CN118043962A - 用于冷却功率电子器件的冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于安放功率电子器件(101)的壳体(2)和在壳体(2)的冷却通道(6)中的带有多个肋片(9)的冷却肋片装置(7)，其中，所述冷却肋片装置(7)能沿着纵轴(30)用流体穿流，其中，所述冷却肋片装置(7)包括至少一个强冷却区域(20)和至少一个弱冷却区域(21)，所述至少一个强冷却区域具有针对流体的第一流动阻力，所述至少一个弱冷却区域具有针对流体的第二流动阻力，其中，第一流动阻力大于第二流动阻力。

Description

用于冷却功率电子器件的冷却器

技术领域

本发明涉及一种用于冷却功率电子器件的冷却器。此外，本发明还涉及一种装置，其包括冷却器连同功率电子器件。

背景技术

在功率电子器件中的功率半导体引导大电流。由此造成的导通损耗和开关损耗是在较小面积上排出的大的损耗热量功率的起因。最大允许的半导体温度在此是处于失效临界点的，因此重要的是最小化在半导体和冷却剂之间的热阻。为了有效冷却，将在此观察的功率电子器件应用于流体穿流的冷却器。冷却肋片装置通常处在这些冷却器中，流体流过这些冷却肋片装置。

发明内容

按本发明的冷却器尤其构造用于冷却功率电子器件。这种功率电子器件具有一个或多个功率半导体，功率半导体通常布置在基板中。冷却器包括壳体，壳体构造用于安放功率电子器件。壳体优选设计成板形，例如带有两块板，板在它们之间限定了一条冷却通道，该冷却通道能被冷却流体穿流。冷却通道形成了空腔。带有多个肋片的冷却肋片装置处在这个空腔中。冷却通道以及冷却肋片装置构造用于穿引冷却的流体。

尤其用在液态的聚集状态下的流体进行冷却。这样来构造冷却肋片装置，使得冷却肋片装置能沿纵轴用流体穿流。垂直于纵轴地并且因此也垂直于流动方向地限定一条横轴。垂直于横轴并且垂直于纵轴地限定一条竖轴。冷却肋片装置尤其在纵轴的方向上和横轴的方向上要比在竖轴的方向上延伸得远得多。功率电子器件沿着竖轴定位在冷却肋片装置上方或下方。功率电子器件的多个热源、特别是功率半导体的多个热源可以沿着纵轴并且部分也沿着横轴定位。在壳体的冷却通道内或者在冷却肋片装置内，沿着流动方向由于穿流的流体在冷却肋片装置处的阻力而产生了压力降。通过冷却肋片装置的传热系数越高，在正常情况下压力降也就越高。在冷却系统中，最大允许的压力降基于用于流体的泵而受到限制。因此也需要限制整个冷却器中的压力降，由此可能无法充分利用最大可能的传热系数。按本发明的冷却器具有的优点是，可以减小在冷却器中的压力降。这可以由此达到，即，冷却肋片装置包括至少一个强冷却区域和至少一个弱冷却区域，所述至少一个强冷却区域具有针对流体的第一流动阻力，所述至少一个弱冷却区域具有针对流体的第二流动阻力。冷却肋片装置在强冷却区域和弱冷却区域中被这样构造，使得第一流动阻力高于第二流动阻力。第一流动阻力特别优选比第二流动阻力高了至少10％。具有第二流动阻力的至少一个弱冷却区域可以在冷却器内有意地定位在一些不需要冷却或仅需要稍微冷却的部位处。强冷却区域尤其定位得尽量靠近功率半导体，弱冷却区域则宁愿定位在冷却肋片装置的边缘处和/或两个功率半导体之间。由此达到的是，仅在有意选择的、冷却所需的强冷却区域中用相应高的流动阻力对抗穿流的流体，所述流动阻力也导致了相应高的传热系数。在需要较少的冷却或不需要冷却的区域中，即在弱冷却区域中，流动阻力被尽可能降低，使得在总体上观察冷却肋片装置时产生了尽可能小的流动阻力或者与热量要求匹配的流动阻力。

