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Die Erfindung betrifft ein Kühlkörpermodul zur Kühlung eines Elektronikbauteils, ein Kühlkörpermodulstapel, ein Elektronikmodul, ein Wechselrichter und ein Kraftfahrzeugantriebsstrang.
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Es sind stapelbare Elektronikmodule bekannt, die jeweils an eine externe Kühlplatte angeordnet werden. Es sind auch übereinander anordbare Elektronikmodule bekannt, die zusammen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Aus solchen Modulen kann ein Wechselrichter aufgebaut werden, der beispielsweise zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine eines Kraftfahrzeugs einsetzbar ist.
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Aus der
EP 2 019 429 A1 ist ein Modul für eine Leistungselektronik bekannt, das eine Entwärmung über zwei gegenüberliegende Kühlflächen des Moduls ermöglicht. Das Modul an sich ist nicht stapelbar ausgeführt.
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In der nicht-vorveröffentlichten
DE 10 2016 223 889.2 der Anmelderin wird ein stapelbares Elektronikmodul vorgeschlagen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Demnach werden vorgeschlagen: ein Kühlkörpermodul, ein Kühlkörpermodulstapel, ein Elektronikmodul, ein Wechselrichter sowie ein Kraftfahrzeugantriebsstrang.
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Das vorgeschlagene Kühlkörpermodul weist zumindest eine erste Kühlfläche auf einer ersten Seite des Kühlkörpermoduls und eine zweite Kühlfläche auf einer zweiten Seite des Kühlkörpermoduls auf. Die beiden Seiten liegen sich insbesondere gegenüber. Insbesondere bildet eine der beiden Seiten eine Oberseite des Kühlkörpermoduls und die andere der beiden Seiten bildet eine Unterseite des Kühlkörpermoduls.
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Das vorgeschlagene Kühlkörpermodul verfügt außerdem über eine Stelle zum Anordnen zumindest eines Elektronikbauteils zwischen den beiden Kühlflächen, sodass das Elektronikbauteil Wärme sowohl an die erste Kühlfläche, als auch an die zweite Kühlfläche abgeben kann. Dadurch ist das Elektronikbauteil mittels beider Kühlflächen kühlbar. Entsprechend viel Wärme kann von dem Elektronikbauteil abgeführt werden. Es können auch mehrere solcher Stellen für mehrere Elektronikbauteile zwischen den beiden Kühlflächen vorgesehen sein. Dadurch können komplexe elektrische Schaltungen mit dem Kühlkörpermodul kühlbar sein.
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Die beiden Kühlflächen weisen jeweils eine Kühlstruktur mit einer Mehrzahl an Vorsprüngen auf. Dadurch vergrößert sich die Fläche zum Abführen von Wärme von dem Elektronikbauteil. Unter einer Mehrzahl werden insbesondere mehr als zwei und insbesondere mehr als zehn und insbesondere mehr als hundert Vorsprünge verstanden.
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Unter einem Vorsprung wird insbesondere eine Materialerhöhung ausgehend von einer Grundebene der jeweiligen Kühlfläche verstanden. Ein solcher Vorsprung kann insbesondere ein Pin (Stift) oder eine Rippe oder eine Wabe sein. Ein solcher Vorsprung steht in Richtung der jeweiligen Seite des Kühlkörpermoduls von der Kühlfläche ab. Insbesondere steht ein solcher Vorsprung senkrecht von der Grundebene der jeweiligen Kühlfläche ab. Ein solcher Vorsprung kann aus Vollmaterial des Kühlkörpermoduls gebildet werden.
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Beispielsweise kann das Kühlkörpermodul mit den Vorsprüngen durch einen Pressprozess, wie einen Kaltpressprozess, gebildet werden. Alternativ dazu kann ein solcher Vorsprung oder mehrere solcher Vorsprünge durch ein an einen Grundkörper des Kühlkörpermoduls angeordnetes Kühlflächenteil gebildet werden. Ein solcher Vorsprung ist insbesondere deutlich größer im Vergleich zu einer herstellungsbedingten Oberflächenrauheit der jeweiligen Kühlfläche.
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Das vorgeschlagene Kühlkörpermodul ist außerdem dazu ausgebildet, mit zumindest einem weiteren Modul durch Anordnung dieses weiteren Moduls wahlweise auf die erste oder zweite Seite gestapelt werden zu können. Bei einem solchen weiteren Modul handelt es sich insbesondere um
- • ein Gehäusemodul, oder
- • ein gleichartig zum vorgeschlagenen Kühlkörpermodul ausgeführtes Modul, oder
- • ein identisch zu dem vorgeschlagenen Kühlkörpermodul ausgeführtes Modul.
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Durch Anordnung mehrerer solcher Module zu einem Modulstapel können somit einfach komplexe elektrische Schaltungen aufgebaut werden, die zudem einfach kühlbar sind.
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Insbesondere bedeutet dies, dass das Kühlkörpermodul dazu ausgeführt ist, mit dem weiteren Modul nach Wahl auf die erste Seite oder die zweite Seite gestapelt zu werden. Somit kann das weitere Modul also bedarfsweise sowohl an die erste Seite, als auch an die zweite Seite angeordnet werden. Beide Seiten des Kühlkörpermoduls sind also gleichermaßen dazu geeignet, um das weitere Modul daran anzuordnen.
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Bei dem vorgeschlagenen Kühlkörpermodul sind die Kühlstrukturen der beiden Kühlflächen zumindest bereichsweise komplementär zueinander ausgebildet.
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Das bedeutet, dass zumindest
- • ein Bereich der ersten Kühlfläche oder die komplette erste Kühlfläche
komplementär zu
- • einem (gegenüberliegenden) Bereich der zweiten Kühlfläche oder der kompletten zweiten Kühlfläche
ausgebildet ist.
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Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Vorsprünge der beiden Kühlflächen. Bereichsweise ist so zu verstehen, dass die beiden Kühlflächen jeweils zumindest einen Bereich aufweisen, der entsprechend komplementär ausgeführt ist.
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Bei dem vorgeschlagenen Kühlkörpermodul ergibt sich der Vorteil, dass durch die komplementäre Ausführung der Kühlstrukturen die Vorsprünge zweier identischer und aufeinander gestapelter Kühlkörpermodule ineinandergreifen können, ohne dass sie in störender Weise aneinander liegen.
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Beim Aufeinanderstapeln identischer Kühlkörpermodule mit identischen oder spiegelbildlichen Kühlstrukturen auf beiden Seiten (beiden Kühlflächen) ergibt sich nämlich das Problem, dass die Stirnseiten der Vorsprünge der gestapelten Module dann ebenfalls genau einander gegenüberliegen. Wenn zwei gegenüberliegende Vorsprünge nun toleranzbedingt etwas zu lang sind, liegen die Stirnseiten dieser beiden Vorsprünge direkt aneinander an. Dies kann eine Abdichtung des Stapels für ein Kühlmedium erschweren oder unmöglich machen. Wenn zwei gegenüberliegende Vorsprünge demgegenüber toleranzbedingt zu kurz sind, liegen die Stirnseiten dieser Vorsprünge zu weit beabstandet voneinander. Dadurch ergibt sich zwischen diesen Stirnseiten ein Bypass für Kühlmedium, was die Wärmeabführung dort verschlechtert.
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Grundidee der Erfindung ist es daher, die Kühlstrukturen gerade nicht (vollständig) identisch oder spiegelbildlich auszuführen, sondern so, dass sich in zumindest einem Bereich der Kühlstrukturen weder ein Bypass zwischen den Stirnseiten der gegenüberliegenden Vorsprünge ausbilden kann, noch dass diese Stirnseiten unmittelbar aneinander anliegen können.
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Dies wird dadurch erreicht, dass die Kühlstrukturen der beiden Kühlflächen komplementär zueinander ausgebildet sind. Die Stirnseiten der Vorsprünge in einem Stapel aus identischen Kühlkörpermodulen weisen durch diese komplementäre Ausführung entweder seitlich aneinander vorbei oder die Vorsprünge sind in ihrer Höhe so bemessen, dass ihre Stirnseiten nicht aneinander anliegen können und dass sich kein durchgängiger Bypass über die komplette Länge der jeweiligen Kühlfläche für ein Kühlmedium ergibt.
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Das bedeutet also insbesondere, dass zumindest in einem Bereich der Kühlflächen Vorsprünge einer der beiden Kühlfläche des Kühlkörpermoduls seitlich oder in ihrer Höhe versetzt zu (gegenüberliegenden) Vorsprüngen der anderen der beiden Kühlfläche des Kühlkörpermoduls angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich sind zumindest in einem Bereich der Kühlflächen Vorsprünge einer der beiden Kühlflächen des Kühlkörpermoduls in ihrer Höhe unterschiedlich zu (gegenüberliegenden) Vorsprüngen der anderen der beiden Kühlflächen des Kühlkörpermoduls. Dies kann auf alle oder nur auf einige der Vorsprünge der beiden Kühlflächen zutreffen.
