CN113678247A - 用于均匀冷却构件的装置和具有至少一个装置的机动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于均匀冷却至少两个构件(10)的装置(100)，所述装置具有至少一个冷却模块(20)和至少两个与所述冷却模块(20)热连接的构件(10)，其中，所述至少一个冷却模块(20)具有用于导引冷却剂的冷却剂通道(30)，其中，所述冷却剂能通过冷却剂入口(31)导入所述冷却剂通道(30)中并且能通过冷却剂出口(32)从所述冷却剂通道(30)导出，其中，在所述冷却剂通道(30)中布置有至少两个冷却结构(40、41、42)，用于区域式设置在所述至少两个构件(10)和冷却剂之间的不同的热流。此外还涉及一种机动车(200)。

Description

用于均匀冷却构件的装置和具有至少一个装置的机动车

本发明涉及一种用于均匀冷却至少两个构件的装置，其具有至少一个冷却模块和至少两个与所述冷却模块热连接的构件，其中，所述至少一个冷却模块具有用于导引冷却剂的冷却剂通道，其中，所述冷却剂能通过冷却剂入口导入冷却剂通道中并且能通过冷却剂出口从所述冷却剂通道导出。此外本发明还涉及一种机动车。

用于处理大功率的电子构件，如功率半导体并且尤其是IGBT需要冷却器以排出多余的热量。通常，带有冷却鳍片或冷却棒的冷却器被布置在这种组件上。冷却器通常定位在冷却剂通道中并且冷却剂回路的冷却剂在其周围流动。

由文献DE 10 2012 107 684 A1已知用于结构元件的冷却体。冷却体具有形成在底板和盖板之间的流体通道用于导引冷却剂。在流体通道中布置有至少一个具有用于增大散热表面的肋片结构的涡轮机。涡轮机、底板和盖板借助电感钎焊工艺以表面覆盖的方式相互连接。

文献DE 101 02 621 A1示出一种具有载体的功率模块。载体的上侧面装配有电子组件。在载体的下侧面上布置有结构化的冷却体。

在使用多个产生热量并且必须被主动冷却的构件的情况中，均匀设置(或者说调节出)构件的运行温度通常是很难的。已知的冷却系统和冷却体只能冷却一个构件或者具有冷却剂温度梯度，其沿冷却剂流出的方向增大。尽管已知的冷却系统中，构件通过具有相同进口温度的并联的冷却剂流冷却，但这种冷却系统很复杂，需要多个冷却体并且具有对冷却剂的更大的流动阻力。

本发明要解决的技术问题是，实现一种用于有效和廉价地冷却多个构件的装置，其中，所述构件具有彼此之间的尽可能小的温差。上述技术问题通过权利要求1中给出的特征解决。本发明其他有利的设计方案在从属权利要求中说明。

按照本发明的一方面，提供一种用于均匀冷却至少两个构件的装置。所述装置具有至少一个冷却模块和至少两个与所述冷却模块热连接的构件。所述至少一个冷却模块具有用于导引冷却剂的冷却剂通道。所述冷却剂能通过冷却剂入口导入冷却剂通道中并且能通过冷却剂出口从所述冷却剂通道导出。根据本发明，至少两个冷却结构布置在冷却剂通道中，用于区域式设置(或者说调节出、产生)在所述至少两个构件和冷却剂之间的不同的热流。

所述至少两个冷却结构优选能固定布置在所述冷却剂通道中，使得所述至少两个冷却结构影响冷却模块在构件的区域中的导热能力。以此可以通过使用不同或类似的冷却结构单独和根据地点而不同地设置冷却模块排出的热流。

所述构件例如可以是在运行中产生焦耳热量的电气或者电子的构件、元件或者组件。所述至少两个构件尤其可以是功率半导体、所谓的功率单元(Powerunit)、LED、处理器和类似物。所述构件会产生相同或者不同的损耗功率或者说废热。

通过设计在冷却剂通道中的冷却结构，可以事先在位置方面可变地设置冷却效果和由此设置冷却模块可排出的热量。可排出的热量优选可以由导热能力定义。因此可以提供冷却模块，其具有一个或多个带有均匀或不均匀的导热能力分布的冷却面。因此，与冷却面热连接的构件可以根据冷却剂通道中的冷却剂温度分布和根据相应构件的热损失和其位置被均匀地冷却。该装置也可以类似于用于加热构件。

因此该装置可以有效地用于减少构件之间的温度梯度，以便提高构件的持久性和可靠性。

通过使用冷却剂通道中的冷却结构可以将冷却剂在冷却剂进口和冷却剂出口之间的压差最小化。此外，冷却剂通道和进而冷却模块也以此可以设计成扁平的和因此尤其节省空间的。

通过在冷却模块中使用不同设计的冷却结构可以增加冷却模块的冷却能力，其中，冷却模块可以是在技术上简单地构建的。例如冷却剂通道可以具有矩形的基本形状，冷却结构可以形状配合或材料配合地装入其中。以此可以避免冷却模块的耗费的或者说复杂的设计和制造。

这种冷却模块也可以具有内部的壁或者说导引装置，其实现冷却结构的串联和/或并联。以此甚至可以对每个构件设置多个冷却结构。尤其面积较大的构件会具有内部的温度梯度，这可以通过多个冷却结构补偿。此外，多个导流地相互串联的冷却结构可以在冷却剂通道内部与另外的冷却结构并联。

所述装置可以提供具有成本效益的和灵活的冷却方案，以在冷却剂的液力阻力较低的情况下，同时将热量从构件中均匀地排出。通过均匀地排出热量，构件可以冷却到基本相同的温度水平。在此，可以通过选择相应使用的冷却结构补偿构件的冷却要求、冷却剂通道中的压力损失、冷却剂通道中的冷却剂温度梯度等。

如果至少两个冷却结构设计成湍流结构、入流喷嘴、入流孔、入流面和/或散热体，则冷却模块的冷却面的导热能力分布可以特别灵活地设置。根据冷却结构的类型可以影响冷却剂通道的其中布置有冷却结构的区域中的冷却效率，并且以此设置可行的热流。通过相应冷却结构设置的热流可以基本上限制在冷却结构的尺寸上。因此不同的冷却结构可以彼此并排或相距较小的距离地布置，以控制冷却模块的导热能力分布。

根据另外的实施例，至少两个冷却结构布置在冷却剂通道的底部处、布置在冷却剂通道的顶部处、布置在冷却剂通道的底部和顶部之间的区域中和/或布置成在底部和顶部之间填塞冷却剂通道。以此可以在冷却结构的相应位置处额外控制冷却剂通道的导热能力。除了冷却结构的形状、类型和材料之外，还可以提供针对导热能力的另外的设置方案。

按照另外的实施方式，至少两个冷却结构为了设置不同大小的热流具有不同的几何形状、不同大小的结构密度和/或不同的尺寸。冷却结构例如可以具有影响冷却效率的尺寸。例如，密网眼式设计的湍流结构比疏网眼式的湍流结构能实现更有效的热传递。以此也可以设置结构密度，例如密网眼湍流结构情况下的结构密度比疏网眼的湍流结构情况下的结构密度更大。

此外，几何形状也可以定义冷却结构的类型。例如，湍流结构可以构造成斜坡、波浪结构、流动面等形式，并且以此对从构件到冷却剂中可能的热流具有不同影响。

如果设计为湍流结构的冷却结构具有至少两个波浪形的条带元件，则冷却结构可以在技术上特别简单地构建。条带元件优选具有交替布置的波峰和波谷。条带元件沿冷却剂的流动方向具有偏移量，其中，为了提升热流而减小条带元件之间的偏移量，增加条带元件的数量，减小波峰沿流动方向的尺寸和/或减小波谷沿流动方向的尺寸。以此可以特别精确设置在构造成湍流结构的冷却结构的区域中的导热能力。尤其地，不同成形和/或设计尺寸的湍流片结构可以用于构件的相同的散热。由于不同的冷却结构，所产生的热流可以补偿冷却剂可能的温度梯度和压力梯度并且以此导致构件的均匀冷却。

如果所述至少两个冷却结构为了区域式设置不同的热流而由不同的材料制成，则可以额外控制冷却模块的热流。优选的是，这种冷却结构是导热地与冷却模块的壁或者说冷却面连接的。冷却结构的材料以此可以额外用于设置导热能力，因为导热能力也由材料的选择决定。

根据另外的实施方式，所述至少两个冷却结构沿流动方向相互连接或者设计成一个冷却结构，其具有沿流动方向变化的热流分布。以此可以至少区域式利用多个冷却结构填塞冷却剂通道，这些冷却结构相互连接或材料配合地相互融合。

一体式相互连接的冷却结构可以特别简单地被安装。优选的是，这种冷却结构可以尺寸精确地装入冷却剂通道中。

如果所述至少两个构件相互远离地布置在冷却模块的顶部的背离冷却剂通道的一侧上，则冷却模块可以在技术上简单地构建。用于设置不同热流的至少两个冷却结构布置成在冷却剂通道中相互远离，其中，至少一个冷却结构分别在构件的区域中布置在冷却剂通道中。冷却剂通道的顶部以此可以例如用作冷却面并且以此确保冷却结构或者说冷却剂和构件之间的直接的热交换。

由于冷却剂通道中的温度通常随冷却剂的停留时间的增加而增加，所以如果通过所述至少两个冷却结构设置的热流向冷却剂出口的方向增加，则构件就可以特别均匀地被冷却。

根据本发明的另一方面，提供一种具有至少一个根据本发明的装置的机动车。优选的是，至少一个装置的冷却剂通道与车辆冷却剂回路导流地连接。

车辆以此可以具有一个或者多个装置，它们分别均匀冷却或者说在热学方面设置多个构件。所使用的构件以此可以在均匀的温度上运行，从而提高可靠性。尤其可以防止构件之间的温度梯度并以此防止构件的特性偏差，例如功率偏差。

下面根据附图进一步阐述本发明的实施例。其中：

图1示出按照实施方式的根据本发明的装置的示意图，

图2a和2b示出图1的装置的剖切示意图，

图3a、3b和3c示出剖切示意图以表明不同的冷却结构，

图4a和4b示出根据本发明的另外的实施方式的冷却模块的剖切示意图，

图5a和5b示出根据本发明的另外的实施方式的冷却模块的剖切示意图，

图6示出根据本发明的实施方式的机动车的示意图。

在附图中，相同的结构上的元件分别具有相同的附图标记。

图1示出按照实施方式的根据本发明的装置100的示意图。装置100设置用于均匀冷却多个构件。在此，装置100例如具有三个构件10，这些构件针对它们的运行在热学方面被调节。为此，构件10与冷却模块20能导热地连接。

构件10设计成相同的功率半导体。替选的是，构件10具有不同功率和/或不同的冷却需求。尤其地，构件10可以设计成所谓的动力模块，其具有多个功率半导体和另外的电子控制器件。根据该实施例，构件10材料配合地与冷却模块20连接。例如构件10可以通过导热的胶粘剂与冷却模块20连接。构件10布置在冷却模块20的顶部21上。

冷却模块20具有冷却剂通道30(图2a)，其用于导引冷却剂。冷却剂优选可以是液体，如水或水溶液。所述冷却剂通过冷却剂入口31引入冷却剂通道30中并且通过冷却剂出口32从所述冷却剂通道30导出。箭头示意性表示冷却剂的流动方向R。

根据该实施例，冷却模块20设计成矩形并且具有与顶部21相对的底部22和侧壁23、24、25、26。冷却模块20由此成形为箱形并在内部空间中形成冷却剂通道30。冷却模块20的顶部21设计成长条形，以便三个构件10在冷却模块20的顶部21上被并排布置。相对于较短的侧壁25、26，侧壁23、24以此同样设计成更长的。

在图2a和2b中示出图1的装置的剖切示意图。图2a示出第一剖视图，其中冷却剂通道30以俯视的形式表示。

冷却剂可以通过冷却剂入口31导入冷却剂通道30中。然后，冷却剂可以遵循冷却剂通道30。

三个冷却结构40、41、42布置在冷却剂通道30中。冷却结构40、41、42沿流动方向R在冷却剂通道30中分别居中地布置在一个构件10下方。冷却结构40、41、42以区域的方式改善了冷却模块20的冷却效果。

还示意性示出冷却剂的温度梯度。尤其冷却剂向冷却剂出口32的方向升温，冷却模块20的冷却效果以此向冷却剂出口32的方向降低。这种衰退的冷却效果可以通过相应设计的冷却结构40、41、42补偿。因此，第一冷却结构40具有在冷却结构40、41、42中最佳的冷却效果或冷却效率。第二冷却结构41具有更小的冷却效果，第三冷却结构42具有最差的冷却效果。冷却效果可以通过导热能力和/或在构件10与冷却剂之间的最大可实现的热流定义。

根据该实施例，冷却结构40、41、42相互之间和与冷却模块20的侧壁23、24、25、26都有间距。

图2b中示出图2a的截面A-A，其从侧面示出冷却剂通道30。与图2a相比，冷却剂通道30基本上被冷却结构40、41、42填满。

冷却结构40、41、42在流动方向R上彼此不具有间距。此外，冷却结构40、41、42具有与冷却剂通道30相同的高度H。在冷却剂入口31和冷却剂出口32的区域中，冷却剂通道30没有被冷却结构40、41、42填满。以此可以实现冷却结构40、41、42最佳的入流。与图1和图2a类似地，冷却剂串行地流经冷却结构40、41、42。

图3a、3b和3c示出剖切示意图以表明不同的示例性冷却结构40、41、42、43。冷却结构40、41、42、43设计成湍流结构。尤其在图3a、3b和3c中示出的冷却结构40、41、42具有波浪几何形状。冷却结构40、41、42的不同导热能力由不同的波浪几何形状和波浪密度实现。

设计成湍流结构的冷却结构40、41、42具有至少两个波浪形的条带元件44。条带元件44由波峰45和波谷46组成，它们沿流动方向R交替。条带元件44具有沿冷却剂的流动方向R的偏移量V1、V2、V3。为了增加可能的热流，条带元件44之间的偏移量V1、V2、V3逐渐变小，这增加了冷却剂的湍流。条带元件44是横向于流动方向R并排布置的。优选的是，条带元件44在区域式相互连接。

由于偏移量V1、V2、V3，相邻的波浪结构或条带元件44的侧向开口彼此尺寸不同。大的开口产生较低的导热能力，小的开口实现较高的导热能力。

图3a中示例性示出第一冷却结构40，其可以具有特别高的导热能力。图3b示出第二冷却结构41，其中设置了比第一冷却结构40更大的偏移量V2。图3c中示出具有最大偏移量V3的第三冷却结构42。

图3d示出另外的示例性的冷却结构43，其可用于设置热流。取代波浪结构的是，冷却结构43设计成多个斜坡的形式，所述斜坡可以使冷却剂向顶部21的方向偏转。所述斜坡可以沿流动方向R和横向于流动方向R相互间隔和/或相互具有偏移。

图4a和4b中示出根据本发明的另外的实施方式的冷却模块20的剖切示意图。图4a示出图4b的B-B横截面。与已经示出的实施例相比，为了冷却每个构件10分别配设有两个不同的冷却结构40、41。由此可以补偿构件内的温度梯度。冷却结构40、41通过壁50相互间隔。此外，相应构件10的冷却结构40、41同样由另外的壁51相互间隔。

壁50、51在冷却剂通道30中沿冷却剂通道30的整个高度H延伸并与长的侧壁23、24间隔开。通过使用壁50、51可以在技术上简单地实现冷却结构40、41的并联或者说并行入流。箭头表示冷却剂通过冷却剂通道30的流动方向R。

为了控制冷却剂的流动可以在壁51和侧壁24之间布置主动阀门或流动通道60。由此可以控制冷却剂的流速和从构件10到冷却剂中的热流。

图5a和5b示出根据本发明的另外的实施方式的冷却模块20的剖切示意图。图5a示出图5b的C-C横截面。与已示出的实施例不同，冷却剂通道30具有两个平面E1、E2。平面E1和E2通过中间壁70构成，中间壁70沿整个冷却剂通道30平行于顶部21延伸。在第一平面E1中进行冷却剂的入流或者说导入。然后，冷却剂可以通过入流孔47、48、49到达第二层E2中。入流孔47、48、49也可以设计成喷嘴。通过入流孔47、48、49，冷却剂可以直接喷到构件10下方的顶部21上，以此影响局部冷却效果。

根据在中间壁70中设置的入流孔47、48、49的尺寸或者说直径D1、D2、D3可以设置冷却剂的流量和冷却效果。根据该实施例，每个冷却结构分别配设有六个入流孔47、48、49。三个入流孔47、48、49分别串联地被入流，其中，对于每个冷却结构，冷却剂并行地流过分别具有三个入流孔47、48、49的两个组。

入流孔47、48、49具有不同的直径D1、D2、D3。第一入流孔47具有最大的直径D1并且因此具有最好的冷却效果。第二入流孔48具有更小的直径D2。第三入流孔49分别具有最小的直径D3并且因此具有最小的冷却效果。

冷却剂的流动通过在第一平面E1上的冷却剂入口31进行。冷却剂水平地沿第一平面E1分布并通过入流孔47、48、49垂直逸出到第二平面E2中。在从入流孔47、48、49逸出时，冷却剂可以指向顶部21。由于存在壁50、51，冷却剂然后可以侧向地或者说沿侧壁23、24的方向逸出并通过冷却剂出口32从冷却模块20逸出。

图6示出根据本发明的实施方式的机动车200的示意图。机动车200例如是电驱动的车辆或混合动力车辆。为了驱动电驱动装置，机动车200具有电子控制装置，其具有多个构件10，构件10以装置100的形式定位在车辆200中。为了冷却构件10提供冷却剂通道30在机动车200的冷却剂回路210上的连接。

附图标记列表：

10 构件

20 冷却模块

21 冷却模块的顶部

22 冷却模块的底部

23 冷却模块的长的第一侧壁

24 冷却模块的长的第二侧壁

25 冷却模块的短的第一侧壁

26 冷却模块的短的第二侧壁

30 冷却剂通道

31 冷却剂入口

32 冷却剂出口

40 第一冷却结构

41 第二冷却结构

42 第三冷却结构

43 第四冷却结构

44 条带结构

45 条带结构的波峰

46 条带结构的波谷

47 较大的入流孔/冷却结构

48 中间大小的入流孔/冷却结构

49 较小的入流孔/冷却结构

50 冷却通道中的壁

51 冷却通道中的壁

60 阀门/流动通道

70 中间壁

100 装置

200 机动车

210 机动车的冷却回路

D1 第一直径

D2 第二直径

D3 第三直径

E1 冷却剂通道的第一平面

E2 冷却剂通道的第二平面

H 冷却结构/冷却剂通道的高度

R 流动方向

V1 条带元件的第一偏移量

V2 条带元件的第二偏移量

V3 条带元件的第三偏移量

Claims (10)

1.一种用于均匀冷却至少两个构件(10)的装置(100)，所述装置具有至少一个冷却模块(20)和至少两个与所述冷却模块(20)热连接的构件(10)，其中，所述至少一个冷却模块(20)具有用于导引冷却剂的冷却剂通道(30)，其中，所述冷却剂能通过冷却剂入口(31)导入所述冷却剂通道(30)中并且能通过冷却剂出口(32)从所述冷却剂通道(30)导出，其特征在于，在冷却剂通道(30)中布置有至少两个冷却结构(40、41、42)用于区域式设置在所述至少两个构件(10)和冷却剂之间的不同的热流。

2.按照权利要求1所述的装置，其中，所述至少两个冷却结构设计成湍流结构(40、41、42)、入流孔(47、48、49)和/或散热体。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其中，所述至少两个冷却结构(40、41、42)布置在所述冷却剂通道(30)的底部(22)处、布置在所述冷却剂通道(30)的顶部(21)处、布置在所述冷却剂通道(30)的底部(22)和顶部(21)之间的区域中和/或布置成在底部(22)和顶部(21)之间填塞冷却剂通道(30)。

4.按照权利要求1至3之一所述的装置，其中，所述至少两个冷却结构(40、41、42)为了设置不同大小的热流具有不同的几何形状、不同大小的结构密度和/或不同的尺寸。

5.按照权利要求1至4之一所述的装置，其中，设计为湍流结构的冷却结构(40、41、42)具有至少两个波浪形的条带元件(44)，其中，所述条带元件(44)具有波峰(45)和波谷(46)，其中，所述条带元件(44)沿冷却剂的流动方向(R)具有偏移量(V1、V2、V3)，其中，为了提升热流而减小所述条带元件(44)之间的偏移量(V1、V2、V3)、增加所述条带元件(44)的数量、减小所述波峰(45)沿流动方向(R)的尺寸和/或减小所述波谷(46)沿流动方向(R)的尺寸。

6.按照权利要求1至5之一所述的装置，其中，所述至少两个冷却结构(40、41、42)为了区域式设置不同的热流而由不同的材料制成。

7.按照权利要求1至6之一所述的装置，其中，所述至少两个冷却结构(40、41、42)沿流动方向(R)相互连接或者设计成一个具有沿流动方向(R)变化的热流分布的冷却结构。

8.按照权利要求1至6之一所述的装置，其中，所述至少两个构件(10)相互远离地布置在所述冷却模块(20)的顶部(21)的背离冷却剂通道(30)的一侧上，其中，所述至少两个冷却结构(40、41、42)为了设置不同的热流而相互远离地布置在所述冷却剂通道(30)中，其中，至少一个冷却结构(40、41、42)分别在构件(10)的区域中布置在所述冷却剂通道(30)中。

9.按照权利要求1至8之一所述的装置，其中，通过所述至少两个冷却结构(40、41、42)设置的热流向所述冷却剂出口(32)的方向增大。

10.一种机动车(200)，其具有至少一个按照上述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述至少一个装置(100)的冷却剂通道(30)导流地与车辆冷却剂回路(210)连接。

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