DE102017218328A1

DE102017218328A1 - Wärmeleitplatte mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit sowie elektrisches Gerät mit einer Wärmeleitplatte

Info

Publication number: DE102017218328A1
Application number: DE102017218328.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Huehner; Adolf Dillmann; Reiner Holp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-13
Filing date: 2017-10-13
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitplatte zur Kühlung einer Wärmequelle (2), vorzugsweise eines elektrischen Bauteils, umfassend mindestens eine Kapillarstrukturplatte (10), die wenigstens zwei in einer Ebene (3) benachbarte Kapillarstrukturen (11) aufweist, und mindestens eine Deckplatte (15), wobei die Deckplatte (15) parallel auf der Kapillarstrukturplatte (10), angeordnet ist, und wobei die Kapillarstrukturplatte (10) und die Deckplatte (15) mindestens einen druckdichten Hohlraum (13) mit einer Arbeitsflüssigkeit (12) einschließen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeleitplatte mit einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit in einem Platteninnenraum, sowie ein elektrisches Gerät mit einer solchen Wärmeleitplatte.
Wärmeleitplatten sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Wärmeleitplatten werden zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke verwendet und sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt, um einen möglichst großen Wärmestrom zu bewerkstelligen. Hierzu weisen Wärmeplatten typischerweise auf der der Wärmesenke zugewandten Seite eine vergrößerte Oberfläche auf, die beispielsweise mit einer Vielzahl von Rippen oder Noppen, die auch PinFin-Strukturen genannt werden, versehen ist. Insbesondere bei elektrischen Hochleistungsgeräten, wie beispielsweise ein Steuergerät oder Inverter von Hybrid- oder Elektroautos, sollen auf kleinstem Raum möglichst große Wärmemengen von den entsprechenden elektrischen Bauteilen abgeführt werden. Inverter sind Hochleistungsmodule mit einer sehr großen Leistungsdichte, die einen Gleichstrom in einen Wechselstrom für den elektrischen Antrieb eines Hybrid- oder Elektroautos wandeln oder zurückwandeln. Die dabei entstehende Wärme wird mittels eines Kühlwasserkreislaufs abgeführt, der die Wärmesenke bildet. Derartige Wärmeleitplatten, auch Wärmetauscher genannt, sind typischerweise aus dem Werkstoff Kupfer hergestellt, der zwar gute Wärmeleitfähigkeiten aufweist, jedoch schwer und vor allem teuer ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Wärmeleitplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass die Wärmeleitplatte aus kostengünstigen und leichten Grundmaterialien, beispielsweise Aluminium, hergestellt werden kann, und dabei deutlich erhöhte Wärmeleitfähigkeiten erreicht. Dadurch können einerseits das Gewicht der Wärmeleitplatte reduziert werden und andererseits die Fertigungskosten aufgrund der günstigeren Materialien gesenkt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Wärmeleitplatte zur Kühlung einer Wärmequelle mindestens eine Kapillarstrukturplatte aufweist, die wenigstens zwei in einer Ebene parallel und beabstandete Kapillarstrukturen aufweist. Darüber hinaus umfasst die Wärmeleitvorrichtung eine Deckplatte, wobei die Deckplatte parallel und beabstandet zu der Kapillarstrukturplatte angeordnet ist und mit der Kapillarstrukturplatte einen Hohlraum mit einer Arbeitsflüssigkeit druckdicht einschließt. In dem Hohlraum ist ein Vakuum erzeugt, so dass die Arbeitsflüssigkeit als Sattdampf im Inneren der Kapillarstrukturplatte eingelagert ist. Der Hohlraum ist somit als ein Wärmerohr ausgebildet sind. Das Wärmerohr kann eine sogenannte Heatpipe oder ein Zwei-Phasen-Thermosiphon sein. Die Wärmeenergie der Wärmequelle ist durch ein Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit in einer Verdampfungszone aufgenommen. Der Dampf der Arbeitsflüssigkeit strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert an den kühleren Stellen der Kapillarstrukturplatte im Bereich einer Wärmesenke. Anschließend kehrt das Kondensat durch eine Kapillar- und/oder Schwerkraft in die Verdampfungszone zurück und der Kreislauf beginnt von Neuem zu laufen. Dabei sind bevorzugt die wenigstens zwei benachbarten Kapillarstrukturen in einem gemeinsamen Hohlraum angeordnet.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Kapillarstrukturen senkrecht zu der Ebene der Kapillarstrukturplatte ausgerichtet und ragen nach Art einer PinFin-Struktur in eine Kühlflüssigkeit. Die Länge der Kapillarstrukturen bzw. die Pin-Länge kann dabei gezielt eingestellt werden, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu bewerkstelligen.
