冷却器件及具有该冷却器件的冷却装置的制造方法
冷却器件及具有该冷却器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电气及电子元件的冷却器件，特别涉及作为冷却装置一部分的冷却器件，其中附加提供所述冷却器件。
【背景技术】
[0002]在电气电子电路中使用大量不同元件来提供特定功能。根据各元件的类型和元件负荷以及电流和电压值，至少一些元件构成不向热容量的热源并由此构成不同热传递。特别的半导体元件和特别的功率晶体管显示显著的电耗，这依赖于类型及操作并且不可忽略，从而发生相当程度的发热。热量必须在各元件操作期间耗散，以防止不允许的发热以及因而造成的元件破坏。
[0003]在用于控制电机的电路中，例如使用为了各电机的功率匹配或功率控制而钟控的信号，从而诸如晶体管(功率半导体)和电解电容器这样的有源元件展现增大的功率损耗，使得冷却不可缺少。为此，展现功率损耗并因而发热的元件被冷却并频繁与所谓的散热器机械连接且特别是热连接。
[0004]散热器构成包括合适的导热材料并增加发热所需表面的装置，从而要冷却的元件的热量被吸收并例如利用自然对流或借助换气扇有效散发到空气中。而且可以使用其他冷却剂，例如液体形式的冷却剂。关键是用于元件热辐射的有效表面增加，且热量通过散热器的合适的导热材料而从元件散出。散热器通常由金属，诸如铜或铝制成，其中表面的设计也影响热辐射。
[0005]图8以简化示意图显示了要冷却的元件A的一种基本的已知配置以及在散热器B上的配置。要冷却的元件可以例如是功率晶体管。
[0006]在这种情况中，在印刷电路板C上布置散热器B。散热器B与散热器B上设置的元件A热接触。优选地，元件A可以利用绝缘层D相对于散热器B绝缘，其中绝缘层D不导电但是适当导热。
[0007]元件A可以利用合适的连接件E与印刷电路板C电连接，以提供相应功能。
[0008]图8A是沿图8B的剖面线Y-Y的剖视图(这里在剖视图中没有显示元件A)，图8B是沿图8A的线X-X的剖视图。这里，散热器B包括平面方式的分支G，它们增加对于由元件A吸收的热量的热辐射的有效面积。
[0009]如果在操作期间在元件A中发生功率损耗以及由此带来的热量，这种热量被经由绝缘层辐射到散热器B，散热器B随后通过分支G将热量广泛辐射到环境中。以这种方式，元件A的热量可以保存指定期限，从而防止元件A被破坏。
[0010]如果由于更高的功率损耗而要移除更多热量，那么需要更大的散热器，或者根据要移除的热量，需要利用换气扇或其他优选液体冷却剂的主动换气。
[0011]在这一方面，专利文献EP I 750 302 Al公开了一种电子元件装置，其中可以各自是功率元件并构成热源的多个电子元件一方面利用金属制成的弹簧梳保持就位，另一方面可以通过接触这些元件的弹簧梳而冷却。这种冷却作为利用散热器对各个元件冷却的补充而进行，元件被利用弹簧梳而压到散热器上。整个装置安装在这种形式的闭合壳体中。
[0012]专利文献DE 102 25 993 Al公开了一种具有主体的散热器，其中发热元件被利用机械工具压到主体上，以提供热接触。机械工具包括弹簧件，该弹簧件被设置于销中的开口安装至该销并由销来保持，并且同时接触要冷却的元件并将该元件压向主体。为了施加压力，机械件安装在销上，使得与销所突入的开口相结合，发生倾斜并因而力矩(力)可以施加于该元件。元件的热量由与主体的热接触而辐射至主体。
[0013]最后，专利文献EP I 091 403 A2公开了散热器的配置，其中散热器构造为，在底板上设置大量薄片并且这些薄片在多行中沿它们的纵向彼此对齐，从而冷却所需的气流可以流经这些多行薄片。薄片可以由平面或弯曲元件制成，并且可以具有进一步弯曲的区域，以影响在远离底板的末端处的冷却气流。
[0014]前述已知的用于电气或电子元件的散热器或冷却装置被构造为使得几乎不可能实现紧凑设计，其中在外壳中的较小空间要布置至少一个或多个冷却器件。前述装置需要与散热器的相应实施方式相应的确定尺寸或者说确定空间，以通过自然或强迫对流实现足够的冷却效果。
【发明内容】
[0015]因此，本发明的目的是构造一种包括前述类型冷却器件的冷却装置，从而甚至以外壳内最小空间的紧凑设计也能够实现足够的冷却效果。
[0016]根据本发明，这个目的通过根据所附权利要求的特征的冷却器件以及使用该冷却器件的冷却装置实现。
[0017]于是，本发明涉及一种用于发热元件的冷却器件，其中至少一个元件设置在印刷电路板上，以及其中冷却器件具有第一和第二冷却件，以及其中这两个冷却件在印刷电路板上与至少一个元件相邻地并相距预定距离地设置在该元件的彼此相对的侧面上。
[0018]另外，本发明涉及一种用于冷却设置在印刷电路板上的至少一个发热元件的冷却装置，其包括冷却单元，该冷却单元形成外壳并包括散热器和盖，其中在外壳的组装状态，印刷电路板被配置为带有在散热器和盖之间的至少一个元件，并且散热器具有位于至少一个元件上的接触区域以形成热接触，并且在至少一个元件的区域中，盖具有突出区域，该突出区域在印刷电路板背离所述至少一个元件的侧上接触印刷电路板，该冷却装置还包括根据前述说明的冷却器件。
[0019]通过根据本发明的冷却器件以及根据本发明的冷却装置，可以更好地冷却发热元件，由于提供了多种冷却可能性，保证了全面的散热，其中同时可以紧凑地实施包括要冷却的各元件的整个冷却装置。即使在设置在设备外壳中的情况，也可以以较小的空间保证至少足够的冷却。根据本发明的冷却器件构成对于发热元件的辅助冷却可能性，并且独立于已有的冷却可能性而提供及构造。
[0020]于是，根据本发明的冷却器件或者在较低冷却要求的情况中独自地或者在较高冷却要求的情况中附加与其他冷却概念相结合地支持全面冷却。另外，邻近待冷却元件设置的冷却器件还可以用于其他用途，特别是它还可以用于将电流传导至预定范围。进一步，它还可以用作用于机械稳定印刷电路板的器件，发热且待冷却的元件以及冷却器件(如果需要的话还有其他元件)都设置在该印刷电路板上。印刷电路板可以安装在外壳中，从而与整个冷却装置相结合，可以实现非常紧凑的设计且同时非常全面的冷却。
[0021 ] 从属权利要求中描述本发明的其他特征。
[0022]在冷却器件中，冷却件可以具有多个片段，每一片段平行于至少一个元件的对应侧设置并且远离印刷电路板延伸。
[0023]可以在至少一个元件上设置冷却单元，且冷却单元可以具有为了热接触而位于至少一个元件上的接触区域，其中冷却器件的冷却件在至少一个元件之上邻近接触区域且远离印刷电路板延伸并且可以与该接触区域相间隔。
[0024]在冷却器件中，导热材料可以引入在相应冷却件和冷却单元的接触区域之间的空间中，用于在相应冷却件和冷却单元的接触区域之间形成热耦合。
[0025]在多个元件的情况中，冷却件可以邻近每一元件设置，并且相应冷却件的片段可以邻近每一元件设置。
[0026]在冷却器件中，多个元件可沿直线或者任何曲线设置，并且冷却器件的冷却件可以遵循多个元件的设置路径，其中邻近每一元件在该元件的不同侧上各自设置相关冷却件的一个片段。
[0027]另外，在多个元件的情况中，在冷却装置中，散热器的各个接触区域以及盖的突出区域可以遵循元件在印刷电路板上的布置，其中散热器的接触区域可以接触至少一些或全部元件。
[0028]在冷却装置中，冷却器件的冷却件可以远离印刷电路板延伸，并且与散热器的接触区域侧向邻近且相距预定距离地分布，并且散热器和盖之间的空间可以完全或至少部分具有导热材料。另外，冷却器件的冷却件可以机械或电子地连接至印刷电路板并用作电导体。
【附图说明】
[0029]下面将参考附图通过实施例详细描述本发明，附图中:
[0030]图1显示了根据本发明的实施例，包括冷却器件的冷却装置的部分剖视图；
[0031]图2显示了冷却装置的部分透视图，该冷却装置包括设置在印刷电路板上的冷却器件和发热元件；
[0032]图3是根据图2的包括冷却器件和发热元件的印刷电路板的顶视图；
[0033]图4表现了包括冷却件的冷却器件，为了更好地描述冷却器件而省略了整个装置的其他元件；
[0034]图5透视表现了根据图1的冷却装置的散热器，它可以安装在图2所示的装置上 ；
[0035]图6显示了与图1相应的部分剖视图，其中示出根据本发明的冷却概念的不同冷却路径；
[0036]图7显示了与图1相应的部分剖视图，其中作为图6的补充示出根据本发明的冷却概念的其他不同冷却路径；和
[0037]图8(图8A和SB)结合剖视图显示了根据现有技术在散热器上的发热元件的示意简化视图。
【具体实施方式】
[0038]下面将参考图1和2利用实施例说明本发明的基本结构。
[0039]图1显示了发热元件I结合根据本发明的冷却装置K的布置的部分剖视图。
[0040]发热元件I (下面简称为元件I)可以是功率半导体元件，诸如晶体管或者具有其他类型外部形状的电解电容器。本发明既不限于特定元件也不限于这种元件I的特定外部形状。而是可以使用任何类型的在操作期间或者至少在特定操作条件下由于功率损耗而发热的元件。
[0041]元件I设置在印刷电路板2上，除了为了说明本发明而显示的元件I之外，该印刷电路板还可以具有在印刷电路板2上不同分布的不同类型及尺寸的其他元件。这里，图2描绘了例如具有大致圆形结构的印刷电路板2。本发明并不固定印刷电路板2的形状和尺寸，而是可以应用于不同类型、尺寸和形状的印刷电路板。为了接收其他元件，印刷电路板2包括功能区域F，其中可以以任何方式设置其他元件。设置在功能区域F中的元件没有详细指定并且依赖于相关电路系统要实现的功能。
[0042]根据图1和2，印刷电路板2插入外壳3中，外壳例如由散热器4(在图1的上部)和盖5 (在图1的下部)构成。当外壳3被组装且特别是散热器4安装到盖5上时，在两个部件之间可以设置密封机构6，其可以例如为密封块或由弹性材料形成的密封环的形式。
[0043]在图1和2中，印刷电路板2插入盖5中，盖在图1和其他附图中位于印刷电路板2之下。散热器4设置在印刷电路板2之上(图2为了更好地描述而未显示)，从而印刷电路板2被容纳并可靠保持在散热器4和盖5之间。
[0044]图1显示了在印刷电路板2上的元件I，其中元件I基本平齐地平放于印刷电路板2上并且可以例如是所谓的表面贴装元件(SMD元件)，但并不限于此。元件可以为此具有相应的(通常是可焊接的)连接件。
[0045]在将散热器4安装到盖5上并因而以预定程度安装到印刷电路板2以及元件I上之后，散热器4接触元件1，从而在元件I和散热器4之间存在良好的热连接，其中在元件I中形成的热量可以以较低的传热阻力传递到散热器4。为此，散热器4在邻近元件I且在该元件上面的区域中包括接触区域41，该接触区域相对于散热器4的其他结构向下(附图中)突出并且被构造为在其尺寸方面与要热接触的元件I对齐，并且当散热器4完全安装到盖5上时，其以较小的压力平面地接触元件I以保证良好的热传导。
[0046]以相同的方式，盖5包括突出区域51，其与盖5的其他结构相比向上突出预定的程度，其中盖5的突出区域51构造在元件I的下方并且在其尺寸方面同样在很大程度上匹配元件I的大小(尺寸、维度)。
[0047]结果，元件I处于印刷电路板2上，并且元件I和印刷电路板2设置在散热器4的接触区域41和盖5的突出区域41之间，其中盖5的突出区域51以预定的较低压力从下面接触印刷电路板2。这在图1的剖视图中示出。在将接触区域41压在元件I上(从上面)以及将突出区域51压在印刷电路板2上(从下面)的区域中，没有连接导线。根据图1，元件I在这些挤压区域之外连接至印刷电路板2以及相应导体路径。为了保证良好的热传导以及电绝缘，在接触区域41和元件I之间以及在突出区域51和印刷电路板2之间可以设置薄的绝缘层，其具有良好的导热性但是电绝缘。以这种方式，还保证了长期有效的电绝缘且同时良好的热传导。
[0048]这里，图2显示了印刷电路板2的透视图，其中显示至少一个元件I (例如，6个元件I)具有相同或相似结构并且例如尺寸相同。这些元件设置在根据图2的印刷电路板2的左边区域。在功能区域F内还可以设置其他元件，诸如元件7或8。这些其他元件7和8也可以是发热元件。于是，在其他元件7和8的区域中，盖5也可以具有另一突出区域，并且同样散热器4可以以相同的方式且依赖于其他元件7或8在印刷电路板2上的位置而包括另一接触区域42。这种其他接触区域42例如在下面描述的图5中示于图5的下部。
[0049]图3显示了根据图2的配置的顶视图，其中在左边区域设置了元件I (相同或相似的发热元件)，而作为例子在图3的右边区域设置其他(类似或不同的)元件7和8。
[0050]为了完成整个装置，在图2和3中显示了印刷电路板2的连接机构9，其一方面经由连接件连接至印刷电路板2，另一方面连接至导线10，电力和控制信号经由该导线供应给印刷电路板5，特别是其上设置的电路系统。连接机构9可以牢固连接至印刷电路板2，或者可以为插塞连接的形式。另外，在图2和3的示图中省略了散热器4 (冷却单元)，从而可以看到至少一个元件I或多个元件I在印刷电路板2上的布置和位置。
[0051]电路系统例如构造在印刷电路板2上且至少具有电子元件I和其他元件7和8，该电路系统可以例如用于控制车辆、家用电器或机器中的电子设备，并且可以例如与合适尺寸的外壳3 —起用作车辆中的电机的控制机构。为此，外壳3连同散热器4和盖5可以液密地(结合密封机构6)组装，从而有效地防止湿气或污染物渗透外壳3，特别是印刷电路板2。这导致整个装置的较长寿命。
[0052]在根据图1的示图中，一方面元件I位于印刷电路板2上，且这种布置位于散热器4的接触区域41和盖5的突出区域51之间。热量既可以通过接触区域41也可以通过突出区域51传递至外壳3的各个部分并且由各个兀件吸收和分布。散热器4和盖5作为外壳3的部件，构成冷却单元，该冷却单元彼此独立但联合移除并分布来自元件I的热量。散热器4和盖5形式的冷却单元构成冷却装置K的部件。
[0053]冷却装置K还具有冷却器件20，下面结合图1?4详细描述该冷却器件。
[0054]根据图1的示图，印刷电路板2上设置的元件I与印刷电路板2 —起处于散热器4和盖5之间，特别是在散热器4的接触区域41和盖5的突出区域51之间。于是，用于在元件I中形成的热量的相应接头直接实现在元件I之上或者在元件I在相对侧(图中的上侧)上所设置的区域中在印刷电路板2之下。冷却器件20包括第一和第二冷却件21和22，它们各自邻近发热元件并且在这里在元件的不同侧(即，在至少一个元件I的相对侧上)上邻近至少一个元件I或多个元件I设置并且固定至印刷电路板2。两个冷却件21和22在元件I旁边且与元件I相距预定距离地分布，并且从印刷电路板2以图中向上的方向延伸并超过(至少一个)元件I的高度，从而两个冷却件21和22同样以预定距离在散热器4的接触区域41旁边分布，而不接触散热器4。
[0055]在根据图2和3的图示中，多个元件I设置在冷却器件20的前述冷却件21和22之间，其中该设置考虑到以下事实而曲线实现:在这个实施例中，印刷电路板2近似实施为圆形平面的形状，匹配大致圆形实施的外壳3，并进而匹配相应的应用。本发明并不限于对应于(至少大致)圆弧部分的元件I的配置，而是多个元件I还可以具有印刷电路板2上的任何其他配置形式。进一步的说明结合根据图2和3的图示进行，其中多个元件I沿部分圆弧设置。
[0056]冷却器件20，特别是第一和第二冷却件21及22的设置和构造也与相应选择的元件I的设置有关。优选地但不必需地一件式形成的各个冷却件22和21以多边形的方式遵循多个元件I的配置，并因而以预定距离邻近元件I延伸，其中得到图2和3中显示的第一和第二冷却件21和22的形状。为了描绘冷却件21和22的配置，图4中示出冷却件22，而没有示出冷却装置K的任何其他部件。多边形基本对应于在第一和第二冷却件21和22之间设置的多个元件I的数目。
[0057]冷却器件20的两个冷却件21和22包括突起23，散热器21和22可以利用该突起紧固至印刷电路板2。两个冷却件21和22到印刷电路板2的连接至少是机械连接(紧固)，且优选是机械及电子连接。于是在两个冷却件21和22以及印刷电路板2上的导体路径之间存在电连接。关于机械紧固和优选的电连接，突起23突入印刷电路板2的相应开口中，从而冷却件21和22从印刷电路板2并近似垂直于印刷电路板2的平面(例如，图1、
2、6和7中)向上延伸。冷却件21和22可以 焊接在印刷电路板2(用于形成电和机械连接)上，或者可以压入印刷电路板2中的相应开口内。例如焊接方式包括手动焊接、波峰焊接(流动焊接)、选择焊接或回流焊接。
[0058]结果，两个冷却件21和22以它们的部分延伸长度在元件I旁且与其相距预定距离地分布，以其他部分延伸长度在接触区域41旁且同样与其相距预定距离地分布。所述距离涉及与印刷电路板2的平面平行且基本垂直于冷却件21和22的延伸方向的平面。冷却件21和22与至少一个元件I或多个元件I之间的相应距离在元件I (或者多个元件I)的两侧上可以相等或不同。这以同样的方式适用于冷却件21和22在其部分延伸长度上到接触区域41的距离。
[0059]根据图2至4中的图示，两个冷却件21和22优选一件式且以多边形的形式构造，其中形成相应散热器21和22的各个多边形的大量片段24被设置为各自邻近元件I。由于元件I的弧形设置，两个冷却件21和22的各个片段的尺寸不同，其中依赖于元件I的其他配置以及由此各个冷却件21和22的其他构造同样能得到不同的尺寸。
[0060]当根据图5的散热器4安装到根据图2的盖5和印刷电路板2上以使得接触区域41 (其对应于元件I的弧形设置而同样精确地弧形构造或者以或多或少显示出的多边形的形式构造)位于多个元件I上且位于两个冷却件21和22之内时，其他接触区域42同样以较低压力位于其他元件7和8上，使得所有元件I或7和8具有良好的到散热器4的热连接，并且因而保证了从元件1、7和8到散热器4的相应热传导。散热器4在任何位置都不接触冷却器件20的冷却件21和22，而是与这些元件相间隔并因而可靠地电绝缘。
[0061]前面与图1的图示相结合，叙述了各个突出区域51或接触区域41可以直接位于印刷电路板2的下侧面或元件I的上侧面上。然而，优选提供导热材料制成的绝缘层，从而可以提供电绝缘。进一步，通过绝缘层还可以获得弹性支撑，其能够补偿由于加热和冷却而在元件的尺寸中的容差和变动，并且能够衰减在操作期间可能的振动。利用这种配置同样保证了相关元件I (以及元件7和8)的牢固保持。
[0062]同样前面提到，两个冷却件21和22部分地在散热器4的接触区域41旁与其相距预定距离地延伸。根据图1，冷却件21和22与元件I和散热器2的接触区域41之间的空间同样被完全填充，或者至少部分被填充弹性且电绝缘的导热材料11。导热材料11在此平面地接触冷却件21和22以及散热器4的接触区域41，并且可以被分离地引入，或者可以利用浇铸操作而引入在前述元件(1、2、5、21、22、51)之间的空间。
[0063]利用导热材料11，特别是在各个冷却件21和22与散热器4的突出的接触区域41之间建立热连接，从而热量可以从接触区域41传递至冷却件21和22，或者从冷却件21和22传递至接触区域41。于是，导热材料11建立全面的导热但电绝缘的连接，并且可以限制于冷却器件20的两个冷却件21和22内部的空间，或者还可以将在印刷电路板2和散热器4之间以及印刷电路板2和盖5之间的空间至少部分或完全填充其他导热材料12，以改善排出元件I中产生的热量，以衰减在应用于车辆或其他振动机械时的外部影响而造成的振荡并保护外壳3的内部防止腐蚀。下面将结合图7描述在冷却件21和22之间的空间之外的其他导热材料12。在两个冷却件21和22之间的空间中的导热材料11可以与在其他空间中的其他导热材料相同，或者根据期待及要传递的热量和温度负荷而不同。
[0064]导热材料11可以以弹性体的形式引入，可以注入，或者以垫的形式引入，其中在垫的情况中，这些元件在其尺寸方面匹配要被填充的空间，从而保证至少部分平面地接触冷却件21和22和接触区域41。选择导热材料11的各个垫略微大于要填充的空间所需要的，从而它们以较小的压力接触各个元件。
[0065]于是，冷却装置K包括以散热器4和盖5为形式的冷却单元，用于直接冷却设置于印刷电路板2上的元件I (或者大量这种元件I)，并进一步包括前述配置的两个冷却件21和22，其中冷却件21和22经由导热材料11与散热器4热耦合。另外，其他导热材料12还可以在冷却件21和22之间的间隙之外设置在冷却件21和22与散热器4之间的空间中。
[0066]与前述冷却装置K相结合，图6所示的导热路径，特别是从发热元件I到散热器4和盖5的散热路径用于进一步将热量分布并输出到外部，其中这优选由未显示的冷却介质的流动(例如，与换气扇相联系的冷却气流)而支持。
[0067]根据图6，存在从元件I经由印刷电路板2到盖5的突出区域51的第一热传导路径Wl (冷却路径)。第一热传导路径基本上在盖5的良好导热材料中延伸，并且可以由图中未显示的电绝缘导热材料支撑在盖5和印刷电路板2之间的相关空腔中。
[0068]在元件I和散热器4的接触区域41之间形成第二热传导路径W2 (冷却路径)，其中热量直接从至少一个元件I或多个元件I (可能通过在接触区域41和元件I之间的导热材料的薄绝缘层)传递到接触区域41，并从而传递到散热器4，以进一步传递并分布热量。
[0069]由此，通过冷却装置K的冷却单元(散热器4和盖5)提供第一热传导路径Wl和第二热传导路径W2 (第一和第二冷却路径)。
[0070]图6绘出从元件I延伸到邻近元件I的两个冷却件21和22的第三热传导路径W3 (第三冷却路径)，其中由至少一个元件I生成的热量被传递至两个冷却件21和22。利用在冷却件21和22与接触区域41之间的导热材料11，在冷却件21和22与散热器4之间形成热耦合(热传导桥)，从而由冷却件21和22吸收的热量可以利用导热材料11经由接触区域41的侧边同等地传递到散热器。利用冷却器件20的冷却件21和22，实现了由至少一个元件I或多个元件I辐射的热量的附加热量分布。
[0071]以这种方式，作为第一和第二热传导路径Wl和W2的附加，根据本发明的冷却装置K还形成第三路径W3，用于排出在至少一个元件I中生成的热量，从而改进散热并因而改进元件I (或多个元件I)的有效冷却。通过在冷却件21和22与接触区域41之间引入导热材料11，可以形成到散热器4的附加热量传递，并且总体上且附加地，有效改善包括印刷电路板2以及设置于其上的元件(例如，1、7和8)的冷却装置K的机械稳定性和抗振性。同样，加强了防腐性，特别是当其他空间同样完全或至少部分引入电绝缘的导热材料(例如，以其他导热材料12的形式)并防止印刷电路板2上的元件(例如，1、7和8以及其他元件)受到污染时。
[0072]利用平行且部分彼此独立的热传导路径(冷却路径)Wl、W2及W3，保证发热元件I (或其他元件)的有效冷却，从而在相关元件的容差并因而在接触区域41或突出区域51可能暂时不完全接触各个元件I和印刷电路板2的情况中，仍然可以实现经由其余热传导路径Wl、W2或W3之一的充分散热。优选地，通过分布不同的不同热传导路径Wl、W2和W3获得最优热量分布，从而甚至对于元件I的强烈变化的热量生成以及临时的更强或更少的加热，也能够保证元件I的充分且可靠冷却。整个冷却装置K的热量吸收以及因而热容量增加，而无需其他元件或外部冷却件。
[0073]通常，导热材料(诸如导热材料11)由组装前述元件期间引入的物质构成。散热器4的材料优选但不必是金属，诸如铝(铝压铸件)或钢或铜。盖5同样可以由铝、钢或铜制成。以这种方式，实现对于来自元件I以及还可能来自在印刷电路板2的功能区域F中的其他元件的热量的充分排出，从而可以避免在印刷电路板2上的局部热穴，其包括相关元件1(还有7、8)的可能不允许的加热。
[0074]在前述附图2至5中，显示两个冷却件21和22为弧形或多边形的形式。这是匹配在本示例中弧形设置的元件I所需要的。当元件I例如沿着直线或曲线或者以任何其他配置且部分以弧线设置时，冷却件21和22遵循元件I的相应设置，并且在需要时还带有具有各个片段24的多边形。
[0075]于是，本发明不限于根据图2至4的图示的冷却件21和22的弧线设置；而是冷却件21和22还可以具有与此显著不同的形状。在任何情况中，构造图5所示的散热器4的接触区域41，使其遵循元件I的配置，或者是弧线的或者为多边形，其中根据需求，装置中的部分元件I或所有元件I与接触区域41接触，从而在各个元件I和散热器4的接触区域41之间建立可靠的热连接。如果装置的个别元件不需要冷却，则散热器4的接触区域41还可以具有中断地遵循元 件I的布置。
[0076]不考虑这些，可以对于同样发热的其他元件(诸如其他元件7和8)形成其他接触区域42。
[0077]在前述附图1至3中，绘出并关注冷却件21和22的空间布置。通过将冷却件21和22邻近至少一个元件I或多个元件I设置，冷却件21和22还合并入电路系统中并特别地用作电导体。于是，与元件I的操作相结合，电流流经冷却件21和22。冷却件21和22优选由金属制成并因而构成同样的良好电导体，从而也由于用于根据第三冷却路径W3有效耗散元件I的热量而根据冷却件21和22的尺寸的较大导体横截面，对于较高电流也可以有足够的导体横截面。因此，冷却件21和22的电阻较低，从而在冷却件21和22中仅形成较少的焦耳热。
[0078]这里，图7显示了图6中的冷却路径Wl至W3，还显示了第四热传导路径W4(冷却路径)，其也用于冷却件21和22中生成的焦耳热的热传导。除了在冷却件21和22与元件之间的空间特别是在接触区域41中的导热材料11之外，在冷却件21和22之外的空间，即，在各个冷却件21或22和散热器4之间，引入前面已经提到的其他导热材料12，其与导热材料11相同或不同。通过将其他导热材料12引入根据图7的相应空间，形成第四冷却路径W4，其补充并部分平行于第三冷却路径W3，其中第三和第四冷却路径W3和W4彼此独立。根据图7，第四冷却路径W4从各个冷却件21或22经由其他导热材料12延伸至布置在冷却件(图中)之上的散热器4。
[0079]与在印刷电路板2上的具有小得多的导体横截面且因而更少焦耳热的导体路径相比，将冷却件21和22用于导热提供了电阻更小的优点。另外，与从印刷电路板2上的相应导体路径耗散焦耳热相比，冷却件21和22中生成的焦耳热的耗散得到改善。于是，冷却件21和22形式的电导体可以很好地结合在冷却装置K的热量管理中，从而一方面冷却件21和22改善了元件I的散热，另一方面，冷却件21和22中自身生成的热量可以通过电流容易地经由散热器4排出。于是，不同的部分平行且互补的冷却路径Wl至W4构成非常短的冷却路径，其在所涉及的元件方面得到优化，这改善了整个装置的热(还有机械)稳定性。导热材料11和12形成对于各个元件(导热材料设置于这些元件之间)的电绝缘导热桥。
[0080]这里，利用第三和第四冷却路径W3和W4的热传导(热量分布)与在印刷电路板2和散热器4之间的高度上的发热元件(例如，元件I)的大小无关。无论至少一个元件1(或多个元件I)具有较大还是较小尺寸，都获得改进的冷却效果。另外，通过改变在印刷电路板2和散热器4之间的高度上冷却件21和22的膨胀或延展，可以增加发热表面，特别是结合从印刷电路板2开始的冷却件21和22的延展长度，特别是邻近散热器4的接触区域41的散热器21和22的表面(不包括印刷电路板的基底区域)，从而整个装置的尺寸必需增加。通常，热量传递大致正比于所提供的传递表面，即，所涉及的利用合适的导热材料11和12互连的元件的表面。利用引入冷却装置K的导热材料11和12，包括外壳3的整个装置具有良好的热容量，从而在印刷电路板2上的电路操作期间，提供了具有较小波动的较为稳定的温度，并因而提供了所有元件的电特性的较小波动。
[0081]于是，冷却件21和22 —方面可以用作热导体并提供对应于第三冷却路径W3的热传导，另一方面，冷却件21和22还可以用于导电，从而与第三冷却路径W3相结合，冷却件21和22中由于电流所生成的热量可以同样简单可靠地排出和分布。于是，冷却件21和22中生成的焦耳热不会附加地加载到冷却装置K的整个热量管理。于是，当冷却件21和22的材料和尺寸得出相应限定的电阻时，冷却件21和22也可以用作旁路电阻。
[0082]导热材料11和其他导热材料12(其中，两种导热材料可以相同或不同)例如以预制垫的形式使用，正如之前结合导热材料11所描述的。另外，浇注也是可能的，其中相应的导热材料被选择性地引入相关位置(即，在外壳3中的相关空间)。对于至少部分空间或者整个空间执行浇注。在不同导热材料11或12的情况中，可以执行多次浇注过程。
[0083]参考附图利用实施例详细描述了本发明。然而，本发明不限于本说明书以及附图中给出的尺寸。本发明包括由所附权利要求涵盖的所有主题。
【主权项】
1.用于发热的元件⑴的冷却器件，其中至少一个元件⑴设置在印刷电路板⑵上，以及其中: -所述冷却器件(20)具有第一和第二冷却件(21，22)，以及 -所述两个冷却件(21，22)在所述印刷电路板(2)上与所述至少一个元件(I)邻近并相距预定距离地设置在所述元件(I)的彼此相对的侧面。2.根据权利要求1所述的冷却器件，其中所述冷却件(21，22)具有多个片段(24)，所述片段各自平行于所述至少一个元件(I)的相应侧面设置并且远离所述印刷电路板(2)延伸。3.根据权利要求1或2所述的冷却器件，其中在所述至少一个元件(I)上设置冷却单元(4)，并且所述冷却单元(4)具有接触区域(41)，该接触区域位于所述至少一个元件(I)上以用于热接触，以及其中所述冷却器件(20)的所述冷却件(21，22)在所述至少一个元件(I)之上邻近所述接触区域(41)且远离所述印刷电路板(2)延伸并且与所述接触区域相间隔。4.根据权利要求3所述的冷却器件，其中在各个冷却件(21，22)和所述冷却单元(4)的所述接触区域(41)之间的空间引入导热材料(11)，以在各个冷却件(21，22)和所述冷却单元(4)的所述接触区域(41)之间形成热耦合。5.根据权利要求1至4中任一项所述的冷却器件，其中在多个元件(I)的情况中，所述冷却件(21，22)邻近每一元件(I)设置，并且邻近每一元件(I)设置各个冷却件(21，22)的一个片段(24)。6.根据权利要求5所述的冷却器件，其中所述多个元件(I)沿直线或任意曲线设置，并且所述冷却器件(20)的所述冷却件(21，22)遵循所述多个元件(I)的布置路线，其中邻近每一元件(I)在该元件的不同侧面上各自设置相关冷却件(21，22)的一个片段(24)。7.冷却装置，用于冷却至少一个设置在印刷电路板(2)上的发热的元件(1)，包括: -形成外壳⑶的冷却单元(4，5)，其包括散热器(4)和盖(5)，其中 -在所述外壳(3)的组装状态下，所述印刷电路板(2)布置有在所述散热器(4)和所述盖(5)之间的所述至少一个元件(I)，并且所述散热器(4)具有接触区域(41)，该接触区域位于所述至少一个元件(I)上以用于形成热接触，并且所述盖(5)在所述至少一个元件(I)的区域中具有突出区域(51)，该突出区域在所述印刷电路板⑵背离所述至少一个元件⑴的侧面上接触所述印刷电路板(2)，以及 -根据权利要求1至6所述的冷却器件(20，21，22)。8.根据权利要求7所述的冷却装置，其中，在多个元件(I)的情况中，所述散热器(4)的所述接触区域(41)和所述盖(5)的所述突出区域(51)总是遵循所述元件⑴在所述印刷电路板(2)上的布置，其中所述散热器(4)的所述接触区域(41)接触至少一些或全部元件⑴。9.根据权利要求7或8所述的冷却装置，其中所述冷却器件(20)的所述冷却件(21，22)远离所述印刷电路板(2)延伸并与所述散热器(4)的所述接触区域(41)侧向相邻且相距预定距离地分布，并且其中所述散热器(4)和所述盖(5)之间的空间完全或至少部分具有导热材料(11)。10.根据权利要求7至9之一所述的冷却装置，其中所述冷却器件(20)的所述冷却件 (21,22)与所述印刷电路板(2)机械及电连接，并且用作电导体。
【专利摘要】本发明涉及一种用于发热元件的冷却器件，其中至少一个元件设置在印刷电路板上，并且其中冷却器件具有第一冷却件和第二冷却件。两个冷却件在印刷电路板上相邻地且与至少一个元件相距预定距离地设置在元件的彼此相对侧。本发明还涉及一种冷却装置，用于冷却在印刷电路板上设置的至少一个发热元件，其中使用所述冷却器件。
【IPC分类】H05K7/20
【公开号】CN104902730
【申请号】CN201510107939
【发明人】沃尔夫冈·巴斯
【申请人】Hkr佐伊费尔汽车有限两合公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月6日
【公告号】DE102015103096A1, DE202014002060U1, US20150257309
