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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Baugruppe.
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Üblicherweise führen Leistungshalbleiter in der Leistungselektronik hohe Ströme, welche zu einer hohen Verlustwärme führen können. Häufig ist eine Kühlung solcher Leistungshalbleiter erforderlich, beispielsweise zur Vermeidung von Schäden durch Überhitzen.
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Zur Kühlung kann beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung oder eine Luftkühlung verwendet werden. Weiterhin können zur Kühlung sogenannte Pulsating Heatpipe-Strukturen als Kühlvorrichtungen verwendet werden. Eine als Pulsating Heatpipe ausgebildete Kühlvorrichtung umfasst einen Kühlkanal in der Kühlvorrichtung, welcher beispielsweise mäanderförmig ausgebildet ist und der mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, welches gleichzeitig gasförmig und flüssig in dem Kühlkanal vorliegt. In der Kühlvorrichtung wird in einem Grundbereich Wärme an den Kühlkanal übertragen, so dass das Arbeitsmittel in dem Kühlkanal lokal verdampft. Dabei entstehen Druckgradienten, die das Arbeitsmittel durch den Kühlkanal befördern. Dabei wandern die Dampfblasen auch in einen Kondensatorteil des Kühlkanals und kondensieren dort. Die Wärme wird dadurch wieder an die Wände des Kondensators und dann beispielsweise an die Umgebung abgegeben. Insgesamt wird also die Wärme, die im Grundbereich in die Kühlvorrichtung eingebracht wird, auf die gesamte Kühlvorrichtung verteilt. Eine als Pulsating Heat Pipe ausgebildete Kühlvorrichtung dient somit als Wärmespreiz-Designelement.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Baugruppe, insbesondere eine Leistungsbaugruppe, vorgeschlagen. Die Baugruppe umfasst ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement, insbesondere ein Leistungsbauelement, ein Gehäuse mit einer Gehäusewand, wobei das elektrische und/oder elektronische Bauelement in dem Gehäuse angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist in der Gehäusewand wenigstens ein Kühlkanal ausgebildet, wobei der Kühlkanal mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, welches gleichzeitig gasförmig und flüssig in dem Kühlkanal vorliegt.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die Baugruppe mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs den Vorteil auf, dass die Kühlung des elektrischen und/oder elektronischen Bauelements durch die Baugruppe vorteilhaft verbessert wird. Das Gehäuse leitet die Wärme von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement durch den Kühlkanal und das Arbeitsmittel in dem Kühlkanal vorteilhaft gut ab. Durch das Arbeitsmittel im Kühlkanal kann der Kühlkanal im Gehäuse vorteilhaft gut als Pulsating Heat Pipe betrieben werden. So kann die von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement erzeugte Wärme vorteilhaft gut über das Gehäuse verteilt und von diesem an die Umgebung abgegeben werden. So kann erreicht werden, dass das elektrische und/oder elektronische Bauelement selbst unter schwierigen Bedingungen immer mit maximaler Leistung betrieben werden kann. Die durch die Baugruppe verbessere Kühlung des elektrischen und/oder elektronischen Bauelements führt auch zu einer gleichmäßigeren thermischen Belastung im elektrischen und/oder elektronischen Bauelement, beispielsweise im Leistungshalbleiter oder Modul, und dadurch zu einer geringeren Wärmespannung und höheren Lebensdauer des elektrischen und/oder elektronischen Bauelements. Durch den Kühlkanal und das Arbeitsmittel wird die Wärmeableitung und die Wärmeabstrahlung innerhalb und außerhalb des Gehäuses vorteilhaft verbessert. Dadurch, dass zur Kühlung des Gehäuses ein Kühlkanal mit Arbeitsmittel, der dann als Pulsating Heat Pipe betrieben wird, genutzt wird, können die sonst beispielsweise für Wasserkühlung nötigen Zuleitungen und Wärmetauscher vorteilhaft eingespart werden. Somit ergibt sich eine vergleichsweise kostengünstige und einfach zu fertigende und Baugruppe mit vergleichsweise einfachem Packaging.
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Somit wird insgesamt auf vorteilhafte einfache Art und Weise eine optimierte Wärmeabfuhr von den beispielsweise als Leistungshalbleiter ausgebildeten elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen zum Gehäuse erreicht. Durch den Kühlkanal mit dem Arbeitsmittel wird ein kontinuierlicher Wärmestrom von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement als Wärmequelle zu dem Gehäuse als Wärmesenke mittels einer oder mehreren Pulsating Heat Pipes erreicht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Kühlkanal das elektrische und/oder elektronische Bauelement in dem Gehäuse umläuft. So kann die Wärme, die von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement an einer Stelle des Gehäuses auf das Gehäuse übertragen wird, durch das Arbeitsmittel in dem Kühlkanal vorteilhaft gut und schnell auf das ganze Gehäuse verteilt und dann vom Gehäuse vorteilhaft gut an die Umgebung abgeleitet werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass an einer Außenseite des Gehäuses Kühlstrukturen ausgebildet sind. Durch die Kühlstrukturen an der Außenseite des Gehäuses wird die Oberfläche an der Außenseite des Gehäuses, die mit der Umgebung des Gehäuses in Kontakt steht, vorteilhaft vergrößert. So kann die Wärme vom elektrischen und/oder elektronischen Bauelement, die über das Arbeitsmittel im Kühlkanal und somit mittels des Prinzips der Pulsating Heat Pipe über das Gehäuse verteilt wird, an der Außenseite des Gehäuses besonders gut an die Umgebung des Gehäuses abgegeben werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kühlstrukturen als Kühlrippen ausgebildet sind.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in dem Gehäuse ein Wärmeleitelement angeordnet ist, das thermisch mit dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement und mit einer Innenseite des Gehäuses verbunden ist. So wird ein weiterer Pfad gebildet, über den Wärme von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement an das Gehäuse abgeleitet werden kann. Beispielsweise kann das elektrische und/oder elektronische Bauelement an einer Unterseite des elektrischen und/oder elektronischen Bauelements unmittelbar oder mittelbar an der Innenseite des Gehäuses aufliegen. