(57)【要約】  本発明は、電気的な機器、特に給電装置の冷却装置であって、この冷却装置が、冷却体（１）を有しており、この冷却体（１）が、基本的に気密に閉じられた、電気的な機器のハウジング内に配置されており、冷却体（１）が、冷却手段により貫流可能になっており、冷却体（１）に、熱発生器（１２）、特に電気的な構成部分が組付けられており、これらの電気的な構成部分が、接触による伝達により熱を冷却体（１）に放出するようになっており、ハウジング内に含まれた空気を冷却するために、冷却体（１）に、付加的に熱伝導するように冷却体（１）に結合された熱交換手段（９．１，９．２）が配置されている冷却装置に関する。この形式の冷却装置を、効果的な熱導出を伴うコンパクトな構成で実施することができる。
2007529883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的な機器、特に給電装置の冷却装置であって、該冷却装置が、冷却体（１）を有しており、該冷却体（１）が、少なくとも基本的には気密に閉じられた、電気的な機器のハウジング内に配置されており、前記冷却体（１）が、冷却手段により貫流可能になっており、冷却体（１）に、熱発生器（１２）、特に電子的な構成部分が組み付けられており、該構成部分が、接触による伝達により熱を冷却体（１）へ放出するようになっている形式のものにおいて、ハウジング内に含まれた空気を冷却するために、冷却体（１）に、付加的に熱伝導するように冷却体（１）に結合された熱交換手段（９．１，９．２）が配置されていることを特徴とする、電気的な機器の冷却装置。
【請求項２】
ハウジング内にファンが配置されている、請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
熱交換手段（９．１，９．２）が、薄片状に形成されている、請求項１又は２記載の冷却装置。
【請求項４】
熱交換手段（９．１，９．２）が、冷却体（１）の一方の側に配置されており、かつ熱発生器（１２）が、冷却体（１）の向かい合った側に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項５】
熱交換手段（９．１，９．２）が、冷却体（１）の、特に向かい合った２つの側に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項６】
熱交換手段（９．１，９．２）が、熱発生器（１２）の間に配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項７】
冷却体（１）内に、冷却手段通路（２）が形成されており、該冷却手段通路（２）が、熱発生器（１２）の組付け位置に沿って延在している、請求項１から６までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項８】
種々異なった高さの熱交換手段（９．１，９．２）が設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項９】
薄片状の熱交換手段（９．１，９．２）が、冷却体（１）の熱交換溝（８）内にはんだ付けされている、請求項３から８までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項１０】
複数の熱交換手段（９．１，９．２）が、互いに平行に配置されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項１１】
冷却体（１）及び／又は熱交換手段（９．１，９．２）が、銅、又は高価な金属から成っている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項１２】
冷却体（１）を作製する方法において、次の方法ステップ、すなわち、
ａ．冷却体（１）内に冷却手段通路溝を形成し、
ｂ．該冷却手段通路溝をカバー部（４）により閉鎖することにより、冷却手段通路（２）を形成し、
ｃ．冷却体（１）に熱交換手段（９．１，９．２）を配置する、
ステップを設けることを特徴とする、冷却体（１）を作製する方法。
【請求項１３】
熱交換手段（９．１，９．２）の配置が、冷却体（１）内に複数の熱交換溝（８）を設け、これらの熱交換溝（８）内へ熱交換手段（９．１，９．２）を挿入することを含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
特に２７０〜３５０℃までの範囲、特に有利には２９０〜３０７℃までの範囲の第１のはんだ付け温度でカバー部（５）を冷却体（１）にはんだ付けし、特に≦２３０℃、特に有利には≦２００℃の第２のより低いはんだ付け温度で熱交換手段（９．１，９．２）を冷却体（１）にはんだ付けする、請求項１２又は１３記載の方法。
【請求項１５】
はんだ付けを、それぞれ誘導加熱により行う、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
熱交換手段（９．１，９．２）の挿入前に、熱交換溝（８）にはんだ付け補助剤を設ける、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
冷却手段通路溝を設けた後に、冷却手段通路（２）に沿って広幅な第２の凹部（５）を形成し、該第２の凹部（５）の高さが、カバー部の厚さにほぼ対応するようにする、請求項１２から１６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１８】
溝をフライス加工する、請求項１２から１７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１９】
カバー部（４）をレーザ切断により形成する、請求項１２から１８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
冷却体（１）内に、熱発生器（１２）のための組付け補助装置、特に組付け孔（１４）を設ける、請求項１２から１９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
カバー部（４）を冷却体（１）にはんだ付けした後に、冷却体（１）の表面（６）を平面的にフライス加工する、請求項１２から２０までのいずれか１項記載の方法。
【請求項２２】
熱交換溝を設ける前に、第１の層（１６）と、冷却手段通路溝が形成される第２の層（１５）とカバー部とから成る積層をはんだ付けする、請求項１２から２１までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的な機器、特に給電装置の冷却装置であって、この冷却装置が、冷却体を有しており、この冷却体が、気密に、又は基本的に気密に閉じられた、電気的な機器のハウジング内に配置されており、冷却体が冷却手段により貫流可能になっており、この冷却体に、熱発生器、特に電子的な構成部分が組み付けられており、これらの電気的な機器が接触による伝達により熱を冷却体へ導出するようになっている形式のものに関する。
【０００２】
基本的に気密に閉じられたハウジングとは、理想的には気密であるが、しかしながら、意図的ではなく漏れ部又は小さいギャップを有しており、これらの漏れ部又はギャップを介してわずかな量の空気が入り込む又は漏れ出すことができるハウジングのことである。いずれにせよ、これらのハウジングには冷却のための空気流が意図的には供給されないか、若しくは加熱されたより大量の空気がハウジングから導出される。
【０００３】
例えば、プラズマ励起のための変圧器（給電装置）のハウジングは、しばしば気密に閉じられている必要がある。このことは、このような機器がしばしば清潔なスペース内に挿入されるので必要である。ハウジングの内部に組付け後に存在している粒子は、清潔なスペース内へ到達してはならない。それ故、ハウジングと周辺との間の空気交換を行う空気は、冷却のためには適していない。しかしながら、機器が、周辺空気がハウジング内へ到達することが阻止される必要のある汚染された環境で使用される場合の用途も考えられる。
【０００４】
ハウジング内に配置された構成エレメントにより生ぜしめられた熱を、冷却液システムを介してハウジングから導出することが公知である。通例ではこの冷却液は、ハウジング内に配置された冷却体を貫流する。この冷却体には、運転中に加熱された構成部分が熱的に連結される。冷却体に連結され得ない、又は完全には連結され得ない構成部分は、通例では周辺空気により冷却される。この周辺空気はハウジングを離れることができない。機器を内部で加熱する蓄熱が生じる。機器及び構成部分の過熱を阻止するためには、空気の側が冷却される必要がある。このためには、しばしば独立した冷却液循環回路を有する熱交換器が使用される。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許第１９５２４１１５号明細書につき冷却システムが公知である。この冷却システムは、閉じられたシステム内の空気から熱エネルギを冷却手段循環回路へ導出する。この場合に、ハウジング内に配置された電子的な構成部分において加熱された空気が中間通路内で冷却される。この中間通路は、次いで第２の空気循環部を介して熱を大気へ導出する。付加的に冷却液循環回路が設けられており、この冷却液循環回路により、ハウジング内に配置された整流器が冷却され、冷却液循環回路の冷却液は大気による冷却器により冷却される。
【０００６】
出願人は、冒頭で述べた形式の冷却装置を改良し、この形式の冷却装置の冷却体を作製する方法を提供するという課題を設定した。
【０００７】
本発明によれば、この課題は、冒頭で述べた形式の冷却装置において、冷却体で付加的に熱伝導するように冷却体に結合された、ハウジング内に含まれた空気を冷却するための熱交換手段が配置されていることにより解決される。
【０００８】
この形式の冷却装置は、直接に組み付けられた構成部分を冷却するための、水冷却プレートの形で形成されてよい冷却体と、機器内部空気を冷却するための熱交換器とをコンパクトな構成形式で一つにまとめている。このような冷却装置により、ハウジング内の空気を冷却するための付加的な空気／水熱交換器はもはや不可欠ではない。付加的な水接続部は不要であり、これにより、漏れの危険が減じられる。この装置は、特にコンパクトな機器において熱的な要請及び機械的な状況に極めてフレキシブルに適合可能である。熱交換手段の対応した構造により、３次元的な構成が簡単かつ安価に実施され得る。熱交換手段のジオメトリは用途に合わせて選択可能である。熱交換手段を冷却するためには独立した冷却手段循環回路は不可欠ではない。冷却体と熱交換手段とは、スペースを節約して１つの構成エレメントの形で実施することができる。
【０００９】
ハウジング内にファンが配置されている場合には特に有利である。これにより、加熱された空気の循環を得ることができ、加熱された空気による熱交換手段の良好な表面の接触を行うことができる。これにより、ハウジング内部空気の冷却をより効果的に構成することができる。
【００１０】
有利には、熱交換手段は薄片状に形成されている。これにより、空気から熱を吸収するための熱交換面が機器内部で最大化される。
【００１１】
冷却体が冷却プレートの形で形成されており、この冷却プレートから熱交換手段が突出している場合には特に有利である。これにより、コンパクトな構成が確保される。プレート状の冷却体には、熱を発生させる電気的な構成エレメントを、特にスペースを節約して配置することができる。
【００１２】
本発明の有利な構成では、熱交換手段と熱発生器とが、冷却体の向かい合った側に配置されていることが規定されていてよい。このような手段により、冷却体の、構成エレメントが配置されていない裏側には、ほぼ完全に、ハウジング内に含まれる空気を冷却するための熱交換手段が設けられている。このことは、冷却体が一方の側では構成エレメントの熱を吸収し、この熱を冷却液に直接に導出し、向かい合った側では熱交換手段を介して、冷却体を取り囲む空気から熱を吸収し、冷却手段に導出するということを意味する。
【００１３】
熱交換手段が、冷却体の特に向かい合った２つの側に配置されている場合には、冷却装置の効果をさらに改善することができる。これにより、冷却体に設けられたほとんど全ての自由スペース、すなわち、冷却体の、構成エレメントにより占められていない箇所に熱交換手段を設けることができ、ハウジング内の空気からの最大限の熱除去を行うことができる。向かい合った２つの側の配置により、冷却体はプレートの形で形成されていてよく、全体として比較的簡単な装置を実施することができる。
【００１４】
本発明の有利な構成では、熱交換手段が熱発生器の間に配置されていることが規定されていてよい。この手段により、熱を熱発生器の直接の周辺から直接に導出することができる。
【００１５】
冷却体内に冷却手段通路が形成されており、この冷却手段通路が熱発生器の組付け位置に沿って延在している場合には特に有利である。この手段により、熱を熱発生器で直接に導出することができる。これにより、冷却作用がより効果的に構成される。特に冷却手段通路は用途に合わせて冷却体内に配置し、案内することができる。有利には、冷却手段通路は、最大の熱発生を伴う構成エレメントの脇を通過して案内される。
【００１６】
本発明の構成では、種々異なった高さの熱交換手段が設けられている。このような手段により、ハウジング内の空気流を制御することができ、空気から熱交換手段、ひいては冷却体内への最適な熱伝達を行うことができる。熱交換手段が延在部に沿って種々異なった高さを有している、すなわち、冷却体から異なった距離だけ突出していることが規定されていてもよい。
【００１７】
有利な構成では、薄片状の熱交換手段は冷却体の熱交換溝内にはんだ付けされている。熱交換手段が冷却体の熱交換溝内にはんだ付けされていることにより、熱交換手段と冷却体との大きい面による結合が得られる。このことは、熱交換手段から冷却体内への良好な熱伝達を確保する。
【００１８】
複数の熱交換手段が互いに平行に配置されている場合には、熱交換手段の間を空気が貫流し、大きい熱量を空気から熱交換手段内へ伝達することができる。
【００１９】
有利には、冷却体及び／又は熱交換手段は銅又は高価な金属から形成されている。これにより、良好な熱伝導が確保される。さらに熱交換手段と冷却体とは特に簡単に互いにはんだ付けすることができる。特に冷却手段通路を規定する領域は、銅又は高価な金属から形成されていることが望ましく、これにより、冷却手段により貫流された場合の腐食が阻止される。より安価な金属を使用した場合には、冷却手段通路の領域内だけでなく、冷却手段循環回路全体に腐食をもたらす電気化学的な潜在性が生じるであろう。
【００２０】
さらにこの課題は次の方法ステップ、すなわち、
ａ．冷却体内に冷却手段通路溝を形成し、
ｂ．この冷却手段通路溝をカバー部により閉鎖することにより、冷却手段通路を形成し、
ｃ．冷却体に熱交換手段を配置する、
ステップを有する、冷却体を作製する方法により解決される。
【００２１】
冷却手段通路内では、冷却手段が循環する、若しくは流れることができるようになっており、これにより、冷却体から熱が導出される。冷却体に熱交換手段を配置することにより、周辺空気から冷却体内へ、ひいては冷却手段へ熱を引き渡すことができる。冷却手段通路溝は、例えばフライス加工により冷却体内に冷却手段通路溝が形成されることにより形成することができる。カバー部の形状は、基本的には冷却手段通路溝の形状若しくは延びに対応していてよい。冷却手段通路溝はフライス加工するか、又は別の形式で形成することができる。
【００２２】
有利な方法変化態様では、熱交換手段の配置が、冷却体内に複数の熱交換溝を設け、これらの熱交換溝内へ熱交換手段を挿入することを含むことが規定されていてよい。このことは、一方では熱交換手段をより安定して冷却体に配置することができ、かつ他方では熱交換手段と冷却体との大きい面による結合が実施されるという利点を有している。このことは、例えば薄片の形で形成された熱交換手段が単に挟幅側により冷却体に載置されている場合とは異なる。さらに、例えば、はんだ付けによる熱交換手段と冷却体との結合が簡易化される。
【００２３】
有利な方法変化態様では、例えば２７０〜３５０℃までの範囲、特に２９０〜３０７℃までの範囲の第１のはんだ付け温度でカバー部が冷却体にはんだ付けされ、例えば≦２３０℃、特に≦２００℃のより低い第２のはんだ付け温度で、熱交換手段が冷却体にはんだ付けされる。このような手段により、熱交換手段がはんだ付けされた場合に第１のはんだ付け結合部が再び解除されないことが確保される。はんだ付け温度は、これらの条件が満たされているように選択される必要がある。はんだ付けしたい材料及び使用されるはんだ付け補助剤に関連してはんだ付け温度は適宜に選択される必要があり、上に述べた範囲外であってもよい。はんだ結合を利用することは、これにより、はんだ付けされた部分の間の良好な熱伝達が確保されているという利点を有している。
