制造冷却元件的方法及一种冷却元件

制造冷却元件的方法及一种冷却元件

本发明涉及制造电源电子部件和其他电器装置用的冷却元件的方法。

本发明还涉及根据本发明制造的一种冷却元件。

电器装置用的冷却元件最通常的情况是由切成适当长度的长形挤出铝型材制成。用挤出法可方便地生产出许多种类的型材，因此可十分简单地生产出适用于不同需要用途的型材，而且用这种方法能制造出大量不同种类的冷却元件。然而，尤其是对于电源电子部件的冷却而言，用挤出的铝型材制造的元件具有许多缺点。对于新式部件而言，用相对较小的装置就能处理很大的电功率。当这么高的功率被引导通过一个半导体部件时，很自然，功率损耗导致加热该部件。这种热产生在一个小范围内并且通常采用空气冷却来除热。空气冷却元件的热传导能力尤其取决于被冷却表面的面积以及从热源到该表面的距离，即传导的长度。由于该元件的尺寸实际上总是由于结构原因而受到限制，一定尺寸的冷却器的冷却能力取决于：在一定容积中能装填多大冷却面积。借助于强制的空气流动能显著地增加冷却能力，但元件必需因此被设计成不阻止冷却空气流往其他元件。

冷却元件也可用铸造法制成。例如，压铸能用来有效和成本合理地制造大量的冷却元件，所以这是成批生产大量需要的类似元件的先进方法。与挤出型材相比，铸件能更自由地成形，但是由于冷却元件的散热片必需借助于铸模和放置在铸模中的芯子来成形，散热片最大密度以及散热片厚度受到限制。该铸件的所有部分必需具有不变的横截面，以便能充填铸模并防止铸件凝固时产生的变形破坏铸件。铸造用具必需经得起反复的铸造和热的浇铸合金，所以在铸模中必需没有任何很薄的表面，因为这样的表面会由于损伤铸模的应力而迅速受到破坏。因此，不可能应用目前的铸造方法来生产具有高密度散热片的冷却元件。

冷却元件必需用具有良好热传导性能的材料制造。因此，铜本应是用于冷却元件的良好原材料，但是它价格高而且重，因此冷却元件通常用铝基轻金属合金制造。通常，轻金属合金具有良好的铸造性能，并且特别适用于压铸。

本发明的目标是提供一种用压铸技术生产具有高密度散热片的冷却元件的方法。

本发明建立在下述基础上：把一个由薄板组装的插入物放置在铸型的芯子中并用压铸成形法将冷却元件本体固定在薄板组件上，从而形成一个包括本体的和一组冷却散热片的整体元件。

详言之，本发明方法的特征记载在权利要求1特征部分中。

本发明提供十分可观的利益。

根据本发明的方法能制造一组冷却散热片，所述散热片的密度比用传统压铸法制造的散热片密度高出很多。这具有极端的重要性，因为由电源电子部件处理的功率与该部件尺寸之比已增大，因此大的冷却能力必需与一个紧凑空间相适应。该元件本体被紧密地附着在薄板组件上，因而在本体和薄板组件之间没有妨碍热传导的空气通道形成。在一些有利的条件下薄板组件表面能由于浇铸材料帮助熔化，形成一个完全无缝的构件。插入物和浇铸材料是同样的材料或至少基本相同类型的合金，从而防止由于铸件内材料的不同热膨胀而产生应力。该生产方法容易自动化。

下面参照附图，详细介绍本发明，其中：图1是本发明冷却元件的透视图；图2是图1元件的顶视图；图3描述单个冷却翅片；图4表示用来生产该元件的铸型芯子部分的一个横截面，一个由图1中的翅片组成的插入物组件已安放在其中；而图5是图4芯部的透视图。

图1和2所示的冷却元件包括一个本体元件零件1以及一个用铸造法整体连结在此处的插入物组件2，因而所述组件形成该元件的冷却翅片。本冷却元件是一个盒状构件，其本体1边缘由一个在盒壁形成的折边3围绕着。插入物组件2处于盒的中央，而且组件2的上表面大致位于折边3的边缘高度处。折边部分3上形成一个冷却空气循环用的开口4。因为本发明不涉及冷却元件的外形，在此只是提供一种可能结构作为实例。显然，本发明能应用于各种形状的冷却元件。

