CN103874400B - 功率器件设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有冷却器的功率器件设备，该冷却器具有凹部，其中，该凹部具有底面和第一侧面，其中，该凹部的第一侧面相对底面具有小于90°的角，其中，该功率器件设备具有带支承元件的第一无源电气器件，其中，朝向凹部第一侧面的支承元件第一侧面相对底面具有的角等于凹部第一侧面相对底面的角，其中，压力传递元件具有背离支承元件第一侧面的第一压力传递元件侧面，其中，底面相对第一压力传递元件侧面具有小于90°的角，其中，压力生成装置向第一压力传递元件侧面上施加力，以使得通过压力传递元件将支承元件压靠凹部第一侧面。本发明提出能匹配不同的无源电气器件的功率器件设备，在该功率器件设备中保证各个无源电气器件的良好的冷却。

Description

功率器件设备
技术领域
本发明涉及一种功率器件设备。
背景技术
为了冷却无源电气器件，例如扼流圈、变压器、电阻器和电容器，在生产工艺上通常将无源电气器件通过螺栓、夹子或灌封的方式固定到冷却器上。
为了保证在无源电气器件的运行期间产生的热量到冷却器上的良好散热，在此期望的是，相关的无源电气器件在其尽可能多的侧面上具有与冷却器的接触。因此，对于具有无源电气器件和冷却器的生产工艺上常见的功率器件设备，经常需要使冷却器的形状匹配无源电气器件的形状，以使得尽可能多的热量可以从无源电气器件传递到冷却器上。这使得在生产工艺上常见的功率器件设备的制作在技术上是昂贵的，因为，如果要保证各个无源电气器件的良好冷却，必须为不同的无源电气器件制作不同的冷却器。如果功率器件设备具有多个在必要时不同的无源电气器件，这些无源电气器件应当通过功率器件设备的单一的冷却器进行冷却，那么上述问题进一步恶化。
发明内容
本发明的任务是提出能匹配不同的无源电气器件的功率器件设备，在该功率器件设备中保证各个无源电气器件的良好的冷却。
该任务通过一种具有冷却器的功率器件设备解决，该冷却器具有凹部，其中，该凹部具有底面和第一侧面，其中，该凹部的第一侧面相对底面具有小于90°的角，其中，该功率器件设备具有带支承元件的第一无源电气器件，其中，该支承元件布置在底面上，并且朝向凹部第一侧面的支承元件第一侧面相对底面具有的角等于凹部第一侧面相对底面的角，其中，该功率器件设备具有布置在底面上的压力传递元件，其中，该压力传递元件具有背离支承元件第一侧面的第一压力传递元件侧面，其中，底面相对第一压力传递元件侧面具有小于90°的角，其中，该功率器件设备具有压力生成装置，该压力生成装置向第一压力传递元件侧面上施加力，以使得通过压力传递元件将支承元件压靠凹部第一侧面。
本发明的有利的构造方案在从属权利要求中获得。
已证明有利的是压力传递元件与背离支承元件第一侧面的支承元件第二侧面对置地布置，因为这样，能够以特别简单的类型和方式在朝向凹部第一侧面的方向上将力从压力传递元件传递到支承元件上。
此外证明有利的是，底面相对支承元件第二侧面具有小于90°的角，并且底面相对压力传递元件的朝向支承元件第二侧面的第二压力传递元件侧面具有的角等于底面相对支承元件第二侧面的角，因为这样，将支承元件在支承元件第二侧面区域中压靠凹部的底面，并且因此获得支承元件在凹部底面上的特别好的热接触。
此外还证明有利的是压力传递元件与支承元件构造成一体。由此，能够实现特别简单地组装的功率器件设备。
此外证明有利的是所述凹部具有朝向凹部第一侧面的第二侧面，该第二侧面构成冷却器第一侧壁的侧面，其中该冷却器第一侧壁接受压力生成装置施加到第一压力传递元件侧面上的力的反作用力。由此，能够实现特别简单地组装的功率器件设备。
此外证明有利的是第一无源电气器件构造为具有导磁芯的变压器或者具有导磁芯的扼流圈，并且支承元件构造成变压器或扼流圈的导磁芯的形式，或者第一无源电气器件构造为电阻器并且支承元件构造成电阻器的壳体的形式，或者第一无源电气器件构造为电容器并且支承元件构造成电容器的壳体的形式。变压器、扼流圈、电阻器和电容器代表无源电气器件的常见构造方案。
此外还证明有利的是在支承元件与底面之间布置第一导热层，并且在支承元件与凹部第一侧面之间布置第二导热层。由此，可以实现支承元件在底面上以及在凹部第一侧面上的特别好的热接触。
此外还证明有利的是第一层和第二层的厚度不同，和/或制成第一和第二导热层的材料不同，因为这样，可以有目的地调整在支承元件与底面之间以及在支承元件与凹部第一侧面之间的相应的接触热阻。
此外证明有利的是功率器件设备具有带支承元件的第二无源电气器件，其中，第二无源电气器件的支承元件以与第一无源电气器件的支承元件相同的形式布置在冷却器的凹部中并且与冷却器连接，因为这样，可以借助单一的冷却器来冷却相同的或不同的无源电气器件。
此外还证明有利的是第二无源电气器件构造为具有导磁芯的变压器或者具有导磁芯的扼流圈，并且第二无源电气器件的支承元件构造成变压器或扼流圈的导磁芯的形式，或者第二无源电气器件构造为电阻器并且第二无源电气器件的支承元件构造成电阻器的壳体的形式，或者第二无源电气器件构造为电容器并且第二无源电气器件的支承元件构造成电容器的壳体的形式。变压器、扼流圈、电阻器和电容器代表无源电气器件的常见构造方案。
附图说明
本发明的实施例在附图中被描述，并且在下文中作进一步详细地解释。其中：
图1示出根据本发明的功率器件设备的示意性立体图；
图2示出根据本发明的功率器件设备的示意性剖面图；
图3示出根据本发明的功率器件设备的另一构造方案的示意性剖面图；并且
图4示出根据本发明的功率器件设备的另一构造方案的示意性剖面图。
具体实施方式
在图1中，示出了根据本发明的功率器件设备1的示意性立体图。在图2中示出了在图1中沿着线A延伸剖切根据本发明的功率器件设备的配属于图1的示意性剖面图。
在这一点上要注意，如在附图中所示，在下文中所有的角按照逆时针方向给出。此外还要注意，在本发明的意义上，在物理结构上不相交的两个面之间的角应当理解为相关的两个面的彼此相交的假想虚拟延长线之间的相应角。
根据本发明的功率器件设备1具有冷却器2，该冷却器2具有凹部3。凹部3具有底面4和第一侧面5，其中，凹部3的第一侧面5相对底面4具有小于90°的角α。优选地，凹部3的第一侧面5相对底面4具有小于88°、并且特别是小于85°的角α。
此外，功率器件设备1具有带支承元件6的第一无源电气器件20，其中，该支承元件6布置在底面4上。在该实施例的范围内，第一无源电气器件20构造为变压器，并且支承元件6构造成变压器的导磁芯的形式，该导磁芯可以例如构造成具有铁合金板材的芯的形式或者构造为铁氧体芯。变压器具有围绕芯延伸的线圈12。线圈12与电气接头13连接。替选的是，第一无源电气器件20例如也可以构造为扼流圈，并且支承元件6构造成扼流圈的导磁芯的形式，该导磁芯可以例如构造成具有铁合金板材的芯的形式或者构造为铁氧体芯。
替选的是，第一无源电气器件20可以构造为电阻器并且支承元件6构造成电阻器的壳体的形式，或者第一无源电气器件20可以构造为电容器并且支承元件6构造成电容器的壳体的形式。
朝向凹部3第一侧面5的支承元件6第一侧面7相对底面4具有的角等于凹部3第一侧面5相对底面4的角，也就是说，支承元件6第一侧面7相对底面4的角β相应于凹部3第一侧面5相对底面4的角α。支承元件6第一侧面7以对应于凹部3第一侧面5的方式布置。在该实施例中，支承元件6第一侧面7与凹部3第一侧面5对置地布置。支承元件6朝向底面4的基面30平行于凹部3底面4地延伸。
功率器件设备1具有布置在底面4上的压力传递元件19，其中，该压力传递元件19具有背离支承元件6第一侧面7的第一压力传递元件侧面14。底面4相对第一压力传递元件侧面14具有小于90°、并且特别是小于88°的角γ。优选地，底面4相对第一压力传递元件侧面14具有20°至70°的角γ。压力传递元件19朝向底面4的基面31平行于凹部3底面4地延伸。压力传递元件19优选与背离支承元件6第一侧面7的支承元件6第二侧面8对置地布置。压力传递元件19的朝向支承元件6第二侧面8的第二压力传递元件侧面9优选以对应于支承元件6第二侧面8的方式布置。此外，压力传递元件19的第二压力传递元件侧面9优选与支承元件6第二侧面8对置地布置。
