CN105514067B - 适于电子组件的液体冷却*** - Google Patents

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Abstract

适于电子组件(8)的液体冷却***(4)包括：交换器板(24)，其具有第一壁(28)和第二壁(32)，第一壁(28)适于与将被冷却的电子组件(8)至少部分地通过界面接触，而第二壁(32)布置成与冷却液体接触；多个散热器元件(40)，其与所述第二壁(32)相关联并在冷却流体影响下进行散热；其中所述散热器元件(40)根据规则的模式(44)成形，所述模式(44)平行于主延伸方向(X‑X)延伸且其包括多个环(48)，其中每个环(48)包括连续的曲线形部段(52)，其从第一附接端(56)以悬臂的方式延伸到第二附接端(60)，第一附接端(56)和第二附接端(60)固定到第二壁(32)。有利地，连续的曲线形部段(52)成形为使得第一平面(P1)和第二平面(P2)的迹线垂直于第二壁(32)分别通过所述第一端(56)和第二端(60)，连续的曲线形部段(52)至少部分地在所述垂直平面(P1，P2)之间限定的空间(S)外部延伸。

Description

适于电子组件的液体冷却***
技术领域
本发明涉及适于电子组件的液体冷却***。
背景技术
在下文中，将明确参照汽车领域中的应用而不失一般性；事实上，本发明可实施用于设有相关冷却***的任何类型的电子组件。
众所周知，对混合动力驱动的道路车辆的使用正在不断增加，其将传统的内燃发动机推进及相关驱动器与更加创新的电力推进及相关驱动器相结合。
电力驱动需要使用可逆型的旋转电机，其可通过吸收电力和产生驱动扭矩而作为电动机发挥功能，以及其可作为发电机发挥功能，即吸收机械能并产生电力。电机典型地是具有永久磁铁的三相同步型电机，机械地连接到或可连接到驱动轮，并电连接到包含电子功率转换器的电子控制单元。
电子功率转换器包括电子组件，其必须被充分冷却以避免包含在电子组件内的半导体材料过度过热，这将会导致快速劣化。
冷却***还必须用作恒温器以尽可能避免由于构成电子组件的金属材料和半导体之间的热膨胀系数不同而导致的快速和频繁的温度波动，以及以尽可能避免由于热应力而产生机械疲劳，这会产生电子组件的开裂和致命的断裂以及内部电连接的相关中断。
因此，为了电子组件的正确操作和耐久性的目的，有必要使得电子组件经受连续和有效的冷却，以便不仅避免由于上述原因导致的过热而且避免突然的温度变化。
发明内容
为了改善组件的冷却，例如已知实施用于控制电动汽车电机(electricautomotive machine)的电子功率转换器，其具有金属交换器板，所述金属交换器板设有第一壁和第二壁，第一壁布置成与电子组件本身接触，而第二壁平行于第一壁并相对于第一壁，以及布置成与冷却液体储槽接触，所述冷却液体诸如像例如水与单乙二醇或其它添加剂的溶液。
通常情况下，存在冷却液体储槽，其至少部分地由所述第二热交换器板壁界定，并适于由冷却液体的流经过。此外，浸入到冷却液体内的金属元件的迷宫结构或模式与第二壁相关联。所述金属元件通过传导以对应于(通过焊接)连接到该板本身的锚固点的方式传递交换器板的热量；此外，由冷却流体的流包围的金属元件增加与冷却流体接触的表面面积，并允许从板移除更多热量。
该解决方案涉及若干缺陷和限制。
事实上，由于通过所述金属迷宫结构获得的相当大的热交换表面而能够实现电子组件的有效冷却：以这种方式，尽管电子组件及其交换器板的尺寸减小，但仍有可能改善热交换。另一方面，迷宫结构的生产非常昂贵，因为它需要相当复杂和费力的机械加工；该机械加工因为初始加工和后续增量生产成本二者而具有较高的成本。
用于改善电子组件冷却的另外方法还包括增加传送至组件本身的冷却流体的流率，从而增加移除的热功率，其中组件部件的物理/结构参数相同。但是，在将被传送的流体的流率方面存在制约，这与非常小的可用空间以及适于流体本身的相关再循环泵的成本相关。