Weiter bevorzugt sind die Kapillarstrukturen in wenigstens einer Raumrichtung, also der X- Achse und/oder der Z-Achse reihenweise angeordnet. Die Kapillarstrukturplatte kann aber auch eine Vielzahl von Reihen mit Kapillarstrukturen aufweisen, wobei die Reihen zueinander parallel oder versetzt angeordnet sein können. Durch eine solche Anordnung der Kapillarstrukturen ist erreicht, dass die die Kapillarstrukturen umströmende Kühlflüssigkeit möglichst turbulent einen hohen Wärmetransport ermöglicht.
Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft, wenn die Kapillarstrukturen miteinander verbunden sind. Vorzugsweise sind die Kapillarstrukturen in Zylindern angeordnet und über eine Kapillarfläche miteinander verbunden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Arbeitsflüssigkeit in dem Hohlraum einen Gefrierpunkt kleiner gleich -40 °C aufweist. Als Kühlflüssigkeiten können insbesondere Wasser, Ammoniak, Alkohol oder dergleichen verwendet werden.
Weiterhin es besonders vorteilhaft, wenn die Kapillarstrukturen einen Füllstoff, beispielsweise ein Gewebe, Geflecht, Vlies oder dergleichen aufweisen, der den Hohlraum am Rand feinporig ausfüllt. Der Füllstoff bildet Kapillarkanäle, durch die die Arbeitsflüssigkeit durch die Kapillarwirkung und/oder die Schwerkraft transportiert werden kann.
Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft, wenn die Deckplatte und/oder die Kapillarstrukturplatte aus einem korrosionsbeständigen Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium, hergestellt ist bzw. sind. Insbesondere Aluminium weist gegenüber dem gewöhnlich verwendeten Werkstoff Kupfer den Vorteil auf, dass dieses einerseits kostengünstig und andererseits deutlich leichter ist, wodurch erhebliche Gewichts- und Kostenvorteile erzielt werden.
Darüber hinaus ist besonders vorteilhaft, wenn die Wärmeleitplatte mindestens eine verschließbare Öffnung aufweist, durch die die Arbeitsflüssigkeit in den Hohlraum eingebracht werden kann und das Vakuum in dem Hohlraum eingestellt werden kann. Die Öffnung ist besonders bevorzugt nach dem Befüllen und dem Vakuumieren mittels einer Einpresskugel verschlossen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Gerät, insbesondere einen Inverter eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einer erfindungsgemäßen Wärmeleitvorrichtung.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine perspektivische Ansicht einer Wärmeleitplatte gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Darstellung einer Deckplatte von 1,
3 eine schematische Darstellung einer Kapillarstrukturplatte von 1
4 eine schematische Darstellung von Kapillarstrukturen von 1
5 eine schematische Schnittansicht der Wärmeleitplatte von 1, und
6 eine vergrößerte schematische Schnittansicht der Wärmeleitplatte von 5.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 eine Wärmeleitplatte 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
Die Wärmeleitplatte 1 umfasst eine Deckplatte 15 und eine Kapillarstrukturplatte 10, wobei die Deckplatte 15 in einer Vertiefung 9 der Kapillarstrukturplatte 10 angeordnet ist. Die Kapillarstrukturplatte 10 weist an einer zu einer Wärmesenke 4 zugewandten Seite eine Vielzahl von Zylindern 5 auf. Wie insbesondere aus den 5 und 6 ersichtlich ist, sind hierbei Kapillarstrukturen 11 in den Zylindern 5 und einer Kapillarfläche 6 in der Vertiefung 9 angeordnet. Die Kapillarstrukturen 11 umfassen dabei ein Gewebe 14, so dass in jedem Zylinder 5 eine eigene Heatpipe vorgesehen ist.
Wie aus 5 ersichtlich ist, sind dabei die einzelnen Zylinder 5 über die Kapillarfläche 6 dampfdurchlässig miteinander verbunden. Hierdurch ist ein guter Wärmeausgleich zwischen den einzelnen Zylindern 5 möglich.
