CN104661494A - 冷却元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种冷却元件(40)，该冷却元件(40)包括第一表面(11)和第二表面(13)，第一表面(11)用于接纳电气部件(12)，第二表面(13)设置有用于将经由第一表面(11)从电气部件(12)接收的热载荷转送至周围环境中的翅片(14)。为了获得提供有效冷却的冷却元件，翅片(14)中的一个或更多个翅片设置有用于使流体在每个相应的翅片内通过的流动通道(1)。

Description

冷却元件
技术领域
本发明涉及一种冷却元件并且更确切地涉及一种用于冷却电气部件的冷却元件。
背景技术
目前，已知具有用于接纳电气部件的第一表面的冷却元件。冷却元件的第二表面设置有翅片，该翅片用于将经由第一表面从电气部件接收的热载荷经由翅片转送至周围环境中。
这种类型的冷却元件通常沿水平定向安装，但是沿其它定向安装也是可能的。水平定向指的是在第一表面面朝上而同时冷却翅片向下凸出时的定向。在那种情况中，用于气流的通道可能定位在翅片之间，换言之，定位在附接至第一表面的电气部件的下方。
这种冷却元件的缺点是不充分的冷却性能。特别是当与在使用期间产生大量热载荷的功率半导体模块结合使用时，难以确保对电气部件的充分冷却。
发明内容
本发明的目的是解决上述缺点并且提供具有改进的能力的冷却元件。这个目的和其它目的通过根据如下方面的冷却元件实现。一种冷却元件，包括：第一表面，所述第一表面用于接纳电气部件；第二表面，所述第二表面设置有用于将经由所述第一表面从所述电气部件接收的热载荷转送至周围环境中的翅片，其中，所述翅片中的一个或更多个翅片设置有用于使流体在每个相应的翅片内通过的流动通道，所述流动通道具有用于提供脉动热管的曲折形状和毛细管尺寸。
使用包括具有用于使流体通过的流动通道的翅片的冷却元件使得能够获得具有改进的冷却能力的冷却元件。
附图说明
以下将通过示例的方式并参照附图对本发明进行更详细的描述，其中
图1a和图1b示出了脉动热管的工作原理，
图2示出了冷却元件的第一实施方式，
图3示出了翅片的第一实施方式，
图4和图5示出了翅片的第二实施方式，以及
图6和图7示出了冷却元件的第二实施方式。
具体实施方式
图1a和图1b示出了脉动热管(PHP)的工作原理。图1a示出了闭式回路PHP并且图1b示出了开式回路PHP。
脉动热管包含具有毛细管尺寸的曲折的流动通道1，换言之，足够小的横截面以使得毛细管力支配重力。适当的流体能够经由注入阀4引入流动通道1中。因而，流体通过由压力不稳定而产生的脉动而移动。由于通道内侧的蒸汽的双向膨胀，在小通道回路中产生振荡。在操作期间，由于通过限制在小通道中的气泡的快速膨胀而引起的流体力学不稳定性，液塞和长形蒸汽气泡将在冷区域和热区域之间振荡，并且因此提供几乎不依赖于重力的流体速度。这使得脉动热管对定向相当地不敏感，从而具有将该脉动热管操作为“倒置”的可能性——即，蒸发器2位于顶部且冷凝器3位于底部。
在冷却元件中使用脉动热管的优势在于冷却元件能够在没有对冷却元件内的流体循环引起问题的情况下而沿任何定向使用。
图2示出了冷却元件10的第一实施方式。冷却元件10包括用于接纳电气部件12——比如，功率半导体模块——的第一表面11，该电气部件12可以通过例如螺钉附接至第一表面。一个可替代的方案是：冷却元件10是对至电动马达的电力供给进行控制的马达驱动装置——比如，频率控制器——的一部分。例如，在那种情况中，电气部件12可以是IGBT(绝缘栅双极晶体管)模块。
冷却元件的第二表面13设置有翅片14，用于将从电气部件12接收的热载荷经由翅片转送至周围环境中。在所示出的示例中，翅片14实施为从冷却元件10的第二表面13向下凸出的长形板状元件。在翅片之间可以布置有间隔件16并且间隔件16与第二表面13接触以在翅片之间获得间隙。气流15可以产生为在翅片14之间通过使得翅片将热消散至该气流15中。
为了获得有效的冷却元件10，翅片中的一个或更多个翅片设置有用于使流体在每个相应的翅片14内通过的流动通道1。优选地每个翅片都具有流动通道，然而，在一些装置中，仅在翅片的一部分翅片中具有流动通道可能是足够的。优选地，为了避免每个翅片的流动通道1需要被单独地填充，不同的翅片14的流动通道1可以彼此流体连通。这种流体连通可以经由基板17获得，电气部件12附接至该基板17并且翅片14热连接至该基板17。在这种解决方案中，布置在基板17的第一表面中的一个单独填充阀4可以用于将流体引入所有翅片14中。
通过在翅片14中具有流体通道所获得的优势在于实现了将热载荷更有效地分配至翅片的不同部分。由于流体通道1中的流体在翅片14的不同部分之间有效地传递热，因此，翅片的大部分区域能够有效地被用于将热消散至周围环境中。
图3示出了翅片14的第一实施方式。在图2的实施方式中使用的翅片可以实施为图3中所示。
所示出的翅片14包括抵靠彼此布置的一叠板21至23。中间板22具有狭缝，该狭缝用作将流体分配至翅片14的不同部分的流体通道1。例如，该狭缝可以通过冲压或切削来制造。两个外部板21和23是在中间板22的两侧上为翅片14提供流体密封外壁的非穿透实心板。
翅片14在流动通道1的两端中具有两个开口24和25。开口24和开口25布置在翅片14的面向冷却元件10的第二表面13的侧边缘中。这些开口促进了翅片14的流体通道1与冷却元件的其它部分之间的流体连通。
如果流动通道1内的流体循环应当在不需要外部设备——比如，泵——并且不依赖冷却元件的定向的情况下获得，则流动通道1可以是毛细管尺寸的以便使得冷却元件的翅片用作脉动热管。确定流体通道是否具有毛细管尺寸的一种方法是计算数，该数应当低于大约4。数能够计算如下：
其中，D是通道水力直径，g是重力加速度，ρliq是液体密度，ρvap是蒸汽密度，σ是表面张力。
对于制冷剂R245fa(1,1,1,3,3-五氟丙烷)——该制冷剂R245fa可以用作流体，一个可能的选择是1mm的导管高度(＝中间板22的板厚度)以及2mm的导管宽度(＝中间板22中的狭缝的宽度)。这致使在60℃的流体操作温度下如以下表格中所示：
图4和图5示出了翅片14’的第二实施方式，其可以在例如图2的冷却元件10中使用。图4和图5的实施方式与结合图3所说明的实施方式非常类似。因此，图4和图5的实施方式将主要通过指出这些实施方式之间的不同处来说明。例如，所示出的翅片14’可以在图2的冷却元件10中使用。
从图4——该图示出了翅片14’的在装配之前的零部件，能够看出翅片14’包括两个中间板32和33而不是在图3的实施方式中那样的仅一个中间板。第一中间板32和第二中间板33两者均包括多个成形于并且位于下述位置中的单独的狭槽35和36：一旦板靠着彼此堆叠，则第一中间板32和第二中间板33的狭槽35和狭槽36将一起形成流体通道1。
图5示出了靠着彼此堆叠的板32和板33。从图5能够看出：与图3中的实施方式类似，第一中间板和第二中间板的狭槽35和狭槽36彼此部分地重叠以使得穿过翅片14’设置有连续的流体通道1。与图3中类似，开口24和开口25布置在翅片14’的面向冷却元件10的第二表面13的侧边缘中。
与图3的实施方式相比，通过图4和图5的实施方式得到的优势是中间板32和中间板33各自仅由一个单独的零部件构成，这使得例如在制造期间更容易处理该中间板32和中间板33。在图3中，形成流体通道1的狭缝将中间板切割成两个单独的零部件，该两个单独的零部件在制造期间需要定位在正确的位置。
为了确保翅片14’和流体通道1用作具有与图3中所说明的相同的流体的脉动热管，第一中间板32和第二中间板33的厚度分别可以是1mm。例如，外部板21和外部板23的厚度分别可以是0.5mm。
图6和图7示出了冷却元件40的第二实施方式。图6和图7的实施方式与结合图2所说明的实施方式非常类似。因此，图6和图7的实施方式主要通过指出这些实施方式之间的不同处来进行说明。
与图2中的实施方式类似，翅片14可以是图3中所示出的类型或是图4和图5中所示出的类型。然而，在图6和图7的实施方式中，辅助翅片44设置成在所示出的翅片14之间延伸。这种增大了将热消散至气流15中的表面积的辅助翅片44也可以用于图2的实施方式中。
在图6和图7的实施方式中，冷却元件包括第一板47和第二板41，第一板47和第二板41彼此堆叠成使得用于接纳电气部件12的第一表面11和设置有翅片14的第二表面13面向相反的方向。
图7更详细的示出了第二板41。用作连接器板的第二板在翅片14的开口24和开口25的位置处设置有通孔42。为了简化，在图7中仅示出四个翅片14。如能够从图7看出的，第二板中的孔42布置并且定尺寸成使得在每个孔42处定位有两个翅片14，并且两个相邻的翅片14的一个开口24经由被讨论的孔42流体连通。因此，孔42提供不同的翅片的流体通道1之间的流体连通。由此，不同翅片的流体通道可以连接至用作脉动热管的单个闭式回路。第一板47可以实施为除了可能地用于注入阀4的孔口之外不需要具有任何其它流体通道的实心基板。第一板47提供位于第二板41的顶部上的流体密封顶，并且第二板41的第二表面13(图6中底面)通过翅片14和间隔件元件16来防止泄漏。
图7示出了第二板41也设置有长形狭槽43，该长形狭槽43在尽可能远离彼此地定位的两个翅片14的一个相应的开口之间提供流体连通。完全地延伸穿过第二板41的该长形狭槽43不是在所有的实施方式中都是必须的。如果存在狭槽43，则结果是(假设流体通道的选定尺寸是正确的)闭式回路脉动热管，如果不存在狭槽43，则结果是开式回路脉动热管。
