用于针对性地冷却电子和/或电气元件的冷却装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于冷却电子和/或电气元件、特别是布置在电路板上的功率半导体的冷却装置，该装置具有至少一个冷却体，其具有布置在冷却体的表面处的突起的散热件，其中，冷却体设置用于与电子和/或电气元件热耦合。
【背景技术】
[0002]电子和/或电气元件、如其例如在工业变流器中或者在用于电动或混合动力车辆的变流器中的应用那样，通常设计用于在相应的所期望的高功率密度时的高的电持续功率和峰值功率。在运行中，这些电子和/或电气元件引起了在大多数情况下不可忽略的电损耗，该电损耗大部分转化为损耗热。该损耗热损害了电子和/或电气元件的功能性和寿命，因此需要高效的散热、即需要对损耗热的尽可能低耗费的但是有效的排热。
[0003]由于不同的功能性的以及结构上的要求，电子和/或电气元件在大多数情况下以关于空间和面积的特殊布置来布置在电路板、功能上类似的电路载体或者特殊的载体件上。在此，电路载体能够例如实施为PCB (Printed Circuit Board，印刷电路板)，又或者借助于DCB(Direct Copper Bonded，直接铜接合)技术来制造。出于简明的原因，下面对于本文采用同一的术语:电路板。与电路板一起，电子和/或电气元件与冷却体至少热耦合，并且通常也与其机械地连接。在已知的冷却方案中，该冷却体在大多数情况下在纵向或横向方向上由冷却介质穿流或者环流。在大多数情况下，液态的冷却介质、然而作为替代的有气体状态的冷却介质，原则上适用于排出电子和/或电气元件的损耗热，其中，冷却体是在冷却方案中用于将损耗热传导到冷却介质处的重要的传输件。如果冷却介质流到冷却体中和/或围绕冷却体流动，那么其逐渐地变热。如果现在更多的电子和/或电气元件与冷却体热耦合，那么随着冷却介质逐渐变热、在相同的冷却体温度时，冷却效率(ΔΤ下降)沿着冷却介质的流动方向减小。反之，如果损耗功率、即待散热的电子和/或电气元件的损耗热保持相同，那么随着冷却介质的温度上升(AT不变)，冷却体的温度就沿着流动方向升高。
[0004]在冷却介质的流入口处的电子和/或电气元件经受很小的温度负载。与此相对地，在冷却介质的流出口处的电子和/或电气元件尽管有散热、特别是在上面的区域中有散热，但还在高温下工作。该效应被称为“热量堆叠(Thermal stacking) ”，这在下面被称为热串联。不仅在冷却介质在纵向方向上传流时，而且在横向方向上穿流时，热串联的不期望的效应在已知的冷却方案中是能确定的。因此通常，对于待冷却的电子和/或电气元件的设计根据最热的元件的参数来进行。该最热的元件通常是更近地与冷却介质的流出口热耦合的电子和/或电气元件。因此，这种电子和/或电气元件的设计确定了整个电子或电气系统的寿命和工作能力。然而充分散热的电子和/或电气元件能够更多地运行或者说具有更长的寿命。从电子或电气系统的角度来看，这些元件通常对于其应用而言是超规格的。现在需要的解决方案是，同时符合需要地并且因而根据运行状态地同等地冷却电子和/或电气元件。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种冷却装置，其具有对电子和/或电气元件的改进的针对性冷却。
[0006]该目的通过具有在权利要求1中给出的特征的冷却装置实现。
[0007]该目的还通过根据权利要求14所述的变流器以及根据权利要求15所述的电动或混合动力车辆来实现。