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Bei dem Elektronikbauteil zum Anordnung zwischen die Kühlflächen des Kühlkörpermoduls handelt es sich insbesondere um ein im Betrieb Wärme abgebendes Elektronikbauteil. Dies kann insbesondere ein Leistungselektronikbauteil sein, wie insbesondere ein Leistungshalbleiter, wie beispielsweise ein IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) oder ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor). Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Elektronikbauteil auch um einen elektrischen ohmschen Widerstand und/oder eine elektrische Induktivität und/oder eine elektrische Kapazität handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Elektronikbauteil um einen Chip oder eine Leiterplatte oder dergleichen handeln, mit einem oder mehreren darauf oder darin angeordneten elektrischen Bauteilen.
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In einer möglichen Ausführungsform des Kühlkörpermoduls passen einige oder alle der Vorsprünge einer der beiden Kühlflächen des Kühlkörpermoduls in Vertiefungen der anderen der beiden Kühlflächen. Wenn nun also zwei solcher Kühlkörpermodule aufeinander gestapelt werden, greifen dadurch einige oder alle der Vorsprünge der ersten Kühlfläche des einen Kühlkörpermoduls in Vertiefungen der zweiten Kühlfläche des darauf gestapelten anderen Kühlkörpermoduls. Dadurch ergibt sich weder ein Bypass zwischen den Stirnseiten der Vorsprünge, noch liegen die Stirnseiten der Vorsprünge unmittelbar einander an.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kühlkörpermoduls passen einige oder alle Vorsprünge einer der beiden Kühlflächen des Kühlkörpermoduls in Zwischenräume zwischen einigen oder allen Vorsprüngen der anderen der beiden Kühlflächen passen. Wenn nun also zwei solcher Kühlkörpermodule aufeinander gestapelt werden, greifen dadurch einige oder alle der Vorsprünge der ersten Kühlfläche des einen Kühlkörpermoduls in Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen der zweiten Kühlfläche des darauf gestapelten anderen Kühlkörpermoduls. Die Vorsprünge der gegenüberliegenden Kühlfläche der aufeinander gestapelten Kühlkörpermodule greifen also aneinander vorbei in die Zwischenräume. Dies ist vergleichbar mit kämmenden Zähnen zweier Zahnräder. Auch dadurch ergibt sich weder ein Bypass zwischen den Stirnseiten der Vorsprünge, noch liegen die Stirnseiten der Vorsprünge aneinander an.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kühlkörpermoduls sind einige oder alle Vorsprünge zumindest einer der beiden Kühlflächen unterschiedlich hoch. Es sind somit Vorsprünge innerhalb der ersten Kühlfläche unterschiedlich hoch, und/oder es sind somit Vorsprünge innerhalb der zweiten Kühlfläche unterschiedlich hoch. Mit der Höhe eines solchen Vorsprungs wird insbesondere der Abstand von der Grundebene der zugehörigen Kühlfläche zum Scheitelpunkt oder zur Stirnseite des Vorsprungs verstanden.
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Wenn sowohl Vorsprünge der ersten Kühlfläche und Vorsprünge der zweiten Kühlfläche unterschiedlich hoch sind, können die Kühlstrukturen der beiden Kühlflächen so aufeinander abgestimmt sein, dass ein hoher Vorsprung auf der ersten Kühlfläche stets einem (relativ hierzu) niedrigen Vorsprung auf der zweiten Kühlfläche gegenüberliegt. Wenn nun zwei identische Kühlkörpermodule aufeinander gestapelt werden, liegt dann also stets ein hoher Vorsprung einem niedrigen Vorsprung gegenüber, ohne dass die Stirnseiten dieser Vorsprünge aneinander anliegen. Mit anderen Worten sind dann hohe Vorsprünge einer der beiden Kühlflächen des Kühlkörpermoduls direkt benachbart sind zu niedrigen Vorsprüngen einer anderen der beiden Kühlflächen eines darauf gestapelten identischen zweiten Kühlkörpermoduls.
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Zusätzlich können die Vorsprünge der ersten und zweiten Kühlflächen dann auch noch seitlich verschoben sein.
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Um einen durchgängigen Bypass zwischen Stirnseiten der gegenüberliegenden Kühlflächen über die gesamte Länge der gegenüberliegenden Kühlflächen zu verhindern, können die erste und zweite Kühlfläche des Kühlkörpermoduls jeweils abwechselnd hohe und niedrige Vorsprünge aufweisen. In diesem Fall alternieren die Höhen dieser Vorsprünge zumindest bereichsweise. Das bedeutet, dass ein hoher Vorsprung auf der jeweiligen Kühlfläche benachbart ist zu (relativ dazu) niedrigen Vorsprüngen und umgekehrt.
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Vorsprünge mit alternierenden Höhen können statt beidseitig (also auf beiden Kühlflächen des Kühlkörpermodules) auch lediglich einseitig (also auf nur einer der beiden Kühlflächen des Kühlkörpermodules) vorgesehen sein. Dies kann Vorteile bei der Strömungsführung eines Kühlmediums, das die Vorsprünge umspült, haben. So können beispielsweise Turbulenzen in der Strömung erzielt werden, was eine Wärmeabfuhr verbessert.
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Insbesondere können die Vorsprünge in einem ersten Bereich einer der beiden Kühlflächen unterschiedlich hoch sein zu Vorsprüngen in einem zweiten Bereich dieser Kühlfläche. Dadurch kann die Wärmabfuhr in dem Bereich mit hohen Vorsprüngen verbessert werden. Daher sind bevorzugt die Vorsprünge im Bereich der Stelle zum Anordnen des Elektronikbauteils höher, als weiter hiervon entfernte Vorsprünge.
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Die beiden Kühlflächen des Kühlkörpermoduls können so angeordnet sein, dass beide senkrecht zur Stapelrichtung (= axiale Richtung des Kühlkörpermoduls) liegen, also senkrecht zu der Richtung, in der die Module aufeinander stapelbar sind. Somit liegen die Kühlflächen von aufeinander gestapelten, identischen Kühlkörpermodulen stets parallel zueinander. Alternativ dazu können die Kühlflächen jedoch auch zur Stapelrichtung geneigt sein. Hierdurch kann sich eine verbesserte Durchströmung von Kühlmedium ergeben.
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Die beiden Kühlflächen des Kühlkörpermoduls können so angeordnet sein, dass sie parallel zueinander liegen. Alternativ dazu können sie auch geneigt zueinander liegen. Die beiden Kühlflächen können außerdem jeweils eine konvexe oder konkave Form aufweisen. Dadurch kann an geeigneter Stelle mehr Platz für das Elektronikbauteil zwischen den beiden Kühlflächen des Kühlkörpermoduls geschaffen werden.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kühlkörpermoduls weist dieses einen ersten Durchgang für ein Kühlmedium auf, der von einer der beiden Kühlflächen zur anderen der beiden Kühlflächen führt. Dadurch kann einfach Kühlmedium zu den beiden Kühlflächen geführt werden.
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Bevorzugt weist das Kühlkörpermodul zudem einen zweiten Durchgang für das Kühlmedium auf, der von einer der beiden Kühlflächen zur anderen der beiden Kühlflächen führt. Der erste und der zweite Durchgang sind dabei an gegenüberliegenden Enden der Kühlflächen angeordnet. Somit kann ein Kühlmedium von einem der beiden Durchgänge hergeführt werden und über die jeweilige Kühlfläche strömen und von dem anderen der beiden Durchgänge abgeführt werden. Mit anderen Worten dienen die Durchgänge also zum Durchleiten des Kühlmediums durch das Kühlkörpermodul hindurch und an den beiden Kühlflächen vorbei.
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Insbesondere kann der erste Durchgang und (sofern vorhanden) der zweite Durchgang an dem Kühlkörpermodul so angeordnet sein, dass beim Stapeln von zwei und mehr identischer Kühlkörpermodule einerseits die ersten Durchgänge dieser Kühlkörpermodule in einer Reihe angeordnet sind und andererseits (sofern vorhanden) auch die zweiten Durchgänge dieser Kühlkörpermodule in einer Reihe angeordnet sind. Dadurch können die einen Durchgänge gemeinsam einen Verteiler (Verteilerkanal) bilden, um Kühlmedium zu den Kühlflächen der gestapelten Kühlkörpermodule hinzuführen. Die anderen Durchgänge können gemeinsam einen Sammler (Sammlerkanal) bilden, um Kühlmedium von den Kühlflächen der gestapelten Kühlkörpermodule abzuführen.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kühlkörpermoduls weist dieses ein Gehäuse auf, das eine seitliche Begrenzung der beiden Kühlflächen bildet. Das Gehäuse bildet auch eine seitliche Begrenzung des ersten Durchgangs und, sofern vorhanden, des zweiten Durchgangs. Das Gehäuse umschließt also die beiden Kühlflächen und den oder die Durchgänge.
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Das Gehäuse kann insbesondere rahmenförmig oder als Rahmen ausgebildet sein, innerhalb dessen die Kühlflächen und der oder die Durchgänge angeordnet sind. Außerdem ist das Gehäuse auf der ersten und zweiten Seite des Kühlkörpermoduls jeweils dazu ausgebildet, mit dem zumindest einen weiteren Modul durch Anordnung dieses weiteren Moduls auf die erste oder zweite Seite gestapelt zu werden.
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Dadurch kann mittels des Gehäuses also seitlich der Kühlflächen eine dichte Wandung gebildet werden, um Kühlmedium über die Kühlflächen zu leiten. Oberhalb der jeweiligen Kühlfläche kann das Gehäuse dann offen sein. Wenn zwei identische Kühlkörpermodule gestapelt werden, können somit die beiden zugehörigen Gehäuse aneinander anliegen und eine seitliche Abdichtung für ein die Kühlmedium in den Durchgänge und an den Kühlflächen der beiden Kühlkörpermodule bilden. Die erste Kühlfläche des einen Kühlkörpermoduls liegt in dem Stapel direkt gegenüber zur zweiten Kühlfläche des darauf gestapelten weiteren Kühlkörpermoduls. Durch die Durchgänge der Kühlkörpermodule kann dann das Kühlmedium einfach an die Kühlflächen der Kühlkörpermodule im Stapel geführt werden und auch davon weggeführt werden.
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Das Gehäuse bildet demnach seitlich zu der Kühlfläche einen Abschluss für das Kühlmedium. In Richtung seitlich der Kühlflächen ist das Gehäuse somit dicht ausgeführt, sodass das Kühlmedium dort nicht unkontrolliert oder ungewollt in eine Umgebung austreten kann. Es können optional allerdings gezielte Zu- und Ableitungen von Kühlmedium seitlich des Gehäuses vorgesehen sein, um Kühlmedium dem Kühlkörpermodul, also zu dessen Kühlflächen, zuzuführen oder abzuführen.
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Damit auf das Kühlkörpermodul weitere Module gestapelt werden können, ist das Gehäuse entsprechend ausgeführt. Insbesondere verfügt das Gehäuse in Richtung der ersten und der zweiten Seite des Kühlkörpermoduls über entsprechende Schnittstellen, wie insbesondere miteinander korrespondierende Dichtflächen, Nuten, Federn (für eine Nut-Feder-Verbindung) oder Sicken. Dadurch ist es möglich, dass auf das Kühlkörpermodul ein identisches oder gleichartiges Kühlkörpermodul gestapelt werden kann. Es können auf das Kühlkörpermodul jedoch auch kompatible Gehäusemodule oder vielfältig andere Module aufgesetzt werden. Gehäusemodule verfügen dabei selbst über keine Elektronikkomponenten und dienen beispielsweise nur zur Verlängerung des Modulstapels oder zur gezielten Strömungsführung des Kühlmediums oder zum Zu- oder Abführen von Kühlmedium oder zur Aufhängung/Lagerung des Stapels.
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Durch diese Maßnahmen wird ein flexibles Kühlkörpermodul bereitgestellt, das um beliebig viele weitere Module, insbesondere identische oder gleichartige Kühlkörpermodule, erweiterbar ist. Gleichzeitig wird für einen damit geschaffenen Modulstapel kein separates Gehäuse benötigt. Mit anderen Worten ergeben die vorgeschlagenen Maßnahmen eine Stapelbarkeit des Kühlkörpermoduls in axialer Richtung (in Richtung der ersten und zweiten Seiten des Kühlkörpermoduls) und eine seitliche Dichtigkeit für das Kühlmedium (seitlich zur Kühlfläche; seitlich zum Kühlkörpermodul).
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Den oberen und den unteren Abschluss eines Modulstapels können insbesondere Gehäusemodule bilden, deren Oberseite bzw. Unterseite im Wesentlichen abgeschlossen sind. So ein Gehäusemodul kann eine Abschlussplatte bilden, die auf ein axiales Ende des Stapels wie ein normales Modul aufgesetzt wird.
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Bevorzugt weist das Kühlkörpermodul zumindest ein Strömungsführungsmittel zur Führung eines Kühlmediums innerhalb des Kühlkörpermoduls auf. Das Strömungsführungsmittel kann dabei an
- • dem Gehäuse angrenzend zu einer der Kühlflächen, oder
- • dem Gehäuse angrenzend zu in einem der Durchgänge, oder
- • an Vorsprüngen einer der Kühlflächen
angeordnet sein. Dadurch kann die Strömungsrichtung innerhalb des Kühlkörpermoduls bedarfsweise gelenkt werden, beispielsweise hin zu einer der Kühlflächen oder hinweg von einer der Kühlflächen. Außerdem kann dadurch ein Bypass für das Kühlmedium geschlossen oder dessen Auswirkung vermindert werden. Außerdem können dadurch vorteilhafte Turbulenzen in die Strömung des Kühlmediums eingebracht werden, wodurch dessen Wärmeaufnahme verbessert wird.
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Das Strömungsführungsmittel kann entweder ein eigenständiges Bauteil bilden, das an dem entsprechenden Teil des Kühlkörpermoduls geeignet befestigt ist, beispielsweise am Gehäuse. Oder das Strömungsführungsmittel kann ein integrierter Bestandteil des entsprechenden Teils des Kühlkörpermoduls bilden, also einteilig damit ausgebildet sein. In letzterem Fall kann das Strömungsführungsmittel insbesondere eine Strömungsführungskontur bilden, die an dem entsprechenden Teil des Kühlkörpermoduls ausgeformt ist. Eine solche Strömungsführungskontur kann auch als Störkontur bezeichnet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass mehrere (beliebig viele) solcher Strömungsführungsmittel unabhängig voneinander vorgesehen sind. Somit kann beispielsweise ein erstes Strömungsführungsmittel an dem Gehäuse angrenzend zu in einem der Durchgänge vorgesehen sein, sowie ein zweites Strömungsführungsmittel an Vorsprüngen einer der Kühlflächen.
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Das Strömungsführungsmittel kann beispielsweise eine spezielle Ausformung bilden, wie beispielsweise eine Nase oder Rippe, die hervorsteht, um das daran vorbeiströmende Kühlmedium in eine bestimmte Richtung zu lenken. Insbesondere dient das Strömungsführungsmittel dazu, um einen Teil einer Strömung des Kühlmediums in eine bestimmte Richtung umzulenken. Beispielsweise dient es, um gezielt einen Teil der Strömung des Kühlmediums in einem der Durchgänge hin zu der ersten und/oder der zweiten Kühlfläche umzulenken. Das bedeutet, dass nicht die gesamte Strömung umgeleitet wird, sondern nur ein benötigter Anteil davon.
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Das Strömungsführungsmittel kann als eigenständiges Bauteil insbesondere flexibel und/oder wärmeleitend ausgeführt sein. Ein solches Strömungsführungsmittel kann beispielsweise aus Blech bestehen. Ein solches Strömungsführungsmittel kann auch aus einem Kunststoff bestehen.
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Bevorzugt ragt das Gehäuse in Richtung der ersten Seite des Kühlkörpermoduls über die Vorsprünge der ersten Kühlfläche hervor. Alternativ oder zusätzlich dazu ragt das Gehäuse in Richtung der zweiten Seite des Kühlkörpermoduls über die Vorsprünge der zweiten Kühlfläche hervor. Das bedeutet, dass das Gehäuse dort jeweils eine größere Höhe aufweist, als die Vorsprünge der dortigen Kühlfläche. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Gehäuse zweier identischer, aufeinander gestapelter Kühlkörpermodule sicher gegeneinander abdichtbar sind.
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Allerdings kann es vorgesehen sein, dass einige oder alle Vorsprünge der ersten und/oder der zweiten Kühlfläche in ihrer Höhe über das Gehäuse hinausragen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn gegenüberliegende Vorsprünge auf der ersten und zweiten Kühlfläche seitlich versetzt zueinander angeordnet sind. Dann können diese gegenüberliegenden Vorsprünge nämlich über das Gehäuse hinausragen und in Zwischenräume zwischen die Vorsprünge eines auf das Kühlkörpermodul gestapelten identischen weiteren Kühlkörpermoduls ragen.
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In einer weiteren möglichen Ausführungsform des Kühlkörpermoduls ist das Kühlkörpermodul zumindest zweiteilig ausgeführt. Dabei weist der erste Teil des Kühlkörpermoduls die erste Kühlfläche auf und er bildet die erste Seite des Kühlkörpermoduls aus. Der zweite Teil des Kühlkörpermoduls weist dann die zweite Kühlfläche auf und er bildet die zweite Seite des Kühlkörpermoduls aus. Der erste Teil und/oder der zweite Teil des Kühlkörpermoduls weisen dann eine Fläche zum daran Anordnen des Elektronikbauteils auf. Beispielsweise kann das Elektronikbauteil an diese Fläche angelötet oder angesintert oder angeklebt oder angeschraubt oder mit Gussmasse daran angegossen oder anderweitig daran befestigt sein. Die beiden Teile können, mit Ausnahme der Anordnung der Vorsprünge auf den beiden Kühlflächen (Kühlstruktur), identisch oder spiegelbildlich zueinander ausgeführt sein.
