用于針對(duì)性地冷卻電子和/或電氣元件的冷卻裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于冷卻電子和/或電氣元件、特別是布置在電路板上的功率半導(dǎo)體的冷卻裝置，該裝置具有至少一個(gè)冷卻體，其具有布置在冷卻體的表面處的突起的散熱件，其中，冷卻體設(shè)置用于與電子和/或電氣元件熱耦合。
【背景技術(shù)】
[0002]電子和/或電氣元件、如其例如在工業(yè)變流器中或者在用于電動(dòng)或混合動(dòng)力車輛的變流器中的應(yīng)用那樣，通常設(shè)計(jì)用于在相應(yīng)的所期望的高功率密度時(shí)的高的電持續(xù)功率和峰值功率。在運(yùn)行中，這些電子和/或電氣元件引起了在大多數(shù)情況下不可忽略的電損耗，該電損耗大部分轉(zhuǎn)化為損耗熱。該損耗熱損害了電子和/或電氣元件的功能性和壽命，因此需要高效的散熱、即需要對(duì)損耗熱的盡可能低耗費(fèi)的但是有效的排熱。
[0003]由于不同的功能性的以及結(jié)構(gòu)上的要求，電子和/或電氣元件在大多數(shù)情況下以關(guān)于空間和面積的特殊布置來(lái)布置在電路板、功能上類似的電路載體或者特殊的載體件上。在此，電路載體能夠例如實(shí)施為PCB (Printed Circuit Board，印刷電路板)，又或者借助于DCB(Direct Copper Bonded，直接銅接合)技術(shù)來(lái)制造。出于簡(jiǎn)明的原因，下面對(duì)于本文采用同一的術(shù)語(yǔ):電路板。與電路板一起，電子和/或電氣元件與冷卻體至少熱耦合，并且通常也與其機(jī)械地連接。在已知的冷卻方案中，該冷卻體在大多數(shù)情況下在縱向或橫向方向上由冷卻介質(zhì)穿流或者環(huán)流。在大多數(shù)情況下，液態(tài)的冷卻介質(zhì)、然而作為替代的有氣體狀態(tài)的冷卻介質(zhì)，原則上適用于排出電子和/或電氣元件的損耗熱，其中，冷卻體是在冷卻方案中用于將損耗熱傳導(dǎo)到冷卻介質(zhì)處的重要的傳輸件。如果冷卻介質(zhì)流到冷卻體中和/或圍繞冷卻體流動(dòng)，那么其逐漸地變熱。如果現(xiàn)在更多的電子和/或電氣元件與冷卻體熱耦合，那么隨著冷卻介質(zhì)逐漸變熱、在相同的冷卻體溫度時(shí)，冷卻效率(ΔΤ下降)沿著冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向減小。反之，如果損耗功率、即待散熱的電子和/或電氣元件的損耗熱保持相同，那么隨著冷卻介質(zhì)的溫度上升(AT不變)，冷卻體的溫度就沿著流動(dòng)方向升高。
[0004]在冷卻介質(zhì)的流入口處的電子和/或電氣元件經(jīng)受很小的溫度負(fù)載。與此相對(duì)地，在冷卻介質(zhì)的流出口處的電子和/或電氣元件盡管有散熱、特別是在上面的區(qū)域中有散熱，但還在高溫下工作。該效應(yīng)被稱為“熱量堆疊(Thermal stacking) ”，這在下面被稱為熱串聯(lián)。不僅在冷卻介質(zhì)在縱向方向上傳流時(shí)，而且在橫向方向上穿流時(shí)，熱串聯(lián)的不期望的效應(yīng)在已知的冷卻方案中是能確定的。因此通常，對(duì)于待冷卻的電子和/或電氣元件的設(shè)計(jì)根據(jù)最熱的元件的參數(shù)來(lái)進(jìn)行。該最熱的元件通常是更近地與冷卻介質(zhì)的流出口熱耦合的電子和/或電氣元件。因此，這種電子和/或電氣元件的設(shè)計(jì)確定了整個(gè)電子或電氣系統(tǒng)的壽命和工作能力。然而充分散熱的電子和/或電氣元件能夠更多地運(yùn)行或者說(shuō)具有更長(zhǎng)的壽命。從電子或電氣系統(tǒng)的角度來(lái)看，這些元件通常對(duì)于其應(yīng)用而言是超規(guī)格的。現(xiàn)在需要的解決方案是，同時(shí)符合需要地并且因而根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)地同等地冷卻電子和/或電氣元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種冷卻裝置，其具有對(duì)電子和/或電氣元件的改進(jìn)的針對(duì)性冷卻。
[0006]該目的通過(guò)具有在權(quán)利要求1中給出的特征的冷卻裝置實(shí)現(xiàn)。
[0007]該目的還通過(guò)根據(jù)權(quán)利要求14所述的變流器以及根據(jù)權(quán)利要求15所述的電動(dòng)或混合動(dòng)力車輛來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0008]本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)，即當(dāng)冷卻介質(zhì)從該冷卻介質(zhì)被輸送給冷卻體開(kāi)始直到冷卻介質(zhì)從冷卻體排出為止借助于熱串聯(lián)從與冷卻體熱連接的電子和/或電氣元件處在流動(dòng)方向上吸收其損耗熱時(shí)，在冷卻體中和/或其上流動(dòng)的冷卻介質(zhì)逐漸變熱。反之，這導(dǎo)致了，在冷卻劑的流動(dòng)方向上分別以熱學(xué)順序依次與冷卻體連接的電子和/或電氣元件不能夠以與其之前的元件相同的強(qiáng)度被冷卻，并且因此可能沒(méi)有充分保證其經(jīng)常以相同程度所需要的在其總功率范圍上的散熱。
[0009]現(xiàn)在，提出了一種用于冷卻電子和/或電氣元件、特別是布置在電路板上的功率半導(dǎo)體的冷卻裝置，其具有至少一個(gè)冷卻體，該冷卻體具有布置在冷卻體的表面上的突起的散熱件，其中，該冷卻體設(shè)置用于與電子和/或電氣元件熱耦合。為了確保對(duì)于如此布置的電子和/或電氣元件的同時(shí)和同等的散熱并且盡可能地避免熱串聯(lián)，冷卻裝置具有至少一個(gè)冷卻介質(zhì)分布件，以用于將冷卻介質(zhì)針對(duì)性地空間分布到冷卻體的所定義的熱點(diǎn)處；以及具有冷卻裝置內(nèi)腔，該冷卻裝置內(nèi)腔由冷卻體和能與冷卻體連接的冷卻體池所包圍，并且該冷卻裝置內(nèi)腔至少包括冷卻體的突起的散熱件和冷卻介質(zhì)分布件。此外，冷卻裝置具有至少一個(gè)入口，以用于將冷卻介質(zhì)輸送到冷卻裝置內(nèi)腔中；以及至少一個(gè)出口，以用于將冷卻介質(zhì)從冷卻裝置內(nèi)腔排出。
[0010]與常規(guī)的冷卻裝置相比，所提供的能集成到復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)中的冷卻裝置具有決定性的優(yōu)點(diǎn)，特別是關(guān)于其用于使電子和/或電氣元件針對(duì)性地散熱的構(gòu)造可行性方面。冷卻介質(zhì)分布件實(shí)現(xiàn)了使電子和/或電氣元件有效且針對(duì)性地散熱的前提條件，其中，冷卻介質(zhì)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)化地并針對(duì)性地輸送到冷卻體的所定義的熱點(diǎn)處、優(yōu)選地輸送到突起的散熱件的所定義的熱點(diǎn)處，并且在吸收了損耗熱之后被再次結(jié)構(gòu)化地排出。現(xiàn)在，這種高效的散熱以很高的程度避免了由于熱串聯(lián)導(dǎo)致的熱量累積的不利效果，該熱串聯(lián)應(yīng)當(dāng)從相應(yīng)地布置在冷卻體上的電子和/或電氣元件出發(fā)并且經(jīng)由冷卻體通過(guò)冷卻介質(zhì)排出。所提供的解決方案減少了與冷卻體熱連接的電子和/或電氣元件的相互的熱學(xué)上的影響。在最優(yōu)地設(shè)計(jì)電子和/或電氣元件時(shí)，如其例如對(duì)于變流器中的B6電橋電路的功率半導(dǎo)體所實(shí)現(xiàn)的那樣，按照幾乎相同的預(yù)設(shè)值計(jì)算功率半導(dǎo)體中的每個(gè)單獨(dú)的功率半導(dǎo)體的參數(shù)。為所有這種功率半導(dǎo)體設(shè)定基本上功能類似的工作能力和類似的壽命。對(duì)于功率半導(dǎo)體的功率參數(shù)和/或?qū)τ谒褂玫睦鋮s裝置的參數(shù)的所設(shè)置的設(shè)計(jì)余量、如其在通常的解決方案中例如由于熱串聯(lián)的效應(yīng)而必須首要考慮的那樣，在本解決方案中基本上僅還有限地聯(lián)系到其對(duì)于相應(yīng)的應(yīng)用而言的負(fù)載極限。由此與迄今為止在大多數(shù)情況下因?yàn)殡娮雍?或電氣元件的以及與其熱連接的冷卻裝置的難以計(jì)算的應(yīng)用而明顯地超規(guī)格的成本相比，能夠明顯地減少成本。
[0011]本發(fā)明的有利的設(shè)計(jì)方案在從屬權(quán)利要求中給出。
[0012]在冷卻裝置的一個(gè)有利的設(shè)計(jì)方式中，布置在冷卻體的表面處的突起的散熱件構(gòu)造為特別是插針和/或冷卻體片，插針和冷卻體片具有幾何基體的形狀或者幾何基體的衍生形狀。通常也被稱為針翅(Pin-Fin)的插針在大多數(shù)情況下是冷卻體的從冷卻體的表面突出的、形成了容積的更多的壓制部，其中，該插針的設(shè)計(jì)、即幾何基體的形狀的選擇或者幾何基體的衍生形狀的選擇取決于結(jié)構(gòu)性的以及熱學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)選擇作為插針使用的幾何體的形狀以及其布置，突起的散熱件能夠極好地由冷卻介質(zhì)環(huán)流，并且因此將與冷卻體熱耦合的電子和/或電氣元件的損耗熱高效地輸出到冷卻介質(zhì)處。與插針相比，配備有冷卻體片的冷卻體還能夠成本更低地、即耗費(fèi)更少地制造。冷卻體片與插針一樣布置在冷卻體的表面上，其中，各個(gè)冷卻體片在大多數(shù)情況下采取矩形的幾何形狀，即有體積地采取長(zhǎng)方體的幾何形狀。冷卻體片如下地布置，以使得冷卻介質(zhì)能夠定向地在流動(dòng)方向上流動(dòng)。橫向于流動(dòng)方向，與插針相反，冷卻體片通常在整個(gè)面上不具有間隙。因