DE102015223413A1

DE102015223413A1 - Kupfer-Alu-Kühlkörper

Info

Publication number: DE102015223413A1
Application number: DE102015223413.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Kohr; Gerhard Müller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-01

Abstract

Anordnung zum Kühlen eines Bauteils (103); mit einem aus einer Aluminiumlegierung besehenden Grundkörper (107) und einer Trägerplatte (109) zur Aufnahme des Bauteils (103); wobei der Grundkörper (107) und die Trägerplatte (109) mindestens einen Kanal (101) zum Leiten von Kühlmittel ausbilden. Mindestens ein Teil der Trägerplatte (109) besteht aus einer Kupferlegierung; wobei der Grundkörper (107) und die Trägerplatte 109) in mindestens einer durch Reibschweißen gebildeten Fügezone (117) miteinander verfügt sind; wobei zwischen dem Grundkörper (107) und der Trägerplatte (109) ein Dichtelement (111) angebracht ist; und wobei das Dichtelement (111) die Fügezone (117) gegenüber dem Kühlmittel abdichtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Kühlen von Leistungsmodulen mit einem Grundkörper bekannt, der anfangs zweiteilig ist. Die zwei Teile des Grundkörpers bestehen aus einer Aluminiumlegierung und werden im Rührreibschweißverfahren miteinander verbunden. Zwischen den miteinander verbundenen Teilen verläuft ein Kühlkanal, der von einem Kühlmittel durchflossen wird.
Aluminium hat gegenüber Kupfer den Nachteil einer geringeren Wärmeleitfähigkeit. Allerdings neigen Paarungen von Aluminium und Kupfer zur Kontaktkorrosion. Kühlmittel, das als Elektrolyt wirkt, verstärkt dieses Problem.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil, insbesondere ein elektrisches oder elektronisches Bauteil, etwa ein Leistungsmodul, unter Umgehung der den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen innewohnenden Nachteile zu kühlen. Insbesondere soll unter Verringerung des Bauraumbedarfs eine verbesserte Kühlleistung erzielt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Das zu kühlende Bauteil stellt eine Wärmequelle dar. Das Bauteil entwickelt Abwärme, die abgeführt werden muss. Eine Anordnung zum Kühlen des Bauteils stellt entsprechend eine Wärmesenke bereit. Die Abwärme wird von der Anordnung aufgenommen und abgeführt.
Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen Grundkörper und eine Trägerplatte zur Aufnahme des Bauteils. Die Aufnahme des Bauteils durch die Trägerplatte ist gleichbedeutend mit eine Fixierung des Bauteils an der Anordnung derart, dass mindestens ein Teil der Oberfläche des Bauteils wärmeleitend mit mindestens einem Teil der Trägerplatte in Verbindung steht. Vorzugsweise steht der genannte Teil der Oberfläche des Bauteils im direkten Kontakt mit dem genannten Teil der Oberfläche der Trägerplatte. Auch kann zwischen dem Bauteil und der Trägerplatte ein wärmeleitendes Medium, etwa Wärmeleitpaste, eingebracht werden. Mit der Aufnahme des Bauteils durch die Trägerplatte kommt eine Wärmebrücke zwischen dem Bauteil zu der Trägerplatte zustande. Mindestens ein Teil der Abwärme wird also von dem Bauteil in die Trägerplatte eingeleitet.
Der Grundkörper und die Trägerplatte bilden zusammen mindestens einen Kanal zum Leiten von Kühlmittel aus. Ein Kühlkanal wird allgemein durch seine Wandungen festgelegt. Vorliegend bilden der Grundkörper und die Trägerplatte jeweils mindestens eine Wandung des Kanals. Das von dem Kanal geleitete Kühlmittel benetzt die Wandungen des Kanals. Insbesondere werden die von dem Grundkörper und der Trägerplatte gebildeten Wandungen des Kanals jeweils mindestens teilweise mit dem Kühlmittel benetzt. Auf diese Weise entsteht eine Wärmebrücke von der Trägerplatte zu dem Kühlmittel. Die in die Trägerplatte eingeleitete Abwärme des Bauteils gelangt also in das Kühlmittel und wird über den Kanal abgeführt. Somit wirkt der Kanal bzw. das in dem Kanal enthaltene Kühlmittel als Wärmesenke.
Der Grundkörper besteht aus einer Aluminiumlegierung. Bei der Aluminiumlegierung kann es sich um Reinaluminium, d.h. um eine Legierung mit mindestens 99% Aluminium, aber auch um eine beliebige andere Aluminiumlegierung, etwa nach EN 573-3/4, handeln.
Erfindungsgemäß besteht mindestens ein Teil der Trägerplatte aus einer Kupferlegierung. Hierdurch verbessert sich die Wärmeleitfähigkeit und damit die Kühlung des Bauteils.
Bei der Kupferlegierung kann es sich um eine beliebige Legierung von Kupfer und anderen Metallen, etwa um eine Kupfer-Zinn-Legierung, eine Kupfer-Zink-Legierung, eine Kupfer-Silber-Legierung, eine Kupfer-Magnesium-Legierung, eine Kupfer-Nickel-Legierung oder eine Kupfer-Beryllium-Legierung handeln. Der Kupferanteil der Legierung beträgt vorzugsweise mehr als 80%, mehr als 90% bzw. mehr als 99%.
Um die Trägerplatte mit dem Grundkörper zu verfügen, kommt das Verfahren des Reibschweißens zum Einsatz. Der Grundkörper und die Trägerplatte sind also in mindestens einer durch Reibschweißen gebildeten Fügezone miteinander verfügt. Das Verfahren des Reibschweißens ist als Prozess 42 in der Norm EN ISO 4063 definiert. Vorliegend findet bevorzugt die Abwandlung des Rührreibschweißens Verwendung.
Im Vergleich zu Schraubverbindungen ermöglicht das Reibschweißen einen besonders kompakten Aufbau der Anordnung. Allerdings neigt insbesondere die Fügezone aufgrund der unterschiedlichen elektrochemischen Potenziale von Kupfer und Aluminium zu Korrosionen.
Um Korrosionen zu verhindern, ist zwischen dem Grundkörper und der Trägerplatte ein Dichtelement angebracht. Diese dichtet die Fügezone gegenüber dem Kühlmittel bzw. dem Kanal ab und verhindert so, dass das Kühlmittel mit der Fügezone in Kontakt kommt. Die Abdichtung der Fügezone gegenüber dem Kühlmittel ist mindestens fluiddicht. Vorzugsweise dichtet das Dichtelement die Fügezone hermetisch, d.h. nicht nur fluiddicht, sondern auch gasdicht, gegenüber dem Kühlmittel ab.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Dichtelement um eine Festkörperdichtung, d.h. um ein aus einem Feststoff bestehendes Dichtelement. Insbesondere kann das Dichtelement aus einem Elastomer bestehen.
Um das Dichtelement in dem Grundkörper zu fixieren, bevor die Trägerplatte aufgebracht und durch Reibschweißen mit dem Grundkörper verfügt wird, kann der Grundkörper eine Nut aufweisen, in welche das Dichtelement eingelegt wird. Eine hinreichende Abdichtung lässt sich erreichen, in dem das Dichtelement zwischen dem Grundkörper und der Trägerplatte verspannt wird.
Da das Kühlmittel als Elektrolyt wirken kann, ist es nicht ausreichend, nur die Fügezone gegenüber dem Kühlmittel abzudichten. Vielmehr muss jede elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Grundkörper und der Trägerplatte unterbunden werden. Aus diesem Grund ist in einer bevorzugten Weiterbildung der aus der Kupferlegierung bestehende Teil der Trägerplatte mindestens teilweise fluiddicht beschichtet bzw. mit einer fluiddichten Beschichtung versehen. Die Beschichtung ist so aufgebracht, dass sie den aus der Kupferlegierung bestehenden Teil der Trägerplatte gegenüber dem Kühlmittel abschirmt. Die Beschichtung schützt also den aus der Kupferlegierung bestehenden Teil der Trägerplatte vor Kontakt mit dem Kühlmittel.
Die Beschichtung bildet ebenso wie der aus der Kupferlegierung bestehende Teil einen Teil der Trägerplatte. Insbesondere bildet die Beschichtung eine Wandung des Kühlkanals aus.
Beim Verfügen des Grundkörpers und der Trägerplatte durch Reibschweißen wird die fluiddichte Beschichtung im Bereich der Fügezone beschädigt. Eine vollständige Abdichtung gegenüber dem Kühlmittel lässt sich vor diesem Hintergrund durch Kombination des Dichtelements und der Beschichtung erzielen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt. Im Einzelnen zeigt:
1 einen Kühlkanal.
Der in 1 dargestellte Kühlkanal 101 dient der Kühlung eines Leistungsmoduls 103. Der Kühlkanal 101 wird durch einen Kühler 105 ausgebildet, der wiederum einen Grundkörper 107, eine Trägerplatte 109 und ein Dichtungen 111 umfasst. Ein aus einer Kupferlegierung bestehende Abschnitt 113 der Trägerplatte ist mit einer fluiddichten Beschichtung 115 versehen. Zusammen mit der Beschichtung 115 bildet also die Kupferlegierung 113 die Trägerplatte 109.
Die Kupferlegierung 113 des Grundkörpers 109 ist durch Rührreibschweißen mit dem Grundkörper 107 verfügt. Hierdurch entstehen zwischen der Kupferlegierung 113 der Trägerplatte 109 und dem Grundkörper 107 Schweißnähte 117.
Die Dichtungen 111 sind zwischen dem Kühlkanal 101 bzw. in dem Kühlkanal 101 befindlichen Kühlmittel 119 und jeweils einer Schweißnaht 117 angeordnet. Auf diese Weise verhindern die Dichtungen 111, dass das Kühlmittel 119 mit den Schweißnähten 117 in Kontakt kommt. Das Kühlmittel 119 kommt im Einzelnen mit dem Grundkörper 107, der Beschichtung 115 und den Dichtungen 111, nicht aber mit weiteren der in 1 dargestellten Komponenten in Kontakt.
Bezugszeichenliste

101: Kühlkanal
103: Leistungsmodul
105: Kühler
107: Grundkörper
109: Trägerplatte
111: Dichtung
113: Kupferlegierung
115: Beschichtungen
117: Schweißnaht
119: Kühlmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN 573-3/4 [0009]
Norm EN ISO 4063 [0012]

Claims

Anordnung zum Kühlen eines Bauteils (103); mit einem aus einer Aluminiumlegierung besehenden Grundkörper (107) und einer Trägerplatte (109) zur Aufnahme des Bauteils (103); wobei der Grundkörper (107) und die Trägerplatte (109) mindestens einen Kanal (101) zum Leiten von Kühlmittel ausbilden; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Trägerplatte (109) aus einer Kupferlegierung besteht; wobei der Grundkörper (107) und die Trägerplatte 109) in mindestens einer durch Reibschweißen gebildeten Fügezone (117) miteinander verfügt sind; wobei zwischen dem Grundkörper (107) und der Trägerplatte (109) ein Dichtelement (111) angebracht ist; und wobei das Dichtelement (111) die Fügezone (117) gegenüber dem Kühlmittel abdichtet.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des aus der Kupferlegierung bestehenden Teils (113) der Trägerplatte (109) mit einer fluiddichten Beschichtung (115) versehen ist; wobei die Beschichtung (115) den aus der Kupferlegierung bestehenden Teil (113) der Trägerplatte (109) gegenüber dem Kühlmittel abschirmt.