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于电气及电子元件的冷却器件，特别涉及作为冷却装置一部分的冷却器件，其中附加提供所述冷却器件。
【背景技术】
[0002]在电气电子电路中使用大量不同元件来提供特定功能。根据各元件的类型和元件负荷以及电流和电压值，至少一些元件构成不向热容量的热源并由此构成不同热传递。特别的半导体元件和特别的功率晶体管显示显著的电耗，这依赖于类型及操作并且不可忽略，从而发生相当程度的发热。热量必须在各元件操作期间耗散，以防止不允许的发热以及因而造成的元件破坏。
[0003]在用于控制电机的电路中，例如使用为了各电机的功率匹配或功率控制而钟控的信号，从而诸如晶体管(功率半导体)和电解电容器这样的有源元件展现增大的功率损耗，使得冷却不可缺少。为此，展现功率损耗并因而发热的元件被冷却并频繁与所谓的散热器机械连接且特别是热连接。
[0004]散热器构成包括合适的导热材料并增加发热所需表面的装置，从而要冷却的元件的热量被吸收并例如利用自然对流或借助换气扇有效散发到空气中。而且可以使用其他冷却剂，例如液体形式的冷却剂。关键是用于元件热辐射的有效表面增加，且热量通过散热器的合适的导热材料而从元件散出。散热器通常由金属，诸如铜或铝制成，其中表面的设计也影响热辐射。
[0005]图8以简化示意图显示了要冷却的元件A的一种基本的已知配置以及在散热器B上的配置。要冷却的元件可以例如是功率晶体管。
[0006]在这种情况中，在印刷电路板C上布置散热器B。散热器B与散热器B上设置的元件A热接触。优选地，元件A可以利用绝缘层D相对于散热器B绝缘，其中绝缘层D不导电但是适当导热。
[0007]元件A可以利用合适的连接件E与印刷电路板C电连接，以提供相应功能。
[0008]图8A是沿图8B的剖面线Y-Y的剖视图(这里在剖视图中没有显示元件A)，图8B是沿图8A的线X-X的剖视图。这里，散热器B包括平面方式的分支G，它们增加对于由元件A吸收的热量的热辐射的有效面积。
[0009]如果在操作期间在元件A中发生功率损耗以及由此带来的热量，这种热量被经由绝缘层辐射到散热器B，散热器B随后通过分支G将热量广泛辐射到环境中。以这种方式，元件A的热量可以保存指定期限，从而防止元件A被破坏。
[0010]如果由于更高的功率损耗而要移除更多热量，那么需要更大的散热器，或者根据要移除的热量，需要利用换气扇或其他优选液体冷却剂的主动换气。
[0011]在这一方面，专利文献EP I 750 302 Al公开了一种电子元件装置，其中可以各自是功率元件并构成热源的多个电子元件一方面利用金属制成的弹簧梳保持就位，另一方面可以通过接触这些元件的弹簧梳而冷却。这种冷却作为利用散热器对各个元件冷却的补充而进行，元件被利用弹簧梳而压到散热器上。整个装置安装在这种形式的闭合壳体中。
[0012]专利文献DE 102 25 993 Al公开了一种具有主体的散热器，其中发热元件被利用机械工具压到主体上，以提供热接触。机械工具包括弹簧件，该弹簧件被设置于销中的开口安装至该销并由销来保持，并且同时接触要冷却的元件并将该元件压向主体。为了施加压力，机械件安装在销上，使得与销所突入的开口相结合，发生倾斜并因而力矩(力)可以施加于该元件。元件的热量由与主体的热接触而辐射至主体。
[0013]最后，专利文献EP I 091 403 A2公开了散热器的配置，其中散热器构造为，在底板上设置大量薄片并且这些薄片在多行中沿它们的纵向彼此对齐，从而冷却所需的气流可以流经这些多行薄片。薄片可以由平面或弯曲元件制成，并且可以具有进一步弯曲的区域，以影响在远离底板的末端处的冷却气流。
[0014]前述已知的用于电气或电子元件的散热器或冷却装置被构造为使得几乎不可能实现紧凑设计，其中在外壳中的较小空间要布置至少一个或多个冷却器件。前述装置需要与散热器的相应实施方式相应的确定尺寸或者说确定空间，以通过自然或强迫对流实现足够的冷却效果。
【发明内容】
[0015]因此，本发明的目的是构造一种包括前述类型冷却器件的冷却装置，从而甚至以外壳内最小空间的紧凑设计也能够实现足够的冷却效果。
[0016]根据本发明，这个目的通过根据所附权利要求的特征的冷却器件以及使用该冷却器件的冷却装置实现。
[0017]于是，本发明涉及一种用于发热元件的冷却器件，其中至少一个元件设置在印刷电路板上，以及其中冷却器件具有第一和第二冷却件，以及其中这两个冷却件在印刷电路板上与至少一个元件相邻地并相距预定距离地设置在该元件的彼此相对的侧面上。
[0018]另外，本发明涉及一种用于冷却设置在印刷电路板上的至少一个发热元件的冷却装置，其包括冷却单元，该冷却单元形成外壳并包括散热器和盖，其中在外壳的组装状态，印刷电路板被配置为带有在散热器和盖之间的至少一个元件，并且散热器具有位于至少一个元件上的接触区域以形成热接触，并且在至少一个元件的区域中，盖具有突出区域，该突出区域在印刷电路板背离所述至少一个元件的侧上接触印刷电路板，该冷却装置还包括根据前述说明的冷却器件。
[0019]通过根据本发明的冷却器件以及根据本发明的冷却装置，可以更好地冷却发热元件，由于提供了多种冷却可能性，保证了全面的散热，其中同时可以紧凑地实施包括要冷却的各元件的整个冷却装置。即使在设置在设备外壳中的情况，也可以以较小的空间保证至少足够的冷却。根据本发明的冷却器件构成对于发热元件的辅助冷却可能性，并且独立于已有的冷却可能性而提供及构造。
[0020]于是，根据本发明的冷却器件或者在较低冷却要求的情况中独自地或者在较高冷却要求的情况中附加与其他冷却概念相结合地支持全面冷却。另外，邻近待冷却元件设置的冷却器件还可以用于其他用途，特别是它还可以用于将电流传导至预定范围。进一步，它还可以用作用于机械稳定印刷电路板的器件，发热且待冷却的元件以及冷却器件(如果需要的话还有其他元件)都设置在该印刷电路板上。印刷电路板可以安装在外壳中，从而与整个冷却装置相结合，可以实现非常紧凑的设计且同时非常全面的冷却。
[0021 ] 从属权利要求中描述本发明的其他特征。
[0022]在冷却器件中，冷却件可以具有多个片段，每一片段平行于至少一个元件的对应侧设置并且远离印刷电路板延伸。
[0023]可以在至少一个元件上设置冷却单元，且冷却单元可以具有为了热接触而位于至少一个元件上的接触区域，其中冷却器件的冷却件在至少一个元件之上邻近接触区域且远离印刷电路板延伸并且可以与该接触区域相间隔。
[0024]在冷却器件中，导热材料可以引入在相应冷却件和冷却单元的接触区域之间的空间中，用于在相应冷却件和冷却单元的接触区域之间形成热耦合。
[0025]在多个元件的情况中，冷却件可以邻近每一元件设置，并且相应冷却件的片段可以邻近每一元件设置。
[0026]在冷却器件中，多个元件可沿直线或者任何曲线设置，并且冷却器件的冷却件可以遵循多个元件的设置路径，其中邻近每一元件在该元件的不同侧上各自设置相关冷却件的一个片段。
[0027]另外，在多个元件的情况中，在冷却装置中，散热器的各个接触区域以及盖的突出区域可以遵循元件在印刷电路板上的布置，其中散热器的接触区域可以接触至少一些或全部元件。
[0028]在冷却装置中，冷却器件的冷却件可以远离印刷电路板延伸，并且与散热器的接触区域侧向邻近且相距预定距离地分布，并且散热器和盖之间的空间可以完全或至少部分具有导热材料。另外，冷却器件的冷却件可以机械或电子地连接至印刷电路板并用作电导体。
【附图说明】
[0029]下面将参考附图通过实施例详细描述本发明，附图中:
[0030]图1显示了根据本发明的实施例，包括冷却器件的冷却装置的部分剖视图；
[0031]图2显示了冷却装置的部分透视图，该冷却装置包括设置在印刷电路板上的冷却器件和发热元件；
[0032]图3是根据图2的包括冷却器件和发热元件的印刷电路板的顶视图；
[0033]图4表现了包括冷却件的冷却器件，为了更好地描述冷却器件而省略了整个装置的其他元件；
[0034]图5透视表现了根据图1的冷却装置的散热器，它可以安装在图2所示的装置上 ；
[0035]图6显示了与图1相应的部分剖视图，其中示出根据本发明的冷却概念的不同冷却路径；
[0036]图7显示了与图1相应的部分剖视图，其中作为图6的补充示出根据本发明的冷却概念的其他不同冷却路径；和
