DE102014112516B3 - Power electronic system with liquid cooling device and method of manufacturing the liquid cooling device - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße leistungselektronisches System (1) weist eineFlüssigkeitskühleinrichtung (3) sowie eine Schalteinrichtung (2) auf, wobei dieseSchalteinrichtung (2) ein Substrat (10) aufweist, auf dessen der Flüssigkeitskühleinrichtung (3) abgewandten Seite auf voneinander elektrisch isolierten Leitbahnen (14)Leistungshalbleiterbauelemente (16) angeordnet und schaltungsgerecht mittels einer Verbindungseinrichtung (18) insbesondere miteinander verbunden sind, wobei dieseFlüssigkeitskühleinrichtung (3) einen ersten (30) und einen zweiten Teilkörper (32) aufweist,zwischen denen ein Einströmvolumenbereich (34), ein Kühlvolumenbereich (36) und einAusströmvolumenbereich (38) ausgebildet werden, wobei vom ersten Teilkörper (30) eine Mehrzahl von Wärmetransportkörpern (4) in den Kühlvolumenbereich (36) hineinragen, wobeiin dem Kühlvolumenbereich (36) ein Kunststoff-Strömungsleitkörper (5) angeordnet ist, der eine Mehrzahl von Ausnehmungen (6) aufweist, wobei ein oder mehrere Wärmetransportkörper (4) in eine zugeordnete Ausnehmung (6) des Kunststoff-Strömungsleitkörpers (5) hineinreichen.The electronic power system according to the invention (1) comprises a liquid cooling device (3) and a switching device (2), said switching device (2) having a power semiconductor components on its side facing away from the liquid cooling device (3) on electrically insulated interconnects (14) (16) and in particular connected to one another by means of a connecting device (18), this liquid cooling device (3) having a first (30) and a second partial body (32) between which an inflow volume region (34), a cooling volume region (36) and an outflow volume region (38) is formed, wherein a plurality of heat transfer bodies (4) project from the first part body (30) into the cooling volume region (36), wherein in the cooling volume region (36) a plastic flow guide body (5) is arranged, which has a plurality of recesses (6), wherein one or more Rere heat transfer body (4) extend into an associated recess (6) of the plastic flow guide (5).
Description
Die Erfindung beschreibt ein leistungselektronisches System mit einer Flüssigkeitskühleinrichtung und mit einer Schalteinrichtung, wobei diese vorzugsweise als Stromrichter ausgebildet ist. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Flüssigkeitskühleinrichtung, insbesondere für ein derartiges leistungselektronisches System. The invention describes a power electronic system with a liquid cooling device and with a switching device, which is preferably designed as a power converter. Furthermore, the invention describes a method for producing a liquid cooling device, in particular for such a power electronic system.
Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der
Weiterhin ist beispielhaft aus der
Ein ständiger Mangel bei derartigen Systemen liegt in der unzureichenden Kühlleistung, wobei die, typischerweise thermische, Energie, die in der Regel aus Verlusten der Schalteinrichtung resultiert, an ein Kühlmedium abgeführt werden muss, um die Schalteinrichtung vor Überhitzung und damit Zerstörung zu bewahren. A constant shortcoming of such systems lies in the inadequate cooling capacity, wherein the, typically thermal, energy, which usually results from losses of the switching device, must be dissipated to a cooling medium in order to protect the switching device from overheating and thus destruction.
In Kenntnis dieser genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Flüssigkeitskühleinrichtung eines leistungselektronischen Systems derart weiter zu bilden, dass der Wärmeübergang von der Schalteinrichtung des leistungselektronischen Systems auf ein Kühlmedium, genauer auf eine Kühlflüssigkeit, verbessert wird und ebenso ein Verfahren zu Herstellung einer derartigen Flüssigkeitskühleinrichtung anzugeben. In view of these conditions mentioned, the invention has for its object to further develop the liquid cooling device of a power electronic system such that the heat transfer from the switching device of the power electronic system to a cooling medium, more specifically to a cooling liquid is improved and also a method for producing such Specify liquid cooling device.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein leistungselektronisches System mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch eine Verfahren zu Herstellung einer Flüssigkeitskühleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben. This object is achieved by a power electronic system having the features of
Das erfindungsgemäße leistungselektronisches System weist eine Flüssigkeitskühleinrichtung sowie eine Schalteinrichtung auf, wobei diese Schalteinrichtung ein Substrat aufweist, auf dessen der Flüssigkeitskühleinrichtung abgewandten Seite auf voneinander elektrisch isolierten Leitbahnen Leistungshalbleiterbauelemente angeordnet und schaltungsgerecht mittels einer Verbindungseinrichtung insbesondere miteinander verbunden sind, wobei diese Flüssigkeitskühleinrichtung einen ersten und einen zweiten Teilkörper aufweist, zwischen denen ein Einströmvolumenbereich, ein Kühlvolumenbereich und ein Ausströmvolumenbereich ausgebildet sind, wobei vom ersten Teilkörper eine Mehrzahl von Wärmetransportkörpern in den Kühlvolumenbereich hineinragen, wobei in dem Kühlvolumenbereich ein Kunststoff-Strömungsleitkörper angeordnet ist, der eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist, wobei ein einzelner oder mehrere Wärmetransportkörper in eine zugeordnete Ausnehmung des Kunststoff-Strömungsleitkörpers hineinreichen. The power electronic system according to the invention has a liquid cooling device and a switching device, said switching device comprises a substrate, on the liquid cooling device side facing away from each other electrically insulated interconnects power semiconductor components arranged and circuitally connected by means of a connecting device in particular, said liquid cooling means a first and a second Partial body has, between which a Einströmvolumenbereich, a cooling volume range and a Ausströmvolumenbereich are formed, projecting from the first part of body, a plurality of heat transfer bodies in the cooling volume range, wherein in the cooling volume region, a plastic flow guide body is arranged, which has a plurality of recesses, wherein a single or a plurality of heat transfer body in an associated recess of the plastic Strömu extend ngsleitkörpers.