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Bevorzugt weist einer der beiden Teile des Kühlkörpermoduls zumindest eine Nut auf, und der andere der beiden Teile des Kühlkörpermoduls weist zumindest eine damit korrespondierende Feder auf. Nut und Feder sind ineinandergreifend, wenn die beiden Teile zu dem Kühlkörpermodul zusammengefügt sind. Dadurch kann eine Abdichtung des zwischen den beiden Teilen angeordneten Elektronikbauteils verbessert werden.
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Insbesondere umgeben die Nut und die zugehörige Feder die Stelle zum Anordnen des zumindest einen Elektronikbauteils. Alternativ oder zusätzlich umgeben die Nut und die zugehörige Feder den ersten Durchgang und/oder den zweiten Durchgang des Kühlkörpermoduls. Insbesondere ist in die Nut ein Dichtungsmittel, wie beispielsweise eine Dichtmasse oder ein O-Ring oder eine Schnurdichtung eingefügt.
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Bevorzugt verfügt das Gehäuse des Kühlkörpermoduls seitlich zu den Kühlflächen zumindest über eine Öffnung zur elektrischen Kontaktierung des Elektronikbauteils von außerhalb des Gehäuses. Dadurch kann die elektrische Kontaktierung des Elektronikbauteils einfach erfolgen. Bevorzugt ist das Elektronikbauteil vollständig über diese zumindest eine Öffnung kontaktierbar. D.h. es besteht kein Bedarf zu Kontaktierungen an anderer Stelle des Elektronikbauteils. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Kontaktierung des Elektronikbauteils jedoch vollständig oder teilweise durch eine elektrische Schnittstelle im Gehäuse zu einem auf das Kühlkörpermodul gestapelten weiteren Modul erfolgen.
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Bevorzugt wird das Elektronikbauteil mittels Gussmasse mit dem Kühlkörpermodul vergossen. Insbesondere ist das Elektronikbauteil mit der Gussmasse dicht gegenüber dem Kühlmedium vergossen. Somit kann einfach eine Dichtheit des Elektronikbauteils gegenüber dem Kühlmedium bewirkt werden. Die Gussmasse ist bevorzugt ein Duroplast, insbesondere ein Harz. Die Gussmasse kann beispielsweise durch Spritzgießen oder Niederdruckgießen oder auf andere geeignete Weise mit dem Kühlkörpermodul vergossen werden. Somit ist das Elektronikbauteil auch vibrationsfest und elektrisch isoliert mit dem Kühlkörpermodul verbunden. Die Gussmasse kann dann selbst einen Teil des Kühlkörpermoduls bilden.
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Das Elektronikbauteil kann in einer Vertiefung des Kühlkörpermoduls angeordnet sein. Das Kühlkörpermodul kann dann in der Vertiefung auf das Kühlkörpermodul aufgelegt sein und darauf befestigt sein. Das Elektronikbauteil kann auch in einer parallel zu den Kühlflächen verlaufenden Öffnung in dem Kühlkörpermodul angeordnet sein. Insbesondere kann es dann in das Kühlkörpermodul und dessen Gehäuse eingeschoben sein. Somit kann es einfach von einer Seitenfläche des Gehäuses kontaktiert werden. Hierbei kann sich die Öffnung von einer Seitenfläche des Gehäuses zu den Kühlflächen erstrecken.
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Die Öffnung zum Einschieben oder Anordnen des Elektronikbauteils kann sich auch einer Seitenfläche des Gehäuses durch den Kühlkörper zu einer gegenüberliegenden anderen Seitenfläche des Gehäuses erstreckt. Das Elektronikbauteil ist dann insbesondere so durch das Gehäuse durchgeschoben oder darin so angeordnet, sodass es von beiden Seitenflächen des Gehäuses elektrisch kontaktiert werden kann. Eine solche Öffnung kann einfach hergestellt werden, beispielsweise durch Fräsen oder Bohren.
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Das Kühlkörpermodul kann einen Durchbruch von der besagten Öffnung zum Einschiebe des Elektronikbauteils in das Innere des Gehäuses aufweisen. Somit kann ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Elektronikbauteil im Kühlkörpermodul und dem das Kühlkörpermodul durchströmenden Kühlmedium hergestellt werden. Dies kann die Kühlung des Elektronikbauteils verbessern.
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Es wird angemerkt, dass das Kühlkörpermodul und insbesondere dessen Gehäuse vollständig oder teilweise aus einem gut wärmeleitenden Metall, wie beispielsweise Eisen oder Aluminium oder Kupfer oder Silber (dies beinhaltet auch Fe- oder Al- oder Cu- oder Ag-Legierungen) bestehen kann. Hierdurch kann gut Wärme vom Elektronikbauteil abgeführt werden.
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Das Kühlkörpermodul kann auch zumindest teilweise aus einem Kunststoff bestehen oder aus einer Keramik. Insbesondere kann das Kühlkörpermodul aus mehreren Werkstoffen bestehen, wie beispielsweise zumindest aus einem Metallteil und zumindest einem Kunststoffteil.
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Der vorgeschlagene Kühlkörpermodulstapel weist zumindest zwei oder mehr der vorgeschlagenen Kühlkörpermodule auf. Hierbei liegt die erste Seite eines der Kühlkörpermodule an der zweiten Seite des anderen der Kühlkörpermodule an. Mit anderen Worten sind die beiden Module mit den besagten Seiten aufeinander gestapelt. Dadurch wird eine Kühlstrecke für ein Kühlmedium zwischen den beiden zugehörigen Kühlflächen (erste Kühlfläche des einen Kühlkörpermoduls und gegenüberliegende zweite Kühlfläche des anderen Kühlkörpermoduls) gebildet.
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Auch bei einem solchen Kühlkörpermodulstapel kann an einigen oder allen Vorsprüngen das oben genannte Strömungsführungsmittel angeordnet sein. Das Strömungsführungsmittel kann dann ein separates Bauteil bilden und zur Führung des Kühlmediums in der Kühlstrecke zwischen den beiden zugehörigen (gegenüberliegenden) Kühlflächen dienen. Dadurch kann die Strömung des Kühlmediums in der Kühlstrecke zwischen den gegenüberliegenden Kühlflächen gezielt gelenkt werden. Insbesondere kann das Strömungsführungsmittel über einen oder mehrere so genannte Turbulatoren verfügen. Hierbei handelt es sich um jeweils eine Ausformung, beispielsweise eine Aus- oder Einbuchtung, des Strömungsführungsmittel zur gezielten Erzeugung von Turbulenzen in der Strömung des Kühlmediums. Dadurch wird die Wärmeabfuhr durch das Kühlmedium verbessert.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein solches Strömungsführungsmittel auch zwischen einigen oder allen gegenüberliegenden Vorsprüngen der gestapelten Kühlkörpermodule angeordnet sein. Mit anderen Worten ist das Strömungsführungsmittel dann zwischen die Stirnseiten dieser gegenüberliegenden Vorsprünge angeordnet. Insbesondere liegen die Stirnseiten dieser Vorsprünge dann von gegenüberliegenden Seiten an dem Strömungsführungsmittel an. Dadurch kann ein Bypass für das Kühlmedium zwischen diesen Stirnseiten der Vorsprünge auf einfache Weise geschlossen werden. Dadurch verbessert sich die Kühlwirkung des Kühlmediums, denn der Bypass ist geschlossen.
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Bevorzugt weist der Kühlkörpermodulstapel zumindest zwei aufeinander gestapelte Kühlkörpermodule auf, die über einen oder zwei der oben genannten (ersten und gegebenenfalls zweiten) Durchgänge für das Kühlmedium verfügen. Hierbei sind diese beiden Kühlkörpermodule so angeordnet, dass diese Durchgänge in einer Reihe angeordnet sind. Dadurch wird ein Sammlerkanal oder Verteilerkanal für das Kühlmedium gebildet. Wenn die Kühlkörpermodule sowohl über den ersten genannten Durchgang, als auch über den zweiten genannten Durchgang verfügen, bilden die ersten in Reihe angeordneten Durchgänge einen Sammlerkanal und die zweiten Durchgänge bilden einen Verteilerkanal - oder umgekehrt. Durch den Verteilerkanal kann das Kühlmedium zu den Kühlflächen hingeführt werden und durch den Sammlerkanal kann das Kühlmedium von den Kühlflächen weggeführt werden.