[0037]图8(图8A和SB)结合剖视图显示了根据现有技术在散热器上的发热元件的示意简化视图。
【具体实施方式】
[0038]下面将参考图1和2利用实施例说明本发明的基本结构。
[0039]图1显示了发热元件I结合根据本发明的冷却装置K的布置的部分剖视图。
[0040]发热元件I (下面简称为元件I)可以是功率半导体元件，诸如晶体管或者具有其他类型外部形状的电解电容器。本发明既不限于特定元件也不限于这种元件I的特定外部形状。而是可以使用任何类型的在操作期间或者至少在特定操作条件下由于功率损耗而发热的元件。
[0041]元件I设置在印刷电路板2上，除了为了说明本发明而显示的元件I之外，该印刷电路板还可以具有在印刷电路板2上不同分布的不同类型及尺寸的其他元件。这里，图2描绘了例如具有大致圆形结构的印刷电路板2。本发明并不固定印刷电路板2的形状和尺寸，而是可以应用于不同类型、尺寸和形状的印刷电路板。为了接收其他元件，印刷电路板2包括功能区域F，其中可以以任何方式设置其他元件。设置在功能区域F中的元件没有详细指定并且依赖于相关电路系统要实现的功能。
[0042]根据图1和2，印刷电路板2插入外壳3中，外壳例如由散热器4(在图1的上部)和盖5 (在图1的下部)构成。当外壳3被组装且特别是散热器4安装到盖5上时，在两个部件之间可以设置密封机构6，其可以例如为密封块或由弹性材料形成的密封环的形式。
[0043]在图1和2中，印刷电路板2插入盖5中，盖在图1和其他附图中位于印刷电路板2之下。散热器4设置在印刷电路板2之上(图2为了更好地描述而未显示)，从而印刷电路板2被容纳并可靠保持在散热器4和盖5之间。
[0044]图1显示了在印刷电路板2上的元件I，其中元件I基本平齐地平放于印刷电路板2上并且可以例如是所谓的表面贴装元件(SMD元件)，但并不限于此。元件可以为此具有相应的(通常是可焊接的)连接件。
[0045]在将散热器4安装到盖5上并因而以预定程度安装到印刷电路板2以及元件I上之后，散热器4接触元件1，从而在元件I和散热器4之间存在良好的热连接，其中在元件I中形成的热量可以以较低的传热阻力传递到散热器4。为此，散热器4在邻近元件I且在该元件上面的区域中包括接触区域41，该接触区域相对于散热器4的其他结构向下(附图中)突出并且被构造为在其尺寸方面与要热接触的元件I对齐，并且当散热器4完全安装到盖5上时，其以较小的压力平面地接触元件I以保证良好的热传导。
[0046]以相同的方式，盖5包括突出区域51，其与盖5的其他结构相比向上突出预定的程度，其中盖5的突出区域51构造在元件I的下方并且在其尺寸方面同样在很大程度上匹配元件I的大小(尺寸、维度)。
[0047]结果，元件I处于印刷电路板2上，并且元件I和印刷电路板2设置在散热器4的接触区域41和盖5的突出区域41之间，其中盖5的突出区域51以预定的较低压力从下面接触印刷电路板2。这在图1的剖视图中示出。在将接触区域41压在元件I上(从上面)以及将突出区域51压在印刷电路板2上(从下面)的区域中，没有连接导线。根据图1，元件I在这些挤压区域之外连接至印刷电路板2以及相应导体路径。为了保证良好的热传导以及电绝缘，在接触区域41和元件I之间以及在突出区域51和印刷电路板2之间可以设置薄的绝缘层，其具有良好的导热性但是电绝缘。以这种方式，还保证了长期有效的电绝缘且同时良好的热传导。
[0048]这里，图2显示了印刷电路板2的透视图，其中显示至少一个元件I (例如，6个元件I)具有相同或相似结构并且例如尺寸相同。这些元件设置在根据图2的印刷电路板2的左边区域。在功能区域F内还可以设置其他元件，诸如元件7或8。这些其他元件7和8也可以是发热元件。于是，在其他元件7和8的区域中，盖5也可以具有另一突出区域，并且同样散热器4可以以相同的方式且依赖于其他元件7或8在印刷电路板2上的位置而包括另一接触区域42。这种其他接触区域42例如在下面描述的图5中示于图5的下部。
[0049]图3显示了根据图2的配置的顶视图，其中在左边区域设置了元件I (相同或相似的发热元件)，而作为例子在图3的右边区域设置其他(类似或不同的)元件7和8。
[0050]为了完成整个装置，在图2和3中显示了印刷电路板2的连接机构9，其一方面经由连接件连接至印刷电路板2，另一方面连接至导线10，电力和控制信号经由该导线供应给印刷电路板5，特别是其上设置的电路系统。连接机构9可以牢固连接至印刷电路板2，或者可以为插塞连接的形式。另外，在图2和3的示图中省略了散热器4 (冷却单元)，从而可以看到至少一个元件I或多个元件I在印刷电路板2上的布置和位置。
[0051]电路系统例如构造在印刷电路板2上且至少具有电子元件I和其他元件7和8，该电路系统可以例如用于控制车辆、家用电器或机器中的电子设备，并且可以例如与合适尺寸的外壳3 —起用作车辆中的电机的控制机构。为此，外壳3连同散热器4和盖5可以液密地(结合密封机构6)组装，从而有效地防止湿气或污染物渗透外壳3，特别是印刷电路板2。这导致整个装置的较长寿命。
[0052]在根据图1的示图中，一方面元件I位于印刷电路板2上，且这种布置位于散热器4的接触区域41和盖5的突出区域51之间。热量既可以通过接触区域41也可以通过突出区域51传递至外壳3的各个部分并且由各个兀件吸收和分布。散热器4和盖5作为外壳3的部件，构成冷却单元，该冷却单元彼此独立但联合移除并分布来自元件I的热量。散热器4和盖5形式的冷却单元构成冷却装置K的部件。
[0053]冷却装置K还具有冷却器件20，下面结合图1?4详细描述该冷却器件。
[0054]根据图1的示图，印刷电路板2上设置的元件I与印刷电路板2 —起处于散热器4和盖5之间，特别是在散热器4的接触区域41和盖5的突出区域51之间。于是，用于在元件I中形成的热量的相应接头直接实现在元件I之上或者在元件I在相对侧(图中的上侧)上所设置的区域中在印刷电路板2之下。冷却器件20包括第一和第二冷却件21和22，它们各自邻近发热元件并且在这里在元件的不同侧(即，在至少一个元件I的相对侧上)上邻近至少一个元件I或多个元件I设置并且固定至印刷电路板2。两个冷却件21和22在元件I旁边且与元件I相距预定距离地分布，并且从印刷电路板2以图中向上的方向延伸并超过(至少一个)元件I的高度，从而两个冷却件21和22同样以预定距离在散热器4的接触区域41旁边分布，而不接触散热器4。
[0055]在根据图2和3的图示中，多个元件I设置在冷却器件20的前述冷却件21和22之间，其中该设置考虑到以下事实而曲线实现:在这个实施例中，印刷电路板2近似实施为圆形平面的形状，匹配大致圆形实施的外壳3，并进而匹配相应的应用。本发明并不限于对应于(至少大致)圆弧部分的元件I的配置，而是多个元件I还可以具有印刷电路板2上的任何其他配置形式。进一步的说明结合根据图2和3的图示进行，其中多个元件I沿部分圆弧设置。
[0056]冷却器件20，特别是第一和第二冷却件21及22的设置和构造也与相应选择的元件I的设置有关。优选地但不必需地一件式形成的各个冷却件22和21以多边形的方式遵循多个元件I的配置，并因而以预定距离邻近元件I延伸，其中得到图2和3中显示的第一和第二冷却件21和22的形状。为了描绘冷却件21和22的配置，图4中示出冷却件22，而没有示出冷却装置K的任何其他部件。多边形基本对应于在第一和第二冷却件21和22之间设置的多个元件I的数目。
[0057]冷却器件20的两个冷却件21和22包括突起23，散热器21和22可以利用该突起紧固至印刷电路板2。两个冷却件21和22到印刷电路板2的连接至少是机械连接(紧固)，且优选是机械及电子连接。于是在两个冷却件21和22以及印刷电路板2上的导体路径之间存在电连接。关于机械紧固和优选的电连接，突起23突入印刷电路板2的相应开口中，从而冷却件21和22从印刷电路板2并近似垂直于印刷电路板2的平面(例如，图1、
2、6和7中)向上延伸。冷却件21和22可以 焊接在印刷电路板2(用于形成电和机械连接)上，或者可以压入印刷电路板2中的相应开口内。例如焊接方式包括手动焊接、波峰焊接(流动焊接)、选择焊接或回流焊接。
[0058]结果，两个冷却件21和22以它们的部分延伸长度在元件I旁且与其相距预定距离地分布，以其他部分延伸长度在接触区域41旁且同样与其相距预定距离地分布。所述距离涉及与印刷电路板2的平面平行且基本垂直于冷却件21和22的延伸方向的平面。冷却件21和22与至少一个元件I或多个元件I之间的相应距离在元件I (或者多个元件I)的两侧上可以相等或不同。这以同样的方式适用于冷却件21和22在其部分延伸长度上到接触区域41的距离。
[0059]根据图2至4中的图示，两个冷却件21和22优选一件式且以多边形的形式构造，其中形成相应散热器21和22的各个多边形的大量片段24被设置为各自邻近元件I。由于元件I的弧形设置，两个冷却件21和22的各个片段的尺寸不同，其中依赖于元件I的其他配置以及由此各个冷却件21和22的其他构造同样能得到不同的尺寸。
[0060]当根据图5的散热器4安装到根据图2的盖5和印刷电路板2上以使得接触区域41 (其对应于元件I的弧形设置而同样精确地弧形构造或者以或多或少显示出的多边形的形式构造)位于多个元件I上且位于两个冷却件21和22之内时，其他接触区域42同样以较低压力位于其他元件7和8上，使得所有元件I或7和8具有良好的到散热器4的热连接，并且因而保证了从元件1、7和8到散热器4的相应热传导。散热器4在任何位置都不接触冷却器件20的冷却件21和22，而是与这些元件相间隔并因而可靠地电绝缘。
[0061]前面与图1的图示相结合，叙述了各个突出区域51或接触区域41可以直接位于印刷电路板2的下侧面或元件I的上侧面上。然而，优选提供导热材料制成的绝缘层，从而可以提供电绝缘。进一步，通过绝缘层还可以获得弹性支撑，其能够补偿由于加热和冷却而在元件的尺寸中的容差和变动，并且能够衰减在操作期间可能的振动。利用这种配置同样保证了相关元件I (以及元件7和8)的牢固保持。
[0062]同样前面提到，两个冷却件21和22部分地在散热器4的接触区域41旁与其相距预定距离地延伸。根据图1，冷却件21和22与元件I和散热器2的接触区域41之间的空间同样被完全填充，或者至少部分被填充弹性且电绝缘的导热材料11。导热材料11在此平面地接触冷却件21和22以及散热器4的接触区域41，并且可以被分离地引入，或者可以利用浇铸操作而引入在前述元件(1、2、5、21、22、51)之间的空间。
[0063]利用导热材料11，特别是在各个冷却件21和22与散热器4的突出的接触区域41之间建立热连接，从而热量可以从接触区域41传递至冷却件21和22，或者从冷却件21和22传递至接触区域41。于是，导热材料11建立全面的导热但电绝缘的连接，并且可以限制于冷却器件20的两个冷却件21和22内部的空间，或者还可以将在印刷电路板2和散热器4之间以及印刷电路板2和盖5之间的空间至少部分或完全填充其他导热材料12，以改善排出元件I中产生的热量，以衰减在应用于车辆或其他振动机械时的外部影响而造成的振荡并保护外壳3的内部防止腐蚀。下面将结合图7描述在冷却件21和22之间的空间之外的其他导热材料12。在两个冷却件21和22之间的空间中的导热材料11可以与在其他空间中的其他导热材料相同，或者根据期待及要传递的热量和温度负荷而不同。
[0064]导热材料11可以以弹性体的形式引入，可以注入，或者以垫的形式引入，其中在垫的情况中，这些元件在其尺寸方面匹配要被填充的空间，从而保证至少部分平面地接触冷却件21和22和接触区域41。选择导热材料11的各个垫略微大于要填充的空间所需要的，从而它们以较小的压力接触各个元件。
[0065]于是，冷却装置K包括以散热器4和盖5为形式的冷却单元，用于直接冷却设置于印刷电路板2上的元件I (或者大量这种元件I)，并进一步包括前述配置的两个冷却件21和22，其中冷却件21和22经由导热材料11与散热器4热耦合。另外，其他导热材料12还可以在冷却件21和22之间的间隙之外设置在冷却件21和22与散热器4之间的空间中。
[0066]与前述冷却装置K相结合，图6所示的导热路径，特别是从发热元件I到散热器4和盖5的散热路径用于进一步将热量分布并输出到外部，其中这优选由未显示的冷却介质的流动(例如，与换气扇相联系的冷却气流)而支持。
[0067]根据图6，存在从元件I经由印刷电路板2到盖5的突出区域51的第一热传导路径Wl (冷却路径)。第一热传导路径基本上在盖5的良好导热材料中延伸，并且可以由图中未显示的电绝缘导热材料支撑在盖5和印刷电路板2之间的相关空腔中。
[0068]在元件I和散热器4的接触区域41之间形成第二热传导路径W2 (冷却路径)，其中热量直接从至少一个元件I或多个元件I (可能通过在接触区域41和元件I之间的导热材料的薄绝缘层)传递到接触区域41，并从而传递到散热器4，以进一步传递并分布热量。
[0069]由此，通过冷却装置K的冷却单元(散热器4和盖5)提供第一热传导路径Wl和第二热传导路径W2 (第一和第二冷却路径)。
[0070]图6绘出从元件I延伸到邻近元件I的两个冷却件21和22的第三热传导路径W3 (第三冷却路径)，其中由至少一个元件I生成的热量被传递至两个冷却件21和22。利用在冷却件21和22与接触区域41之间的导热材料11，在冷却件21和22与散热器4之间形成热耦合(热传导桥)，从而由冷却件21和22吸收的热量可以利用导热材料11经由接触区域41的侧边同等地传递到散热器。利用冷却器件20的冷却件21和22，实现了由至少一个元件I或多个元件I辐射的热量的附加热量分布。
[0071]以这种方式，作为第一和第二热传导路径Wl和W2的附加，根据本发明的冷却装置K还形成第三路径W3，用于排出在至少一个元件I中生成的热量，从而改进散热并因而改进元件I (或多个元件I)的有效冷却。通过在冷却件21和22与接触区域41之间引入导热材料11，可以形成到散热器4的附加热量传递，并且总体上且附加地，有效改善包括印刷电路板2以及设置于其上的元件(例如，1、7和8)的冷却装置K的机械稳定性和抗振性。同样，加强了防腐性，特别是当其他空间同样完全或至少部分引入电绝缘的导热材料(例如，以其他导热材料12的形式)并防止印刷电路板2上的元件(例如，1、7和8以及其他元件)受到污染时。
[0072]利用平行且部分彼此独立的热传导路径(冷却路径)Wl、W2及W3，保证发热元件I (或其他元件)的有效冷却，从而在相关元件的容差并因而在接触区域41或突出区域51可能暂时不完全接触各个元件I和印刷电路板2的情况中，仍然可以实现经由其余热传导路径Wl、W2或W3之一的充分散热。优选地，通过分布不同的不同热传导路径Wl、W2和W3获得最优热量分布，从而甚至对于元件I的强烈变化的热量生成以及临时的更强或更少的加热，也能够保证元件I的充分且可靠冷却。整个冷却装置K的热量吸收以及因而热容量增加，而无需其他元件或外部冷却件。
[0073]通常，导热材料(诸如导热材料11)由组装前述元件期间引入的物质构成。散热器4的材料优选但不必是金属，诸如铝(铝压铸件)或钢或铜。盖5同样可以由铝、钢或铜制成。以这种方式，实现对于来自元件I以及还可能来自在印刷电路板2的功能区域F中的其他元件的热量的充分排出，从而可以避免在印刷电路板2上的局部热穴，其包括相关元件1(还有7、8)的可能不允许的加热。
[0074]在前述附图2至5中，显示两个冷却件21和22为弧形或多边形的形式。这是匹配在本示例中弧形设置的元件I所需要的。当元件I例如沿着直线或曲线或者以任何其他配置且部分以弧线设置时，冷却件21和22遵循元件I的相应设置，并且在需要时还带有具有各个片段24的多边形。
[0075]于是，本发明不限于根据图2至4的图示的冷却件21和22的弧线设置；而是冷却件21和22还可以具有与此显著不同的形状。在任何情况中，构造图5所示的散热器4的接触区域41，使其遵循元件I的配置，或者是弧线的或者为多边形，其中根据需求，装置中的部分元件I或所有元件I与接触区域41接触，从而在各个元件I和散热器4的接触区域41之间建立可靠的热连接。如果装置的个别元件不需要冷却，则散热器4的接触区域41还可以具有中断地遵循元 件I的布置。
[0076]不考虑这些，可以对于同样发热的其他元件(诸如其他元件7和8)形成其他接触区域42。
[0077]在前述附图1至3中，绘出并关注冷却件21和22的空间布置。通过将冷却件21和22邻近至少一个元件I或多个元件I设置，冷却件21和22还合并入电路系统中并特别地用作电导体。于是，与元件I的操作相结合，电流流经冷却件21和22。冷却件21和22优选由金属制成并因而构成同样的良好电导体，从而也由于用于根据第三冷却路径W3有效耗散元件I的热量而根据冷却件21和22的尺寸的较大导体横截面，对于较高电流也可以有足够的导体横截面。因此，冷却件21和22的电阻较低，从而在冷却件21和22中仅形成较少的焦耳热。
[0078]这里，图7显示了图6中的冷却路径Wl至W3，还显示了第四热传导路径W4(冷却路径)，其也用于冷却件21和22中生成的焦耳热的热传导。除了在冷却件21和22与元件之间的空间特别是在接触区域41中的导热材料11之外，在冷却件21和22之外的空间，即，在各个冷却件21或22和散热器4之间，引入前面已经提到的其他导热材料12，其与导热材料11相同或不同。通过将其他导热材料12引入根据图7的相应空间，形成第四冷却路径W4，其补充并部分平行于第三冷却路径W3，其中第三和第四冷却路径W3和W4彼此独立。根据图7，第四冷却路径W4从各个冷却件21或22经由其他导热材料12延伸至布置在冷却件(图中)之上的散热器4。
[0079]与在印刷电路板2上的具有小得多的导体横截面且因而更少焦耳热的导体路径相比，将冷却件21和22用于导热提供了电阻更小的优点。另外，与从印刷电路板2上的相应导体路径耗散焦耳热相比，冷却件21和22中生成的焦耳热的耗散得到改善。于是，冷却件21和22形式的电导体可以很好地结合在冷却装置K的热量管理中，从而一方面冷却件21和22改善了元件I的散热，另一方面，冷却件21和22中自身生成的热量可以通过电流容易地经由散热器4排出。于是，不同的部分平行且互补的冷却路径Wl至W4构成非常短的冷却路径，其在所涉及的元件方面得到优化，这改善了整个装置的热(还有机械)稳定性。导热材料11和12形成对于各个元件(导热材料设置于这些元件之间)的电绝缘导热桥。
[0080]这里，利用第三和第四冷却路径W3和W4的热传导(热量分布)与在印刷电路板2和散热器4之间的高度上的发热元件(例如，元件I)的大小无关。无论至少一个元件1(或多个元件I)具有较大还是较小尺寸，都获得改进的冷却效果。另外，通过改变在印刷电路板2和散热器4之间的高度上冷却件21和22的膨胀或延展，可以增加发热表面，特别是结合从印刷电路板2开始的冷却件21和22的延展长度，特别是邻近散热器4的接触区域41的散热器21和22的表面(不包括印刷电路板的基底区域)，从而整个装置的尺寸必需增加。通常，热量传递大致正比于所提供的传递表面，即，所涉及的利用合适的导热材料11和12互连的元件的表面。利用引入冷却装置K的导热材料11和12，包括外壳3的整个装置具有良好的热容量，从而在印刷电路板2上的电路操作期间，提供了具有较小波动的较为稳定的温度，并因而提供了所有元件的电特性的较小波动。
[0081]于是，冷却件21和22 —方面可以用作热导体并提供对应于第三冷却路径W3的热传导，另一方面，冷却件21和22还可以用于导电，从而与第三冷却路径W3相结合，冷却件21和22中由于电流所生成的热量可以同样简单可靠地排出和分布。于是，冷却件21和22中生成的焦耳热不会附加地加载到冷却装置K的整个热量管理。于是，当冷却件21和22的材料和尺寸得出相应限定的电阻时，冷却件21和22也可以用作旁路电阻。
[0082]导热材料11和其他导热材料12(其中，两种导热材料可以相同或不同)例如以预制垫的形式使用，正如之前结合导热材料11所描述的。另外，浇注也是可能的，其中相应的导热材料被选择性地引入相关位置(即，在外壳3中的相关空间)。对于至少部分空间或者整个空间执行浇注。在不同导热材料11或12的情况中，可以执行多次浇注过程。
[0083]参考附图利用实施例详细描述了本发明。然而，本发明不限于本说明书以及附图中给出的尺寸。本发明包括由所附权利要求涵盖的所有主题。
【主权项】
1.用于发热的元件⑴的冷却器件，其中至少一个元件⑴设置在印刷电路板⑵上，以及其中: -所述冷却器件(20)具有第一和第二冷却件(21，22)，以及 -所述两个冷却件(21，22)在所述印刷电路板(2)上与所述至少一个元件(I)邻近并相距预定距离地设置在所述元件(I)的彼此相对的侧面。2.根据权利要求1所述的冷却器件，其中所述冷却件(21，22)具有多个片段(24)，所述片段各自平行于所述至少一个元件(I)的相应侧面设置并且远离所述印刷电路板(2)延伸。3.根据权利要求1或2所述的冷却器件，其中在所述至少一个元件(I)上设置冷却单元(4)，并且所述冷却单元(4)具有接触区域(41)，该接触区域位于所述至少一个元件(I)上以用于热接触，以及其中所述冷却器件(20)的所述冷却件(21，22)在所述至少一个元件(I)之上邻近所述接触区域(41)且远离所述印刷电路板(2)延伸并且与所述接触区域相间隔。4.根据权利要求3所述的冷却器件，其中在各个冷却件(21，22)和所述冷却单元(4)的所述接触区域(41)之间的空间引入导热材料(11)，以在各个冷却件(21，22)和所述冷却单元(4)的所述接触区域(41)之间形成热耦合。5.根据权利要求1至4中任一项所述的冷却器件，其中在多个元件(I)的情况中，所述冷却件(21，22)邻近每一元件(I)设置，并且邻近每一元件(I)设置各个冷却件(21，22)的一个片段(24)。6.根据权利要求5所述的冷却器件，其中所述多个元件(I)沿直线或任意曲线设置，并且所述冷却器件(20)的所述冷却件(21，22)遵循所述多个元件(I)的布置路线，其中邻近每一元件(I)在该元件的不同侧面上各自设置相关冷却件(21，22)的一个片段(24)。7.冷却装置，用于冷却至少一个设置在印刷电路板(2)上的发热的元件(1)，包括: -形成外壳⑶的冷却单元(4，5)，其包括散热器(4)和盖(5)，其中 -在所述外壳(3)的组装状态下，所述印刷电路板(2)布置有在所述散热器(4)和所述盖(5)之间的所述至少一个元件(I)，并且所述散热器(4)具有接触区域(41)，该接触区域位于所述至少一个元件(I)上以用于形成热接触，并且所述盖(5)在所述至少一个元件(I)的区域中具有突出区域(51)，该突出区域在所述印刷电路板⑵背离所述至少一个元件⑴的侧面上接触所述印刷电路板(2)，以及 -根据权利要求1至6所述的冷却器件(20，21，22)。8.根据权利要求7所述的冷却装置，其中，在多个元件(I)的情况中，所述散热器(4)的所述接触区域(41)和所述盖(5)的所述突出区域(51)总是遵循所述元件⑴在所述印刷电路板(2)上的布置，其中所述散热器(4)的所述接触区域(41)接触至少一些或全部元件⑴。9.根据权利要求7或8所述的冷却装置，其中所述冷却器件(20)的所述冷却件(21，22)远离所述印刷电路板(2)延伸并与所述散热器(4)的所述接触区域(41)侧向相邻且相距预定距离地分布，并且其中所述散热器(4)和所述盖(5)之间的空间完全或至少部分具有导热材料(11)。10.根据权利要求7至9之一所述的冷却装置，其中所述冷却器件(20)的所述冷却件 (21,22)与所述印刷电路板(2)机械及电连接，并且用作电导体。
【专利摘要】本发明涉及一种用于发热元件的冷却器件，其中至少一个元件设置在印刷电路板上，并且其中冷却器件具有第一冷却件和第二冷却件。两个冷却件在印刷电路板上相邻地且与至少一个元件相距预定距离地设置在元件的彼此相对侧。本发明还涉及一种冷却装置，用于冷却在印刷电路板上设置的至少一个发热元件，其中使用所述冷却器件。
【IPC分类】H05K7/20
【公开号】CN104902730
【申请号】CN201510107939
【发明人】沃尔夫冈·巴斯
【申请人】Hkr佐伊费尔汽车有限两合公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月6日
【公告号】DE102015103096A1, DE202014002060U1, US20150257309
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