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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen, insbesondere von auf einer Leiterplatte angeordneten Leistungshalbleitern, die mindestens einen Kühlkörper mit an einer Oberfläche des Kühlkörpers angeordneten, abstehenden Wärmesenken aufweisen, wobei der Kühlkörper zur thermischen Kopplung mit den elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen vorgesehen ist.
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Elektronische und/oder elektrische Bauelemente, wie sie z.B. in industriellen Umrichtern oder in Umrichter für Elektro- oder Hybridfahrzeugen Anwendung finden, werden oft für hohe elektrische Dauer- und Spitzenleistungen, bei entsprechend gewünschter hoher Leistungsdichte, ausgelegt. Im Betrieb erzeugen diese elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente meist nicht zu vernachlässigende elektrische Verluste, welche zu einem großen Teil in Verlustwärme umgesetzt werden. Diese Verlustwärme beeinträchtigt die Funktionalität und die Lebensdauer der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente, so dass eine effiziente Entwärmung, also eine möglichst aufwandsarme aber wirksame Wärmeabfuhr der Verlustwärme, nötig ist.
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Auf Grund verschiedener funktionaler wie auch konstruktiver Anforderungen werden die elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente meist in einer speziellen Anordnung bzgl. Raum und Fläche auf Leiterplatten, funktional vergleichbaren Schaltungsträgern bzw. spezifischen Trägerelementen angeordnet. Dabei können beispielsweise die Schaltungsträger als PCB (Printed Circuit Board) ausgeführt bzw. auch mittels der Technologie DCB (Direct Copper Bonded) hergestellt werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im Folgenden für diesen Kontext einheitlich der Begriff Leiterplatten verwendet.
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Gemeinsam mit ihnen sind die elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente zumindest thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt und im Allgemeinen auch mechanisch mit ihm verbunden. Bei bekannten Kühlkonzepten wird dieser Kühlkörper meist in einer Längs- oder Querrichtung von einem Kühlmedium durchströmt oder umströmt. Meist kommen flüssige Kühlmedien zum Einsatz aber auch Kühlmedien im gasförmigen Zustand eignen sich prinzipiell, die Verlustwärme der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente abführen, wobei der Kühlkörper ein zur Weiterleitung der Verlustwärme an das Kühlmedium wichtiges Übertragungsglied im Kühlkonzept ist. Fließt das Kühlmedium in und/oder um den Kühlkörper, erwärmt es sich zunehmend. Sind nun mehrere elektronische und/oder elektrische Bauelemente thermisch mit dem Kühlkörper gekoppelt, so reduziert sich mit zunehmender Erwärmung des Kühlmediums, bei gleicher Temperatur des Kühlkörpers, die Kühlleistung (ΔT sinkt) entlang der Flussrichtung des Kühlmediums. Bleibt hingegen die Verlustleistung, also die Verlustwärme der zu entwärmenden elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente gleich, so steigt die Temperatur des Kühlkörpers entlang der Flussrichtung mit der steigenden Temperatur Kühlmediums (ΔT konstant).
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Die elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente am Zufluss des Kühlmediums sind einer eher geringen Temperaturbelastung ausgesetzt. Anders dagegen arbeiten die elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente am Abfluss des Kühlmediums trotz Entwärmung, insbesondere im oberen Leistungsbereich, eher unter hohen Temperaturen. Diesen Effekt nennt man „Thermal stacking“, was im Folgenden als thermische Reihenschaltung bezeichnet wird. Sowohl beim Durchströmen des Kühlmediums in Längs- wie auch in Querrichtung sind die unerwünschten Effekte einer thermischen Reihenschaltung bei den bekannten Kühlkonzepten feststellbar. Üblicherweise erfolgt die Auslegung der zu kühlenden elektronische und/oder elektrische Bauelemente daher an Hand der Parameter des wärmsten Bauelements. Das ist oft das elektronische und/oder elektrische Bauelement, welches thermisch eher nahe mit dem Abfluss des Kühlmediums gekoppelt ist. Die Auslegung dieses elektronischen und/oder elektrischen Bauelements bestimmt daher die Lebensdauer und die Leistungsfähigkeit des gesamten elektronischen bzw. elektrischen Systems. Die jedoch ausreichend entwärmten elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente können mehr leisten bzw. haben eine längere Lebensdauer. Sie sind aus Sicht des elektronischen bzw. elektrischen Systems in der Regel für ihren Einsatz überdimensioniert. Es wird nunmehr eine Lösung benötigt, welche die elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente gleichzeitig bedarfsgerecht und damit, je nach Betriebszustand, gleichwertig kühlt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung anzugeben, die eine verbesserte, zielgerichtete Kühlung von elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Diese Aufgabe wird weiter durch einen Umrichter nach Anspruch 14 sowie durch ein Elektro- oder Hybridfahrzeug gemäß Anspruch 15 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine zunehmende Erwärmung eines in und/oder an einem Kühlkörper fließenden Kühlmediums erfolgt, wenn das Kühlmedium, beginnend mit einer Zufuhr des Kühlmediums zum Kühlkörper bis zu einer Abfuhr des Kühlmediums vom Kühlkörper, mittels einer thermischen Reihenschaltung von mit dem Kühlkörper thermisch verbundenen elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen in Flussrichtung deren Verlustwärme aufnimmt. Im Umkehrschluss hat dies zur Folge, dass die mit dem Kühlkörper in Flussrichtung des Kühlmittels jeweils in thermischer Reihenfolge nachfolgend verbundenen elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente nicht mit der gleichen Intensität wie ihre Vorgänger gekühlt werden können und somit ihre oft im gleichen Maße erforderliche Entwärmung über ihren gesamten Leistungsbereich ggf. nicht ausreichend sicherstellt ist.