此外，功率器件设备1具有压力生成装置10，该压力生成装置向第一压力传递元件表面14上施加力F，以便通过压力传递元件19将支承元件6压靠凹部3第一侧面5。压力生成装置优选构造成弹簧元件的形式，该弹簧元件例如能够以夹子10的形式存在。从力F中分解出来的力F1将支承元件6压靠凹部3第一侧面5，所述分解出来的力F1平行于底面4地在朝向凹部3第一侧面5的方向上作用。因为凹部3第一侧面5相对底面4具有小于90°的角α，所以将支承元件6在支承元件6第一侧面7的区域内压靠凹部3的底面4，并因此实现支承元件6在底面4上的良好的热接触。角α越小，用于将支承元件6在第一侧面7的区域内压靠凹部3底面4的力越大。因为凹部3第一侧面5相对底面4具有小于90°的角α，所以此外还防止支承元件6可能会从底面4移走。这样形成了支承元件6与凹部3第一侧面5之间的形状锁合（formschlüssig）连接，并因此形成了支承元件6和冷却器2之间的形状锁合连接。应当注意，和在实施例中一样，功率器件设备1也可以具有多个压力生成装置10，这些压力生成装置一起向第一压力传递元件侧面14上施加力F，并因此可以有目的地通过应用的压力生成装置10的数量调整力F的大小。
由于生产技术上的原因，冷却器2优选在底面4和支承元件6第一侧面7交会的边缘上具有沟槽21。由第一无源电器元件20产生的热通过支承元件6第一侧面7以及通过支承元件6的底面30传递到冷却器2上。此外，由第一无源电器元件20产生的热通过支承元件6第二侧面8传递到压力传递元件19上并由其传递到冷却器2上，以使得第一无源电器元件20从三侧冷却，并因此被很好地冷却。压力传递元件19优选由具有良好导热性的材料，例如铜或铝制成。
在实施例的范围中，凹部3的底面4相对支承元件6第二侧面8具有小于90°的角δ。优选地，凹部3的底面4相对支承元件6第二侧面8具有小于88°、特别是小于85°的角δ。凹部3的底面4相对压力传递元件19的朝向支承元件6第二侧面8的第二压力传递元件侧面9具有的角等于凹部3底面4与支承元件6第二侧面8所成的角，也就是说，凹部3的底面4与压力传递元件19的第二压力传递元件侧面9所成的角ε相应于凹部3的底面4与支承元件6第二侧面8所成的角δ。第二压力传递元件侧面9优选以对应于支承元件6第二侧面8的方式布置。在实施例中，第二压力传递元件侧面9与支承元件6第二侧面8对置地布置。
因为凹部3的底面4相对支承元件6第二侧面8具有小于90°的角δ，所以将支承元件6在支承元件6第二侧面8的区域内压靠凹部3的底面4。
因为凹部3第一侧面5相对底面4具有小于90°的角α，并且凹部3的底面4相对支承元件6第二侧面8具有小于90°的角δ，所以支承元件6被总力F2压靠凹部3的底面4，并因此获得支承元件6在底面4上的很好的热接触。
在实施例的范围内，凹部3具有朝向凹部3第一侧面5的第二侧面16，该第二侧面构成冷却器2第一侧壁15的侧面，其中，该冷却器2第一侧壁15接受压力生成装置10施加到第一压力传递元件侧面14上的力F的反作用力。为此，优选通过螺纹连接件11将压力生成装置10与冷却器2的第一侧壁15连接。在此要注意的是，在图2至图4中为了简明起见，通过仅示出相关螺栓的螺栓头而仅高度示意性地示出了螺纹连接件11。对此替选的是，冷却器2第一壁15或者凹部3的底面4还可以具有支座，例如成边缘的形式，弹簧元件10压靠该支座，或者压力生成装置10可以例如通过螺纹连接件与凹部3的底面4连接。
冷却器2在凹部3中优选具有凹槽17，该凹槽将底面4的一部分开凹槽。优选地，变压器20的相应线圈12的一部分布置在凹槽17中。在此要注意的是，在图2至图4中为了简明起见，高度示意性地以俯视图的形式示出了线圈12。
在图3中示出了根据本发明的功率器件设备1’的另一构造方案的示意性剖面图，该功率器件设备与上述的根据本发明的功率器件设备1一致，除了压力传递元件19与支承元件6构造成一体这一特征之外。由此，能够实现特别简单地组装的功率器件设备。
