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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für eine Leistungselektronik zum Kühlen der Leistungselektronik, wobei die Leistungselektronik mindestens ein Leistungsmodul und mindestens eine Nebenkomponente aufweist. Der Wärmetauscher weist ein Isolierteil auf, welches ein erstes fluides Medium, welches in Kontakt mit einer Wärmequelle steht, von einem zweiten fluiden Medium trennt, welches sich in mindestens einer Eigenschaft vom ersten fluiden Medium unterscheidet und welches in Fluidverbindung mit einer Wärmesenke steht oder selbst eine Wärmesenke ist.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Wärmetauscher von Leistungselektroniken aus thermisch leitfähigen Materialien wie Aluminium gefertigt sein können. Dies bietet den Vorteil, alle Hauptkomponenten, aus thermischer Sicht, direkt über diesen kühlen zu können. Des Weiteren können auch Nebenkomponenten, die eine weitaus geringere Verlustleistung aufweisen, direkt oder indirekt über diesen Wärmetauscher gekühlt werden. Die thermische Anbindung erfolgt dabei über die Einleitung des Wärmestroms entweder direkt in den Wärmetauscher oder über weitere leitfähige Materialien indirekt in den Wärmetauscher.
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Neuer sind Wärmetauscher aus Kunststoff zum Kühlen der Leistungselektronik. Die Hauptkomponenten werden dort meist direkt vom Kühlmedium angeströmt, da die Wärmeleitung durch den Kunstsoff-Wärmetauscher nicht die gewünschte Güte aufweist. Dies gewährleistet jedoch lediglich die Entwärmung der Hauptkomponenten. Die Nebenkomponenten können aber nicht, wie oben beschrieben, an die Wärmetauscher angebunden werden, da auch hier die gewünschte oder sogar (insbesondere zu derem sicheren und dauerhaften Betrieb) notwendige Güte des thermischen Widerstandes über den thermisch nur gering leitfähigen Kunststoff nicht erreicht wird.
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Es ist demnach die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Kerngedanke der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der
- - ein Isolierteil, wobei das Isolierteil ein erstes fluides Medium, welches in Kontakt mit einer ersten Wärmequelle steht, von einem zweiten fluiden Medium trennt, welches sich in mindestens einer Eigenschaft vom ersten fluiden Medium unterscheidet und welches in Fluidverbindung und / oder Kontakt mit einer Wärmesenke steht oder selbst eine Wärmesenke ist, und
- - ein erstes Wärmetransferelement, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Isolierteil,
umfasst. Erfindungsgemäß weist das Isolierteil eine erste Durchgangsöffnung auf, in welcher das erste Wärmetransferelement angeordnet ist, wobei das erste Wärmetransferelement sowohl an das erste fluide Medium und / oder die Wärmequelle als auch an das zweite fluide Medium thermisch angebunden ist und gemeinsam mit einem Dichtelement (9, 13) die Durchgangsöffnung (5) fluidisch abdichtet. Durch einen solchen Wärmetauscher ist es sehr einfach möglich, ein fluides Medium bis in die Nähe eine Wärmequelle zu leiten, wobei es während des Transports durch das Isolierteil thermisch gegenüber der Umgebung abgeschirmt ist.
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Im Bereich der Wärmequelle ist das Isolierteil zumindest abschnittsweise unterbrochen. Ein Fluidaustritt beziehungsweise ein Vermischen des ersten fluiden Mediums und des zweiten fluiden Mediums durch diese Unterbrechung / (Durchgangs-)Öffnung wird jedoch dadurch verhindert, dass ein Wärmetransferelement in diese Öffnung eingesetzt ist und die Öffnung gemeinsam mit einem Dichtelement (9, 13) die Durchgangsöffnung (5) fluidisch abdichtet. Das Wärmetransferelement weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als das Isolierteil, so dass durch das Wärmetransferelement und damit auch durch die Unterbrechung im Isolierteil ein Wärmetransfer von der Wärmequelle zu dem zweiten fluiden Medium erfolgen kann.
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Bevorzugt ist das erste Wärmetransferelement aus einem sehr gut wärmeleitfähigen Material. Bevorzugt weist dieses Material eine Wärmeleitfähigkeit Ä von > 150 W/(m·K), bevorzugt > 160 W/(m·K), bevorzugt > 170 W/(m·K), bevorzugt > 200 W/(m·K), weiter bevorzugt > 300 W/(m·K) und insbesondere bevorzugt > 400 W/(m·K) auf. Als besonders geeignet haben sich zur Ausbildung eines ersten Wärmetransferelements Materialien gezeigt, die ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Kupfer, Gold, Silber, Messing, Wolfram, Eisen, Aluminium, Magnesium, Silizium und Legierungen mit mindestens einem dieser Metalle umfasst.
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Vorzugsweise steht das erste Wärmetransferelement mit dem zweiten fluiden Medium mittels eines Stiftkühlkörpers in thermischer Verbindung. Dies ermöglicht, dass die für den Wärmetransfer zwischen dem ersten Wärmetransferelement und dem zweiten fluiden Medium zur Verfügung stehende Fläche vergrößert ist und der Energietransfer daher besonders effizient erfolgen kann. Alternativ oder kumulativ hinsichtlich des Stiftkühlkörpers ist es denkbar, eine Anordnung vorzusehen, welche, wie der Stiftkühlkörper, eine Oberfläche, welche mit dem zweiten fluiden Medium in Kontakt steht, zu vergrößern, so dass ein verbesserter Wärmeübergang möglich ist. Die Anordnung beziehungsweise der Stiftkühlkörper sind an dem Wärmetransferelement angeordnet oder ein integraler Bestandteil des Wärmetransferelements.
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Vorzugsweise ist das erste Wärmetransferelement als ein Schraubenelement ausgebildet. Dadurch kann es einfach in die erste Durchgangsöffnung eingeschraubt werden. Dazu ist die erste Durchgangsöffnung derart ausgebildet, dass das Schraubenelement eingeschraubt werden kann. Denkbar sind natürlich noch weitere Ausgestaltungen für das Wärmetransferelement. Insbesondere könnte auch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Wärmetransferelement und der Durchgangsöffnung denkbar sein, beispielsweise eine Übermaßpassung. Insbesondere die oben genannte Auswahl an geeigneten Materialien ermöglicht eine ausreichende Steifigkeit und / oder ein ausreichend großes Torsionsträgheitsmoment, um ein solches Schraubenelement in eine Öffnung im Isolierteil einzuschrauben. Sollte eine größere Steifigkeit und / oder ein größeres Torsionsträgheitsmoment gewünscht oder notwendig sein, ist auch eine Abweichung von den oben genannten Materialien und die Auswahl festerer Materialien denkbar und vorteilhaft.
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Bevorzugt weist das Schraubenelement einen Schraubenkopf auf, welcher eine Geometrie aufweist, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Außensechskant, Außenvierkant, Innensechskant, Innensechsrund, Schlitz und Kreuzschlitz umfasst, und welche bevorzugt zum Formschluss mit einem Werkzeug geeignet ist. Durch eine solche Geometrie lässt sich ein als Schraubenelement geformtes Wärmetransferelement besonders einfach in das Isolierteil einschrauben. Insbesondere ist bevorzugt, dass das Einschrauben mit üblichem Werkzeug erfolgen kann, welches formschlüssig an den Schraubenkopf angelegt werden kann.
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Insbesondere ist bei der Ausführung des Wärmetransferelement als ein Schraubenelement bevorzugt, dass das Schraubenelement auf der dem den Schraubenkopf aufweisenden Ende entgegengesetzten Ende eine Geometrie aufweist, welche das Eindrehen in das Isolierteil ermöglicht, ohne dass zuvor (beispielsweise durch ein weiteres Werkzeug) eine Öffnung erzeugt werden muss. Dies kann - in Abhängigkeit vom Material des Isolierteils - beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Schraubenelement ein Gewinde aufweist, dessen Steigung an das Material des Isolierteils angepasst ist.
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Vorzugsweise weist das Wärmetransferelement zumindest abschnittsweise eine Geometrie auf, die einen Formschluss mit der Durchgangsöffnung im Isolierteil bildet. Insbesondere ist bevorzugt, dass dieser Formschluss einen Durchtritt des ersten und / oder zweiten fluiden Mediums durch die Öffnung des Isolierteils hindurch verhindert. Dies lässt sich beispielsweise durch eine geeignete Geometrie und Materialauswahl erreichen. Denkbar ist beispielsweise das ein Gewinde eines als Schraubenelement ausgebildeten Wärmetransferelement den Formschluss bewirkt und somit dichtend wirkt. Ergänzend oder alternativ könnte auch ein Schraubenkopf den Formschluss mit einer Oberfläche des Isolierteils derart herstellen, dass dieser dichtend auf der Oberfläche aufliegt oder abschnittsweise formschlüssig in die Oberfläche eindringt. Sofern notwendig, könnte die Dichtigkeit durch ein zusätzliches Dichtmittel unterstützt werden.
