DE102019219421A1

DE102019219421A1 - Kühlsystem

Info

Publication number: DE102019219421A1
Application number: DE102019219421.4A
Authority: DE
Inventors: Wei Liu
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Es wird ein Kühlsystem für Leistungsmodule offenbart. Das Kühlsystem umfasst einen ersten Teil und einen zweiten Teil. Der erste Teil umfasst einen ersten ringförmigen Kanal und einen zweiten ringförmigen Kanal außerhalb des ersten ringförmigen Kanals, zwischen dem ersten ringförmigen Kanal und dem zweiten ringförmigen Kanal sind mehrere über den Umfang hinweg beabstandete Vorsprünge vorgesehen, und radiale Durchgänge werden durch jeweils zwei benachbarte Vorsprünge definiert, wobei in jedem radialen Durchgang mehrere erste Vorsprünge vorgesehen sind. Der zweite Teil umfasst mehrere vorragende Abschnitte, wobei an jedem vorragenden Abschnitt mehrere zweite Vorsprünge vorgesehen sind, wobei, wenn der erste Teil und der zweite Teil verbaut sind, ein Kühlmittelkühlungspfad durch den ersten ringförmigen Kanal, den zweiten ringförmigen Kanal und die radialen Durchgänge definiert wird. Mit diesem Kühlsystem könnten Leistungsmodule nahezu gleichzeitig abgekühlt werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem, insbesondere ein Kühlsystem, das bei einer Halbleitervorrichtung verwendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Herkömmlicherweise weist ein Kühlsystem 1 eines Wechselrichters eine Plattenform auf, Leistungsmodule 2 (wie z. B. SiC-Vorrichtungen) sind parallel auf der Oberfläche der Platte fixiert (in 1 wird eine Dreiphasenanwendung gezeigt, 31, 32, 33 stellen eine U-Phase, eine V-Phase bzw. eine W-Phase dar). Das Kühlmittel strömt durch einen Einlass 11 in das Kühlsystem hinein und strömt durch einen Auslass 12 aus dem Kühlsystem hinaus. Unter Bezugnahme auf 2 und 3 werden zwei herkömmliche Serpentinenkühlrohre verwendet, sind der Einlass 1 und der Auslass 2 auf derselben Seite des Kühlsystems vorgesehen und sind Leistungsmodule entlang diesen Serpentinenkühlrohren vorgesehen (in 2 und 3 wird der Kühlmittelstrom durch die Pfeile gezeigt), dadurch wird die von den Leistungsmodulen erzeugte Wärme durch den Strom 3 des Kühlmittels abgeleitet. Die Temperatur in der Nähe des Auslasses ist jedoch definitiv höher als die Temperatur in der Nähe des Einlasses, wodurch eine Temperaturungleichverteilung verursacht wird. Die Temperaturverteilung wird mit zunehmender Anzahl an parallel angeordneten Leistungsmodulen ungleichförmiger. Da ein EV (Elektric Vehicle - Elektrofahrzeug) mehr Strom erfordert, werden mehr SiC-Vorrichtungen verwendet, und wenn sie weiterhin parallel angeordnet werden, würde aufgrund der Temperaturungleichverteilung ein unsymmetrischer Strom verursacht und einige der SiC-Vorrichtungen würden sogar zerstört.
Darüber hinaus wird bei EV-Anwendungen eine leichtere und kompakte Struktur erwartet, ein größeres und schwereres Kühlsystem mit mehr parallelen Leistungsmodulen ist für EV definitiv nicht gut.
KURZDARSTELLUNG
Zur Verbesserung der Temperaturgleichverteilung und Vereinfachung der Struktur des Wechselrichters wird ein symmetrisches Kühlsystem vorgestellt. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Kühlsystem bereitzustellen, bei dem während eines Kühlprozesses eine Temperaturgleichverteilung erzielt werden kann.
Das Kühlsystem umfasst: einen ersten Teil mit einem Boden und einer Wand, wobei durch eine Innenfläche des Bodens und eine Innenfläche der Wand ein Hohlraum definiert wird, wobei in dem Hohlraum ein erster ringförmiger Kanal und ein zweiter ringförmiger Kanal außerhalb des ersten ringförmigen Kanals vorgesehen sind und wobei der erste Teil ferner eine erste Öffnung, die mit dem ersten ringförmigen Kanal in Verbindung steht, und eine zweite Öffnung, die mit dem zweiten ringförmigen Kanal in Verbindung steht, umfasst, wobei das unterste Ende der ersten Öffnung weiter unten als das unterste Ende der zweiten Öffnung liegt, zwischen dem ersten ringförmigen Kanal und dem zweiten ringförmigen Kanal mehrere über den Umfang hinweg beabstandete Vorsprünge vorgesehen sind und radiale Durchgänge durch jeweils zwei benachbarte Vorsprünge definiert werden, wobei in jedem radialen Durchgang mehrere erste Vorsprünge vorgesehen sind, einen zweiten Teil mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche, die der ersten Fläche gegenüberliegt, wobei die erste Fläche mehrere vorragende Abschnitte aufweist, wobei auch an jedem vorragenden Abschnitt mehrere zweite Vorsprünge vorgesehen sind, wobei, wenn der erste Teil und der zweite Teil verbaut sind, die vorragenden Abschnitte auf die radialen Durchgänge ausgerichtet sind, ein Kühlmittelkühlungspfad durch den ersten ringförmigen Kanal, den zweiten ringförmigen Kanal und die radialen Durchgänge definiert wird.
Mit dieser Konstruktion strömt Kühlmittel radial nahezu gleichzeitig, die Leistungsmodule, die entsprechend dem Kühlungspfad angeordnet sind, könnten nahezu gleichzeitig abgekühlt werden, wodurch eine Temperaturungleichverteilung verhindert wird.
Figurenliste

1 ist eine Draufsicht eines herkömmlichen Kühlsystems für Leistungsmodule.
2 stellt einen herkömmlichen Kühlmittelstrom dar.
3 stellt einen weiteren herkömmlichen Kühlmittelstrom dar.
4 stellt eine perspektivische Ansicht des ersten Teils des durch eine Ausführungsform der Erfindung offenbarten Kühlsystems dar.
5 stellt die erste Öffnung und die zweite Öffnung des ersten Teils dar.
6 stellt eine perspektivische Ansicht des zweiten Teils des durch eine Ausführungsform der Erfindung offenbarten Kühlsystems dar.
7 stellt die Anordnung der Leistungsmodule dar.
8 stellt den Kühlmittelstrom einer Ausführungsform der Erfindung dar.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter nun erfolgender Bezugnahme auf die Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. 4 - 6 stellen die Gesamtansicht eines Kühlsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar.
Das Kühlsystem umfasst einen ersten Teil und einen zweiten Teil. Unter Bezugnahme auf 4 umfasst der erste Teil einen Boden und eine Wand und ein Hohlraum wird durch eine Innenfläche des Bodens und eine Innenfläche der Wand definiert. In dem Hohlraum sind ein erster ringförmiger Kanal 10 und ein zweiter ringförmiger Kanal 20 außerhalb des ersten ringförmigen Kanals 10 vorgesehen. Darüber hinaus umfasst der erste Teil ferner eine erste Öffnung 1, die mit dem ersten ringförmigen Kanal 10 in Verbindung steht, und eine zweite Öffnung 2, die mit dem zweiten ringförmigen Kanal 20 in Verbindung steht, wobei das unterste Ende der ersten Öffnung weiter unten als das unterste Ende der zweiten Öffnung liegt (siehe 5), so dass Kühlmittel mithilfe eines Pumpsystems (nicht gezeigt) in so viele Bereiche des ersten Teils wie möglich strömen könnte. Zwischen dem ersten ringförmigen Kanal 10 und dem zweiten ringförmigen Kanal 20 gibt es mehrere über den Umfang hinweg beabstandete Vorsprünge 3, und radiale Durchgänge 30 werden durch jeweils zwei benachbarte Vorsprünge 3 definiert. In jedem radialen Durchgang 30 sind mehrere erste Vorsprünge 301 vorgesehen, und bei dieser Ausführungsform sind diese ersten Vorsprünge 301 beabstandete zylinderförmige Metallstücke. Bei anderen Ausführungsformen können auch andere Formen, wie z. B. pyramidenförmige Metallstücke, verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform ist der Querschnitt des ersten Teils ein Kreissektor, die erste Öffnung ist auf einem Durchmesser des Kreissektors vorgesehen, die zweite Öffnung ist auf dem anderen Durchmesser des Kreissektors vorgesehen. Der erste ringförmige Kanal und der zweite ringförmige Kanal sind koaxial.
Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 6 umfasst der zweite Teil des Kühlsystems eine erste Fläche 41 und eine zweite Fläche, die der ersten Fläche 41 gegenüberliegt, wobei die erste Fläche mehrere vorragende Abschnitte 5 umfasst, wobei an jedem vorragenden Abschnitt 5 mehrere zweite Vorsprünge 51 vorgesehen sind und diese zweiten Vorsprünge Metallzylinder sind.
Wenn der erste Teil und der zweite Teil verbaut sind (die erste Fläche 41 zu den radialen Durchgängen 30 weist), sind die vorragenden Abschnitte 5 auf die radialen Durchgänge 30 ausgerichtet, wird ein Kühlmittelkühlungspfad durch den ersten ringförmigen Kanal 10, den zweiten ringförmigen Kanal 20 und die radialen Durchgänge 30 definiert.
Bei dieser Ausführungsform wird ein erster Bereich auf einer Außenfläche des Bodens des ersten Teils, der den radialen Durchgängen 30 entspricht, zur Anordnung von Leistungsmodulen definiert. Indessen wird ein zweiter Bereich auf der zweiten Fläche, der den vorragenden Abschnitten 5 entspricht, zur Anordnung von Leistungsmodulen definiert. Gemäß der Darstellung in 7 werden Leistungsmodule 6 radial entsprechend den radialen Durchgängen 30 und den vorragenden Abschnitten 5 angeordnet. Bei einer derartigen Konfiguration können Leistungsmodule auf beiden Seiten des Kühlsystems vorgesehen werden und sie können in kürzester Zeit abgekühlt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Boden des ersten ringförmigen Kanals weiter unten als das unterste Ende der ersten Vorsprünge, und wenn der erste Teil und der zweite Teil verbaut sind, wobei die erste Fläche zu dem Hohlraum weist, liegt das unterste Ende der zweiten Vorsprünge weiter unten als das unterste Ende des Auslasses. Mit einer derartigen Konfiguration wird der Kontaktbereich zwischen dem Kühlmittel und dem Kühlsystem stark vergrößert und das Kühlsystem kann auf beiden Seiten in kürzester Zeit abgekühlt werden.
Das Kühlmittel (wie z. B. Kühlwasser) strömt durch die erste Öffnung 1 in den ersten ringförmigen Kanal 10 und wird dann gemäß der Darstellung in 8 (Wasserströmung als Pfeile gezeigt) radial verteilt. Somit könnten alle Leistungsmodule nahezu gleichzeitig abgekühlt werden, wenn Kühlwasser durch die radialen Durchgänge 30 hindurchströmt. Des Weiteren kann eine bessere Kühlleistung erzielt werden, da der Kontaktbereich zwischen Wasser und dem Kühlsystem aufgrund der ersten Vorsprünge 301 und der zweiten Vorsprünge 51 stark vergrößert ist.
Für die bevorzugte Ausführungsformen sind eine Reihe von alternativen Strukturelementen und Verfahrensschritten vorgeschlagen worden. Jedoch ist die Beschreibung, obgleich die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, beispielhaft für die Erfindung und nicht als eine Beschränkung der Erfindung aufzufassen. Ohne Verlassen des wahren Gedankens und Schutzumfangs der Erfindung entsprechend der Definition durch die anhängigen Ansprüche können dem Fachmann verschiedene Modifikationen und Anwendungen in den Sinn kommen.

Claims

Kühlsystem, das Folgendes umfasst: einen ersten Teil mit einem Boden und einer Wand, wobei durch eine Innenfläche des Bodens und eine Innenfläche der Wand ein Hohlraum definiert wird, wobei in dem Hohlraum ein erster ringförmiger Kanal und ein zweiter ringförmiger Kanal außerhalb des ersten ringförmigen Kanals vorgesehen sind und wobei der erste Teil ferner eine erste Öffnung, die mit dem ersten ringförmigen Kanal in Verbindung steht, und eine zweite Öffnung, die mit dem zweiten ringförmigen Kanal in Verbindung steht, umfasst, wobei das unterste Ende der ersten Öffnung weiter unten als das unterste Ende der zweiten Öffnung liegt, zwischen dem ersten ringförmigen Kanal und dem zweiten ringförmigen Kanal mehrere über den Umfang hinweg beabstandete Vorsprünge vorgesehen sind und radiale Durchgänge durch jeweils zwei benachbarte Vorsprünge definiert werden, wobei in jedem radialen Durchgang mehrere erste Vorsprünge vorgesehen sind, einen zweiten Teil mit einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche, die der ersten Fläche gegenüberliegt, wobei die erste Fläche mehrere vorragende Abschnitte aufweist, wobei an jedem vorragenden Abschnitt mehrere zweite Vorsprünge vorgesehen sind, wobei, wenn der erste Teil und der zweite Teil verbaut sind, wobei die erste Fläche zu dem Hohlraum weist, die vorragenden Abschnitte auf die radialen Durchgänge ausgerichtet sind, ein Kühlmittelkühlungspfad durch den ersten ringförmigen Kanal, den zweiten ringförmigen Kanal und die radialen Durchgänge definiert wird.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Kanal kreisförmig oder oval ist und/oder der zweite ringförmige Kanal kreisförmig oder oval ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der erste ringförmige Kanal und der zweite ringförmige Kanal koaxial sind.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt des ersten Teils ein Kreissektor ist, wobei die erste Öffnung auf einem Durchmesser des Kreissektors vorgesehen ist, wobei die zweite Öffnung auf dem anderen Durchmesser des Kreissektors vorgesehen ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die ersten Vorsprünge zylinderförmige Metallstücke und/oder pyramidenförmige Metallstücke sind.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die zweiten Vorsprünge zylinderförmige Metallstücke und/oder pyramidenförmige Metallstücke sind.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei ein erster Bereich auf einer Außenfläche des Bodens, der den radialen Durchgängen entspricht, zur Anordnung von Leistungsmodulen definiert wird.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei ein zweiter Bereich auf der zweiten Fläche, der den vorragenden Abschnitten entspricht, zur Anordnung von Leistungsmodulen definiert wird.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der Boden des ersten ringförmigen Kanals weiter unten als das unterste Ende der ersten Vorsprünge liegt.
Kühlsystem nach Anspruch 9, wobei, wenn der erste Teil und der zweite Teil verbaut sind, wobei die erste Fläche zu dem Hohlraum weist, das unterste Ende der zweiten Vorsprünge weiter unten als das unterste Ende des Auslasses liegt.