在图4中示出了根据本发明的功率器件设备1”的另一构造方案的示意性剖面图，该功率器件设备与上述的根据本发明的功率器件设备1一致，其中，对于根据图4的本发明的构造方案，在支承元件6与底面4之间布置第一导热层22，并且在支承元件6与凹部3第一侧面5之间布置第二导热层23。优选的是，还可以在支承元件6与第二压力传递元件侧面9之间布置第三导热层24，和/或在压力传递元件19与底面4之间布置第四导热层25。在此，第一层、第二层、第三层和/或第四层22、23、24、25的厚度可以不同或者说部分地不同，和/或制成所述层22、23、24、25的材料可以不同或者部分地不同。层22、23、24和/或25优选由导热膏制成，其中，如果这些层或者这些层的一部分需由不同材料制成，那么这些层或者这些层的一部分可以由具有不同导热性能的不同的导热膏制成。但是当然，层22、23、24和/或25也可以相应构造为固体材料体。通过对层厚度或者对于一部分层的层厚度的有目的的选择，和/或通过对层材料或者对于一部分层的材料的有目的的选择，可以有目的地调整相应的接触热阻，并且因此实现无源电器元件20的良好冷却，但在无源电器元件20的运行过程中，无源电气器件20不会变得过于冷，而是在运行过程中采取特定的期望的运行温度，在该温度下其例如以特别高的质量工作和/或特别可靠地工作。
当然，第一导热层和第二导热层22和23也能够以相同的方式例如存在于上述根据图3的本发明的实施例中，并且因此功率器件设备1’同样能够具有相应地构造的第一导热层和第二导热层22和23。
除了第一无源电气器件以外，根据本发明的功率器件设备1、1’和1”还可以具有带相应支承元件的其它无源电气器件，所述其它无源电气器件以与第一无源电气器件相同的形式布置在冷却器的凹部中，并且与冷却器连接。在此，无源电气器件既可以在它们的类型方面（变压器、扼流圈、电阻器、电容器）也可以在它们的大小和/或形式方面不同。因此可以借助单一的冷却器来冷却相同或不同的无源电气器件。在此，各个无源电气器件的压力传递元件可以与支承元件6构造成一体，或者也可以不与支承元件6构造成一体。
因此如图1所示，根据本发明的功率器件设备可以具有带支承元件6’的第二无源电气器件20’，其中，第二无源电气器件20’的支承元件6’以与第一无源电气器件20的支承元件6相同的形式布置在冷却器2的凹部3中，并且与冷却器2连接，因此以上针对第一无源电气器件20进行的说明也适用于第二无源电气器件20’。在实施例中，第二无源电气器件20’以扼流圈的形式存在，并且第二无源电气器件20’的支承元件6’以导磁芯的形式存在。扼流圈的线圈12’绕导磁芯延伸。
此外如图1所示，根据本发明的功率器件设备例如可以具有带支承元件6”或6’’’的第三无源电气器件20”或20’’’，其中，第三无源电气器件20”或20’’’的支承元件6”或6’’’以与第一无源电气器件20的支承元件6相同的形式布置在冷却器2的凹部3中，并且与冷却器2连接，因此以上针对第一无源电气器件20进行的说明也适用于第三无源电气器件20”或20’’’。在实施例中，第三无源电气器件20”或20’’’以电阻器20”的形式存在，并且第三无源电气器件20”的支承元件以电阻器的壳体6”的形式存在，或者第三无源电气器件以电容器20’’’的形式存在，并且第三无源电气器件20’’’的支承元件以电容器的壳体6’’’的形式存在。
冷却器可以例如构造为空气冷却器或者和实施例中一样构造为液体冷却器。在实施例中，冷却器2具有穿过冷却器2延伸的管道18，在功率器件设备运行时，液体（优选以水或油的形式存在）通过所述管道流动，并从冷却器中接收热量并向外释放。如果冷却器构造为空气冷却器，那么冷却器通常具有冷却片，在运行期间用于冷却的空气在所述冷却片上流过，并从冷却器中接收热量并向外释放。
在这一点上应当注意的是，在本发明的意义上冷却器理解为一种固体，该固体在功率器件设备的运行期间用于从其它固体中接收热量并将所接收的热量或者所接收的热量的主要部分递送给与冷却器接触的液体介质和/或气体介质。必要时，从冷却器接收的热量的一小部分可以递送给另一固体。

Claims (10)