【００２４】
はんだ付けがそれぞれ誘導加熱により得られる場合には特に有利である。この方法は、特にジオメトリ的に最適化された誘導体が使用された場合には、冷却体ジオメトリとは無関係に材料内への急速な熱供給並びに極めて一様な熱分配を保証する。さらに、これにより、エネルギを節約する熱供給が、作用度が高く、温度が正確に調整可能な場合に可能である。特に誘導加熱により、第２のはんだ付け工程時に、第１のはんだ付け結合部が再び解除されないように、冷却体の全ての箇所で温度が信頼性良く低く保持される。
【００２５】
熱交換手段の挿入前に熱交換溝にはんだ付け補助剤、例えばはんだ付け用フラックス及び／又ははんだ付け用ペーストが設けられた場合には、熱交換手段のはんだ付けが簡易化される。冷却体の、熱交換手段が配置されている方の側にはんだ付け補助剤が塗布されるか、又ははんだ付け補助剤が被覆され、これにより、少なくとも熱交換溝内へ熱交換手段を嵌め込む場合にはんだ付け補助剤が熱交換溝内へ到達するようになっていることが規定されていてよい。
【００２６】
冷却手段通路溝が設けられた後に、この冷却手段通路溝に沿ってより広幅な第２の凹部が形成され、この凹部の高さがカバー部の厚さにほぼ対応していることは有利である。このより広幅な第２の凹部内へはカバー部を挿入することができる。この場合に、カバー部は冷却体の表面を超えて突出していないか、又は極わずかにしか突出していない。これにより、冷却体のほぼ平面的な表面が生じ、この表面には構成エレメントを簡単に配置することができる。もちろん、例えば第１の溝としてまず凹部を形成し、この溝の溝底部内に冷却手段通路のためのより挟幅な第２の溝を形成することもできる。
【００２７】
有利には、これらの溝はフライス加工される。これにより、冷却手段通路及び熱交換溝を正確に作製することができる。
【００２８】
カバー部がレーザ切断により形成された場合には、カバー部の良好な適合が生じる。この場合にカバー部は、例えば真鍮又は高価な材料から成っていてよい。冷却体が銅から成っている場合には、カバー部は冷却体に特に良好にはんだ付けすることができる。さらに冷却手段、特に水による腐食は起こりえない。
【００２９】
熱が導出されることが望ましい構成エレメントを組み付けるためには、冷却体内に、又は冷却体に、組付け補助装置、特に組付け孔が設けられるか、又は取り付けられた場合には有利である。これにより、構成エレメントは冷却体に定置に固定することができる。
【００３０】
有利な方法変化態様では、カバー部が冷却体にはんだ付けされた後には、冷却体の表面が平面的にフライス加工されることが規定されていてよい。これにより、構成エレメントが大きい面により冷却体に位置しており、構成エレメントから冷却体内への最適な熱遷移を行うことができる。このような平面フライス加工は、構成部分が冷却プレートに組み付けられる領域内にのみ必要である。薄片が取り付けられる領域内にはそのような平面フライス加工は不可欠ではない。
【００３１】
１方法変化態様では、熱交換溝が設けられる前に、第１の層と、冷却手段通路溝が形成される第２の層とカバーとから成る積層がはんだ付けされる。このような作製形式では、冷却手段通路溝が冷却体内にフライス加工される必要はない。さらにカバー部がレーザ切断により作製される必要はない。カバー部は、基本的に第１の層の寸法に対応するプレートであってよい。個々の層の間にははんだ付け補助剤が付着されてよい。はんだ付けの前には、第１の層と第２の層とカバー部とを互いに圧縮することができる。冷却手段通路を形成するためには、第２の層を形成する複数の銅部分を第１の層に配置することができる。この場合に、両部分の間の中間室により冷却手段通路が形成される。層と層とがはんだ付けされた後には、熱交換溝をフライス加工し、熱交換手段を冷却体にはんだ付けすることができる。択一的には、カバー部又は第１の層が既に冷却薄片を有していることができる。このことは作製を簡易化するであろう。
【００３２】
本発明のさらなる特徴及び利点が、本発明に重要な詳細を示す図面に基づいた以下の本発明の実施例の説明及び請求項から明らかである。個々の特徴は、それぞれ個別に、又は本発明の変化態様における複数の任意の組合せの形で実施されてよい。
【００３３】
本発明の有利な実施の形態を図面に概略的に示し、以下に図面に関連してさらに詳しく説明する。
【００３４】
図１には、冷却体１が示されている。この冷却体１は冷却手段通路２を有している。この冷却手段通路２は開かれた冷却手段循環回路、例えば水循環回路に接続することができる。冷却手段通路２は、冷却体１内にフライス加工された冷却手段通路溝３及びカバー部４により制限されている。カバー部４は凹部５内に位置しており、この凹部５の高さはカバー部４の厚さにほぼ対応している。これにより、カバー部４が挿入された場合には、冷却体１のほぼ平面的な表面６が生じる。有利には冷却体１は銅から成っており、カバー部４は真鍮から成っている。カバー部４は冷却体１にはんだ付けされている。銅又は高価な金属が使用された場合には、冷却手段通路２は耐腐食性に形成されている。
【００３５】
本発明による冷却装置の冷却体１を作製する場合の別の方法ステップが図２に示されている。カバー部４が拡大部５内で冷却体１にはんだ付けされた後には、熱交換溝８が冷却体１の表面内へフライス加工される。冷却手段通路２の上方に配置されたこれらの熱交換溝８を介して特に良好に熱を冷却手段内へ導入することができる。
【００３６】
図３では、例として、薄片の形で形成された熱交換手段９．１が熱交換溝８内へ挿入されており、そこで冷却体１にはんだ付けされている。熱交換手段９．１が熱交換溝８内へ少し奥まで挿入されていることにより、熱を冷却体１の、挟幅側１０に向かい合った箇所で冷却体１内へ導入することができるのみならず、横方向に溝側面１１を介しても冷却体１内へ導入することができる。さらに図３には、冷却体１の向かい合った側に熱発生器１２が配置されており、特に冷却体１にねじ１３を介してねじ止めされていることが示唆されている。ねじの代わりに任意の別の構成部分保持体、例えばクランプを使用することもできる。熱発生器１２の熱は、少なくとも部分的に冷却体１により吸収される。熱交換手段９．２により、熱交換手段９．２がこの熱交換手段９．２の延在部に沿って種々異なった高さを有することができることが例として示されている。組付け孔の形で形成された組付け補助装置１４を介して組付け可能な構成部分の周辺から熱をより良好に導出することができるためには、熱交換手段９．２は組付け補助装置１４に隣接した区分内により大きい高さを有している。種々異なった高さを有する薄片９．２に類似した薄片が使用された場合には、これらの薄片９．２はハウジング内のスペースを最適に使用することができ、ハウジング内で冷却プレートに組み付けられておらず、種々異なった構成高さを有する構成部分に合わせて最適に調整することができる。
【００３７】
図４には、冷却体１の第２の層１５を上方から見た図が示されている。この冷却体１は択一的な作製方法で作製される。第２の層１５は部分１５．１，１５．２を有しており、これらの部分１５．１，１５．２は第１の層１６に載置されている。部分１５．１，１５．２の間には冷却通路２が形成されている。第１及び第２の層１５，１６には、基本的に第１の層１６と等しいベース面を有するカバー部（図示していない）を被せ嵌めることができる。これにより形成された積層は、次いで熱交換溝がフライス加工される前に冷却体１の形にはんだ付けすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】冷却装置の冷却手段通路を有する冷却体を熱交換手段なしに示す斜視図である。
【図２】熱交換溝が設けられた、図１による冷却体の斜視図である。
【図３】別の作製ステップ後の、図１、図２の冷却体の斜視図である。
【図４】別の作製変化態様を説明するための冷却体の一部の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2007529883.tif 000007
2007529883.tif 000008
2007529883.tif 000009
2007529883.tif 000010
2007529883.tif 000011
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