从属权利要求示出了本发明的优选的扩展设计方案。

如所述的那样，壳体优选由两个板形成，所述板在它们之间限定了冷却通道。两个板特别是通过硬焊料层相互连接并且在此形成了用于容纳冷却肋片装置的冷却通道。流体的入口和出口优选导入到这条冷却通道中。

冷却肋片装置优选具有至少两个、进一步优选至少三个、特别优选至少四个所述的弱冷却区域。这些弱冷却区域可以设计成相同的或不同的。弱冷却区域沿着纵轴分布并且间隔开，使得在弱冷却区域之间优选有一个强冷却区域。除了这些沿着纵轴前后相继地布置的弱冷却区域外，一个或多个弱冷却区域也可以沿着横轴并排布置。

优选规定，弱冷却区域总体占据冷却肋片装置的第一面并且强冷却区域总体占据冷却肋片装置的第二面，其中，所述面分别定义在一个通过纵轴和横轴撑开的平面中。优选规定，第一面占冷却肋片装置的总面积的至少10％、特别是至少20％并且第二面同时占冷却肋片装置的总面积的至少10％、特别是至少20％。

在至少一个强冷却区域中，冷却肋片装置的肋片，横向于纵轴测量的话，优选要比在至少一个相邻的弱冷却区域中的肋片更为紧密。在两个肋片之间的平行于横轴测量的间距因此在强冷却区域中要比在弱冷却区域中更小，因此在强冷却区域中产生了比在弱冷却区域中更大的流动阻力。附加或备选可能的是，在至少一个弱冷却区域中根本没有构造任何肋片。

此外还优选规定，冷却肋片装置通过板材改型成湍流板材进行生产。这种湍流板材尤其具有多个片排。各个片排垂直于纵轴地沿着横轴延伸。各个片排具有多个肋片。片排尤其具有波形。通过这种波形将各两个相邻的肋片通过波形的波峰区段或波谷区段相互连接起来。波形或片排的波峰区段或波谷区段尤其基本上在一个由纵轴和横轴撑开的平面中延伸。

在湍流板材中，弱冷却区域中的至少一个弱冷却区域优选由切割出的自由空间形成。这个自由空间尤其被冲裁或者被另外切割。湍流板材尤其先在没有自由空间的情况下进行生产，并且在生产湍流板材之后在期望的部位处切割出自由空间。由此在自由空间处产生了没有肋片的区域，所述区域形成了在弱冷却区域中的尽可能小的流动阻力。

至少一个弱冷却区域可以用于流动的转向，例如以便用一个平行于横轴的方向分量对流动转向和/或以便将流体的流动聚焦到要更为强烈地冷却的区域上。为了达到这种流动转向，尤其规定，在湍流板材中的上述自由空间被逐渐变细地构造。自由空间尤其在流动方向的方向上逐渐变细，使得流体可以被有意地转向和导引。

冷却肋片装置的各个肋片优选至少在强冷却区域中以第一调整角相对纵轴调整。肋片尤其被这样调整，以便相对未调整的状态提高了流动阻力并且因此也提高了传热系数。

优选规定，肋片在强冷却区域中以一个调整角相对纵轴调整并且肋片在至少一个相邻的弱冷却区域中被较小地调整或甚至没有被调整，即平行于纵轴。

各个强冷却区域优选具有多个前后相继地排列的片排。片排如在湍流板材的范畴中所说明的那样，沿着横轴延伸并且沿着纵轴直接相互贴靠。在相邻的片排中的肋片以不同的调整方向朝着纵轴调整，使得一个排的肋片例如以10°并且下一排的肋片以-10°相对纵轴调整。通过这样相互地调整肋片，有意地提高了流动阻力，以便在强冷却区域中达到尽可能高的传热系数。

优选规定，在至少一个强冷却区域中肋片具有第一长度，并且在至少一个相邻的弱冷却区域中肋片具有第二长度。各个肋片的长度在此平行于纵轴测量。第二长度优选大于第一长度。在弱冷却区域中的肋片因此构造得要比在强冷却区域中的肋片更长并且优选构造成没有调整角。这结合各个片排的上述交替的调整方向尤其令人感兴趣，因为在弱冷却区域中的较长的肋片在不变换调整角的情况下形成了较长的区段并且因此提供了降低的流动阻力。

在此所说明的用于有意地改变在弱冷却区域中的和强冷却区域中的流动阻力的不同的设计方案，也可以在冷却肋片装置内相互组合。因此在冷却肋片装置中的一个弱冷却区域可以例如由切割出的自由空间形成并且在同一冷却肋片装置中的另一个弱冷却区域可以通过改变肋片的长度或者通过改变调整角达成。

本发明还包括一种装置。该装置又联合了所述的冷却器和带有至少一个功率半导体的相关的功率电子器件。如所述那样，功率电子器件在此布置在冷却器上。在功率半导体沿着竖轴到冷却肋片装置的平面上的想象的投影中，可以观察到弱冷却区域和强冷却区域相对功率半导体的定位。尤其规定，直接在功率半导体下方仅形成了强冷却区域并且弱冷却区域处在功率半导体之间。

附图说明

接下来参考附图详细说明本发明的实施例。

图1是带有按照一种实施例的按本发明的冷却器的按本发明的装置的示意性剖视图；

图2示出了按照所述实施例的按本发明的冷却器的示意性俯视图；

图3示出了按照所述实施例的按本发明的冷却器的冷却肋片装置的俯视图；

图4示出了图3的冷却肋片装置的第一细节视图；并且

图5示出了图3的冷却肋片装置的第二细节视图。

具体实施方式

接下来借助图1至5详细说明带有冷却器1的装置100。装置100按照图1中的示意性剖视图包括功率电子器件101，其安放在冷却器1上。功率电子器件101包括一个或多个功率半导体102，功率半导体在此被视为主要热源。

此外，图1还表明，冷却器1构造成板形，带有两个相互连接的并且平行布置的冷却板3、4(冷却板形成了壳体2)，冷却通道6处在冷却板之间。两个冷却板3、4通过焊料层5相互连接。

冷却肋片装置7处在冷却通道6中，该冷却肋片装置同样可以通过焊料层5与壳体2连接。

图2示出了冷却器1的俯视图。上冷却板3为清楚起见被隐去，从而可以看到下冷却板4和容纳于其中的冷却肋片装置7。

按照图1至5，在冷却器1处限定了纵轴30、横轴31和竖轴32。三条轴30、31和32分别垂直于彼此。

壳体2构造用于沿着流动方向34穿引冷却流体。平行于纵轴30延伸的流动方向34涉及到从流体的壳体侧的入口到壳体侧的出口的主流动方向。在冷却肋片装置7内，流体也可以用一个平行于横轴31的方向分量流动。

在所示的实施例中，冷却肋片装置7由改型后的板材形成并且也可以称为湍流板材。冷却肋片装置7由多个片排8组成。每个片排8沿着横轴31延伸。多个片排8直接彼此毗邻地前后相继沿着纵轴30布置。图4示出了在细节视图3中的这些片排8。各个片排8在此是波形的，其中，各两个相邻的肋片9通过波形的波峰区段或波谷区段10相互连接。在此，平行于横轴31地产生了在两个相邻的肋片9之间的间距11。各个肋片9平行于纵轴30地在第一长度12的范围上延伸。

图5中的细节视图表明，肋片9可以以一个调整角14相对纵轴30倾斜。

图2纯粹示意性地阐明了弱冷却区域21的定位和设计。冷却肋片装置7的这些弱冷却区域21被冷却肋片装置7的强冷却区域20包围。这些弱冷却区域31中的多个弱冷却区域沿着纵轴3，即沿着流动方向34以不同的形状和大小集成到冷却肋片装置7中。在弱冷却区域31中，用比在强冷却区域20中更小的流动阻力来对抗穿流的流体。由此产生如下结果，使得在强冷却区域20中实现了更高的传热系数。与此对应，优选强冷却区域20存在功率半导体102下方，弱冷却区域21则布置在功率半导体102之间。

