DE102021200437A1 - Aluminium-Wärmetauscher mit lötbarer Außenflächenschicht - Google Patents

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Doug Vanderwees
Meinrad K. A. Machler
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Abstract

Ein Aluminium-Wärmetauscher weist eine erste und zweite Platte mit einer Innen- und Außenfläche auf, die durch Hartlöten verbunden sind und mindestens einen Mediumströmungsdurchgang definieren. Die erste Platte und die zweite Platte umfassen jeweils eine Kernschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer Schmelztemperatur über einer Hartlöttemperatur von Aluminium. Die erste Platte weist auch eine erste äußere Plattierungsschicht auf, die die Außenfläche der ersten Platte definiert. Die erste äußere Plattierungsschicht ist an einer Metallschicht eines zu kühlenden Objekts anlötbar und weist Nickel oder Kupfer auf. Eine zweite äußere Plattierungsschicht befindet sich zwischen der ersten äußeren Plattierungsschicht und der Kernschicht und ist mit der zweiten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden. Ein Herstellungsverfahren umfasst das Hartlöten einer ersten und zweiten Platte, wobei die Schichten der ersten Platte durch Walzplattieren verbunden werden und die erste Platte vor dem Hartlöten gegebenenfalls geformt wird.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion von Wärmetauschern, insbesondere einen Wärmetauscher mit einer Außenfläche, mit der Objekte direkt verbunden werden können, beispielsweise durch Löten oder Sintern, sowie Verfahren für dessen Konstruktion.
  • HINTERGRUND
  • Elektrofahrzeuge („EV“) und Hybrid-Elektrofahrzeuge („HEV“) arbeiten mit leistungselektronischen Bauelementen, die beträchtliche Mengen an Wärmeenergie erzeugen. Diese Wärmeenergie muss abgeführt werden, damit eine zu starke Erwärmung dieser Bauelemente vermieden wird, die zu Schäden oder einer schlechteren Leistung führen könnte.
  • Leistungselektronische Bauelemente in Kraftfahrzeugen weisen typischerweise ein oder mehrere wärmeerzeugende elektronische Bauelemente wie Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Feldeffekttransistoren (FET), Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), Leistungswechselrichter, Gleichspannungswandler und Wechselrichter auf. Diese Bauelemente können an der Außenfläche eines Wärmetauschers befestigt werden, beispielsweise mit einer dünnen Schicht aus einem wärmeleitenden Zwischenmaterial (TIM), das an der Grenzfläche zwischen dem leistungselektronischen Bauelement und der Außenfläche des Wärmetauschers vorgesehen ist, damit der Wärmekontakt verbessert wird. Das TIM kann ein wärmeleitendes Fett, Wachs oder einen wärmeleitenden Metallwerkstoff umfassen.
  • Die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem elektronischen Bauelement und dem Wärmetauscher kann jedoch durch mehrere Faktoren beeinträchtigt werden, darunter Kontaktdruck, Dicke der TIM-Schicht und/oder das Vorhandensein von Hohlräumen. Es besteht folglich weiter Bedarf an einem verbesserten Wärmekontakt zwischen einem Wärmetauscher und leistungselektronischen Bauelementen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein hartgelöteter Wärmetauscher bereitgestellt, der Folgendes umfasst: (a) eine erste Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (b) eine zweite Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (c) einen umlaufenden Rand, an dem entlang die Innenflächen der ersten und zweiten Platte mittels Hartlöten bei einer Hartlöttemperatur von Aluminium zusammengefügt wurden; und (d) mindestens einen Mediumströmungsdurchgang, der zwischen den Innenflächen der ersten und zweiten Platte definiert ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfassen die erste Platte und die zweite Platte jeweils eine Kernschicht, wobei die Kernschicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst und eine Schmelztemperatur über einer Hartlöttemperatur von Aluminium aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Platte ferner: eine erste äußere Plattierungsschicht, die die Außenfläche der ersten Platte definiert, wobei die erste äußere Plattierungsschicht an einer Metallschicht eines zu kühlenden Objekts anlötbar ist und Nickel, eine Nickellegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst; und eine zweite äußere Plattierungsschicht, die sich zwischen der ersten äußeren Plattierungsschicht und der Kernschicht befindet, wobei die erste äußere Kernschicht mit der zweiten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die erste äußere Plattierungsschicht eine Dicke von ungefähr 25 bis 250 µm, beispielsweise ungefähr 50 bis 150 µm auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste äußere Plattierungsschicht Kupfer oder eine Kupferlegierung; wobei die zweite äußere Plattierungsschicht mit der Kernschicht und mit der ersten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist; und wobei die zweite äußere Plattierungsschicht Nickel, eine Nickellegierung, Edelstahl, einen Stahl mit hohem Nickelgehalt oder Weichstahl umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die zweite äußere Plattierungsschicht eine Dicke von über 10 µm bis ungefähr 150 µm auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die zweite äußere Plattierungsschicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und weist eine Schmelztemperatur über der Hartlöttemperatur von Aluminium auf; und umfasst die erste Platte ferner eine dritte äußere Plattierungsschicht; wobei die dritte äußere Plattierungsschicht mit der zweiten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist; und wobei die dritte äußere Plattierungsschicht Nickel oder eine Nickellegierung umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die dritte äußere Plattierungsschicht auch mit der Kernschicht durch Walzplattieren verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Dicke der ersten äußeren Plattierungsschicht identisch mit der Dicke der dritten äußeren Plattierungsschicht oder die Dicke der ersten und dritten Schicht liegen innerhalb von ungefähr ±25% voneinander.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die zweite äußere Plattierungsschicht dünner als die Kernschicht.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Platte ferner eine erste innere Plattierungsschicht, die die Innenfläche der ersten Platte definiert und eine Aluminiumlegierung umfasst, die bei der Hartlöttemperatur von Aluminium schmilzt und einen Zusatzwerkstoff bildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Platte ferner eine zweite innere Plattierungsschicht, die direkt mit einer gegenüberliegenden Seite der Kernschicht durch Walzplattieren mit der ersten äußeren Plattierungsschicht verbunden ist und die Nickel oder eine Nickellegierung umfasst.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die erste Platte ferner eine dritte äußere Plattierungsschicht, die mit der zweiten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist, und eine vierte äußere Plattierungsschicht, die mit der dritten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist; und umfasst die dritte äußere Plattierungsschicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und weist eine Schmelztemperatur über der Hartlöttemperatur von Aluminium auf, und umfasst die vierte äußere Plattierungsschicht Nickel, eine Nickellegierung, Edelstahl, einen Stahl mit hohem Nickelgehalt oder Weichstahl.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst sowohl die zweite als auch die vierte äußere Plattierungsschicht Nickel oder eine Nickellegierung und die vierte äußere Plattierungsschicht ist mit der Kernschicht durch Walzplattieren verbunden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher ferner ein zu kühlendes Objekt, das eine Metallschicht aufweist, die mit der ersten äußeren Plattierungsschicht über eine metallurgische Verbindung verbunden wurde, die aus einer Lötmittelverbindung, einer Ultraschallschweißverbindung oder einer Sinterverbindung ausgewählt ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das zu kühlende Objekt über eine Lötverbindung mit der ersten äußeren Plattierungsschicht verbunden und wobei der Wärmetauscher ferner eine Lotschicht zwischen der ersten äußeren Plattierungsschicht und der Metallschicht des zu kühlenden Objekts umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein hartgelöteter Wärmetauscher bereitgestellt, der Folgendes umfasst: (a) eine erste Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (b) eine zweite Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (c) einen umlaufenden Rand, an dem entlang die Innenflächen der ersten und zweiten Platte mittels Hartlöten bei einer Hartlöttemperatur von Aluminium zusammengefügt wurden; und (d) mindestens einen Mediumströmungsdurchgang, der zwischen den Innenflächen der ersten und zweiten Platte definiert ist. Die erste Platte und die zweite Platte umfassen jeweils eine Kernschicht, wobei die Kernschicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst und eine Schmelztemperatur über einer Hartlöttemperatur von Aluminium aufweist; und die erste Platte umfasst ferner: eine erste äußere Plattierungsschicht, die die Außenfläche der ersten Platte definiert, wobei die erste äußere Plattierungsschicht an einer Metallschicht eines zu kühlenden Objekts anlötbar ist und Nickel, eine Nickellegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst; und eine zweite innere Plattierungsschicht, die direkt mit einer gegenüberliegenden Seite der Kernschicht durch Walzplattieren mit der ersten äußeren Plattierungsschicht verbunden ist und die Nickel oder eine Nickellegierung umfasst.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Herstellung eines wie vorliegend beschriebenen Wärmetauschers bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: (a) Bereitstellen einer ersten und zweiten Platte, wobei die erste Platte eine Vielzahl von Schichten umfasst, die die erste äußere Plattierungsschicht, die zweite äußere Plattierungsschicht und die Kernschicht aufweist, wobei die Schichten der ersten Platte durch Walzplattieren miteinander verbunden wurden; (b) Formen der ersten und/oder zweiten Platte mit einem Formgebungsvorgang, der aus Stanzen und Ziehen ausgewählt ist; (c) Verbinden der ersten Platte mit der zweiten Platte bei der Hartlöttemperatur von Aluminium durch Hartlöten und (d) Verbinden der Metallschicht des zu kühlenden Objekts mit der Außenfläche der ersten Platte und mit der ersten äußeren Plattierungsschicht über einen metallurgischen Verbindungsvorgang, der ausgewählt ist aus Löten, Ultraschallschweißen oder Sintern.
  • Gemäß einem Aspekt umfasst die erste Platte ferner eine erste innere Plattierungsschicht, die eine Aluminiumlegierung umfasst, die bei der Hartlöttemperatur von Aluminium schmilzt und einen Zusatzwerkstoff bildet, wobei die erste innere Plattierungsschicht vor Schritt (a) durch Walzplattieren mit der Kernschicht verbunden wurde.
  • Figurenliste
  • Es werden nun beispielhaft Ausführungsbeispiele für die vorliegende Offenbarung unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:
    • 1 eine Seitenansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt ist;
    • 2 eine Seitenansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt ist;
    • 3 eine Seitenansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt ist;
    • 4 eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform im Querschnitt ist, an dem ein zu kühlendes Objekt befestigt ist;
    • 5 eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts eines Wärmetauschers gemäß einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt ist, an dem ein zu kühlendes Objekt befestigt ist;
    • 6 eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts eines Wärmetauschers gemäß einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt ist, an dem ein zu kühlendes Objekt befestigt ist; und
    • 7 eine vergrößerte Seitenansicht eines Abschnitts eines Wärmetauschers gemäß einer weiteren Ausführungsform im Querschnitt ist, an dem ein zu kühlendes Objekt befestigt ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird nun nachstehend ein Wärmetauscher 10 gemäß einer Ausführungsform beschrieben.
  • Der Wärmetauscher 10 umfasst eine erste Platte 12 und eine zweite Platte 14, die an ihren umlaufenden Rändern miteinander verbunden sind, wobei Bereiche der ersten und zweiten Platte 12, 14, die zu den umlaufenden Rändern innen liegen, einen Abstand zueinander aufweisen und so mindestens einen Mediumströmungsdurchgang 16 für ein Wärmeträgermedium zwischen den Platten 12, 14 definieren.
  • Zumindest die erste Platte 12 ist eine Wärmeleitplatte mit einer ersten Fläche 18 (vorliegend auch als „Innenfläche“ bezeichnet), die mit einem Wärmeträgermedium in Wärmekontakt gebracht werden soll und die in Richtung des Mediumströmungsdurchgangs 16 und der zweiten Platte 14 weist. Die erste Platte 12 weist auch eine gegenüberliegende zweite Fläche 20 (vorliegend auch als „Außenfläche“ bezeichnet) auf, die mit mindestens einem zu erwärmenden oder zu kühlenden Objekt 21 in Kontakt gebracht werden soll.
  • Die zweite Platte 14 des Wärmetauschers 10 ist, beispielsweise durch Stanzen, geformt und weist eine flache ebene Basis 22 auf, die auf allen Seiten mit einem erhabenen Umfangsflansch 24 umgeben ist, der eine Umfangsdichtfläche 26 aufweist, an der entlang die zweite Platte 14 an der Innenfläche 18 der ersten Platte 12 beispielsweise mittels Kaltlöten oder Schweißen mit einer Umfangsdichtfläche 28 verbunden ist. Die zweite Platte 14 weist eine erste Fläche 38 (vorliegend auch als „Innenfläche“ bezeichnet), die mit einem Wärmeträgermedium in Wärmekontakt gebracht werden soll und die in Richtung des Mediumströmungsdurchgangs 16 und der ersten Platte 12 weist, sowie eine gegenüberliegende zweite Fläche 40 (vorliegend auch als „Außenfläche bezeichnet“) auf. Die Außenfläche 40 kann auch für den Kontakt mit mindestens einem zu erwärmenden oder zu kühlenden Objekt 21 ausgelegt sein.
  • Das bezogen auf die Außenflächen 20, 40 der ersten und zweiten Platte 12, 14 verwendete Wort „Kontakt“ bedeutet im vorliegenden Dokument „Wärmekontakt“ in dem Sinne, dass Wärme durch die erste und/oder zweite Platte 12, 14 zwischen dem Wärmeträgermedium und dem zu kühlenden Objekt 21 geleitet wird. Sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, soll das Wort „Kontakt“ im vorliegenden Dokument nicht als direkter physischer Kontakt ausgelegt werden. Es ist vielmehr zu erkennen, dass Flächen oder Objekte, die Wärmekontakt haben, nicht unbedingt direkten physischen Kontakt zueinander aufweisen, sondern vielmehr durch ein Zwischenelement, eine Zwischenschicht oder einen dazwischen befindlichen Stoff getrennt sein können. So kann beispielsweise die Innenfläche 18 der ersten Platte 12 über eine Zwischenplatte, ein Zwischenblech oder eine Zwischenlage zu dem Wärmeträgermedium in dem Mediumströmungsdurchgang 16 Wärmekontakt haben. Zudem können die Außenflächen 20, 40 der ersten und/oder zweiten Platte 12, 14 über einen dazwischen befindlichen Stoff wie eine Lotschicht, die in der nachstehend erörterten 2 mit dem Bezugszeichen 23 versehen ist, Wärmekontakt zu dem Objekt 21 haben. Diese Lotschicht 23 wird vorliegend auch als „erste Lotschicht“ bezeichnet.
  • Das zu kühlende Objekt 21 umfasst ein wärmeerzeugendes elektronisches Bauelement wie einen Transistor, Widerstand, Kondensator, Feldeffekttransistor (FET), ein Modul aus Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) oder ein Substrat davon, einen Leistungswechselrichter, einen Gleichspannungswandler oder einen Wechselrichter. Das Objekt 21 kann auch Leiterplatten mit Steuerkontrolllogik, Busschienen, Steckern und einem Außengehäuse aufweisen. In den Zeichnungen ist zwar ein Objekt 21 dargestellt, jedoch ist zu erkennen, dass an der Außenfläche 20 der ersten Platte 12 und/oder an der Außenfläche 40 der zweiten Platte 14 eine Vielzahl von Objekten 21 vorgesehen sein kann.
  • Der Wärmetauscher 10 ist vorliegend so beschrieben, dass er zwar eine bestimmte Gestaltung und Funktion aufweist, jedoch ist zu erkennen, dass die vorliegend beschriebenen Wärmetauscher und Herstellungsverfahren auf andere Arten von Wärmetauschern anwendbar sind, bei denen flache Platten verwendet werden, darunter Wärmeableitvorrichtungen wie Kühlkörper, bei denen eine Fläche für den Kontakt mit einem zu kühlenden Objekt bestimmt ist und eine gegenüberliegende Fläche mit einem stehenden oder strömenden Kühlmittel wie Luft in Kontakt ist, und die mit Kühlrippen versehen sein können.
  • In der Ausführungsform von 1 sind die Innen- und Außenfläche 18, 20 der ersten Platte 12 im Wesentlichen flach und eben. Die gesamte erste Platte 12 ist zwar als flach und eben dargestellt, jedoch muss dies nicht in allen Ausführungsformen zutreffen. In einigen Ausführungsformen kann die erste Platte 12 in Bereichen flach und eben sein, die mit dem zu kühlenden Objekt 21 Kontakt haben werden, ist jedoch möglicherweise in anderen Bereichen nicht eben.
  • 2 zeigt beispielsweise einen Wärmetauscher 10', der eine Variante des Wärmetauschers 10 ist, bei dem die erste Platte 12 eine geformte Platte ist, die mit einer flachen, ebenen Basis 22' ausgebildet ist, die von einem erhabenen Umfangsflansch 24' ähnlich dem von der zweiten Platte 14 umgeben ist.