如从之前的说明清楚看出的，将脉动热管结合至冷却元件中使得能够获得具有有效冷却能力的冷却元件并且该冷却元件能够用于任何需要的位置。这种不依赖定向的冷却元件能够直接用来取代在翅片中不包括任何流体循环的旧的现有技术冷却元件，因为冷却元件能够布置在任何位置，也能够布置在具有电气部件的第一表面向上指向并且翅片向下指向的位置。
所描述的冷却元件的生产可以通过准备合适的尺寸的金属板、通过在零部件应当彼此附接的位置处设置焊接件来完成。此后，该冷却元件能够被组装并且放置在将其加热至焊接件的熔点的炉中。一旦从炉中移除，零部件彼此坚固地附接同时允许其被冷却。
应当理解的是上述描述和附图仅意为说明本发明。对本领域普通技术人员来说明显的是能够在不脱离本发明的范围的情况下对本发明进行改变和修改。

Claims (8)

1.一种冷却元件(10、40)，包括：
第一表面(11)，所述第一表面(11)用于接纳电气部件(12)；
第二表面(13)，所述第二表面(13)设置有用于将经由所述第一表面(11)从所述电气部件(12)接收的热载荷转送至周围环境中的翅片(14、14’)，其特征在于，
所述翅片(14、14’)中的一个或更多个翅片设置有用于使流体在每个相应的翅片内通过的流动通道(1)，所述流动通道(1)具有用于提供脉动热管的曲折形状和毛细管尺寸。
2.根据权利要求1所述的冷却元件，其中，不同的所述翅片(14、14’)的所述流动通道(1)彼此流体连通。
3.权利要求1所述的冷却元件，其中，不同的所述翅片(14、14’)的所述流动通道(1)彼此流体连通并且所述冷却元件包括用于将流体引入不同的所述翅片(14、14’)的所述流体通道(1)的共同入口(4)。
4.权利要求1所述的冷却元件，其中，所述翅片(14)中的一个翅片包括一叠板，其中，所述流体通道(1)由中间板(22)中的狭槽构成并且位于所述中间板的两侧上的两个外部板(21、23)提供所述流体通道(1)的流体密封侧壁。
5.权利要求1所述的冷却元件，其中，所述翅片(14’)中的一个翅片包括一叠板，其中，所述流体通道(1)由多个单独的狭槽(35、36)构成，所述多个单独的狭槽(35、36)设置在第一中间板(32)和第二中间板(33)中以使得所述第一中间板(32)和所述第二中间板(33)中的所述狭槽(35、36)彼此部分地重叠以提供穿过所述翅片(14’)的连续的流体通道(1)，并且位于所述第一中间板和所述第二中间板的两侧上的两个外部板(21、23)提供所述流体通道(1)的流体密封侧壁。
6.权利要求1所述的冷却元件，其中，所述冷却元件(40)包括：
第一板(47)，所述第一板(47)具有用于接纳所述电气部件(12)的所述第一表面(11)，以及
第二板(41)，所述第二板(41)具有设置有翅片(14、14’)的所述第二表面(13)，
所述第二板(41)叠置于所述第一板(47)使得所述第一表面(11)和所述第二表面(13)面向相反的方向，
设置有流动通道的所述一个或更多个翅片(14、14’)在相应的流动通道(1)的两端中包括两个相应的开口(24、25)，所述开口(24、25)面向所述第二板(41)，并且
所述第二板(41)在所述开口(24、25)的位置处设置有通孔(42)以使得两个相邻的翅片(14)的一个开口(24)经由设置在所述第二板(41)中的一个通孔(42)彼此流体连通。
7.权利要求1所述的冷却元件，其中，所述冷却元件(40)包括：
第一板(47)，所述第一板(47)具有用于接纳所述电气部件(12)的所述第一表面(11)，以及
第二板(41)，所述第二板(41)具有设置有翅片(14、14’)的所述第二表面(13)，
所述第二板(41)叠置于所述第一板(47)使得所述第一表面(11)和所述第二表面(13)面向相反的方向，
设置有流动通道的所述一个或更多个翅片(14、14’)在相应的流动通道(1)的两端中包括两个相应的开口(24、25)，所述开口(24、25)面向所述第二板(41)，
所述第二板(41)在所述开口(24、25)的位置处设置有通孔(42)以使得两个相邻的翅片(14)的一个开口(24)经由设置在所述第二板(41)中的一个通孔(42)彼此流体连通，并且
所述第二板(41)设置有长形狭槽(43)，所述长形狭槽(43)在定位得距彼此最远的两个翅片(14、14’)的一个相应的开口(24)之间提供流体连通。
8.权利要求1所述的冷却元件，其中，所述冷却元件(40)包括在所述第二表面(41)上所设置的所述翅片(14)之间延伸的辅助翅片(44)。
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