CN109643695B - 导热绝缘体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种导热绝缘体(1)。为了提高其导热性能而提出，导热绝缘体(1)配备有第一部分(10)和第二部分(20)，其中第一部分具有布置在第一部分(10)的至少一个表面上的第一翅片(11)，第二部分具有布置在第二部分(20)的至少一个表面上的第二翅片(21)。在此，第一翅片(11)和第二翅片(21)布置为啮合到彼此中，其中在第一部分(10)与第二部分(20)之间，至少在翅片(11、21)的区域中具有绝缘层(30)。本发明还涉及一种冷却装置(2)，其具有至少一个这种导热绝缘体，其中第一部分(10)与热源(41)连接，并且第二部分(20)与散热器(42)连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种导热绝缘体。此外，本发明涉及一种冷却装置，其具有至少一个这种导热绝缘体。
背景技术
在电导体和电部件中(特别是在功率半导体处)以及在它们的接触点处，电能处于损耗传导状态并因此被转换成热量。该热量必须被排散，以防止导体或部件过热或产生不允许的高温。
如果待散热的导体(例如汇流排)和可用的散热器(例如冷却器)的电位不同并且二者都能导电，则绝缘体必须实现充分的电绝缘。此外，良好的导热能力也有助于良好的散热。
然而，在这方面几乎没有材料既具有良好的电绝缘性能也具有相同程度的良好导热能力。在这个领域中表现突出的是陶瓷，然而由于陶瓷的脆性，它们通常不易使用。对此更适合的是塑料，然而，塑料通常具有比较差的导热能力。
除了散热之外，几乎所有机械部件都必须被机械地固定在支撑结构上，因此它们能够承受力而不会有被损坏的危险。
目前，电势不同的电部件因此通常经由导热较差的部件平坦地相连。
如果需要大幅度冷却，则通常采用对流式流体散热，例如借助空气或水来实现。
发明内容
本发明的目的是，在绝缘体的导热性能方面对绝缘体进行改进。
该目的通过一种导热绝缘体实现，其具有第一部分和第二部分，第一部分具有布置在第一部分的至少一个表面上的第一翅片，第二部分具有布置在第二部分的至少一个表面上的第二翅片，其中第一翅片和第二翅片布置为啮合到彼此中，其中，在第一部分与第二部分之间，至少在翅片的区域中布置绝缘层。此外，该目的通过一种冷却装置来实现，其具有至少一个这种导热绝缘体，其中第一部分与热源连接并且第二部分与散热器连接。
本发明基于以下认知，导热能力以如下方式被显著改善：用于电绝缘的绝缘层延伸经过一大面积并且热传递被分散到该面积上。在几何学上，绝缘体有利地设计成，使得绝缘体的第一部分和第二部分利用它们的翅片彼此交织。由此可以使用比平坦接触明显更大的表面积来进行热传递。此外，在形状配合连接或材料配合连接的情况下，与使用更小面积的情况相比，在绝缘体中实现显著更大的机械强度。
啮合在彼此之中的第一和第二部分的交织(即梳状设计)可以通过直线排列的翅片来实现。可替代地或在一部分上，也能有其他几何形状，例如同心圆等。后者会导致不同的机械负载能力。
通过将翅片以不同深度***彼此之中，可以由相同的基本组件产生不同的绝缘体长度。这不仅能够在浇铸的情况下实现，也能够在将第一部分和第二部分彼此注入的情况下实现。
已经证明，将电功能部件布置在第一部分与第二部分之间是特别有利的。例如对于电容器、电阻或温度传感器来说，电功能部件在导电组件之间的这种集成能够利用光学或无线电耦联来实现。因此可以实现特别紧凑的结构。同时，这些功能部件提高了第一部分与第二部分之间的导热能力，因此在扩展绝缘体功能的同时改进了绝缘体的导热性能。
该结构具有多种优点。仅通过一个部件就同时实现了不同的功能，如热传递、机械固定、减振、公差补偿。与平坦连接的情况相比，热传递明显更高。同样，机械强度更高。通过绝缘体的造型，能够实现绝缘层中的导热能力不良的绝缘材料薄层，且此时可以施加高电压。
由于绝缘体的组件已经稳固地彼此连接，因此不再需要额外的绝缘部件以用于固定。绝缘体本身可以实施为鲁棒的。在装配期间也不存在断裂风险，这种断裂风险例如存在于中间***有陶瓷绝缘薄板的情况下。此外，优点还在于借助导热绝缘体能够固定组件。这对于冷却装置的组件的固定来说是特别有利的。
与流体冷却相比，又确保了机械保持功能。由于表面积很大，也可以使用柔软的绝缘材料。
在使用冷却装置以用于汇流排冷却的情况下，在相同的汇流排横截面处可以实现明显更高的电流。这显著节省了空间、材料和成本。因此，能够实现更高的功率密度，尤其是在水冷设备中。
在本发明的有利设计方案中，第一部分和/或第二部分由金属制成。已经证明，诸如铜或铝的金属适于制造具有高导热能力的冷却器。因此，已经证明使用金属来制造第一部分和/或第二部分是有利的。因此，第一部分和/或第二部分分别由金属制成。此时，仅通过绝缘层实现绝缘特性。
在此，可以将不同的材料用于导电部件，即用于第一部分和第二部分，以便还改进绝缘体的成本效益比。已经证明，对设置用于连接热源的侧面来说，使用铜是特别有利的，以确保良好的热传输。例如在铣削加工时导致大的材料损耗的第二部分可以由铝制成。在这种情况下，通过利用绝缘材料的分离，可靠地阻止形成可能导致腐蚀的电化学元素。
在使用能导电的材料时，第一和第二部分的导电组件在第一部分和第二部分中相对于彼此有限定的间距，以维持所需的绝缘间隙。最小间距取决于要绝缘的电压和绝缘层的绝缘材料。
绝缘体的各个组件以形状配合、力传递或材料配合的方式彼此连接，以提供所需的机械保持功能。例如，通过组分(诸如绝缘材料、额外的焊料或额外的粘合剂)的硬化或者注入复合物可以建立连接。
在本发明的另一有利设计方案中，第一翅片和/或第二翅片分别包括另外的翅片。这些另外的翅片的优点是，进一步增加在第一部分与第二部分之间用于热传递的表面积。通过为翅片配备另外的翅片，产生所谓的松树轮廓(Tannenbaumprofil)，松树轮廓具有部分显著扩大的表面积。这改善了热性能而电性能不变差。
除了有利的表面积扩大之外，还为了提高粘附性，诸如销等的***物也可以作为连接件置于组件之间。
为了进一步增加各个组分相对彼此的粘附性或简单地扩大表面积，可以例如通过刻蚀、喷砂、刷涂、压花或发泡使得组件的表面结构化。然后，第一翅片的表面和/或第二翅片的表面至少在部分区域中具有结构化部。
除了绝缘体的第一部分与第二部分之间的表面结构化部之外，还可以对绝缘体的朝向热源或散热器的表面进行结构化，以进一步改进热源或散热器与绝缘体之间的热传递。为此，在该表面上可以设置梯形、三角形或圆形的翅片。此时，热源或散热器具有相应的对应表面。由此，相比于平面(即平坦)连接的情况，增加了在热源或散热器与绝缘体之间的接触表面。由此，可以传递更多的热量和更大的机械力。
能导电的部分之间的空间填充有绝缘层。为此目的，例如可以使用塑料插件(成型件)或塑料浇铸件。能导热的塑料浇铸件被证明是特别有利的。在这种情况下，注塑也是可行的。还可以设想被压入、粘合或焊接的陶瓷插件以及玻璃或瓷器。通常，绝缘材料此时需要的厚度明显小于气隙，以使电位彼此充分地电绝缘。
已经证明，翅片的端部部分回撤是特别有利的。由此，它们可以被绝缘层的绝缘材料覆盖，因此端部处的短间距不再成为临界放电距离(临界气隙，kritschenLuftstrecks)。
回撤减少了可用于热传递的面积，因此回撤应该很小。内翅片被完全覆盖，所以它们只需要稍微回撤。外翅片布置为回撤较多，因为经由绝缘材料在这里维持完整的放电距离或爬电距离。
在本发明的另一有利设计方案中，绝缘层由柔性材料制成。由此，可靠地防止了固定在绝缘体一侧的热源与固定在绝缘体另一侧的散热器之间的结构中的机械应力。绝缘层此时可以补偿由于不同温度引起的不同膨胀，从而避免绝缘体中的应力。
此外，在为绝缘层使用柔性绝缘材料的情况下，除了补偿小的机械位移之外也可以实现振动衰减。如果使用浇铸技术，那么导电组件可以彼此固定地被浇铸。因此，即使各个组件具有较大的公差，也可以维持绝缘体的目标尺寸。
在本发明的另一有利设计方案中，导热绝缘体包括热缓冲器。在绝缘体的单个组件中能够引入相变材料(也称为PCM)作为热缓冲器。例如，在热源侧上引入的PCM将短暂地吸收引入的“冲击热”。
然后，吸收的热量可以通过导热相当差的绝缘体在相对长的时间段内传导。此外，PCM也可以集成到绝缘材料中。由此能可靠地避免过热，即使过热仅在局部发生。
在本发明的另一有利设计方案中，散热器设计为冷却器，特别是热管冷却器。这使得尤其是在使用热管或热扩散器时，也能在更长的距离上实现高效的热传输。
附图说明
下面根据附图中所示的实施例更详细地阐述和解释本发明。其示出：
图1至图3是导热绝缘体的实施例。
具体实施方式
图1示出了冷却装置2的二维视图。冷却装置2包括导热绝缘体1、热源41和散热器42。热源41和散热器借助导热绝缘体1彼此电绝缘，因为它们在运行时经常具有不同的电位。这种情况例如发生于汇流排借助导热绝缘体1固定在散热器上时。
对于绝缘特性，在导热绝缘体1的第一部分10的第一翅片11与导热绝缘体1的第二部分20的第二翅片21之间布置有绝缘层30，其不导电或仅有极低的导电性。如下地造型第一翅片11和第二翅片21，使得它们啮合到彼此中，并且在它们之间可以容纳对于电绝缘来说足够的绝缘层30。通过翅片11、21，扩大了第一部分与第二部分之间的表面积。这对于从第一部分到第二部分的导热能力的影响在于，该导热能力被显著改善。这种改善尤其发生于绝缘层30的材料具有相当差的导热能力时，该情形例如经常出现在具有电绝缘效果的物质中。
图2示出了冷却装置2的三维图。热源没有被示出。为避免重复，参考图1的描述和在那里引入的附图标记。在该实施方式中，所示翅片的端部部分回撤。由此，恰恰在边缘区域中，它们可以更好地被绝缘材料覆盖，例如被绝缘层30的材料覆盖。图3示出了相应的实例。由此可靠地防止形成临界放电距离(临界气隙，kritischer Luftrechen)。由于这种回撤不会有助于扩大作用于热传递的面积，因此应该选择很小的回撤(<10％)。
总之，本发明涉及一种导热绝缘体。为了改善其导热性能而提出，导热绝缘体配备第一部分和第二部分，第一部分具有布置在第一部分的至少一个表面上的第一翅片，第二部分具有设置在第二部分的至少一个表面上的第二翅片。在此，第一翅片和第二翅片布置为啮合到彼此中，其中在第一部分与第二部分之间，至少在翅片的区域中布置绝缘层。本发明还涉及一种冷却装置，其具有至少一个这种导热绝缘体，其中第一部分与热源连接，并且第二部分与散热器连接。
Claims (7)
1.一种导热绝缘体(1)，具有
-第一部分(10)，具有布置在所述第一部分(10)的至少一个表面上的第一翅片(11)，和
-第二部分(20)，具有布置在所述第二部分(20)的至少一个表面上的第二翅片(21)，其中，所述第一翅片(11)和所述第二翅片(21)布置为啮合到彼此中，其中，在所述第一部分(10)与所述第二部分(20)之间，至少在所述第一翅片(11)和所述第二翅片(21)的区域中布置有用于电绝缘的绝缘层(30)，
其中，所述第一部分(10)和所述第二部分(20)由金属制成，其中，所述绝缘层(30)由柔性塑料材料制成，在所述第一部分(10)与所述第二部分(20)之间布置有功能部件，所述功能部件是电容器、电阻和/或温度传感器，以及
其中所述第二翅片(21)的端部具有大于0％且小于10％的回撤。
2.根据权利要求1所述的导热绝缘体(1)，其中，所述第一翅片(11)和/或所述第二翅片(21)分别包括另外的翅片。
3.根据权利要求1所述的导热绝缘体(1)，其中，所述导热绝缘体(1)包括热缓冲器。
4.一种冷却装置(2)，具有至少一个根据权利要求1至3中任一项所述的导热绝缘体，其中，所述第一部分(10)与热源(41)连接，并且所述第二部分(20)与散热器(42)连接，其中，所述散热器(42)设计为冷却器。
5.根据权利要求4所述的冷却装置(2)，其中，所述散热器是热管冷却器。
6.根据权利要求4或5所述的冷却装置(2)，其中，所述导热绝缘体(1)布置在所述冷却装置(2)中，以确保所述冷却装置(2)的至少一个组件的机械固定。
7.根据权利要求4或5所述的冷却装置(2)，其中，汇流排借助所述导热绝缘体(1)固定在所述冷却器上。
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