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Bevorzugt weist der Wärmetauscher ein Dichtelement auf, welches den Durchtritt der ersten und/ oder zweiten fluiden Mediums durch eine Öffnung des Isolierteils verhindert. Bevorzugt dichtet das Dichtelement die Öffnung zumindest abschnittsweise formschlüssig ab. Insbesondere ist bevorzugt, dass das Dichtelement gemeinsam mit dem Wärmetransferelement die Öffnung im Isolierteil dichtend (für das erste und / oder zweite Medium) verschließt. Besonders bevorzugt ist das Dichtelement ein O-Ring.
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Ein wie oben beschriebener Wärmetauscher bietet insbesondere den Vorteil, dass er äußerst leicht auch zur Wärmeabfuhr von mehreren Wärmequellen genutzt werden kann. Eine vorherige Anpassung des Wärmetauschers ist dafür in der Regel nicht notwendig, da die Öffnungen in dem Isolierteil jeweils dort eingebracht werden können, wo das Isolierteil der jeweiligen Wärmequelle am nächsten kommt. Nach dem Einbringen eines Wärmetransferelements in eine solche Öffnung ist eine Wärmequelle thermisch an das zweite fluide Medium angebunden, so dass das zweite fluide Medium Wärme abführen kann.
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Dadurch kann ein Wärmetauscher besonders einfach und in großer Stückzahl hergestellt werden, ohne dass dessen Geometrie auf die spätere Anordnung in einem zu kühlenden System angepasst werden muss. Vielmehr ist es möglich, die wesentlichen Komponenten des Wärmetauschers unabhängig von der Einbauanordnung zu fertigen und erst am Einbauort die Öffnungen in dem Isolierteil an denjenigen Stellen einzubringen, an welchen eine Wärmeabfuhr benötigt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Wärmequelle ein Leistungsmodul. Ein wie oben beschriebener Wärmetauscher hat sich als besonders geeignet gezeigt, elektronische Bauteile zu kühlen. Sofern notwendig, kann in einer bevorzugten Ausführungsform das Wärmetransferelement mittels des ersten fluiden Mediums oder eines weiteren dritten Wärmetransferelements, thermisch an das Leistungsmodul angebunden sein. Sofern das Leistungsmodul von dem ersten fluiden Medium (beispielsweise, Luft, Inertgas oder Kühlwasser) derart zumindest teilweise umschlossen und vorzugsweise zumindest teilweise umströmt ist, dass dieses einen ausreichenden Wärmetransfer auf das Wärmetransferelement gewährleistet, ist ein zusätzliches Wärmetransferelement nicht zwingend notwendig. Kann der ausreichende Wärmetransfer auf das Wärmetransferelement nicht gewährleistet werden, wird dies in einer vorteilhaften Ausführungsform durch ein drittes Wärmetransferelement sichergestellt. Das dritte Wärmetransferelement ist bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, die eine Wärmeleitpaste, ein GapPad, einen Klebstoff und ein Metall und jede Kombination davon umfasst.
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Im Zusammenhang mit der Kühlung einer Leistungselektronik ist das erste Wärmetransferelement im Folgenden auch als „Kühlverbindungselement“ bezeichnet. Der Begriff Kühlverbindungselement soll synonym zu „Wärmetransferelement“ verstanden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein zweites Wärmetransferelement vorgesehen, welches in einer zweiten Durchgangsöffnung des Isolierteils angeordnet ist. Dabei ist das zweite Wärmetransferelement bevorzugt sowohl an das erste fluide Medium und / oder eine weitere Wärmequelle als auch an das zweite fluide Medium thermisch angebunden und dichtet gemeinsam mit einem Dichtelement (9, 13) die Durchgangsöffnung (5) fluidisch ab. Durch eine solche Ausgestaltung des Wärmetauschers ist eine besonders effiziente Abfuhr von Wärme mehrerer Wärmequellen möglich. Die Ausgestaltung mit mehreren Wärmetransferelementen, die in verschiedenen Durchgangsöffnungen des Isolierteils angeordnet sind ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Wärmequellen voneinander beabstandet angeordnet sind. Dies kann auch vorteilhaft dazu genutzt werden, dass Wärmequellen, die wie im Stand der Technik keine Kühlung erfahren haben, ebenfalls kühlbar sein können.
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Besonders bevorzugt ist das zweite fluide Medium Teil eines Kühlkreislauf. Insbesondere kann der Kühlkreislauf ein bereits vorhandener Kühlkreislauf eines Systems sein. Auch wenn nur ein erstes Wärmetransferelement zur Abfuhr der Wärme einer ersten Wärmequelle vorgesehen ist kann durch einen das zweite fluide Medium enthaltenden Kühlkreislauf die Wärme effizient abgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführungsform jedoch, wenn die Wärme mehrerer Wärmequellen abgeführt werden soll. Diese weitere Wärmequelle/n kann/können mittels eines oder mehrerer zweiten/r Wärmetransferelement/e thermisch an das zweite fluide Medium angebunden werden. Bei der Ausführung als Kühlkreislauf kann die abzuführende Wärme aller thermisch mittels eines Wärmetransferelements an diesen Kühlkreislauf angebundenen Wärmequellen gemeinsam abgeführt werden.
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Bevorzugt ist das zweite Wärmetransferelement mittels des ersten fluiden Mediums oder eines weiteren dritten Wärmetransferelements thermisch an die weitere Wärmequelle angebunden. Unabhängig von dem dritten Wärmetransferelement zur Anbindung des ersten Wärmetransferelement ist das weitere dritte Wärmetransferelement zur Anbindung des zweiten Wärmetransferelement an die weitere Wärmequelle bevorzugt ausgewählt aus einer Gruppe, die eine Wärmeleitpaste, ein GapPad, einen Klebstoff und Metalle und jede Kombination davon umfasst. Die weitere Wärmequelle ist bevorzugt eine Nebenkomponente.
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Vorzugsweise ist zumindest eine der mindestens einen Nebenkomponente ausgewählt aus einer Gruppe umfassend einen Zwischenkreis, eine Busbar und ein Schalterelement. Diese Aufzählung ist nicht abschließend gedacht, so dass je nach Einsatzgebiet weitere oder andere Nebenkomponenten denkbar sind.
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Das Isolierteil umfasst bevorzugt einen Kunststoff. Weiter bevorzugt besteht das Isolierteil zumindest teilweise aus einem Kunststoff und bevorzugt überwiegend aus einem Kunststoff. Insbesondere ist bevorzugt, dass das Isolierteil aus einem Kunststoff gefertigt ist. Dadurch kann ein Isolierteil besonders flexibel eine vorgegebene Geometrie angepasst werden. Ebenfalls wäre denkbar, die Geometrie des Isolierteils nicht starr zu halten, sondern das Isolierteil zumindest abschnittsweise flexibel auszuführen. Bei einer flexiblen Ausführung, beispielsweise als ein flexibler Schlauch, könnte dieser gezielt so angeordnet werden, dass er abschnittsweise in der Nähe einer Wärmequelle geführt ist. In einen Abschnitt großer Annäherung an eine Wärmequelle kann eine Öffnung eingebracht werden, die zur Aufnahme eines Wärmetransferelements geeignet ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Wärmetauschers wird im Folgenden an einem Beispiel dargelegt. Die für dieses Beispiel beschriebenen Ausführungsvarianten sollen jedoch auch als allgemein für jeglichen wie oben in seiner allgemeinsten Form beschriebenen Wärmetauscher als offenbart gelten.
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Der beispielhafte Wärmetauscher dient gemäß einer Ausführungsform zum Kühlen einer Leistungselektronik. Die Leistungselektronik umfasst in diesem Beispiel ein Leistungsmodul und mindestens eine Nebenkomponente. Der Wärmetauscher weist einen Kühlkreislauf mit einem fluiden Kühlmedium auf, durch welches das Leistungsmodul und die mindestens eine Nebenkomponente direkt oder indirekt gekühlt sind. Der Wärmetauscher umfasst ein aus einem Kunststoff ausgebildetes Isolierteil mit einer erste Durchgangsöffnung, in welche ein erstes Kühlverbindungselement eingebracht ist. Das erste Kühlverbindungselement steht einerseits mit dem Kühlkreislauf und dem darin geführten Kühlmedium in einer thermischen Verbindung und andererseits mit dem Leistungsmodul, um dieses zu kühlen. Ein weiteres Kühlverbindungselement steht ebenfalls einerseits mit dem im Kühlkreislauf geführten Kühlmedium in thermischer Verbindung und andererseits mit einer ersten Nebenkomponente, um die erste Nebenkomponente zu kühlen.
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Unter einem Leistungsmodul ist wie im üblichen Sinne ein Schaltelement zu verstehen, beispielsweise umfasst das Leistungsmodul einen IGBT-Leistungshalbleiter, wobei auch andere bekannte Ausgestaltungen denkbar sind.
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Unter einer Nebenkomponente ist zu verstehen, dass dies ein Bauteil der Leistungselektronik ist, welches nicht dem Leistungsmodul entspricht. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei der Nebenkomponente um zumindest eine handeln, die ausgewählt aus einer Gruppe umfassend einen Zwischenkreiskondensator (auch als DC-Link bezeichnet), eine Busbar, ein Schalterelement, einen Aktiven EMV Filter und / oder eine einzelne Filterkomponente, einen passiven EMV Filter und / oder eine einzelne Filterkomponente, eine Leistungs- oder Steuerplatine und / oder ein einzelnes Platinenbauteil, eine Einrichtungen zur Kondensatorentladung, einen Kondensator und einen Transformator.
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Aufgrund der großen Flexibilität des oben beschriebenen Wärmetauschers ist dessen Anwendung zur Entwärmung bei nahezu jeglichem adiabatem Bauraum denkbar und möglich.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kühlkreislauf umfassend das Kühlmedium dazu ausgebildet und vorgesehen ist, sowohl das Leistungsmodul als auch mindestens eine zu kühlende Nebenkomponente zu kühlen. Weitere Kühlkreisläufe oder Kühlvorrichtungen zur Kühlung der Nebenkomponenten sind daher nicht notwendig, so dass der gesamte Platzbedarf als auch der Materialeinsatz verringert werden kann. Dadurch, dass der Wärmetauscher zumindest teilweise, bevorzugt vollständig aus einem Kunststoff gefertigt ist, kann das Gewicht deutlich reduziert werden. Der Wärmetauscher weist dabei eine entsprechende Ausgestaltung auf, welche den Kühlkreislauf definiert, in welchem das Kühlmedium angeordnet ist und sich darin bewegt. Der Wärmetauscher ist umfassend der Definition des Kühlkreislaufes, des Kühlmediums und der weiteren Bauteile, wie erfindungsgemäß beschrieben. Die Definition des Kühlkreislaufes kann beispielsweise ein Gehäuse sein, wobei das Gehäuse zumindest teilweise aus dem Kunststoff bestehend ausgebildet ist.
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Bevorzugt werden die Komponenten der Leistungselektronik durch einen einzigen wie oben beschriebenen Kühlkreislauf gekühlt, wobei bevorzugt lediglich die zu kühlenden Komponenten an den Kühlkreislauf angeschlossen sind. Sofern der zur Verfügung stehende Bauraum weitere Kühlkreisläufe ermöglicht oder einzelne Komponenten eine individuelle (zusätzliche) Kühlung benötigen, könnte jedoch auch mindestens ein weiterer Kühlkreislauf vorgesehen sein. Bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, handelt es sich dabei ebenfalls um einen Kühlkreislauf der oben beschriebenen Art.
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Die zu kühlenden Komponenten, insbesondere die Nebenkomponenten, sind dabei jeweils erfindungsgemäß mit dem Kühlkreislauf bzw. dem Kühlmedium verbunden bzw. in Wirkkontakt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Kunststoff um einen Kunststoff, welcher passend für das Einsatzgebiet des Wärmetauschers ist, das heißt, der Kunststoff sollte wärmeresistent sein und resistent gegenüber dem Kühlmedium. Ebenso sollte er eine gewisse Eigensteifigkeit aufweisen, um keine Verbiegungen oder sonstiges während des Verwendens des Wärmetauschers zuzulassen oder nur in einem begrenzten Maß. Als besonders geeignet haben sich Kunststoffe gezeigt, die Polyamide enthalten oder zumindest im Wesentlichen aus Polyamid bestehen. Bevorzugt ist das Polyamid PA66. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dieses verstärkt und / oder wärmestabilisiert.
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Um eine gute thermische Verbindung der Nebenkomponente zu dem Kühlkreislauf und dem Kühlmedium mittels des Kühlverbindungselements bereitstellen zu können, ist es gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, das Kühlverbindungselement aus einem thermisch gut leitenden Material bereitzustellen, wobei das Kühlverbindungselement bevorzugt aus Kupfer, Gold, Silber, Messing, Wolfram, Eisen und/oder Aluminium besteht. Eine Auswahl wird je nach Anforderung bzw. Kostenrahmen vorgenommen.
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Um eine noch bessere thermische Verbindung der Nebenkomponente zu dem Kühlkreislauf und dem Kühlmedium mittels des Kühlverbindungselements bereitstellen zu können, ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das erste Kühlverbindungselement mit dem Kühlkreislauf und dem Kühlmedium mittels eines Stiftkühlkörpers in thermischer Verbindung steht. Der Stiftkühlkörper ist auch bekannt als eine sogenannte Pin Fin Struktur, wobei auch andere Strukturen denkbar sind, durch welche die mit dem Kühlmedium in Kontakt stehende Oberfläche des Kühlverbindungselements vergrößert ist. Die Pin Fin Struktur aber auch andere Strukturen wirken nicht nur aufgrund der großen Kontaktfläche besonders gut, sondern beeinflussen auch die Strömung des Kühlmediums derart, dass ein besserer Wärmeübergangskoeffizient erreicht wird. Dies ist ebenso wie die größere zum Energietransfer zur Verfügung stehende Oberfläche vorteilhaft für die Entwärmung.
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Um die Effizienz des Wärmetauschers möglichst hoch ausbilden zu können, ist es gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das erste Kühlverbindungselement die erste Durchgangsöffnung fluidisch abdichtet, so dass kein Kühlmedium aus dem Kühlkreislauf durch die erste Durchgangsöffnung austreten kann, wobei bevorzugt das erste Kühlverbindungselement ein Dichtelement aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Dichtelement ein O-Ring ist. Für einige Anwendungen haben sich jedoch andere Dichtmittel als geeignet und vorteilhaft gezeigt. Vorzugsweise ist das Dichtelement ausgewählt aus einer Gruppe, die einen O-Ring ein konisches Dichtgewinde, eine Flachdichtung, ein Gewindedichtmittel und ein Dichtband enthält. Außerdem hat sich gezeigt, dass für einige Anwendungen andere Befestigungsmittel als Gewinde vorteilhaft sind. In einer dazu alternativen Ausführungsform ist daher ein Befestigungsmittel zum Festlegen des Kühlverbindungselements aus einer Gruppe ausgewählt, die eine Krimpung eine Klemme, eine Klammer und einen Bajonettverschluss umfasst.
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Zur weiteren Optimierung der thermischen Verbindung ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass zwischen dem ersten Kühlverbindungselement und der ersten Nebenkomponente ein drittes Wärmetransferelement angeordnet, welches bevorzugt als eine erste Wärmeleitschicht ausgebildet ist.
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Das dritte Wärmetransferelement, beziehungsweise die Wärmeleitschicht, kann vielfältig ausgebildet sein, etwa als eine Wärmeleitpaste, als ein GapPad, als ein Klebstoff oder dergleichen, abhängig vom Einsatzgebiet und von den Randbedingungen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Wärmeleitschicht elektrisch isolierend ausgebildet ist. Natürlich ist es besonders vorteilhaft, wenn die Wärmeleitschicht thermisch gut leitend ausgebildet ist. Weiter vorteilhaft ist es, wenn die Wärmeleitschicht dazu ausgebildet ist, Unebenheiten auszugleichen. Beispielsweise kann die Wärmeleitschicht flexibel bzw. elastisch oder plastisch deformierbar sein und somit auch als Toleranzausgleich dienen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das erste Kühlverbindungselement als ein Schraubenelement ausgebildet ist und in die erste Durchgangsöffnung eingeschraubt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass mindestens ein weiteres Kühlverbindungselement vorgesehen ist, welches in einer entsprechend mindestens einen weiteren Durchgangsöffnung des Wärmetauschers eingebracht ist und einerseits mit dem Kühlkreislauf und dem Kühlmedium und andererseits mit der ersten Nebenkomponente in einer thermischen Verbindung steht.
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Es ist also denkbar, dass ein zweites, ein drittes, ..., n-tes Kühlverbindungselement vorgesehen ist, welches in einer entsprechenden zweiten, dritten, ..., n-ten Durchgangsöffnung des Wärmetauschers eingebracht ist. Diese stehen mit der ersten Nebenkomponente in thermischer Verbindung, analog dem ersten Verbindungselement, so dass insgesamt die Kühlleistung für die erste Nebenkomponente erhöht werden kann. Dies kann auch für jede weitere zu kühlende Nebenkomponente gelten.
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Es ist ebenso denkbar, dass mindestens ein weiteres Kühlverbindungselement vorgesehen ist, welches in einer entsprechend mindestens einen weiteren Durchgangsöffnung des Wärmetauschers eingebracht ist und einerseits mit dem Kühlkreislauf und dem Kühlmedium und andererseits mit mindestens einer weiteren Nebenkomponente in einer thermischen Verbindung steht.
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Das heißt, dass ein zweites, ein drittes, ..., n-tes Kühlverbindungselement vorgesehen ist, welches in einer entsprechenden zweiten, dritten, ..., n-ten Durchgangsöffnung des Wärmetauschers eingebracht ist. Diese stehen mit der jeweiligen zweiten, dritten, ..., n-ten Nebenkomponente in thermischer Verbindung, analog dem ersten Verbindungselement, so dass insgesamt die Kühlleistung erhöht werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen zu entnehmen. Hierbei zeigt:
- 1: Ein Ausschnitt eines Wärmetauschers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
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In der 1 ist ein Ausschnitt eines Wärmetauschers 1 gezeigt, wobei der gezeigte Ausschnitt zur Kühlung einer Wärmequelle 2, hier einer ersten Nebenkomponente 2, dient. Die Nebenkomponente 2 ist dabei stilisiert dargestellt. Analog kann der Wärmetauscher auch zur Kühlung jeglicher Wärmequelle eingesetzt werden, beispielsweise einer ersten Wärmequelle, insbesondere eines Leistungsmoduls einer Leistungselektronik.
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Im dargestellten beispielhaft gewählten Ausschnitt ist dargestellt, dass der Wärmetauscher 1 für eine Leistungselektronik 1000 zum Kühlen der Leistungselektronik 1000 bereitgestellt ist, wobei die Leistungselektronik 1000 mindestens ein Leistungsmodul 100 und mindestens eine Nebenkomponente 2 aufweist. Die Nebenkomponente 2 ist zumindest abschnittsweise von einem ersten fluiden Medium 22 umgeben. Dies könnte beispielsweise Luft oder ein Inertgas sein. Üblicherweise ist die durch dieses Medium abführbare Wärme jedoch beschränkt, so dass zusätzliche Einrichtungen benötigt werden, um eine effiziente Wärmeabfuhr gewährleisten zu können.
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Dies ist im gezeigten Beispiel durch den Wärmetauscher 1 realisiert, der einen Kühlkreislauf 3 mit einem zweiten fluiden Medium 4, welches auch als Kühlmedium 4 bezeichnet wird, aufweist. Das zweite fluide Medium 4 wird bevorzugt innerhalb des Kühlkreislaufs umgepumpt, wobei es an mindestens einem Bereich Wärme (beispielsweise an die Umgebungsluft) abgeben kann. Das mindestens eine (lediglich schematisch dargestellte) Leistungsmodul 100 und die mindestens eine Nebenkomponente 2 können mittels des Kühlkreislaufs 3 direkt oder indirekt gekühlt werden. Der Wärmetauscher 1 weist dazu ein Isolierteil 15 auf, welches im gezeigten Beispiel als Kühlkanal 15 ausgebildet ist. Im Rahmen der Erfindung soll daher die Bezeichnung „Kühlkanal“ synonym zu „Isolierteil“ verstanden werden. Das Isolierteil 15 besteht vorzugsweise zumindest abschnittsweise aus einem Kunststoff und trennt den Bereich, in dem das erste fluide Medium 22 angeordnet ist, von demjenigen ab, in dem das zweite fluide Medium 4 geführt wird.
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Der Wärmetauscher 1 umfasst im Isolierteil 15 eine erste Durchgangsöffnung 5, in welche ein erstes Kühlverbindungselement 6 beziehungsweise erstes Wärmetransferelement 6 eingebracht ist. Das erste Kühlverbindungselement 6 steht einerseits mit dem zweiten fluiden Medium 4 des Kühlkreislaufs 3 und andererseits mit der ersten Nebenkomponente 2 in einer thermischen Verbindung, um die erste Nebenkomponente 2 zu kühlen.
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Bevorzugt weist der Wärmetauscher 1 abschnittsweise Versteifungen 14 im Isolierteil 15 auf, durch welche eine sichere Aufnahme des Wärmetransferelements 6 gewährleistet ist. Eine solche Versteifung 14 kann auch als ein Gehäuse ausgebildet sein, welches beispielsweise formschlüssig mit der Wärmequelle 2, 100 verbunden werden kann, beispielsweise aufgeclipst. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Ausgestaltung des Wärmetauschers 1 abschnittsweise festlegt, insbesondere die des Kühlkreislaufes 3, um diesen Abschnitt formschlüssig und / oder besonders platzsparend in die direkte Umgebung der Wärmequelle 2, 100 bringen zu können.
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Vorliegend ist das erste Kühlverbindungselement 6 als ein Schraubenelement 12 mit einem Schraubenkopf 16 und einem Gewindeteil 18 ausgestaltet. Weiter weist die Durchgangsöffnung 5 ein Gewinde 13 auf, wobei das Gewinde 13 und das Gewindeteil 18 zueinander passend ausgebildet sind, so dass das Gewindeteil 18 in das Gewinde 13 eingeschraubt werden kann. Insbesondere ist eine formschlüssige Aufnahme des Gewindeteils 18 in der Durchgangsöffnung 5 vorgesehen.
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Das Kühlverbindungselement 6 weist ein kühlmediumseitiges Ende 19 und ein nebenkomponentenseitiges beziehungsweise wärmequellenseitiges Ende 20 auf, wobei das kühlmediumseitige Ende 19 mit dem Kühlmedium 4 in Verbindung steht und das nebenkomponentenseitige Ende 20 mit der Nebenkomponente 2 beziehungsweise der Wärmequelle 2.
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Das kühlmediumseitige Ende 19 weist dabei eine Struktur 7 auf, die dazu vorgesehen und ausgebildet ist, eine Kontaktfläche zwischen dem Kühlverbindungselement 6 und dem Kühlmedium 4 zu erhöhen. Hierdurch kann ein verbesserter thermischer Transport von der Nebenkomponente 2 zu dem Kühlkreislauf 3 und entsprechend eine verbesserte Kühlung erreicht werden.
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Die Struktur 7 ist gemäß der gezeigten Ausführungsform als ein Stiftkühlkörper, einer sogenannte Pin Fin Struktur 8 ausgebildet, mit mehreren Stiften 21, welche in das Kühlmedium 4 hineinragen.
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An dem nebenkomponentenseitigen Ende 20 steht das Kühlverbindungselement 6 mit der Nebenkomponente 2 in thermischer Verbindung, besonders bevorzugt mittels eines dritten Wärmetransferelements, welches im gezeigten Beispiel als eine erste Wärmeleitschicht 11 ausgebildet ist. Das dritte Wärmetransferelement ist zwischen der Nebenkomponente 2 und dem Kühlverbindungselement 6 angeordnet. Bevorzugt können mittels einer Wärmeleitschicht 11 Unebenheiten zwischen der Nebenkomponente 2 und dem Kühlverbindungselement 6 ausgeglichen werden, so dass eine möglichst große Kontaktfläche ausgebildet ist, um die thermische Verbindung zu optimieren.
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Zur Abdichtung des Kühlkreislaufes 3 und insbesondere zum Verhindern eines Austritts von Kühlmedium durch die Durchgangsöffnung 5 nach außen oder zum Eintritt des ersten fluiden Mediums 22 in den Kühlkreislauf 3, ist bevorzugt ein Dichtelement 9 vorgesehen. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist das Dichtelement 9 als ein O-Ring 10 ausgebildet, welcher zwischen dem Gehäuse 14 und dem Schraubenkopf 16 angeordnet ist. Besonders bevorzugt weist dazu der Schraubenkopf 16 eine Ausnehmung 17 auf, in welcher der O-Ring 10 derart angeordnet ist, so dass der O-Ring 10 die Durchgangsöffnung 5 nach außen hin abdichtet. Die Ausnehmung 17 ist bevorzugt komplementär zu dem O-Ring 10 ausgebildet, oder weist Haltemittel auf, so dass der O-Ring 10 gegen ein leichtes Herausfallen gesichert ist.
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Mittels des gleichen Kühlkreislaufes 3 kann erfindungsgemäß auch ein lediglich schematisch dargestelltes Leistungsmodul 100 der Leistungselektronik 1000 gekühlt werden, so dass durch den Wärmetauscher 1 mehrere Wärmequellen 2, 100, bevorzugt die gesamte Leistungselektronik 1000 gekühlt werden kann. Es ist also lediglich ein einziger Kühlkreislauf 3 zum Kühlen der Leistungselektronik 1000 mit dem Leistungsmodul 100 und den Nebenkomponenten 2 vorgesehen.
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Das Leistungsmodul 100 ist dabei rein schematisch dargestellt. Es könnte analog zu der für die Nebenkomponente 2 dargestellten Anbindung thermisch an den Kühlkreislauf 3 angebunden sein. Alternativ könnte es auch mittels des Kühlkreislaufes 3 direkt, etwa durch Umspülen mit Kühlmedium 4, oder indirekt, durch etwaige an dem Leistungsmodul 100 angeordneten und mit Kühlmedium 4 umspülten Kühlstrukturen, gekühlt werden.
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Die verschiedenen Ausführungsformen mit all ihren Merkmalen sind dabei beliebig kombinierbar und austauschbar.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- (zweite) Wärmequelle, Nebenkomponente
- 3
- Kühlkreislauf
- 4
- zweites fluides Medium, Kühlmedium
- 5
- (erste oder zweite) Durchgangsöffnung, Unterbrechung, Öffnung
- 6
- (erstes oder zweites) Wärmetransferelement, erstes Kühlverbindungselement
- 7
- Struktur
- 8
- Stiftkühlkörper, Pin Fin Struktur
- 9
- Dichtelement
- 10
- O-Ring
- 11
- drittes Wärmetransferelement, erste Wärmeleitschicht
- 12
- Schraubenelement
- 13
- Gewinde
- 14
- Versteifung, Gehäuse
- 15
- Isolierteil, Kühlkanal
- 16
- Schraubenkopf
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Gewindeteil
- 19
- kühlmittelseitiges Ende
- 20
- nebenkomponentenseitiges Ende
- 21
- Stift
- 22
- erstes fluides Medium
- 100
- (erste) Wärmequelle, Leistungsmodul
- 1000
- Leistungselektronik