Selbstverständlich können, sofern dies nicht per se ausgeschlossen ist, die im Singular genannten Merkmale insbesondere der Kühlvolumenbereich und der Kunststoff-Strömungsleitkörper auch mehrfach in dem erfindungsgemäßen System vorhanden sein. Of course, unless this is excluded per se, the features mentioned in the singular, in particular the cooling volume range and the plastic flow guide, may also be present multiple times in the system according to the invention.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Kunststoff-Strömungsleitkörper auf einer Oberfläche des zweiten Teilkörpers im Kühlvolumenbereich angeordnet oder mit diesem Teilkörper einstückig ausgebildet ist. Bei der ersten Variante, der mehrstückigen Ausgestaltung ist es weiterhin vorteilhaft, wenn der Kunststoff-Strömungsleitkörper aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet ist. It can be advantageous if the plastic flow guide body is arranged on a surface of the second part body in the cooling volume range or is formed integrally with this part body. In the first variant, the multi-piece configuration, it is also advantageous if the plastic flow guide is formed of a plastic material.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Wärmetransportkörper eine runde, ovale, polyederförmige oder frei geformte Grundfläche auf und sind spitz oder verjüngend oder nicht verjüngend ausgebildet. In a preferred embodiment, the heat transfer body on a round, oval, polyhedral or free-shaped base and are pointed or tapered or not tapered.
Insbesondere kann das Volumen des in die Ausnehmung hineinreichenden Teils des der Ausnehmung zugeordneten Wärmetransportkörpers maximal 25%, insbesondere maximal 10% kleiner sein als das Volumen jeder Ausnehmung oder als das mittlere Volumen aller Ausnehmungen des Kunststoff-Strömungsleitkörpers. In particular, the volume of the reaching into the recess portion of the recess of the associated heat transfer body can be at most 25%, in particular at most 10% smaller than the volume of each recess or as the average volume of all recesses of the plastic flow guide.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn jeder Wärmetransportkörper oder im Mittel von allen Wärmetransportkörpern mindestens 20%, insbesondere mindestens 40%, des Volumens in eine zugeordnete Ausnehmung hineinreichen. Furthermore, it may be advantageous if each heat-transporting body or on average of all heat-transporting bodies extend at least 20%, in particular at least 40%, of the volume into an associated recess.
Eine weitere bevorzugte Ausführung ergibt sich, wenn die Wärmetransportkörper von der Bodenfläche der Ausnehmungen beabstandet angeordnet sind oder in einen elastischen Flächenabschnitt der Bodenfläche hineinreichen oder dort bündig anliegen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Kunststoff-Strömungsleitkörper aus einem Zwei-Komponenten-Kunststoff besteht und derjenige Teil der Bodenfläche in den der Wärmetransportkörper hineinreicht aus einem elastischen Kunststoff besteht. A further preferred embodiment results when the heat transfer body of the Floor surface of the recesses are arranged spaced or extend into an elastic surface portion of the bottom surface or abut flush there. For this purpose, it is advantageous if the plastic flow guide body consists of a two-component plastic and that part of the bottom surface into which the heat transfer body extends consists of an elastic plastic.
Es kann gegebenenfalls vorteilhaft sein, wenn zwischen mindestens zwei Ausnehmungen eine Bypassleitung durch den Kunststoff-Strömungsleitkörper verläuft, wobei hierdurch ein Kanal zwischen den beiden Ausnehmungen ausgebildet wird, durch den Kühlflüssigkeit strömen kann. It may optionally be advantageous if a bypass line runs through at least two recesses through the plastic flow guide body, whereby a channel is formed between the two recesses through which cooling fluid can flow.
Eine besonders bevorzugte Ausführung liegt vor, wenn der Kunststoff-Strömungsleitkörper eine Positioniereinrichtung aufweist, die seine Lage in dem Kühlvolumenbereich festlegt. Hierdurch kann die ordnungsgemäße Funktion im Dauerbetrieb sicher gestellt werden, da der Kunststoff-Strömungsleitkörper an der gewünschten Stelle dauerhaft sicher befestigt ist. A particularly preferred embodiment is when the plastic flow guide has a positioning that determines its location in the cooling volume range. As a result, the proper function can be ensured in continuous operation, since the plastic flow guide is permanently secured securely at the desired location.
In manchen Anwendungsfällen kann es von Vorteil sein, wenn bei einer Mehrzahl von in Reihe angeordneten Schalteinrichtungen und diesen zugeordneten gleichartig ausgebildeten Kühlvolumenbereichen, die Kunststoff-Strömungsleitkörper je Kühlvolumenbereichen unterschiedlich ausgebildet sind und dadurch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten je Kühlvolumenbereich beim Betrieb erreicht werden. In some applications, it may be advantageous if, in the case of a plurality of switching devices arranged in series and identically formed cooling volume regions assigned to them, the plastic flow guide bodies are designed differently for each cooling volume region and different flow velocities per cooling volume range are thereby achieved during operation.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer oben genannten Flüssigkeitskühleinrichtung erfolgt mittels folgender mittelbar oder unmittelbar aufeinanderfolgender Schritte:
- a) Ausbilden und Bereitstellen eines ersten Teilkörpers und eines zweiten Teilkörpers, wobei der erste Teilkörper eine Mehrzahl von Wärmetransportkörpern aufweist, die im Bereich des sich im Verfahren ausbildenden Kühlvolumenbereich angeordnet sind;
- b) Ausbilden und Bereitstellen eines Kunststoff-Strömungsleitkörpers mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen, die dazu ausgebildet sind zugeordnete Wärmetransportkörper teilweise aufzunehmen;
- c) Anordnen des ersten und zweiten Teilkörper sowie des Kunststoff-Strömungsleitkörpers derart, dass zwischen den beiden Teilkörpern ein Einströmvolumenbereich, ein Kühlvolumenbereich und ein Ausströmvolumenbereich ausgebildet werden und dass der Kunststoff-Strömungsleitkörper derart in dem Kühlvolumenbereich angeordnet ist, dass ein einzelner oder mehrere Wärmetransportkörper in eine zugeordnete Ausnehmung des Kunststoff-Strömungsleitkörpers hineinreichen;
- d) Flüssigkeitsdichtes kraft- oder stoffschlüssiges Verbinden des ersten und zweiten Teilkörpers.
- a) forming and providing a first part body and a second part body, wherein the first part body has a plurality of heat transfer bodies, which are arranged in the region of forming in the method cooling volume range;
- b) forming and providing a plastic flow guide body having a plurality of recesses adapted to partially receive associated heat transfer bodies;
- c) arranging the first and second part body and the plastic flow guide such that an inflow volume range, a cooling volume range and an outflow volume range are formed between the two part bodies and that the plastic flow guide is arranged in the cooling volume range such that a single or multiple heat transfer body in extend an associated recess of the plastic flow guide;
- d) Liquid-tight non-positive or cohesive connection of the first and second part body.
Bei diesem Verfahren kann es vorteilhaft sein, wenn der erste und gegebenenfalls auch der zweite Teilkörper mittels eines Aluminiumgussverfahrens hergestellt sind. In this method, it may be advantageous if the first and optionally also the second part body are produced by means of an aluminum casting process.
Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn der Kunststoff-Strömungsleitkörper in einem Kunststoffspritzverfahren hergestellt wird, da hierbei die Formgebung einfach und flexibel ist. In principle, it is preferred if the plastic flow guide body is produced in a plastic injection molding process, since in this case the shaping is simple and flexible.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung, also des leistungselektronischen Systems wie auch des Verfahrens zur Herstellung einer Flüssigkeitskühleinrichtung hierfür, einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend genannten und hier oder im Folgenden erläuterten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen sich nicht ausschließenden Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the various embodiments of the invention, ie the power electronic system as well as the method for producing a liquid cooling device for this purpose, can be implemented individually or in any desired combinations in order to achieve improvements. In particular, the features mentioned above and here or below can be used not only in the specified combinations, but also in other non-exclusive combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Weitere Erläuterungen der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den
In jeden Kühlvolumenbereich
Jedem der in Reihe angeordneten gleichartig ausgebildeten Kühlvolumenbereichen
Von der Schalteinrichtung
Die Schalteinrichtung
Weiterhin dargestellt ist der Kunststoff-Strömungsleitkörper
Die Leiterbahnen
Die Flüssigkeitskühleinrichtung
Der Flüssigkeitskühlkörper
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens einer Flüssigkeitskühleinrichtung
Weiterhin kann der Wärmetransportkörper
Zudem kann gemäß
Grundsätzlich können die Wärmetransportkörper
Die Form der Aussparungen
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn das Volumen des in die Ausnehmung
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn jeder Wärmetransportkörper
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