本发明建立在下述基础上：用铸造法将一个预先制成的插入物组件2连接到材料相同或基本相同的本体1上。借助于把多块挤压铝质型材制成的薄板5压在一起的方法制成插入物组件2，从而形成压紧连接的统一的块。图3表明一块薄板的结构。薄板5两侧具有多个齿状物6、7和8，它们被设计成在薄板相对侧面上的齿可相互啮合，从而允许相互紧靠的齿这样排列，以致于邻接薄板5的齿状物与下一薄板5的齿间缝隙配合。最长的齿状物6在形成插入物组件2的底部9的边缘形成，而短齿状物7、8在薄板5的中部和相对边缘形成。插入物组件2由这些薄板5通过下述方法制成：将所需数量的薄板5相互紧靠地压紧在一起，因而借助于压紧连接将它们相互固定。在已经连接在一起之后，精细地加工薄板组件尤其是它的底部9以便配装铸型的芯部10。

芯部10的横截面如图4所示，而透视图如图5所示。在浇铸此元件时最重要的是，在芯部10和插入物组件2之间连接处必需密封以致于没有熔融的铸造金属能流入插入物组件2用的凹槽11以及冷却薄板之间。在此处所示的芯部10的情况下，密封采用三个阶段来实现。插入物组件的薄板部分12被加工以便具有一个稍呈锥形的形状，借此严密地压紧在矩形凹槽之中。锥角必需小以便不影响加工后的构件分离，甚至是一个很小角度就足以提供良好的密封效果。在这个实例中，锥角α是1.0°。插入物组件的底部9加工出一个台阶，该台阶具有比薄板零件5宽的边界。芯部10具有一个相符的台阶形凹槽，插入物组件2的经过加工的底部9能精确地配合在其中。芯部凹槽的最外边缘做成倾斜的，借此底部9外边缘也在此处形成密封的倾斜连接。倾斜角β必需小，这是因为在插入物组件底部9和芯部10之间不必形成熔融金属能透过的缝隙。此外在底部的熔化物进入侧装备着一个倾斜边缘14，它有助于铸型的充填和熔化物的流动，在这个实例中熔化物流用箭头A标出。

冷却元件的浇铸这样实行，使得一个与芯部10密封连接的插入物组件被放置在铸型中。芯部实际外形在此处没有显示，但是它由一个形状与被生成构件轮廓相符并且围绕芯部10安置的腔形成。在浇铸之前，铸型被加热到200℃的温度并被闭合，在此之后用一个与插入物组件材料相符的熔融材料充填铸型。浇铸熔化物的温度约为630℃，浇铸速度为25m/s。

插入物组件底部9最好是厚重一些，这是因为它必需能承受熔融浇铸材料的热效应而不会完全熔化。上文所述冷却元件的底部厚度为21mm，而且在该底部和一个闭合铸型壁之间保留大约3mm间隙。因此，在底部9质量和浇铸材料质量之间的差别这么大以致于不存在底部9被熔化的危险。熔化物和铸型的温度被升高到这样的高度，使得至少插入物组件底部9的表面熔化。因此，随着熔化物的凝固，插入物组件变成为铸件的一部分。然而，甚至在不发生插入物组件显著熔化的同时就完成了良好的连接。

不言而喻，冷却元件、芯部、插入物组件以及铸型的形状将根据被生产构件而变化。浇铸的金属合金以及插入物组件的材料可以变化，但最好是彼此相应致使它们的熔点和混合比相互接近，这使得用熔化插入物组件表面的方法将插入物组件连接到铸件上成为可能。铸型预热温度以及熔化物浇铸温度根据被浇铸材料而变化，但在铝合金情况下铸型温度最好应为至少200℃，而合金的浇铸温度为630℃。更高的温度会确保插入物组件熔化，但另一方面铸型冲蚀以及与高浇铸温度有关的其他问题将会增加。除了铝合金之外，例如镁合金也可使用，但浇铸合金和插入物组件必需总是具有相同的原始组分。

如果一种密封方法能获得足够的密封度，上文所述的在插入物组件和芯部之间的三阶段密封就不总是必需的。密封表面的结构在很大程度上取决于被生产元件的结构。

根据本发明，插入物组件能颠倒放置在铸型中。根据模拟，较薄插入物组件端部的温度似乎因此会提高到一个比该较厚插入物组件端部温度要高大约150℃的温度。在这一模拟中插入物组件/铸件分界面不遭受任何强烈熔化。