CN104620374A - 冷却设备 - Google Patents

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马丁·洪斯贝格-里德尔
雅各布·勒施克
格哈德·米蒂克
兰道夫·莫克
托马斯·冯茨
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Abstract

本发明涉及一种用于冷却电子器件、尤其是功率半导体的冷却设备(26)，其具有可与器件热耦合的冷却体(14)，以及具有用于产生预设波长的对准冷却体(14)的超声波的至少一个超声波发生器元件(12)，以及具有与超声波发生器元件(12)相关联的共振管(16)，所述共振管布置在超声波发生器元件(12)和冷却体(14)之间。在此根据本发明提出：超声波发生器元件(12)和冷却体(14)之间的间距对应于波长的四分之一的整数倍，从而构成超声波发生器元件(12)和冷却体(14)之间的驻波。

Description

冷却设备
技术领域
本发明涉及一种用于冷却电子构件、尤其是功率半导体的冷却设备。
背景技术
为了冷却热学要求苛刻的电子部件、例如功率半导体，通常借助于冷却体进行被动对流冷却是不足够的。因此，在这种情况下需要附加地主动地产生对准冷却体的空气流。
除了应用不仅噪音大而且也易受磨损影响的机械风扇之外，对此也已知应用超声波转换器。这种转换器、例如压电超声波发生器也能够产生远离转化器取向的空气流、所谓的超声风，所述超声风能够用于进行主动冷却。
然而与机械风扇相比，借助超声波转换器仅产生相对小的空气流量。
发明内容
因此，本发明的目的是：提供一种改进的冷却设备，所述冷却设备实现了对电子器件的改进的散热，并且尤其产生提高的空气流量。
该目的通过具有权利要求1的特征的冷却设备、借助具有权利要求2的特征的冷却设备以及借助具有权利要求8的特征的冷却设备来实现。本发明的优选的改进形式从所属的从属权利要求、下面的描述和附图中得出。
根据本发明的冷却设备构成用于冷却电子器件、尤其功率半导体。其具有用于产生预设波长的超声波的至少一个超声波发生器元件，此外，根据本发明的冷却设备具有与超声波发生器元件相关联的共振管，所述共振管具有开口的第一端部和开口的第二端部。在根据本发明的冷却设备中，超声波发生器元件与第二端部相比布置得距第一端部更近，也或者第一端部指向超声波发生器元件。超声波发生器和第二端部的间距和/或第一端部和第二端部之间的间距基本上对应于半波长的整数倍。替选于或者除了相应的间距之外，超声波发生器和第二端部之间的流动路径和/或从第一端部和第二端部之间穿过共振管的流动路径基本上相应于半波的整数倍。
要理解的是，基本上相应于半波长的整数倍的间距或者流动路径与半波长的整数倍相比能够稍微地偏差、即尤其是最多偏差波长的八分之一、优选地最多偏差波长的十六分之一。理想地，与半波长的整数倍的偏差最高为波长的三十二分之一。尤其优选地，间距或者流动路径在制造公差的范围内刚好相应于半波长的整数倍。
由于该几何布置，在共振管的第二端部上构成通过超声波发生器元件共振激发的超声波驻波的波腹-在超声波发生器元件和共振管的第二端部之间或者在共振管的第二端部和第一端部之间因此产生驻波。因此，在根据本发明的冷却体中如之前描述的那样，振动特性对应于开口的管风琴(Orgelpfeife)。
通过在共振管中振动的超声场，在共振管的第二端部处实现流动空气的与无共振管的布置相比显著提高的流动速度。因此，将布置在第二端部附近的冷却体到流动空气的热传递被显著地改进。
尤其适宜的是，共振管的第一端部距超声波发生器间隔半波长的多倍，其中共振管的第一和第二端部彼此间隔半波长的多倍，也或者在第一和第二端部之间的流动路径为半波长的多倍。以该方式，能够有利地相互叠加或加强在第一和第二端部之间以及在超声波发生器元件和第二端部之间形成的共振。
适当地，在根据本发明的冷却设备中，超声波发生器元件布置在共振管之外和/或相对于所述共振管布置在端侧。以该方式，超声波发生器元件能够尤其有效地在共振管中激发共振。
有利地，根据本发明的冷却设备还包括能与器件热耦合的冷却体，所述冷却体布置在共振管的第二端部附近、尤其相对于共振管布置在端侧和/或布置在共振管之外。从共振管中流出的、其流动速度相对于现有技术显著提高的空气因此能够借助用于散热的空气对冷却体环流。
优选地，在根据本发明的冷却设备中，在共振管的第二端部和冷却体之间设有气隙。由此，实现通过超声波输送的空气流的流出。
理想地，在根据本发明的冷却设备中，超声波发生器元件和共振管的第二端部之间的间距、和/或在共振管的第一端部和第二端部之间的间距、和/或超声波发生器和共振管的第二端部之间穿过共振管的流动路径、和/或共振管的第一端部和第二端部之间穿过共振管的流动路径对应于半个波长和/或一个波长和/或一个半波长和/或两个波长和/或两个半波长和/或三个波长。实际上，以该方式能够有效地激发共振。
适宜地，在根据本发明的冷却设备中，共振管的直径基本上相应于波长。能够在共振管中在该情况下尤其简单地激发共振。
要理解的是，共振管的基本上相应于波长的直径能够与波长也稍微地偏差、即尤其最多偏差波长的八分之一、优选地最多偏差波长的十六分之一。理想地，与半波长的整数倍的偏差最高为波长的三十二分之一。
尤其优选地，在根据本发明的冷却设备中，共振管的第一端部具有切割边。借助于切割边，在空气流进入时如在管风琴中那样引起共振管流动的共振效应的加强。理想地，通过切割边的几何形状和/或共振管的第一端部的几何形状和/或超声波发生器元件的几何形状引导空气流使得其刚好出现到切割边上，尤其借助于至少一个适当布置的流动引导元件。
在本发明的一个优选的改进形式中，在此，共振管在第一端部处的管壁在其内侧相对于共振管的纵向延伸适当地倾斜，使得管壁在第一端部处锐角地延伸或锐角地通向第一端部。
替选地或附加地，共振管的第一端部在其外侧相对于共振管的纵向延伸适当地倾斜，使得管壁在第一端部处锐角地延伸或锐角地通向第一端部。
在本发明的一个尤其优选的改进形式中，在冷却设备中附加地设有流动引导元件，借助于所述流动引导元件能够将流动的空气以与切割边相遇的方式引导。
适当地，流动引导结构布置和设计为，使得流动引导元件具有至少一个流动通道，所述流动通道的横截面在切割边附近变小。适当地，流动通道轴向与共振管对齐地布置。适当地，流动通道在远离切割边的端部上布置在超声波发生器元件附近。
优选地，流动引导元件具有至少一个流动引导管以及至少一个流动限制机构，所述流动限制机构与流动引导管以形成至少一个流动通道的方式共同作用。优选地，引导管与共振管轴向对齐地布置。在本发明的一个适宜的改进形式中，流动限制机构是与共振管轴向对齐布置的且位于引导管之内的漏斗、锥体或截锥体，所述漏斗、锥体或截锥体沿着流动引导管的纵轴线在朝共振管的方向上扩宽并且优选设计为是实心的。以该方式，流动引导管的流出开口能够在径向方向上与切割边叠加。如此实现切割边的尤其良好的环流。
借助超声波转换器产生的空气流量-和随此的冷却功率-能够通过如上描述的适当的措施来改进。
然而，借助根据如上描述的根据本发明的解决方案的加强的空气流量在借助超声波转换器进行主动冷却的情况下，也由于冷却体的表面上设计静止的空气限制层而偶尔地限制超声风的移动的空气流的热传递。
借助于下面描述的具有权利要求8中所述特征的根据本发明的冷却设备，实现与此相对进一步改进电子器件的散热，其中是冷却设备替选地或者-至少只要其不相应于之前描述的特征-除了根据本发明的冷却设备的特征之外能够如上描述地存在：
这种用于冷却电子器件、尤其是功率半导体的根据本发明的冷却设备包括能与器件热耦合的冷却体、用于产生预设波长的对准冷却体的超声波的至少一个超声波发生器元件，以及与超声波发生器元件相关联的共振管，所述共振管布置在超声波发生器元件和冷却体之间。
在此根据本发明提出：超声波发生器元件和冷却体之间的间距对应于波长的四分之一的整数倍。
由于该几何布置，在冷却体的表面上设计波结点-因此在超声波发生器元件和冷却体之间产生驻波。因此相反于上述布置，振动特性不再相应于打开的、而是相应于被盖住的管风琴。
通过振动的超声场显著地降低冷却体表面上的不移动的边界层厚度，由此显著地改进到流动空气的热传递。特别地，在边界层区域中能够构成涡流，所述涡流显著地简化冷却体和空气之间的换热，使得这种设备的冷却效率是尤其良好的。
在本发明的另一设计方案中，在共振管的冷却体侧的端部和冷却体之间设有气隙。由此，实现通过超声风输送的空气流的流出。在此，能够适当地选择间隙宽度，例如可行的是，选择超声波长的四分之一的间隙宽度，使得在共振管的开口处存在振动波腹。
