CN112997302A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电组件(2)的散热的冷却装置(1)，该冷却装置包括热管(3)和冷却体(4)，其中冷却体(4)具有在第一冷却体侧面(5)延伸的槽凹部(6)，该槽凹部至少部分地包围热管(3)，其中热管(3)的热管表面(7)在通过槽凹部(6)包围的区域中具有由第一纤维(9)构成的纤维结构(8)，并且其中热管(3)的热管表面(7)的第一纤维(9)在槽凹部(6)的区域中与冷却体(4)的冷却体表面(10)形成机械连接。

Description

冷却装置

技术领域

本发明涉及一种用于电组件的散热的冷却装置，其中该冷却装置包括热管和冷却体，并且冷却体具有在第一冷却体侧面处延伸的槽凹部，该槽凹部至少部分地包围热管。

背景技术

在驱动技术的电设备、例如变频器中，热管、例如热管道用于排放在运行时产生的损耗热，尤其用于排放在中间的和较高的功率范围中的功率电子装置的电组件中的损耗热，其中一个或者多个热管将在例如铝冷却体之中或铝冷却体处的损耗热从热源均匀地分配到冷却体的多个冷却部位并因此高效地排热。

建立热管与冷却体的机械稳定和高热效率的连接是昂贵且费时的过程。因此，配备有热管的冷却体的制造成本有时升高到没有热管的冷却体的制造成本的两倍。在许多电设备中，具有热管的冷却体的制造成本超过了规划的预算，这导致了冷却体尤其在期望的大功耗的情况下设计具有较大的体积。然而，缺点在于，必须在电设备中预设相应的较大的结构空间并且难以实现电设备的紧凑构造。

为了将热管装配在冷却体中，在冷却体的接触表面中引入热管，使得例如在冷却体中加工、也就是通常铣削出用于热管的凹槽，该凹槽反映相应的热管的形状和横截面。在热管被压力压入相应的冷却体凹槽中之前，导热的、主要用作为粘合物的材料以导热粘合剂的形式涂在冷却体凹槽上。在将热管压入冷却体的凹槽之后，烘干导热粘合剂，因此使这种导热的粘合连接时效硬化。随后，具有被挤压的热管的冷却体的表面通常会被再次精铣，以去除材料不平整部和剩余的导热粘合剂。

导热粘合剂的缺点(例如与由铜和/或铝构成的金属连接相比)是，导热粘合剂的导热性能基本更差，然而其例如比在挤压空腔中部分产生的被封闭的空气更好。通过导热粘合剂至少减少了热传递中的这种热屏障。

另一个关键的缺点是，在经常短暂的运行时间之后，在冷却体与热管之间引入的导热粘合剂能够结块或者变脆。冷却体的热阻因此在局部显著增大并且危害到电设备中被散热的电组件的运行或者损坏电组件以及甚至整个电设备。

发明内容

因此，本发明的基本目的在于，提供具有热管和冷却体的冷却装置，其机械/热的连接相对于现有技术获得改善。

该目的通过具有权利要求1中给出的特征的冷却装置以及根据权利要求13中给出的特征的具有该冷却装置的变流器来实现。

为了实现该目的，提出一种冷却装置，其为了电组件的散热而包括热管和冷却体，其中冷却体具有在第一冷却体侧面处延伸的槽凹部，该槽凹部至少部分地包围热管，其中热管的热管表面在通过槽凹部包围的区域中具有由第一纤维制成的纤维结构，并且其中，热管的热管表面的第一纤维在槽凹部的区域中与冷却体的冷却体表面形成机械连接。

通过有利地使用热管的纤维结构的第一纤维，该第一纤维尤其具有比如热管的材料，可以填充并且因此弥补通过挤压热管在冷却体的槽凹部中的通常在微观范围中存在的间隙。在挤压期间施加的压力通常导致的是，借助于金属的第一纤维使热管的热管表面与冷却体的金属的冷却体表面以材料配合的不能解除的或者至少能部分解除的连接相连。在此，第一纤维是热管的热管表面的组成部分。

因此，能够以有利的方式放弃用于在热管与冷却体之间建立机械/热的连接的导热粘合剂的使用，使得导热粘合剂的已知的结块和变脆情况不再对热管与冷却体之间的热连接的热阻值有负面影响，并且在此还能形成机械方面更稳定的金属连接。

模块化变流器的有利的实施方式在从属权利要求中给出。

在第一个有利的冷却装置的实施方式中，第一冷却体表面在槽凹部的区域中具有由第二纤维构成的另外的纤维结构，并且热管的热管表面的第一纤维在槽凹部的区域中与冷却体的冷却体表面的第二纤维形成机械连接。

纤维结构和另外的纤维结构分别借助于第一和第二纤维具有与刷毛相似的几何结构。通过将热管的热管表面的第一纤维与冷却体的冷却体表面的第二纤维相互卷绕或缠绕，可以使热管表面与冷却体表面以及热管与冷却体形成有利的机械和热的连接。这特别加强了热管与冷却体的材料配合的机械连接并且进一步改善了其热耦合。

第二纤维在适当存在的情况下是冷却体的冷却体表面的组成部分。

在另一个有利的冷却装置的实施方式中，布置在槽凹部的槽边缘处的第二纤维比布置在槽凹部的槽底部处的第二纤维更长。

该实施方式以有利的方式考虑到，当挤压具有冷却体的热管时，主要在槽底部的方向上施加其力作用。因此，在槽边缘处的较长的第二纤维和在该处布置的第一纤维的机械/热的连接至少在机械稳定性和热阻值方面是等值的，就像在槽底部处的较短的第二纤维与在该处布置的第一纤维的机械/热的连接一样。

在一个同样有利的冷却装置的实施方式中，第一冷却体表面在槽凹部的区域中具有粗糙的表面结构，并且热管的热管表面的第一纤维与在槽凹部的区域中的冷却体的冷却体表面的粗糙的表面结构形成机械连接。

热管的热管表面的第一纤维缠绕粗糙的表面结构或者楔入冷却体的冷却体表面的粗糙的表面结构之间，并且热管表面与冷却体表面以及热管与冷却体形成有利的机械和热的连接。

在另一个有利的冷却装置的实施方式中，热管的热管表面的第一纤维在槽凹部区域中穿过冷却体的冷却体表面。

热管的热管表面的第一纤维置入冷却体的冷却体表面中，使得第一纤维以有利的方式与冷却体表面形成特别是机械的材料配合的连接。第一纤维还能更深地置入到冷却体的基本结构中，这可以进一步改善热管与冷却体的机械以及热的连接。

在一个同样有利的冷却装置的实施方式中，纤维结构的第一纤维和在适当存在情况下的另外的纤维结构的第二纤维或粗糙的表面结构具有纳米级的或者微米级的结构。

根据纤维结构的第一纤维和在适当存在情况下的另外的纤维结构的第二纤维的纳米级或者微米级的结构，具有由于热管的挤压能够存在于冷却体中的、例如是空气杂质的挤压空腔能够以有利的方式利用纤维的金属材料颗粒化地被填满，使得与引入导热粘合剂相比尤其进一步改善了热管与冷却体的热连接的热阻。纳米级或微米级的结构被理解为仅在强烈放大的情况下人类的眼睛才能看到的在纳米级或者微米级的范围中的主体或者结构的尺寸。

在另一个有利的冷却装置的实施方式中，第一纤维具有倒钩，并且在适当存在情况下的第二纤维具有孔眼。

利用此倒钩，第一纤维与冷却体表面建立机械连接，该机械连接几乎不能被无破坏地分离。如果在冷却体表面上存在第二纤维，倒钩和孔眼形成改善的、更稳定的机械连接，倒钩钩在孔眼中。孔眼也被理解为第二纤维中的开口，在挤压在冷却体中的热管时，通过倒钩扎穿第二纤维来形成孔眼。具有倒钩和孔眼的纤维形成的连接也被称作粘扣连接。

在一个同样有利的冷却装置的实施方式中，通过材料覆层或通过材料切削形成第一纤维和在适当存在情况下的第二纤维。

如果第一纤维和在适当存在情况下的第二纤维通过材料覆层形成，那么纤维的材料便能够与热管或冷却体的材料有所不同。在此，冷却体表面的第二纤维的材料与冷却体的材料、也就是冷却体的基本结构的材料不同是有利的。为此，冷却体能够由铝或者铝合金构成，同时具有第二纤维的冷却体的表面例如由铜或者铜合金构成。如果随后热管的热管表面的第一纤维例如同样由铜构成，那么会形成具有特别好的热学方面的热传导能力的机械的材料配合的连接。

在另一个有利的冷却装置的实施方式中，热管的热管表面的第一纤维和在适当存在情况下的冷却体的冷却体表面的第二纤维由铜或者铜合金构成。

对于热管的热管表面的第一纤维与冷却体的冷却体表面以及在适当存在情况下的冷却体的冷却体表面的第二纤维的热连接，铜或者铜合金是特别合适的材料，因为与例如使用导热粘合剂的连接或者相对于例如由铝和铜构成的连接相比在这里可以有利地减小机械/热的连接的热阻。

在一个同样有利的冷却装置的实施方式中，热管的第一纤维的材料比冷却体的冷却体表面的材料在机械方面更硬。

因为第一纤维的材料以有利的方式比冷却体的冷却体表面的材料更硬，第一纤维强烈地置入冷却体表面，这可以提高机械连接的稳定性，尤其当第一纤维具有倒钩时。此外，第一纤维还能更好地在冷却体的基本结构中穿透冷却体表面。

在另一个有利的冷却装置的实施方式中，热管是热管道。

在冷却装置中将热管道用作为热管具有如下优点，即与重力驱动的热虹吸两相流相比热管道能够安装在水平和垂直的安装位置处。此外，用于排出电组件的较大功率级的热量的热管道的进货成本更少，因为热管道是批量生产的，其中能够提供同样价格低廉的冷却装置。

在一个同样有利的冷却装置的实施方式中，冷却体在背离第一冷却体侧面的第二冷却体侧面处具有冷却体肋片。

通过能够将电组件的损耗热有利地排到周围环境中的方式，在冷却体处的冷却体肋片与热管组合以支持电组件在运行时的散热。

此外，为了实现该目的而提出了一种变流器，该变流器用于运行在电网上的电机，该变流器具有根据本发明的冷却装置和电组件，其中，在冷却装置的热管的至少部分地被冷却体包围的区域中，电组件与冷却装置的冷却体机械连接。

在变流器运行时或者在电组件运行时，在其中产生的损耗热以有利的方式通过集成在冷却体中的热管被从电组件中导出并且从冷却体排放到周围环境中。

在一个有利的变流器的实施方式中，冷却体设计为变流器壳体或者变流器壳体的一部分。

在这里能够从空间的布局和扩展的角度以有利的方式布置用于变流器的冷却装置、也就是具有集成的热管的冷却体，其中使用存在的或必要的变流器的构造、也就是变流器壳体。

在另一个有利的变流器的实施方式中，电组件是功率半导体或者功率半导体模块。

因此，功率半导体模块能够具有多个功率半导体，在变流器或者功率半导体模块运行时通过冷却装置为功率半导体散热。

附图说明

结合实施例的以下描述，本发明的特性、特征和优点及其实现方式和方法变得更加明白易懂，实施例参考附图来详细阐述。附图示出：

图1示出了在金属体的表面上的金属纤维结构的示意图，

图2示出了具有纤维结构的第一纤维和另外的纤维结构的第二纤维的、根据本发明的冷却装置的第一截面示意图，

图3示出了具有纤维结构的第一纤维和另外的纤维结构的第二纤维的、根据本发明的冷却装置的第二截面示意图，

图4示出了具有冷却体的冷却体表面的粗糙的表面结构的、根据本发明的冷却装置的第三截面示意图，

图5示出了具有穿过冷却体的冷却体表面的第一纤维的、根据本发明的冷却装置的第四截面示意图，

图6示出了具有电组件与冷却装置的连接的、根据本发明的冷却装置的第五截面示意图，

图7示出了根据图6的根据本发明的冷却装置的俯视示意图，

图8示出了具有根据图2到图7的根据本发明的冷却装置的变流器的示意图。

具体实施方式

图1示意性地示出了在金属体23的表面24上的金属纤维结构26。在此，金属纤维结构26具有金属纤维25，金属纤维基本上垂直于金属体23的表面24。此外，图1的示意图被强烈地放大了，因为在这里金属纤维结构26的金属纤维25被设计为在纳米级和微米级的范围中。

所有下面描述的图2到图7的示意图都被强烈地放大了，并且图2到图7示出了特别在纳米级和微米级的范围中的冷却装置，该冷却装置具有与冷却体4机械连接/热连接的热管2。

图2示出了根据本发明的冷却装置的第一截面示意图，该冷却装置具有纤维结构8的第一纤维9和另外的纤维结构11的第二纤维12。

通过在热管3的热管表面7上的纤维结构8的第一纤维9和在冷却体4的冷却体表面10上的另外的纤维结构11的第二纤维12，冷却装置1的热管3与冷却装置1的冷却体4机械连接。在此，热管3被槽凹部6部分地包围，该槽凹部布置在冷却体4的第一冷却体侧面5处，其中，第一纤维9和第二纤维12布置在包围的区域中。机械连接基本上是材料配合的连接(在这里被强烈地放大示出)。热管3和冷却体4在冷却体4的第一冷却体侧面5处形成平坦的面。

此外，第一纤维9具有倒钩14并且第二纤维12具有孔眼15，其中第一纤维9的倒钩14与第二纤维12的孔眼15机械连接(这里仅在图2中示出)。该连接在机械方面非常稳定且能够被称作粘扣带连接。

图3示出了具有纤维结构8的第一纤维9和另外的纤维结构11的第二纤维12的、根据本发明的冷却装置的第二截面示意图。

通过在热管3的热管表面7上的纤维结构8的第一纤维9和在冷却体4的冷却体表面10上的另外的纤维结构11的第二纤维12，冷却装置1的热管3与冷却装置1的冷却体4机械连接。在此，该热管3被槽凹部6部分地包围，该槽凹部布置在冷却体4的第一冷却体侧面5上，其中，第一纤维9和第二纤维12布置在包围的区域中。机械连接基本上是材料配合的连接(在这里被强烈地放大示出)。热管3和冷却体4在第一冷却体侧面5上形成平坦的面。

在这里可以通过将在冷却体4中的热管3挤压到冷却体4的第一冷却体侧面5上来实现热管3和冷却体4的机械连接，其中在挤压过程中，其力作用主要施加在槽凹部6的槽底部22的方向上。

在图3中以热管3与冷却体4的高效的机械/热的连接的方式示出了挤压的结果，其中在槽凹部6的槽边缘21处的较长的第二纤维12与在该处布置的第一纤维9的连接至少在机械稳定性和热阻值方面是等值的，就像在槽凹部6的槽底部22处的较短的第二纤维12与在该处布置的第一纤维9的连接一样。

图4示出了具有冷却体4的冷却体表面10的粗糙的表面结构13的、根据本发明的冷却装置的第三截面示意图。

通过在热管3的热管表面7上的纤维结构8的第一纤维9和在冷却体4的冷却体表面10上的粗糙的表面结构13，冷却装置1的热管3与冷却装置1的冷却体4机械连接。在此，该热管3被槽凹部6部分地包围，该槽凹部布置在冷却体4的第一冷却体侧面5上，其中，第一纤维9和粗糙的表面结构13布置在包围的区域中。机械连接基本上是材料配合的连接(在这里被强烈地放大展示了)。热管3和冷却体4在第一冷却体侧面5上形成平坦的面。

热管3的热管表面7的第一纤维9具有倒钩14，该倒钩进一步改善了冷却体4的冷却体表面10的粗糙的表面结构13上的缠绕或包围。

图5示出了具有穿透冷却体4的冷却体表面10的第一纤维9的、根据本发明的冷却装置1的第四截面示意图。

通过在热管3的热管表面7上的纤维结构8的第一纤维9，冷却装置1的热管3与冷却装置1的冷却体4机械连接，其中第一纤维9穿过冷却体4的冷却体表面10。在此，热管3被槽凹部6部分地包围，该槽凹部布置在冷却体4的第一冷却体侧面5上，其中，第一纤维9布置在包围的区域中。机械连接基本上是材料配合的连接(在这里被强烈地放大展示了)。热管3和冷却体4在第一冷却体侧面5处形成平坦的面。

热管3的热管表面7的第一纤维9具有倒钩14，该倒钩至少钩在冷却体4的冷却体表面10处。图5还示出了第一纤维9更深地置入冷却体4的基本结构中并且第一纤维9钩在该处。

图6示出了具有电组件2与冷却装置1的连接的、根据本发明的冷却装置1的第五截面示意图。

通过在热管3的热管表面7上的纤维结构8的第一纤维9和在冷却体4的冷却体表面10上的另外的纤维结构11的第二纤维12，冷却装置1的热管3与冷却装置1的冷却体4机械连接。在此，热管3被槽凹部6部分地包围，该槽凹部布置在冷却体4的第一冷却体侧面5上，其中，第一纤维9和第二纤维12布置在包围的区域中。机械连接基本上是材料配合的连接(在这里被强烈地放大展示了)。热管3和冷却体4在第一冷却体侧面5处形成平坦的面。

电组件2通过热管3布置在第一冷却体侧面5的平坦的面上，从而在运行时能够通过热管3和冷却体4为电组件散热。

冷却体4具有在背离第一冷却体侧面5的第二冷却体侧面19处的冷却体肋片20。通过使冷却体肋片有利地将电组件2的损耗热排放到周围环境中的方式，冷却体4的冷却体肋片20与热管3结合共同支持电组件的在运行时的散热。

图7示出了根据图6的根据本发明的冷却装置1的俯视示意图。

然而图7没有引入在图6中示出的冷却体肋片，因为出于简明目的没有示出背离第一冷却体侧面5的第二冷却体侧面以及在第二冷却体侧面上布置的冷却体肋片。

图8示出了具有根据图2到图7的根据本发明的冷却装置1的变流器16的示意图。

在这里，变流器16以示例形式分别通过三相电流导线与电网18和电机17相连，其中，变流器16在运行时通常向电机17供应与转矩和转速相关的、来自电网18的电能。

电组件2布置在冷却体4处以及冷却装置1的集成在冷却体4中的热管3处。在运行时从电组件2中产生的损耗热随后能够通过热管3被引导至冷却体4的较冷的区域处，并且损耗热能够主要通过冷却体4被排至变流器16的内部或者外部的环境中。

Claims (15)

1.一种冷却装置(1)，用于电组件(2)的散热，所述冷却装置包括热管(3)和冷却体(4)，其中，

-所述冷却体(4)具有在第一冷却体侧面(5)处延伸的槽凹部(6)，所述槽凹部至少部分地包围所述热管(3)，

-所述热管(3)的热管表面(7)在通过所述槽凹部(6)包围的区域中具有由第一纤维(9)构成的纤维结构(8)，并且

-所述热管(3)的所述热管表面(7)的所述第一纤维(9)在所述槽凹部(6)的区域中与所述冷却体(4)的冷却体表面(10)形成机械连接。

2.根据权利要求1所述的冷却装置(1)，其中，第一冷却体表面(10)在所述槽凹部(6)的区域中具有由第二纤维(12)构成的另外的纤维结构(11)，并且所述热管(3)的所述热管表面(7)的所述第一纤维(9)在所述槽凹部(6)的区域中与所述冷却体(4)的所述冷却体表面(10)的所述第二纤维(12)形成机械连接。

3.根据权利要求2所述的冷却装置(1)，其中，布置在所述槽凹部(6)的槽边缘(21)处的第二纤维(12)比布置在所述槽凹部(6)的槽底部(22)处的第二纤维(12)更长。

4.根据权利要求1所述的冷却装置(1)，其中，第一冷却体表面(10)在所述槽凹部(6)的区域中具有粗糙的表面结构(13)，并且所述热管(3)的所述热管表面(7)的所述第一纤维(9)在所述槽凹部(6)的区域中与所述冷却体(4)的所述冷却体表面(10)的粗糙的所述表面结构(13)形成机械连接。

5.根据权利要求1所述的冷却装置(1)，其中，所述热管(3)的所述热管表面(7)的所述第一纤维(9)在所述槽凹部(6)的区域中穿过所述冷却体(4)的所述冷却体表面(10)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1)，其中，所述纤维结构的所述第一纤维(9)和在适当存在情况下的另外的纤维结构的第二纤维(12)或粗糙的表面结构(13)具有纳米级的或者微米级的结构。

7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1)，其中，所述第一纤维(9)具有倒钩(14)，并且在适当存在情况下的第二纤维(12)具有孔眼(15)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1)，其中，通过材料覆层或通过材料切削形成所述第一纤维(9)和在适当存在情况下的第二纤维(12)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1)，其中，所述热管(3)的所述热管表面(7)的所述第一纤维(9)和在适当存在情况下的所述冷却体(4)的所述冷却体表面(10)的第二纤维(12)由铜或者铜合金构成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1)，其中，所述热管(3)的所述第一纤维(9)的材料比所述冷却体(4)的所述冷却体表面(10)的材料在机械方面更硬。

11.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1)，其中，所述热管(3)是热管道。

12.根据前述权利要求中任一项所述的冷却装置(1)，其中，所述冷却体(4)在背离第一冷却体侧面(5)的第二冷却体侧面(19)处具有冷却体肋片(20)。

13.一种变流器(16)，用于运行在电网(18)上的电机(17)，所述变流器(16)具有根据权利要求1至12中任一项所述的冷却装置(1)和电组件(2)，其中，在所述冷却装置(1)的至少部分地被冷却体(4)包围的热管(3)的区域中，所述电组件(2)与所述冷却装置(1)的冷却体(4)机械连接。

14.根据权利要求13所述的变流器(16)，其中，所述冷却体(4)设计为变流器壳体或者变流器壳体的一部分。

15.根据权利要求13或14所述的变流器(16)，其中，所述电组件(2)是功率半导体或者功率半导体模块。

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