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Es wird nunmehr eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen, insbesondere von auf einer Leiterplatte angeordneten Leistungshalbleitern, vorgeschlagen, welche mindestens einen Kühlkörper mit an einer Oberfläche des Kühlkörpers angeordneten, abstehenden Wärmesenken aufweist, wobei der Kühlkörper zur thermischen Kopplung mit den elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen vorgesehen ist. Um eine gleichzeitige und gleichwertige Entwärmung derart angeordneter elektronischer und/oder elektrischer Bauelemente sicherzustellen, und thermische Reihenschaltungen möglichst zu vermeiden, weist die Kühlvorrichtung mindestens ein Kühlmedium-Verteilungselement zur zielgerichteten räumlichen Verteilung eines Kühlmediums an definierte Wärmepunkte des Kühlkörpers sowie einen Kühlvorrichtungs-Innenraum auf, welcher von dem Kühlkörper und einer mit dem Kühlkörper verbindbaren Kühlkörperwanne umschlossen ist und welcher mindestens die abstehenden Wärmesenken des Kühlkörpers und das Kühlmedium-Verteilungselement einschließt. Darüber hinaus weist die Kühlvorrichtung mindestens eine Einlassöffnung für eine Zufuhr des Kühlmediums in den Kühlvorrichtungs-Innenraum sowie mindestens eine Auslassöffnung für eine Abfuhr des Kühlmediums aus dem Kühlvorrichtungs-Innenraum auf.
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Die angegebene Kühlvorrichtung, welche in komplexe Kühlsysteme integrierbar ist, besitzt gegenüber herkömmlichen Kühlvorrichtungen, so insbesondere bezüglich deren konstruktiver Möglichkeiten für eine zielgerichtete Entwärmung der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente, entscheidende Vorteile. Das Kühlmedium-Verteilungselement schafft die Voraussetzungen für eine wirksame und zielgerichtete Entwärmung der elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen, wobei das Kühlmedium nunmehr an definierte Wärmepunkte des Kühlkörpers, vorzugsweise an definierte Wärmepunkte der abstehenden Wärmesenken, strukturiert und zielgerichtet zugeführt und, nach Aufnahme der Verlustwärme, strukturiert wieder abgeführt wird. Diese effiziente Entwärmung vermeidet jetzt in hohem Maße negative Effekte einer Aufsummierung von Wärme aufgrund thermischer Reihenschaltungen, welche von der Verlustwärme der auf dem Kühlkörper entsprechend angeordneten elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen ausgeht und via Kühlkörper durch das Kühlmedium abgeführt werden soll. Die vorgeschlagene Lösung verringert eine gegenseitige thermische Beeinflussung der mit dem Kühlkörper thermisch verbundenen elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente. Bei einer optimalen Auslegung der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente, wie sie beispielsweise für Leistungshalbleiter einer B6-Brückenschaltung in einem Umrichter erfolgt, bemessen sich die Parameter für jeden einzelnen der Leistungshalbleiter nach annähernd gleichen Vorgaben. Für alle diese Leistungshalbleiter werden im Wesentlichen eine vergleichbare funktionale Leistungsfähigkeit und eine vergleichbare Lebensdauer angenommen. Vorgesehene Auslegungsreserven für die Leistungsparameter der Leistungshalbleiter und/oder für die Parameter der eingesetzten Kühlvorrichtung, wie sie in herkömmlichen Lösungen beispielsweise durch Effekte thermischer Reihenschaltungen signifikant berücksichtigt werden mussten, sind bei der vorliegenden Lösung im Wesentlichen nur noch eng an deren Belastungsgrenzen für eine entsprechende Anwendung gekoppelt. Dadurch können Kosten gegenüber einem bisher meist deutlich überdimensionierten, weil schwer kalkulierbarem Einsatz der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente sowie der damit thermisch verbundene Kühlvorrichtung deutlich reduziert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung sind die an der Oberfläche des Kühlkörpers angeordneten, abstehenden Wärmesenken insbesondere als Pins und/oder Kühlkörperstege ausgebildet, welche Formen geometrischer Grundkörper oder Formen von Ableitungen geometrischer Grundkörper aufweisen. Die Pins, welche oft auch als Pin-Fin bezeichnet werden, sind meist in größerer Anzahl von der Oberfläche des Kühlkörpers abstehende, volumenbildende Ausprägungen des Kühlkörpers, wobei sich die Auslegung dieser Pins, also die Wahl der Form des geometrischen Grundkörpers oder die Wahl der Form der Ableitungen des geometrischen Grundkörpers, nach konstruktiven wie auch thermischen Kriterien richtet. Durch die Wahl der Form der als Pins eingesetzten geometrischen Körper, sowie deren Anordnung, können die abstehende Wärmesenken sehr gut vom Kühlmedium umströmt werden und somit die Verlustwärme der mit dem Kühlkörper thermisch gekoppelten elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente effizient an das Kühlmedium effizient abgeben. Kühlkörper, welche mit Kühlkörperstegen ausgerüstet sind, können im Vergleich zu den Pins noch kostengünstiger, heißt mit weniger Aufwand herstellt werden. Die Kühlkörperstege sind wie die Pins auf der Oberfläche des Kühlkörpers angeordnet, wobei die einzelnen Kühlkörperstege meist die geometrische Form eines Rechtecks, d.h. volumenbehaftet die geometrische Form eines Quaders, annehmen. Die Kühlkörperstege werden so angeordnet, dass das Kühlmedium gerichtet in Flussrichtung fließen kann. Quer zur Flussrichtung weisen die Kühlkörperstege, im Gegensatz zu den Pins, in der Regel über die gesamte Fläche keine Lücken auf. Damit wird eine Vermischung von zugeführtem und abgeführtem Kühlmedium möglichst noch besser vermieden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung ist die Kühlkörperwanne ein integraler Bestandteil des Kühlkörpers. Die Kühlkörperwanne wird daher in Einheit mit dem Kühlkörper unter Berücksichtigung entsprechender Anforderungen z.B. an Konstruktion, Struktur und Design ausgelegt. Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, wenn die Kühlkörperwanne aus einem dem Kühlkörper gleichen bzw. gleichwertigen, thermisch leitenden Material besteht. Die derart integrierte Kühlkörperwanne verbessert dann die Funktionalität des Kühlkörpers, welcher die von den thermisch gekoppelten elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen ausgehende Verlustwärme nunmehr effizienter an das Kühlmedium weiterleitet. So kann es aber auch zwingend notwendig sein, dass die Kühlkörperwanne thermisch isolierende Eigenschaften besitzen muss, um angrenzende Bauteile nicht unerwünscht mit der vom Kühlkörper aufgenommenen Verlustwärme zu erwärmen. In diesem Fall werden thermisch nicht oder schlecht leitende Materialien für eine Herstellung der Kühlkörperwanne eingesetzt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung ist die Kühlkörperwanne als integraler Bestandteil eines Gehäuses ausgebildet. Das Gehäuse, z.B. das eines Umrichters, umschließt somit gemeinsam mit dem Kühlkörper den Kühlvorrichtungs-Innenraum. Eine separate Kühlkörperwanne als einzelnes Bauteil ist nicht mehr notwendig. Auch werden Gehäuse oft großvolumig und/oder großflächig ausgelegt, was, in Verbindung mit deren meist sehr guten thermisch leitenden Eigenschaften, eine noch effizientere Entwärmung der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung ist das Kühlmedium-Verteilungselement als ein in den Kühlvorrichtungs-Innenraum gerichteter Bestandteil des Kühlkörpers ausgebildet. Das Kühlmedium-Verteilungselement ist als Teil des Kühlkörpers mit dessen an der Oberfläche angeordneten, abstehenden Wärmesenken, welche insbesondere als Pins ausgebildet sind, verbunden. Kühlkörper und Kühlmedium-Verteilungselement können aus dem gleichen thermisch leitenden Material oder einem möglichst vergleichbar thermisch leitenden Material bestehen. Der Herstellungs- und Montageaufwand für den Einsatz des Kühlmedium-Verteilungselements ist in diesem Fall eher sehr gering und damit kostensparend. Noch funktional effizienter ist es jedoch, wenn das Kühlmedium-Verteilungselement aus einem thermisch nicht oder schlecht leitenden Material besteht, um über das Kühlmedium-Verteilungselement einen möglichst nur geringen Wärmeaustausch zwischen dem zugeführten und dem abgeführten Kühlmedium zuzulassen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung weist ein in den Kühlvorrichtungs-Innenraum gerichteter Teil der Kühlkörperwanne das Kühlmedium-Verteilungselement als seinen Bestandteil auf. Wird die Kühlkörperwanne mit dem Kühlkörper verbunden, liegt das Kühlmedium-Verteilungselement an den an der Oberfläche angeordneten, abstehenden Wärmesenken des Kühlkörpers, welche insbesondere als Pins ausgebildet sind, an. Die Kühlkörperwanne und das Kühlmedium-Verteilungselement können aus einem gleichen Material bestehen, wobei dieses Material thermisch leitenden sein kann. Auch in diesem Fall ist der Herstellungs- und Montageaufwand als eher gering anzusehen und somit ebenfalls kostensparend. Vorteilhafter ist es, wie schon erläutert, wenn das Kühlmedium-Verteilungselement aus einem thermisch nicht oder schlecht leitenden Material besteht, damit über das Kühlmedium-Verteilungselement möglichst wenig Wärmeaustausch zwischen dem zugeführten und dem abgeführten Kühlmedium erfolgt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung ist das Kühlmedium-Verteilungselement als ein separates Einlegeelement ausgebildet. Damit besteht die Möglichkeit, bei einem eventuellen Verschleiß des Kühlmedium-Verteilungselements, aus Sicht von Wartung und Instandhaltung einen aufwandarmen und damit kostengünstigen Austausch vorzunehmen. Für die Wahl des Materials, aus dem das separate Einlegeelement besteht, haben dessen thermische Aspekte, wie schon in vorhergehenden Anwendungsbeispielen beschrieben, durchaus eine signifikante Bedeutung. Dass erfordert auch hier, dass das Kühlmedium-Verteilungselement, also das separate Einlegeelement, eher aus einem thermisch nicht oder schlecht leitenden Material, wie z.B. Kunststoff, bestehen sollte, damit über das separate Einlegeelement möglichst kaum ein Wärmeaustausch zwischen dem zugeführten und dem abgeführten Kühlmedium erfolgt. Entscheidend ist ebenfalls, dass das separate Einlegeelement insbesondere einem definierten Druckbereich, mit welchem das Kühlmedium im Kühlmedium-Innenraum fließt, mechanisch standhält.