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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühler zur Kühlung einer Elektronikschaltung, insb. einer Leistungselektronikschaltung, wie z. B. eines Inverters, sowie eine Leistungselektronikvorrichtung mit einem genannten Kühler, wie z. B. eines Inverters eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Elektronikschaltungen, insb. Leistungselektronikschaltungen, mit einer (hohen) Verlustleistung erfordern effiziente Kühlung. Dabei steht die allgemeine Anforderung, die Kühlung möglichst effizient und raubraumsparend zu gestalten.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine effiziente und raubraumsparende Kühlung für eine Elektronikschaltung, insb. eine Leistungselektronikschaltung, bereitzustellen.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kühler zur Kühlung einer Elektronikschaltung, insb. einer Leistungselektronikschaltung, wie z. B. eines Inverters, eines Konverters oder eines Gleichspannungswandlers eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt.
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Der Kühler weist einen Kühlkanal zum Durchleiten eines Kühlmediums entlang einer Flussrichtung sowie mehrere, insb. zwei, mehr als zwei, drei, mehr als drei, vier oder mehr als vier, flächig ausgeführte Wärmeleitplatten auf. Die Wärmeleitplatten weisen wiederum jeweils eine Vielzahl, insb. zwei, mehr als zwei, drei, mehr als drei, vier oder mehr als vier, von durchgehenden Aussparungen (bzw. Ausnehmungen) auf. Ferner sind die Wärmeleitplatten über ihre jeweiligen flächigen Oberflächen zueinander gestapelt in dem Kühlkanal angeordnet und miteinander thermisch verbunden. Dabei erstrecken sich die Oberflächen der Wärmeleitplatten in der Flussrichtung. Ferner sind mindestens zwei der zueinander benachbarten Wärmeleitplatten zueinander derart angeordnet, dass die Aussparungen der zueinander benachbarten Wärmeleitplatten in der Flussrichtung betrachtet zueinander versetzt angeordnet sind und in einer Senkrechtrichtung zu den Wärmeleitplatten betrachtet sich teilweise überlappen. Mit anderen Worten: die Aussparungen der zueinander benachbarten Wärmeleitplatten sind quer zur Stapelrichtung der Wärmeleitplatten zueinander versetzt.
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Dabei weisen die Wärmeleitplatten mit Aussparungen vergleichsweise einfache Struktur auf und können in wenigen, einfachen Fertigungsschritten, wie z. B. Stanzen, hergestellt werden.
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Durch die versetzte Anordnung dank der teilweisen Überlappung der Aussparungen in der Flussrichtung bilden sich zwischen den Aussparungen der zueinander benachbarten Wärmeleitplatten Durchgangsöffnungen, durch die das Kühlmedium strömen kann. Dabei bilden die Kanten der Aussparungen an diesen Durchgangsöffnungen eine Art von Verwirbelungsstegen aus, die einerseits Kontakt- und somit auch Wärmeübertragungsflächen zwischen den Wärmeleitplatten und dem Kühlmedium vergrößern und andererseits in dem vorbeiströmenden Kühlmedium Verwirbelungen verursachen, wodurch wiederum die Wärmeübertragung von den Wärmeleitplatten an das Kühlmedium verbessert wird. Darüber hinaus erhöhen die Kanten der Aussparungen an den Durchgangsöffnungen Strömungswiderstand für das Kühlmedium, wodurch eine noch bessere Kühlungswirkung erzielt wird.
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Dadurch, dass die Wärmeleitplatten über ihre jeweiligen flächigen Oberflächen zueinander gestapelt und miteinander thermisch verbunden sind, kann die Abwärme schnell und effizient zwischen den Wärmeleitplatten verteilt werden. Dies erhöht die Kühlungseffizienz des Kühlers zusätzlich.
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Gegenüber einem Kühler mit einer Pin-Fin-Kühlstruktur bzw. mit Kühlrippen benütigt der oben beschriebene Kühler bei einer gleichen Kühlleistung einen vergleichsweise kleinen Bauraum und kann zudem in einfachen Fertigungsschritten kostengünstig hergestellt werden.
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Darüber hinaus weist der oben genannte Kühler eine vergleichsweise hohe Gestaltungsflexibilität auf, da die Form und die Größe des Kühlers in einfacher Weise durch die Anpassung der Anzahl, der Form und der Größe der Wärmeleitplatten beliebig gestalten lassen. Außerdem kann die Kühlleistung des Kühlers in einfacher Weise durch die Anpassung der Anzahl, der Form und der Größe der Wärmeleitplatten sowie die Anpassung der Anzahl, der Form und der Größe der Aussparungen sowie die relativen Positionen der Aussparungen in den jeweiligen Wärmeleitplatten beliebig angepasst werden.
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Damit ist eine effiziente und raubraumsparende Kühlung für eine Elektronikschaltung, insb. eine Leistungselektronikschaltung, bereitgestellt.
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Dank der hohen Gestaltungsflexibilität kann der Kühler bei einer entsprechenden Dimensionierung in allen technischen Bereichen, nämlich sowohl in mikroelektronischen Bereichen, wie z. B. zur Kühlung von Mikrokontrollern, als auch in leistungselektronischen Bereichen, wie z. B. zur Kühlung von Leistungselektronikkomponenten eines Inverters eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs oder eines Hochvolt-Transformators eines Stromversorgungsnetzes, verwendet werden.
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Die Aussparungen bzw. deren Kanten können kreisförmig, ellipsenförmig, dreieck-, viereck- oder mehreckförmig geformt sein bzw. sonstige strukturierte (regelmäßige) Formen aufweisen. Alternativ können die Aussparungen bzw. deren Kanten beliebige bzw. zufällige und somit unregelmäßige (unstrukturierte) Formen aufweisen. Die Auswahl der Formen, der Größen sowie der relativen Positionen der einzelnen Aussparungen in den jeweiligen Wärmeleitplatten wird jedoch streng nach Erfordernissen der Kühlleistung bzw. der Kühleffizienz getroffen.
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Bspw. sind die Wärmeleitplatten über ihre jeweiligen flächigen Oberflächen schräg oder parallel zu der Flussrichtung in dem Kühlkanal angeordnet. Die Aussparungen der jeweiligen Wärmeleitplatten sind über ihre jeweiligen flächigen Oberflächen schräg oder parallel zu der Flussrichtung in dem Kühlkanal angeordnet.
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Bspw. sind alle Wärmeleitplatten zueinander derart gestapelt angeordnet, dass die Aussparungen der Wärmeleitplatten quer zur Flussrichtung betrachtet zueinander versetzt angeordnet sind und in der Senkrechtrichtung zu den Wärmeleitplatten betrachtet sich quer zur Flussrichtung mindestens teilweise überlappen.
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Bspw. sind mindestens zwei der Wärmeleitplatten miteinander kraftschlüssig, stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden.
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Bspw. sind die mindestens zwei der Wärmeleitplatten miteinander vernietet, verklemmt, verklebt, verschweißt oder verlötet.
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Bspw. sind die Wärmeleitplatten aus einem Metallblech, insb. einem Blech aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bzw. Kupfer oder einer Kupferlegierung, gestanzt, geschnitten oder anderweitig geformt.
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Bspw. sind die Aussparungen aus den jeweiligen korrespondierenden Wärmeleitplatten gestanzt, geschnitten oder anderweitig geformt.
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Bspw. sind die Wärmeleitplatten aus einer wärmeleitenden Keramik spritzgegossen, gepresst, gedruckt oder anderweitig geformt.
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Bspw. ist die Kühlleistung bzw. die Kühleffizienz des Kühlers durch die Anzahl, die Form und die Größe der Wärmeleitplatten, die Anzahl der Aussparungen in den jeweiligen Wärmeleitplatten, die Form und die Größe der Aussparungen und durch die relativen Positionen der Aussparungen in den jeweiligen Wärmeleitplatten bestimmt bzw. bestimmbar.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Leistungselektronikvorrichtung, wie z. B. ein Inverter, ein Konverter oder ein Gleichspannungswandler, eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt.
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Die Leistungselektronikvorrichtung weist eine Leistungselektronikanordnung, einen zuvor beschriebenen Kühler auf, wobei die Leistungselektronikanordnung auf einer Oberfläche des Kühlers bzw. dessen fluiddichten Außenwand angeordnet ist und mit dem Kühler bzw. dessen fluiddichten Außenwand thermisch verbunden ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben beschriebenen Kühlers sind, soweit im Übrigen, auf die oben genannte Leistungselektronikvorrichtung übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Leistungselektronikvorrichtung anzusehen.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 in schematischen Vogelperspektivdarstellungen einen Kühler einer Leistungselektronikvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung;
- 2 in schematischen Querschnittdarstellungen den Kühler aus 1 ; und
- 3 in einer schematischen Explosionsdarstellungen den Kühler aus 1.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen:
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1 bis 3 zeigen einen Kühler KL einer Leistungselektronikvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. Die Leistungselektronikvorrichtung ist bspw. als ein Inverter eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs ausgebildet.
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1 zeigt in schematischen Vogelperspektivdarstellungen den Kühler KL in einem geschlossenen Zustand mit dessen Deckel (siehe Ansicht A) und in einem offenen Zustand ohne dessen Deckel (siehe Ansicht B).
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Der Kühler KL weist einen im Wesentlichen schachtelförmigen Kühlkörper KP bspw. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf, der seinerseits einen im Wesentlichen wannenförmigen Kühlkanal KK zum Durchleiten eines Kühlmediums, insb. des Kühlwassers, aufweist. Der Kühlkanal KK erstreckt sich im Wesentlichen entlang einer Längsrichtung X des Kühlers KL, die zugleich eine (Haupt-)Flussrichtung des Kühlmediums ist.
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Der Kühler KL weist ferner einen im Wesentlichen plattenförmigen Deckel DK bspw. aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf, der auf den Kühlkörper KP aufgeschraubt, aufgeschweißt oder in ähnlicher Weise auf den Kühlkörper KP aufgelegt und mit dem Kühlkörper KP körperlich verbunden wird, um den Kühlkanal KK zu umschließen.
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Der Kühler KL weist zudem einen Einlass EL zum Einlassen des Kühlmediums in den Kühlkanal KK und einen Auslass AL zum Auslassen des Kühlmediums aus dem Kühlkanal KK auf, die in Form von Schlitzen an dem Deckel DK und in der Längsrichtung X betrachtet jeweils an einem der beiden Enden des Deckels DK bzw. des Kühlkanals KK geformt sind.
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Der Kühler KL weist auf einer von dem Kühlkanal KK abgewandten Seite des Kühlkörpers KP und einer ebenfalls von dem Kühlkanal KK abgewandten Seite des Deckels DK jeweils eine flächig ausgedehnte Oberfläche OF1 auf, auf die Leistungselektronikkomponenten der Leistungselektronikvorrichtung, wie z. B. Leistungsschaltungsträger, Leistungstransistoren, Leistungskondensatoren, Leistungsdioden, etc. in einer dem Fachmann bekannten Weise aufmontiert und mit dem Kühler KL thermisch verbunden werden können (in den Figuren nicht dargestellt).
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Der Kühler KL weist vier oder mehr flächig ausgeführte Wärmeleitplatten WP mit einer Vielzahl von Aussparungen (auf Englisch „cut-outs“) bzw. Durchgangslöchern AS auf. Die Wärmeleitplatten WP sind aus einem Metallblech, wie z. B. einem Aluminiumblech oder einem Aluminiumlegierungsblech, durch Herausstanzen oder Herausschneiden geformt. Die Aussparungen AS sind ebenfalls durch Herausstanzen oder Herausschneiden an den jeweiligen Wärmeleitplatten WP geformt.