Wie der Aufbau aus den 2 bis 4 verdeutlicht, weist die Wärmeleitplatte 1 eine Struktur derart auf, dass an der Deckplatte 15 eine flächige Anbindung für Bauteile mit einer hohe Wärmeverlustleistung gegeben ist und auf der Unterseite eine Anordnung mit großflächigen Strukturen durch das Vorsehen der Zylinder 5 gegeben ist, welche in ein Kühlmedium eintauchen können bzw. von einem Kühlmedium umströmt werden.
Zu den Kapillarstrukturen 11 sei angemerkt, dass diese beispielsweise durch ein Gewebe 14 oder Gewölle, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, oder alternativ durch ein poröses Sintermaterial oder durch Längsrillen parallel zu einer Mittelachse der Zylinder vorgesehen werden können. In 4 ist hierbei schematisch die Kapillarstruktur 11 dargestellt, welche eine Vielzahl von Hohlzylindern umfasst und durch die Kapillarfläche 6, die parallel zur Deckplatte 15 ist, überdeckt wird.
Somit wird zwischen der Deckplatte 15 und der Kapillarstrukturplatte 10 ein Hohlraum 13 gebildet, welcher am Rand zu den beiden Plattenbauteilen jeweils durch die Kapillarstruktur 11 und die Kapillarfläche 6 teilweise gefüllt ist und teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit 12 gefüllt ist. Die Befüllung mit der Arbeitsflüssigkeit 12 wird vorgenommen, bevor die Deckplatte 15 aufgebracht wird.
Nach dem Aufbringen der Deckplatte 15 wird im Inneren, d.h., im Bereich zwischen der Deckplatte 15 und der Kapillarstrukturplatte 10, ein Unterdruck durch Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit erzeugt, beispielsweise durch Erhitzen erfolgt ein Verschließen der Wärmeleitplatte 1 im erhitzten Zustand mittels einer Einpresskugel 20 in einer Öffnung 19 in der Deckplatte 15 (vgl. 2).
Die Kapillarstrukturplatte 10 und die Deckplatte 15 können miteinander verschweißt, verpresst, verklebt oder dgl. sein, wobei die Verbindung druckdicht, gas- und flüssigkeitsdicht sein muss.
Die Arbeitsflüssigkeit 12 ist ein herkömmliches Kältemittel, beispielsweise Wasser, Alkohol, Ammoniak oder ein Gemisch aus den vorgenannten Stoffen, wobei insbesondere für den Einsatz in Hybrid- oder Elektroautos die Arbeitsflüssigkeit 12 einen niedrigen Gefrierpunkt aufweisen sollte, damit eine ordnungsgemäße Funktion auch in einer kalten Umgebung gewährleistet ist. Der Gefrierpunkt der Arbeitsflüssigkeit 12 sollte demnach höchstens -40°C betragen.
Die Kapillarstrukturplatte 10 ist vorzugsweise aus einem korrosionsbeständigen Bulkmaterial hergestellt. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist hierbei eine Materialdicke im Bereich der Zylinder 5 sehr klein gewählt. Hierdurch wird eine gute Wärmeübertragung auf das Kühlmittel ermöglicht.
Wie aus 3 ersichtlich ist, sind in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Zylindern 5 jeweils in parallelen Reihen zueinander angeordnet, wobei benachbarte Reihen zueinander versetzt sind. Hierdurch ergibt sich eine gute Verwirbelung des Kühlmediums in dem Bereich der Wärmesenke 4.
Somit umfasst die Wärmeleitplatte 1 eine Vielzahl von einzelnen zylindrischen Heatpipes, wobei eine Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit 12 im Bereich an der Deckplatte 15 erfolgt und dann, wie aus 6 durch den Pfeil A angedeutet, der Dampf in Richtung zum Boden des Zylinders 5 strömt und dort an der Kapillarstruktur 11 kondensiert. Die kondensierte Arbeitsflüssigkeit 12 wird dann über die Kapillarstruktur 11, wie durch die Pfeile B angedeutet, wieder in Richtung zur Deckplatte 15 geführt. Dort verdampft die Arbeitsflüssigkeit 12 wieder von neuem, so dass Dampf entsteht und in Richtung des Pfeils A wieder zum Boden des Zylinders 5 geführt wird. Somit kann der Rückfluss zur Deckplatte 15 durch die Kapillarwirkung erreicht werden, wobei eine Länge der Zylinder 5 je nach Anwendungsfall gewählt wird.