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung ist das Kühlmedium-Verteilungselement federnd ausgeführt. Mit dieser federnden Ausführung des Kühlmedium-Verteilungselement wird eine verbesserte Abdichtung zwischen Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums im Kühlvorrichtungs-Innenraum erreicht. Das Kühlmedium, welches den definierten Wärmepunkten des Kühlkörpers, somit also dessen abstehenden Wärmesenken, zugeführt wird, kann sich im Betriebsfall nunmehr kaum mit dem erwärmten Kühlmedium vermischen, welches vom Kühlkörper abgeführt wird. Auch gibt es für das Kühlmedium kaum noch Möglichkeiten, an den abstehenden Wärmesenken vorbeizufließen anstatt um sie herum- bzw. zwischen ihnen hindurchzufließen. Eine Voraussetzung dafür ist, dass das Kühlmedium-Verteilungselement größer dimensioniert ist als der Raum, den es zwischen den abstehenden Wärmesenken des Kühlkörpers und einer Innenfläche der Kühlkörperwanne einnehmen soll. Das Kühlmedium-Verteilungselement wird in diesem Fall infolge eines Montageprozesses teilweise zusammengedrückt. Daher muss die in eine andere Richtung wirkende Ausdehnung des Kühlmedium-Verteilungselements im Kühlvorrichtungs-Innenraum ggf. räumlich kompensiert werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung ist die Struktur des Kühlmedium-Verteilungselements, ausgehend von einer Seitenansicht des Kühlmedium-Verteilungselements, als eine gespiegelte 7-Struktur oder gespiegelte Z-Struktur ausgebildet. Merkmale einer Zahl 7 sind dabei zumindest teilweise auch in einem Buchstaben Z zu finden und geben hier der aufgezeigten Struktur einen Namen für eine ausreichende Identifizierung. Eine so ausgebildete gespiegelte 7-Struktur oder gespiegelte Z-Struktur des Kühlmedium-Verteilungselements gewährleistet die für die Zufuhr und die Abfuhr des Kühlmediums vorgesehenen, getrennten Flussrichtungen, ohne dass eine signifikante Vermischung des zugeführten mit dem abgeführten Kühlmedium auftreten kann. Besonders geeignet ist diese Struktur, um dem Kühlmedium-Verteilungselement eine federnde Eigenschaft zu geben.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung sind jeweils erste Öffnungen des Kühlmedium-Verteilungselements entlang einer virtuellen Achse gemeinsam mit mindestens einem zu entwärmenden elektronischen und/oder elektrischen Bauelement, insbesondere mit mindestens einem Leistungshalbleiter, und mit mindestens einem dafür definierten Wärmepunkt des Kühlkörpers angeordnet. Damit ist gewährleistet, dass die Zufuhr des Kühlmediums auf kürzestem Wege an die Wärmequellen des Kühlkörpers erfolgt, um die sich dahin überführte Verlustwärme der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente weiter abzuleiten.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung ist an der virtuellen Achse eine gezielte Ausrichtung der Flussrichtung des Kühlmediums mittels des Kühlmedium-Verteilungselements vorgesehen. Das Kühlmedium-Verteilungselement leitet demnach das Kühlmedium entlang der virtuellen Achse durch dessen erste Öffnungen zu den definierten Wärmepunkten des Kühlkörpers, insbesondere zu den abstehenden Wärmesenken, also den Pins und/oder den Kühlkörperstegen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung ist eine Flussrichtung für die Abfuhr des Kühlmediums von äußeren Bereichen der definierten Wärmepunkte des Kühlkörpers zu den Auslassöffnungen der Kühlvorrichtung mittels des Kühlmedium-Verteilungselements vorgesehen. Das Kühlmedium-Verteilungselement besitzt dazu jeweils mindestens eine Öffnung, welche das nunmehr erwärmte Kühlmedium von den Rändern der definierten Wärmepunkt des Kühlkörpers, insbesondere von den Rändern der abstehende Wärmesenken, den Pins, ableitet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Kühlvorrichtung weist eine Anzahl von Einlassöffnungen der Kühlvorrichtung für die Zufuhr des Kühlmediums in den Kühlvorrichtungs-Innenraum eine zahlenmäßige Übereinstimmung von definierten Wärmepunkten des Kühlkörpers auf, welche mit jeweils mindestens einem zu entwärmenden elektronischen und/oder elektrischen Bauelement thermisch gekoppelt sind.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung eines Kühlkörpers mit einer Einlass- und einer Auslassöffnung sowie einer Flussrichtung für ein Kühlmedium zur herkömmlichen Kühlung von z.B. elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen,
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2 ein Diagramm mit einem Temperaturverlauf des in Flussrichtung über eine definierte Strecke in und/oder an Kühlkörpern nach 1 fließenden Kühlmediums zur Entwärmung von elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen,
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3 eine schematische Darstellung einer Leiterplatte mit darauf angeordneten, zu entwärmenden elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen,
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4 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers und einer Kühlkörperwanne sowie mit dem Kühlkörper thermisch gekoppelte und zu entwärmende elektronische und/oder elektrische Bauelemente, vergleichbar angeordnet auf der Leiterplatte nach 3,
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5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung mit einem in einem Kühlvorrichtungs-Innenraum der Kühlvorrichtung angeordneten Kühlmedium-Verteilungselement,
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6 eine erste dreidimensionale Darstellung des Kühlmedium-Verteilungselements für die Kühlvorrichtung nach 5,
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7 eine zweite dreidimensionale Darstellung des Kühlmedium-Verteilungselements nach 5 und aus 6 mit Einlassöffnungen der Kühlkörperwanne sowie Zufuhr und Abfuhr des Kühlmediums und
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8 eine schematische Darstellung eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, welches einen Umrichter mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung nach 5.
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In 1 wird eine dreidimensionale Darstellung eines Kühlkörpers 4 aufgezeigt, welcher herkömmlicherweise z.B. zur Kühlung von elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen eingesetzt wird. Der Kühlkörper 4 verfügt über eine Einlassöffnung 11 zur Zufuhr 13 und eine Auslassöffnung 12 zur Abfuhr 14 eines Kühlmediums 7. Das Kühlmedium 7 umfließt mittels einer hierarchisch eindimensional strukturierten Flussrichtung 15, welche zum Teil lokal verwirbelt wird, eine Vielzahl abstehender Wärmesenken 5 des Kühlkörpers 4. Da Intensität und Dauer einer Entwärmung des Kühlkörpers 4 nicht an jedem Punkt des Kühlkörpers 4 mit einem gleichen Bedarf anzusetzen ist, kann das Kühlmedium 7, für eine insgesamt abzugebende Wärmemenge des Kühlkörpers 4, diese meist nur mittels großzügiger Auslegung und einem oft überdimensioniertem Aufbau eines Kühlsystems vollständig aufnehmen und abführen. Die Kühlung der mit dem Kühlkörper 4 thermisch gekoppelten elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente erfolgt daher meist ineffizient. Die gezielte Entwärmung von Hot Spots am Kühlkörper 4 ist so nur sehr eingeschränkt möglich.
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Das Beispiel und die Ausführungen zur 1 werden ergänzt durch die Erläuterungen zu einem Diagramm, dargestellt in 2, welches ein Temperaturverhalten des in Flussrichtung 15 über eine definierte Stecke in und/oder an dem Kühlkörper 4 fließenden Kühlmediums 7, zur Entwärmung von elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen, beschreibt. Auf einer Diagramm-Achse mit der Bezeichnung T[C°], im Folgenden als Y-Achse des Diagramms bezeichnet, sind Temperaturen aufgetragen, die das Kühlmedium 7, beginnend mit dessen Zufuhr 13 an der Einlassöffnung 11 bis zur Abfuhr 14 an der Auslassöffnung 12 des Kühlkörpers 4, annehmen kann. Dabei ist mit T1 an der Y-Achse des Diagramms ein Eingangs-Temperaturwert des Kühlmediums 7 eingetragen, welcher an der Einlassöffnung 11 des Kühlkörpers 4 ermittelbar bzw. messbar ist. Ein an der Auslassöffnung 12 ermittelbarer bzw. messbarer Ausgangs-Temperaturwert T2 ist ebenfalls auf der Y-Achse des Diagramms eingetragen. Der mit T2 bezeichnete Ausgangs-Temperaturwert hat, durch eine in Flussrichtung 15 vom Kühlmedium 7 aufgenommene Wärmemenge, einen höheren Temperaturwert, als der für T1 ermittelte Eingangs-Temperaturwert. Eine weitere Diagramm-Achse mit der Bezeichnung S[mm], im Folgenden als X-Achse des Diagramms bezeichnet, zeigt eine definierte Stecke, die das Kühlmedium 7 auf einem kürzesten Weg von der Einlassöffnung 11 bis zur Auslassöffnung 12 zurücklegt.
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Rückschauend auf 1 ist damit ein Abstand zwischen der Einlassöffnung 11, hier als Streckenwert S1 an der X-Achse des Diagramms eingetragen, und der Auslassöffnung 12, hier als Streckenwert S2 an der X-Achse des Diagramms eingetragen, definiert. Alle in das Diagramm eingetragenen Eckwerte T1, T2, S1 und S2 ergeben einen Temperaturverlauf, welcher eine kontinuierliche Temperaturerhöhung über die entlang der Flussrichtung 15 des Kühlmediums 7 zurückgelegte Strecke zwischen Einlassöffnung 11 und Auslassöffnung 12 des Kühlkörpers 4 aufweist.
