DE102012220453A1

DE102012220453A1 - Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung und Herstellungsverfahren derselben

Info

Publication number: DE102012220453A1
Application number: DE102012220453A
Authority: DE
Inventors: Seiji Matsushima; Kouji Tomita
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2032-11-10
Also published as: US20130284404A1; CN103107149B; CN203038910U; JP2013123038A; KR20130052521A; CN103107149A; DE102012220453B4; US9845999B2; JP5953206B2

Abstract

Eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung beinhaltet ein Gehäuse, das eine obere Wand, eine untere Wand und einen Kühlflüssigkeitskanal und ein Strahlungselement, das in dem Kühlflüssigkeitskanal angeordnet ist, aufweist. Das Strahlungselement weist ein Substrat und mehrere zapfenförmige Rippen auf. Längszwischenabschnitte der zapfenförmigen Rippen sind an das Substrat gelötet. Das Substrat weist mehrere Rippeneinbringöffnungen auf, wobei die zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrats eingebracht sind. Mehrere konvexe Abschnitte sind einstückig an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippe ausgebildet. Das Substrat und die zapfenförmigen Rippen sind vorläufig durch plastisches Verformen der konvexen Abschnitte so miteinander befestigt, dass diese eingedrückt sind. In diesem Zustand werden das Substrat und die zapfenförmigen Rippen zusammengelötet. Die oberen und unteren Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen sind an die obere Wand bzw. die untere Wand des Gehäuses gelötet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung zum Kühlen eines wärmeerzeugenden Körpers, der aus einer elektronischen Komponente, wie zum Beispiel einer Halbleiterbauelement besteht, und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Die vorliegende Anmelderin hat eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung zum Kühlen einer Leistungseinrichtung (Halbleiterbauelement), wie zum Beispiel eines Bipolartransistors mit isoliertem Gate (IGBT, „insulated gate bipolar transistor”), vorgeschlagen, die in einer Energieumwandlungsvorrichtung, die an einem elektrischen Fahrzeug, einem Hybridfahrzeug, einem elektrischen Schienenfahrzeug oder ähnlichem angebracht ist, verwendet wird (siehe offengelegte japanische Patentanmeldung (kokai) Nr. 2009-277768 ). Die vorgeschlagene flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung beinhaltet ein Gehäuse mit einem Kühlflüssigkeitskanal, durch welchen Kühlflüssigkeit einschließlich Wasser (zum Beispiel ein langlebiges Kühlmittel) strömt, und ein Strahlungselement, das in eine in der oberen Wand des Gehäuses ausgebildeten Öffnung eingepasst ist. Das Strahlungselement besteht aus einem Substrat, dessen erste Fläche dem Kühlflüssigkeitskanal zugewandt ist und dessen zweite Fläche als eine Anbringfläche des wärmeerzeugenden Körpers dient, und mehreren zapfenförmigen Rippen, die so einstückig durch Schmieden an der ersten Fläche des Substrats ausgebildet sind, dass die Rippen versetzt sind. Zwischen den distalen Enden der zapfenförmigen Rippen und der unteren Wand des Gehäuses ist ein Spalt vorgesehen.
Jedoch ist im Fall der in der Publikation offenbarten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung, da die zapfenförmigen Rippen des Strahlungselements einstückig durch Schmieden an dem Substrat ausgebildet sind, ihre Dimensionsgenauigkeit in der Höhenrichtung ungenügend. Demzufolge können die zapfenförmigen Rippen nicht einheitlich in der Höhe ausgeführt werden. Weiter, da die Höhe der zapfenförmigen Rippen durch die Dicke des Substrats vor der Bildung der zapfenförmigen Rippen beeinflusst ist, muss die Dicke des Substrats vor der Bildung der zapfenförmigen Rippen vergrößert werden, um eine Höhe der zapfenförmigen Rippen sicherzustellen, die ausreichend ist, um eine benötigte Wärmestrahlungsleistung zu erlangen. In einem solchen Fall weist das Substrat nach der Bildung der zapfenförmigen Rippen eine relativ große Dicke auf, welche die Übertragung von Wärme von einem wärmeerzeugenden Körper, der an der zweiten Fläche angebracht ist, zu den zapfenförmigen Rippen verringert, wodurch die Wärmestrahlungsleistung ungenügend wird. Das oben beschriebene Problem der in der Publikation offenbarten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung kann durch derartiges Bearbeiten der durch Schmieden der an der ersten Fläche des Substrats ausgebildeten zapfenförmigen Rippen, dass die zapfenförmigen Rippen einheitlich in der Höhe ausgeführt sind, und Bearbeiten des Substrats, um dadurch die Dicke des Substrats zu verringern, gelöst werden. Jedoch erhöht sich in diesem Fall die Zahl der Mannstunden, die zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung benötigt werden. Zusätzlich könnte die Druckfestigkeit der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung unzureichend werden, da die distalen Enden der zapfenförmigen Rippen nicht mit der unteren Wand verbunden sind, wenn die Dicke des Substrats verringert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das oben genannte Problem zu lösen und eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung, welche die Wärmestrahlungsleistung verbessern kann und eine Zunahme der Zahl von Mannstunden, die zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung notwendig sind, unterdrücken kann, und ein Verfahren zur Herstellung derselben bereitzustellen.
Um das oben genannte Ziel zu erfüllen, umfasst die vorliegende Erfindung die folgenden Moden.

1) Eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung mit einem Gehäuse, das eine obere Wand und eine untere Wand aufweist und in dem ein Kühlflüssigkeitskanal vorgesehen ist; und einem Strahlungselement, das in dem Kühlflüssigkeitskanal innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Strahlungselement aus einem Substrat und mehreren zapfenförmigen Rippen besteht, die so ausgerichtet sind, dass ihre Längsrichtung mit einer vertikalen Richtung zusammenfällt, und deren Längszwischenabschnitte an das Substrat gelötet sind; mehrerer Rippeneinbringöffnungen in dem Substrat ausgebildet sind; die zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrats eingebracht sind; die zapfenförmigen Rippen und das Substrat miteinander, in einem Zustand zusammengelötet sind, in dem die zapfenförmigen Rippen und das Substrat durch plastische Verformung zumindest der zapfenförmigen Rippen oder von Abschnitten des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum vorläufig befestigt sind; und obere und untere Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen an die obere Wand bzw. die untere Wand des Gehäuses gelötet sind.
2) Eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Paragraph 1), bei der ein konvexer Abschnitt einstückig an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippen so vorgesehen ist, dass der konvexe Abschnitt von der Umfangsfläche des Längszwischenabschnitts, nach außen hervorsteht; das Substrat härter als die zapfenförmigen Rippen ist; und von dem konvexen Abschnitt und den Abschnitten des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum zumindest der konvexe Abschnitt so plastisch verformt ist, dass der konvexe Abschnitt eingedrückt ist.
3) Eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Paragraph 1), bei der ein konvexer Abschnitt einstückig an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippe so vorgesehen ist, dass der konvexe Abschnitt von der Umfangsfläche des Längszwischenabschnitts, nach außen hervorsteht; die zapfenförmigen Rippen härter als das Substrat sind; und von dem konvexen Abschnitt und den Abschnitten des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum zumindest die Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum plastisch verformt sind.
4) Eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Paragraph 2) oder 3), bei der ein Abschnitt jeder zapfenförmigen Rippe, an dem der konvexe Abschnitt nicht vorgesehen ist, einen kreisförmigen transversalen Querschnitt aufweist; und konvexe Abschnitte und konkave Abschnitte an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippe abwechselnd und durchgehend in der Umfangsrichtung so ausgebildet sind, dass die konvexen Abschnitte von der Umfangsfläche des Zwischenabschnitts radial nach außen hervorstehen und die konkaven Abschnitte von der Umfangsfläche des Zwischenabschnitts radial nach innen abfallen.
5) Eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Paragraph 4), bei der die Rippeneinbringöffnungen des Substrats kreisförmig sind und einen Durchmesser von 0,5 bis 6 mm aufweisen; ein Abschnitt jeder zapfenförmigen Rippe, an dem weder die konvexen Abschnitte noch die konkaven Abschnitte vorgesehen sind, einen Durchmesser von 0,3 bis 5,99 mm aufweist; und die konkaven Abschnitte eine Tiefe von 0,05 bis 0,6 mm aufweisen.
6) Eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Paragraph 1), bei der die Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum durch Pressen von gegenüberliegenden Seiten des Substrats plastisch verformt sind.
7) Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß Paragraph 2), umfassend: Vorbereiten von Elementen, die bilden: ein Gehäuse, das eine obere Wand, eine untere Wand, und einen darin vorgesehenen Kühlflüssigkeitskanal aufweist, ein Substrat, das mehrere Rippeneinbringöffnungen aufweist, mehrere zapfenförmige Rippen, die jeweils mehrere konvexe Abschnitte aufweisen, die so an einem Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche vorgesehen sind, dass die konvexen Abschnitte von der Umfangsfläche nach außen hervorstehen, wobei eine imaginäre Form, die durch Verbinden hervorstehender Enden der mehreren konvexen Abschnitte jeder zapfenförmigen Rippe gebildet ist, eine größere Größe aufweist als die Rippeneinbringöffnungen des Substrats, und wobei das Substrat härter als die zapfenförmigen Rippen ist; Presspassen der zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrats derart, dass zumindest die konvexen Abschnitte der zapfenförmigen Rippen und optional zusätzlich Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum plastisch verformt werden, um dadurch die zapfenförmigen Rippen provisorisch an dem Substrat zu befestigen; und Verbinden des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, die provisorisch an dem Substrat befestigt sind, mit den Elementen, die das Gehäuse bilden, Zusammenlöten des Substrats und der zapfenförmigen Rippen und gleichzeitiges Löten gegenüberliegender Enden der zapfenförmigen Rippen an Abschnitte der Elemente, die das Gehäuse bilden, wobei die Abschnitte zu der unteren und der oberen Wand des Gehäuses werden.
8) Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß Paragraph 3), umfassend: Vorbereiten von Elementen, die bilden: ein Gehäuse, das eine obere Wand, eine untere Wand, und einen darin vorgesehenen Kühlflüssigkeitskanal aufweist, ein Substrat, das mehrere Rippeneinbringöffnungen aufweist, mehrere zapfenförmige Rippen, die jeweils mehrere konvexe Abschnitte aufweisen, die so an einem Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche vorgesehen sind, dass die konvexen Abschnitte von der Umfangsfläche nach außen hervorstehen, wobei eine imaginäre Form, die durch Verbinden hervorstehender Enden der mehreren konvexen Abschnitte jeder zapfenförmigen Rippe gebildet ist, eine größere Größe aufweist als die Rippeneinbringöffnungen des Substrats, und wobei die zapfenförmigen Rippen härter als das Substrat sind; Presspassen der zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrats derart, dass zumindest Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum und optional zusätzlich die konvexen Abschnitte der zapfenförmigen Rippen plastisch verformt werden, um dadurch die zapfenförmigen Rippen provisorisch an dem Substrat zu befestigen; und Verbinden des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, die provisorisch an dem Substrat befestigt sind, mit den Elementen, die das Gehäuse bilden, Zusammenlöten des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, und gleichzeitiges Löten gegenüberliegender Enden der zapfenförmigen Rippen an Abschnitte der Elemente, die das Gehäuse bilden, wobei die Abschnitte zu der oberen und der unteren Wand des Gehäuses werden.
9) Herstellungsverfahren gemäß Paragraph 7) oder 8), bei dem die Rippeneinbringöffnungen des Substrats kreisförmige Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 6 mm sind; ein Abschnitt jeder zapfenförmigen Rippe, an dem die konvexen Abschnitte nicht vorgesehen sind, einen kreisförmigen transversalen Querschnitt aufweist und einen Durchmesser von 0,3 bis 5,99 mm aufweist; eine imaginäre Form, die durch Verbinden hervorstehender Enden der mehreren konvexen Abschnitte gebildet ist, ein Kreis ist, der einen Durchmesser aufweist, der größer als ein Durchmesser der Rippeneinbringöffnungen des Substrats ist; wobei die konvexen Abschnitte eine Länge von 0,5 bis 5 mm in der Längsrichtung der zapfenförmigen Rippen aufweisen; und der Durchmesser A (mm) jedes Rippeneinbringlochs, der Durchmesser B (mm) jeder zapfenförmigen Rippe an einem Abschnitt, an dem die konvexen Abschnitte nicht vorgesehen sind, und der Durchmesser C (mm) des imaginären Kreises, der die hervorstehenden Enden aller konvexen Abschnitte verbindet, die Beziehungen A – 0,2 ≤ B ≤ A – 0,01 und A + 0,01 ≤ C ≤ A + 0,2 erfüllen.
10) Herstellungsverfahren gemäß Paragraph 7) oder 8), bei dem ein Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche eines zylindrischen, säulenförmigen Rippenmaterials von der radial äußeren Seite an mehreren Stellen, die voneinander in der Umfangsrichtung beabstandet sind, gepresst wird, wodurch mehrere konkave Abschnitte, die von der Umfangsfläche abfallen, mit vorbestimmten Abständen in der Umfangsrichtung gebildet werden, und jeder der konvexen Abschnitte zwischen den benachbarten konkaven Abschnitten vorgesehen ist, wodurch die zapfenförmigen Rippen ausgebildet werden.
11) Herstellungsverfahren gemäß Paragraph 10, bei dem die konkaven Abschnitte der zapfenförmigen Rippen eine Tiefe von 0,05 bis 0,6 mm aufweisen.
12) Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß Paragraph 6), umfassend: Vorbereiten von Elementen, die bilden: ein Gehäuse, das eine obere Wand, eine untere Wand, und einen darin vorgesehenen Kühlflüssigkeitskanal aufweist, ein Substrat, das mehrere Rippeneinbringöffnungen aufweist, mehrere zapfenförmige Rippen; Einbringen der zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrats; Pressen von Abschnitten gegenüberliegender Flächen des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum derart, dass Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum plastisch verformt werden, um dadurch die zapfenförmigen Rippen vorläufig an dem Substrat zu befestigen; und Verbinden des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, die provisorisch an dem Substrat befestigt sind, mit den Elementen, die das Gehäuse bilden, Zusammenlöten des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, und gleichzeitiges Löten gegenüberliegender Enden der zapfenförmigen Rippen an Abschnitte der Elemente, die das Gehäuse bilden, wobei die Abschnitte zu der oberen und der unteren Wand des Gehäuses werden.

Die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß einem der Paragraphen 1) bis 6) weist ein Gehäuse, das eine obere Wand und eine untere Wand aufweist und in dem ein Kühlflüssigkeitskanal vorgesehen ist; und ein Strahlungselement, das in dem Kühlflüssigkeitskanal innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, auf. Das Strahlungselement besteht aus einem Substrat und mehreren zapfenförmigen Rippen, die so ausgerichtet sind, dass ihre Längsrichtung mit einer vertikalen Richtung zusammenfällt, und deren Längszwischenabschnitte an das Substrat gelötet sind. Mehrere Rippeneinbringöffnungen sind in dem Substrat ausgebildet. Die zapfenförmigen Rippen sind in die Rippeneinbringöffnungen eingebracht. Die zapfenförmigen Rippen und das Substrat sind miteinander in einem Zustand zusammengelötet, in dem die zapfenförmigen Rippen und das Substrat durch plastische Verformung zumindest der zapfenförmigen Rippen oder von Abschnitten um die Rippeneinbringöffnungen herum vorläufig befestigt sind. Obere und untere Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen sind an die obere Wand bzw. die untere Wand des Gehäuses gelötet. Deshalb können die zapfenförmigen Rippen getrennt von dem Substrat ausgebildet sein und ist die Dimensionsgenauigkeit der zapfenförmigen Rippen verbessert, wodurch die Höhen der zapfenförmigen Rippen einheitlich ausgeführt werden können. Weiter wird, das die oberen und unteren Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen an die obere und die untere Wand des Gehäuses gelötet sind, der folgende vorteilhafte Effekt erzielt. In dem Fall, dass ein wärmeerzeugender Körper an der äußeren Fläche der oberen und/oder der unteren Wand des Gehäuses angebracht ist, kann von der oberen und unteren Wand, die Wand, an welcher der wärmeerzeugende Körper angebracht ist, dünn im Vergleich mit dem Substrat der Wärmesenke der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung, die in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nummer 2009-277768 offenbart ist, ausgeführt werden, wodurch die Übertragung von Wärme zwischen dem wärmeerzeugenden Körper und den zapfenförmigen Rippen verbessert ist. Dementsprechend weist die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung eine verbesserte Wärmestrahlungsleistung auf. Zusätzlich weist die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung eine vergrößerte Druckfestigkeit auf, da die oberen und unteren Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen an die obere und die untere Wand des Gehäuses gelötet sind, selbst in dem Fall, dass die obere oder untere Wand an welchen der wärmeerzeugende Körper angebracht ist, dünner als das Substrat der Wärmesenke der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung, die in der Publikation offenbart ist, ausgeführt wird.
Entsprechend dem Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß einem der Paragraphen 7) bis 12), können die Höhen der zapfenförmigen Rippen in einer hergestellten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung einheitlich ausgeführt werden, da die zapfenförmigen Rippen getrennt vom Substrat ausgebildet werden können und die Dimensionsgenauigkeit der zapfenförmigen Rippen verbessert ist. Weiter kann eine Positionsverschiebung der zapfenförmigen Rippen zum Zeitpunkt des Lötens vermieden werden, da die oberen und unteren Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen an die obere und die untere Wand des Gehäuses in einem Zustand gelötet sind, in dem die zapfenförmigen Rippen und das Substrat vorläufig befestigt sind. Des Weiteren wird, da die oberen und unteren Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen an die obere und die untere Wand des Gehäuses gelötet sind, der folgende vorteilhafte Effekt erzielt. Im Fall, dass ein wärmeerzeugender Körper an der äußeren Fläche der oberen und/oder der unteren Wand des Gehäuses der hergestellten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung angebracht ist, kann von der oberen und der unteren Wand die Wand, an welcher der wärmeerzeugende Körper angebracht ist, dünn im Vergleich mit dem Substrat der Wärmesenke der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung, die in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nummer 2009-277768 offenbart ist, ausgeführt werden, wodurch die Übertragung von Wärme zwischen dem wärmeerzeugenden Körper und den zapfenförmigen Rippen verbessert ist. Dementsprechend weist die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung eine verbesserte Wärmestrahlungsleistung auf. Zusätzlich weist die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung eine vergrößerte Druckfestigkeit auf, da die oberen und unteren Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen an die obere und die untere Wand des Gehäuses gelötet sind selbst in dem Fall, dass die obere oder untere Wand an welcher der wärmeerzeugende Körper angebracht ist, dünner als das Substrat der Wärmesenke der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung, die in der Publikation offenbart ist, ausgeführt wird.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht, welche die Gesamtstruktur einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine vertikale Schnittansicht, die in einem vergrößerten Maßstab einen Hauptabschnitt der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung aus 1 zeigt;
3 ist eine perspektivische Ansicht, die eine zapfenförmige Rippe, die zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung aus 1 verwendet wird, zeigt;
4 ist eine vertikale Schnittansicht, die in einem vergrößerten Maßstab einen Zustand zeigt, bevor eine zapfenförmige Rippe in einem Verfahren zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung aus 1 in eine Rippeneinbringöffnung eines Substrats pressgepasst wird;
5 ist eine vertikale Schnittansicht, die in einem vergrößerten Maßstab einen Zustand zeigt, nachdem zapfenförmige Rippen in dem Verfahren zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung aus 1 in Rippeneinbringöffnungen des Substrats pressgepasst wurden;
6 ist eine perspektivische Ansicht, die eine erste Modifikation der zapfenförmigen Rippe, die zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung aus 1 verwendet wird, zeigt;
7 ist eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-A in 6;
8 ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 7;
9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in 7;
10 ist eine perspektivische Ansicht, die eine zweite Modifikation der zapfenförmigen Rippe, die zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung aus 1 verwendet wird, zeigt;
11 ist eine der 2 entsprechende Ansicht und zeigt eine Modifikation eines Strahlungselements, das in der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung aus 1 verwendet wird; und
12 ist eine vertikale Schnittansicht, die in einem vergrößerten Maßstab einen Zustand zeigt, bevor eine zapfenförmige Rippe in einem Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung mit dem Strahlungselement aus 11 in eine Rippeneinbringöffnung eines Substrats pressgepasst wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen umfasst der Begriff „Aluminium” Aluminiumlegierungen zusätzlich zu reinem Aluminium.
1 zeigt die Gesamtstruktur einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und 2 zeigt die Struktur eines Hauptabschnittes der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung.
Wie in 1 gezeigt ist, beinhaltet eine flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 1 ein hohles Gehäuse 2 und ein Strahlungselement 4. Das Gehäuse 2 weist eine obere Wand 2a, eine untere Wand 2b und eine Umfangswand 2c auf, und ein Kühlflüssigkeitskanal 3 ist innerhalb des Gehäuses 2 vorgesehen. Das Strahlungselement 4 ist in dem Kühlflüssigkeitskanal 3 innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet.
Das Gehäuse 2 ist durch Zusammenlöten eines oberen Einzelteils 5, das aus Aluminium ausgeführt ist und die obere Wand 2a und die obere Hälfte der Umfangswand 2c bildet, und eines unteren Einzelteils 6, das aus Aluminium ausgeführt ist und die untere Wand 2b und die untere Hälfte der Umfangswand 2c bildet, gebildet. Ein Einlassrohr 7 und ein Auslassrohr 8, die aus Aluminium ausgeführt sind, sind mit der oberen Wand 2a des Gehäuses 2 verbunden. Das Einlassrohr 7 wird dafür verwendet, dem Kühlflüssigkeitskanal 3 innerhalb des Gehäuses 2 eine Kühlflüssigkeit zuzuführen. Das Auslassrohr 8 wird dafür verwendet, die Kühlflüssigkeit aus dem Kühlflüssigkeitskanal 3 innerhalb des Gehäuses 2 abzuführen. Ein wärmeerzeugender Körper P ist an der äußeren Fläche der oberen Wand 2a des Gehäuses 2 und/oder der äußeren Fläche der unteren Wand 2b desselben (in der vorliegenden Ausführungsform an der äußeren Fläche der oberen Wand 2a) angebracht. Der wärmeerzeugende Körper P kann eine Leistungseinrichtung, wie zum Beispiel ein IGBT, ein IGBT-Modul, in dem ein IGBT mit einer Steuerschaltung integriert ist und in demselben Paket aufgenommen ist, oder ein intelligentes Leistungsmodul, in dem ein IGBT-Modul mit einer Schutzschaltung integriert ist und in demselben Paket aufgenommen ist, sein.
Das Strahlungselement 4 besteht aus einem Substrat 11, das aus Aluminium ausgeführt ist, und mehreren zapfenförmigen Rippen 13, die aus Aluminium ausgeführt sind. Wie in 2 gezeigt ist, weist das Substrat 11 mehrere kreisförmige Rippeneinbringöffnungen (Durchgangsöffnungen) 12, die sich durch dieses erstrecken, auf. Die zapfenförmigen Rippen 13, die so ausgerichtet sind, dass ihre Längsrichtung mit der vertikalen Richtung zusammenfällt, sind in die Rippeneinbringöffnungen 12 eingebracht, und ihre Zwischenabschnitte in der Längsrichtung (nachstehend als „Längszwischenabschnitte” bezeichnet) sind an das Substrat 11 gelötet. Jede der zapfenförmigen Rippen 13 weist die Form einer kreisförmigen Säule auf, die einen kreisförmigen transversalen Querschnitt aufweist. Mehrere konvexe Abschnitte 14 sind einstückig mit gleichen Abständen in der Umfangsrichtung an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippe 13 so vorgesehen, dass die konvexen Abschnitte 14 von der Umfangsfläche derselben nach außen hervorstehen. Das Substrat 11 und die zapfenförmigen Rippen 13 sind in einem Zustand zusammengelötet, in dem das Substrat 11 und die zapfenförmigen Rippen 13 durch plastisches Verformen der konvexen Abschnitte 14, sodass die konvexen Abschnitte 14 eingedrückt sind, vorläufig miteinander befestigt sind. Weiter sind obere und untere Endabschnitte jeder zapfenförmigen Rippe 13 an die obere Wand 2a bzw. die untere Wand 2b des Gehäuses 2 gelötet.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 1 mit Bezug auf die 3 bis 5 beschrieben.
Als Erstes werden das obere und das untere Einzelteil 5 und 6 des Gehäuses 2 und das Substrat 11 und die mehreren zapfenförmigen Rippen 13 des Strahlungselements 4 vorbereitet. Die mehreren kreisförmigen Rippeneinbringöffnungen 12 werden so in dem Substrat 11 ausgebildet, dass sie sich durch das Substrat 11 erstrecken. Wie in 3 gezeigt ist, weist jede zapfenförmige Rippe 13 die Form einer kreisförmigen Säule auf, die einen kreisförmigen transversalen Querschnitt aufweist, und sind mehrere konvexe Abschnitte 14 einstückig an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippe mit gleichen Abständen in der Umfangsrichtung so vorgesehen, dass die konvexen Abschnitte 14 von der Umfangsfläche derselben nach außen hervorstehen.
In der vorliegenden Ausführungsform weist das Aluminium, das verwendet wird, um das obere Einzelteil 5, das untere Einzelteil 6, das Substrat 11 und die zapfenförmigen Rippen 13 zu bilden, eine Vickershärte von 10 bis 250 auf, und ist das Substrat 11 vorzugsweise härter ausgeführt als die zapfenförmigen Rippen 13. Zum Beispiel wird die Vickershärte des Substrats 11 vorzugsweise um annähernd 20 größer ausgeführt als die der zapfenförmigen Rippen 13.
Vorzugsweise ist eine imaginäre Form, die durch Verbinden der hervorstehenden Enden aller konvexer Abschnitte 14 gebildet ist, ein Kreis, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser der Rippeneinbringöffnungen 12 des Substrats 11 ist. Vorzugsweise weist jede der Rippeneinbringöffnungen 12 einen Durchmesser von 0,5 bis 6 mm auf und weist jede der zapfenförmigen Rippen 13 einen Durchmesser von 0,3 bis 5,99 mm, gemessen in einem Bereich, in dem die konvexen Abschnitte 14 nicht vorgesehen sind, auf. Vorzugsweise sind innerhalb dieser Bereiche der Durchmesser A (mm) jeder Rippeneinbringöffnung 12, der Durchmesser B (mm) jeder zapfenförmigen Rippe 13 an einen Abschnitt, an dem die konvexen Abschnitte 14 nicht vorgesehen sind, und der Durchmesser C (mm) des imaginären Kreises, der die hervorstehenden Enden aller konvexen Abschnitte 14 verbindet, so bestimmt, dass die Beziehungen A – 0,2 ≤ B ≤ A – 0,01 und A + 0,01 ≤ C ≤ A + 0,2 erfüllt sind. Weiter beträgt die Länge der konvexen Abschnitte 14, gemessen in der Längsrichtung der zapfenförmigen Rippen 13, vorzugsweise 0,5 bis 5 mm.
Anschließend werden alle zapfenförmigen Rippen 13 in die Rippeneinbringöffnungen 12 des Substrats 11 so eingebracht, dass ein Abschnitt jeder zapfenförmigen Rippe 13, der sich von einem Ende derselben zu den konvexen Abschnitten 14 erstreckt, durch die entsprechende Rippeneinbringöffnung 12 hindurchtritt (siehe 4). Danach wird, während ein Ende jeder zapfenförmigen Rippe 13 durch eine nicht-illustrierte Aufnahme gehalten wird, die zapfenförmige Rippe 13 durch einen Stempel derart von dem anderen Ende in Richtung auf die Aufnahme gepresst, dass die zapfenförmige Rippe 13 in die entsprechende Rippeneinbringöffnung 12 pressgepasst wird. Durch diesen Vorgang werden von den konvexen Abschnitten 14 jeder zapfenförmigen Rippe 13 und einem Abschnitt des Substrats 11 um die entsprechende Rippeneinbringöffnung 12 herum zumindest die konvexen Abschnitte 14 plastisch verformt, wodurch die zapfenförmigen Rippen 13 vorläufig an dem Substrat befestigt sind (siehe 5).
Alternativ können die zapfenförmigen Rippen 13 härter als das Substrat 11 ausgeführt sein; zum Beispiel kann die Vickershärte der zapfenförmigen Rippen 13 um annähernd 20 größer ausgeführt werden als die des Substrats 11. In diesem Fall wird, wenn jede zapfenförmige Rippe 13 in die entsprechende Rippeneinbringöffnung 12 pressgepasst wird, von den konvexen Abschnitten 14 jeder zapfenförmigen Rippe 13 und einem Abschnitt des Substrats 11 um die entsprechende Rippeneinbringöffnung 12 herum zumindest der Abschnitt des Substrats 11 um die entsprechende Rippeneinbringöffnung 12 herum plastisch verformt, wodurch die zapfenförmigen Rippen 13 vorläufig an dem Substrat 11 befestigt sind.
Danach werden das Substrat 11 und die zapfenförmigen Rippen 13, die vorläufig an dem Substrat 11 befestigt sind, mit den Elementen, die das Gehäuse 2 bilden, verbunden und das Substrat 11 und die zapfenförmigen Rippen 13 zusammengelötet. Gleichzeitig damit werden die gegenüberliegenden Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen 13 an Abschnitte der Elemente, die das Gehäuse 2 bilden, gelötet, wobei die Abschnitte zu der oberen Wand 2a und der unteren Wand 2b werden. Somit ist die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 1 hergestellt.
Besonders für den Fall, dass das Substrat 11 und die zapfenförmigen Rippen 13 zusammengelötet sind, ist das Substrat 11 vorzugsweise aus einem Aluminiumlötblech ausgebildet, das eine Lötmaterialschicht auf zumindest einer der gegenüberliegenden Seiten desselben aufweist. In dem Fall, dass die gegenüberliegenden Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen 13 an das obere und das untere Einzelteil 5 und 6 des Gehäuses 2 gelötet sind, sind vorzugsweise, sowohl das obere als auch das und untere Einzelteil 5 und 6 aus einem Aluminiumlötblech ausgebildet, das eine Lötmaterialschicht auf zumindest einer der gegenüberliegenden Seiten desselben so aufweist, dass sich die Lötmaterialschicht auf der inneren Flächenseite befindet. Weiter kann das Löten zwischen den gegenüberliegenden Endabschnitten der zapfenförmigen Rippen 13 und dem oberen und dem unteren Einzelteil 5 und 6 des Gehäuses 2 unter Verwendung von Lötmaterialfilmen, die zwischen den zapfenförmigen Rippen 13 und dem oberen und dem unteren Einzelteil 5 und 6 angeordnet sind, durchgeführt werden.
Das Einlassrohr 7 und das Auslassrohr 8 können gleichzeitig mit dem Vorgang des Lötens des Substrats 11 und der zapfenförmigen Rippen 13 und des Lötens der zapfenförmigen Rippen 13 und des unteren und des oberen Einzelteils 5 und 6 an das obere Einzelteil 5 gelötet werden. Alternativ können das Einlassrohr 7 und das Auslassrohr 8 nach dem Vorgang des Lötens des Substrats 11 und der zapfenförmigen Rippen 13 und des Lötens der zapfenförmigen Rippen 13 und des unteren und des oberen Einzelteils 5 und 6 durch ein geeignetes Verfahren mit dem oberen Einzelteil 5 verbunden werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform sind das obere und das untere Einzelteil 5 und 6, das Substrat 11 und die zapfenförmigen Rippen 13 aus Aluminium ausgeführt. Jedoch können diese Komponenten aus Kupfer (einschließlich Kupferlegierung) ausgeführt sein. Das Kupfer (einschließlich Kupferlegierung), welches das obere und das untere Einzelteil 5 und 6, das Substrat 11 und die zapfenförmigen Rippen 13 bildet, weist eine Vickershärte von 50 bis 300 auf. In einigen Fällen, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, ist das Substrat 11 härter ausgeführt, als die zapfenförmigen Rippen 13; zum Beispiel kann die Vickershärte des Substrats 11 um annähernd 20 größer ausgeführt werden als die der zapfenförmigen Rippen 13. In einigen Fällen sind die zapfenförmigen Rippen 13 härter ausgeführt als das Substrat 11; zum Beispiel wird die Vickershärte der zapfenförmigen Rippen 13 um annähernd 20 größer ausgeführt werden, als die des Substrats 11.
6 bis 9 zeigen eine erste Modifikation der zapfenförmigen Rippen, die für das Strahlungselement der in 1 gezeigten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 1 verwendet werden.
Eine in 6 bis 9 gezeigte zapfenförmige Rippe 40 weist, ausschließlich eines Längszwischenabschnitts derselben, einen kreisförmigen transversalen Querschnitt auf, und konvexe Abschnitte 41 und konkave Abschnitte 42 sind an einem Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche der zapfenförmigen Rippe 40 abwechselnd und durchgehend in der Umfangsrichtung so ausgebildet, dass die konvexen Abschnitte 41 von der Umfangsfläche in der radialen Richtung nach außen hervorstehen und die konkaven Abschnitte 42 von der Umfangsfläche in der radialen Richtung nach innen abfallen.
Vorzugsweise weist die zapfenförmige Rippe 40, ausschließlich des Abschnitts, an dem die konvexen Abschnitte 41 und die konkaven Abschnitte 42 vorgesehen sind, einen kreisförmigen transversalen Querschnitt auf, der einen Durchmesser von 0,3 bis 5,99 mm aufweist, und ist eine imaginäre Form, die durch Verbinden der hervorstehenden Enden der mehreren konvexen Abschnitte 41 gebildet ist, ein Kreis, mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Rippeneinbringöffnungen 12 des Substrats 11. Vorzugsweise sind innerhalb dieser Bereiche der Durchmesser A (mm) jeder Rippeneinbringöffnung, der Durchmesser B (mm) der zapfenförmigen Rippe an einem Abschnitt, an dem die konvexen Abschnitte nicht vorgesehen sind, und der Durchmesser C (mm) des imaginären Kreises, der die hervorstehenden Enden aller konvexen Abschnitte verbindet, so bestimmt, dass die Beziehungen A – 0,2 ≤ B ≤ A – 0,01 und A + 0,01 ≤ C ≤ A + 0,2 erfüllt sind. Weiter beträgt vorzugsweise die Länge der konvexen Abschnitte 41, gemessen in der Längsrichtung der zapfenförmigen Rippe 40, 0,5 bis 5 mm und die Tiefe der konkaven Abschnitte 42, 0,05 bis 0,6 mm.
Obwohl nicht in den Figuren gezeigt, wird die zapfenförmige Rippe 40 wie folgt hergestellt. Ein Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche eines zylindrischen, säulenförmigen Rippenmaterials wird durch ein einzelnes Gesenk von der radial äußeren Seite an mehreren Stellen, die voneinander in der Umfangsrichtung beabstandet sind, gepresst, wodurch die mehreren konkaven Abschnitte 42, die von der Umfangsfläche abfallen, mit vorbestimmten Abständen in der Umfangsrichtung ausgebildet werden. Als Resultat der Bildung der konkaven Abschnitte 42 fließt das Material, wodurch ein konvexer Abschnitt 41 zwischen den benachbarten konkaven Abschnitten 42 ausgebildet wird.
Wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, sind das obere und das untere Einzelteil 5 und 6, das Substrat 11 und die zapfenförmige Rippe 40 aus Aluminium oder Kupfer (einschließlich Kupferlegierung) ausgeführt. Die zapfenförmige Rippe 40 und das Substrat 11 haben dieselbe Beziehung die Vickershärte betreffend wie in der oben beschriebenen Ausführungsform. Das bedeutet, dass das Aluminium, welches das obere und das untere Einzelteil 5 und 6, das Substrat 11 und die zapfenförmige Rippe 40 bildet, eine Vickershärte von 10 bis 250 aufweist und das Kupfer (einschließlich Kupferlegierung), welches das obere und das untere Einzelteil 5 und 6, das Substrat 11 und die zapfenförmige Rippe 40 bildet, eine Vickershärte von 50 bis 300 aufweist. Es gibt einen Fall, in dem das Substrat 11 härter ist als die zapfenförmige Rippe 40, und einen Fall, in dem die zapfenförmige Rippe 40 härter ist als das Substrat 11. Jedoch ist in jedem Fall vorzugsweise die Vickershärte der härteren Komponente um annähernd 20 größer ausgeführt, als die der anderen weicheren Komponente.
Ein Verfahren zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 1 unter Verwendung der in 6 bis 9 gezeigten zapfenförmigen Rippe 40 ist dasselbe wie das in 4 und 5 gezeigte.
10 zeigt eine zweite Modifikation der zapfenförmigen Rippen, die für das Strahlungselement der in 1 gezeigten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 1 verwendet werden.
Eine in 10 gezeigte zapfenförmige Rippe 20 weist die Form einer kreisförmigen Säule mit einem kreisförmigen transversalen Querschnitt auf. Ein ringförmiger Vorsprung 21 ist einstückig an einem Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche der zapfenförmigen Rippe 20 ausgebildet. Der ringförmige Vorsprung 21 weist eine vorbestimmte Breite in der Längsrichtung der zapfenförmigen Rippe 20 auf. Mehrere konvexe Abschnitte 22 sind einstückig an der Umfangsfläche des ringförmigen Vorsprungs 21 so ausgebildet, dass die konvexen Abschnitte 22 aufeinanderfolgend in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Die konvexen Abschnitte 22 stehen nach außen von der Umfangsfläche hervor und erstrecken sich in der Längsrichtung der zapfenförmigen Rippe 20. Vorzugsweise ist eine imaginäre Form, die durch Verbinden der hervorstehenden Enden aller konvexen Abschnitte 22 gebildet ist, ein Kreis mit einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der Rippeneinbringöffnungen 12 des Substrats 11 aufweist. Vorzugsweise weist jede Rippeneinbringöffnung 12 einen Durchmesser von 0,5 bis 6 mm auf und weist die zapfenförmige Rippe 20 einen Durchmesser von 0,3 bis 5,99 mm auf, gemessen in einem Bereich, an dem die konvexen Abschnitte 22 nicht vorgesehen sind. Vorzugsweise sind in diesen Bereichen der Durchmesser A (mm) jeder Rippeneinbringöffnung 12, der Durchmesser B (mm) jeder zapfenförmigen Rippe 20 an einem Abschnitt, an dem die konvexen Abschnitte 22 nicht vorgesehen sind, und der Durchmesser C (mm) des imaginären Kreises, der die hervorstehenden Enden aller konvexen Abschnitte 22 verbindet, so bestimmt, dass die Beziehungen A – 0,2 ≤ B ≤ A – 0,01 und A + 0,01 ≤ C ≤ A + 0,2 erfüllt sind. Weiter beträgt die Länge der konvexen Abschnitte 22, gemessen in der Längsrichtung der zapfenförmigen Rippe 20, vorzugsweise 0,5 bis 5 mm.
Wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, sind das obere und das untere Einzelteil 5 und 6, das Substrat 11 und die zapfenförmige Rippe 20 aus Aluminium oder Kupfer (einschließlich Kupferlegierung) ausgeführt. Die zapfenförmige Rippe 20 und das Substrat 11 haben die gleiche Beziehung die Vickershärte betreffend wie in der oben beschriebenen Ausführungsform.
Ein Verfahren zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 1 unter Verwendung der in 10 gezeigten zapfenförmigen Rippe 20 ist dasselbe wie das in 4 und 5 gezeigte.
11 zeigt eine Modifikation des Strahlungselements, das in der in 1 gezeigten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 1 verwendet wird.
Wie in 11 gezeigt ist, weist eine zapfenförmige Rippe 31 aus Aluminium 31 eines Strahlungselements 30 die Form einer kreisförmigen Säule, die einen kreisförmigen transversalen Querschnitt aufweist, und einen konstanten Durchmesser über die gesamte Länge auf. Die zapfenförmige Rippe 31 ist in eine Rippeneinbringöffnung 33 eines Substrats 32 eingebracht und ein Abschnitt des Substrats 32 um die Rippeneinbringöffnung 33 herum wird von den gegenüberliegenden Seiten des Substrats 32 gepresst, wodurch sich dieser Abschnitt über den gesamten Umfang der Rippeneinbringöffnung 33 plastisch verformt. Somit werden die zapfenförmigen Rippen 31 vorläufig an dem Substrat 32 befestigt. In einem solchen Zustand werden das Substrat 32 und die zapfenförmigen Rippen 31 zusammengelötet. Weiter werden der obere und der untere Endabschnitt der zapfenförmigen Rippe 31 an die obere Wand 2a bzw. die untere Wand 2b des Gehäuses 2 gelötet.
Die Struktur des verbleibenden Abschnitts ist dieselbe wie die des Strahlungselements 4 der in 1 und 2 gezeigten flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 1.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung der flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung 1 mit dem in 11 gezeigten Strahlungselement 30, mit Bezug auf 12 beschrieben.
Als Erstes werden das obere und das untere Einzelteil 5 und 6 des Gehäuses 2 und das Substrat 32 und die mehreren zapfenförmigen Rippen 31 des Strahlungselements 4 vorbereitet. Vorzugsweise erfüllen der Durchmesser D (mm) der Rippeneinbringöffnungen 33 und der Durchmesser E (mm) der zapfenförmigen Rippen 31 eine Beziehung D – 0,2 ≤ E ≤ D – 0,01.
Anschließend wird eine Fläche des Substrats 32 durch eine nicht-illustrierte Aufnahme, die Öffnungen zum teilweisen Aufnehmen der zapfenförmigen Rippen 31 aufweist, gehalten, nachdem alle zapfenförmigen Rippen 31 von ihren unteren Enden her in die Rippeneinbringöffnungen 33 des Substrats 32 eingebracht wurden. Die Aufnahme weist nach oben hervorstehende ringförmige Vorsprünge auf, die an Positionen, die den Rippeneinbringöffnungen 33 des Substrats 32 entsprechen, vorgesehen sind. Anschließend werden Abschnitte der anderen Fläche des Substrats 32 um die Rippeneinbringöffnungen 33 herum durch Verwendung eines Stempels, der ringförmige Vorsprünge aufweist, in Richtung auf die Aufnahme gepresst, wodurch die gegenüberliegenden Flächen des Substrats 22 nach innen um die Rippeneinbringöffnungen 33 herum gepresst werden. Als Resultat werden Abschnitte des Substrats 32 um die Rippeneinbringöffnungen 33 herum elastisch verformt, wodurch die zapfenförmigen Rippen 31 vorläufig an dem Substrat 32 befestigt sind.
Danach werden das Substrat 32 und die zapfenförmigen Rippen 31, die vorläufig an dem Substrat 32 befestigt sind, mit den Elementen, die das Gehäuse 2 bilden, verbunden und das Substrat 32 und die zapfenförmigen Rippen 31 zusammengelötet, und werden gleichzeitig werden die gegenüberliegenden Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen 31 an Abschnitte der Elemente, die das Gehäuse 2 bilden, gelötet, wobei die Abschnitte zu der oberen Wand 2a und der unteren Wand 2b werden. Somit ist die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung 1 hergestellt.
Besonders werden das Löten zwischen dem Substrat 32 und den zapfenförmigen Rippen 31 und das Löten zwischen den gegenüberliegenden Endabschnitten der zapfenförmigen Rippen 31 und dem oberen und dem unteren Einzelteil 5 und 6 des Gehäuses 2 in der gleichen Weise wie in 3 bis 5 gezeigt, durchgeführt. Ferner wird das Verbinden des Einlassrohrs 7 und des Auslassrohrs 8 an das obere Einzelteil auch in der gleichen Weise wie in 3 bis 5 gezeigt, durchgeführt.
Obwohl die oben beschriebenen zapfenförmigen Rippen 13, 40, 20, 31 die Form einer kreisförmigen Säule aufweisen, die einen kreisförmigen transversalen Querschnitt aufweist, ist die Form der zapfenförmigen Rippen nicht darauf beschränkt und kann die transversale Querschnittsform der zapfenförmigen Rippen ein Polygon (zum Beispiel ein Dreieck, ein Rechteck), eine Ellipse oder ähnliches sein. Weiter können zusätzlich zu den Rippeneinbringöffnungen 12, 33, durch welche die zapfenförmigen Rippen 13, 20, 31 eingebracht sind, Kühlflüssigkeitsströmungskanäle in dem Substrat 11, 32 des Strahlungselements 4, 30 gebildet werden, um so die Kühlflüssigkeit, die über dem Substrat 11, 32 innerhalb des Gehäuses 2 vorhanden ist, und die Kühlflüssigkeit, die unter dem Substrat 11, 32 vorhanden ist, zu vermischen, um dadurch die Kühlleistung zu verbessern.
Die flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung der vorliegenden Erfindung wird geeignet verwendet, um eine Leistungseinrichtung, wie zum Beispiel einen IGBT, die in einer Energieumwandlungsvorrichtung verwendet wird, die an einem elektrischen Fahrzeug, einem Hybridfahrzeug, einem elektrischen Schienenfahrzeug oder ähnlichem angebracht ist, zu kühlen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-277768 [0002, 0006, 0007]

Claims

Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung mit: einem Gehäuse, das eine obere Wand und eine untere Wand aufweist und in dem ein Kühlflüssigkeitskanal vorgesehen ist; und einem Strahlungselement, das in dem Kühlflüssigkeitskanal innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei das Strahlungselement aus einem Substrat und mehreren zapfenförmigen Rippen besteht, die so ausgerichtet sind, dass ihre Längsrichtung mit einer vertikalen Richtung zusammenfällt, und deren Längszwischenabschnitte an das Substrat gelötet sind; mehrere Rippeneinbringöffnungen in dem Substrat ausgebildet sind; die zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrates eingebracht sind; die zapfenförmigen Rippen und das Substrat miteinander, in einem Zustand zusammengelötet sind, in dem die zapfenförmigen Rippen und das Substrat durch plastische Verformung zumindest der zapfenförmigen Rippen oder Abschnitten des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum vorläufig befestigt sind, und obere und untere Endabschnitte der zapfenförmigen Rippen an die obere Wand bzw. untere Wand des Gehäuses gelötet sind.
Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der ein konvexer Abschnitt einstückig an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippe so vorgesehen ist, dass der konvexe Abschnitt, von der Umfangsfläche des Längszwischenabschnitts, nach außen hervorsteht; das Substrat härter als die zapfenförmigen Rippen ist; und von dem konvexen Abschnitt und den Abschnitten des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum zumindest der konvexe Abschnitt so plastisch verformt ist, dass der konvexe Abschnitt eingedrückt ist.
Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der ein konvexer Abschnitt einstückig an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippe so vorgesehen ist, dass der konvexe Abschnitt von der Umfangsfläche des Längszwischenabschnitts, nach außen hervorsteht; die zapfenförmigen Rippen härter als das Substrat sind; und von dem konvexen Abschnitt und den Abschnitten des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum, zumindest die Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum plastisch verformt sind.
Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, bei der ein Abschnitt jeder zapfenförmigen Rippe, an dem der konvexe Abschnitt nicht vorgesehen ist, einen kreisförmigen transversalen Querschnitt aufweist; und konvexe Abschnitte und konkave Abschnitte an dem Längszwischenabschnitt jeder zapfenförmigen Rippe abwechselnd und durchgehend in der Umfangsrichtung so ausgebildet sind, dass die konvexen Abschnitte von der Umfangsfläche des Zwischenabschnitts radial nach außen hervorstehen und die konkaven Abschnitte von der Umfangsfläche des Zwischenabschnitts radial nach innen abfallen.
Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Anspruch 4, bei der die Rippeneinbringöffnungen des Substrats kreisförmig sind und einen Durchmesser von 0,5 bis 6 mm aufweisen; ein Abschnitt jeder zapfenförmigen Rippe, an dem weder die konvexen Abschnitte noch die konkaven Abschnitte vorgesehen sind, einen Durchmesser von 0,3 bis 5,99 mm aufweist; und die konkaven Abschnitte eine Tiefe von 0,05 bis 0,6 mm aufweisen.
Flüssigkeitsgekühlte Kühleinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum durch Pressen von gegenüberliegenden Seiten des Substrats plastisch verformt sind.
Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß Anspruch 2, umfassend: Vorbereiten von Elementen, die bilden: ein Gehäuse, das eine obere Wand, eine untere Wand, und einen darin vorgesehenen Kühlflüssigkeitskanal aufweist, ein Substrat, das mehrere Rippeneinbringöffnungen aufweist, mehrere zapfenförmige Rippen, die jeweils mehrere konvexe Abschnitte aufweisen, die so an einem Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche vorgesehen sind, dass sich die konvexen Abschnitte von der Umfangsfläche nach außen hervorstehen, wobei eine imaginäre Form, die durch Verbinden hervorstehender Enden der mehreren konvexen Abschnitte jeder zapfenförmigen Rippe gebildet ist, eine größere Größe aufweist als die Rippeneinbringöffnungen des Substrats, und wobei das Substrat härter als die zapfenförmigen Rippen ist; Presspassen der zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrats derart, dass von den konvexen Abschnitten der zapfenförmigen Rippen und Abschnitten des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum zumindest die konvexen Abschnitte der zapfenförmigen Rippen plastisch verformt werden, um dadurch die zapfenförmigen Rippen provisorisch an dem Substrat zu befestigen; und Verbinden des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, die provisorisch an dem Substrat befestigt sind, mit den Elementen, die das Gehäuse bilden, Zusammenlöten des Substrats und der zapfenförmigen Rippen und gleichzeitiges Löten gegenüberliegender Enden der zapfenförmigen Rippen an Abschnitte der Elemente, die das Gehäuse bilden, wobei die Abschnitte zu der unteren und oberen Wand des Gehäuses werden.
Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß Anspruch 3, umfassend: Vorbereiten von Elementen, die bilden: ein Gehäuse, das eine obere Wand, eine untere Wand, und einen darin vorgesehenen Kühlflüssigkeitskanal aufweist, ein Substrat, das mehrere Rippeneinbringöffnungen aufweist, mehrere zapfenförmige Rippen, die jeweils mehrere konvexe Abschnitte aufweisen, die so an einem Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche vorgesehen sind, dass die konvexen Abschnitte von der Umfangsfläche nach außen hervorstehen, wobei eine imaginäre Form, die durch Verbinden hervorstehender Enden der mehreren konvexen Abschnitte jeder zapfenförmigen Rippe gebildet ist, eine größere Größe aufweist als die Rippeneinbringöffnungen des Substrats, und wobei die zapfenförmigen Rippen härter als das Substrat sind; Presspassen der zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrats derart, dass von den konvexen Abschnitten der zapfenförmigen Rippen und den Abschnitten des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum zumindest Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum plastisch verformt werden, um dadurch die zapfenförmigen Rippen provisorisch an dem Substrat zu befestigen; und Verbinden des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, die provisorisch an dem Substrat befestigt sind, mit den Elementen, die das Gehäuse bilden, Zusammenlöten des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, und gleichzeitiges Löten gegenüberliegender Enden der zapfenförmigen Rippen an Abschnitte der Elemente, die das Gehäuse bilden, wobei die Abschnitte zu der oberen und unteren Wand des Gehäuses werden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem die Rippeneinbringöffnungen des Substrats kreisförmige Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 6 mm sind; ein Abschnitt jeder zapfenförmigen Rippe, an dem die konvexen Abschnitte nicht vorgesehen sind, einen kreisförmigen transversalen Querschnitt aufweist und einen Durchmesser von 0,3 bis 5,99 mm aufweist; eine imaginäre Form, die durch Verbinden hervorstehender Enden der mehreren konvexen Abschnitte gebildet ist, ein Kreis ist, der einen Durchmesser aufweist, der größer als ein Durchmesser der Rippeneinbringöffnungen des Substrats ist; die konvexen Abschnitte eine Länge von 0,5 bis 5 mm in der Längsrichtung der zapfenförmigen Rippen aufweisen; und der Durchmesser A (mm) jedes Rippeneinbringlochs, der Durchmesser B (mm) jeder zapfenförmigen Rippe an einem Abschnitt, an dem die konvexen Abschnitte nicht vorgesehen sind, und der Durchmesser C (mm) des imaginären Kreises, der die hervorstehenden Enden aller konvexen Abschnitte verbindet, die Beziehungen A – 0,2 ≤ B ≤ A – 0,01 und A + 0,01 ≤ C ≤ A + 0,2 erfüllen.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem ein Längszwischenabschnitt der Umfangsfläche eines zylindrischen, säulenförmigen Rippenmaterials von der radial äußeren Seite an mehreren Stellen, die voneinander in der Umfangsrichtung beabstandet sind, gepresst wird, wodurch mehrere konkave Abschnitte, die von der Umfangsfläche abfallen, mit vorbestimmten Abständen in der Umfangsrichtung gebildet werden, und jeder der konvexen Abschnitte zwischen den benachbarten konkaven Abschnitten vorgesehen ist, wodurch die zapfenförmigen Rippen gebildet werden.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 10, bei dem die konkaven Abschnitte der zapfenförmigen Rippen eine Tiefe von 0,05 bis 0,6 mm aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Kühleinrichtung gemäß Anspruch 6, umfassend: Vorbereiten von Elementen, die bilden: ein Gehäuse, das eine obere Wand, eine untere Wand, und einen darin vorgesehenen Kühlflüssigkeitskanal aufweist, ein Substrat, das mehrere Rippeneinbringöffnungen aufweist, mehrere zapfenförmige Rippen; Einbringen der zapfenförmigen Rippen in die Rippeneinbringöffnungen des Substrats; Pressen von Abschnitten gegenüberliegender Flächen des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum derart, dass Abschnitte des Substrats um die Rippeneinbringöffnungen herum plastisch verformt werden, um dadurch die zapfenförmigen Rippen vorläufig an dem Substrat zu befestigen; und Verbinden des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, die provisorisch an dem Substrat befestigt sind, mit den Elementen, die das Gehäuse bilden, Zusammenlöten des Substrats und der zapfenförmigen Rippen, und gleichzeitiges Löten gegenüberliegender Enden der zapfenförmigen Rippen an Abschnitte der Elemente, die das Gehäuse bilden, wobei die Abschnitte zu der oberen und unteren Wand des Gehäuses werden.