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In dem Sammlerkanal und/oder dem Verteilerkanal kann das oben genannte Strömungsführungsmittel als eigenständiges Bauteil angeordnet sein. Dieses dient dann zur Führung des Kühlmediums hin zu den Kühlflächen oder von den Kühlflächen hinweg. Insbesondere dient das Strömungsführungsmittel im Verteilerkanal dazu, um gezielt einen Teil der Strömung des Kühlmediums im Verteilerkanal hin zu zumindest einer der Kühlflächen zu führen. Insbesondere dient das Strömungsführungsmittel im Sammlerkanal dazu, um das von den Kühlflächen in den Sammlerkanal strömende Kühlmedium in die richtige Richtung im Sammlerkanal zu lenken.
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Dieses Strömungsführungsmittel kann sich insbesondere über mehrere Kühlkörpermodule hinweg erstrecken. Insbesondere kann es sich über einen Teil des Kühlkörpermodulstapels oder über den gesamten Kühlkörpermodulstapel hinweg erstrecken. Ein solches Strömungsführungsmittel kann in dem Sammlerkanal angeordnet sein und ein anderes solches Strömungsführungsmittel kann in dem Verteilerkanal angeordnet sein.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Kühlkörpermodul ein oder mehrere Elektronikbauteile zur Bildung eines Wechselrichters aufweist. Mittels eines Wechselrichters kann ein Gleichstrom in einen Wechselstrom umgewandelt werden und/oder umgekehrt.
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Das vorgeschlagene Elektronikmodul weist daher zumindest ein vorgeschlagenes Kühlkörpermodul auf. Dieses Kühlkörpermodul verfügt dann über zumindest eine elektrische Halbbrücke mit einem ersten und einem zweiten Leistungshalbleiter als Elektronikbauteile.
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Das Elektronikmodul weist insbesondere einen Highside-Leistungshalbleiter und einen Lowside-Leistungshalbleiter auf, insbesondere je ein IGBT oder MOSFET. Aus mehreren identischen oder vergleichbaren Elektronikmodulen kann dann beispielsweise eine elektrische Vollbrücke gebildet werden. Beispielsweise kann mit drei solcher Elektronikmodule, die dann bevorzugt direkt aufeinander gestapelt sind, ein B6-Wechselrichter gebildet werden.
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Der vorgeschlagene Wechselrichter zur elektrischen Bestromung einer E-Maschine weist daher mehrere solcher vorgeschlagenen Elektronikmodule gestapelt auf. Beispielsweise können die Elektronikmodule unmittelbar aufeinander gestapelt sein. Wie erläutert kann beispielsweise ein B6-Wechselrichter durch einen Stapel von drei solcher Elektronikmodule gebildet sein. Ein derartiger Wechselrichter kann durch die einfache Massenfertigbarkeit solcher Elektronikmodule kostengünstig aufgebaut werden. Die Verwendung weiterer Kühlstrukturen kann entfallen. Außerdem ist ein solcher Wechselrichter einfach skalierbar, da beliebig viele Module aufeinander stapelbar sind.
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Der ebenfalls vorgeschlagene Kraftfahrzeugantriebsstrang weist eine E-Maschine als Traktionsantrieb auf. Die E-Maschine dient also zum Fahrzeugvortrieb oder zur Fahrzeugverzögerung. Bei der Fahrzeugverzögerung arbeiten die E-Maschine und der Wechselrichter bevorzugt generatorisch und laden die Batterie. Der Antriebsstrang kann daher für ein rein elektrisch angetriebenes E-Fahrzeug dienen, oder er kann mit einem Verbrennungsmotor für ein Hybridfahrzeug dienen. Der Kraftfahrzeugantriebsstrang zeichnet sich durch den vorgeschlagenen Wechselrichter zur elektrischen Bestromung der E-Maschine aus. Der Wechselrichter weist also, wie erläutert, einen Stapel aus mehreren der vorgeschlagenen Elektronikmodule auf. Unter einer solchen elektrischen Bestromung ist sowohl ein Zuführen von elektrischen Strömen zu der E-Maschine zu verstehen, als auch ein Abführen von elektrischen Strömen von der E-Maschine.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen Stapel Kühlkörpermodule,
- 2 eine dreidimensionale Schnittdarstellung durch einen Stapel Kühlkörpermodule,
- 3 mehrere übereinander angeordnete Kühlkörpermodule,
- 4 mehrere übereinander angeordnete Kühlkörpermodule,
- 5 eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlkörpermoduls,
- 6 eine Schnittdarstellung durch ein Kühlkörpermodul,
- 7 eine Schnittdarstellung durch ein Kühlkörpermodul,
- 8 eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlkörpermoduls,
- 9 eine dreidimensionale Schnittdarstellung durch einen Stapel Kühlkörpermodule,
- 10 eine dreidimensionale Ansicht eines Kühlkörpermoduls,
- 11 einen Kraftfahrzeugantriebsstrang.
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In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen beispielhaften Stapel aus drei identischen Kühlkörpermodulen 1. Oberhalb ist der Stapel durch ein Gehäusemodul 2 in Form einer dichten Abdeckplatte abgeschlossen. Unterhalb ist der Stapel durch ein weiteres Gehäusemodul 3 abgeschlossen. Dieses Gehäusemodul 3 weist zumindest einen Zulauf 4 und einen Ablauf 5 für ein Kühlmedium auf, zum Zuführen und Abführen von Kühlmedium zu den einzelnen Kühlkörpermodulen 1.
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Ein alternativer Stapel aus Kühlkörpermodulen 1 weist mehr oder weniger solcher Kühlkörpermodule 1 auf. Außerdem können in dem Stapel keine oder andere Gehäusemodule 2, 3 vorgesehen sein.
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Das Kühlkörpermodul 1 verfügt über eine erste Kühlfläche 6 auf einer ersten Seite A des Kühlkörpermoduls 1, beispielsweise einer Oberseite. Und das Kühlkörpermodul 1 verfügt über eine zweite Kühlfläche 7 auf einer zweiten Seite B des Kühlkörpermoduls 1, beispielsweise einer Unterseite. Im Stapel sind hierbei die ersten Seiten A der Kühlkörpermodule 1 jeweils auf zweite Seiten B der Kühlkörpermodule 1 gestapelt. Dadurch liegt im Stapel die erste Kühlflächen 6 eines der Kühlkörpermodule 1 der zweiten Kühlflächen des darauf gestapelten Kühlkörpermoduls 1 gegenüber.
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Außerdem ist eine Stelle 8 zum Anordnen zumindest eines Elektronikbauteils 8A zwischen den beiden Kühlflächen 6, 7 vorgesehen. Durch Anordnen des Elektronikbauteils 8A an das Kühlkörpermodul 1 kann ein Elektronikmodul 1' gebildet werden (siehe 3 und 4). Die Stelle 8 ist so gewählt, dass das Elektronikbauteil 8A an beide Kühlflächen 6, 7 Wärme abgeben kann. Die Stelle 8 ist beispielhaft durch eine seitlich des Kühlkörpermoduls 1 zugängliche Öffnung oder Vertiefung ausgebildet. In diese Öffnung oder Vertiefung kann das Elektronikbauteil 8A eingelegt oder eingeschoben werden. Insbesondere ist das Elektronikbauteil 8A daran befestigt. Hierzu kann es beispielsweise an das Kühlkörpermodul 1 angelötet oder angeschweißt werden. Es kann alternativ oder zusätzlich auch mit dem Kühlkörpermodul 1 mittels Gussmasse vergossen werden.
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Das Elektronikbauteil 8A kann insbesondere einen oder mehrere Leistungshalbleiter, wie einen IGBT oder MOSFET, aufweisen. Das Elektronikbauteil 8A kann insbesondere eine Leiterplatte / PCB (= printed circuit board) oder ein Keramiksubstrat aufweisen, auf dem ein oder mehrere Leistungshalbleiter angeordnet sind. Das Elektronikbauteil 8A kann eine elektrische Halbbrücke mit zumindest zwei Leistungshalbleitern bilden.
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Die beiden Kühlflächen 6, 7 weisen jeweils eine Kühlstruktur mit einer Mehrzahl an Vorsprüngen auf. Diese Kühlstrukturen werden in den Figuren beispielhaft durch so genannte Pin-Fin-Strukturen gebildet, auch Stiftkühler genannt. Die Vorsprünge werden demnach durch einzelne Stifte gebildet. Es sind jedoch andere Ausführungen für die Kühlstrukturen möglich. Beispielsweise können optional oder alternativ auch Rippen- und/oder Wabenstrukturen eingesetzt werden. Einige oder alle der Vorsprünge werden dann dementsprechend durch Rippen oder Waben gebildet.
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Die Vorsprünge weisen eine gewisse Höhe H auf. Die Höhe ist hierbei der Abstand zwischen einer Grundebene der zugehörigen Kühlfläche 6, 7 und dem Scheitelpunkt oder der Stirnseite des Vorsprungs.
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Die Kühlflächen 6, 7 sind von Kühlmedium umströmbar. Dadurch können sie Wärme daran abgeben oder auch Wärme darüber aufnehmen. Je nach Ausführung kann die Kühlfläche 6, 7 somit zur Wärmeabgabe an das Kühlmedium dienen oder zur Wärmeaufnahme von dem Kühlmedium. In letzterem Fall dient die Kühlfläche 6, 7 also zur Kühlung des Kühlmediums.
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Die in 1 dargestellten Kühlkörpermodule 1 verfügen jeweils über ein Gehäuse 11. Dieses Gehäuse 11 umschließt die beiden Kühlflächen 6, 7 seitlich. Es bildet also eine seitliche Begrenzung der beiden Kühlflächen 6, 7. Das Gehäuse 11 verhindert somit ein ungewolltes Austreten von Kühlmedium seitlich zu den Kühlflächen 6, 7. In Richtung erster und zweiter Seite A, B ist das Gehäuse 11 hingegen offen. Somit kann Kühlmedium in Richtung erster und zweiter Seite A, B aus dem einzelnen Gehäuse 11 austreten. Entsprechend kann das Kühlmedium im Kühlkörpermodulstapel zwischen den einzelnen Kühlkörpermodulen 1 hindurchströmen oder zirkulieren.
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Das Gehäuse 11 ist beispielhaft rahmenförmig ausgebildet. Im Inneren des Rahmens sind die Kühlflächen 6, 7 angeordnet, sowie die dazwischenliegende Stelle 8 zum Anordnen des Elektronikmoduls. Das Gehäuse 11 ist dadurch im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Es sind allerdings auch andere Formen möglich, beispielsweise eine runde oder ovale Form.
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Vorliegend sind im Bereich der außenliegenden Ecken der Rechteckform Durchgangsöffnungen vorgesehen. Durch diese können jeweils eine Schraube oder ein Bolzen durchgeführt werden, um die aufeinander gestapelten Module 1, 2, 3 miteinander zu verspannen. Es sind jedoch alternative Möglichkeiten einsetzbar, um die Module 1, 2, 3 miteinander fest zu verbinden.
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Um einen freien Austausch von Kühlmedium zwischen der ersten und zweiten Kühlfläche 6, 7 (und dadurch zwischen den Kühlkörpermodulen 1 im Stapel) zu ermöglichen, weist das Kühlkörpermodul 1 innerhalb des Gehäuses 11 einen ersten Durchgang 12 für eine Kühlmedium von einer der beiden Kühlflächen 6, 7 zur anderen der beiden Kühlflächen 6, 7 auf. Außerdem weist das Kühlkörpermodul 1 einen zweiten Durchgang 13 für das Kühlmedium von einer der beiden Kühlflächen 6, 7 zur anderen der beiden Kühlflächen 6, 7 innerhalb des Gehäuses 11 auf. Die beiden Durchgänge 12, 13 sind hierbei an gegenüberliegenden Enden der Kühlflächen 6, 7 angeordnet. Dadurch kann Kühlmedium durch den ersten Durchgang 12 zu den beiden Kühlflächen 6, 7 gelangen, an diesen vorbeiströmen und durch den zweiten Durchgang 13 wieder abgeführt werden.
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Die Kühlkörpermodule 1 im Stapel sind so angeordnet, dass die ersten und zweiten Durchgänge 12, 13 hintereinander angeordnet sind, also in Reihe zueinander (siehe beispielsweise 2). Dadurch bilden die ersten Durchgänge 12 gemeinsam einen Verteilerkanal. Die zweiten Durchgänge 13 bilden gemeinsam einen Sammlerkanal. Der Verteilerkanal ist an den Zulauf 4 angeschlossen. Dadurch kann Kühlmedium dem Verteilerkanal zugeführt werden. Der Sammlerkanal ist an den Ablauf 5 angeschlossen. Dadurch kann Kühlmedium von dem Sammlerkanal abgeführt werden. Somit kann einfach ein Kühlkreislauf für die Kühlkörpermodule 1 im Stapel erzeugt werden.
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Die Kühlkörpermodule 1 mit den jeweiligen Gehäusen 11 sind jeweils dazu ausgebildet, mit einem weiteren Modul, insbesondere den Gehäusemodulen 2, 3 oder gleichartigen oder identischen Kühlkörpermodulen 1, gestapelt zu werden. Dazu sind die beiden Seiten A, B des Kühlkörpermoduls 1 gleichermaßen zum darauf Anordnen des weiteren Moduls 1, 2, 3 ausgebildet. Insbesondere sind die beiden Seiten A, B eines Kühlkörpermoduls 1, insbesondere im Bereich des Gehäuses 11, komplementär zueinander ausgeformt. Beispielsweise können entsprechende Nuten oder Federn auf den Seiten A, B ausgebildet sein. Beispielsweise weist gemäß 2 die erste Seite A am Gehäuse 11 eine Feder 9 auf, und die zweite Seite B weist am Gehäuse 11 eine mit der Feder 9 komplementäre Nut 10 auf. In die Nut 10 kann ein Dichtmittel eingefügt sein, wie beispielsweise ein O-Ring oder eine Schnurdichtung oder Dichtungsmasse.
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Insbesondere bilden die Seiten A, B des Kühlkörpermoduls 1 (des Gehäuses 11) Dichtflächen aus. Die beiden Kühlflächen 6, 7 liegen beispielhaft parallel zu diesen Dichtflächen und somit auch parallel zueinander. Somit liegen die Kühlflächen 6, 7 in einem Stapel aus identischen Kühlkörpermodulen 1 stets parallel zueinander.
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Es ist alternativ möglich, die Kühlfläche 6, 7 zu den Dichtflächen gewinkelt auszuführen. Es ist alternativ auch möglich, die Kühlfläche 6, 7 zueinander gewinkelt auszuführen. Ebenso ist es möglich, dass eine oder beide der Kühlflächen 6, 7 konvex oder konkav ausgebildet sind.
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Zum besseren Verständnis der Richtungsangaben sind beispielhaft in 1 die Richtungen „unterhalb und oberhalb des Kühlkörpermoduls 1“ (= axiale Richtungen) sowie die Richtung „seitlich“ durch Pfeile gezeigt. Hierbei bedeutet U = unterhalb des Kühlkörpermoduls 1 und O = oberhalb des Kühlkörpermoduls 1 und S = seitlich. In den übrigen Figuren gilt dies entsprechend.
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Einerseits soll ein dichtes Anliegen der Gehäuse 11 im Stapel ermöglicht werden, damit seitlich des Stapels kein Kühlmedium ungewollt austreten kann. Andererseits soll auch möglichst kein Bypass für Kühlmedium zwischen den Stirnseiten der im Stapel gegenüberliegenden Vorsprünge gebildet werden.
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Daher ist es nun vorgesehen, dass die Kühlstrukturen der beiden Kühlflächen 6, 7 eines Kühlkörpermoduls 1 zumindest bereichsweise komplementär zueinander ausgebildet sind. Dazu sind Vorsprünge dieser Kühlflächen 6, 7 komplementär zueinander ausgeführt. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass gegenüberliegende Vorsprünge der beiden Kühlflächen 6, 7 eines Kühlkörpermodul 1 in ihrer Höhe H versetzt zueinander sind oder unterschiedliche Höhen H aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können gegenüberliegende Vorsprünge der beiden Kühlflächen 6, 7 eines Kühlkörpermodul 1 seitlich zueinander versetzt sein.
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Das bedeutet also, dass ein Vorsprung auf der ersten Seite A des Kühlkörpermoduls 1 seitlich oder in der Höhe versetzt zum gegenüberliegenden Vorsprung auf der zweiten Seite B des Kühlkörpermoduls 1 ist. Oder es bedeutet, dass ein Vorsprung auf der ersten Seite A des Kühlkörpermoduls 1 unterschiedlich hoch zum gegenüberliegenden Vorsprung auf der zweiten Seite B des Kühlkörpermoduls 1 ist.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Vorsprünge der ersten Kühlfläche 6 des Kühlkörpermoduls 1 gegenüber den Vorsprüngen der gegenüberliegenden zweiten Kühlfläche 7 des Kühlkörpermoduls 1 seitlich versetzt.
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Hierdurch ergibt sich, dass im Stapel aus identischen Kühlkörpermodulen 1 die gegenüberliegenden Vorsprünge der aneinander anliegenden Kühlkörpermodule 1 aneinander vorbei greifen - oder mit anderen Worten: die Vorsprünge weisen aneinander vorbei. Die Vorsprünge der ersten Kühlfläche 6 passen dabei in Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen der zweiten Kühlfläche 7 und umgekehrt.
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Dies ist anhand der in 1 eingezeichneten Linie G ersichtlich, die sich in Längsrichtung des Kühlkörpermodulstapels durch die dortigen Kühlkörpermodule 1 erstreckt. Die Linie G verläuft genau durch einen der Vorsprünge auf den ersten Seiten A (Kühlfläche 6). Auf den gegenüberliegenden zweiten Seiten B (Kühlflächen 7) verläuft die Linie G genau durch einen Zwischenraum zwischen den dortigen Vorsprüngen.
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Dies wird deutlich bei dem in 2 dargestellten Stapel aus identischen Kühlkörpermodulen 1. Diese Kühlkörpermodule 1 entsprechen im Wesentlich denjenigen aus 1.
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Im Gegensatz zu 1 sind lediglich die Höhen H der Vorsprünge der ersten Kühlfläche 6 gegenüber dem Gehäuse 11 auf dieser Seite A erhöht. Diese Vorsprünge ragen dadurch auf der ersten Seite A über das Gehäuse 11 hinaus.
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Demgegenüber sind die Höhen H der Vorsprünge der zweiten Kühlfläche 7 gleich groß oder sogar geringer als das Gehäuse 11 auf dieser Seite B. Dadurch ragen die Vorsprünge auf der zweiten Seite B nicht über das Gehäuse 11 hinaus.
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Die Vorsprünge der ersten Kühlfläche 6 sind somit unterschiedliche hoch zu den Vorsprüngen der zweiten Kühlfläche 7.
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Bei vollkommen identisch oder spiegelbildlich ausgeführten Seiten A, B des Kühlkörpermoduls 1 würden die Stirnseiten der im Stapel gegenüberliegenden Vorsprünge nun unmittelbar aneinander anliegen. Zwischen den Gehäusen 11 entstünde dann ein Spalt, durch den Kühlmedium seitlich aus dem Stapel austreten könnte.
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Gemäß 2 sind (analog zur 1) bei den Kühlkörpermodulen 1 die Vorsprünge der ersten Kühlfläche 6 zu den Vorsprüngen der zweiten Kühlfläche 7 jedoch seitlich versetzt angeordnet (= komplementär). Wie in 2 gut sichtbar, greifen und passen somit die Vorsprünge der Seite B des oberen Kühlkörpermodul 1 in Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen auf der Seite A des unteren Kühlkörpermoduls 1.
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Dadurch wird zum einen ein Bypass für Kühlmedium zwischen den Stirnseiten der im Stapel gegenüberliegenden Vorsprünge vermieden. Und zum anderen wird ein seitlicher Spalt zwischen den Gehäusen 11 vermieden.
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3 und 4 zeigen eine Ansicht von oben (3) und eine Ansicht von unten (4) auf einen aufgefächerten Stapel aus drei identischen Elektronikmodulen 1'.
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Jedes der Elektronikmodule 1' wird durch ein Kühlkörpermodul 1 mit einem daran angeordneten Elektronikbauteil 8A gebildet. Wie 3 und 4 entnehmbar ist, ist in jedem Elektronikmodul 1' das Elektronikbauteile 8A in einer seitliche Öffnungen des jeweiligen Kühlkörpermoduls 1 angeordnet. Die Öffnung reicht von einer Seitenfläche des jeweiligen Kühlkörpermoduls 1 zur gegenüberliegenden anderen Seitenfläche. Dadurch kann das Elektronikbauteil 8A beidseitig elektrisch kontaktiert werden. Entsprechende elektrische Anschlüsse 14 sind seitlich an den Kühlkörpermodulen 1 vorgesehen.
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Das Elektronikbauteil 8A ist hierbei insbesondere mit dem Kühlkörpermodul 1 vergossen. Das bedeutet, dass das Elektronikbauteil 8A mit Gussmasse, in dem Kühlkörpermodul 1 vergossen ist. Die Gussmasse kann im Bereich der Anschlüsse 14 einen Stecker oder eine Buchse ausbilden, wodurch das Elektronikbauteil 8A elektrisch kontaktierbar ist.
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Die übrige Ausführung des Kühlkörpermoduls 1 in 3 und 4 entspricht derjenigen aus 1 oder 2. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für 3 und 4.
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5 zeigt einen Teil einer weiteren Ausführungsform eines Kühlkörpermoduls 1. Hierbei ist lediglich die zweite Seite B zu sehen. Die erste Seite A ist in 5 nicht dargestellt.
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Gemäß 5 weist die zweite Kühlfläche 7 einen Bereich 7A auf, innerhalb dessen die Vorsprünge erhöht ausgeführt sind im Vergleich zu den Vorsprüngen außerhalb dieses Bereichs 7A. Somit ragen diese Vorsprünge über die übrigen Vorsprünge der Kühlfläche 7 hinaus. Diese Vorsprünge ragen auch über das Gehäuse 11 auf dieser Seite B hinaus. Der Bereich 7A verfügt dadurch über eine besonders große Oberfläche zur Wärmeabgabe. Der Bereich 7A ist also insbesondere dort angeordnet, wo viel Wärme abgeführt werden muss. Dies ist insbesondere ein Bereich 7A, der bei einem stark Wärme-abgebenden Teil des Elektronikbauteils 8A liegt.
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Ansonsten entspricht die Ausführungsform des Kühlkörpermoduls 1 in 5 derjenigen aus 1 oder 2. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für die Ausführungsform nach 5.
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6 zeigt einen Teil einer weiteren Ausführungsform eines Kühlkörpermoduls 1. Auch hier sind auf das Kühlkörpermodul 1 beispielhaft oben und unten je ein weiteres identisches Kühlkörpermodul 1 gestapelt.
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Gemäß 6 alternieren die Höhen H der Vorsprünge der Kühlflächen 6, 7. Dadurch ist beim Kühlkörpermodul 1 gemäß 6 ein hoher Vorsprung (große Höhe H) stets umgeben von niedrigen Vorsprüngen (niedrige Höhe H) des Kühlkörpermoduls 1. Umgekehrt gilt dasselbe.
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Gemäß 6 sind die Vorsprünge der beiden Kühlflächen 6, 7 des Kühlkörpermoduls 1 zusätzlich zueinander seitlich versetzt. Somit greifen im Stapel die Vorsprünge der einen Kühlfläche 6, 7 entsprechend 1 und 2 also in Zwischenräume der gegenüberliegenden anderen Kühlfläche 6, 7.
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Dies muss jedoch nicht zwangsläufig so sein. Durch die alternierenden Höhen H der Vorsprünge ist es möglich, dass beim Kühlkörpermodul 1 Vorsprünge mit einer großen Höhe H auf der ersten Kühlfläche 6 solchen mit einer niedrigen Höhe H auf der zweiten Kühlfläche 7 (genau) gegenüberliegen. Bei einem Stapel solcher Kühlkörpermodul 1 liegen sich dann zwar die Stirnseiten von Vorsprüngen genau gegenüber. Durch die unterschiedlichen Höhen H ergibt sich dann jedoch ein Spalt zwischen den Stirnseiten. Dieser Spalt bildet zwar einen lokalen Bypass für Kühlmedium, durch die alternierenden Höhen H erstreckt sich dieser Bypass jedoch nicht über die gesamte Länge der Kühlflächen 6, 7.
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Analog dazu ist es möglich, dass die Vorsprünge in ihrer Höhe H alternierend zueinander versetzt sind. Das bedeutet, dass die Höhen H der einzelnen Vorsprünge an sich identisch sind, die Vorsprünge jedoch abwechselnd in Richtung erster und zweiter Seite A, B versetzt sind.
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Ansonsten entspricht die Ausführungsform des Kühlkörpermoduls 1 in 6 derjenigen aus 1 oder 2. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für die Ausführungsform nach 6.
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7 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Kühlkörpermoduls 1. Hierbei weisen die Vorsprünge der ersten Kühlfläche 6 eine geringere Höhe H auf, als die gegenüberliegenden Vorsprünge der zweiten Kühlfläche 7. Dadurch weist die zweite Kühlfläche 7 im Vergleich zur ersten Kühlfläche 6 eine größere Fläche und damit eine erhöhte Fähigkeit zur Wärmeabgabe auf.
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In 7 ist gut sichtbar, dass das Kühlkörpermoduls 1 mit dem Gehäuse 11 mehrteilig ausgeführt sein kann. Beispielhaft ist das Kühlkörpermoduls 1 in 7 zweiteilig ausgeführt. Ein Teil (Oberteil) 11A bildet hierbei die erste Seite A mit der ersten Kühlfläche 6 aus und das andere Teil (Unterteil) 11B bildet die zweite Seite B mit der zweiten Kühlfläche 7 aus. Diese vorteilhafte Aufteilung der Gehäuse 11 ist auch anderen der Figuren entnehmbar.
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Die Gehäuseteile 11A, 11B können über komplementäre Nuten 15 und Federn 16 verfügen. Diese können auf der Trennebene der Teile 11A, 11B die Durchgänge 12, 13 und/oder die Stelle 8 zum Anordnen des Elektronikbauteils 8A umgeben. In der Nut 15 kann Dichtmaterial angeordnet sein, wie beispielsweise ein O-Ring oder eine Dichtschnur oder Dichtmasse.
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Ansonsten entspricht die Ausführungsform des Kühlkörpermoduls 1 in 7 derjenigen aus 1 oder 2. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für die Ausführungsform nach 7.
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8 zeigt eine dreidimensionale Detailansicht eines Kühlkörpermoduls 1. Es wird hierbei von schräg oben auf die erste Seite A mit der ersten Kühlfläche 6 geblickt. Im Bereich des Übergangs von der ersten Kühlfläche 6 zur daran seitlich angrenzenden Wandung des Gehäuses 11 ist bei dieser Ausführungsform des Kühlkörpermoduls 1 ein als Strömungsführungskontur 6A ausgebildetes Strömungsführungsmittel vorgesehen. Diese besteht vorliegend, beispielhaft aus einer Reihe halber Vorsprünge, die sich entlang der Wandung des Gehäuses 11 vom ersten Durchgang 12 zum zweiten Durchgang 13 erstreckt. Dadurch wird die Strömung des Kühlmediums gezielt beeinflusst. In diesem Bereich liegt somit kein Bypass für das Kühlmedium vor, wenn es von dem ersten Durchgang 12 über die erste Kühlfläche 6 zum zweiten Durchgang 13 strömt. Die Strömungsführungskontur 6A kann daher auch als Störkontur bezeichnet werden. Das Gehäuse 11 ist bevorzugt auch im Bereich der zweiten Kühlfläche 7 mit einer identischen oder vergleichbaren Strömungsführungskontur ausgestattet.
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Entsprechende Strömungsführungskonturen sind auch in den 2, 3, 4, 5 erkennbar. Es wird angemerkt, dass die Strömungsführungskontur 6A grundsätzlich auch andersartig ausgeführt sein kann. Sie kann beispielsweise ein eigenständiges Bauteil bilden.
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Ansonsten entspricht die Ausführungsform des Kühlkörpermoduls 1 in 8 derjenigen aus 1 oder 2. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für die Ausführungsform nach 8.
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9 zeigt eine dreidimensionale Teilansicht eines Schnittes durch einen Stapel aus drei identischen Kühlkörpermodulen 1. Die einzelnen Kühlkörpermodule 1 entsprechen demjenigen aus 7. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für die Ausführungsform nach 9.
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Gemäß 9 sind die einzelnen Kühlkörpermodule 1 so aufeinandergestapelt, dass die Durchgänge 12 in einer Reihe angeordnet sind (vergleichbar mit den Stapeln in 1, 2, 3, 4). Die Durchgänge 12 bilden dadurch einen gemeinsamen Verteilerkanal.
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Gemäß 9 ist nun vorgesehen, dass in dem Verteilerkanal ein Strömungsführungsmittel 17 angeordnet ist. Dieses dient dazu, um einen bestimmten Anteil der Strömung des Kühlmediums im Verteilerkanal zu den gegenüberliegenden Kühlflächen 6, 7 hinzulenken. Das Strömungsführungsmittel 17 verfügt dazu über entsprechend geformte Nasen oder Rippen 17A. Ein entsprechendes Strömungsführungsmittel kann optional in dem durch die Durchgänge 13 gebildeten Sammlerkanal angeordnet sein. Dieses dient dann dazu, um das von den Kühlflächen 6, 7 in den Sammlerkanal strömende Kühlmedium in die richtige Richtung zu lenken.
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Vorliegend ist das Strömungsführungsmittel 17 beispielhaft als eigenständiges Bauteil (beispielsweise ein Einlegeteil) ausgebildet, das sich über mehrere der Kühlkörpermodule 1 im Stapel erstreckt. Dieses ist an dem Stapel auf geeignete Weise befestigt. Alternativ dazu können die Kühlkörpermodule 1 jeweils selbst über ein entsprechendes Strömungsführungsmittel 17 verfügen. Dazu kann eine entsprechende Nase oder Rippe 17A am Gehäuse 11 im Bereich des jeweiligen Durchganges 12, 13 angeordnet sein. Diese kann ein eigenständiges Bauteil sein oder ein Teil des Gehäuses 11.
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Analog ausgebildete Strömungsführungsmittel 17, 17A können grundsätzlich in allen in den Figuren gezeigten Kühlkörpermodulen 1 oder Kühlkörpermodulstapeln eingesetzt werden.
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In 9 sind beispielhaft verschiedene Anteile der Strömung des Kühlmediums als Pfeile dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, dass das Strömungsführungsmittel 17 einen bestimmten Anteil hin zu den Kühlflächen 6, 7 lenkt. Die Dicke der Pfeile repräsentiert hierbei den Volumenstromanteil der Strömung, der in die jeweilige Richtung fließt.
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10 zeigt ein eine dreidimensionale Ansicht eines zweiteiligen Kühlkörpermodul 1. Die beiden Teile 11A und 11B sind hierbei zur besseren Anschauung voneinander getrennt. Dadurch ist der Blick auf die daran vorgesehen, komplementären Nuten 15 und Federn 16 frei. Diese umgeben jeweils die Durchgänge 12 und 13. Dadurch können diese gut abgedichtet werden.
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Außerdem verfügen die Teile 11A und 11B jeweils über eine Vertiefung zur Aufnahme des Elektronikbauteils 8A. Jeder der Teile 11A und 11B verfügt demnach über eine Stelle 8 zum Anordnen des Elektronikbauteils 8A. Die Vertiefungen bilden im zusammengesetzten Zustand des Kühlkörpermodul 1 eine Öffnung, die sich von einer Seitenfläche des Kühlkörpermoduls 1 zur gegenüberliegenden anderen Seitenfläche erstreckt. Damit kann also das Elektronikmodul 1' gemäß 3 und 4 gebildet werden.
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Ansonsten entspricht die Ausführungsform des Kühlkörpermoduls 1 in 10 derjenigen aus 1 oder 2. Die Erläuterungen hierzu gelten dementsprechend auch für die Ausführungsform nach 10.
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Aus jedem der in den Figuren gezeigten Kühlkörpermodule 1 kann durch Anordnen eines Elektronikbauteils 8A an die entsprechende Stelle 8 ein Elektronikmodul 1' erstellt werden (siehe beispielsweise 3 und 4).
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11 zeigt einen Kraftfahrzeugantriebsstrang, aufweisend eine E-Maschine 18 als ein Traktionsantrieb sowie einen Wechselrichter 19 zur elektrischen Bestromung der E-Maschine 18. Bei der E-Maschine 18 kann es sich insbesondere um eine Drehfeldmaschine handeln, wie eine Synchron- oder Asynchronmaschine. Die E-Maschine 18 wird über Phasenleitungen mit Wechselstrom vom Wechselrichter 19 versorgt. Der Wechselrichter 19 bezieht die dazu nötige elektrische Energie über Gleichstromleitungen aus einem elektrischen Energiespeicher 20, wie beispielsweise aus einem Akkumulator oder Kondensator. Der elektrische Energiespeicher 20 liefert also einen Gleichstrom. Dieser wird vom Wechselrichter 19 in Wechselstrom für die E-Maschine 18 gewandelt. Die E-Maschine 18 treibt dadurch dann beispielsweise Fahrzeugräder 21 an.
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Der Wechselrichter 19 ist vorliegend aus einem Stapel von Elektronikmodulen 1' aufgebaut. Dazu werden zwei oder mehr der vorgeschlagenen Elektronikmodule 1' mit den entsprechenden Kühlkörpermodulen 1 eingesetzt. Der Wechselrichter 19 kann beispielsweise einen Stapel Kühlkörpermodule 1 gemäß einer der 1, 2, 3, 4, 6, 9 aufweisen oder damit aufgebaut sein. Die axialen Abschlüsse des Stapels können, wie in 1 sichtbar, von Gehäusemodulen 2, 3 gebildet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkörpermodul
- 1'
- Elektronikmodul
- 2
- Gehäusemodul
- 3
- Gehäusemodul
- 4
- Zulauf
- 5
- Ablauf
- 6
- Kühlfläche
- 6A
- Strömungsführungsmittel
- 7
- Kühlfläche
- 7A
- Bereich
- 8
- Stelle
- 8A
- Elektronikbauteil
- 9
- Feder
- 10
- Nut
- 11
- Gehäuse, Rahmen
- 11A
- Teil des Gehäuses / Rahmens
- 11B
- Teil des Gehäuses / Rahmens
- 12
- Durchgang
- 13
- Durchgang
- 14
- elektrischer Anschluss
- 15
- Nut
- 16
- Feder
- 17
- Strömungsführungsmittel
- 17A
- Nase, Rippe
- 18
- E-Maschine
- 19
- Wechselrichter
- 20
- Energiespeicher
- 21
- Fahrzeugräder
- A
- Seite, Oberseite
- B
- Seite, Unterseite
- G
- Linie
- H
- Höhe
- O
- Richtung oberhalb eines Kühlkörpermoduls 1, axiale Richtung
- U
- Richtung unterhalb eines Kühlkörpermoduls 1, axiale Richtung
- S
- seitliche Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2019429 A1 [0003]
- DE 102016223889 [0004]