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Aus 2 sind bzgl. dieses Temperaturverlaufs jedoch für Kühlsysteme ungünstige thermische Effekte, wie z.B. die Effekte einer thermischer Reihenschaltungen, kaum zu erkennen. Thermische Reihenschaltungen treten z.B. in Verbindung mit Kühlsystemen dann auf, wenn eine Anordnung von Verlustwärme erzeugenden elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen vom gleichen Kühlmedium in Reihe hintereinander gekühlt werden. Somit beeinflussen diejenigen elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente, welche Verlustwärme erzeugen und in Flussrichtung des Kühlmediums thermisch am Beginn einer Entwärmungskette stehen, diejenigen elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente, welche thermisch eher am Ende dieser Entwärmungskette stehen.
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Die schematische Darstellung in 3 zeigt eine Leiterplatte 17, wobei darauf angeordnete, zu entwärmenden elektronische und/oder elektrische Bauelemente 2 insbesondere auch Leistungshalbleiter 3 sind, welche von ihrer Anordnung und Anzahl her einer 6-pulsigen Brückenschaltung entsprechen können. In 3 verweist ein Pfeil auf der Leiterplatte 17 in Richtung einer Kühlleistungsreduzierung 16 des Kühlmediums 7. Der Pfeil zeigt somit an, welche der auf der Leiterplatte 17 angeordneten Leistungshalbleiter 3 von den unerwünschten thermischen Effekten der thermischen Reihenschaltung besonders betroffen sind, falls diese z.B. mit dem Kühlkörper 4 nach 1 entwärmt werden. Diejenigen Leistungshalbleiter 3, welche in der Entwärmungskette eher am Ende stehen, werden demnach nicht gleichwertig entwärmt gegenüber den Leistungshalbleitern 3, welche am Beginn der Entwärmungskette lokalisiert sind. Werden Leistungshalbleiter 3 aus 3 mit einem Kühlkörper 4, wie in 1 dargestellt, entwärmt, dann nimmt das Kühlmedium 7 zuerst die Verlustwärme der thermisch nahe mit der Einlassöffnung 11 des Kühlkörpers 4 gekoppelten Leistungshalbleiter 3 auf. Das nunmehr bereits erwärmte Kühlmedium 7 muss im Verlauf seiner Flussrichtung 15 weitere Verlustwärme von den thermisch zur Einlassöffnung 11 des Kühlkörpers 4 eher weiter entfernten Leistungshalbleitern 3 aufnehmen.
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Insbesondere wenn sich die Leistungshalbleiter 3 bzgl. ihrer Auslegung und ihres Betriebsmodus in einem Grenzbereich ihrer Leistungsfähigkeit befinden, kann das Kühlmedium 7 ggf. keine Verlustwärme mehr aufnehmen bzw. erwärmt die in der thermischen Reihenschaltung nachgelagerten Leistungshalbleiter 3 zusätzlich. Eine Zerstörung der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 2 ist sehr wahrscheinlich. Als Konsequenz bleibt, dass einerseits durch die schon angesprochene großzügige Dimensionierungen, in der Regel mittels kostenintensiver Überdimensionierungen der betroffenen Bauteile, andererseits durch Maßnahmen für einen bzgl. unerwünschter Temperaturerhöhungen eingeschränkten Betrieb der Leistungshalbleiter 3 Schäden an Mensch und Maschine für die entsprechenden Anwendungen verhindert werden.
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Die schematische Darstellung in 4 zeigt einen Kühlkörper 4 und eine Kühlkörperwanne 10 sowie mit dem Kühlkörper 4 thermisch gekoppelte und zu entwärmende elektronische und/oder elektrische Bauelemente 2, welche, vergleichbar 3, auf der Leiterplatte 17 angeordnet sind. Der Kühlkörper 3 besitzt abstehenden Wärmesenken 5, welche von der Kühlkörperwanne 10 eingeschlossen werden. In diesem Beispiel sind Kühlkörper 4 und Kühlwanne 10 als separate Bauteile zu betrachten. Jeweils eine Einlassöffnung 11 und eine Auslassöffnung 12 für Zufuhr 13 und Abfuhr 14 des Kühlmediums 7 ist in die Kühlwanne 10 integriert. Die Flussrichtung 15 des Kühlmediums 7 ist entsprechend definiert. Die via Leiterplatte 17 mit dem Kühlkörper 4 insbesondere thermisch gekoppelten elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 2 sind aus Sicht der thermischen Reihenschaltung mit den gleichen thermisch unerwünschten Effekten behaftet, wie in den Ausführungen zu 3 beschrieben wurde. Auf der Leiterplatte 17 in 4 ist eine konstruktive Anordnung der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 2 vergleichbar realisiert. Anhand der aufgezeigten Richtung der Kühlleistungsreduzierung 16 lassen sich die von den Auswirkungen der thermischen Reihenschaltung vorrangig betroffenen elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 2 identifizieren.
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Mit der schematischen Darstellung nach 5 wird eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 vorgeschlagen, welche ein im Kühlvorrichtungs-Innenraum 9 der Kühlvorrichtung 1 angeordnetes Kühlmedium-Verteilungselement 6 aufweist. Das Kühlmedium-Verteilungselement 6 hat im technischen wie auch konstruktiven Sinne der Kühlvorrichtung 1 eine Schlüsselfunktion für eine zielgerichtet Kühlung, also für eine zielgerichtete Entwärmung, der die Verlustwärme erzeugenden elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 2, welche insbesondere in Form von Leistungshalbleitern 3 auf der Leiterplatte 17 angeordnet und zumindest thermisch mit einem Kühlkörper 4 der Kühlvorrichtung 1 gekoppelt sind. Der Kühlkörper 4 weist an seiner Oberfläche angeordnete, abstehenden Wärmesenken 5 auf, welche als Pins 5 ausgeführt sein können. Diese Pins 5, welche insbesondere Formen geometrischer Grundkörper oder Formen von Ableitungen geometrischer Grundkörper aufweisen können, sind im Vorrichtungsbeispiel nach 5 als Zylinder oder auch Quader ausgeführt. Das Kühlmedium-Verteilungselement 6 schließt sich an die abstehenden Wärmesenken 5, also hier die Pins 5, an. Eine Kühlkörperwanne 10 umschließt die abstehenden Wärmesenken 5 und das Kühlmittel-Verteilungselement 6, indem es mit dem Kühlkörper 4 verbunden wird. So entsteht der Kühlvorrichtungs-Innenraum 9 der Kühlvorrichtung 1. Die Kühlkörperwanne 10 weist Einlassöffnungen 11 zur Zufuhr 13 wie auch Auslassöffnungen 12 zur Abfuhr 14 des Kühlmediums 7 auf.
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Im Beispiel der 5 sind die Einlassöffnungen 11 und die Auslassöffnungen 12 im Boden der Kühlkörperwanne 10 eingebracht. Auf einer hier den abstehenden Wärmesenken 5 bzw. den Pin 5 abgewandten Seite sind die auf der Leiterplatte 17 angeordneten elektronischen und/oder elektrischen Bauelementen 2 thermisch mit dem Kühlkörper 4 gekoppelt. Meist ist die Leiterplatte 17 auch unter Einbringung einer wärmeleitenden Paste mechanisch, z.B. mittels Schraubverbindungen, mit dem Kühlkörper 4 verbunden. Aber auch stoffschlüssige mechanische Verbindungen, wie sie z.B. mittels Sintern oder Löten herstellbar sind, kommen an dieser Stelle zum Einsatz, wobei für diese Fälle auf die Einbringung einer wärmeleitenden Paste in der Regel verzichtet wird. Die auf der Leiterplatte 17 angeordneten elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 2 geben nun ihre im Betrieb erzeugte Verlustwärme an den Kühlkörper 4 ab. Insbesondere an den abstehenden Wärmesenken 5 ergeben sich somit definierte Wärmepunkte 8, welche durch die bekannten Anordnungen der elektronischen und/oder elektrischen Bauelemente 2 auf der Leiterplatte 17 exakt zu lokalisieren sind. Genau an diesen Wärmepunkten 8 der abstehenden Wärmesenken 5 des Kühlkörpers 4 muss die gezielte Kühlung, also die Entwärmung des Kühlkörpers 4 mittels des Kühlmediums 7, erfolgen. Das Kühlmedium-Verteilungselement 6 ist nun aufgrund funktionaler Eigenschaften und erster Öffnungen 23 seiner gespiegelten 7-Struktur 19, bzw. seiner gespiegelten Z-Struktur 19 in der Lage, des Kühlmediums 7 entlang einer virtuellen Achse 20 zielgerichtet zu den abstehenden Wärmesenken 5 zu leiten. Dies geschieht, wie in 5 zu sehen, direkt und über eine möglichst kurze Strecke innerhalb des Kühlvorrichtungs-Innenraums 9.
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Das Kühlmedium-Verteilungselement 6 ist im Anwendungsbeispiel der 5 konstruktiv so gestaltet, dass dessen Struktur 19 auch für eine Ableitung des Kühlmediums 7 von den abstehenden Wärmesenken 5 mit dafür notwendigen zweiten Öffnungen 24 versehen ist. Die nun vom Kühlmedium 7 über die abstehenden Wärmesenken 5 des Kühlkörpers 4 aufgenommene Verlustwärme wird in Flussrichtung 15 wieder in das Kühlmedium-Verteilungselement 6 eingeleitet und durch dieses selbst zu den Auslassöffnungen 12 der Kühlkörperwanne 10 für eine Abfuhr 14 geführt. Das Kühlmedium-Verteilungselement 6 verhindert durch seinen Aufbau fast vollständig, dass sich das Kühlmedium 7, welches der Kühlvorrichtung 1 zugeführt wird, mit dem Kühlmedium 7, welches im erwärmten Zustand von der Kühlvorrichtung 1 abgeführt wird, vermischt. Die Auslassöffnungen 12 für die Abfuhr 14 des Kühlmediums 7 können, statt am Boden der Kühlkörperwanne 10, auch an anderen geeigneten Punkten in Flussrichtung 15 des Kühlmediums 7 eingebracht werden. In 5 wären dann diese Auslassöffnungen 12 beispielsweise in einer nicht gezeigter Draufsicht oder Rückansicht der Kühlkörperwanne 10, also zumindest an einer Seite der Kühlkörperwanne 10 zu sehen. Für diesen Fall sind die zweiten Öffnungen 24 in den Strukturen 19 des Kühlmedium-Verteilungselements 6 nicht notwendig. Zur Abfuhr 14 des Kühlmediums 7 kann eine geringere Anzahl von Auslassöffnungen 12 im Vergleich zu den Einlassöffnungen 11 vorgesehen sein.
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Aus 6, der ersten dreidimensionalen Darstellung des Kühlmedium-Verteilungselements 6 für die Kühlvorrichtung 1 nach 5, sind eine Reihe von Details der gespiegelten 7-Struktur 19 bzw. der gespiegelten Z-Struktur 19 zu entnehmen. Das Kühlmedium-Verteilungselement 6, welches hier ein separates Bauteil der Kühlvorrichtung 1 in Form eines separaten Einlegeelements 18 darstellt, ist in diesem Anwendungsbeispiel nur mit dessen ersten Öffnungen 23 für die Zufuhr 13 des Kühlmediums 7 zu den abstehenden Wärmesenken 5 des Kühlkörpers 4 ausgestattet. Somit ist die Abfuhr 14 des Kühlmediums 7 nur über Auslassöffnungen 12 möglich, welche nicht im Boden der Kühlkörperwanne 10, wie in 5 dargestellt, eingebracht sind. Das hier dargestellte und insbesondere als separates Einlegeelement 18 vorgesehene Kühlmedium-Verteilungselement 6, kann mittels relativ kostengünstiger Fertigungsprozesse, wie beispielsweise Stanz-, Biege-, Strangpress- oder auch Extrusionsprozesse, hergestellt werden. Der Einsatz der zu verwendenden Materialien, aus denen das Kühlmedium-Verteilungselement 6 generell, wie auch das separate Einlegeelement 18 im Besonderen, hergestellt wird, richtet sich einerseits nach der Art des Kühlmediums 7, welches verwendet werden soll (z.B. gasförmiger vs. flüssiger Aggregatzustand). Andererseits ist es aber auch von Bedeutung, dass das Kühlmedium-Verteilungselement 6, also das separate Einlegeelement 18, möglichst aus einem thermisch nicht oder schlecht leitenden Material bestehen sollte, damit über das separate Einlegeelement 18 nur ein sehr eingeschränkter Wärmeaustausch zwischen dem zugeführten und dem abgeführten Kühlmedium 7 erfolgt.
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Die in 7 aufgezeigte zweite dreidimensionale Darstellung des Kühlmedium-Verteilungselements 6 offenbart weitere Details, welche die nach 5 und aus 6 gezeigten Ausführungsbeispiele transparenter erscheinen lassen. Insbesondere sind die Zufuhr 13, die Abfuhr 14 und die Flussrichtung 15 des Kühlmediums 7 mit Bezug auf das Kühlmedium-Verteilungselements 6 sehr anschaulich zu erkennen. Die Einlassöffnungen 11 der Kühlkörperwanne 10, für die Zufuhr 13 des Kühlmediums 7 in den Kühlvorrichtungs-Innenraum 9, sind vergleichbar dem erfindungsgemäßen Beispiel aus 5 angeordnet. Die Auslassöffnungen 12 für die Abfuhr 14 des Kühlmediums 7 sind jedoch nicht in den Boden der Kühlkörperwanne 10 eingelassen. Auch sind im Kühlmedium-Verteilungselement 6 der 7, bezogen auf die nach 5 aufgezeigten entsprechenden Stellen, ebenfalls keine zweiten Öffnungen 24 für die Abfuhr 14 des Kühlmediums 7 eingebracht. Eine bereits erörterte Möglichkeit wäre, die für die Abfuhr 14 des Kühlmediums 7 notwendigen Auslassöffnungen 12 an mindestens einer, allerdings in den Figuren nicht visualisierten Seite der Kühlkörperwanne 10 einzubringen.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtungen 1 eignet sich insbesondere für einen Umrichter 21 der Antriebstechnik, wobei mit dieser Lösung vor allem auch Bauteilen der Leistungselektronik, also Leistungshalbleitern 3 wie IGBT’s, MOSFET’s, etc., ihre Verlustwärme zielgerichtet und effizient entzogen werden kann. Die Umrichter 21, welche eine derartige Kühlvorrichtungen 1 benutzen, sind wiederum für eine Anwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen 22 vorteilhaft einsetzbar, was 8 schematisch darstellt. Gerade bei den Elektro- oder Hybridfahrzeugen 22 ist eine kompakte Bauweise der Umrichtern 21 gefragt. Aufgrund von Anforderungen bzgl. hoher Leistung bzw. Leistungsdichte dieser Umrichter 21 werden oft Kühlsysteme mit flüssigen oder ggf. auch mit gasförmigen Kühlmedien 7 eingesetzt. Um die Anforderungen an derartige Kühlsysteme effizient und mit vertretbarem ökonomischem Aufwand umsetzen zu können, bietet die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 eine sehr gute Lösung.