Es sei angemerkt, dass statt dem im Ausführungsbeispiel beschriebenen Gewebe 14 alternativ auch Längsrillen im Zylinder 5 am Zylinderrand vorgesehen sein können oder die Kapillarstruktur durch gesinterte Kupferkügelchen mit einer Vielzahl von jeweils miteinander verbundenen Toren bereitgestellt werden können. Alternativ kann ferner auch ein feinmaschiges Kupfergeflecht als Kapillarstruktur 11 verwendet werden.
Somit weist die erfindungsgemäße Wärmeleitplatte 1 eine Vielzahl von Mikro-Heatpipes auf, wobei eine Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit durch Aufnahme von Wärme über die Deckplatte 15 erfolgt und der Dampfstrom durch die Mitte der Zylinder 5 zu einer Kondensationszone am freien Ende der Zylinder 5 geführt wird, und an der Kapillarstruktur 11 kondensiert. Hierbei erfolgt eine Wärmeabgabe über den Zylinder 5 an die dem Zylinder 5 umströmende Kühlflüssigkeit. Ein Flüssigkeitsstrom der Arbeitsflüssigkeit 12 wird dann über die Kapillarstruktur 11 wieder zurück zur Deckplatte 15 geführt.
Durch das Vorsehen der Vielzahl von einseitig geschlossenen Zylindern 5 der Kapillarstrukturplatte 10, welche an der zur Deckplatte 15 gerichteten Seite über die Kapillarfläche 6, welche parallel zur Deckplatte 15 ist, miteinander verbunden sind, kann eine verbesserte Wärmespreizung über die gesamte Fläche der Wärmeleitplatte 1 erreicht werden. Dies ferner noch durch den sich von dem Boden des Zylinders in Richtung zur Kapillarfläche 6 erweiternden Bereich 51 unterstützt.
Somit kann erfindungsgemäß eine Wärmeleitplatte 1 sowie ein elektrisches Gerät mit einer erfindungsgemäßen Wärmeleitplatte 1 bereitgestellt werden, die gegenüber herkömmlichen Wärmeleitplatten einen Gewichtsvorteil aufweist, eine verbesserten Wärmeleitfähigkeit aufweist und darüber hinaus kostengünstiger in der Herstellung ist.

Claims

Wärmeleitplatte zur Kühlung einer Wärmequelle (2), vorzugsweise eines elektrischen Bauteils, umfassend: - mindestens eine Kapillarstrukturplatte (10), die wenigstens zwei in einer Ebene (3) benachbarte Kapillarstrukturen (11) aufweist, und - mindestens eine Deckplatte (15), - wobei die Deckplatte (15) parallel auf der Kapillarstrukturplatte (10), angeordnet ist, und - wobei die Kapillarstrukturplatte (10) und die Deckplatte (15) mindestens einen druckdichten Hohlraum (13) mit einer Arbeitsflüssigkeit (12) einschließen.
Wärmeleitplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstrukturen (11) senkrecht zu der Ebene (3) ausgerichtet sind.
Wärmeleitplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstrukturen (11) reihenweise geradlinig, wellenförmig oder zickzackförmig angeordnet sind.
Wärmeleitplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Kapillarstrukturen (11) miteinander verbunden sind, und insbesondere sind die Kapillarstrukturen (11) in Zylindern (5) der Kapillarstrukturplatte angeordnet und/oder insbesondere sind Kapillarstrukturen über eine Kapillarfläche (6) verbunden.
Wärmeleitplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit (12) in dem Hohlraum (13) einen Gefrierpunkt kleiner gleich -40° C aufweist.
Wärmeleitplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstrukturen (11) in dem Hohlraum (13) ein Gewebe (14), Fließ, Längsrippen oder poröses Material zur Bildung von Kapillarkanälen umfassen.
Wärmeleitplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (15) und/oder die Kapillarstrukturplatte (10) aus einem Leichtmetall, vorzugsweise Aluminium, hergestellt ist.
Wärmeleitplatte nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (15) eine Öffnung (19) aufweist, die durch ein Ventil oder eine Einpresskugel (20) verschlossen ist.
Wärmeleitplatte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarstrukturplatte (10) aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff hergestellt ist.
Elektrisches Gerät, insbesondere elektrisches Steuergerät oder ein Inverter eines Hybrid- oder Elektrofahrzeuges, mit mindestens einer Wärmeleitplatte (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche.