CN111508916B - 用于从至少一个功率构件导出废热的冷却单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从至少一个功率构件(2)导出废热的冷却单元(1)。在此冷却单元(1)具有带有前流部(4)和回流部(5)的基座箱(3)以及相对于基座箱(3)逐段覆盖地布置的盖体(6)。在盖体(6)中对于各功率构件(2)成形有冷却开口(7)用于将冷却剂直接输送至遮盖冷却开口(7)地布置在冷却单元(1)处的功率构件(2)。此外在基座箱(3)与盖体(6)之间布置有中间板(8)。

Description

用于从至少一个功率构件导出废热的冷却单元
技术领域
本发明涉及一种用于从至少一个功率构件导出废热的冷却单元。在此，冷却单元具有带有前流部(Vorlauf)和回流部(Ruecklauf)的基座箱(Sockelkasten)以及相对于基座箱逐段覆盖地布置的盖体(Deckkoerper)，其中，在盖体中对于各功率构件成形有冷却开口用于将冷却剂直接输送至遮盖冷却开口地布置在冷却单元处的功率构件。
背景技术
已知为了操控电驱动器通常应用功率半导体结构元件或者说模块，其由于在将电能输送至驱动器时在功率半导体结构元件或者说模块内部产生的功率损失需要冷却以导出相应地由功率损失引起地所产生的热。
经常为了冷却来应用所安放的冷却体，其被借助于风扇所产生的空气流流过。然而这通常仅仅在缓和的热量产生的情况下有效。在较高的或非常高的热量产生的情况下通常需要功率半导体结构元件或者说模块的液体冷却，例如以水、水-乙二醇混合物或其他介质作为所使用的冷却剂。
就此而言文件DE 102005048100A1说明了一种电子控制器，其具有布置在控制器的壳体中的功率半导体结构元件，其在其方面固定在电路板上。电路板在此间接与以挤压型材(Strangpressprofil)的形式存在的冷却器的外表面导热地相接触，其中，为了补偿表面不平在电路板与冷却器之间布置有导热垫(Waermeleitpad)或者其经由导热胶相互连接。冷却器此外各具有从壳体导引的进入口(Zulauf)以及排出口(Ablauf)并且划分成多个改善稳定性的纵向室(Laengskammer)，使得冷却器具有充分的稳定性并且可由冷却剂流过。然而该解决方案的缺点是在功率半导体结构元件与实际的冷却液之间的多重的传热和因此高导热阻力，这导致功率半导体结构元件的不充分的散热和因此提高的温度。这样的提高的温度造成功率半导体结构元件的提高的脱落可能性和因此减少的可靠性以及使用寿命。
出于该原因已提出解决方案以减少在功率半导体结构元件与冷却液之间的导热阻力。如此形成此类型的文件DE 10038178 A1公开了一种冷却轨道，其用于相应地冷却功率半导体结构元件或者说模块。在此，冷却轨道具有多个冷却室，其经由进入口和排出口以及连接槽(Verbindungsschlitze)可流经地相互联结。冷却轨道在此示出由基体和通过螺栓连接布置在基体处的盖板构成的两件式结构。待经由冷却轨道冷却的功率半导体模块此外由功率半导体结构元件的堆叠构成，功率半导体结构元件布置在电绝缘的陶瓷基质上，其在其方面与功率半导体模块的金属底板形成复合物(Verbund)。功率半导体模块在此在冷却轨道的盖板上布置成使得其金属底板封闭存在于盖板中的开口。由此实现，流过冷却轨道的冷却液能够与功率半导体模块的尤其设有增大表面的结构的金属底板直接接触。为了在室之间以及相对于金属底板密封，在开口区域中环绕的凹槽被引入盖板中，密封件被置入凹槽中。为了维持密封功能，因此需要将盖板再加工以产生凹槽。此外在该文件中虽然说明了应用功率半导体结构元件的并行流过，其然而以冷却轨道的所公开的结构是不可能的。
发明内容
在该背景下，本发明目的在于将开头所提及的类型的冷却单元实施成使得实现功率构件的并行流过并且在很大程度上可忽略相关密封面的再加工。
该目的利用根据本发明的冷却单元来实现。
根据本发明即设置有冷却单元用于从至少一个(尤其引起废热的、电子的)功率构件导出废热。在此，冷却单元具有带有前流部和回流部的基座箱以及相对于基座箱部分覆盖地布置的、尤其与基座箱间接地连接的盖体。此外，在盖体中对于各功率构件成形有冷却开口用于将冷却剂直接输送至遮盖冷却开口地布置在冷却装置处的功率构件。冷却剂在此可以是冷却液，例如水或水-乙二醇混合物，然而也可以是其他介质。根据本发明在此另外在基座箱与盖体之间布置有(尤其导引冷却剂的)中间板。