[0008]本发明基于以下认识，即当冷却介质从该冷却介质被输送给冷却体开始直到冷却介质从冷却体排出为止借助于热串联从与冷却体热连接的电子和/或电气元件处在流动方向上吸收其损耗热时，在冷却体中和/或其上流动的冷却介质逐渐变热。反之，这导致了，在冷却剂的流动方向上分别以热学顺序依次与冷却体连接的电子和/或电气元件不能够以与其之前的元件相同的强度被冷却，并且因此可能没有充分保证其经常以相同程度所需要的在其总功率范围上的散热。
[0009]现在，提出了一种用于冷却电子和/或电气元件、特别是布置在电路板上的功率半导体的冷却装置，其具有至少一个冷却体，该冷却体具有布置在冷却体的表面上的突起的散热件，其中，该冷却体设置用于与电子和/或电气元件热耦合。为了确保对于如此布置的电子和/或电气元件的同时和同等的散热并且尽可能地避免热串联，冷却装置具有至少一个冷却介质分布件，以用于将冷却介质针对性地空间分布到冷却体的所定义的热点处；以及具有冷却装置内腔，该冷却装置内腔由冷却体和能与冷却体连接的冷却体池所包围，并且该冷却装置内腔至少包括冷却体的突起的散热件和冷却介质分布件。此外，冷却装置具有至少一个入口，以用于将冷却介质输送到冷却装置内腔中；以及至少一个出口，以用于将冷却介质从冷却装置内腔排出。
[0010]与常规的冷却装置相比，所提供的能集成到复杂的冷却系统中的冷却装置具有决定性的优点，特别是关于其用于使电子和/或电气元件针对性地散热的构造可行性方面。冷却介质分布件实现了使电子和/或电气元件有效且针对性地散热的前提条件，其中，冷却介质现在结构化地并针对性地输送到冷却体的所定义的热点处、优选地输送到突起的散热件的所定义的热点处，并且在吸收了损耗热之后被再次结构化地排出。现在，这种高效的散热以很高的程度避免了由于热串联导致的热量累积的不利效果，该热串联应当从相应地布置在冷却体上的电子和/或电气元件出发并且经由冷却体通过冷却介质排出。所提供的解决方案减少了与冷却体热连接的电子和/或电气元件的相互的热学上的影响。在最优地设计电子和/或电气元件时，如其例如对于变流器中的B6电桥电路的功率半导体所实现的那样，按照几乎相同的预设值计算功率半导体中的每个单独的功率半导体的参数。为所有这种功率半导体设定基本上功能类似的工作能力和类似的寿命。对于功率半导体的功率参数和/或对于所使用的冷却装置的参数的所设置的设计余量、如其在通常的解决方案中例如由于热串联的效应而必须首要考虑的那样，在本解决方案中基本上仅还有限地联系到其对于相应的应用而言的负载极限。由此与迄今为止在大多数情况下因为电子和/或电气元件的以及与其热连接的冷却装置的难以计算的应用而明显地超规格的成本相比，能够明显地减少成本。
[0011]本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出。
[0012]在冷却装置的一个有利的设计方式中，布置在冷却体的表面处的突起的散热件构造为特别是插针和/或冷却体片，插针和冷却体片具有几何基体的形状或者几何基体的衍生形状。通常也被称为针翅(Pin-Fin)的插针在大多数情况下是冷却体的从冷却体的表面突出的、形成了容积的更多的压制部，其中，该插针的设计、即几何基体的形状的选择或者几何基体的衍生形状的选择取决于结构性的以及热学的标准。通过选择作为插针使用的几何体的形状以及其布置，突起的散热件能够极好地由冷却介质环流，并且因此将与冷却体热耦合的电子和/或电气元件的损耗热高效地输出到冷却介质处。与插针相比，配备有冷却体片的冷却体还能够成本更低地、即耗费更少地制造。冷却体片与插针一样布置在冷却体的表面上，其中，各个冷却体片在大多数情况下采取矩形的几何形状，即有体积地采取长方体的几何形状。冷却体片如下地布置，以使得冷却介质能够定向地在流动方向上流动。横向于流动方向，与插针相反，冷却体片通常在整个面上不具有间隙。因