  • 3 zeigt einen Wärmetauscher 10", der eine weitere Variante des Wärmetauschers 10 ist, bei dem die erste Platte 12 einen Kühlkörper in Form einer verhältnismäßig dicken, flachen Platte umfasst, deren Innenfläche 18 an einer Fläche einer dünner geformten Zwischenplatte 15 befestigt ist, die eine Wand einer Mediumtransportplatte definiert, wie sie in der gemeinsam erteilten US-Patentschrift 10,475,724 beschrieben ist, die durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist. Bei dieser Konstruktion hat die Innenfläche 18 der ersten Platte 12 Wärmekontakt zu einem flüssigen Kühlmittel, das die Mediumtransportplatte durch die dünner geformte Platte 15 befördert, während die Außenfläche 20 des Kühlkörpers 12 Wärmekontakt zu dem zu kühlenden Objekt 21 hat. Die zweite Platte 14 weist eine flache, ebene Basis 22 auf, die auf allen Seiten von einem erhabenen Umfangsflansch 24 umgeben ist, der eine Umfangsdichtfläche 26 aufweist, und der Wärmetauscher 10" umfasst ferner eine Zwischenplatte 15 mit einer Umfangsdichtfläche 29 und einem erhabenen Umfangsflansch 25, der eine flache Plattenwand 27 umgibt. Die Umfangsdichtfläche 26 der zweiten Platte 14 ist beispielsweise mittels Hartlöten mit der Umfangsdichtfläche 29 der Zwischenplatte 15 verbunden, wobei der Mediumströmungsdurchgang 16 zwischen der zweiten Platte 14 und der Zwischenplatte 15 definiert ist. Die erste Platte 12 kann flach und dicker als die zweite Platte 14 und die Zwischenplatte 15 sein und die Innenfläche 18 der ersten Platte 12 kann an der flachen Plattenwand 27 der Zwischenplatte 15 beispielsweise mittels Hartlöten befestigt sein. In dieser Ausführungsform ist die Innenfläche 18 der ersten Platte 12 vom Mediumströmungsdurchgang 16 durch die flache Plattenwand 27 der Zwischenplatte 15 getrennt.
  • In einigen Ausführungsformen umfassen die Platten 12, 14, 15 Aluminium oder Legierungen davon und werden mittels Hartlöten, typischerweise in einem Lötofen, mit oder ohne Flussmittel zusammengefügt. Zum Ermöglichen des Hartlötens ist zwischen den zu fügenden Flächen ein Zusatzwerkstoff für das Hartlöten vorgesehen. Wie nachstehend weiter erörtert wird, kann der Zusatzwerkstoff für das Hartlöten in Form einer Plattierungsschicht auf den Dichtflächen 26, 28 der ersten Platte 12 und/oder der zweiten Platte 14, einer zwischen den Dichtflächen 26, 28 angeordneten Zwischenlage und/oder einer zwischen den Dichtflächen 26, 28 angeordneten Lage aus plattiertem Lotblech vorliegen. Die Flächen 26, 28 haben möglicherweise keinen direkten Kontakt zueinander, sondern können vielmehr über eine Schicht aus einem Zusatzwerkstoff für das Hartlöten und/oder ein Lotblech miteinander verbunden werden.
  • Der Wärmetauscher 10 weist zudem einen Zulauf- und Ablaufanschluss 30, 32 auf, der mit einem Zulauf- und Ablauffitting 34, 36 versehen ist, damit der Wärmetauscher 10 mit anderen Komponenten eines Kühlmittelkreislaufs (nicht dargestellt) verbunden wird. In dem in 1 dargestellten Wärmetauscher 10 sind der Zulauf- und Ablaufanschluss 30, 32 sowie die Fittings 34, 36 in der ersten Platte 12 vorgesehen und befinden sich an gegenüberliegenden Enden davon, sodass das Kühlmittel durch den Zulaufanschluss 30 und den Zulauffitting 34 in den Wärmetauscher 10 strömt, dann durch die Länge des Kühlmittelströmungsdurchgangs 16 strömt und durch den Ablaufanschluss 32 und den Ablauffitting 36 aus dem Wärmetauscher 10 strömt. Die in den Zeichnungen dargestellte Lage der Anschlüsse 30, 32 und der Fittings 34, 36 ist nicht ausschlaggebend und es sind andere Gestaltungen möglich. Sowohl die Anschlüsse 30, 32 als auch die Fittings 34, 36 können sich beispielsweise am selben Ende des Wärmetauschers 10 befinden.
  • Das zu kühlende Objekt 21 weist eine ebene Fläche auf, damit zu der Außenfläche 20, 40 der ersten und/oder zweiten Platte 12, 14 ein enger Wärmekontakt besteht. Die von dem zu kühlenden Objekt 21 erzeugte Wärme wird durch die erste Platte 12 entweder direkt oder über eine oder mehrere wie zuvor erörterte Zwischenschichten auf das Kühlmittel übertragen, das durch den Kühlmittelstromdurchgang 16 strömt.
  • In den Zeichnungen ist dargestellt, dass der Wärmetauscher 10 zwar eine bestimmte Gestaltung aufweist, bei der die erste und zweite Platte 12, 14 länglich und im Allgemeinen rechteckig sind und bei der sich die Anschlüsse 30, 32 und Fittings 34, 36 in der ersten Platte 12 befinden, jedoch ist zu erkennen, dass die Zeichnungen lediglich ein paar mögliche Gestaltungen von Wärmetauschern veranschaulichen. Es ist auch zu erkennen, dass die Formen der Platten 12, 14 unterschiedlich ausfallen können und dass einer der oder beide Anschlüsse 30, 32 und ihre zugehörigen Fittings 34, 36 in der zweiten Platte 14 angeordnet sein können, wie in 2 und 3 dargestellt ist. Die relative Dicke der Platten 12 und 14 sind in den Zeichnungen ferner nicht genau maßstabsgerecht dargestellt. In einigen Anwendungen kann die erste Platte 12 eine Dicke aufweisen, die wesentlich größer ist als die Dicke der zweiten Platte 14 und/oder der Zwischenplatte 15, falls sie vorgesehen ist.
  • Die veranschaulichten Ausführungsformen zeigen, dass der Wärmetauscher 10 einen einzelnen Mediumströmungsdurchgang 16 umfasst, der von einem Paar von Platten 12, 14 oder 15 eingefasst ist. Es ist jedoch zu erkennen, dass der Wärmetauscher 10 zusätzliche Paare von Platten 12, 14 oder 12, 15 aufweisen kann. Der Wärmetauscher 10 kann beispielsweise ein zweites Paar von Platten 12, 14 oder 12, 15 aufweisen, die oben auf dem zu kühlenden Objekt 21 vorgesehen sind, und es können (nicht dargestellte) Verteiler vorgesehen sein, die die Kühlmittelströmungsdurchgänge 16 der beiden Paare von Platten 12, 14 verbinden. Diese Verteiler können an im Wesentlichen denselben Stellen vorgesehen sein, an denen sich in der veranschaulichten Ausführungsform die Fittings 34, 36 befinden, oder sie können außerhalb der Platten 12, 14, 15 vorgesehen sein. Wärmetauscherstrukturen mit mehreren Plattenpaaren sind in den gemeinsam erteilten US-Patentschriften 9,417,011, 9,829,256 und 10,475,724 dargestellt, wobei letztere eine Gestaltung offenbart, bei der die Verteiler in einer Struktur vorgesehen sind, die sich außerhalb der Mediumtransportplatten befindet.
  • Nachdem nun der grundlegende Aufbau des Wärmetauschers 10 beschrieben wurde, konzentriert sich die folgende Erörterung auf den Schichtaufbau aus den Wärmetauscherplatten 12, 14 und dem zu kühlenden Objekt 21.
  • In der folgenden Erörterung wird angenommen, dass die Platten 12, 14, 15, die den Wärmetauscher 10 bilden, eine hartlötbare Aluminiumlegierung umfassen, wobei die Aluminium-Knetlegierung der 3000er Reihe am häufigsten als Kernschicht der Aluminium-Wärmetauscherplatten 12, 14 und/oder 15 verwendet wird, wobei die Aluminiumlegierung 3003 und 3005 verbreitet bei der Industrieproduktion von Wärmetauschern zum Einsatz kommt. Die Aluminiumlegierungen der 3000er Reihe umfassen Aluminium, das mit Mangan legiert ist, und weisen eine höhere Festigkeit auf als reines Aluminium, während gleichzeitig eine gute Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aufrechterhalten bleibt. Der Schmelzpunkt von Aluminiumlegierungen der 3000er Reihe liegt bei ungefähr 629 bis 654 °C (1165 bis 1210 °F). Alternativ können die Kernschichten der Platten 12, 14 und/oder 15 bei einigen Anwendungen andere, weniger übliche Legierungen wie Legierungen der Reihe 1000, 2000, 5000, 6000, 7000 und 8000 oder Aluminiumgusslegierungen umfassen.
  • Eine oder mehrere der Platten 12, 14, 15 kann bzw. können ferner eine Oberflächenschicht oder Plattierung umfassen, die eine niedriger schmelzende Aluminiumlegierung wie eine Aluminium-Knetlegierung der 4000er Reihe umfasst, die Aluminium und Silizium umfasst, wobei die Aluminiumlegierung 4043 bei der Industrieproduktion von Wärmetauschern häufig als Zusatzwerkstoff in Form einer Legierung zum Hartlöten eingesetzt wird. Der Schmelzbereich der Aluminiumlegierung 4043 liegt zwischen ungefähr 573 und 625 °C. Die Plattierungsschicht kann mit einer oder mehreren galvanisierten Schicht(en), darunter Nickel, versehen sein, damit Aluminium flussmittelfrei hartgelötet werden kann, wie beispielsweise in den gemeinsam erteilten US-Patentschriften 7,000,823 und 6,913,184 offenbart ist, deren Inhalt durch Bezugnahme vollständig in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
  • Hartlöten wird danach definiert, dass die Liquidustemperatur der Hartlotlegierung unter dem Schmelzpunkt der Kernschicht der Platte 12, 14 und/oder 15 und über 450 °C (842 °F) liegen muss. Wie vorliegend definiert ist, ist die Aluminium-Hartlöttemperatur als die Temperatur definiert, bei der die Platten 12, 14, 15 des Wärmetauschers 10 miteinander durch Hartlöten verbunden werden, und liegt im Bereich von ungefähr 550 bis 615 °C.
  • 4 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung, die vereinfacht ein Objekt 21 veranschaulicht, das an der Außenfläche 20, 40 von einer der Platten 12, 14, 15 eines Wärmetauschers 10 befestigt ist, wie vorliegend beschrieben ist. 4 veranschaulicht vereinfacht die verschiedenen Schichten der Platten 12, 14, 15 und das zu kühlende Objekt 21. Es ist zu erkennen, dass die Dicken der verschiedenen Schichten nicht maßstabsgerecht dargestellt sind.
  • Es ist dargestellt, dass die Platte 12, 14, 15 eine Kernschicht 42 aufweist, die zwischen einer ersten inneren Plattierungsschicht 44 und einer ersten äußeren Plattierungsschicht 46 angeordnet ist, wobei Plattierungsschichten 44, 46 entlang der jeweiligen Innenfläche 18, 38 und Außenfläche 20, 40 der Platte 12, 14, 15 vorgesehen sind.
  • Die Kernschicht 42 umfasst eine hartlötbare Aluminiumlegierung, was bedeutet, dass die Kernschicht 42 eine Schmelztemperatur (Liquidustemperatur) aufweist, die ausreichend hoch ist, dass sie bei Hartlöttemperaturen, d.h. über 450 °C (842 °F) und beispielsweise über 625 °C, fest bleibt und nicht schmilzt. Die Kernschicht 42 kann Legierungen der 1000er, 2000er, 3000er, 5000er, 6000er, 7000er oder 8000er-Reihe oder Aluminiumgusslegierungen umfassen. Die Kernschicht kann beispielsweise eine Aluminium-Knetlegierung der 3000er Reihe umfassen, beispielsweise eine Aluminiumlegierung 3003 oder 3005. Die Dicke der Kernschicht 42 ist veränderlich und kann von ungefähr 0,5 mm bis ungefähr 2,5 mm reichen.
  • Die erste innere Plattierungsschicht 44 umfasst eine niedriger schmelzende Aluminiumlegierung, die bei Hartlöttemperaturen schmilzt und einen Zusatzwerkstoff bildet, beispielsweise eine Aluminium-Knetlegierung der 4000er Reihe, die Aluminium und Silizium umfasst, beispielsweise die Aluminiumlegierung 4043. Die erste innere Plattierungsschicht 44 kann sich deshalb während des Hartlötens des Wärmetauschers 10 zumindest teilweise verbrauchen, und die Grenzfläche zwischen der Schicht 44 und den angrenzenden Schichten der Platte 12, 14, 15 ist in 4 bis 6 mit einer Punktlinie dargestellt.
  • Wie zuvor erörtert ist, ist die erste innere Plattierungsschicht 44 optional. Bei einigen Ausführungsformen können stattdessen Zwischenlagen oder Vorformen mit derselben oder einer ähnlichen Zusammensetzung und Dicke wie die erste innere Plattierungsschicht 44 verwendet werden, die typischerweise im Bereich von ungefähr 10 bis 100 µm liegt.
  • Die erste äußere Plattierungsschicht 46 umfasst Metall und bleibt während eines Hartlötvorgangs, bei dem der Wärmetauscher 10 montiert wird, unversehrt. Die erste äußere Plattierungsschicht 46, die das Metall bzw. die Metalle umfasst, wird deshalb vor dem Hartlöten auf die Platte 12, 14 oder 15 aufgebracht und weist einen ausreichend hohen Schmelzpunkt auf, dass sie während des Hartlötens nicht schmilzt.
  • Die erste äußere Plattierungsschicht 46, die das Metall bzw. die Metalle umfasst, ist zudem lötbar, was bedeutet, dass die erste äußere Plattierungsschicht 46 dazu in der Lage ist, eine Lötverbindung mit dem zu kühlenden Objekt 21 zu bilden, d.h. nach dem Hartlöten. Zur Ausbildung einer Lötverbindung muss die erste äußere Plattierungsschicht 46 mit dem Lot „benetzt“ werden. Wenn die erste äußere Plattierungsschicht 46 und eine Lotzusammensetzung auf eine Löttemperatur (definiert als unter 450°C oder 842°F liegend) erwärmt werden, schmilzt somit die Lotzusammensetzung und „benetzt“ die Außenfläche der ersten äußeren Plattierungsschicht 46, was bedeutet, dass das geschmolzene Lot in die Oberfläche der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 eindringt und so die erste Lotschicht 23 bildet, die eine intermetallische Verbindung zu der Außenfläche der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 aufweist.
  • In einigen Ausführungsformen ist die erste äußere Plattierungsschicht 46 ohne Einsatz der Lotschicht 23 mit dem Objekt 21 verbindbar. In diesem Zusammenhang kann die erste äußere Plattierungsschicht 46 durch Sintern oder durch Ultraschallkleben oder -schweißen mit dem Objekt 21 verbunden werden.
  • In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die erste äußere Plattierungsschicht 46 Nickel, eine Nickellegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung. Nickel schmilzt bei 1.455 °C und Kupfer schmilzt bei 1.085 °C und deshalb weist die äußere Plattierungsschicht einen ausreichend hohen Schmelzpunkt auf, dass sie während des Hartlötens unversehrt bleibt. Kupfer, Nickel und ihre Legierungen sind ebenfalls lötbar und werden mit Lotzusammensetzungen benetzt. Die Dicke der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 ist veränderlich und kann ungefähr 25 bis 250 µm, beispielsweise ungefähr 25 bis 150 µm oder ungefähr 50 bis 100 µm betragen.
  • Kupfer und Aluminium bilden eine eutektische Zusammensetzung, die bei ungefähr 548 °C schmilzt, was niedriger ist als die Temperatur, bei der die Platten 12, 14, 15 des Wärmetauschers 10 miteinander per Hartlöten verbunden werden, insbesondere wenn sie Aluminiumlegierungen aus der 3000er Reihe umfassen. In Ausführungsformen, in denen die erste äußere Plattierungsschicht 46 Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst, ist es deshalb unerwünscht, dass die erste äußere Plattierungsschicht 46 direkten Kontakt zu der Kernschicht 42 der Platte 12, 14, 15 aufweist, mit der sie verbunden wird, da das Kupfer der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 während des Hartlötens mit Aluminium der Kernschicht 42 zusammenkommt und somit eine eutektische Zusammensetzung bildet, die während des Hartlötens zumindest teilweise schmelzen kann. Durch die Ausbildung und das Schmelzen der eutektischen Zusammensetzung während des Hartlötens wird die Kernschicht 42 wirksam erodiert und nimmt ihre Dicke ab und wird die strukturelle Integrität des Wärmetauschers 10 negativ beeinflusst.
  • In Ausführungsformen, in denen die erste äußere Plattierungsschicht 46 Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst, ist deshalb zwischen der Innenfläche der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 und der Aluminiumkernschicht 42 eine zweite äußere Plattierungsschicht 48 vorgesehen. Die zweite äußere Plattierungsschicht 48 sorgt für eine Barriere zwischen der kupferbasierten ersten äußeren Plattierungsschicht 46 und der Aluminiumkernschicht 42 der Platte 12, 14, 15. Die zweite äußere Plattierungsschicht 48 umfasst deshalb ein Metall, das sowohl mit Aluminium als auch mit Kupfer verbindbar ist, das bei Hartlöttemperaturen kein niedrig schmelzendes Eutektikum mit Aluminium oder Kupfer ausbildet und das eine ausreichend hohe Schmelztemperatur aufweist, damit es bei Hartlöttemperaturen in fester Form bleibt, und das ausreichend dick ist, dass es während des Hartlötens seine strukturelle Integrität behält.
  • So kann beispielsweise die zweite äußere Plattierungsschicht 48 Nickel, eine Nickellegierung, Edelstahl, Stahl mit einem hohen Nickelgehalt oder Weichstahl umfassen. Die Dicke der zweiten äußeren Plattierungsschicht 48 ist veränderlich und kann ungefähr 10 bis 150 µm, beispielsweise ungefähr 50 bis 100 µm betragen. Wenn die zweite äußere Plattierungsschicht 48 Nickel oder eine Nickellegierung umfasst, weist die zweite äußere Plattierungsschicht 48 eine Dicke von mehr als 10 µm bis ungefähr 150 µm, beispielsweise von mehr als 10 µm bis ungefähr 100 µm oder mehr als 10 µm bis ungefähr 50 µm auf.
  • Wenn das Metall bzw. die Metalle, das bzw. die die erste äußere Plattierungsschicht 46 bildet bzw. bilden, während des Hartlötens keine niedrigschmelzende eutektische Zusammensetzung mit Aluminium ausbildet bzw. ausbilden, kann die zweite äußere Plattierungsschicht 48 weggelassen werden. In Ausführungsformen, in denen die erste äußere Plattierungsschicht 46 Nickel oder eine Nickellegierung umfasst, kann die erste äußere Plattierungsschicht 46 deshalb direkt mit der Kernschicht 42 der Platte 12, 14 oder 15 verbunden werden.
  • Die erste Lotschicht 23 umfasst eine Metallzusammensetzung mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 90 bis 450 °C und mit einer veränderlichen Zusammensetzung. In Lotzusammensetzungen vorhandene typische Elemente umfassen Zinn, Blei, Kupfer, Silber, Bismut, Indium, Zink, Antimon, Cadmium, Aluminium usw. Der Schmelzpunkt der Lotzusammensetzung liegt typischerweise im Bereich von ungefähr 150 °C bis ungefähr 400 °C.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Außenfläche der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 „verzinnt“ sein, d.h. zumindest ein Teil der Lotzusammensetzung, den die erste Lotschicht 23 umfasst, oder eine andere Lotzusammensetzung wird als dünne, durchgehende Schicht auf die Außenfläche der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 aufgebracht, bevor das Objekt 21 an dem Wärmetauscher 10 angelötet wird. Das Verzinnen trägt bei einigen Metallen dazu bei, dass eine Lötverbindung hergestellt wird, und ist von Vorteil, wenn die erste äußere Plattierungsschicht 46 Nickel oder eine Nickellegierung umfasst. Die rechte Seite von 4 zeigt die erste Lotschicht 23, die als durchgehende Schicht, der Verzinnung entsprechend, über die Ränder des Objekts 21 hinaus nach außen verläuft. Im Gegensatz dazu zeigt die linke Seite von 4, dass sich die erste Lotschicht 23 möglicherweise nur durch den Bereich der Basis des Objekts 21 und die unmittelbare Umgebung davon erstreckt.
  • Zum Aufbrechen der Oxidschicht auf der Außenfläche der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 kann vor und/oder während des Verzinnungsvorgangs, falls er zum Einsatz kommt, und vor und/oder während des Anlötens des Objekts 21 an die Platte 12, 14, 15 ein Flussmittel verwendet werden.
  • Das zu kühlende Objekt 21 umfasst eine Vielzahl von Schichten, die in 4 und 5 veranschaulicht sind. Ganz allgemein betrachtet umfasst das Objekt 21 mindestens einen Halbleiterchip 50, der auf einem elektrisch isolierenden Substrat 52 befestigt ist, und weist zusätzliche Schichten auf, damit der Chip 50 mit dem Substrat 52 und das Substrat 52 mit der Platte 12, 14, 15 verbunden werden kann. Das Substrat 52 kann eine Keramik wie Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Aluminiumnitrid (AIN) umfassen.
  • In der veranschaulichten Ausführungsform ist das elektrisch isolierende Substrat 52 mit Schichten aus lötbarem Metall wie Kupfer versehen. Diese obere und untere Metallschicht sind mit den Bezugszeichen 54 und 56 versehen und stellen lötbare Flächen zum Verbinden mit den Flächen angrenzender Komponenten und/oder zur Herstellung von elektrischer Leitfähigkeit dar. Wenn die Metallschichten 54, 56 Kupfer umfassen und das Substrat 52 Keramik umfasst, werden die Schichten 54/52/56 typischerweise als DBC-Schicht (direct bonded copper) bezeichnet, die in den Zeichnungen mit dem Bezugszeichen 60 angegeben ist. Zwischen dem Chip 50 und der oberen Metallschicht 54 befindet sich eine zweite Lotschicht 58.
  • Die Zusammensetzung der ersten und zweiten Lotschicht 23, 58 kann sich unterscheiden und kann unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen. Wenn die DBC-Schicht 60 beispielsweise zuerst (d.h. vor dem Aufbringen des Chips 50 auf die DBC-Schicht 60) auf die Platte 12, 14, 15 aufgebracht wird, weist die erste Lotschicht 23 einen höheren Schmelzpunkt auf als die zweite Lotschicht 58. Alternativ ist, wenn die DBC-Schicht 60 zuerst mit einem oder mehreren Chips 50 versehen wird, bevor sie mit der Platte 12, 14, 15 verbunden wird, der Schmelzpunkt der zweiten Lotschicht 58 höher als der der ersten Lotschicht 23.
  • Im Gegensatz zu bekannten Wärmetauschern, bei denen eine TIM-Schicht zwischen dem Objekt 21 und der Platte 12, 14, 15 vorgesehen ist, sorgt die wie vorliegend beschriebene direkte Verbindung zwischen dem Objekt 21 und der Platte 12, 14, 15 für eine direkte thermische Verbindung, die den Wärmewiderstand zwischen dem Objekt 21 (einschließlich Chip 50) und dem Wärmeträgermedium herabsetzt, das durch den mindestens einen Mediumströmungsdurchgang 16 des Wärmetauschers 10 strömt. Dadurch kann das Objekt 21 bei einer niedrigeren Temperatur arbeiten und/oder kann bei einer bestimmten Temperatur des Wärmeträgermediums mehr Energie durch das Objekt 21 geleitet werden.
  • 5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die mit der in 4 dargestellten Ausführungsform identisch ist, abgesehen davon, dass die Platte 12, 14, 15 in der Nähe ihrer Innenfläche 18, 38 eine weitere Metallschicht 62 aufweist, die vorliegend auch als die „zweite innere Plattierungsschicht“ bezeichnet wird.
  • Es ist zu erkennen, dass Aluminium, Kupfer und Nickel unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufweisen, wenn sie beispielsweise während des Hartlötens auf hohe Temperaturen erwärmt werden. Aufgrund ihres mehrschichtigen Aufbaus mit der Schicht 46 und optional der Schicht 48 auf einer Seite einer Aluminiumkernschicht 42 kann deshalb die Platte 12, 14 oder 15 aufgrund der Kräfte, die durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Kernschicht 42, der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 und der zweiten äußeren Plattierungsschicht 48 (falls sie vorgesehen ist) auftreten, beim Erwärmen auf den Bereich der Hartlöttemperatur zum Verziehen oder Verbiegen neigen. Die Innenflächen 18, 38 der Platten 12, 14 können sich beispielsweise konkav verziehen, während sich die Außenfläche 20, 40 konvex verziehen kann. Jegliches Verziehen der Platte 12, 14, 15 ist unerwünscht, da es die Ebenheit der Dichtflächen der Platten 12, 14, 15 beeinträchtigen kann, wodurch sie sich schlechter mediumdicht abgedichtet durch Hartlöten miteinander verbinden lassen. Durch ein Verziehen der Außenflächen der Platten 12, 14 reduziert sich zudem der Wärmekontakt zu allen beliebigen Objekten 21, die anschließend mit den Platten 12, 14 verbunden werden.
  • Die zweite innere Plattierungsschicht 62 ist auf der gegenüberliegenden Seite (Innenseite) der Platte 12, 14 oder 15 aufgebracht, um Kräfte auszugleichen, die durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung der Schichten auftreten, wodurch die Neigung der Platte 12, 14 oder 15 zum Verziehen oder Verbiegen während des Hartlötens reduziert wird.
  • Wie dargestellt ist, kann die zweite innere Plattierungsschicht 62 direkt auf die Kernschicht 42 aufgebracht werden. In Ausführungsformen, in denen eine erste innere Plattierungsschicht 44 vorgesehen ist, ist die zweite innere Plattierungsschicht 62 zwischen der Kernschicht 42 und der ersten inneren Plattierungsschicht 44 vorgesehen. Die zweite Plattierungsschicht 62 weist einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die erste äußere Plattierungsschicht 46 und/oder die zweite äußere Plattierungsschicht 48 auf und kann gegebenenfalls dasselbe bzw. dieselben Metall(e) wie die erste äußere Plattierungsschicht 46 und/oder die zweite äußere Plattierungsschicht 48 umfassen. In Ausführungsformen, in denen die erste äußere Plattierungsschicht 46 oder die zweite äußere Plattierungsschicht 48 beispielsweise Nickel oder eine Nickellegierung umfassen, kann die zweite innere Plattierungsschicht 62 ebenso Nickel oder eine Nickellegierung umfassen. Die Dicke der zweiten inneren Plattierungsschicht 62 kann innerhalb der zuvor erwähnten Dickenbereiche der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 und/oder der zweiten äußeren Plattierungsschicht 48 liegen.
  • Es sind mehrere Verfahren zum Aufbringen der Schichten 44, 46, 48 und 62 auf die Aluminiumkernschicht 42 bekannt. Die Schichten können beispielsweise durch Plattieren oder Aufsprühen der Metalle, die diese Schichten umfassen, auf die Kernschicht 42 aufgebracht werden. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass das wirtschaftlichste und wirksamste Verfahren zum Aufbringen der Schichten auf die Kernschicht 42 Walzplattieren ist.
  • Walzplattieren ist ein Festkörper-Kaltschweißverfahren, mit dem zwei oder mehr Metallbleche unter ausreichend hohem Druck durch ein Paar flacher Walzen geführt werden und so die Schichten miteinander verbunden werden, woran sich eine Wärmebehandlung (Glühen) anschließt. Durch Walzplattieren kann auch die Dicke von einem oder mehreren der Metallbleche verringert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein erstes Metallblech, das die Kernschicht 42 umfasst, mittels Walzplattieren in einem oder mehreren Walzplattiervorgängen mit einem oder mehreren Metallblechen verbunden, die die verschiedenen Plattierungsschichten umfassen.
  • Wenn die Kernschicht 42 beispielsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst und die erste äußere Plattierungsschicht 46 Nickel oder eine Nickellegierung umfasst, wird die erste äußere Plattierungsschicht 46 über Walzplattieren direkt mit der Kernschicht 42 verbunden. Die erste äußere Plattierungsschicht 46 kann zudem bei derselben Walzplattierung wie eine oder mehrere der inneren Plattierungsschichten 44, 62 oder in einem anderen Walzplattiervorgang aufgebracht werden.
  • Wenn die Platte 12, 14, 15 sowohl die erste als auch zweite innere Plattierungsschicht 44, 62 aufweist, können diese inneren Plattierungsschichten gleichzeitig oder nacheinander mittels Walzplattieren mit der Kernschicht 42 verbunden werden, d.h. dass die zweite innere Plattierungsschicht 62 direkt auf die Aluminiumkernschicht 42 aufgebracht wird und die erste innere Plattierungsschicht 44 auf die zweite innere Plattierungsschicht 62 aufgebracht wird. Alternativ können zuerst die erste und zweite Plattierungsschicht 44, 62 mittels Walzplattieren miteinander verbunden werden und anschließend gemeinsam mittels Walzplattieren mit der Aluminiumkernschicht 42 verbunden werden. In Ausführungsformen, in denen keine zweite innere Plattierungsschicht 62 vorgesehen ist, wird die erste innere Plattierungsschicht 44 mittels Walzplattieren direkt mit der Aluminiumkernschicht 42 verbunden.
  • Wenn die erste äußere Plattierungsschicht 46 Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst und eine zweite äußere Plattierungsschicht 48 zwischen der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 und der Aluminiumkernschicht 42 vorgesehen ist, kann ein Blech, das die zweite äußere Plattierungsschicht 48 umfasst, zuerst mittels Walzplattieren mit der Aluminiumkernschicht 42 verbunden werden, wobei ein Blech, das die erste äußere Plattierungsschicht 46 umfasst, mittels Walzplattieren in demselben Walzplattiervorgang oder in einem anschließenden Walzplattiervorgang mit der zweiten äußeren Plattierungsschicht 48 verbunden wird. Alternativ können Metallbleche, die die erste äußere Plattierungsschicht 46 und die zweite äußere Plattierungsschicht 48 umfassen, in einem ersten Walzplattiervorgang miteinander verbunden werden und dadurch ein mehrlagiges Plattierungsblech bilden, und anschließend wird das mehrlagige Plattierungsblech derart mit der Aluminiumkernschicht 42 mittels Walzplattieren verbunden, dass die zweite äußere Plattierungsschicht 48 direkt die Kernschicht 42 berührt.
  • 6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die der Ausführungsform von 4 ähnelt, in der die erste äußere Plattierungsschicht 46 Nickel oder eine Nickellegierung umfasst, und die eine zweite äußere Plattierungsschicht 48 und eine dritte äußere Plattierungsschicht 66 aufweist. Durch die zusätzliche Verwendung der zweiten und dritten Plattierungsschicht 48, 66 ist erkennbar, dass die Aluminiumkernschicht 42 mit einer äußeren Plattierungsstruktur versehen ist, die Ni/AI/Ni umfasst. Die Erfinder haben festgestellt, dass durch Aufbringen der äußeren Plattierungsschichten 46, 48, 66 mit dieser Zusammensetzung, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, die Kräfte ausgeglichen werden, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnung von Aluminium und Nickel verursacht werden, wodurch ein Verziehen oder Verbiegen der Platte 12, 14, 15 wie in der Ausführungsform von 5 vermindert oder vermieden wird.
  • Die Dicke der ersten äußeren Plattierungsschicht 46 kann wie zuvor beschrieben ausfallen und die dritte äußere Plattierungsschicht 66, die Nickel oder eine Nickellegierung umfasst, kann dieselbe oder eine ähnliche Dicke aufweisen wie die Schicht 46, beispielsweise innerhalb von ungefähr ±25 %. Die zweite äußere Plattierungsschicht 48, die Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst, ist typischerweise dünner als die Kernschicht 42. Die Dicke der Schichten 42 und 48 kann jedoch in gewissem Maße angepasst werden, damit ein optimaler Kräfteausgleich und eine optimale Ebenheit der Platte 12, 14, 15 gewährleistet ist.
  • 7 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform, die der Ausführungsform von 6 ähnelt, abgesehen davon, dass die erste äußere Plattierungsschicht 46 Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst und die Platte ferner eine zweite, dritte und vierte äußere Plattierungsschicht 48, 66, 68 umfasst. In dieser Ausführungsform umfassen die zweite und vierte äußere Plattierungsschicht 48, 68 Nickel oder eine Nickellegierung und die dritte äußere Plattierungsschicht 66 umfasst Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Die Ausführungsform von 7 ist deshalb analog zu der Ausführungsform von 4, abgesehen davon, dass die zweite äußere Plattierungsschicht 48 durch eine Plattierungsstruktur ersetzt ist, die Ni/AI/Ni umfasst, damit die durch eine unterschiedliche Wärmeausdehnung von Aluminium und Nickel bewirkten Kräfte ausgeglichen werden, wodurch ein Verziehen oder Verbiegen der Platte 12, 14, 15 vermindert oder vermieden wird.
  • Ein Wärmetauscher 10 kann mit den nachstehend dargelegten Schritten hergestellt werden.
  • Zuerst wird eine Vielzahl von Metallblechen 12, 14, 15 bereitgestellt, wobei die Metallbleche Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfassen.
  • Wie zuvor erläutert ist, kann eine Schicht aus einer Aluminium-Hartlötlegierung, beispielsweise eine erste innere Plattierungsschicht 44, auf ein oder mehrere der Metallbleche 12, 14, 15 aufgebracht werden.
  • Jede der Platten 12, 14, 15, die an ein Objekt 21 angelötet wird, ist mit einer ersten äußeren Plattierungsschicht 46 versehen, die mittels Walzplattieren auf die Kernschicht 42 aufgebracht wird. Wenn dieselbe Platte 12, 14, 15 auch mit einer ersten inneren Plattierungsschicht 44 versehen ist, werden die erste äußere Plattierungsschicht 46 und die erste innere Plattierungsschicht 44 im selben Walzplattiervorgang oder in unterschiedlichen Walzplattiervorgängen auf die Kernschicht 42 aufgebracht.
  • Wenn eine zweite äußere Plattierungsschicht 48 vorgesehen ist, wird die zweite äußere Plattierungsschicht 48 mittels Walzplattieren direkt mit der Kernschicht 42 verbunden, entweder bevor oder nachdem die zweite äußere Plattierungsschicht 48 und die äußere Plattierungsschicht 46 miteinander durch Walzplattieren verbunden wurden. Ebenso können, wenn eine dritte äußere Plattierungsschicht 66 vorgesehen ist, zuerst die erste, zweite und dritte äußere Plattierungsschicht 46, 48, 66 durch Walzplattieren miteinander verbunden werden und somit ein Ni/Al/Ni bilden, das dann durch Walzplattieren mit der Kernschicht 42 verbunden wird, oder sie können in zwei oder mehr Walzplattiervorgängen durch Walzplattieren mit der Kernschicht 42 verbunden werden.
  • Wenn eine Platte 12, 14, 15 mit einer zweiten inneren Plattierungsschicht 62 versehen ist, wird die zweite innere Plattierungsschicht 62 durch Walzplattieren direkt mit der Kernschicht 42 der Platte 12, 14, 15 verbunden. Wenn dieselbe Platte 12, 14, 15 mit der ersten inneren Plattierungsschicht 44 versehen ist, wird die zweite innere Plattierungsschicht 62 durch Walzplattieren direkt mit der Kernschicht 42 verbunden, entweder bevor oder nachdem die erste und zweite innere Plattierungsschicht 44, 62 durch Walzplattieren miteinander verbunden wurden.
  • Nachdem die erste äußere Plattierungsschicht 46 und beliebige der weiteren Schichten auf eine oder mehrere der Platten 12, 14, 15 aufgebracht sind, wird an mindestens einer der Platte ein oder mehrere Formgebungsvorgänge wie maschinelle Bearbeitung, Stanzen oder Ziehen vorgenommen. Bei dem Formgebungsvorgang wird die Platte 12, 14, 15 mit einem oder mehreren Element(en) versehen, die den einen oder die mehreren Mediumströmungsdurchgänge 16 zumindest teilweise definieren. Derartige Elemente umfassen Löcher (z.B. für die Anschlüsse 30, 32), eine flache ebene Basis 22, einen erhabenen Umfangsflansch 24, Umfangsdichtflächen 26, 28 und/oder eine oder mehrere Reliefelemente (nicht dargestellt) in der flachen ebenen Basis 22, darunter Rippen und Vertiefungen, die den mindestens einen Mediumströmungsdurchgang 16 teilweise definieren und das Wärmeträgermedium vom Zulauf durch den Wärmetauscher 10 zum Ablauf leiten.
  • In einigen Ausführungsformen wird die erste äußere Plattierungsschicht 46 ausschließlich auf die erste Platte 12 aufgebracht, und eine der oder beide Schichten 48 und 62 werden gegebenenfalls ausschließlich auf die erste Platte 12 aufgebracht. In der Ausführungsform von 1 können die erste äußere Plattierungsschicht 46 und die optionale erste Platte 12 gestanzt sein, damit die Anschlüsse 30, 32 entstehen, ansonsten jedoch flach und eben gehalten sein. In derartigen Ausführungsformen ist die Formbarkeit der Schichten 46, 48 und 62 nicht von besonderer Bedeutung und die Dicke dieser Plattierungsschichten kann näher am unteren Ende der zuvor erwähnten Dickenbereiche liegen.
  • Andererseits müssen, wenn an der ersten Platte 12 eine zusätzliche Formgebung wie in 2 oder 3 vorgenommen wird oder wenn eine erste äußere Plattierungsschicht 46 auch auf die zweite Platte 14 aufgebracht wird, die erste äußere Plattierungsschicht 46 und beliebige der weiteren Plattierungsschichten während des Formgebungsvorgangs unversehrt bleiben. In derartigen Ausführungsformen kann die Dicke der Plattierungsschichten 46, 48, 62 näher am oberen Ende der zuvor erwähnten Dickenbereiche liegen. Wenn beispielsweise eine beliebige Plattierungsschicht 46, 48, 62 Nickel oder eine Nickellegierung ist, kann die Plattierungsschicht eine Dicke von ungefähr 25 bis 250 µm, beispielsweise ungefähr 25 bis 150 µm oder ungefähr 50 bis 100 µm aufweisen, wenn an ihr ein Formgebungsvorgang vorgenommen wird.
  • Nachdem die Platten 12, 14, 15 wie zuvor beschrieben plattiert und geformt wurden, werden die Platten 12, 14, 15 zusammengehalten, typischerweise mit einer Halterung oder Spannvorrichtung, und werden in einem Lötofen auf die Hartlöttemperatur erwärmt. Zwischen den Platten 12, 14, 15 (einschließlich der ersten inneren Plattierungsschicht 44) vorgesehener Hartlöt-Zusatzwerkstoff schmilzt und bildet zwischen den Platten 12, 14, 15 Dichtungen.
  • Nach dem Hartlöten wird der Wärmetauscher 10 abgekühlt und ein oder mehrere zu kühlende Objekte 21 werden dann an die Außenflächen des Wärmetauschers 10 gelötet, die mit einer ersten äußeren Plattierungsschicht 46 versehen sind. Wie zuvor erwähnt ist, kann die erste äußere Plattierungsschicht 46 (nach dem Hartlöten) durch Verzinnen ihrer Außenfläche vorbehandelt werden. Zum Anlöten des einen oder der mehreren Objekte 21 an den Wärmetauscher 10 kann ein Flussmittel verwendet werden. Wie zuvor erwähnt ist, kann der bzw. können die Halbleiterchip(s) 50 entweder bevor oder nachdem das Objekt 21 an dem Wärmetauscher angeschweißt ist, an der DBC-Schicht 60 des Objekts 21 angelötet werden.
  • Es sind zwar verschiedene Ausführungsformen in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung beschrieben worden, jedoch versteht sich, dass bestimmte Anpassungen und Abwandlungen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen entsprechend der Auslegung im Umfang der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können. Die zuvor erörterten Ausführungsformen gelten deshalb als veranschaulichend und nicht einschränkend.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 10475724 [0034, 0039]
    • US 9417011 [0039]
    • US 9829256 [0039]
    • US 7000823 [0042]
    • US 6913184 [0042]

Claims (22)

  1. Hartgelöteter Wärmetauscher, umfassend: (a) eine erste Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (b) eine zweite Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (c) einen umlaufenden Rand, an dem entlang die Innenflächen der ersten und zweiten Platte mittels Hartlöten bei einer Hartlöttemperatur von Aluminium zusammengefügt wurden; und (d) mindestens einen Mediumströmungsdurchgang, der zwischen den Innenflächen der ersten und zweiten Platte definiert ist; wobei die erste Platte und die zweite Platte jeweils eine Kernschicht umfassen, wobei die Kernschicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst und eine Schmelztemperatur über einer Hartlöttemperatur von Aluminium aufweist; wobei die erste Platte ferner Folgendes umfasst: eine erste äußere Plattierungsschicht, die die Außenfläche der ersten Platte definiert, wobei die erste äußere Plattierungsschicht an einer Metallschicht eines zu kühlenden Objekts anlötbar ist und Nickel, eine Nickellegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst; und eine zweite äußere Plattierungsschicht, die sich zwischen der ersten äußeren Plattierungsschicht und der Kernschicht befindet, wobei die erste äußere Kernschicht mit der zweiten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die erste äußere Plattierungsschicht eine Dicke von ungefähr 25 bis 250 µm aufweist.
  3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste äußere Plattierungsschicht Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst; wobei die zweite äußere Plattierungsschicht mit der Kernschicht und mit der ersten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist; und wobei die zweite äußere Plattierungsschicht Nickel, eine Nickellegierung, Edelstahl, einen Stahl mit hohem Nickelgehalt oder Weichstahl umfasst.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, wobei die zweite äußere Plattierungsschicht Nickel oder eine Nickellegierung umfasst.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die zweite äußere Plattierungsschicht eine Dicke von über 10 µm bis ungefähr 150 µm aufweist.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die erste äußere Plattierungsschicht eine Dicke von ungefähr 50 bis 150 µm aufweist.
  7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste äußere Plattierungsschicht Nickel oder eine Nickellegierung umfasst und eine Dicke von ungefähr 25 bis 250 µm aufweist.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei die zweite äußere Plattierungsschicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst und eine Schmelztemperatur über der Hartlöttemperatur von Aluminium aufweist; und wobei die erste Platte ferner eine dritte äußere Plattierungsschicht umfasst; wobei die dritte äußere Plattierungsschicht mit der zweiten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist; und wobei die dritte äußere Plattierungsschicht Nickel oder eine Nickellegierung umfasst.
  9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei die dritte äußere Plattierungsschicht auch mit der Kernschicht durch Walzplattieren verbunden ist.
  10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, wobei eine Dicke der ersten äußeren Plattierungsschicht identisch ist mit der Dicke der dritten äußeren Plattierungsschicht oder die Dicke der ersten und dritten Lage innerhalb von ungefähr ±25% voneinander liegen.
  11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei die zweite äußere Plattierungsschicht dünner als die Kernschicht ist.
  12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Platte ferner eine erste innere Plattierungsschicht umfasst, die die Innenfläche der ersten Platte definiert und eine Aluminiumlegierung umfasst, die bei der Hartlöttemperatur von Aluminium schmilzt und einen Zusatzwerkstoff bildet.
  13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Platte ferner eine zweite innere Plattierungsschicht umfasst, die direkt mit einer gegenüberliegenden Seite der Kernschicht durch Walzplattieren mit der ersten äußeren Plattierungsschicht verbunden ist und die Nickel oder eine Nickellegierung umfasst.
  14. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder nach einem der Ansprüche 4 bis 13, sofern sie sich auf Anspruch 3 beziehen, wobei die erste Platte ferner eine dritte äußere Plattierungsschicht, die mit der zweiten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist, und eine vierte äußere Plattierungsschicht umfasst, die mit der dritten äußeren Plattierungsschicht durch Walzplattieren verbunden ist; wobei die dritte äußere Plattierungsschicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst und eine Schmelztemperatur über der Hartlöttemperatur von Aluminium aufweist; und wobei die vierte äußere Plattierungsschicht Nickel, eine Nickellegierung, Edelstahl, Stahl mit einem hohen Nickelgehalt oder Weichstahl umfasst.
  15. Wärmetauscher nach Anspruch 14, wobei sowohl die zweite als auch die vierte äußere Plattierungsschicht Nickel oder eine Nickellegierung umfasst und die vierte äußere Plattierungsschicht mit der Kernschicht durch Walzplattieren verbunden ist.
  16. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein zu kühlendes Objekt umfasst, wobei das zu kühlende Objekt eine Metallschicht aufweist, die über eine metallurgische Verbindung mit der ersten äußeren Plattierungsschicht verbunden ist, die aus einer Lötmittelverbindung, einer Ultraschallschweißverbindung oder einer Sinterverbindung ausgewählt ist.
  17. Wärmetauscher nach Anspruch 13, wobei das zu kühlende Objekt über eine Lötverbindung mit der ersten äußeren Plattierungsschicht verbunden ist und wobei der Wärmetauscher ferner eine Lotschicht zwischen der ersten äußeren Plattierungsschicht und der Metallschicht des zu kühlenden Objekts umfasst.
  18. Hartgelöteter Wärmetauscher, umfassend: (a) eine erste Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (b) eine zweite Platte mit einer Innenfläche und einer Außenfläche; (c) einen umlaufenden Rand, an dem entlang die Innenflächen der ersten und zweiten Platte mittels Hartlöten bei einer Hartlöttemperatur von Aluminium zusammengefügt wurden; und (d) mindestens einen Mediumströmungsdurchgang, der zwischen den Innenflächen der ersten und zweiten Platte definiert ist; wobei die erste Platte und die zweite Platte jeweils eine Kernschicht umfassen, wobei die Kernschicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst und eine Schmelztemperatur über einer Hartlöttemperatur von Aluminium aufweist; wobei die erste Platte ferner Folgendes umfasst: eine erste äußere Plattierungsschicht, die die Außenfläche der ersten Platte definiert, wobei die erste äußere Plattierungsschicht an einer Metallschicht eines zu kühlenden Objekts anlötbar ist und Nickel, eine Nickellegierung, Kupfer oder eine Kupferlegierung umfasst; und eine zweite innere Plattierungsschicht, die direkt mit einer gegenüberliegenden Seite der Kernschicht durch Walzplattieren mit der ersten äußeren Plattierungsschicht verbunden ist und die Nickel oder eine Nickellegierung umfasst.
  19. Wärmetauscher nach Anspruch 18, wobei die erste äußere Plattierungsschicht Nickel oder eine Nickellegierung umfasst und eine Dicke von ungefähr 25 bis 250 µm aufweist.
  20. Wärmetauscher nach Anspruch 19, wobei die erste Platte ferner eine erste innere Plattierungsschicht umfasst, die die Innenfläche der ersten Platte definiert und eine Aluminiumlegierung umfasst, die bei der Hartlöttemperatur von Aluminium schmilzt und einen Zusatzwerkstoff bildet; und wobei die zweite innere Plattierungsschicht direkt mit einer gegenüberliegenden Seite der Kernschicht durch Walzplattieren mit der ersten äußeren Plattierungsschicht verbunden ist.
  21. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Bereitstellen der ersten und zweiten Platte, wobei die erste Platte eine Vielzahl von Schichten umfasst, die die erste äußere Plattierungsschicht, die zweite äußere Plattierungsschicht und die Kernschicht aufweist, wobei die Schichten der ersten Platte durch Walzplattieren miteinander verbunden sind; (b) Formen der ersten und/oder zweiten Platte mit einem Formgebungsvorgang, der aus Stanzen und Ziehen ausgewählt ist; (c) Verbinden der ersten Platte mit der zweiten Platte bei der Hartlöttemperatur von Aluminium durch Hartlöten und (d) Verbinden der Metallschicht des zu kühlenden Objekts mit der Außenfläche der ersten Platte und mit der ersten äußeren Plattierungsschicht über einen metallurgischen Verbindungsvorgang, der ausgewählt ist aus Löten, Ultraschallschweißen oder Sintern.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei die erste Platte ferner eine erste innere Plattierungsschicht umfasst, die eine Aluminiumlegierung umfasst, die bei der Hartlöttemperatur von Aluminium schmilzt und einen Zusatzwerkstoff bildet, wobei die erste innere Plattierungsschicht vor Schritt (a) durch Walzplattieren mit der Kernschicht verbunden wurde.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022209698A1 (de) * 2022-09-15 2024-03-21 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Fluiddurchströmbarer Kühler zum Kühlen eines Leistungsmoduls

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6913184B2 (en) 2001-11-21 2005-07-05 Dana Canada Corporation Alloy composition and method for low temperature fluxless brazing
US9417011B2 (en) 2013-02-12 2016-08-16 Dana Canada Corporation Heat exchanger with self-aligning fittings
US9829256B2 (en) 2013-02-08 2017-11-28 Dana Canada Corporation Heat exchanger with annular inlet/outlet fitting
US10475724B2 (en) 2015-08-27 2019-11-12 Dana Canada Corporation Heat exchangers for dual-sided cooling

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5796049A (en) 1997-04-04 1998-08-18 Sundstrand Corporation Electronics mounting plate with heat exchanger and method for manufacturing same
MXPA03000360A (es) * 2000-07-26 2003-09-22 Corus Aluminium Walzprod Gmbh Producto de lamina de cobresoldadura chapeado con niquel.
US20040035911A1 (en) * 2001-11-21 2004-02-26 Dockus Kostas F. Fluxless brazing
US7182125B2 (en) * 2003-11-28 2007-02-27 Dana Canada Corporation Low profile heat exchanger with notched turbulizer
JP4640170B2 (ja) 2005-12-28 2011-03-02 株式会社豊田自動織機 半田付け方法及び半導体モジュールの製造方法並びに半田付け装置
JP2008016567A (ja) 2006-07-04 2008-01-24 Calsonic Kansei Corp 自動車用電子部品冷却装置
US7755185B2 (en) 2006-09-29 2010-07-13 Infineon Technologies Ag Arrangement for cooling a power semiconductor module
JP5028147B2 (ja) 2007-05-29 2012-09-19 株式会社アライドマテリアル 半導体装置用ヒートスプレッダとその製造方法
JP5381561B2 (ja) 2008-11-28 2014-01-08 富士電機株式会社 半導体冷却装置
JP5704835B2 (ja) * 2009-05-27 2015-04-22 株式会社神戸製鋼所 熱交換器用アルミニウム合金製ブレージングシート
EP2328172B1 (de) 2009-10-02 2019-06-26 Abb Research Ltd. Leistungselektronikanordnung
JP5515947B2 (ja) * 2010-03-29 2014-06-11 株式会社豊田自動織機 冷却装置
US10531594B2 (en) 2010-07-28 2020-01-07 Wieland Microcool, Llc Method of producing a liquid cooled coldplate
CN105189109B (zh) * 2013-03-14 2017-04-05 三菱综合材料株式会社 接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板
JP6100605B2 (ja) * 2013-05-17 2017-03-22 昭和電工株式会社 多層クラッド材の製造方法
JP6579037B2 (ja) * 2016-05-30 2019-09-25 日本軽金属株式会社 パワーデバイス用冷却器の製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6913184B2 (en) 2001-11-21 2005-07-05 Dana Canada Corporation Alloy composition and method for low temperature fluxless brazing
US7000823B2 (en) 2001-11-21 2006-02-21 Dana Canada Corporation Fluxless brazing
US9829256B2 (en) 2013-02-08 2017-11-28 Dana Canada Corporation Heat exchanger with annular inlet/outlet fitting
US9417011B2 (en) 2013-02-12 2016-08-16 Dana Canada Corporation Heat exchanger with self-aligning fittings
US10475724B2 (en) 2015-08-27 2019-11-12 Dana Canada Corporation Heat exchangers for dual-sided cooling

Also Published As

Publication number Publication date
CN113218232A (zh) 2021-08-06
US20210222967A1 (en) 2021-07-22
US11614289B2 (en) 2023-03-28

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