因此存在分开的、至少三件式的冷却单元，其有利地适合于导出废热并且相应地适合于冷却功率构件。由所选择的结构决定，该冷却单元可成本有利地来制造并且避免再加工如产生密封元件。此外使能够将冷却剂并行输送至该至少一个功率构件。优选地，在此三个功率构件布置在冷却单元处。
每个功率构件在此通常可被理解为产生热量的构件。然而优选地，功率结构元件是电气的和/或电子的功率结构元件，例如用于功率电子装置的半导体结构元件如两端双向晶闸管(Diac)、双极功率晶体管、功率MOSFET、GTO晶闸管、晶闸管、三端双向晶闸管(Triac)、二极管或优选地IGBT。也存在以下可能性，即功率构件是具有一个或多个这样的功率结构元件的功率模块或功率半导体模块，其将功率结构元件集成在壳体中。
基座箱(在其中前流部和回流部尤其成形为置入基座箱中的袋)、中间板以及盖体可通过铸造和/或铣削、同样通过锻造和/或冲压、以挤压方法和/或借助于3D打印方法来成形。然而优选地，基座箱作为铸件和/或铣削件、中间板作为冲压件而盖体作为挤压件存在。盖体在此应通过将预备阶段的挤压型材横向于其纵向地分离来制造。
此外应设置成，前流部和回流部在冷却单元的和因此基座箱的纵向上彼此相间隔地并排伸延，从而可实现将冷却剂并行输送至功率构件。
在本发明的特别有利的改进方案中中间板是(尤其由卷筒(Bandrolle)亦或由线圈)展开的板件并且/或者板件无再加工地具有实现(优选地借助于密封元件实施的)密封的表面品质。基于该设计方案相应地不需要执行中间板的复杂的再加工(例如通过带有高节拍时间的铣削方法)以提供对于密封必需的表面品质(在此尤其在平均粗糙深度(Rautiefe)以及中间粗糙度值(Mittenrauwert)方面)。由对于产生板件必需的轧制压过程决定，构造为板件的中间板已具有必要的表面品质并且其仅需要一另外的成型过程如冲压过程，以便能够将中间板或者说板件供冷却单元使用。
在此，此外如果中间板具有直至最高10微米的平均粗糙深度Rz，这表现为有利的，因为在该范围中的平均粗糙深度具有相应的表面品质，以便能够借助于密封元件保证密封功能。例如可考虑，中间板的平均粗糙深度处于6.3微米至10微米的范围中。更小的粗糙度和因此小于6.3微米的平均粗糙深度当然同样是有利的且可能的。
如果在中间板中对于各冷却开口(并且由相应的冷却开口包围地来实施)构造有至少两个溢流开口，其中的各至少一个溢流开口与前流部、另一方面与回流部可流经地相连接并且因此对于各冷却开口和功率构件溢流开口中的至少一个与前流部相关联而至少一个溢流开口与回流部相关联，那么本发明的实施形式也可被视为极其有利。这以结构上有利的方式导致，冷却剂可从前流部转移到冷却剂开口的区域中并且接着到回流部中。冷却剂的转移(Uebertritt)在此在布置在冷却单元处的多个功率构件中以溢流开口的流动技术上的并行布置来实现，使得作用到相应的功率构件上的冷却剂的温度相同而不像在串联的情况中由于废热的影响在后面的功率构件中提高地存在。
冷却剂开口的边缘侧的壁部、中间板和功率构件的遮盖冷却剂开口的底部在此形成室，冷却剂经由溢流开口流入该室中并且又流出，这可保证连续运走废热。
此外，本发明的可极其有效的构造在于，相应在基座箱与中间板、中间板与盖体以及盖体与功率构件之间构造有连接并且这些连接中的至少一个(或全部)是密封的尤其面式的、材料配合的连接。相应的材料配合的连接在此可以是焊接连接例如借助于搅拌摩擦焊接(Ruehrreibschweissen)、钎焊连接亦或粘合连接。此外可考虑基座箱与中间板、中间板与盖体和/或盖体与功率构件相互浇注。
在本发明的另外有利的改进方案中，相应在基座箱与中间板、中间板与盖体以及盖体与功率构件之间构造有连接，其中，这些连接中的至少一个(或全部)是力配合和/或形状配合的连接。由此尤其相对于材料配合的连接，可引起相应的连接的无破坏的松开，由此可确保冷却单元的简化的维护和/或修理。就此而言，相应的力配合和/或形状配合的连接例如可实施为螺栓连接和/或铆钉连接。