图2示意性地阐明了两个三角形的弱冷却区域21，它们构造成沿着流动方向35逐渐变细，以便使流体被相应地转向或导引。

如普遍已经说明的那样，可以为了形成弱冷却区域21而在冷却肋片装置7中切割出一个自由空间。附加或备选地也可能的是，在弱冷却区域21中，肋片9的长度构造得要比在强冷却区域20中更长。图3例如示出了两个弱冷却区域21，它们在冷却肋片装置7的整个宽度(沿着横轴31)的范围上延伸。在按图3的这两个弱冷却区域21中，肋片9以第二长度13构造，该第二长度要比在三个强冷却区域20中的肋片9的第一长度12更长。

借助图4和5已经阐释了调整角14。这个调整角14可以优选在弱冷却区域21中小于或等于零，以便在弱冷却区域21中产生比在周围的强冷却区域20中更小的流动阻力。

Claims (10)

1.用于冷却功率电子器件(101)的冷却器(1)，包括

·用于安放所述功率电子器件(101)的壳体(2)，

·和在所述壳体(2)的冷却通道(6)中的冷却肋片装置(7)，所述冷却肋片装置带有多个肋片(9)，

·其中，能沿着纵轴(30)用流体穿流所述冷却肋片装置(7)，

·其中，所述冷却肋片装置(7)包括至少一个强冷却区域(20)和至少一个弱冷却区域(21)，所述至少一个强冷却区域具有针对流体的第一流动阻力，所述至少一个弱冷却区域具有针对流体的第二流动阻力，其中，所述第一流动阻力大于所述第二流动阻力。

2.根据权利要求1所述的冷却器，其中，所述冷却肋片装置(7)具有至少两个、优选至少三个、特别优选至少四个弱冷却区域(21)，所述弱冷却区域沿着所述纵轴分布并且间隔开。

3.根据前述权利要求中任一项所述的冷却器，其中，在至少一个强冷却区域(20)中，所述冷却肋片装置(7)的肋片(9)沿横向于所述纵轴(30)测量的话，要比在至少一个相邻的弱冷却区域(21)中的所述肋片(9)更为紧密。

4.根据前述权利要求中任一项所述的冷却器，其中，在至少一个弱冷却区域(21)中没有构造肋片(9)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的冷却器，其中，所述冷却肋片装置(7)通过板材改型成湍流板材进行生产并且至少一个弱冷却区域(21)是在所述湍流板材中的切割出的、特别是冲裁出的自由空间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的冷却器，其中，所述弱冷却区域(21)为了流动转向而构造成逐渐变细。

7.根据前述权利要求中任一项所述的冷却器，其中，在至少一个强冷却区域(20)中，所述肋片(9)以调整角相对所述纵轴调整并且所述肋片(9)在至少一个相邻的弱冷却区域(21)中被较小地调整、优选平行于所述纵轴(30)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的冷却器，其中，至少一个强冷却区域(20)包括多个片排(8)，所述片排分别横向于所述纵轴(30)延伸并且所述片排沿着所述纵轴(30)直接相互毗邻，其中，所述肋片(9)在相应的片排(8)中以同一调整方向朝着所述纵轴(30)调整，并且其中，两个相邻的片排(8)的所述肋片(9)彼此相反地调整。

9.根据前述权利要求中任一项所述的冷却器，其中，在至少一个强冷却区域(20)中，所述肋片(9)平行于所述纵轴(30)测量地具有第一长度(12)，并且在至少一个相邻的弱冷却区域(21)中所述肋片(9)平行于所述纵轴(30)测量地具有第二长度(13)，其中，所述第二长度(13)大于所述第一长度(12)。

10.装置(100)，包括根据前述权利要求中任一项所述的冷却器(1)和带有多个功率半导体(102)的功率电子器件(101)，所述功率半导体布置在壳体(2)上。