1.一种具有冷却器(2)的功率器件设备，所述冷却器具有凹部(3)，其中，所述凹部(3)具有底面(4)和第一侧面(5)，其中，所述凹部(3)的所述第一侧面(5)相对所述底面(4)具有小于90°的角(α)，其中，所述功率器件设备(1、1’、1”)具有带支承元件(6)的第一无源电气器件(20)，其中，所述支承元件(6)布置在所述底面(4)上，并且朝向所述凹部(3)第一侧面(5)的支承元件(6)第一侧面(7)相对所述底面(4)具有的角等于所述凹部(3)第一侧面(5)相对所述底面(4)的角，其中，所述功率器件设备(1、1’、1”)具有布置在所述底面(4)上的压力传递元件(19)，其中，所述压力传递元件(19)具有背离所述支承元件(6)第一侧面(7)的第一压力传递元件侧面(14)，其中，所述底面(4)相对所述第一压力传递元件侧面(14)具有小于90°的角(γ)，其中，所述功率器件设备(1、1’、1”)具有压力生成装置(10)，所述压力生成装置向所述第一压力传递元件侧面(14)上施加力(F)，以使得通过所述压力传递元件(19)将所述支承元件(6)压靠所述凹部(3)第一侧面(5)。
2.根据权利要求1所述的功率器件设备，其特征在于，所述压力传递元件(19)与背离所述支承元件(6)第一侧面(7)的支承元件(6)第二侧面(8)对置地布置。
3.根据权利要求2所述的功率器件设备，其特征在于，所述底面(4)相对所述支承元件(6)第二侧面(8)具有小于90°的角(δ)，并且所述底面(4)相对所述压力传递元件(19)的朝向所述支承元件(6)第二侧面(8)的第二压力传递元件侧面(9)具有的角等于所述底面(4)相对所述支承元件(6)第二侧面(8)的角。
4.根据权利要求1所述的功率器件设备，其特征在于，所述压力传递元件(19)与所述支承元件(6)构造成一体。
5.根据权利要求1至4之一所述的功率器件设备，其特征在于，所述凹部(3)具有朝向所述凹部(3)第一侧面(5)的第二侧面(16)，所述凹部(3)第二侧面(16)构成冷却器(2)第一侧壁(15)的侧面，其中，所述冷却器(2)第一侧壁(15)接受所述压力生成装置(10)施加到所述第一压力传递元件侧面(14)上的力(F)的反作用力。
6.根据权利要求1至4之一所述的功率器件设备，其特征在于，所述第一无源电气器件(20)构造为具有导磁芯的变压器或者具有导磁芯的扼流圈，并且所述支承元件(6)构造成变压器或扼流圈的导磁芯的形式，或者所述第一无源电气器件构造为电阻器并且所述支承元件构造成电阻器的壳体的形式，或者所述第一无源电气器件构造为电容器并且所述支承元件构造成电容器的壳体的形式。
7.根据权利要求1至4之一所述的功率器件设备，其特征在于，在所述支承元件(6)与所述底面(4)之间布置第一导热层(22)，并且在所述支承元件(6)与所述凹部(3)第一侧面(5)之间布置第二导热层(23)。
8.根据权利要求7所述的功率器件设备，其特征在于，所述第一导热层(22)和所述第二导热层(23)的厚度不同，和/或制成所述第一导热层(22)和所述第二导热层(23)的材料不同。
9.根据权利要求1至4之一所述的功率器件设备，其特征在于，所述功率器件设备(1、1’、1”)具有带支承元件(6’)的第二无源电气器件(20’)，其中，所述第二无源电气器件(20’)的支承元件(6’)以与所述第一无源电气器件(20)的支承元件(6)相同的形式布置在所述冷却器(2)的所述凹部(3)中并且与所述冷却器(2)连接。
10.根据权利要求9所述的功率器件设备，其特征在于，所述第二无源电气器件(20’)构造为具有导磁芯的变压器或者具有导磁芯的扼流圈，并且所述第二无源电气器件的支承元件(6’)构造成变压器或扼流圈的导磁芯的形式，或者所述第二无源电气器件构造为电阻器并且所述第二无源电气器件的支承元件构造成电阻器的壳体的形式，或者所述第二无源电气器件构造为电容器并且所述第二无源电气器件的支承元件构造成电容器的壳体的形式。
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