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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zum Kühlen von Elektronikbauteilen gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 10 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik mit der Kühlanordnung.
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Insbesondere eine Leistungselektronik in Fahrzeugen mit einem elektrischen Antrieb und auch für verschiedene Umspann- und Steuerungseinheiten ist es erforderlich, erhebliche thermische Verlustleistungen von Elektronikbauteilen abzuführen. Dazu wird bei stationären Einheiten eine Kühlanordnung bzw. ein Rippenwärmetauscher verwendet, welche bzw. welcher die aufgenommene Wärme an die Luft oder an einen im Fahrzeug vorhandenen Kühlkreislauf abgibt. Üblicherweise wird der Kühlkreislauf mit einem Wasser-Glykol-Gemisch befüllt. Der Kühlkreislauf wird durch eine Kühlmittelpumpe in Bewegung gehalten. Idealerweise sind dafür konstante Kühlmittelvolumenströme vorgegeben. Durch Kühlaggregate, wie Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher bzw. Radiatoren wird das Kühlmittel auf konstanter Temperatur gehalten.
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In der Leistungselektronik werden die stark verlustbehafteten Elektronikbauteile über Wärmepfade an eine Grundplatte bzw. Kühlplatte eines Kühlkanals angebunden, über die dann die Wärme in das Kühlmittel eingebracht wird. Um den konvektiven Wärmeübergang zwischen der Kühlplatte und dem in den Kühlkanal vorhandenen Kühlmedium zu optimieren, ist es bekannt, dass zylinder- oder kegelstumpfförmige Elemente in dem Kühlkanal vorgesehen sind, die die Wärme übertragene Oberfläche erhöhen und damit geringere Temperaturdifferenzen zwischen den Elektronikbauteilen und dem Kühlmedium realisieren. Hierbei ergibt sich jedoch das Problem, dass die kegelstumpfförmigen Körper einerseits sehr filigran auszuführen sind, welches die Herstellungskosten negativ beeinflusst. Andererseits ist die Auslegung der Strömungsverhältnisse sehr aufwendig bei diesen Körpern. Um dies zu vermeiden, werden als Körper Rippenelemente in dem Strömungs- bzw. Kühlkanal in Strömungsrichtung angeordnet, die die Wärme übertragene Oberfläche ebenfalls erhöhen, jedoch aufgrund ihrer Geometrie einfach zu fertigen und zu simulieren sind. Aufgrund der lediglich abschnittsweise an der Kühlplatte des Kühlkanals vorgesehenen Elektronikbauteile ergibt sich das Problem, dass unterschiedliche Kühlleistungen erforderlich sind, um eine ausreichende und gleichmäßige Wärmeabfuhr an den Elektronikbauteilen sicherzustellen.
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Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanordnung und eine Leistungselektronik mit der Kühlanordnung vorzuschlagen, welche eine optimal angepasste Kühlung der Elektronikbauteile ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 10 bzw. 14 gelöst, wobei vorteilhafte und beanspruchte Weiterbildungen den Unteransprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen sind.
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Somit wird eine Kühlanordnung zum Kühlen von Elektronikbauteilen vorgeschlagen, wobei die Kühlanordnung zumindest einen mit Kühlmedium eines Kühlkreislaufes durchströmten Kühlkanal aufweist, wobei in dem Kühlkanal oder dergleichen in Strömungsrichtung verlaufende Rippenelemente o. ä. vorgesehen sind. Um eine optimale Kühlung der zum Beispiel an einer Kühlplatte des Kühlkanals angeordneten Elektronikbauteile zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Rippenelemente hinsichtlich ihrer äußeren Formgebung abschnittsweise derart verändert sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums zum Anpassen an eine jeweils geforderte Kühlleistung veränderbar ist.
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Durch die gewählte Formgebung der Rippenelemente kann der Wärmeaustrag aus dem Kühlkanal optimal gesteuert werden, um auf diese Weise die Elektronikbauteile ausreichend zu kühlen. Durch die Formgebung kann der Volumenstrom über die Strömungsgeschwindigkeit in dem Kühlkanal entsprechend beeinflusst werden. Durch die jeweils gewählte Geometrie kann der Druckverlust und die längst auftretende Wärmeabgabe gesteuert werden.
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Beispielsweise kann die geforderte Kühlleistung angepasst werden, indem bei den zum Beispiel etwa parallel zueinander verlaufenden Rippenelementen jeweils eine hinsichtlich der Geometrie unterschiedlich ausgebildete Einströmkante zumindest bei benachbarten Rippenelementen im Bereich des Strömungseinlasses des Kühlkanals zum Verändern der Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen ist. Hierdurch wird die Einströmkante in der Geometrie variiert, wodurch der Druckverlust und die längst auftretende Wärmeabgabe entsprechend gesteuert werden kann, um die Elektronikbauteile optimal zu kühlen.
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Grundsätzlich sind verschiedene Geometrien der Einströmkante der Rippenelemente verwendbar, um eine an die Anordnungsposition der Elektronikbauteile angepasste Kühlung zu erreichen. Hinsichtlich der Geometrie der Einströmkante kann zum Beispiel eine dreieckförmige, trapezförmige, kugelkopfförmige oder dergleichen Geometrie im Längsschnitt an der Strömungskante jedes Rippenelementes vorgesehen werden.
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Zusätzlich oder auch alternativ kann bei der vorgeschlagenen Kühlanordnung vorgesehen werden, dass zumindest ein Rippenelement eine in Längsrichtung zumindest abschnittsweise sich verändernde Querschnittsgeometrie aufweist. Hierbei sind konstruktiv vielerlei Möglichkeiten der konstruktiven Gestaltung denkbar. Beispielsweise kann die Querschnittsgeometrie in Richtung oder auch in der abgewandten Richtung benachbarter Rippenelementen durch Anformungen oder dergleichen verändert werden. Wenn jeweils benachbarte Rippenelemente in der einander zugewandten Richtung eine Anformung aufweisen, verengt sich beispielsweise der Strömungsquerschnitt des Kühlkanals.
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Es ist jedoch auch möglich, dass der Verlauf zumindest eines Rippenelementes in Längsrichtung verformt wird, um zum Beispiel eine veränderte Strömungsführung in dem Kühlkanal zu realisieren. Im Rahmen dieser Weiterbildung ist es möglich, verschiedenste Verläufe in Längsrichtung der Rippenelemente zu realisieren.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkanal mit den verformten bzw. strukturierten Rippenelementen als Druckgussteil oder Stranggussteil ausgeführt ist. Auf diese Weise sind die verschiedenen Verformungsmöglichkeiten bei den Rippenelementen besonders einfach und kostengünstig realisierbar. Insbesondere sind geringe Bauhöhen bei diesen Herstellungsverfahren möglich.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe vor, dass die Kühlanordnung mit den in Strömungsrichtung verlaufenden Rippenelementen einen Deckel aufweist, der den Kühlkanal verschließt. Um eine optimal angepasste Kühlung der Elektronikbauteile zu realisieren, ist vorgesehen, dass das Deckelelement zum Anpassen an eine jeweils geforderte Kühlleistung wenigstens einen Mindestabstand zu der dem Deckelelement zugewandten Oberseite der Rippenelemente aufweist.
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Durch das Vorsehen eines Spaltes mit vorbestimmter Abmessung zwischen den Rippenelementen und dem Deckelelement werden in vorteilhafter Weise ein Druckausgleich sowie eine höhere Wärmeabgabefläche in dem Kühlkanal geschaffen.
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Zur weiteren Optimierung der vorgeschlagenen Kühlanordnung kann vorgesehen sein, dass das Deckelelement zumindest einen zwischen zwei benachbarten Rippenelementen in den Kühlkanal vorstehenden Abschnitt oder dergleichen zum Verengen des Strömungsquerschnittes im Kühlkanal aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann der Deckel auch zumindest eine Ausnehmung zum Reduzieren der Strömungsgeschwindigkeit bzw. zum Verändern der Strömungsführung in dem Kühlkanal aufweisen.
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Bevorzugt kann das Deckelelement mit seinen verschiedenen konstruktiven Ausgestaltungsmöglichkeiten als Druckgussteil bzw. Stranggussteil ausgeführt werden, wodurch sich die bereits beschriebenen konstruktiven Möglichkeiten besonders kostengünstig ergeben.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass von der vorliegenden Erfindung auch eine Leistungselektronik eines elektrischen Antriebes eines Fahrzeuges mit der vorbeschriebenen Kühlanordnung beansprucht wird, um die Elektronikbauteile der Leistungselektronik optimal zu kühlen. Hierbei ergeben sich die bereits vorbeschriebenen Vorteile und weitere Vorteile.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsvariante eines Kühlkanals einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung;
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsvariante des Kühlkanals der Kühlanordnung;
- 3 ein schematischer Querschnitt einer dritten Ausführungsvariante des Kühlkanals der Kühlanordnung;
- 4 ein schematischer Querschnitt einer vierten Ausführungsvariante des Kühlkanals der Kühlanordnung;
- 5 ein schematischer Längsschnitt einer fünften Ausführungsvariante des Kühlkanals der Kühlanordnung; und
- 6 ein schematischer Längsschnitt einer sechsten Ausführungsvariante des Kühlkanals der Kühlanordnung.
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In den 1 bis 6 sind verschiedene Ausführungsvarianten einer erfindungsgemäßen Kühlanordnung mit einem Kühlkanal 1 mit in Strömungsrichtung verlaufenden Rippenelementen 2 zum Kühlen von Elektronikbauteilen 3 z. B. einer Leistungselektronik eines elektrischen Antriebes eines Fahrzeuges beispielhaft dargestellt. Als Elektronikbauteilen können z. B. Chips, MosFET's, IGBT's oder dergleichen vorgesehen sein.
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Unabhängig von den jeweiligen Ausführungsvarianten wird der Kühlkanal 1 mit einem Kühlmedium eines Kühlkreislaufes durchströmt. Um die Kühlung der Elektronikbauteile 3 zu optimieren, ist bezüglich der ersten beiden Ausführungsvarianten gemäß 1 und 2 vorgesehen, dass die Rippenelemente 2 hinsichtlich ihrer äu-ßeren Formgebung abschnittsweise derart verändert sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums zum Anpassen an eine jeweils geforderte Kühlleistung veränderbar ist.
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In 1 ist eine Draufsicht auf den Kühlkanal 1 dargestellt, wobei die Elektronikbauteile 3 quer zum Kühlkanal 1 an einer nicht weiter dargestellten Kühlplatte 4 angeordnet sind. Bei der ersten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die parallel zueinander verlaufenden Rippenelemente 2 jeweils eine veränderte Geometrie 10, 10A, 10B der Einströmkante 5 im Bereich des Strömungseinlasses des Kühlkanals 1 zum Verändern der Strömungsgeschwindigkeit aufweisen. In 1 sind beispielhaft vier Rippenelemente 2 vorgesehen, wobei im Längsschnitt eine trapezförmige Geometrie 10, eine dreieckförmige Geometrie 10A und eine kugelkopfförmige Geometrie 10B der jeweiligen Einströmkante 4 der benachbarten Rippenelemente 2 beispielhaft dargestellt sind, während das weitere vierte Rippenelemente 2 eine ebene Einströmkante 4 aufweist. Durch die entsprechend gestaltete Einströmkante 4 wird das Einströmverhalten des Kühlmediums beeinflusst, sodass die z.B. versetzt angeordneten Elektronikbauteile 3 gleichmäßig gekühlt werden, um Überhitzungen zu vermeiden.
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In 2 ist die zweite Ausführungsvariante dargestellt, bei der die Rippenelementen 2 zum Beispiel zusätzlich eine in Längsrichtung zumindest abschnittsweise sich verändernde Querschnittsgeometrie aufweisen. Beispielhaft weisen zwei Rippenelemente 2 eine in Längsrichtung zumindest abschnittsweise sich verändernde Querschnittsgeometrie zum Verengen des Strömungsquerschnittes des Kühlkanals 1 auf. Hierzu weisen jeweils zwei benachbarte Rippenelemente 2 in der einander zugewandten Richtung eine Anformung 9 auf. Des Weiteren ist vorgesehen, dass beispielhaft zwei Rippenelemente 2 einen in Längsrichtung zum Verändern der Strömungsführung in dem Kühlkanal 1 veränderten Verlauf 11 aufweisen, wobei exemplarisch ein wellenförmiger Verlauf 11 bei den Rippenelementen 2 vorgesehen ist. Auf diese Weise werden strukturierte Rippenelemente 2 realisiert.
