9所示的冷却部分还可以单独地或多个组装在一个外壳里并且在散热板6上配备待冷却的功率元件5或者使散热板6与待冷却的流体接触。
总之，该冷却部分具有非常扁平的、紧凑的且易制造的结构，在这里，这些板71-75和86都可以由绝热的若塑性塑料构成。但是，散热板6和板86以及板72、73、75或所有板6、71-75和86也可以是金属制成的。
图10表示本发明的冷却装置的又一个实施例，其中，在一块同时构成一外壳93的盖板的散热板6上固定着至少一个电子功率元件5。在散热板6的下面，设有一个配流机构4′，它除了输入通道和排流通道交换和进而流向掉转外尽可能对应于图2、3所示的配流机构。通过一个鼓风机94，空气或其它气体作为冷却流体在外壳93一端被吹入输入通道13里并且通过排流通道12经一个在外壳93另一端上的开口95直接排入大气中。在这种情况下，这些出口9直接与输入通道13相接，而这些排流口10通过横贯输入通道13的管路96与排流通道12相连。因此，原则上，冷却流体的流向与根据第一实施例的流向相比是相反的。

Claims (17)

1.一种冷却装置，它具有一个在待冷却体那侧的导热的散热板(6；43)和一个布置在散热板(6；43)附近的且用于冷却流体的板状配流机构(4；54；4′)，所述配流机构在其朝向散热板(6；43)的那侧具有多个用于冷却流体的出口(9)并且具有至少一个用于冷却流体的排流口(10)，所述配流机构(4；54；4′)具有一块第一板(1；71)、一块第二板(2；72)和一块第三板(3；73)，这些出口(9)和所述排流口(10)均匀分布在第一板中，这些板重叠布置并且这些板中的两个板(1，2；2，3；1，53；2，53；71，72；72，73)分别限定出一个与所有出口(9)连通的输入通道(13)和一个与所述排流口(10)连通的排流通道(12)，其特征在于，这些出口(9)与散热板(6；43)间隔一定距离并且对准该散热板。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，该输入通道(13)通过一些横贯排流通道(12)的管路(17)与这些出口(9)相连，所述排流口(10)直接通入该排流通道(12)。
3.如权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，第二板(2)布置在第一板(1)和第三板(3)之间，这些管路(17)与第二板(2)成一体。
4.如权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，这些管路(17)通过插接与这些出口(9)连接。
5.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，这些出口(9)直接与该输入通道(13)相连并且所述排流口(10)通过横贯该输入通道(13)的一些管路(55；96)与该排流通道(12)相连。
6.如权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，第二板(2)布置在第一板(1)和第三板(3；53)之间，这些管路(55)与第一板(1)成一体。
7.如权利要求6所述的冷却装置，其特征在于，这些管路(55)通过插接与横穿第二板(2)的一些孔(56)相连。
8.如权利要求2至7之一所述的冷却装置，其特征在于，第一板(1)安置在一个外壳(22)的盖板(21)的一被散热板(6)遮盖住的开口(20)里，第二板(2)安置在该外壳(22)的一中间板(24)的一开口(23)中，第三板由该外壳(22)的一底板构成。
9.如权利要求6或7所述的冷却装置，其特征在于，第三板(53)配备有一些出口(59)，配备在第三板中的这些出口通过排流通道(12)和横贯第二板(2)的管路(58)与输入通道(13)连接，而第三板(3)具有通向排流通道(12)的排流口(63)。
10.如权利要求2至7之一所述的冷却装置，其特征在于，每块散热板(6)由金属制成并且至少第二板(2；72)和第三板(3；73)以及这些管路(17；55；58)由绝热的热塑性塑料构成。
11.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，在第一板(71)和第二板(72)之间，与第一板(71)和第二板(72)相贴地设有一个第四板(74)，在第四板中，成梳形的第一缺口(76)限定出输入通道(13)的侧边界，在第二板(72)和第三板(73)之间，与这两个板相贴地设有一个第五板(75)，在第五板中，一个成梳形的第二缺口(77)限定出排流通道(12)的侧边界，第一缺口(76)的每个对应于一梳齿的分支(78)对应于该第一板(71)的至少一组出口(79)，第四板(74)的突入第一缺口(76)的相邻分支(78)之间的每个舌片(80)具有一组(81)排流口(82)，所述一组排流口分别对准在第一板(71)中的一排流口(10)和一在第二板(72)中的排流口(83)，并且第二板(72)的每组排流口(83)分别对应于第二缺口(77)的一个对应于一梳齿的分支(84)。
12.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，在散热板(6)和第一板(71)之间，与散热板(6)和第一板(71)相贴地设有一个第六板(86)，在第六板中形成有一些孔(87)，第一板(71)的成组(79)的出口(9)和排流口(10)中的至少一组分别通过这些孔(87)中的每一个与散热板(6)连接。
13.如权利要求11或12所述的冷却装置，其特征在于，第一缺口(76)通过形成于第二、第三和第五板(72，73，75)中的并彼此对准的一些孔(88-90)与一个入口管接头连接，第二缺口(77)通过一个形成在第三板(73)中的孔(91)与一个出口管接头连接。
14.如权利要求11所述的冷却装置，其特征在于，所述第一板、第二板、第三板、第四板、第五板和散热板彼此紧密连接。
15.如权利要求12所述的冷却装置，其特征在于，所述第一板、第二板、第三板、第四板、第五板、散热板和第六板彼此紧密连接。
16.如权利要求11或12所述的冷却装置，其特征在于，至少第一板至第五板(71-75)由塑料或金属构成，散热板(6)由金属构成。
17.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却装置是用于电子功率元件(5；45)的冷却装置。
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