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CN101405561B - 热交换器及其制造方法 - Google Patents

热交换器及其制造方法 Download PDF

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CN101405561B CN2007800093659A CN200780009365A CN101405561B CN 101405561 B CN101405561 B CN 101405561B CN 2007800093659 A CN2007800093659 A CN 2007800093659A CN 200780009365 A CN200780009365 A CN 200780009365A CN 101405561 B CN101405561 B CN 101405561B
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Abstract

为了制造一种包括金属基座(11)和翅片(12)——该翅片具有由再压缩膨胀石墨制成的部分(125)——热交换器，通过在形成基座(11)的两个不同的零件(113、113A、113B)之间挤压可变形部分(121)来插入(Fi)至少一个翅片(12)的边缘(121)。所述可变形部分可以是翅片的边缘(121)或附装于此边缘区域中的零件。

Description

热交换器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种制造设计用于冷却至少一个电力电子部件的热交换器的方法。本发明还涉及这种热交换器。
背景技术
热交换器通常用于避免电力电子部件——例如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)回路或等同设备——的有害的过热。如文献FR-A-2 777 986中所述，这样的热交换器可包括其上安装有管道的板，冷却流体通过所述管道进行循环。如US-A-2004/0000391中所设想的，这种热交换器还可包括其上安装有石墨翅片的金属基座，这些翅片接合在机械加工于所述基座内的槽道中。即使使用摩擦配合，这些翅片的机械紧固也不是持久的，特别地，基座温度的持续升高使得其尺寸变化和翅片的变化不一致。因此，翅片和基座的热接触易于随时间劣化，这不利地影响热交换器的整体效率。
当制造包括金属基座和具有高热传导性(用瓦特每米摄氏度(W/m℃)表示)的翅片的热交换器时，会出现这样的问题——如何将具有不同特性的各个元件紧固在一起。所述翅片可通过钎焊或粘接而机械地组装到基座上，这将具有前述缺点。钎焊紧固保证优质的热传递，这在需要最大冷却效率的应用场合中是有利的。但是，该方案具有这样的缺点——需要在组装之前对待组装的零件施加涂层，这些涂层相对于其设计用途而言通常是昂贵的。此外，某些翅片材料的特性不能接受这样的处理和/或承受由于钎焊而引起的温度升高。有时会使用粘接。在这种情况下，由于翅片材料而获得的热性能的提高大部分在粘接中丧失，其中所使用的产品的导热率非常低。
发明内容
更具体地，本发明的目的是通过提出一种制造热交换器的方法来克服这些缺点，所述方法使得能够在机械意义上以及热学意义上将翅片最佳地紧固于基座。
为此，本发明提供一种制造热交换器的方法，所述热交换器设计用于冷却至少一个电力电子部件，所述热交换器包括金属基座和翅片，翅片中的每一个均具有由再压缩膨胀石墨制成的部分，所述方法的特征在于包括以下步骤：
a)通过在基座的两个不同构件之间挤压可变形部分来嵌置至少一个翅片的边缘。
借助于本发明，可变形部分在基座的两个构件之间受压，使得基座机械稳定地保持住翅片并在基座和翅片之间形成最佳的热接触。
在本发明的有利的但是可选的方面，这种方法可结合一个或多个下列特征：
·在步骤a)之前还包括步骤b)，其中通过使得翅片的边缘厚度比翅片的设计成相对于基座伸出的部分的厚度大来形成可变形部分。在步骤b)结束时，可变形边缘的厚度有利地比翅片的设计成相对于基座伸出的部分的厚度大20％到40％。
·在步骤a)之前还包括步骤b’)，其中可变形部分形成为单独的零件，然后该零件设置在翅片边缘附近、位于基座的构件之间。在步骤b’)中，可变形部分形成为大致呈槽形截面的形状，适于盖住翅片的边缘。
·在步骤b)或步骤b’)中，可变形部分的高度大致等于翅片在上述基座构件之间的嵌置高度。
本发明还涉及一种适于由上述方法制造的热交换器，更具体地涉及一种包括金属基座和翅片的热交换器，翅片中的每一个均具有由再压缩膨胀石墨制成的部分，所述热交换器的特征在于基座由多个不同的构件构成，在至少两个所述构件之间嵌置有翅片的边缘，在翅片的边缘处，翅片的一部分由于在基座的两个上述构件之间受挤压而变形。
在本发明的有利但是可选的方面，这种热交换器可结合一个或多个下列特征：
·变形部分由翅片的边缘构成，所述边缘与翅片的相对于基座伸出的部分形成一体。
·变形部分是插置在翅片的边缘与基座的至少一个构件之间的零件，该边缘嵌置所述构件之间。
·基座的两个相邻构件相接合的区域的轮廓具有适于相互配合的锯齿，变形部分设置在所述轮廓的两个端部区域之间。
附图说明
通过以下和本发明的原理及制造方法一致的热交换器的两个实施例的描述可更好地理解本发明，本发明的其他有利之处也更加明显，描述仅作为示例并参考附图而给出，其中：
图1是装配有两个电子部件的本发明的热交换器的透视图；
图2是图1的热交换器在制造时的示意性侧视图；
图3是图2的细节III的放大图；
图4是图1的热交换器的局部侧视图；
图5是本发明的热交换器的第二实施例的类似于图4的视图；以及
图6是图5中的热交换器在制造时的局部示意性侧视图。
具体实施方式
图1到图4中所示的热交换器1包括基本呈矩形块体形状的基座11，其上安装有翅片12，翅片使得可将热量耗散到周围的空气中，所述热量通过安装在基座11的面111上的两个电子部件2和2’传递到基座11上，所述面111和面112相对，翅片12从面112延伸。
基座11由将挤出成型的铝制元件113组装在一起而构成，铝制元件113除了端部元件113A和元件113B之外都是完全相同的。在一个变型中，端部元件可以和其它元件113相同，在这种情况下，基座11的小端面116和端面117带有肋。
基座11的元件113、元件113A和元件113B是不同的零件，必须组装到一起以形成基座。
元件113的每侧都具有带锯齿的轮廓，由一系列的平行于基座11的端面116和端面117延伸的槽道114和肋115形成，所述端面116和端面117由元件113A和元件113B中相应的一个限定。各个元件113的槽道114和肋115以这样的方式设置，使得在组装基座11时它们可以相互配合并楔入相邻元件113的槽道和肋。换句话说，在每个元件113的延伸于面111和面112之间的高度H113的大部分上，设置在同一元件113两侧的锯齿状轮廓彼此互补。
在面112的附近，锯齿状轮廓并不精确地互补，因此在组装基座11后，在两个相邻元件113之间留有用于容置翅片12的根部121的凹部118，所述根部构成翅片的边缘，该边缘通过嵌置于其锯齿状轮廓彼此协作的两个元件113的相对的面119和119’之间而保持不动。换句话说，表面119和119’协作以在它们之间限定一凹部118。
除了元件113A和113B之外，每个元件113都设置有表面119和表面119’，所述表面分布在所述元件的中面P113的两侧。
如在图3中可更具体地看到的，翅片12在安装到基座11前，其根部121的厚度e121大于翅片12的部分122的厚度e122，该部分122设计成在热交换器1组装好后伸出基座11的面112。根部121和部分122形成一体。在实践中，厚度e121比厚度e122大20％到40％。例如，厚度e121可以是大约2毫米(mm)而厚度e122是大约1.6mm。
在制造翅片12时，根部或可变形边缘121这样形成——其在基本等于凹部118的深度p118的高度h121上的厚度为e121，该凹部118设计成嵌置可变形边缘121，该深度p118等于垂直于面111和面112所测得的表面119’的高度。
每个翅片12由芯部125形成，该芯部125用通常也称为“柔性石墨”的再压缩膨胀石墨的板制成，所述芯部包覆有覆层123，覆层123由靠置在翅片12的侧面上的两个铝金属箔带123A和123B制成，金属箔带赋予翅片良好的强度以及一定量的柔性，使得翅片可变形。芯部125和箔带123A、123B可通过机械锚接和相互层压紧固在一起。
在制造热交换器1时，翅片12的根部121插入在每对元件113的相对的面119和面119’之间。然后通过在面116和面117上施加由图2中的箭头F1表示的夹紧力来组装基座11，直到肋115完全嵌置于对应的槽道114中，从而形成凹部118。然后，基座11通过元件113锯齿的紧密相互配合而保持这种构型。
因此，通过形成基座11、将元件113、元件113A和元件113B组装在一起以及将它们更加紧密地夹在一起，各个翅片12的根部121通过被压紧于凹部118中而保持不动。元件113、元件113A或元件113B在受夹时施加挤压根部121的力。
由于通过力F1获得的更加紧的夹持，各个根部121在嵌置于相应凹部118中时由于挤压而变形。槽道114的深度以及肋115的高度以这样的方式选择——凹部118的相对的面119和面119’之间的距离d118基本上等于厚度e122。
鉴于柔性石墨芯部125具有可以压缩而不破坏的能力，翅片12和基座11通过嵌置而机械地/通过机械手段组装在一起的结果是：各个翅片12以有效的方式机械地保持，且在基座11和翅片12之间形成令人非常满意的热接触。
在实践中，在本发明的未示出的方面，肋115和槽道114的厚度确保使得在元件113通过力F1组装在一起之后，肋115完全嵌置在槽道114中，因此使所得基座具有一非常坚固且不可分离的机械结构。
元件113可通过挤出而制得，其中制造公差在基座11的组装期间通过翅片12的嵌置而得以吸收。不需要为了将翅片12永久地保持在基座11上而进行钎焊，从每个翅片12的芯部125的特性来看这是非常有利的。
作为例子，厚度e121可以是大约2mm，而距离d118大致在1.6mm到1.9mm的范围内。在此情况下，当根部121嵌入时，其厚度缩小量在5％到20％的范围内。
在图5和图6所示的本发明的第二实施例中，和第一实施例的元件类似的元件用相同的标号表示。在第二实施例中，通过将铝制型材元件113组装在一起而形成基座11。每个翅片12由芯部125和金属覆层123构成。它们在整个高度上具有相同的厚度。可变形的衬套124设置为在组装前在结构上独立于热交换器1的构件11和12的零件。这些零件124通常为大致U形截面或槽形截面的沟槽，使得其每一个都能盖住相应翅片12的边缘121，零件124插入凹部118中，如第一实施例所示，所述凹部118限定在基座11的面112附近，位于分别属于两不同元件113的两个相对的面119和面119’之间。
在第二实施例中，零件124和第一实施例的可变形根部121起到相同的作用，即它们都设计成在为组装基座11而施加的夹紧力的作用下受挤压而变形。这些零件124不仅将翅片12相对于基座11机械地保持不动，而且在翅片12和基座11之间形成优良的热接触。
零件124可由任何与其功能相适合的材料——特别是例如由铜或铝制造的金属箔带——制成。和翅片12的芯部125类似，它们优选地由也称为“柔性石墨”的再压缩膨胀石墨制成。
在插入到两个元件113之间以前，零件124的总厚度表示为e124。由于在基座11组装过程中所施加的夹紧力F1而导致的压缩，在制造热交换器时所述厚度减小。在此情况下，假设由每个零件124形成的槽形截面的凸缘延伸有一定的厚度，凹部118的相对的面119和面119’之间的距离d118并不等于翅片12的伸出基座11的部分122的厚度e122。
各个零件124的高度h124至少等于凹部118的深度p118。
因此，当通过将构件113及等同构件组装在一起而形成基座11时，通过用元件113及等同元件来将零件124压到该零件变形的程度，使得翅片12在凹部118中保持不动。
在本发明的未示出的变形中，形成可变形部分的零件可在相应的凹部118中仅设置于翅片12的一侧上，即或者位于相应凹部118的表面119的相同侧，或者位于表面119’的相同侧。在另外的变型中，可在翅片112的嵌置于凹部118中的部分的任一侧上设置一零件，但是两个零件不通过与图6所示的U形或槽形截面的腹板相对应的构件连接在一起。
不管采用哪一实施例，都可省去箔带覆层，因而翅片仅由石墨制成。
在另外的变型中，当省去覆层时，芯部125或整个翅片12可由包括石墨和例如粘合剂的其他材料的混合物制成。

Claims (10)

1.一种制造热交换器(1)的方法，所述热交换器设计用于冷却至少一个电力电子部件(2、2’)，所述热交换器包括金属基座(11)和翅片(12)，所述翅片(12)中的每一个均具有由再压缩膨胀石墨制成的芯部(125)，所述方法的特征在于包括以下步骤：
a)通过在所述基座的两个不同构件(113、113A、113B)之间挤压(F1)可变形部分来嵌置至少一个所述翅片的边缘(121)；
其中，所述可变形部分是所述翅片(12)的一部分，或者是设置在所述翅片的边缘(121)附近且独立于所述基座(11)和所述翅片(12)的零件(124)；并且所述基座(11)由多个不同构件组成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括位于所述步骤a)之前的步骤，其中：
b)通过使得所述翅片(12)的边缘(121)厚度(e121)大于所述翅片的设计成相对于所述基座(11)伸出的部分(122)的厚度(e122)来形成所述可变形部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述步骤b)结束时，可变形边缘(121)的厚度比所述翅片的设计成相对于基座(11)伸出的部分(122)的厚度大20％到40％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括位于所述步骤a)之前的步骤，其中：
b’)所述可变形部分形成为单独的零件(124)，然后所述零件设置在所述翅片的边缘(121)附近、位于所述基座(11)的构件之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤b’)期间，所述可变形部分形成大致呈槽形截面的形状，适于盖住所述翅片(12)的边缘(121)。
6.根据权利要求2到5中任何一项所述的方法，其特征在于，在步骤b)或步骤b’)期间，所述可变形部分的高度(h121；h124)大致等于所述翅片(12)在所述基座(11)的构件之间的嵌置高度(p118)。
7.一种设计用于冷却至少一个电力电子部件(2、2’)的热交换器(1)，所述交换器包括金属基座(11)和翅片(12)，所述翅片(12)中的每一个均具有由再压缩膨胀石墨制成的芯部(125)，所述热交换器的特征在于，所述基座由多个不同的构件构成，在至少两个所述构件之间嵌置有翅片的边缘(121)，在所述翅片的边缘处，翅片的一部分或形成为单独的零件的可变形部分由于在基座的两个所述构件之间受挤压而变形。
8.根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，变形的部分由所述翅片(12)的边缘(121)构成，所述边缘与翅片的相对于所述基座(11)伸出的部分(122)形成一体。
9.根据权利要求7所述的热交换器，其特征在于，变形的部分是插置在所述翅片的边缘(121)与基座(11)的至少一个构件之间的零件(124)，该边缘嵌置在所述构件之间。
10.根据权利要求7到9中任何一项所述的热交换器，其特征在于，所述基座的两个相邻构件相接合的区域的轮廓具有适于相互配合的锯齿(114、115)，变形的部分设置在所述轮廓的两个端部区域(119、119’)之间。
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