从FR 2681757 A1还已知替代上述迷宫结构的替代模式；该模式包括多个金属条带，其彼此相同，并根据规则的矩形、梯形或正弦曲线几何形状折叠，以便增加与冷却流体的热交换表面。
该文献教导将这种条带布置为彼此相等，在垂直于冷却液体流的方向上，并借助于使得金属条带相对于条带延伸的主方向(垂直于冷却流体流的方向)偏移而在冷却流体的通道内产生轻微的湍流。
这种轻微的偏移用于产生轻微的湍流，而不会影响由所述几何形状所限定的自由横向通道横截面。
此解决方案虽然比迷宫结构更经济，但在所有运行条件下和对于将被冷却的所有类型的电子组件而言并不能总是确保热量的高效移除。
换言之，该解决方案在冷却方面受限，因此在冷却大功率电子组件的情况下不能够确保有效的冷却，除非例如冷却流体流量被显著增加。然而，这种增加并不总是可能的，并且必然带来复杂性和成本方面的进一步问题。
因此，在本领域内需要提供一种适于电子组件的液体冷却***，其在确保热效率的同时，即使对于高功率的电子组件而言，还提供可靠性以及较低的生产和运行成本。
这一需要由根据权利要求1所述的冷却***来满足。
附图说明
从实施例的其优选和非限制性示例的以下描述将更加易于理解本发明的进一步的特征和优点，其中：
图1是电子功率转换器的示意图，其尤其适于控制电动汽车电机，并配备有根据本发明的液体冷却***；
图2是图1所示冷却***的交换器板的透视图；
图3是从图2的箭头III一侧所见的图2所示交换器板的俯视平面视图；
图4是从图2的箭头IV一侧所见的图2所示交换器板的侧视平面视图；
图5是从图2的箭头V一侧所见的图2所示交换器板的侧视平面视图；
图6示出图5的放大细节VI；
图7是根据本发明另一实施例的图2所示交换器板的侧视图；
图8示出图7的放大细节VIII；
图9示出根据本发明的散热器元件的进一步放大的细节。
在下面描述的实施例之间的共同的构件或构件的部分将用相同的附图标记指示。
具体实施方式
参照上述附图，附图标记4总体指示根据本发明的应用到至少一个电子组件8的液体冷却***的整体示意图。
对于本发明的保护范围的目的而言，冷却***所应用到其的电子组件的具体类型是不相关的；例如，但非排他性地，本发明可应用到适于汽车的电子组件，诸如用于控制电动汽车电机的电子功率转换器12。
在一般情况下，在任何情况下将被冷却的电子组件8可以具有任何类型、功率和尺寸。
例如，该电子功率转换器12包括容纳箱14，其优选由金属例如铝制成的，在其内部设置有用于控制可关联的电机(未示出)的至少一个电子组件8，诸如晶体管的电池。
例如，电子组件8在半导体材料构成的基板16上实现并安装到陶瓷材料构成的支撑件18上。
根据一个实施例，在半导体材料构成的基板16和陶瓷材料构成的支撑件18之间间置钎焊材料20以实现稳定和永久的连接。
液体冷却***4具有移除由电子组件8内部的耗散而产生的热量的功能。
适于电子组件的液体冷却***4包括交换器板24，例如为平行六面体形状的交换器板；通常，所述的交换器板24由铜制成并经镀镍以具有一薄层镍。
交换器板24包括第一壁28，其适于与将被冷却的电子组件8至少部分地通过界面接触；例如，第一壁28通过间置钎焊材料20而固定到电子组件8的陶瓷材料构成的支撑件18。
交换器板24还包括第二壁32，该第二壁例如与第一壁28相对，并布置成与冷却液体浴接触。
例如，作为冷却剂液体，可使用水与加入的单乙二醇或其它添加剂。
冷却***4也将设有冷却液体的输送和/或再循环泵(未示出)。
该冷却***还包括储槽36，其由容纳箱14界定，并连接到液压回路(未示出)，例如以便使得在储槽36内的冷却流体流进行循环。
储槽36具有开口侧，其由所述交换器板24封闭：换言之，储槽36位于交换器板24的第二壁32的一侧上以至于该第二壁32由冷却液包围。
所述冷却***包括多个散热器元件40，其与所述第二壁32相关联且在冷却流体影响下进行散热。
散热器元件40根据规则的模式或条带44成形，所述模式或条带44平行于主延伸方向X-X延伸且其每一个都包括多个环48。
每个环48包括连续的曲线形部段52，其从第一附接端56突出延伸到第二附接端60，第一附接端56和第二附接端60附接到第二壁32。
散热器元件40由热传导金属材料制成，诸如铜，且优选镀有镍。优选地，散热器元件40由与交换器板24相同的材料制成，因为它们必须传导和传递从交换器板本身所接收到的电子组件的热量。
环48的附接端56、60是环48到交换器板24的锚固点；所述锚固可优选通过焊接而获得，例如超声波焊接，但其也可使用热传导性粘合剂。
根据一个可能的实施例，相对于主延伸方向X-X连续的两个环48′、48″具有彼此重合的相应附接端60′、56″，使得第一环48′的第二附接端60′与连续的第二环48″的第一附接端56″重合。
根据进一步的实施例，两个相邻环48′、48″的附接端60′、56″通过与第二壁32接触的连接焊缝64连接。
连接焊缝64的一个目的是尽可能增加通过散热器元件40和交换器板24之间的传导进行的热交换。
根据一个可能的实施例，散热器元件40至少部分地由连续的导体带制成，其折叠成环的形式并在每个环48的第一附接端56和第二附接端60处附接到第二壁32，其中所述带具有四边形的横截面，优选具有倾斜的边缘或倒圆的边缘。
散热器元件40也可由连续的导体线材制成，其折叠成环的形式并在每个环48的第一附接端56和第二附接端60处附接到第二壁32，其中所述线材具有曲线形横截面，例如圆形或椭圆形横截面。
有利地，连续的曲线形部段52成形为使得第一平面P1和第二平面P2的迹线垂直于第二壁32并分别通过所述第一端56和第二端60，连续的曲线形部段52至少部分地在所述垂直平面P1、P2之间限定的空间S外部延伸。
优选地，环48被成形以便具有适于冷却流体通道的内腔，在垂直于第二壁32和平行于主延伸方向X-X的投影平面Z上测量，该内腔随着从第二壁32离开而增大。换言之，扣除可能的局部轻微限制，当一个环从交换器板24离开时环48在整体上趋于变宽，以提供冷却液体通道的更小阻力。
根据一个实施例，连续的曲线形部段52部分地在由所述两个垂直平面P1、P2所限定的空间S内延伸且部分地超出所述垂直平面P1、P2中的第一垂直平面。
显然，对于本发明的目的而言，第一平面P1的概念例如只是：所述平面可以是在附图中在左侧上或甚至在右侧上指示的平面；平面的位置完全是不相关的，这取决于环的观察侧。
根据一个实施例，每个环48被证实相对于所述第一垂直平面P1的一侧总体横向倾斜。
根据一个实施例，同一条带44的第一环48′和连续的第二环48″相对于相应的第一垂直平面P1′、P1″倾斜，以便使得第二环48″的连续曲线形部段52″与第一环48′的第二平面P2′相交。
例如，每个环48相对于正中平面M大致对称，所述正中平面M在第一平面P1的一侧上相对于所述第二壁32倾斜。
优选地，所述正中平面M与第二壁32成介于0至45度之间的角度α。
优选地，在主延伸方向X-X上相邻的两个环48′、48″在相应的第一垂直平面P1′、P1″的一侧上具有相同的倾斜度，所述倾斜度通过环48′、48″的相应正中平面M′、M″确定。
优选地，环48沿着平行于主延伸方向X-X的规则和重复的模式或条带44布置成行，其中两个相邻条带44′、44″具有环48，所述环48具有连续的曲线形部段52，其相对于垂直于主延伸方向X-X和平行于第二壁32的横向方向T错开或偏移。
优选地，两个相邻条带44′、44″具有环48，所述环48相对于相应的正中平面M基本上对称，其中所述相邻条带44′、44″的环48的正中平面M在相对两侧上相对于垂直于所述第二壁32和主延伸方向X-X的平面倾斜。
以这种方式，属于相邻条带44′、44″的环的连续的曲线形部段52形成相对于所述横向方向T的交点。
根据一个可能的实施例，相同行44的相邻环48′、48″的连续的曲线形部段52′、52″在第二壁32的相对侧上在接触点68处接触。这些接触点68增加通过相邻环48′、48″之间的传导进行的热交换。
还可设置成使得同一行或同一条带44的相邻环48′、48″的连续的曲线形部段52′、52″不接触，总是存在空隙或间隙72。
优选地，冷却***4包括适于冷却液体流的输送机(未示出)，其使得所述冷却液体流平行于第二壁和垂直于所述散热器元件的主延伸方向输送。
如从本说明书可以理解的那样，本发明允许克服现有技术中存在的缺陷。
事实上，散热器元件的几何布置允许对冷却液体通道具有显著的湍流，其增加热交换，因此增加电子组件的热量移除。
不像上述现有技术的教导，本发明教导对冷却流体通道创建多个、重复和叠加的障碍；事实上，实验已经证实如果一方面这些障碍构成对液体通道的制动，因此导致负载的不可忽略的损耗，另一方面热交换显著受益，所移除的热量比用现有技术的解决方案能够移除的热量要高得多。
实际上，交换器的叠加几何布置使得对于相同的体积和因而可用的整体尺寸而言具有交换器元件的更大密度，因此获得整体更大的热交换表面。
因此与具体参照FR 2681757A1的现有技术文献的教导相反，本发明教导对冷却流体通道创建重复和叠加的障碍，以便尽可能增加对流体通道的干扰，尽管存在负载损耗增加以及流本身的湍流。因此，已经证实交换器元件的密度越大，对于相同的体积而言，对冷却流体通道的越大阻力可以增强电子组件的热量移除，因此可以增强电子组件的热稳定(thermostatisation)。
具体地，由于本发明的交换器元件的几何形状，在第二壁处精确地形成更大的湍流：事实上，环的阻力部段在附接端处因此在第二壁处是最小的。此外，焊接焊缝增加热交换器与所述第二壁的交换表面并增强靠近第二壁的流体湍流。
整体上，所述冷却流体的湍流在第二壁处增加，其原因在于一方面它缩小流体的通道截面，另一方面，由连续环的附接端和连接焊缝产生的对流体通道的障碍或不连续的元件被集中。
实验测试表明，从热交换的角度出发，交换器元件的密度的增加(在相同的体积下)以及所形成的冷却流体湍流的增加超过对冷却流体通道的阻力的增加，以便提高冷却***的总体热交换效率。
此外，本发明的冷却***可简单且经济地制造，因为交换器元件(无论线材或条带)的弯曲可用简单和经济的机器来执行。因此，加工成本和增量生产成本低。
本发明的冷却***还特别轻，因为整体上它使用少量的导热材料(金属)，并相比于所填充空间提供较大百分比的空隙。
最后，本发明的冷却***具有相对于现有的复杂迷宫结构方案的较小液压阻力。
为了满足可能的和特殊的需要，本领域技术人员可对上述冷却***做出多种修改和变化，然而所有这些修改和变化都包含于由下面的权利要求所限定的本发明范围之内。

Claims (17)

1.适于电子组件(8)的液体冷却***(4)，包括：
-交换器板(24)，其具有第一壁(28)和第二壁(32)，第一壁(28)适于与将被冷却的电子组件(8)至少部分地通过界面接触，而第二壁(32)布置成与冷却液体接触；
-多个散热器元件(40)，其与所述第二壁(32)相关联并在冷却流体影响下进行散热；
-其中所述散热器元件(40)根据规则的模式(44)成形，所述模式(44)平行于主延伸方向(Ⅹ-Ⅹ)延伸且包括多个环(48)；
-每个环(48)包括连续的曲线形部段(52)，该曲线形部段从第一附接端(56)突出延伸到第二附接端(60)，第一附接端(56)和第二附接端(60)附接到第二壁(32)；
其特征在于：
连续的曲线形部段(52)成形为使得第一垂直平面(P1)和第二垂直平面(P2)的迹线垂直于第二壁(32)分别通过所述第一附接端(56)和第二附接端(60)，连续的曲线形部段(52)至少部分地在所述垂直平面(P1，P2)之间限定的空间(S)外部延伸；并且
环(48)沿着平行于主延伸方向(X-X)的规则和重复的模式或条带(44)布置成行，其中两个相邻条带(44'，44”)的环(48)的连续的曲线形部段(52)相对于垂直于主延伸方向(X-X)和平行于第二壁(32)的横向方向(T)错开或偏移。
2.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，环(48)被成形以便具有适于冷却流体通道的内腔，在垂直于第二壁(32)和平行于主延伸方向(X-X)的投影平面(Z)上测量，该内腔随着从第二壁(32)离开而增大。
3.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，连续的曲线形部段(52)部分地在由所述两个垂直平面(P1，P2)所限定的空间(S)内延伸且部分地超出所述垂直平面(P1，P2)中的第一垂直平面(P1)。
4.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，每个环(48)相对于所述第一垂直平面(P1)的一侧总体横向倾斜。
5.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，同一条带(44)的连续的第一环(48')和连续的第二环(48”)相对于相应的第一垂直平面(P1'，P1”)倾斜，以便使得第二环(48”)的连续曲线形部段(52”)与第一环(48')的第二垂直平面(P2')相交。
6.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，每个环(48)相对于正中平面(M)大致对称，所述正中平面(M)在第一垂直平面(P1)的一侧上相对于所述第二壁(32)倾斜。
7.根据权利要求6所述的冷却***(4)，其特征在于，所述正中平面(M)与第二壁(32)成介于0至45度之间的角度(α)。
8.根据权利要求6所述的冷却***(4)，其特征在于，在主延伸方向(X-X)上相邻的两个环(48'，48”)在相应的第一垂直平面(P1'，P1”)的一侧上具有相同的倾斜度，所述倾斜度通过环(48'，48”)的相应正中平面(M'，M”)确定。
9.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，在主延伸方向(X-X)上连续的两个环(48'，48”)具有彼此重合的相应附接端(60'，56”)，使得第一环(48')的第二附接端(60')与连续的第二环(48”)的第一附接端(56”)重合。
10.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，两个相邻环(48'，48”)的附接端(60'，56”)通过与第二壁(32)接触的连接焊缝(64)连接。
11.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，两个相邻条带(44'，44”)具有环(48)，所述环(48)相对于相应的正中平面(M)基本上对称，其中所述相邻条带(44'，44”)的环(48)的正中平面(M)在相对两侧上相对于垂直于所述第二壁(32)和主延伸方向(X-X)的平面倾斜。
12.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，相同行(44)中的相邻环(48'，48”)的连续的曲线形部段(52'，52”)在第二壁(32)的相对侧上在接触点(68)处接触。
13.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，冷却***(4)包括适于冷却液体流的输送机，所述冷却液体流平行于第二壁(32)和垂直于所述散热器元件(40)的主延伸方向(X-X)输送。
14.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，所述散热器元件(40)至少部分地由连续的导体带制成，该散热器元件折叠成环的形式并在每个环(48)的第一附接端(56)和第二附接端(60)处附接到第二壁(32)，其中所述带具有四边形的横截面。
15.根据权利要求1所述的冷却***(4)，其特征在于，所述散热器元件(40)至少部分地由连续的导体线材制成，该散热器元件折叠成环(48)的形式并在每个环(48)的第一附接端(56)和第二附接端(60)处附接到第二壁(32)，其中所述线材具有曲线形横截面。
16.被冷却的电子组件(8)，其与根据权利要求1所述的液体冷却***(4)的交换器板(24)相关联。
17.根据权利要求16所述的电子组件(8)，其特征在于，所述电子组件(8)是用于控制电动汽车电机的电子功率转换器。
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