还适当的是，在冷却体的朝向共振管的冷却体侧的端部的表面区域中设有至少一个流动引导元件。由此，能够有针对性地偏转超声风的流出。在应当应用多个超声波发生器元件和相关联的共振管时，这能够是尤其有利的。通过流动引导元件的适当的构造能够防止：超声波发生器元件的单独的空气流负面地相互影响。
在一个可行的设计方案中，流动引导元件设计用于将沿冷却体的表面的法线方向进入的空气流偏转180°。因此在此，超声风相对于其入射方向反平行地导出。这结合平行于共振管伸展的空气导出通道是尤其适宜的，所述空气导出通道垂直于冷却体的表面引走空气流。
然而尤其节约空间的一个替选的设计方案是：其中流动引导元件设计用于将沿冷却体的表面的法线方向进入的空气流偏转90°。
在该情况下，入射的超声风因此在冷却体边缘的方向上导出。尤其适宜的是：流动引导元件延伸至冷却体的表面的边缘区域。
在此，流动引导元件能够设计为冷却体的表面中的加深的通道，所述通道的宽度基本上对应于共振管的直径。流动引导元件朝冷却体的边缘螺线形伸展的几何形状也是可行的。根据各个超声波发生器元件的布置，其他几何形状也是可行的。
附图说明
下面根据附图详细阐述本发明和其实施方式。附图示出：
图1示出根据本发明的冷却设备的示意剖面图，
图2示出具有带有切割边的共振管的根据本发明的冷却设备的另一实施例的示意剖面图，
图3示出具有带有切割边的共振管的根据本发明的冷却设备的另一实施例的示意剖面图，
图4示出具有带有切割边的共振管的根据本发明的冷却设备的另一实施例的示意剖面图，
图5示出具有带有切割边和流动引导机构的共振管的根据本发明的冷却设备的另一实施例的示意剖面图，
图6示出根据图1的根据本发明的冷却设备的实施例的示意剖面图，
图7示出根据本发明的冷却设备的另一实施例的示意剖面图，
图8示出根据图6的冷却设备的示意剖面图，其具有对在冷却体表面上的热绝缘层的说明，
图9示出根据图7的根据本发明的冷却设备的实施例的示意剖面图，其具有对在冷却体表面上的热绝缘层的说明，
图10示出具有多个超声波发生器的根据本发明的冷却设备的实施例的立体图，
图11示出根据本发明的冷却设备的实施例的示意剖面图，其具有用于导出被加热的空气的平行于共振管延伸的流动通道，
图12示出用于应用在根据本发明的冷却设备的一个实施例中的具有流动引导元件的冷却体的立体图，
图13示出用于应用在根据本发明的冷却设备的一个实施例中的具有流动引导元件的替选冷却体的立体图。
具体实施方式
在图1中示出的冷却设备10用于主动冷却半导体部件(在图1中没有明确示出)。冷却设备10包括压电超声波发生器12以及与半导体热耦合的冷却体30。在电超声波发生器12和冷却体30之间这样布置有具有开口的第一端部50和开口的第二端部55的圆柱形的共振管16，即共振管16的开口的第一端部50指向电超声波发生器12并且开口的第二端部55指向冷却体30。
超声波发生器12在所示出的视图中将具有预设波长的超声波发送到共振管16的第一端部50中。共振管16的长度L在此基本上对应于一个半的波长。在另外的本身没有示出的实施例中，共振管16的波长L为半波长的另外的整数倍。共振管16的第一端部50与电超声波发生器12隔开半个波长、即间距a。由于该布置和设计，不仅在共振管16的第一端部50和第二端部55之间而且在电超声波发生器12和共振管16的第二端部55之间构成超声驻波。在此，共振管16的直径D相应于一个波长。由于该直径在此显著地有利于驻波的构成。
该驻波分别在第二端部55处构成波腹20。由此，除原本的超声波振动之外，通过超声波发生器12产生的空气流、所谓的超声风沿箭头22的方向加强。
如在图2至5中示出的实施例中示出，通过在第一端部50’、50”、50”’、50””处设有切割边51’、51”、51”’，进一步改进对驻波的激发，所述切割边允许改进地激发流入到管中的空气。
在此，切割边51’例如在图2中示出地这样形成，即共振管16’在第一端部50’处的管壁在内侧上相对于共振管16’的纵向延伸L的方向倾斜，更确切地说使得第一端部50’处的管壁以锐角的形式在超声波发生器12的方向上延伸。
替选地，(图3)共振管16”在共振管16”的第一端部50”处的管壁能够在外侧上相对于共振管16”的纵向延伸L的方向倾斜，使得第一端部50”处的管壁以锐角的方式延伸进而形成切割边51”。
此外，如在图4中示出的那样，共振管16”’在共振管的第一端部50”’处的管壁也能够在内侧和在外侧上相对于共振管16”’的纵向延伸L的方向以锐角延伸的方式倾斜进而形成切割边51”’。
