DE10140328A1

DE10140328A1 - Kühleinrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelemente, Kühlkörper für eine solche Kühleinrichtung und Anwendung einer solchen Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE10140328A1
Application number: DE2001140328
Authority: DE
Inventors: Frank Kozlowski; Eckhard Wolfgang; Norbert Seliger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-08-16
Filing date: 2001-08-16
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-08-17
Also published as: DE10140328B4

Abstract

Es ist eine Kühleinrichtung (1) zur Kühlung elektronischer Bauelemente (30), mit einem Kühlkörper (2) aus wärmeleitendem Material, der - einen vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum (20) zum Durchströmenlassen eines Fluids (200) durch den Kühlkörper (2) und - zwei oder mehr vom Hohlraum (20) abgekehrte und in voneinander verschiedene Richtungen (211, 212, 211', 212'; 213, 214, 213', 214') weisende äußere Oberflächenabschnitte (21) aufweist, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelemente, einen Kühlkörper für eine solche Kühleinrichtung und eine Anwendung einer solchen Kühleinrichtung.
Aus der deutschen Patentschrift DE 44 01 608 C1 (internes Aktenzeichen 1994P08503 und korrespondierend mit US-A-5 695 872) ist eine Kühleinrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelemente mit einem Kühlkörper aus wärmeleitendem Material, der

- einen vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum zum Durchströmenlassen eines Fluids durch den Kühlkörper und
- einen vom Hohlraum abgekehrten ebenen äußeren Oberflächenabschnitt aufweist, an dem ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind,

Die mit dieser Kühleinrichtung zu kühlenden elektronischen Bauelemente sind Leistungshalbleiter mit Bereichen höherer Strom-, Spannungs- und/oder Verlustleistung.
Der Kühlkörper dieser Einrichtung ist im Wesentlichen ein Rohr aus wärmeleitendem Material und mit rechteckigem Querschnitt. Durch den Hohlraum dieses Rohres strömt Wasser als Fluid, so dass dieser Kühlkörper ein Wasserkühler ist.
Das oder die zu kühlenden elektronischen Bauelemente sind alle auf einem und demselben vom Hohlraum abgekehrten ebenen äußeren Oberflächenabschnitt des Kühlrohres befestigt, der eine einzelne der vier Seiten des rechteckigen Querschnitts definiert und sich in Strömungsrichtung des durch den Hohlraum des Rohres strömenden Wassers erstreckt.
Die Verlustwärme der elektronischen Bauelemente wird über Plättchen abgeleitet. Jedes Plättchen ist durch eine thermisch leitende Klebeverbindung am Kühlrohr befestigt, die sich zwischen diesem Plättchen und dem einen ebenen äußeren Oberflächenabschnitt des Kühlrohres befindet. Die Klebeverbindung muss gut elektrisch isoliert sein, da die Plättchen auf Betriebsspannung liegen.
In der Patentschrift sind im Wesentlichen diese Klebeverbindung, deren Herstellung und deren Verwendung beschrieben.
Der eine ebene äußere Oberflächenabschnitt, an dem ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente am Kühlrohr befestigt ist oder sind, wird für die Klebeverbindung zumindest im Bereich der Klebestellen vorbehandelt. Insbesondere kann diese Vorbehandlung in einer Glättung der Oberfläche bestehen, damit nicht bei zu großer Oberflächenrauigkeit Spitzen in die Klebeschicht hineinragen und die Spannungsfestigkeit verschlechtern.
Aus der deutschen Patentschrift DE 197 36 415 A1 (internes Aktenzeichen 1997P02197) geht eine Klebeverbindung zwischen einem metallischen Substrat und einem zumindest im Oberflächenbereich aus Keramik bestehenden Körper hervor.
Diese Klebeverbindung wird beispielsweise bei Leistungsbaugruppen mit mindestens einem Leistungsbauelement zur Herstellung eines wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Verbundes zwischen den Leistungsbauelementen und einem Kühlkörper verwendet, der einerseits die Abfuhr der Verlustwärme ermöglicht und andererseits eine ausreichende elektrische Isolierung zum Kühlkörper gewährleistet.
Dazu werden die Leistungsbaugruppen oder die einzelnen Leistungsbauelemente auf einen Kupferträger durch Kleben aufgebracht. Der Kupferträger wird über elektrisch isolierende Keramikzwischenstücke mit dem Kühlkörper verbunden.
Anstelle eines Keramikzwischenstücks kann auch eine plasmagespritzte Keramikschicht verwendet werden, die auf die Kupferträger aufgebracht wird, worauf der Kupferträger über die Keramikschicht mit dem Kühlkörper verklebt wird.
Auch in dieser zweitgenannten Patentschrift sind im Wesentlichen eine Klebeverbindung und deren Herstellung beschrieben. Eine Information über eine Ausbildung des Kühlkörpers geht aus dieser Schrift nicht hervor.
Die Erfindung stellt eine Kühleinrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelemente bereit, die einen Kühlkörper aus wärmeleitendem Material aufweist, auf dessen äußerer Oberfläche ein oder mehr elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind und der einen vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum zum Durchströmenlassen eines Fluids durch den Kühlkörper aufweist, wobei diese Kühleinrichtung vorteilhafterweise eine größere Zahl Bauelemente als eine bisherige Kühleinrichtung dieser Art kühlen kann.
Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung weist gemäß Anspruch 1 die Merkmale auf:
Einen Kühlkörper aus wärmeleitendem Material, der

- einen vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum zum Durchströmenlassen eines Fluids durch den Kühlkörper und
- zwei oder mehr vom Hohlraum abgekehrte und in voneinander verschiedene Richtungen weisende äußere Oberflächenabschnitte aufweist, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind.

Bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung steht vorteilhafterweise am Kühlkörper eine größere Fläche zum Befestigen der elektronischen Bauelemente als bisher zur Verfügung, da zu kühlende Bauelemente nicht wie bisher nur zweidimensional auf einem äußeren Oberflächenabschnitt des Kühlkörpers, sondern zusätzlich zu diesem einen Oberflächenabschnitt auf zumindest einem weiteren, in eine andere Richtung als der eine Oberflächenabschnitt weisenden äußeren Oberflächenabschnitt des Kühlkörpers und damit dreidimensional und nicht nur zweidimensional angeordnet und befestigt werden können.
Bei einer bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung weist der Kühlkörper zumindest zwei in zueinander senkrechten Richtungen und/oder zueinander schrägen Richtungen weisende äußere Oberflächenabschnitte auf, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind.
Bei einer ebenfalls bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung weist der Kühlkörper zumindest ein Paar voneinander abgekehrte und auf zueinander entgegengesetzten Seiten des Hohlraums angeordnete äußere Oberflächenabschnitte auf, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind.
Bei dieser Ausführungsform können die voneinander abgekehrten äußeren Oberflächenabschnitte eines solchen Paares in im Wesentlichen genau zueinander entgegengesetzten Richtungen, aber auch in zueinander schrägen Richtungen ausgerichtet sein.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Ausführungsform weist der Kühlkörper zwei oder mehr Paar solche voneinander abgekehrte und auf zueinander entgegengesetzten Seiten des Hohlraums angeordnete äußere Oberflächenabschnitte auf, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, wobei die äußeren Oberflächenabschnitte verschiedener Paare in zueinander verschiedene Richtungen weisen.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Kühleinrichtung einen Kühlkörper mit drei oder mehr äußeren Oberflächenabschnitten aufweisen, an deren jedem je ein oder mehr elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, wobei diese äußeren Oberflächenabschnitte einen Querschnitt des Kühlkörpers in Form eines Dreiecks, Vierecks oder sonstigen Vielecks, insbesondere eines gleichseitigen Dreiecks, eines Rechtecks oder Quadrats oder sonstigen regelmäßigen Polygons definieren.
Beim Kühlkörper der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung kann ein äußerer Oberflächenabschnitt, an dem ein oder mehr elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, in einer Strömungsrichtung des durch den Hohlraum strömenden Fluids ausgerichtet sein. Bevorzugt wird ein Kühlkörper verwendet, bei dem ein äußerer Oberflächenabschnitt, an dem ein oder mehr elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, und wenigstens ein weiterer äußerer Oberflächenabschnitt, an dem ein oder mehr elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, der aber in eine andere Richtung als der eine äußere Oberflächenabschnitt weist, jeweils in einer Strömungsrichtung des durch den Hohlraum strömenden Fluids ausgerichtet.
Eine besonders bevorzugte und im Hinblick auf die Kühlwirkung besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung weist einen Kühlkörper auf, bei dem jeder der in die voneinander verschiedenen Richtungen weisenden äußeren Oberflächenabschnitte, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, in einer Strömungsrichtung des durch den Hohlraum strömenden Fluids ausgerichtet ist.
Bei einer bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung weist zumindest ein äußerer Oberflächenabschnitt, an dem ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, wenigstens bereichsweise eine elektrisch leitende Oberfläche auf, an die ein oder mehr der auf diesem äußeren Oberflächenabschnitt befestigten zu kühlenden elektronischen Bauelemente elektrisch angeschlossen ist oder sind.
"Wenigstens bereichsweise" bedeutet, dass nur ein vorgebbarer Teilbereich des äußeren Oberflächenabschnitts, der nicht den ganzen äußeren Oberflächenabschnitt einnimmt, eine elektrisch leitende Oberfläche ist, oder dass ausnahmslos der ganze äußere Oberflächenabschnitt eine elektrisch leitende Oberfläche ist.
Beispielsweise kann eine elektrisch leitende Oberfläche eines äußeren Oberflächenabschnitts des Kühlkörpers zu einer Verbindung mit Masse vorgesehen sein, und ein elektrisch an dieser Oberfläche angeschlossenes elektronisches Bauelement kann einen elektrischen Masseanschluss aufweisen, der an diese elektrisch leitende Oberfläche angeschlossen ist.
Bei einer ebenfalls bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung weist zumindest ein äußerer Oberflächenabschnitt, an dem ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, wenigstens bereichsweise eine wärmeleitende elektrisch isolierende Oberfläche auf, auf der ein oder mehr der zu kühlenden elektronischen Bauelemente befestigt ist oder sind.
Hier bedeutet "wenigstens bereichsweise" analog, dass auf nur einem vorgebbaren Teilbereich des äußeren Oberflächenabschnitts, der nicht den ganzen äußeren Oberflächenabschnitt einnimmt, eine wärmeleitend elektrisch isolierende Oberfläche aufweist, oder dass ausnahmslos der ganze äußere Oberflächenabschnitt eine wärmeleitend elektrisch isolierende Oberfläche aufweist.
Die beiden zuletzt erwähnten Ausführungsformen schließen den Fall mit ein, dass beim Kühlkörper zumindest ein äußerer Oberflächenabschnitt, an dem ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, wenigstens einen Teilbereich aufweist, der eine elektrisch leitende Oberfläche ist, und dieser äußere Oberflächenabschnitt wenigstens einen anderen Teilbereich aufweist, der eine wärmeleitend elektrisch isolierende Oberfläche aufweist.
An jeder elektrisch leitenden Oberfläche dieses äußeren Oberflächenabschnitts können ein oder mehr der auf diesem äußeren Oberflächenabschnitt befestigte zu kühlende elektronische Bauelemente elektrisch angeschlossen sein, und auf jeder wärmeleitend elektrisch isolierenden Oberfläche dieses Oberflächenabschnitts können ein oder mehr der auf diesem äußeren Oberflächenabschnitt befestigten zu kühlenden elektronischen Bauelemente befestigt sein.
Bei einer Ausführungsform der Kühleinrichtung, bei welcher ein äußerer Oberflächenabschnitt eine wärmeleitend elektrisch isolierende Oberfläche aufweist, ist vorzugsweise auf der wärmeleitend elektrisch isolierenden Oberfläche zumindest ein elektrischer Leiter befestigt, an den ein oder mehr der zu kühlende elektronische Bauelemente elektrisch angeschlossen ist oder sind.
Bei einer bevorzugten und vorteilhaften Ausgestaltung dieser letztgenannten Ausführungsform ist auf wenigstens zwei in voneinander verschiedene Richtungen weisenden äußeren Oberflächenabschnitten des Kühlkörpers, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt ist oder sind, je wenigstens ein elektrischer Leiter befestigt, der einen in einem Winkel von diesem Oberflächenabschnitt abstehenden Leiterabschnitt aufweist, wobei ein von einem dieser beiden äußeren Oberflächenabschnitte abstehender Leiterabschnitt und ein vom anderen äußeren Oberflächenabschnitt abstehender Leiterabschnitt elektrisch durch einen außerhalb des Kühlkörpers angeordneten elektrischen Verbindungsleiter miteinander verbunden sind.
Bei einer weiteren bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist im Hohlraum des Kühlkörpers eine in Kontakt sowohl mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers als auch mit dem strömenden Fluid stehende Wärmetauschereinrichtung zur Verstärkung eines Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlkörper und dem Fluid vorhanden.
Eine bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltung dieser letztgenannten Ausführungsform ist so ausgebildet, dass sich die Wärmetauschereinrichtung zumindest gegenüber jedem äußeren Oberflächenabschnitt, an dem ein oder mehr elektronische Bauelementen befestigt ist oder sind, flächenhaft auf einer den Hohlraum begrenzenden Innenfläche des Kühlkörpers erstreckt und in flächig verteilter Verbindung mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers steht.
"Flächenhaft auf der Innenfläche sich erstrecken" bedeutet ein sich Erstrecken auf der Innenfläche nicht nur in einer, sondern in zwei voneinander verschiedenen Richtungen.
"Flächig verteilte Verbindung der Wärmetauschereinrichtung mit dem wärmeleitendem Material des Kühlkörpers" bedeutet zum Einen, dass die Wärmetauschereinrichtung nicht nur in einer, sondern in zwei voneinander verschiedenen Richtungen mit dem Material des Kühlkörpers verbunden ist, und zum Anderen, dass die Wärmetauschereinrichtung in jeder dieser Richtungen durchgehend und/oder wenigstens an zwei oder mehreren getrennten Stellen mit dem Material des Kühlkörpers verbunden ist.
Bevorzugter- und vorteilhafterweise weist die Wärmetauschereinrichtung eine in Kontakt sowohl mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers als auch mit dem strömenden Fluid stehende flächenhaft ausgedehnte Struktur aus wärmeleitendem Material mit einer vom Fluid kontaktierten spezifischen Kontaktoberfläche größer als eins auf.
"Spezifische Kontaktoberfläche" bedeutet den vom Fluid tatsächlich kontaktierten Flächeninhalt der Kontaktoberoberfläche in Bezug auf den Flächeninhalt einer ebenen Vergleichsfläche, insbesondere den auf eine Flächeneinheit einer ebenen Vergleichsfläche entfallenden Flächeninhalt der Kontaktoberfläche, beispielsweise den Flächeninhalt der Kontaktoberfläche pro cm² ebener Vergleichsfläche. Wenn die spezifische Kontaktfläche größer als 1 ist, bedeutet dies, dass der Flächeninhalt der Kontaktoberoberfläche größer als der Flächeninhalt der ebenen Vergleichsfläche ist. Je größer die spezifische Kontaktfläche ist, desto günstiger ist es.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Struktur zumindest eine in Kontakt mit dem strömenden Fluid stehende Stufe aus wärmeleitendem Material auf.
Bei einer anderen bevorzugten Ausgestaltung, die mit der einen Ausgestaltung kombiniert sein kann, weist die Struktur zwei oder mehr sich kreuzende drahtartig langgestreckte Körper aus wärmeleitendem Material auf.
Eine bevorzugte und vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist gemäß Anspruch 23 die Anwendung zum Kühlen elektronischer Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter, eines Kraftfahrzeugs, wobei der Kühlkörper der Kühleinrichtung einen Abschnitt eines von einem Fluid durchströmten Kanals des Kraftfahrzeugs definiert. Insbesondere definiert der Kühlkörper gemäß Anspruch 24 einen Abschnitt eines von Fluid durchströmten Kanals eines Kühlkreislaufs des Kraftfahrzeugs.
Der Kanal des Kühlkreislaufs ist beispielsweise ein von einem Kühler oder Wärmetauscher oder einer anderen erfindungsgemäßen Kühleinrichtung des Kraftfahrzeugs fortführender Kanal oder ein zu einem Kühler oder Wärmetauscher oder einer anderen erfindungsgemäßen Kühleinrichtung des Kraftfahrzeuges hinführender Kanal. Das Fluid kann beispielsweise Kühlwasser zur Kühlung einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs sein, wobei das Kühlwasser reines Wasser oder ein Gefrierschutzmittelgemisch, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol aufweist. Insbesondere ist der Kanal des Kühlkreislaufs in einem Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet.
Durch die Erfindung ist auch ein neuartiger Kühlkörper, der die Merkmale des Anspruchs 16 aufweist, und ein neuartiger Kühlkörper, der die Merkmale des Anspruchs 20 aufweist, geschaffen. Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des Kühlkörpers nach Anspruch 16 gehen aus den Ansprüchen 17 bis 19 und bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des Kühlkörpers nach Anspruch 20 gehen aus den Ansprüchen 21 und 22 hervor.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer perspektivischer Darstellung eine beispielhafte erfindungsgemäße Kühleinrichtung mit einem speziellen Kühlkörper, auf dem zu kühlende elektronische Bauelemente befestigt sind,
Fig. 2 einen Querschnitt der Kühleinrichtung nach Fig. 1 längs der in Fig. 1 gezeigten Schnittlinie I-I des Kühlkörpers wobei im Hohlraum des Kühlkörpers eine Wärmetauschereinrichtung angeordnet ist,
Fig. 2a einen entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 2 und einer Längsachse des Kühlkörpers nach Fig. 2 sich erstreckenden vertikalen Längsschnitt durch eine untere Wand dieses Kühlkörpers und eine mit dieser Wand in Kontakt stehende Wärmetauschereinrichtung in Form eines Drahtgeflechts,
Fig. 2b den gleichen Längsschnitt durch die untere Wand dieses Kühlkörpers und die mit dieser Wand in Kontakt stehende Wärmetauschereinrichtung wie in Fig. 2a, die hier aber in Form von Kühlrippen anstelle eines Drahtgeflechts ausgebildet ist,
Fig. 3 einen der Fig. 2 entsprechenden Querschnitt eines anderen speziellen Kühlkörpers für die erfindungsgemäße Kühleinrichtung, der eine andere Querschnittsform als der Kühlkörper nach den Fig. 1 und 2 aufweist,
Fig. 4 den Kühlkörper der Kühleinrichtung nach den Fig. 1 und 2 in der Querschnittsdarstellung nach Fig. 2, aber speziell mit einer wärmeleitenden elektrisch isolierenden äußeren Oberfläche
Fig. 5 eine spezielle Ausführungsform der Kühleinrichtung nach Fig. 4 in der gleichen Querschnittsdarstellung, bei der auf zwei in verschiedene Richtungen weisenden benachbarten Oberflächenabschnitten des Kühlkörpers befestigte elektronische Bauelemente elektrisch miteinander verbunden sind,
Fig. 6 eine spezielle andere Ausführungsform der Kühleinrichtung nach Fig. 4 in der gleichen Querschnittsdarstellung, bei der auf zwei voneinander abgekehrten Oberflächenabschnitten des Kühlkörpers befestigte elektronische Bauelemente elektrisch miteinander verbunden sind,
Fig. 7 die Ausführungsform nach Fig. 6 der Kühleinrichtung in der gleichen Darstellung, wobei zwischen die auf den zwei voneinander abgekehrten Oberflächenabschnitten befestigten elektronischen Bauelemente ein Kondensator geschaltet ist, der ein auf einem dritten Oberflächenabschnitt des Kühlkörpers befestigtes passives elektronisches Bauelement bildet, und
Fig. 8 in schematischer Darstellung einen von einem Fluid durchströmten Kanal eines Kraftfahrzeugs, in den der Kühlkörper einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung geschaltet ist und einen Abschnitt des Kanals definiert.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
In den Figuren ist die schematisch dargestellte Kühleinrichtung zur Kühlung elektronischer Bauelemente generell mit 1 und der Kühlkörper der Kühleinrichtung 1 mit 2 bezeichnet, und die auf dem Kühlkörper befestigten elektronischen Bauelemente sind mit 3 bezeichnet.
Der Kühlkörper 2 kann aus zwei oder mehreren Teilen zusammengesetzt oder einstückig sein und besteht aus wärmeleitendem Material, das aus einem, zwei oder mehr chemischen Stoffen bestehen kann. Ein chemischer Stoff des wärmeleitenden Materials kann elektrisch leitend oder nicht leitend sein.
Ein elektrisch leitender chemischer Stoff weist vorzugsweise Metall, insbesondere Kupfer, und/oder eine Metalllegierung auf. Ein elektrisch nichtleitender wärmeleitender chemischer Stoff weist vorzugsweise Keramikmaterial, insbesondere Al₂O₃, AlN oder dgl. auf.
Der Kühlkörper 2 weist außerdem einen vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum 20 zum Durchströmenlassen eines mit dem Bezugszeichen 200 angedeuteten Fluids durch den Kühlkörper 2 auf.
Überdies weist der Kühlkörper 2 erfindungsgemäß zwei oder mehr vom Hohlraum 20 abgekehrte und in voneinander verschiedene Richtungen weisende äußere Oberflächenabschnitte auf, deren jeder mit 21 bezeichnet ist und an deren jedem je ein oder mehr der zu kühlenden elektronischen Bauelemente 3befestigt ist oder sind. "In verschiedene Richtungen weisen" bedeutet, dass die voneinander verschiedenen äußeren Oberflächenabschnitte in voneinander verschiedene Richtungen weisende Flächennormale aufweisen.
Die äußeren Oberflächenabschnitte 21 weisen vorzugsweise jeweils zumindest eine ebene Fläche auf, auf der ein, zwei oder mehr der elektronischen Bauelemente befestigt ist oder sind.
Zwei äußere Oberflächenabschnitte 21 können senkrecht oder schräg in einem beliebigen Winkel zueinander angeordnet sein, können voneinander abgekehrt und dann insbesondere parallel zueinander angeordnet sein und können aneinandergrenzen oder voneinander getrennt sein.
Jedes auf dem Kühlkörper 2 befestigte elektronische Bauelement 3 kann ein aktives Bauelement oder ein passives Bauelement sein.
Beispiel eines aktiven Bauelements ist eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer oder mehreren Dioden und/oder einem oder mehreren Transistoren und/oder Thyristoren, beispielsweise eine Leistungshalbleiterschaltung.
Beispiel eines passiven Bauelements ist ein elektrischer Kondensator, eine elektrische Spule, ein elektrischer Widerstand, sowie eine mit einem oder mehreren dieser passiven Elemente allein gebildete Schaltung, die ebenfalls vorzugsweise als integrierte Halbleiterschaltung ausgeführt ist.
Jedes auf einem äußeren Oberflächenabschnitt 21 befestigte elektronische Bauelement 3 kann auf einer elektrisch leitenden Fläche dieses Oberflächenabschnitts 21, die sich ganz oder nur bereichsweise auf dem äußeren Oberflächenabschnitt 21 erstreckt, und/oder auf einer elektrisch isolierenden Fläche dieses äußeren Oberflächenabschnitts 21, die sich ganz oder nur bereichsweise auf dem äußeren Oberflächenabschnitt 21 erstreckt, befestigt sein.
Beispielsweise kann es so eingerichtet sein, dass eine elektrisch leitende Fläche eines äußeren Oberflächenabschnitts 21 auf insbesondere für alle elektronischen Bauelemente geltendes Referenzpotential, beispielsweise Masse, liegt und dass ein elektronisches Bauelement 3 derart auf diesem äußeren Oberflächenabschnitt 21 befestigt ist, dass der Referenzpotentialanschluss dieses Bauelements 3 direkt an diese elektrisch leitende Fläche des äußeren Oberflächenabschnitts 21 angeschlossen ist.
Im Hohlraum 20 des Kühlkörpers 2 ist eine in Kontakt sowohl mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers 2 als auch mit dem strömenden Fluid 200 stehende Wärmetauschereinrichtung 6 zur Verstärkung eines Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlkörper 2 und dem Fluid 200 vorhanden.
Die Wärmetauschereinrichtung 6 ist zumindest gegenüber jedem äußeren Oberflächenabschnitt 21, an dem ein oder mehr elektronische Bauelemente 3 befestigt ist oder sind, angeordnet, erstreckt sich flächenhaft auf einer den Hohlraum 20 begrenzenden Innenfläche 22 des Kühlkörpers 2 und steht in flächig verteilter Verbindung 62 mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers 2.
Außerdem weist die Wärmetauschereinrichtung 6 eine in Kontakt sowohl mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers 6 als auch mit dem strömenden Fluid 200 stehende flächenhaft ausgedehnte Struktur 60 aus wärmeleitendem Material mit einer vom Fluid 200 kontaktierten spezifischen Kontaktoberfläche 61 auf, die größer als 1 ist. Letzteres kann beispielsweise bedeuten, dass die auf 1 cm² der z. B. ebenen Innenfläche 22 des Kühlkörpers 2 entfallende Kontaktoberfläche größer als 1 cm² ist.
Die ebene Vergleichsfläche auf die sich die Kontaktoberfläche der Wärmetauschereinrichtung bezieht, muss nicht notwendig die Innenfläche 22 des Kühlkörpers 2 oder eine dazu parallele Fläche sein, sondern kann prinzipiell auch jede insbesondere ebene andere Fläche sein, die in einem beliebigen Winkel zur Innenfläche 22 des Kühlkörpers 2, insbesondere auch senkrecht dazu, angeordnet ist.
Das den Kühlkörper 2 entlang einer Längsachse A z. B. in Richtung des Pfeils 200' durchströmende Fluid 200 kann prinzipiell jedes fließfähige Medium, sei es eine Festpartikelansammlung und/oder eine Flüssigkeit und/oder ein Gas, sein. Das Fluid sollte nur eine für den beabsichtigten Zweck ausreichend hohe spezifische Wärmekapazität aufweisen. Für viele Zwecke ist Wasser (H₂O) eine geeignete Basis für das Fluid.
Elektronische Bauelemente 3 können in Richtung der Längsachse A hintereinander und/oder seitlich nebeneinander angeordnet auf einem äußeren Oberflächenabschnitt 21 befestigt sein.
Der Kühlkörper 2 ist bei einer bevorzugten Ausführungsform äußerlich im Wesentlichen ein innen hohler prismatischer Körper mit der Längsachse A, parallel zu der sich die im Wesentlichen ebenen äußeren Oberflächenabschnitte 21 zum Befestigen der elektronischen Bauelemente 3 des Kühlkörpers 2 angeordnet sind und entlang der das Fluid 200 den Kühlkörper 2 durchströmt.
Die den Hohlraum 20 begrenzende Innenfläche 22 des Kühlkörpers 2 umschreibt vorzugsweise ebenfalls eine prismatische Körperform mit der Längsachse A. Im Querschnitt senkrecht zur Achse A weist der prismatische Kühlkörper 2 innen und außen vorzugsweise die gleiche Querschnittsform auf, insbesondere so, dass eine Wandstärke d des Kühlkörpers 2 überall gleich ist.
Die Querschnittsform kann ein Dreieck, Viereck und allgemein ein beliebiges Polygon sein. Vorzugsweise wird ein regelmäßiges Polygon verwendet.
Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten beispielhaften Kühleinrichtung 1 ist der Kühlkörper 2 speziell ein prismatischer Hohlkörper mit rechteckiger oder quadratischer Querschnittsform.
Dieser prismatische Kühlkörper 2 ist beispielsweise einstückig und besteht z. B. aus Kupfer.
Die vier zueinander verschieden orientierten bzw. in verschiedene Richtungen weisenden äußeren Oberflächenabschnitte 21 sind eben und erstrecken sich alle parallel zur Längsachse A des Kühlkörpers 2. Jeweils zwei benachbarte äußere Oberflächenabschnitte 21 sind senkrecht zueinander angeordnet.
Konkret folgen gemäß den Fig. 1 und 2 im Uhrzeigersinn aufeinander:

- Der äußere Oberflächenabschnitt 21 mit der nach oben weisenden Flächennormalen 211 und der diesem nach oben weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 benachbarte äußere Oberflächenabschnitt 21 mit der nach rechts weisenden Flächennormalen 212,
- der äußere Oberflächenabschnitt 21 mit der nach rechts weisenden Flächennormalen 212 und der diesem nach rechts weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 benachbarte äußere Oberflächenabschnitt 21 mit der nach unten weisenden Flächennormalen 211',
- der äußere Oberflächenabschnitt 21 mit der nach unten weisenden Flächennormalen 211' und der diesem nach unten weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 benachbarte äußere Oberflächenabschnitt 21 mit der nach links weisenden Flächennormalen 212', und
- der äußere Oberflächenabschnitt 21 mit der nach links weisenden Flächennormalen 212' und der diesem nach links weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 benachbarte nach oben äußere Oberflächenabschnitt 21 Flächennormalen 211.

Gleichzeitig bedeutet dies, dass es zwei Paar voneinander abgekehrte und auf zueinander entgegengesetzten Seiten des Hohlraums 20 angeordnete äußere Oberflächenabschnitte 21, 21 gibt, d. h. das aus dem nach oben weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211 und dem nach unten weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211' gebildete Paar, das kurz mit (211, 211') bezeichnet sei, und das aus dem nach rechts weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212 und dem nach links weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212' gebildete Paar, das kurz mit (212, 212') bezeichnet sei.
Auf zumindest zwei, vorzugsweise auf jedem der vier äußeren Oberflächenabschnitte 21 sind jeweils ein oder mehr elektronische Bauelemente 3 befestigt.
Beispielsweise und ohne Beschränkung der Allgemeinheit seien auf dem nach oben weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211 drei elektronische Bauelemente 3, auf dem nach rechts weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212 zwei elektronische Bauelemente 3, auf dem nach unten weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211' nur ein elektronisches Bauelement 3 und auf dem nach links weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212' mehr als drei elektronische Bauelemente 3 befestigt.
Außerdem sei beispielsweise und ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass der nach oben weisende äußere Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211 eine zur Befestigung elektronischer Bauelemente 3 präparierte elektrisch leitende Oberfläche 215 und eine ebenfalls zur Befestigung elektronischer Bauelemente 3 präparierte wärmeleitende elektrisch isolierende Oberfläche 216 aufweist, wobei zwei der drei elektronischen Bauelemente 3 auf der elektrisch leitenden Oberfläche 215 und das dritte elektronische Bauelement 3 auf der elektrisch isolierenden Oberfläche 216 befestigt ist.
Ähnliche Verhältnisse könnten auch bei den anderen drei äußeren Oberflächenabschnitten 21 vorliegen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit und nur der Einfachheit halber sei angenommen, dass bei diesen anderen drei äußeren Oberflächenabschnitten 21 jeweils die ganze Oberfläche eine zur Befestigung elektronischer Bauelemente 3 präparierte elektrisch leitende Oberfläche 215 ist.
Eine zum Befestigen elektronischer Bauelemente 3 präparierte elektrisch leitende Oberfläche 215 eines äußeren Oberflächenabschnitts 21 kann beispielsweise durch das für diese Befestigung vorbehandelte blanke Metall, hier Kupfer, des Kühlkörpers 2 gebildet sein. Eine wärmeleitende elektrisch isolierende Oberfläche 216 kann dann beispielsweise eine durch Aufbringen einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material auf das blanke Metall des Kühlkörpers 2 erzeugte und zur Befestigung elektronischer Bauelemente 3 präparierte Oberfläche dieser Schicht sein.
Umgekehrt könnte der Kühlkörper 2 aus wärmeleitendem elektrisch isolierenden Material bestehen und eine elektrisch isolierende Oberfläche 216 eines äußeren Oberflächenabschnitts 21 beispielsweise durch das zur Befestigung elektronischer Bauelemente 3 präparierte blanke wärmeleitende elektrisch isolierende Material des Kühlkörpers 2 gebildet sein. Eine elektrisch leitende Oberfläche 215 könnte dann beispielsweise eine durch Aufbringen einer Schicht aus elektrisch leitendem Material auf das blanke wärmeleitende elektrisch isolierende Material des Kühlkörpers 2 erzeugte und zur Befestigung elektronischer Bauelemente 3 präparierte Oberfläche dieser Schicht sein.
Auch können eine elektrisch leitende Oberfläche 215 und eine wärmeleitende elektrisch isolierende Oberfläche 216 eines äußeren Oberflächenabschnitts 21 durch das blanke elektrisch leitende Material und das blanke wärmeleitende elektrisch isolierende Material eines heterogen aus diesen beiden Materialien zusammengesetzten Kühlkörpers 2 gebildet sein.
Die Wärmetauschereinrichtung 6 im Hohlraum 20 des Kühlkörpers 2 weist speziell eine Struktur 60 in Form einer Vielzahl sich kreuzender feiner Drähte 602 aus beispielsweise Metall, insbesondere Kupfer, auf, deren gesamte Oberfläche die vom Fluid 200 kontaktierte Kontaktoberfläche 61 bildet. Diese Struktur 60 erstreckt sich vorzugsweise und gemäß den Fig. 2 und 2a sowohl in Längs-, Breiten- als auch Höhenrichtung über die ganze Innenfläche 22 des Kühlkörpers 2. Die Drähte 602 stehen in zwar nicht kontinuierlicher, aber doch flächig verteilter Verbindung 62 mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers 2.
Die Struktur 60 kann gemäß Fig. 2b auch in Form einer Vielzahl von in Kontakt mit dem strömenden Fluid 200 stehenden Stufen 601 aus wärmeleitendem Material bestehen. Diese Stufen 601 definieren vorzugsweise gemeinsam mehrere Kühlrippen und erstrecken sich vorzugsweise senkrecht zur Längsachse A des Kühlkörpers 2. Auch diese Struktur 60, die mit der Struktur nach den Fig. 2 und 2a kombinierbar ist, erstreckt sich vorzugsweise sowohl in Längs-, Breiten- als auch Höhenrichtung über die ganze Innenfläche 22 des Kühlkörpers 2. Die Struktur nach Fig. 2b steht in kontinuierlich flächig verteilter Verbindung 62 mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers 2.
Bevor einige auf der Kühleinrichtung 2 nach den Fig. 1 und 2 basierende konkrete Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung beschrieben werden, sei noch auf die Fig. 3 hingewiesen, die ein Beispiel eines prismatischen Kühlkörpers 2 mit einer vom prismatischen Kühlkörper 2 nach den Fig. 1 und 2 verschiedenen Querschnittsform zeigt.
Der Kühlkörper 2 nach Fig. 3 weist beispielsweise acht äußere Oberflächenabschnitte 21 auf, die sich parallel zur Längsachse A dieses Kühlköpers 2 erstrecken und gemeinsam eine oktogonale Querschnittsform definieren.
Die acht verschieden zueinander orientierten und in ihrer Orientierung jeweils durch die im Uhrzeigersinn aufeinanderfolgenden Flächennormalen 211, 213, 212, 214, 211', 213', 212' bzw. 214' gekennzeichneten äußeren Oberflächenabschnitte 21 sind eben, und jeweils zwei benachbarte äußere Oberflächenabschnitte 21 sind wie die dazugehörigen Flächennormalen zeigen, schräg zueinander angeordnet.
Hier gibt es vier Paar voneinander abgekehrte und auf zueinander entgegengesetzten Seiten des Hohlraums 20 angeordnete äußere Oberflächenabschnitte 21, 21, d. h. das Paar (211, 211'), das Paar (213, 213'), das Paar (212, 212') und das Paar (214, 214').
Die äußeren Oberflächenabschnitte 21, 21 des Paares (211, 211') stehen senkrecht zu den äußeren Oberflächenabschnitte 21, 21 des Paares (212, 212'), und die äußeren Oberflächenabschnitte 21, 21 des Paares (213, 213') stehen senkrecht zu den äußeren Oberflächenabschnitte 21, 21 des Paares (214, 214').
Auch hier können auf jedem der acht äußeren Oberflächenabschnitte 21 ein, zwei oder mehr elektronische Bauelemente 3 befestigt werden, soweit dieser äußere Oberflächenabschnitt 21 eine dafür präparierte Oberfläche aufweist, die eine elektrisch leitende Oberfläche 215 und/oder eine wärmeleitende elektrisch isolierende Oberfläche 216 sein kann.
Der in der Fig. 4 im Querschnitt dargestellte Kühlkörper 2 einer Kühleinrichtung, die der Kühleinrichtung 1 nach den Fig. 1 und 2 entspricht, unterscheidet sich vom Kühlkörper 2 nach Fig. 2 lediglich dadurch, dass auf die elektrisch leitende Oberfläche 215 der vier aneinandergrenzenden äußeren Oberflächenabschnitte 21 dieses Kühlkörpers 2 eine alle diese äußeren Oberflächenabschnitte 21 bedeckende Schicht 206 aus wärmeleitendem elektrisch isolierenden Material aufgebracht ist, deren Oberfläche eine zum Befestigen elektronischer Bauelemente 3 präparierte wärmeleitende elektrisch isolierende Schicht 216 ist.
Die Schicht 206 besteht beispielsweise aus einer durch Plasmaspritzen auf den Kühlkörper 2 aufgebrachten und mit einem Klebstoff versiegelten Schicht aus einem gut wärmeleitenden aber elektrisch isolierenden Keramikmaterial, beispielsweise Al₂O₃ oder AlN.
Die Oberfläche 216 der Schicht 206 ist so präpariert, dass darauf elektronische Bauelemente 3 und elektrische Leiter befestigt werden können, wobei sowohl auf einem äußeren Oberflächenabschnitt 21 als auch auf in verschiedene Richtungen weisenden äußeren Oberflächenabschnitten 21 befestigte elektronische Bauelemente 3 elektrisch miteinander verbunden sein können, dabei aber vom Kühlkörper 2 aus elektrisch leitendem Material sicher elektrisch isoliert sind
In der Fig. 5 ist eine mit dem beispielhaften Kühlkörper 2 nach Fig. 4 gebildete Ausbildung einer Kühleinrichtung im gleichen Querschnitt durch den Kühlkörper 2 wie in Fig. 4 dargestellt, bei der befestigte elektronische Bauelemente 3, die auf in verschiedene Richtungen weisenden äußeren Oberflächenabschnitten 21 befestigt sind, durch einen gemeinsamen elektrischen Verbindungsleiter 5 miteinander verbunden sind.
So sind nach Fig. 5 beispielsweise zwei über dem nach oben weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211 auf der wärmeleitenden elektrisch isolierenden Oberfläche 216 der Schicht 206 befestigte elektronische Bauelemente 3 durch den elektrischen Verbindungsleiter 5 miteinander und überdies mit zwei über dem benachbarten, nach links weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212' auf der wärmeleitenden elektrisch isolierenden Oberfläche 216 der Schicht 206 befestigten elektronischen Bauelemente 3 verbunden.
Der die vier elektronischen Bauelemente 3 miteinander verbindende elektrische Verbindungsleiter 5 ist gebogen und umgibt den Kühlkörper 2 teilweise und mit Abstand.
Durch Weiterführung des elektrischen Verbindungsleiters 5 können mit den vier bereits elektrisch verbundenen elektronischen Bauelementen 3 weitere elektronische Bauelemente 3 verbunden werden, die auf der wärmeleitenden elektrisch isolierenden Oberfläche 216 der Schicht 206 über dem nach unten weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211' und/oder über dem nach rechts weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211' befestigt sind.
Nach Fig. 5 sind außerdem jeweils auf einem äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit wärmeleitender elektrisch isolierender Oberfläche 216 angeordnete elektronische Bauelemente 3 an einen elektrischen Leiter 4 angeschlossen, der auf der wärmeleitenden elektrisch isolierenden Oberfläche 216 über diesem äußeren Oberflächenabschnitt 21 befestigt ist.
Sind derartige elektrische Leiter 4 auf voneinander abgekehrten äußeren Oberflächenabschnitten 21 mit jeweils wärmeleitender elektrisch isolierender Oberfläche 216 befestigt, können sie auf einfache Weise dadurch elektrisch miteinander verbunden werden, wenn jeder solche Leiter 4 an zumindest einem Rand seines äußeren Oberflächenabschnitts 21 je einen in einem Winkel α von seinem äußeren Oberflächenabschnitt 21abstehenden Leiterabschnitt 41 aufweist, wobei vorzugsweise α = 90° gilt.
Diese Verbindung kann dadurch hergestellt werden, dass der abstehende Leiterabschnitt 41 des Leiters 4 auf dem einem äußeren Oberflächenabschnitt 21 und der abstehende Leiterabschnitt 41 des Leiters 4 auf dem anderen äußeren Oberflächenabschnitt 21 elektrisch durch einen außerhalb des Kühlkörpers 2 angeordneten elektrischen Verbindungsleiter 5 miteinander verbunden sind.
Die Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Kühleinrichtung 1 mit einem Kühlkörper 2 nach Fig. 4, bei der auf der wärmeleitenden elektrisch isolierenden Oberfläche 216 der Schicht 206 über den zwei voneinander abgekehrten äußeren Oberflächenabschnitten 21, 21 mit den Flächennormalen 211 und 211' des Kühlkörpers 2 je ein elektrischer Leiter 4 befestigt ist, der am linken Rand seines jeweiligen äußeren Oberflächenabschnitts 21 einen im Winkel von 90° von diesem äußeren Oberflächenabschnitt 21 abstehenden Leiterabschnitt 41 aufweist.
Die beiden abstehenden Leiterabschnitte 41 dieser Leiter 4 sind elektrisch durch den außerhalb des Kühlkörpers 2 angeordneten elektrischen Verbindungsleiter 5 miteinander verbunden, der parallel und mit Abstand zum nach links weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212' verläuft.
Diese Verbindung ist beispielsweise so hergestellt, dass die beiden abstehenden Leiterabschnitte 41 durch eine zwischen jedem abstehenden Leiterabschnitt 41 und dem elektrischen Verbindungsleiter 5 angeordnete elektrische Isolierung 54 elektrisch voneinander isoliert sind, und dass eine elektrische Verbindung zwischen jedem abstehenden Leiterabschnitt 41 und dem Verbindungsleiter 5 durch je eine sowohl diesen abstehenden Leiterabschnitt 41 als auch den Verbindungsleiter 5von außen umgreifende Anschluss- und Verbindungsklemme 50 hergestellt ist.
Die in der Fig. 7 dargestellte beispielhafte Kühleinrichtung 1 unterscheidet sich vom Beispiel nach Fig. 6 nur in der etwas anderen Ausführung des Kühlkörpers 2 und darin, dass auch auf der rechten Seite des Kühlkörpers 2 abstehende Leiterabschnitte 41 eines elektrischen Leiters 4 vorhanden sind, die durch einen elektrischen Verbindungsleiter miteinander verbunden sind.
Beim Beispiel nach Fig. 7 ist zusätzlich auf der wärmeleitenden elektrisch isolierenden Oberfläche 216 der Schicht 206 über den zwei voneinander abgekehrten äußeren Oberflächenabschnitten 21, 21 mit den Flächennormalen 211 und 211' des Kühlkörpers 2 neben den bereits vorhandenen elektrischen Leitern 4 mit den abstehenden Leiterabschnitten 41 am linken Rand des jeweiligen äußeren Oberflächenabschnitts 21 je ein weiterer elektrischer Leiter 4 befestigt, der am rechten Rand des jeweiligen äußeren Oberflächenabschnitts 21 einen im Winkel von 90° von diesem äußeren Oberflächenabschnitt 21 abstehenden Leiterabschnitt 41 aufweist.
Die beiden am rechten Rand des jeweiligen äußeren Oberflächenabschnitts 21 abstehenden Leiterabschnitte 41 der weiteren Leiter 4 sind ähnlich wie die am linken Rand des jeweiligen äußeren Oberflächenabschnitts 21 abstehenden Leiterabschnitte 41 der einen Leiter 4 elektrisch durch einen außerhalb des Kühlkörpers 2 angeordneten weiteren elektrischen Verbindungsleiter 5 miteinander verbunden, der parallel zum nach rechts weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212 verläuft.
Auch diese Verbindung ist beispielsweise so hergestellt, dass die beiden abstehenden Leiterabschnitte 41 der weiteren Leiter 4 durch eine zwischen jedem abstehenden Leiterabschnitt 41 und dem elektrischen Verbindungsleiter 5 angeordnete elektrische Isolierung 54 elektrisch voneinander isoliert sind, und dass eine elektrische Verbindung zwischen jedem abstehenden Leiterabschnitt 41 und dem Verbindungsleiter 5 durch je eine sowohl diesen abstehenden Leiterabschnitt 41 als auch den Verbindungsleiter 5 von außen umgreifende Verbindungsklemme 50 hergestellt ist.
Speziell ist der weitere Verbindungsleiter 5 auf der rechten Seite des Kühlkörpers 2 beispielsweise eine Platte bzw. Elektrode eines Kondensators 7.
Anders als der einstückige Kühlkörper 2 nach den Fig. 2 und 4 bis 6 ist der Kühlkörper 2 nach Fig. 7 beispielsweise ein zusammengesetzter Kühlkörper mit rechteckiger oder quadratischer Querschnittsform.
Beispielsweise ist der zusammengesetzte Kühlkörper 2 aus einem den nach oben weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211 aufweisenden oberen Wandabschnitt 201 aus elektrisch leitendem Material, aus einem den nach unten weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 211' aufweisenden unteren Wandabschnitt 201' aus elektrisch leitendem Material, aus einem den nach rechts weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212 aufweisenden rechten Wandabschnitt 202 aus elektrisch leitendem Material und aus einem den nach links weisenden äußeren Oberflächenabschnitt 21 mit der Flächennormalen 212' aufweisenden linken Wandabschnitt 201' aus elektrisch leitendem Material zusammengesetzt. Das elektrisch leitende Material ist beispielsweise jeweils Kupfer.
Der obere und untere Wandabschnitt 201 und 201' sind zwischen dem rechten und linken Wandabschnitt 202 und 202' angeordnet und beispielsweise durch Hartlöten an Lötstellen 70 miteinander verbunden.
Der Verbindungsleiter 5 auf der linken Seite des Kühlkörpers 2 liegt hier beispielsweise am linken Wandabschnitt 202' an, während der weitere Verbindungsleiter 5 auf der rechten Seite des Kühlkörpers 2 am rechten Wandabschnitt 202 anliegt.
Die Wandabschnitte 201, 201' und die Wandabschnitte 202, 202' könnten auch aus voneinander verschiedenen wärmeleitenden Materialien, die jeweils elektrisch leitend oder nicht leitend sein können, bestehen
Auf den elektrischen Leitern 4 sind jeweils ein, zwei oder mehr elektronische Bauelemente 3 befestigt, die auch beim Beispiel nach Fig. 6 vorhanden, dort aber nicht dargestellt sind.
Die beiden Verbindungsleiter 5 sind bei der Kühleinrichtung 1 nach Fig. 7 beispielsweise je ein kontinuierlich durchgehender Leiter. Jeder Verbindungsleiter 5 könnte auch durch ein oder mehrere in ihn geschaltete elektrische Schaltungselemente, beispielsweise einen oder mehrere Kondensatoren, Spulen, Widerstände usw. unterbrochen sein.
Die ganze Kühleinrichtung 1 nach Fig. 7 ist beispielsweise hermetisch dicht in ein Metallgehäuse 8 eingeschlossen, durch das nur die Anschluss- und Verbindungsklemmen 50 auf der linken Seite des Kühlkörpers 2 mittels Dichtungen 81 nach außen geführt sind.
In der Fig. 8 ist beispielhaft dargestellt, wie eine in den Fig. 1 bis 7 dargestellte Kühleinrichtung 1 zum Kühlen elektronischer Bauelemente 3 eines Kraftfahrzeugs verwendet werden kann.
In der Fig. 8 bezeichnet das Bezugszeichen 110 generell einen Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs.
Der Kühlkreislauf 110 weist beispielsweise einen in einer Richtung 200' von Fluid durchströmten Kanal 111 und einen in der zur einen Richtung 200' entgegengesetzten Richtung 200" von dem Fluid 200 durchströmten Kanal 112 auf. Das Fluid 200 kann im Kanal 110 auch in der zur Richtung 200' entgegengesetzten Richtung 200" und im anderen Kanal 112 in der einen Richtung 200' strömen.
In zumindest einem der beiden Kanäle 111 und 112, beispielsweise im Kanal 111, ist wenigstens eine Kühleinrichtung 1 derart angeordnet, dass der Kühlkörper 2 dieser Kühleinrichtung 1 einen vom Fluid durchströmten Abschnitt dieses Kanals 111 oder 112, im Beispiel der Kanal 111, definiert.
Die beiden Kanäle 111 und 112 sind bei den Positionen 10 und 11 miteinander verbunden.
Die Verbindung der beiden Kanäle 111 und 112 bei den Positionen 10 und 11 kann beispielsweise eine direkte Verbindung derart sein, dass die beiden Kanäle 111 und 112 einen Kühlkreislauf 110 in Form eines ringförmig Kanal bilden, in welchem ein, zwei oder mehrere Kühlkörper 2 je einer Kühleinrichtung 1 angeordnet sind. Dabei ist es zweckmäßig, wenn das den ringförmig geschlossenen Kanal durchströmende Fluid 200 zumindest auf der Strecke dieses Kanals, die zwischen dem Austritt des Fluids 200 aus dem zuletzt vom Fluid 200 durchströmten Kühlkörper 2 und dem Wiedereintritt des Fluida 200 in den zuerst wieder vom Fluid 200 durchströmten Kühlkörper 2 liegt, gekühlt wird.
Diese Kühlung kann dadurch erfolgen, dass der Kanal entlang dieser Strecke beispielsweise kontinuierlich Wärme aus dem Fluid 200 an die Umgebung abgibt, beispielsweise in Form von Wärmestrahlung abstrahlt.
Vorzugsweise ist jedoch im Kühlkreislauf 110, zusätzlich zu der einen oder den zwei oder mehreren Kühleinrichtungen 1, deren jede selbst in Bezug auf das Fluid 200 als Wärmetauschereinrichtung zur Erwärmung des Fluids 200 wirkt, zumindest eine Wärmetauschereinrichtung zur Kühlung des Fluids 200 angeordnet.
In der Fig. 8 sei beispielsweise das Kästchen 10 und/oder das Kästchen 11 eine solche Wärmetauschereinrichtung zur Kühlung des Fluids 200 und verbinde die Kanäle 111 und 112 des Kühlkreislaufes 110 miteinander, so dass das Fluid 200 durch diese Wärmetauschereinrichtung 10 und/oder 11 strömt und in dieser durch Wärmetausch gekühlt wird.
Die Leistungsfähigkeit einer solchen Wärmetauschereinrichtung zur Kühlung des Fluids 200 hängt von den jeweiligen Umständen ab, insbesondere davon, welche und/oder wie viele Wärmequellen das durch den Kühlkreislauf 110 strömende Fluid 200 erwärmen und wie stark diese sind.
Bei einem konkreten, nicht einschränkenden Beispiel ist der Kühlkreislauf 110 ein Kühlkreislauf zur Kühlung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Dieser Kühlkreislauf 110 wird von Fluid 200 in Form von Kühlwasser durchströmt, das beispielsweise Wasser oder ein Gefrierschutzmittelgemisch, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol, ist.
Die Brennkraftmaschine weist bekanntlich Zylinder, die eine Wärmequelle bilden, und zur Kühlung der Zylinder eine vom Fluid 200 in Form des Kühlwassers durchströmte Wärmetauschereinrichtung auf, in der dieses Fluid 200 durch Wärmeaustausch mit den Zylindern erwärmt wird. Beispielsweise sei durch das Kästchen 11 in Fig. 8 eine solche Wärmetauschereinrichtung zur Kühlung der Zylinder der Brennkraftmaschine angedeutet.
Das aus dieser Wärmetauschereinrichtung 11 strömende erwärmte Fluid 200 in Form des Kühlwassers wird im Kühlkreislauf 110 zu einer im Kühlkreislauf 110 angeordneten Wärmetauschereinrichtung zur Kühlung des Fluids 200 in Form des Kühlwassers geführt, die bekanntermaßen ein Kühler des Fahrzeugs zur Kühlung des erwärmten Kühlwassers aus der Brennkraftmaschine ist. Beispielsweise sei diese Wärmetauschereinrichtung zur Kühlung des Fluids 200 durch das Kästchen 10 in Fig. 8 angedeutet.
Die Wärmetauschereinrichtung 10 in Form des Kühlers zur Kühlung des Fluids 200 und die Wärmetauschereinrichtung 11 zur Kühlung der Brennkraftmaschine sind durch die Kanäle 111 und 112 derart miteinander verbunden, dass in einem Kanal 111 oder 112 das in der Wärmetauschereinrichtung 10 gekühlte Fluid 200 von dieser Wärmetauschereinrichtung 10 zur Wärmetauschereinrichtung 11 der Brennkraftmaschine strömt, und im anderen Kanal 112 bzw. 111 das in der Wärmetauschereinrichtung 11 der Brennkraftmaschine erwärmte Fluid 200 von dieser Wärmetauschereinrichtung 11 zur Wärmetauschereinrichtung 10 strömt.
In der Fig. 8 strömt beispielsweise das von der Wärmetauschereinrichtung 10 gekühlte Fluid 200 im Kanal 111 in der Richtung 200' zur Wärmetauschereinrichtung 11 der Brennkraftmaschine und strömt das von der Wärmetauschereinrichtung 11 der Brennkraftmaschine erwärmte Fluid 200 im Kanal 112 in der Richtung 200" zur Wärmetauschereinrichtung 10 zur Kühlung des erwärmten Fluids 200 zurück.
Die Kühleinrichtung 1 ist in diesem Fall beispielsweise im Kanal 111 so angeordnet, dass der Kühlkörper 2 einen Abschnitt des Kanals 11 bildet. Eine Kühleeinrichtung 1 könnte auch im Kanal 112 angeordnet sein.
Die bei Kraftfahrzeugen auftretenden hohen Stromstärken von beispielsweise 1000 A und mehr lassen sich mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 1 in allen ihren Ausführungsformen leicht durch Verwendung elektrischer Leiter mit ausreichend großem Querschnitt, beispielsweise mit Dickschichtleitern einer Dicke von gleich oder größer als 300 µm vorteilhafterweise ohne weiteres bewältigen.

Claims

1. Kühleinrichtung (1) zur Kühlung elektronischer Bauelemente (30), mit:
Einem Kühlkörper (2) aus wärmeleitendem Material, der
einen vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum (20) zum Durchströmenlassen eines Fluids (200)durch den Kühlkörper (2) und
zwei oder mehr vom Hohlraum (20) abgekehrte und in voneinander verschiedene Richtungen (211, 212, 211', 212'; 213, 214, 213', 214') weisende äußere Oberflächenabschnitte (21) aufweist, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind.

2. Kühleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (2) zumindest zwei in zueinander senkrechten Richtungen (211, 212; 212, 211'; 211', 212'; 212', 211) und/oder zueinander schrägen Richtungen (211, 213; 211, 214; . . .) weisende äußere Oberflächenabschnitte (21) aufweist, an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind.

3. Kühleinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlkörper (2) zumindest ein Paar ((211, 211'), (212, 212'); (211, 211'), (212, 212'), (213, 213'), (214, 214')) voneinander abgekehrte und auf zueinander entgegengesetzten Seiten des Hohlraums (20) angeordnete äußere Oberflächenabschnitte (21, 21), an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind, aufweist.

4. Kühleinrichtung (1) nach Anspruch 2 und 3, wobei der Kühlkörper (2) zwei oder mehr Paar ((211, 211'), (212, 212'); (211, 211'), (212, 212'), (213, 213'), (214, 214')) voneinander abgekehrte und auf zueinander entgegengesetzten Seiten des Hohlraums (20) angeordnete äußere Oberflächenabschnitte (21, 21), an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind, aufweist, wobei die äußeren Oberflächenabschnitte (21, 21) verschiedener Paare ((211, 211'), (212; 212'); (211, 211'), (212; 212'), (213, 213'), (212, 212'), (214, 214')) in zueinander verschiedene Richtungen weisen.

5. Kühleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Kühlkörper (2), bei dem jeder der in die voneinander verschiedenen Richtungen (211, 212, 211', 212'; 213, 214, 213', 214') weisenden äußeren Oberflächenabschnitte (21, 210), an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind, in einer Strömungsrichtung (200') des durch den Hohlraum (20) strömenden Fluids (200) ausgerichtet ist.

6. Kühleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein äußerer Oberflächenabschnitt (21), an dem ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind, wenigstens bereichsweise eine elektrisch leitende Oberfläche (215) aufweist, an die ein oder mehr der auf diesem äußeren Oberflächenabschnitt (21) befestigten zu kühlenden elektronischen Bauelemente (3) elektrisch angeschlossen ist oder sind.

7. Kühleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein äußerer Oberflächenabschnitt (21), an dem ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind, wenigstens bereichsweise eine wärmeleitend elektrisch isolierende Oberfläche (216) aufweist, auf der ein oder mehr der zu kühlenden elektronischen Bauelemente (3) befestigt ist oder sind.

8. Kühleinrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei auf der wärmeleitend elektrisch isolierenden Oberfläche (216) zumindest ein elektrischer Leiter (4) befestigt ist, an den ein oder mehr der zu kühlenden elektronischen Bauelemente (3) elektrisch angeschlossen ist oder sind.

9. Kühleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, wobei auf wenigstens zwei in voneinander verschiedene Richtungen (211, 211'; . . .) weisenden äußeren Oberflächenabschnitten (21, 21) des Kühlkörpers (2), an deren jedem je ein oder mehr zu kühlende elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind, je wenigstens ein elektrischer Leiter (4) befestigt ist, der einen in einem Winkel (α) von diesem äußeren Oberflächenabschnitt (21) abstehenden Leiterabschnitt (41) aufweist, wobei ein von einem (21) dieser beiden äußeren Oberflächenabschnitte (21, 21) abstehender Leiterabschnitt (41) und ein vom anderen äußeren Oberflächenabschnitt (21) abstehender Leiterabschnitt (41) elektrisch durch einen außerhalb des Kühlkörpers (2) angeordneten elektrischen Verbindungsleiter (5) miteinander verbunden sind.

10. Kühleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Hohlraum (20) des Kühlkörpers (2) eine in Kontakt sowohl mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers (2) als auch mit dem strömenden Fluid (200) stehende Wärmetauschereinrichtung (6) zur Verstärkung eines Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlkörper (2) und dem Fluid (200) vorhanden ist.

11. Kühleinrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei sich die Wärmetauschereinrichtung (6) zumindest gegenüber jedem äußeren Oberflächenabschnitt (21), an dem ein oder mehr elektronische Bauelemente (3) befestigt ist oder sind, flächenhaft auf einer den Hohlraum (20) begrenzenden Innenfläche (22) des Kühlkörpers (2) erstreckt und in flächig verteilter Verbindung (62) mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers (2) steht.

12. Kühleinrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Wärmetauschereinrichtung (6) eine in Kontakt sowohl mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers (2) als auch mit dem strömenden Fluid (200) stehende flächenhaft ausgedehnte Struktur (60) aus wärmeleitendem Material mit einer vom Fluid (200) kontaktierten spezifischen Kontaktoberfläche (61) größer als 1 aufweist.

13. Kühleinrichtung (1) nach Anspruch 12, wobei die Struktur (60) zumindest eine in Kontakt mit dem strömenden Fluid (200) stehende Stufe (601) aus wärmeleitendem Material aufweist.

14. Kühleinrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Struktur (60) zwei oder mehr sich kreuzende drahtartig langgestreckte Körper (602) aus wärmeleitendem Material aufweist.

15. Kühlkörper aus wärmeleitendem Material, mit
einem vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum (20) zum Durchströmenlassen eines Fluids (200) durch den Kühlkörper (2) und
zwei oder mehr vom Hohlraum (20) abgekehrten und in voneinander verschiedene Richtungen (211, 212; . . .) weisenden äußeren Oberflächenabschnitten (21, 21),
insbesondere Kühlkörper (2) für eine Kühleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest zwei der vom Hohlraum (20) abgekehrten und in voneinander verschiedene Richtungen (211, 212; . . .) weisenden äußeren Oberflächenabschnitte (21, 21) des Kühlkörpers (2) jeweils wenigstens bereichsweise eine zum Befestigen je eines oder mehrerer zu kühlender elektronischer Bauelemente (3) präparierte Oberfläche (215, 216) aufweisen.

16. Kühlkörper nach Anspruch 15, wobei zumindest eine präparierte Oberfläche (215) eines äußeren Oberflächenabschnitts (21) eine elektrisch leitende Oberfläche ist.

17. Kühlkörper nach Anspruch 15 oder 16, wobei zumindest eine präparierte Oberfläche (216) eines äußeren Oberflächenabschnitts (21) eine elektrisch isolierende Oberfläche ist.

18. Kühlkörper aus wärmeleitendem Material, mit
einem vom wärmeleitenden Material umgebenen Hohlraum (20) zum Durchströmenlassen eines Fluids (200) durch den Kühlkörper (2) und
zumindest einem vom Hohlraum (20) abgekehrten äußeren Oberflächenabschnitt (21, 21), der wenigstens bereichsweise eine zum Befestigen eines oder mehrerer zu kühlender elektronischer Bauelemente (3) präparierte Oberfläche (215, 216) aufweist,
insbesondere Kühlkörper (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Hohlraum (20) des Kühlkörpers (2) eine in Kontakt sowohl mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers (2) als auch mit dem strömenden Fluid (200) stehende Wärmetauschereinrichtung (6) zur Verstärkung eines Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlkörper (2) und dem Fluid (200) vorhanden ist.

19. Kühlkörper nach Anspruch 18, wobei sich die Wärmetauschereinrichtung (6) zumindest gegenüber jedem äußeren Oberflächenabschnitt (21), an dem ein oder mehr elektronischen Bauelementen (3) befestigt ist oder sind, flächenhaft auf einer den Hohlraum (20) begrenzenden Innenfläche (22) des Kühlkörpers (2) erstreckt und in flächig verteilter Verbindung (62) mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers (2) steht.

20. Kühlkörper nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Wärmetauschereinrichtung (6) eine in Kontakt sowohl mit dem wärmeleitenden Material des Kühlkörpers (2) als auch mit dem strömenden Fluid (200) stehende flächenhaft ausgedehnte Struktur (60) aus wärmeleitendem Material mit einer vom Fluid (200) kontaktierten spezifischen Kontaktoberfläche (61) größer als 1 aufweist.

21. Kühlkörper nach Anspruch 20, wobei die Struktur (60) zumindest eine in Kontakt mit dem strömenden Fluid () stehende Stufe (601) aus wärmeleitendem Material aufweist.

22. Kühlkörper nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Struktur (60) zwei oder mehr sich kreuzende drahtartig langgestreckte Körper (602) aus wärmeleitendem Material aufweist.

23. Anwendung einer Kühleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 zum Kühlen elektronischer Bauelemente (3) eines Kraftfahrzeugs, wobei der Kühlkörper (2) der Kühleinrichtung (1) einen Abschnitt eines von einem Fluid (200) durchströmten Kanals (111) des Kraftfahrzeugs definiert.

24 Anwendung nach Anspruch 23, wobei das den Kühlkörper (2) durchströmende Fluid (200) Kühlwasser zur Kühlung einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs ist.