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Bei der dritten bis sechsten Ausführungsvariante gemäß 3 bis 6 wird eine Kühlanordnung mit einem den Kühlkanal 1 verschließenden Deckelelement 5 beispielhaft dargestellt. Um die jeweils geforderte Kühlleistung entsprechend anzupassen, ist vorgesehen, dass das Deckelelement 5 wenigstens einen Mindestabstand zu der dem Deckelelement 5 zugewandten Oberseite der Rippenelemente 2 aufweist.
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In 3 ist der Kühlkanal 1 der Kühlanordnung im Querschnitt dargestellt. Hieraus ist ersichtlich, dass die Kühlplatte 6 an der Unterseite des Kühlkanals 1 vorgesehen ist. An der Kühlplatte 6 sind die Elektronikbauteile 3 angeordnet. Die Elektronikbauteile 3 sind bei dieser Ausführung in Strömungsrichtung an der Kühlplatte 6 befestigt.
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In 4 ist die vierte Ausführungsvariante dargestellt, bei der das Deckelelement 5 mehrere in den Strömungskanal bzw. Kühlkanal 1 zwischen benachbarten Rippenelementen 2 vorstehende Abschnitte 7 zum Verengen des Strömungsquerschnittes des Kühlkanals 1 aufweist. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Bereich reduziert, um ebenso die Kühlleistung zu reduzieren. Auch bei dieser Ausführung sind die Elektronikbauteile 3 in Strömungsrichtung an der Kühlplatte 6 befestigt.
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5 zeigt eine fünfte Ausführungsvariante, bei der ein Längsschnitt des Kühlkanals 1 dargestellt ist. Das Deckelelement 5 weist mehrere Ausnehmungen 8 zum Reduzieren der Strömungsgeschwindigkeit in dem Kühlkanal 1 auf. Diese Ausnehmungen 8 sind in das Deckelelement 5 eingebracht. Die Ausnehmungen 8 sind bei der fünften Ausführungsvariante als längsverlaufende Nuten in dem Deckelelement 5 vorgesehen.
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In 6 ist eine sechste Ausführungsvariante gezeigt, bei der ebenfalls der Kühlkanal 1 im Längsschnitt dargestellt ist. Im Unterschied zur fünften Ausführungsvariante weisen die Ausnehmungen 8A eine spezielle Geometrie auf, um die Strömungsgeschwindigkeit an die zu kühlenden Elektronikbauteile 3 anzupassen. Die Elektronikbauteile 3 sind sowohl bei der fünften als auch bei der sechsten Ausführungsvariante quer zur Längsrichtung an der Kühlplatte angeordnet.
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Unabhängig von den jeweiligen Ausführungsvarianten ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung bzw. bei der Leistungselektronik mit der erfindungsgemäßen Kühlanordnung ein besonders konstruktiv einfacher Aufbau und eine besonders einfache Auslegung, da die Kühlströmung auf einfachste Weise simuliert werden kann. Bei der Herstellung als Stranggussteil ergibt sich eine kostengünstige Herstellung und zudem ergibt sich eine mechanisch stabile Anordnung. Aufgrund der kompakten Bauweise ergibt sich ein geringer Bauraumbedarf. Durch die vorgesehenen Rippenelemente 2 ist der Kühlkanal 1 besonders einfach zu reinigen. Durch die Formgebung der Rippenelemente 2 können Temperaturspitzen vermieden werden und an der Kühlplatte 6 mit den vorgesehenen Elektronikbauteilen 3 kann eine gleichmäßigere Temperaturverteilung erreichen werden. Dadurch ergibt sich eine höhere Bauteillebensdauer.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlkanal
- 2
- Rippenelement
- 3
- Elektronikbauteil
- 4
- Einströmkante
- 5
- Deckelelement
- 6
- Kühlplatte
- 7
- vorstehender Abschnitt
- 8,8A
- Ausnehmung
- 9
- Anformung
- 10,10A,10B
- Geometrie der Einströmkante
- 11
- veränderten bzw. wellenförmiger Verlauf