在图5中示出的布置(所述布置还对应于图3中示出的布置)中，在冷却设备中设有流动引导机构57，借助于该流动引导机构将流动的空气有针对性地以与切割边51”相遇的方式引导。原则上，在原本没有示出的另外的实施例中也能够存在如在图2或4中示出的切割边。
流动引导机构57具有流动引导管60，所述流动引导管相对于共振管16””轴向对齐地以及在超声波发生器12和共振管16”’之间布置。流动引导机构57还具有布置在流动引导管60之内的实心的漏斗65，所述漏斗沿着流动引导管60在共振管16”’的方向上扩宽。因此，在漏斗65和流动引导管60之间构成流动通道80。所述流动通道80在共振管16””附近具有带有缩小的横截面的排出开口70，流动的空气能够通过流动引导机构57从所述排出开口中流出。在此，流动引导机构57的所述排出开口70在径向方向上与切割边51”重叠。
为了主动地冷却半导体部件，能够使用根据本发明的如之前描述且在图6和图8中示出的冷却设备10。这种冷却设备如之前已经描述的那样包括压电超声波发生器12以及与半导体热耦合的冷却体(从现在开始并且在下面描述的附图和进一步的描述中设有附图标记14以代替附图标记30)，在其之间布置有共振管16。
在共振管的冷却体侧的端部(从现在开始并且在下面描述的附图和进一步的描述中设有附图标记18以代替附图标记55)处，在此构成由超声波发生器12产生的超声波振动的振动波腹20。由此，除原本的超声波振动之外通过超声波发生器12产生的空气流、所谓的超声风沿箭头22的方向加强。
然而如图8示出，冷却体14的散热有时被未移动的空气的边界层24阻碍。
为了减弱边界层24的构成，在根据本发明的冷却设备26的图7和图9中示出的另外的实施例中，超声波发生器12和冷却体14的表面28之间的间距如此选择，即，其为由超声波发生器12产生的超声波的波长的四分之一的整数倍。
由此，在冷却体14的表面28上形成振动结点31。在超声波发生器12和表面28之间因此构成驻波。所述驻波降低了边界层24的扩展，使得所述边界层与之前描述的冷却设备10中相比具有显著更小的厚度。特别地，通过驻波在表面28的区域中产生涡流，所述涡流抵抗边界层形成并且改进了冷却体14的散热。
图10示出没有冷却体14的冷却设备26的立体图。冷却设备26包括多个压电超声波发生器12，所述超声波发生器被围在电极32，34之间。与超声波发生器12相关联的共振管16共同地容纳在模块36中并且为了概览而没有全部标记出。
连同共振管16一起，同样未全部标记出的流动通道38被引入到模块36中。所述流动通道以与冷却体14的表面28上的流动引导元件40共同作用的方式用于将加热的空气从表面28导出。
如图11说明地，射入的超声风在从共振管16中排出之后并且在到达流动引导元件40上时偏转了180°，并且被导入到流动通道38中，使得从冷却体14导出被加热的空气。由此尤其避免由相邻的超声波发生器12产生的空气流动负面地相互影响。因此，在冷却体14的整个表面上产生均匀良好的散热。
图12和13示出冷却体14的表面28上的流动引导元件40的替选设计方案。在根据图12的实施方式中，流动引导元件40设计为加深的通道，所述通道从没有示出的共振管的嘴口区域42朝冷却体14的边缘44延伸。在此，通道具有大致相应于共振管16的直径的宽度。
在根据图13的实施方式中，流动引导元件40设计为冷却体14的表面28上的隆起的连接片，所述连接片从表面28的中点46沿着螺线形的轨道延伸至冷却体的边缘44。
显然地，本发明不限制于流动引导元件40的图11至13中示出的几何形状。根据冷却体14的造型和要导出的空气或热量，其他的设计方案也能够是适当的。

Claims (16)

1.一种用于冷却电子器件、尤其是功率半导体的冷却设备(10)，具有用于产生预设波长的超声波的至少一个超声波发生器元件(12)，以及具有与所述超声波发生器元件(12)相关联的共振管(16)，所述共振管具有开口的第一端部(50)和开口的第二端部(55)，其中所述超声波发生器元件与所述第二端部(55)相比布置得距所述第一端部(50)更近、或者所述第一端部(50)指向所述超声波发生器元件(12)，并且其中超声波发生器(12)和第二端部(55)的间距和/或第一端部(50)和第二端部(55)之间的间距(L)基本上对应于半个所述波长的整数倍。