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Die Wärmeleitplatten WP sind über ihre jeweiligen flächigen Oberflächen OF zueinander gestapelt in dem Kühlkanal KK angeordnet. Ferner sind die Wärmeleitplatten WP miteinander verschweißt oder verklebt und somit miteinander über ausgedehnte Kontaktflächen körperlich und thermisch verbunden. Die beiden außenliegenden Wärmeleitplatten WP sind zudem jeweils über eine ausgedehnte Kontaktfläche mit dem Kühlkörpers KP bzw. dem Deckel DK körperlich kontaktiert (bspw. verklebt) und somit thermisch verbunden. Dabei liegen die Oberflächen OF der jeweiligen Wärmeleitplatten WP zueinander und zu einer Ebene der Längsrichtung X und einer Querrichtung Y des Kühlkanals KK bzw. des Kühlers KL parallel. Damit erstrecken sich die Wärmeleitplatten WP in der Längsrichtung X und der Querrichtung Y.
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Die Wärmeleitplatten WP sind zueinander derart angeordnet bzw. die Aussparungen AS der jeweiligen Wärmeleitplatten WP sind derart ausgeführt, dass die Aussparungen AS von jeweils zwei zueinander benachbarten Wärmeleitplatten WP in der Längsrichtung X und der Querrichtung Y betrachtet zueinander versetzt angeordnet sind und in einer Senkrechtrichtung Z des Kühlkanals KK bzw. des Kühlers KL und somit senkrecht zu den Wärmeleitplatten WP betrachtet sich in der Längsrichtung X und der Querrichtung Y nur teilweise überlappen.
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2 zeigt in schematischen Querschnittdarstellungen den Kühler KL aus 1 und veranschaulicht zudem, wie das Kühlmedium in den Kühlkanal KK strömt.
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Die Ansicht A der 2 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung einen Querschnitt des Kühlers KL in dessen Längsrichtung X. Die Ansicht B der 2 zeigt in einer weiteren schematischen Querschnittdarstellung einen Querschnitt des Kühlers KL in dessen Querrichtung Y.
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Mehrere Aussparungen AS an - in Längsrichtung X betrachtet - vorderen Rändern einiger der Wärmeleitplatten WP sind mit dem Einlass EL strömungstechnisch (insb. direkt) verbunden, sodass das Kühlmedium über den Einlass EL gleichmäßig verteilt (und direkt) in die Strömungsstrecken ST hineinströmen kann. Analog sind weitere mehrere Aussparungen AS an - in Längsrichtung X betrachtet - hinteren Rändern einiger der Wärmeleitplatten WP sind mit dem Auslass AL strömungstechnisch (insb. direkt) verbunden, sodass das Kühlmedium über den Auslass AL gleichmäßig (und direkt) aus den Strömungsstrecken ST hinausströmen kann.
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Durch die teilweisen Überlappungen der Aussparungen AS in der Längs- und Querrichtung X, Y dank der in der Längs- und Querrichtung X, Y versetzt ausgeführten Aussparungen AS der jeweils zwei zueinander benachbarten Wärmeleitplatten WP und bilden sich in dem Kühlkanal KK mehrere Strömungsstrecken ST (in der Figur mit Pfeillinien veranschaulicht), die sich in der Längsrichtung X von dem Einlass EL bis zu dem Auslass AL durchgehend erstrecken und zugleich in der Quer- und der Senkrechtrichtung Y, Z abschnittsweise strömungstechnisch verbunden sind. Dabei bilden die Abschnitte bzw. die Kanten der Wärmeleitplatten WP zwischen den Aussparungen AS durch die versetzte Anordnung der Aussparungen AS in der Längs- und Querrichtung X, Y (stufenförmige) Verwirbelungsstege VS aus, die einerseits Kontakt- und somit auch Wärmeübertragungsflächen zwischen den Wärmeleitplatten WP und dem Kühlmedium vergrößern und andererseits in dem vorbeiströmenden Kühlmedium Verwirbelungen verursachen, wodurch wiederum die Wärmeübertragung von den Wärmeleitplatten WP an das Kühlmedium verbessert wird. Durch die flächig ausgedehnte thermische Verbindung zwischen den Wärmeleitplatten WP und zwischen den außenliegenden Wärmeleitplatten WP mit dem Kühlkörpers KP bzw. dem Deckel DK kann die Abwärme, die von den Leistungskomponenten auf den Oberflächen OF1 des Kühlers KL erzeugt und an den Deckel DK und den Kühlkörper KP übertragen wird, von dem Deckel DK und dem Kühlkörper KP weitgehend gleichmäßig an die Wärmeleitplatten WP abgeführt werden. Von den Wärmeleitplatten WP wird die Abwärme dann an das durch die Strömungsstrecken ST strömende Kühlmedium abgeführt.
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Die Kühlleistung bzw. die Kühleffizienz des Kühlers KL wird dabei unter anderem sowohl durch die Anzahl, die Form und die Größe der Wärmeleitplatten WP als auch durch die Anzahl der Aussparungen AS in den jeweiligen Wärmeleitplatten WP, die Form und die Größe der Aussparungen AS sowie durch die relativen Positionen der Aussparungen AS in den jeweiligen Wärmeleitplatten WP bestimmt.
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3 zeigt in einer schematischen Explosionsdarstellungen den Kühler aus 1 und veranschaulicht zudem, wie der Kühler KL hergestellt wird.
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Der Kühlkörper KP wird aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einem geeigneten Urformvorgang, wie z. B. einem Spritzgießvorgang, oder einem geeigneten Umformvorgang, wie z. B. in einem Tiefzielvorgang, hergestellt. Analog wird der Deckel DK aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einem geeigneten Urformvorgang, wie z. B. einem Spritzgießvorgang, oder einem geeigneten Umformvorgang, wie z. B. in einem Tiefzielvorgang, hergestellt.
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Die Wärmeleitplatten WP werden aus einem streifenförmigen Aluminiumblech oder einem streifenförmigen Aluminiumlegierungsblech durch Herausstanzen geformt. Die Aussparungen AS sind ebenfalls durch Herausstanzen geformt. Dabei können die Aussparungen AS bereits vor dem Herausstanzen der Wärmeleitplatten WP an dem Aluminiumblech bzw. dem Aluminiumlegierungsblech vorgestanzt werden, aber auch nach dem Herausstanzen der Wärmeleitplatten WP an den Wärmeleitplatten WP gestanzt werden.
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Die Wärmeleitplatten WP werden zueinander gestapelt und miteinander verklebt oder verlötet. Dabei werden die Wärmeleitplatten WP zueinander derart angeordnet, dass die Die Aussparungen AS von jeweils zwei benachbarten Wärmeleitplatten WP in der Senkrechtrichtung Z betrachtet in der Längs- und Querrichtung X, Y versetzt angeordnet sind und somit zueinander nur teilweise überlappen. Beim Herausstanzen der Aussparungen AS werden die Stanzstellen an dem Aluminium-/Aluminiumlegierungsblech bzw. den Wärmeleitplatten WP derart ausgewählt, dass die Aussparungen AS von den jeweils zwei benachbarten Wärmeleitplatten WP in der Senkrechtrichtung Z betrachtet in der Längs- und Querrichtung X, Y versetzt angeordnet werden können.
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Alternativ werden die Wärmeleitplatten WP aus einer wärmeleitenden Keramik in einem Urformvorgang, wie z. B. durch Spritzgießen, Pressen oder durch 3D-Drucken, hergestellt, wobei die Aussparungen AS in diesem Vorgang bereits mitgeformt werden.