此外，冷却单元的有效的实施形式特征在于，在功率构件与盖体之间的力配合和/或形状配合的连接通过将功率构件经由至少一个固定元件(Feststellelement)布置在盖体处来实现。在此可设置成，每个固定元件本身经由力配合和/或形状配合(例如螺栓连接)固定在盖体处。因此可考虑将各功率构件经由至少一个、优选地两个固定元件夹持在盖体处，其中，其通常例如可构造为夹持块(Klemmstein)。
在冷却单元的优选的设计方案中基座箱、中间板和盖体经由材料配合的方法互相连接，而在盖体与每个功率构件之间存在力配合和/或形状配合的连接。该力配合和/或形状配合的连接在此特别优选地通过将每个功率构件借助于固定元件布置在盖体处来实现。
此外，如果为了相对于中间板密封基座箱、相对于盖体密封中间板和/或相对于每个功率构件密封盖体布置有密封元件，本发明的改进方案是有效的。为此，将在至少一个、优选地两个相应彼此邻接的部件(因此基座箱与中间板、中间板与盖体和/或盖体与每个功率构件)中相应设置凹槽用于容纳密封元件。密封元件须相应地被布置在部件之间冷却剂的相应通道的区域中，以便很大程度上保证其密封功能。如此例如会将密封件布置在基座箱的前流部和回流部周围以及在盖体与中间板之间还有盖体与每个功率构件之间在冷却开口中的每个的两侧，使得没有冷却剂侵入相应彼此邻接的部件之间的间隙或缝隙中。
此外如果在盖体的每个冷却开口中在边缘侧布置有环绕地贴靠的密封元件，其中，密封元件在冷却开口两侧与盖体以及功率构件构造密封面，是有利的，使得没有冷却剂能够侵入功率构件与盖体以及盖体与中间板之间的缝隙中。因此，密封元件在冷却开口两侧密封在盖体与功率构件以及盖体与中间板之间冷却剂的通道区域或者说冷却剂开口。在此，密封元件(例如O形环或轮廓密封件(Profildichtung))应经历大约20％至30％的应变(Stauchung)，以保证密封效果。应变或者说预紧的水平在此取决于密封元件的设计标准。在此，可由在功率构件以及中间板和功率构件在盖体处的材料配合和/或力配合的连接处的贴靠决定，实现密封元件的压紧或者说预紧。
如果全部密封元件中的至少一部分在喷注模(Spritzgusswerkzeug)中执行喷注方法的情况下并且/或者通过涂覆(尤其硬化的)密封物质亦或液态密封件来模制，则这可如下地视为有利的，即由此一方面存在带有例如相对于使用密封元件简化的自动化可能性的并行化制造方法且因此可更好低集成到生产线中。并行化在此指的是，所模制的密封元件不在串行的工序中例如借助于机器臂来涂覆，由此可实现明显更小的节拍时间。另一方面同样存在串行地通过涂覆密封物质或者说液态密封件来模制密封元件的可能性，这可节省对于在喷注中必需的喷注型模的投资成本，这尤其在小批量生产中将是有利的。模制的密封元件相应地应由可热成型的弹性体(例如橡胶)或柔软的(因此在较小的机械应力下可弹性和/或塑性变形的)塑料构成。
附图说明
本发明允许大量的实施形式。为了进一步说明其基本原理，在附图中示出接下来所说明的实施形式。其中：
图1示出了冷却单元的爆炸图；
图2示出了冷却单元的纵剖面；
图3示出了冷却单元的多个视图；
图4示出了对冷却单元的俯视图。
附图标记清单：
1冷却单元
2功率构件
3基座箱
4前流部
5回流部
6盖体
7冷却开口
8中间板
9溢流开口
10固定元件
11密封元件
12密封面
13介质接口
14介质接口
15焊接连接。
具体实施方式
图1示出用于冷却布置在冷却单元1处的三个功率构件2的冷却单元1的爆炸图。冷却单元1在此具有带有前流部4和回流部5的基座箱3以及相对于基座箱3逐段覆盖地布置的盖体6。之所以说逐段覆盖，是因为在盖体6中对于各功率构件2成形有冷却开口7。冷却开口7在此用于将冷却剂直接输送至遮盖相应冷却开口7的功率构件2。此外，在基座箱3与盖体6之间布置有构造为板件的中间板8，其对于各冷却开口7具有两个溢流开口9和因此总共六个溢流开口9。此外对于每个冷却开口7，一溢流开口9与前流部4而一溢流开口9与回流部5可流经地相连接，由此在流动技术上并联中冷却剂可相应从前流部4转移到冷却剂开口7的区域中并且接下来到回流部5中并且将相应的功率构件2(其在此构造为功率模块)的废热导出。前流部4和回流部5在基座箱3中成形为袋，其中，前流部4和回流部5在冷却单元1和因此基座箱3的纵向上彼此相间隔地并排伸延。在此，前流部4和回流部5的净宽度以相反的方式变化，其中，相应的净宽度在前流部4的介质接口13和回流部5的介质接口14的区域中最大并且随着与相应的介质接口13、14的距离增大而减小。前流部4和回流部5因此彼此镜像地来构造。为了相对于盖体6密封中间板8以及相对于每个功率构件2密封盖体6，在冷却单元1中此外布置有密封元件11。此外，为了功率构件2在盖体6处的力配合和/或形状配合的连接，在冷却单元1的纵向上在功率结构元件2两侧各布置有以夹持块的形式的四个固定元件10，其在其方面经由螺栓来固定在盖体6处。
在图2中示出冷却单元1的纵剖面，其中，在基座箱3与中间板8以及中间板8与盖体6之间构造有密封的材料配合的连接。而在盖体6与相应的功率构件2之间构造有力配合和/或形状配合的连接，其中，其通过将功率构件2经由固定元件10布置在盖体6处来实现。在此，另外在盖体6的每个冷却开口7中在边缘侧布置有环绕地贴靠的密封元件11，其中，相应的密封元件11在冷却开口7两侧与盖体6以及功率构件2构造密封面12。
另外从图3可得出冷却单元1的多个视图，为了导出废热三个功率构件2经由固定元件10布置在冷却单元处。在此，冷却单元1再次具有由基座箱3、中间板8和盖体6构成的结构。
图4示出对冷却单元1的俯视图，其中，在冷却单元1处又布置有三个功率构件2。在此，然而在盖体6与功率构件2之间构造有以焊接连接15的形式的密封的材料配合的连接。

Claims (9)

1.一种用于从多个功率构件(2)导出废热的冷却单元(1)，其中，所述冷却单元(1)具有带有前流部(4)和回流部(5)的基座箱(3)以及相对于所述基座箱(3)逐段覆盖地布置的盖体(6)并且在所述盖体(6)中对于各功率构件(2)成形有冷却开口(7)用于将冷却剂直接输送至遮盖所述冷却开口(7)地布置在所述冷却单元(1)处的所述功率构件(2)，其特征在于，在基座箱(3)与盖体(6)之间布置有中间板(8)，其中，在所述中间板(8)中对于各冷却开口(7)构造有至少两个溢流开口(9)，其中的各至少一个溢流开口(9)与所述前流部(4)、与所述回流部(5)可流经地相连接。
2.根据权利要求1所述的冷却单元(1)，其特征在于，所述中间板(8)是展开的板件并且/或者所述板件无再加工地具有实现密封的表面品质。
3.根据权利要求1所述的冷却单元(1)，其特征在于，所述中间板(8)具有直到最高10微米的平均粗糙深度Rz。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的冷却单元(1)，其特征在于，相应在基座箱(3)与中间板(8)、中间板(8)与盖体(6)以及盖体(6)与功率构件(2)之间构造有连接并且所述连接中的至少一个是密封的材料配合的连接。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的冷却单元(1)，其特征在于，相应地在基座箱(3)与中间板(8)、中间板(8)与盖体(6)以及盖体(6)与功率构件(2)之间构造有连接并且所述连接中的至少一个是力配合的和/或形状配合的连接。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的冷却单元(1)，其特征在于，在功率构件(2)与盖体(6)之间的力配合的和/或形状配合的连接通过将所述功率构件(2)经由至少一个固定元件(10)布置在所述盖体(6)处来实现。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的冷却单元(1)，其特征在于，为了相对于中间板(8)密封基座箱(3)、相对于盖体(6)密封中间板(8)和/或相对于每个功率构件(2)密封盖体(6)布置有密封元件(11)。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的冷却单元(1)，其特征在于，在所述盖体(6)的每个冷却开口(7)中在边缘侧布置有环绕地贴靠的密封元件(11)，其中，所述密封元件(11)在所述冷却开口(7)两侧与盖体(6)以及功率构件(2)构造密封面(12)。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的冷却单元(1)，其特征在于，所有密封元件(11)中的至少一部分在喷注模中执行喷注方法的情况下并且/或者通过涂覆密封物质来模制。
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