冷却装置

技术领域

本发明涉及一种用于使构件冷却的冷却装置以及一种电子组件。

背景技术

功率电子器件中的功率半导体器件通常承载高电流，这会导致高的损耗热量。通常需要对这种功率半导体器件进行冷却，例如以避免由于过热造成的损坏。

例如可以采用液体冷却或空气冷却来进行冷却。此外，可以使用所谓的脉动热管结构作为冷却装置来用于冷却。其特别适合直接集成到现有部件中，目的是有效地将热量从热力学热点散发至热沉。在此，通常首先借助热传导从引入热量的位置扩散热量。构造为脉动热管的冷却装置包括冷却装置中的冷却通道，该冷却通道构造成蜿蜒形状的并且填充有工作介质，该工作介质同时以气态和液态形式存在于冷却通道中。在冷却装置中，热量在底部区域中传输至冷却通道处，使得工作介质在冷却通道中局部蒸发。这会产生压力梯度，该压力梯度将工作介质输送穿过冷却通道。在此，蒸气泡还游移到冷却通道的冷凝器部分中并在那里冷凝。由此，热量经由冷凝器的壁部并且例如也经由肋部排出到环境中。总的来说，在底部区域中引入到冷却装置中的热量分布到了整个冷却装置上。因此，构造为脉动热管的冷却装置用作散热设计元件。由现有技术已知蜿蜒形延伸的脉动热管。

发明内容

根据本发明，提出了一种用于使构件冷却的冷却装置。所述冷却装置包括构造在该冷却装置中的冷却通道，该冷却通道具有多个中间段和多个偏转段，其中，所述冷却通道填充有工作介质，所述工作介质同时以气态和液态形式存在于所述冷却通道中。此外，所述冷却装置包括：冷却装置的底部区域、其可以与待冷却的构件导热连接；冷却装置的偏转区域；以及底部区域和偏转区域之间的中间区域，其中，所述中间段分别自底部区域延伸至偏转区域，其中，所述偏转段分别在底部区域内部和偏转区域内部形成方向反转并且分别将两个中间段彼此连接。根据本发明，底部区域中的第一偏转段将两个第一中间段彼此连接，其中，在两个第一中间段之间布置了至少两个第二中间段，其中，这两个第二中间段在底部区域中借助第二偏转段彼此连接。

本发明的优点

与现有技术相比，所述冷却装置具有冷却通道的几何形状，通过该几何形状可以借助冷却通道实现多维散热。在此，热量不仅从冷却装置的贴靠待冷却构件的底部区域朝中间段和偏转区域(y方向)被运走，而且还沿着底部区域(x方向)运输热量。例如，平行于支承面地散热，待冷却的构件在冷却体的底部区域上贴靠在所述支承面上。在此，填充有工作介质的冷却通道不断交替地经过热区域和冷区域。这样，可以维持冷却通道中的压力梯度，该压力梯度驱动脉动热管并且对于将冷却体作为脉动热管进行运行来说是必要的。因此，热量可以有利地沿附加的空间方向(x方向)传导，不是像现有技术那样借助固体中的热传导，而是借助脉动热管传导。通过在所述冷却装置中借助脉动热管沿另一空间方向(x方向)散热，由此所述冷却装置的整体热阻降低，因为以非常小的温度差就可以在更大的路段上运输热量。在此，热量分布在大面积上，这使得能够在小温度差的情况下有利地方便地散热。

因此，在根据本发明的冷却装置中，用作脉动热管的冷却通道用于沿x方向散热。用作脉动热管的冷却通道随后沿y方向弯曲，从而既沿x方向也沿y方向散热。在此，全部的散热借助脉动热管而不是通过热传导进行的。这使得温度差非常小。

由于通过脉动热管改善了散热和热传导，在此通道壁部的材料仅起次要作用。因此还可以想到用导热性相对较差的材料、例如钢来实现相应的冷却装置。此外，所述冷却装置需要相对较少的原材料，因为沿x方向散热不需要实心的底板，而是通过冷却通道本身进行沿x方向的散热。因此，可以显著降低用于所述冷却装置的材料成本和所述冷却装置的重量。

根据本发明的冷却装置的另一优点在于，由于偏转区域中的偏转段而使所述冷却装置中的冷却通道的几何形状在整体上不对称。冷却通道的这种不对称的几何形状促进了冷却装置中脉动热管的启动。此外，一开始在限制在非常局部地方进行将热量引入冷却装置的冷却通道中，从而有利于脉动热管的工作介质中的高的压力梯度，并且由此可以实现脉动热管的更好的启动特性。

通过在从属权利要求中给出的特征实现本发明的进一步有利的设计方案和改进方案。

根据一种有利的实施例规定，第一中间段和第二中间段在共同的平面中延伸。

根据一种有利的实施例规定，第一偏转段和第二偏转段在共同的平面中延伸。

根据一种有利的实施例规定，第一偏转段具有第一中间区段，在第一中间区段中偏转段在两个第一偏转区段之间笔直地延伸，其中，第二偏转段具有第二中间区段，在第二中间区段中第二偏转段在两个第二偏转区段之间笔直地延伸。在笔直延伸的中间区段中，工作介质可以有利地沿底部区域在x方向上得到良好的引导。如果中间区段笔直延伸，则所述冷却装置可以在所述区域中具有用于待冷却的构件的平坦的支承面。所述冷却通道然后在中间区段中例如平行于平坦的贴靠面地延伸，从而可以从所述构件均匀地散热。

根据一种有利的实施例规定，第一中间区段平行于第二中间区域地延伸。因此通过所述冷却装置可以有利地实现良好且均匀的散热。

根据一种有利的实施例规定，所述至少一个冷却通道构造在弯曲的冷却元件中，尤其是构造在弯曲的管件中。因此，所述冷却装置可以有利地以简单的方式制造并且可以有利地构造得稳定。

根据一种有利的实施例规定，在冷却装置处在冷却装置的底部区域中构造平坦的支承面，所述构件可以贴靠该支承面。待冷却的构件的热量可以经由所述支承面传输至冷却元件并且传输至冷却元件中的工作介质。

根据一种有利的实施例规定，在两个第二中间段之间布置另外的由中间段组成的对，其分别借助底部区域中的另外的偏转段而彼此连接。由此实现了冷却通道的特别有利的几何形状，通过该几何形状，可以借助脉动热管沿底部区域(x方向)以及远离底部区域朝向偏转区域(y方向)传导热量。

根据一种有利的实施例规定，在冷却装置中构造有多个通道，这些通道彼此流体分隔并且彼此平行地延伸。通过多个平行延伸的通道可以进一步改进所述冷却装置，并且可以提供能从所述构件导走热量的更大的面积。

此外，本发明提供了一种包括所描述的冷却装置的电子组件。此外，所述电子组件包括待冷却的构件，该构件尤其是例如机动车的半导体构件。所述待冷却的构件与所述冷却装置的底部区域导热连接。所述冷却装置在此能特别有效且可靠地使构件冷却，以避免所述构件过热。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且将在下面的描述中更详细地解释。其中

图1示出了根据本发明的冷却装置的一种实施例的示意图；以及

图2示出了可以由其制造所述冷却装置的冷却元件的一种实施例。

具体实施方式

图1示出了具有冷却装置1的电子组件100的一种实施例。冷却装置1可用于冷却电子器件或所有类型的其他热点，例如用于冷却电动车辆中的功率电子器件、被动的电池冷却、冷却马达控制仪器、充电站或电动自行车中的驱动单元。

图1所示的电子组件100包括构件101以及冷却装置1，构件例如具有功率电子器件，例如半导体构件。冷却装置1在此构造用于使构件101冷却。为此，冷却装置1的底部区域2与构件101导热连接。构件101为此例如直接或间接地贴靠在冷却装置1的底部区域2上。为此，在冷却装置1处在底部区域2中例如构造平坦的支承面9，构件101贴靠在该平坦的支承面上。如果冷却通道1例如构造在弯曲的冷却元件8中，例如在弯曲的管件中，则弯曲的冷却元件8、例如弯曲的管件的外侧面可以被弄平，从而产生平坦的支承面9。

冷却装置1包括冷却通道5。冷却通道5优选地构造为管形。冷却通道5例如可以构造在弯曲的冷却元件8中，尤其是构造在弯曲的管件中。然而冷却通道5例如还可以在实心的金属件中延伸，例如以铣削到板中的冷却通道5的形式或者作为板件之间的冷却通道5。冷却通道5可以延伸穿过冷却装置1的多个部分，例如多个管件区段，这些管件区段例如通过硬钎焊连接而彼此连接。冷却通道5例如可以具有圆形、椭圆形或矩形的横截面。冷却通道5例如可以具有约0.5至2mm的直径。冷却装置1例如可以还包括多个冷却通道5。所述冷却通道例如可以彼此平行延伸并且例如彼此流体分隔。如果冷却装置1包括多个冷却通道1，则冷却装置1例如可以构造为弯曲的扁平管件，也称为多端口管件(Multiport-Tube)，其具有多个彼此平行延伸的冷却通道5。图2中示出了构造为扁平管件的这种冷却元件8的一种实施例。图2所示的冷却元件8例如可以根据图1所示的冷却通道5的走势来进行弯曲，并且然后形成冷却装置1的主体。

图1示出了冷却通道5的走势的一种实施例。冷却通道5包括多个中间段51和多个偏转段52。中间段51和偏转段52在此代表冷却通道5的区段。冷却装置1除了包括底部区域2之外还包括偏转区域3。此外，冷却装置1包括中间区域4，其布置在底部区域2和偏转区域3之间。冷却通道5的中间段51从底部区域2经由中间区域4延伸至偏转区域3。冷却通道5的每个偏转段52分别布置在冷却装置1的底部区域2中或者布置在冷却装置1的偏转区域3中。偏转段52分别在底部区域2内部和偏转区域3内部形成方向反转。偏转段52分别将两个中间段51彼此连接。如在图1中可以看出的那样，冷却通道5从冷却装置1的底部区域2延伸穿过中间区域4直到偏转区域3。中间段51分别从底部区域2延伸到偏转区域3，即穿过中间区域4。在此，所有中间段51构造为笔直的并且布置成彼此平行。中间段51全部布置在冷却装置1中的共同的平面中。偏转段52分别布置在偏转区域3内部的中间段51的端部处以及布置在底板2内部并且分别形成方向反转。在此，偏转段52分别将两个中间段51彼此连接。冷却通道5优选地构造为封闭的。为此，冷却通道5优选地具有连接区域58，其优选地位于偏转区域3内部并且形成冷却通道5的闭合回路。进一步优选地，冷却通道5具有在图中未示出的阀，以便例如能够排空冷却通道5并且对冷却通道5填充工作介质6。

如图1所示，冷却装置1包括多个由中间段51组成的对。一对中间段51中的两个中间段51分别通过冷却装置1的底部区域2中的偏转段52彼此连接。在该实施例中，冷却装置1包括六对中间段51以及位于冷却装置1的底部区域2中的相应的六个偏转段52。冷却装置1的底部区域2中的每个偏转段52将中间段51中的一对两个中间段51彼此连接。如图1所示，两个第一中间段51a形成由中间段51组成的第一对，其中，两个第一中间段51a通过冷却装置1的底部区域2中的第一偏转段52a彼此连接。此外，两个第二中间段51b形成由中间段51组成的第二对，其中，两个第二中间段51b通过冷却装置1的底部区域2中的第二偏转段52b彼此连接。此外，两个第三中间段51c形成由中间段51组成的第三对，其中，两个第三中间段51c通过冷却装置1的底部区域2中的第三偏转段52c彼此连接。此外，该实施例中的冷却装置1还包括由通过底部区域2中的第四偏转段52d彼此连接的两个第四中间段51d组成的第四对；由通过底部区域2中的第五偏转段52e彼此连接的两个第五中间段51e组成的第五对；以及由通过底部区域2中的第六偏转段52fd彼此连接的两个第六中间段51f组成的第六对。然而冷却装置1也可以包括更多对或更少对的中间段51。

中间段51沿y方向从冷却装置1的底部区域2延伸到冷却装置1的偏转区域3。因此，y方向从冷却装置1的底部区域2延伸到冷却装置1的偏转区域3。如果在冷却装置1上例如构造了支承面9，则y方向可以例如垂直于支承面9地延伸。y方向垂直于x方向。中间段51彼此平行延伸。中间段51布置成关于x方向彼此并排。中间段51在共同的平面上延伸。中间段51在其中延伸的共同的平面由x方向和y方向展开。如图1所示，偏转段52也在该共同的平面中延伸。

两个第二中间段51b布置在两个第一中间段51a之间。此外，在该实施例中，两个第三中间段51c布置在两个第二中间段51b之间。此外，如在本实施例中，两个第四中间段51d可以布置在两个第三中间段51c之间，两个第五中间段51e可以布置在两个第四中间段51d之间和/或两个第六中间段51f可以布置在两个第五中间段51e之间。

偏转段51中的每个偏转段在冷却装置1的底部区域2中分别具有一个中间区段56和两个偏转区段57。偏转段51的中间区段56在此在该偏转段51的偏转区段57之间延伸。偏转段51的中间区段56例如沿x方向延伸。偏转段51的中间区段56例如平行于冷却装置1的底部区域2的支承面9延伸。偏转段51的中间区段56在偏转段51的两个偏转区段57之间笔直延伸。冷却通道5在偏转段51的中间区段56处笔直延伸，例如沿x方向。在偏转段51的偏转区段57处，冷却通道5从y方向弯曲到x方向或者从x方向弯曲到y方向。如在图1中所示，该实施例中的偏转段51的中间区段56彼此平行延伸。例如，第一偏转段51a的第一中间区段56a平行于第二偏转段51b的第二中间区段56b延伸。在图1所示的实施例中，所有偏转段51的中间区段56彼此平行延伸。如果冷却通道5构造在形成为弯曲管件的冷却元件8中，则管件的在其中构造有冷却通道5的中间区段56的部分可以彼此平行地延伸和/或彼此贴靠。由此，有利地在冷却装置1的底部区域2中在各个偏转段51的中间区段56之间实现良好的热传导。通过在冷却装置1的底部区域2中延伸的中间区段56，实现沿x方向散热。

根据图1所示的冷却装置1的实施例的原理此外还可以应用于第三空间方向，即垂直于x方向并垂直于y方向的z方向。在这种情况下，冷却通道5的在图1中示出的在冷却装置1的底部区域2中沿x方向平行延伸的偏转段52例如将通过交叉沿x方向以及z方向延伸，从而实现在冷却装置1的底部区域2中沿x方向以及z方向散热。由此，可以主要通过作为脉动热管而运行的冷却通道5有利地沿所有三个空间方向进行散热。

在冷却通道5内有工作介质6，所述工作介质同时以液态状态和气态状态存在。工作介质6在冷却通道5中同时以气态和液态、换言之部分气态和部分液态地存在。这意味着工作介质6在冷却通道5中以两相形式存在。特别地，在此在冷却通道5内部同时存在气泡以及液体柱。优选地，在标称温度下，气泡以及液体柱占据类似大小的体积。特别优选地，工作介质6的气态份额在标称温度下占据冷却通道5的内部体积的30％至70％，剩余的内部体积由工作介质6的液态份额占据。根据冷却装置1的温度，在此体积比由于工作介质6的蒸发或凝结而发生改变。因此冷却装置1中的冷却通道5可以作为脉动热管运行。

当冷却装置1的底部区域2被构件101加热时，冷却通道5以及位于其中的工作介质6受到加热。通过蒸发、凝结、对流传热和热传导的结合，将热量通过冷却装置1的底部区域2带走并因此使半导体构件101冷却。工作介质6特别优选地具有大于最高运行温度的临界温度。工作介质6优选地具有至少233K、优选地至少273K、特别优选地至少373K、尤其是最大533K的临界温度。在此临界温度看作是物质处于临界点时的温度。由此确保了工作介质6可以在优选的运行范围内以两相形式存在于冷却通道5内，在所述运行范围中工作介质6特别处于222K至473K、特别是273K至373K的温度下。工作介质6优选为例如用于车辆空调系统中的有机制冷剂，例如尤其是2,3,3,3-四氟丙烯(也称为R1234yf)、R1233zd(E)等。所述工作介质6特别优选地具有最大273K、优选地最大233K、特别优选地最大213K的熔点。

当然，另外的实施例以及所示实施例的混合形式也是可行的。