CN101647329B - 电装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电装置及其应用，电装置包括一壳体部件(1)和一印刷电路板(2)，壳体部件包括一冷却体，印刷电路板装有发热构件(6)和至少一个功率模块(5)，其中，印刷电路板设置在至少部分地填充有填料的壳套(3)中，尤其是与壳套连接；功率模块表面上的温度高于构件表面上的温度，尤其是高于所述装置工作期间的峰值温度；功率模块具有一接触面，该接触面与冷却体的接触面接触以将热量导出到冷却体上；冷却体的内侧与填料保持导热连接，尤其是直接连接或通过施加在填料上的薄膜连接，构件通过填料向冷却体散热。

Description

电装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种电装置及其应用。

背景技术

DE3223624公开了一种冷却体，其不仅在内侧而且在外侧均具有散热片。在内部存在有空气，以在发热/生热构件与冷却体之间进行对流传热。

DE3700349公开了一种用于容纳填料的槽。

发明内容

因此，本发明的目的在于，改进一种电装置，其中要能改善散热/除热且要能简单地制造该装置。

根据本发明，所述目的通过如权利要求1中给出的特征所述的电装置和如权利要求26中给出的特征所述的应用来实现。

本发明电装置的重要特征在于，该电装置包括一壳体部件和一印刷电路板，该壳体部件包括一冷却体，该印刷电路板装有发热构件和至少一个功率模块，其中，

所述印刷电路板设置在一至少部分地填充有填料的壳套中，尤其是与该壳套连接，

所述功率模块表面上的温度高于所述构件表面上的温度，尤其是高于所述装置工作期间的峰值温度，

所述功率模块具有一接触面，该接触面与所述冷却体的接触面接触以将热量排出到该冷却体上，

所述冷却体的内侧与所述填料保持导热连接，尤其是直接连接或通过一铺放在该填料上的薄膜连接，

所述构件通过所述填料向冷却体散热。

这里优点是，热负载能力不同的结构部件、即例如所述构件和功率模块可通过同一冷却体散热，该冷却体通过直接的接触面-接触而在该接触区域中具有所述功率模块的温度。填料有利地可设计成减振的、机械稳定的、电绝缘强度提高的、导热好的。此外，所述装置可简单且价格低廉地制造。

在一有利实施例中，冷却体内侧上的凸起设置成延伸入填料中。这里优点是，通过朝向填料扩大表面，传热阻力减小。此外，可这样构造凸起，使得所述凸起的尖端对准要散热的构件的周围环境，由此使从构件传向冷却体的传热阻力保持为尽可能小。

在一有利实施例中，构件的环境温度，尤其是在周围填料中的环境温度，高于、尤其是持续高于最大容许环境温度，尤其是高于用空气作为周围环境介质的情况。这里优点是，通过浇注/浇铸，可改进散热和热扩散到填料中的过程，进而也就不必遵守制造商对最大容许环境温度所设定的温度。在此尤其意外地认知到，通过所述填料，从构件的表面材料向填料传热的比阻力大大减小，因此排出的热量比空气时的要多，尽管空气的对流输送利于散热，而填料由于粘度和固有粘性很高而不太利于对流散热。

在一有利实施例中，最大容许环境温度是制造商设定温度，尤其是在持续超过该制造商设定温度时，构件极大可能、甚至肯定会被破坏。这里优点是，制造商设定温度容许在该最大容许环境温度以下的温度下工作并在此时存在微小的故障可能性，但在超过该最大容许环境温度时，故障可能性增大。

在一有利实施例中，凸起为散热片和/或冷却指。这里优点是，简单而低廉的措施就足够了。

在一有利实施例中，凸起在内侧对准对应的构件，以减小从构件向冷却体的传热阻力。这里优点是，根据构件在装备时的定位来设置凸起，由此实现最佳的传热。

在一有利实施例中，冷却体在其外侧具有凸起、如散热片和/或冷却指。这里优点是，能实现表面的扩大，进而也就能改进从冷却体到外部的周围环境介质上的传热。

在一有利实施例中，填料是含硅树脂的凝胶，尤其是硅橡胶。这里优点是，较之橡胶类物质，在凝胶中提高了减振性；存在突出的固有粘性，进而也就存在流回到原来的形状的趋势。因此，能特别好地包围凸起。

借助于凸起在内部空间中相应凸出的构造，还能防止或至少能减少气泡的形成。

在一有利实施例中，所述填料具有500-10000mPa s、尤其是800-1200mPa s的粘度。这里优点是，填料与机械界限的变化相配合，并特别好地与印刷电路板、构件以及与被压入填料中的冷却体的设置在冷却体内侧上的凸起贴合。

在一有利实施例中，填料的导热性是室温、1bar下空气导热性的至少6倍高，尤其是至少8倍高。这里优点是，能特别好地散热。不过，在此填料不同于导热膏/导热糊料，该填料电绝缘性很好且绝缘强度高(isolationsfest)。

在一有利实施例中，在填料上施加一薄膜。这里优点是，在组装所述装置之前，在支承壳套时可设有防污保护。

在一有利实施例中，冷却体的内侧接触薄膜，因此，各构件的热传递大体上设置成经过填料、然后经过薄膜直到到达冷却体并从那里进入周围环境中。这里优点是，薄膜可构造得如此之薄，以致传热阻力仅略微恶化。此外，薄膜可构造有开口，使得功率模块的接触面可不受干扰地与冷却体的接触面接触。薄膜的其他效果在于，热量略好一些地在平行于冷却体凸起的方向上均匀分布在填料中，进而有助于提高填料在热交变载荷中的热容量。

在一有利实施例中，构件和/或功率模块借助于SMD技术安装，尤其是构件和/或功率模块的电连接元件仅安置在印刷电路板的一侧上，并在那里借助钎焊而电连接。这里优点是，可尤其简单地自动进行装备。

在一有利实施例中，功率模块和发热构件设置成被动散热的，也即尤其不设置风扇等。这里优点是，可节省部件。

在一有利实施例中，一功率模块包括一电子断路器，如IGBT或MOSFET。这里优点是，功率模块可构造为单个断路器或各断路器的组合。

朝向冷却体的接触面有利地由铝制成。同样，冷却体优选也与所述装置的其他壳体部件一样由铝制成。此外，优选选择所述装置的所有壳体部件的可压铸的设计，并相应地设计机械成形(模型)，由此在制造过程中可取出至少一个滑块。

在一有利实施例中，所述装置包括联接在多个半桥中的断路器。尤其是，所述半桥由一逆变器(Wechselrichter)包括，以产生由电机供电的三相交流电。这里优点是，可制造紧凑型驱动装置，其来自传动装置/减速器和电机的热量可通过中央壳体部件排出，而电子装置的热量可通过一可拆松地连接的壳体部件排出，该可拆松连接的壳体部件包括一冷却体，该冷却体特别是借助与填料的接触特别好地与该电子装置耦接。因此，在电子装置与驱动电机之间存在热分隔。

在一有利实施例中，壳套可拆松地连接在中央壳体部件中，其中包括冷却体的壳体部件可连接到中央壳体部件上。这里优点是，填料是通过壳套保持的，该壳套此外还为热分隔也即热防护作贡献。

在一有利实施例中，中央壳体部件包括用于与壳套连接的结构，还包括轴承接纳区域以接纳电机转子的轴承中的至少一个和传动装置/减速器输出轴的轴承中的至少一个，该传动装置的输入轴与转子轴连接或者就是转子轴。尤其是，设置中央壳体部件以给电机和/或传动装置散热，并在所述包括冷却体的壳体部件与所述中央壳体部件之间设置热障/热防护屏(Waermesperre)。这里优点是，虽然中央壳体部件机械地保持其中设置有印刷电路板的壳套，但不管所述机械连接如何都可设有热分隔。壳套的材料可选择为导热性相应高的相应塑料注塑件。

在一有利实施例中，至少部分地由一长的、在壳体表面上延伸的最短连接线在冷却体的表面区域与电机和/或传动装置的绝大部分热流入其中的表面区域之间实现热障。这里优点是，即使壳体部件是由铝制造的且因此是好的导热体，外露伸出的成型部或其他路径相应长的成型部也可加大热防护作用。

此外，还可在壳体部件的可拆松的连接部位上设置如橡胶件等的热障。

填料在用于电装置的电子功率模块和发热构件的冷却装置上的应用的重要特征在于，

包括一壳体部件和一印刷电路板，壳体部件包括一冷却体，印刷电路板装有发热构件和至少一个功率模块，其中，

印刷电路板设置在一壳套中，尤其是与该壳套连接，

印刷电路板至少部分地填充有填料，

冷却体的内侧与填料保持导热连接，

构件通过填料向冷却体散热，

填料用于构件的热扩散。

其他优点由从属权利要求阐述。本发明不局限于权利要求的特征组合。尤其是从提出的目的和/或与现有技术作比较而提出的目的中，本领域技术人员可得出权利要求和/或单个权利要求特征和/或说明书和/或附图的特征的其他合适的组合可能性。

附图说明

现在结合附图对本发明进行详细说明。其中：

图1示意性地示出了本发明的装置。

附图标记一览表

1具有冷却体的壳体部件

2印刷电路板

3壳套

4密封件

5功率模块

6发热构件

7其他构件

8壳体部件

具体实施方式

这里，作为上部件的、具有冷却体的壳体部件1可装到作为下部件的壳体部件8上。

印刷电路板2至少部分地借助于SMD技术来装备，并设置在壳套3中，其中填料/隔离物这样设置在壳套3中，以使印刷电路板2和发热构件6完全被填料覆盖。其他构件7也被完全覆盖。

仅有向冷却体放热的功率模块5的接触面不被填料覆盖，因此可与冷却体直接接触地布置。冷却体具有相对应的接触面。所述接触面中的一个或两个接触面都可设置有导热膏/导热糊料，以减小传热阻力。接触面设计成平的且借助于弹性元件相互压紧。

弹性元件可采用不同的方式实现。在第一变型中，弹性元件安装在功率模块5与印刷电路板之间，或者将功率模块的压脚(Füβchen)本身用作弹性元件。在另一变型中，弹性元件设于壳套3与功率模块5之间，从而使该功率模块被压到冷却体的接触面上。在又一变型中，弹性元件设于壳体部件8与壳套3之间，从而该弹性元件通过壳套和连接在壳套中的印刷电路板将功率模块5压到冷却体的接触面上。

冷却体在其内侧和外侧都具有凸起，如散热片和冷却指，使得朝向外部的周围环境也即空气或流体——如油或水——的表面扩大。同样，向内指向的表面也扩大，其中，内侧上的凸起，也即散热片和冷却指，被压入填料中，以便让传热阻力尽可能小。

壳套是凝胶密封地构造的，也即填料保持在壳套中。在另一本发明的实施例中，面朝冷却体的表面铺设有一薄膜，以防止污物颗粒粘附到填料上。薄膜如此之薄且具有弹性，以致冷却体以其内侧的凸起压入薄膜中且薄膜在此情况下与之紧贴。填料与冷却体之间的传热阻力此时仅略微恶化。

在所有实施例中，壳套与冷却体这样连接，使得填料不能流出。填料优选设计为凝胶，因此所述连接也就设计为凝胶密封的。在此情况下开口这样小，以使填料保持在壳套中。冷却体的凸起还利于保持填料，因为冷却体与壳套一同限定了填料的空间区域。

优选的是，填料是含硅树脂的材料，例如硅橡胶。所述含硅树脂的材料优选是透明的，以便能看得见结构部件，由此能快速而清晰地识别出缺陷。

填料优选是凝胶状的硫化橡胶，其可浇注制造、室温下可硫化和加成交联、被选择为双组分硅橡胶。

导热性是空气时的至少6倍之高，优选是8倍。

尤其是在使用硅橡胶的情况下，从发热构件6朝向填料的热传递非常好。因此，热可快速发散到填料中。制造商规定，构件在工作时不超过最大容许环境温度和在构件的半导体材料中不超过最大容许峰值温度。构件在此可采用SMD技术安装。在本发明中可认识到，作为在其他情况下所设置的空气环境的替代，使用填料，该填料因导热性高且能特别好地与构件表面热耦接而具有下述结果，即热从构件表面流入填料中的传热阻力非常小，进而热也就可以很快发散并分布。因此，尽管构件的半导体材料中的最大容许峰值温度是相同的，但环境温度可设定得高于构件制造商容许的环境温度。

通过这种方式，构件可通过填料和在其上热耦接的冷却体散热，尽管填料也即构件环境的温度具有过高的温度，尤其是不允许的高温。

此外，填料因其凝胶状的设计而在电子构件和/或壳套和/或印刷电路板的机械振动方面有效地减振。

由于表面张力，在浇注时这样选择，使得填料与印刷电路板和构件很好地贴合，亦即不会形成气穴或只产生极少的/数量不重要的气穴。因此，在浇注和硫化之后，实现了构件和其他部件的粘接，其中凝胶状的填料吸收振动能。这里，填料具有500至10000mPa s、优选约1000mPa s的粘度。

此外，填料有利于提高绝缘强度，因为它具有大于10kV/mm、优选大于20kV/mm的电介质强度、非常高的耐泄漏电流稳定性、大的体积电阻以及表面阻力。由此，通过在这种情况下由填料承担绝缘，连构件上出现的绝缘故障也能消除。

填料由此完全不同于所谓的导热膏，该导热膏虽然具有良好的导热性，但不具有这类绝缘特性，也不具有减振性。

图1中还表明了，设置有密封件4，其防止填料溢出或流出。在此情况下，填料具有突出的固有粘性，使得即便在变形时，填料也努力流回到它原来的形状。

功率模块在其表面产生远高于发热构件的温度。例如，100℃或120℃的功率模块温度是容许的，构件的最大容许环境温度较低，例如对于周围空气为70℃。功率模块的热量在接触面上从功率模块流入冷却体中，由此该冷却体直接在接触面上具有类似的温度。因此，热流就扩散到冷却体中，且表面温度随着离接触面越远而下降。例如，在冷却体最接近构件的区域中，温度达到80℃。因此，构件不允许、甚至不可能将热散到该区域中去。但是，利用本发明的填料，在构件内部的相同温度下，因为向填料(传热)的传热阻力减小，所以容许构件有较高的环境温度，也即填料可以为80℃。尽管如此，构件也不会受损且有足够多的热量散出。构件的峰值功率同样保持相同，且相应的热同样良好地散发，正如在70℃的环境温度下、在空气中一样。

本发明不局限于所述温度值。不过，温度值彼此之间的关系是重要的。按照填料的选择，可采用其他的数值。

令人感到意外的是，其中允许其最大容许温度低于功率模块中的最大容许温度的构件可通过同一冷却体散热，在此甚至可超过用空气作为周围环境介质时制造商所设定的最大容许温度。

薄膜的材料优选包括聚乙烯、聚碳酸酯或聚氯乙烯。

在其他本发明的实施例中，冷却体的内侧具有这样的凸起，使得构件的热特别好地发散。尤其是各凸起如冷却指、或者冷却体被设计成对准要散热的构件。此外，这意味着，从尖端到构件的距离为冷却体到构件的最小距离。另外，在朝向构件的环境区域中还可形成多个凸起，以便使传热阻力尽可能小，并由此尽可能好地将热传送入冷却体中。

Claims (31)

1.一种电装置，包括一壳体部件和一印刷电路板，所述壳体部件包括一冷却体，所述印刷电路板装有发热构件和至少一个功率模块，其中，

所述印刷电路板设置在一至少部分地填充有填料的壳套中，并与该壳套相连接，其中，所述印刷电路板和所述发热构件完全被所述填料覆盖，

所述功率模块表面上的温度高于所述发热构件表面上的温度，

所述功率模块具有一不被填料覆盖的接触面，该接触面与所述冷却体的接触面直接接触以将热导出到该冷却体上，

所述冷却体的内侧通过一放置在所述填料上的薄膜与填料保持导热连接，所述薄膜施加在所述填料上，用以在组装所述电装置之前、在支承所述壳套时防污，

所述发热构件通过所述填料向所述冷却体散热，

其中，所述冷却体在其朝向填料的内侧上和朝向外部的周围环境的外侧上分别具有扩大表面的凸起，所述冷却体内侧上的凸起被设置成延伸入所述填料中。

2.根据权利要求1所述的电装置，其特征在于，所述功率模块表面上的温度高于所述电装置工作期间的峰值温度。

3.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述发热构件的在周围填料中的环境温度高于最大容许环境温度。

4.根据权利要求3所述的电装置，其特征在于，所述发热构件的在周围填料中的环境温度持续高于最大容许环境温度。

5.根据权利要求3所述的电装置，其特征在于，所述最大容许环境温度是用空气作为周围环境介质时的最大容许环境温度。

6.根据权利要求3所述的电装置，其特征在于，所述最大容许环境温度是制造商设定温度，在持续超过该制造商设定温度时，所述发热构件会被破坏。

7.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述凸起为散热片和/或冷却指。

8.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述凸起在内侧对准对应的发热构件，以减小从发热构件向冷却体的传热阻力。

9.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述填料是含硅树脂的凝胶。

10.根据权利要求9所述的电装置，其特征在于，所述填料是硅橡胶。

11.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述填料具有500-10000mPas的粘度。

12.根据权利要求11所述的电装置，其特征在于，所述填料具有800-1200mPas的粘度。

13.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述填料具有一是室温、1bar下空气导热性的至少6倍高的导热性。

14.根据权利要求13所述的电装置，其特征在于，所述填料具有一是室温、1bar下空气导热性的至少8倍高的导热性。

15.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，冷却体的内侧接触所述薄膜，因此，热从各发热构件通过填料、然后通过薄膜、直到到达冷却体地进行传导，并从那里进入周围环境中。

16.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述发热构件和/或功率模块借助于SMD技术安装。

17.根据权利要求16所述的电装置，其特征在于，所述发热构件和/或功率模块的电连接元件仅安置在印刷电路板的一侧上，并在那里借助钎焊而电连接。

18.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述功率模块和发热构件设置成被动散热的，也即不设置风扇。

19.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，功率模块包括一电子断路器。

20.根据权利要求19所述的电装置，其特征在于，所述电子断路器是IGBT或MOSFET。

21.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，所述电装置包括联接在多个半桥中的断路器。

22.根据权利要求21所述的电装置，其特征在于，所述各半桥由一逆变器包围，以产生由一电机供电的三相交流电。

23.根据权利要求22所述的电装置，其特征在于，所述壳套被可拆松地连接在一中央壳体部件中，其中，所述包括冷却体的壳体部件能连接到该中央壳体部件上。

24.根据权利要求23所述的电装置，其特征在于，所述中央壳体部件包括用于与所述壳套连接的结构，还包括轴承接纳区域以接纳所述电机的转子的轴承中的至少一个和一传动装置的输出轴的轴承中的至少一个，该传动装置的输入轴与转子轴连接或者是转子轴。

25.根据权利要求24所述的电装置，其特征在于，所述中央壳体部件设置用于给所述电机和/或传动装置散热，在所述包括冷却体的壳体部件与该中央壳体部件之间设置有热障。

26.根据权利要求25所述的电装置，其特征在于，所述热障至少部分地通过一长的、在壳体表面上延伸的最短连接线在冷却体的表面区域与电机和/或传动装置的绝大部分的热流入其中的表面区域之间实现。

27.根据权利要求1或2所述的电装置，其特征在于，该电装置是一包括一能够由电机驱动的传动装置的紧凑型驱动装置，该电机由一包括印刷电路板的变频器电子装置供电和控制。

28.根据权利要求27所述的电装置，其特征在于，所述发热构件由变频器的控制电子装置和/或信号电子装置包括，而所述功率模块由该变频器的功率电子装置包括，其中，所述信号电子装置产生用于该功率模块的控制信号。

29.根据权利要求28所述的电装置，其特征在于，所述控制电子装置和/或信号电子装置中的至少一部分连同变频器的所述功率电子装置一起布置在同一印刷电路板上。

30.根据权利要求29所述的电装置，其特征在于，所述壳套被可拆松地连接在一中央壳体部件中，在设置在所述中央壳体部件中的驱动电机与布置在所述壳套和所述包括冷却体的壳体部件之间的电子装置之间，布置有一热障，该热障包围所述壳套。

31.根据权利要求30所述的电装置，其特征在于，所述热障包围所述壳套和所述壳体部件的相应成型部。

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