2.一种用于冷却电子器件、尤其是功率半导体的冷却设备(10)，具有用于产生预设波长的超声波的至少一个超声波发生器元件(12)，以及具有与所述超声波发生器元件(12)相关联的共振管(16)，所述共振管具有开口的第一端部(50)和开口的第二端部(55)，所述冷却设备尤其是根据权利要求1的冷却设备(10)，其中所述超声波发生器元件与所述第二端部(55)相比布置得距所述第一端部(50)更近、或者所述第一端部指向所述超声波发生器元件(12)，并且其中超声波发生器(12)和第二端部(55)之间的流动路径和/或从第一端部(50)和第二端部(55)之间穿过所述共振管(16)的流动路径(L)基本上相应于半个所述波长的整数倍。
3.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，还包括能与所述器件耦联的冷却体(30)，所述冷却体布置在所述共振管(16)的所述第二端部(55)附近、尤其相对于所述共振管(16)布置在端侧和/或布置在所述共振管(16)之外。
4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其中，在所述共振管(16)的第二端部(55)和所述冷却体(30)之间设有气隙。
5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其中，所述共振管(16)的第一端部(50’；50”；50”’；50””)具有切割边(51’；51”；51”’)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，所述冷却设备具有流动引导元件(57)，借助于所述流动引导元件能够引导流动的空气以与所述切割边(51”)相遇。
7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却设备，其中，所述流动引导元件(57)具有至少一个流动通道(80)，所述流动通道在所述切割边(51”)附近变细，其中尤其是所述流动通道(80)的横截面在所述切割边(51”)附近减小。
8.一种用于冷却电子器件、尤其是功率半导体的冷却设备(26)，具有能与所述器件热耦合的冷却体(14)，以及具有用于产生预设波长的对准所述冷却体(14)的超声波的至少一个超声波发生器元件(12)，以及具有与所述超声波发生器元件(12)相关联的共振管(16)，所述共振管布置在所述超声波发生器元件(12)和所述冷却体(14)之间，所述冷却设备尤其是具有能与所述器件热耦合的冷却体的、根据权利要求1至7中任一项所述的冷却设备，其中，所述超声波发生器元件(12)和所述冷却体(14)之间的间距对应于所述波长的四分之一的整数倍。
9.根据权利要求8所述的冷却设备(26)，其特征在于，在所述共振管(16)的冷却体侧的端部(18)和所述冷却体(14)之间设有气隙。
10.根据权利要求8或9所述的冷却设备(26)，其特征在于，在所述冷却体(14)的朝向所述共振管(16)的所述冷却体侧的端部(18)的表面区域(28)中设有至少一个流动引导元件(40)。
11.根据权利要求10所述的冷却设备(26)，其特征在于，所述流动引导元件(40)设计用于将沿所述冷却体(14)的表面(28)的法线方向进入的空气流偏转180°。
12.根据权利要求11所述的冷却设备(26)，其特征在于，设有平行于所述共振管(16)延伸的空气导出通道(38)。
13.根据权利要求10所述的冷却设备(26)，其特征在于，所述流动引导元件(40)设计用于将沿所述冷却体(14)的所述表面(28)的法线方向进入的空气流偏转90°。
14.根据权利要求13所述的冷却设备(26)，其特征在于，所述流动引导元件(40)延伸至所述冷却体(14)的所述表面(28)的边缘区域(44)。
15.根据权利要求13或14所述的冷却设备(26)，其特征在于，所述流动引导元件(40)设计为所述冷却体(14)的所述表面(28)中的加深的通道，所述通道的宽度基本上对应于所述共振管(16)的直径。
16.根据权利要求13或14所述的冷却设备(26)，其特征在于，所述流动引导元件(40)描述螺线形的轨迹。
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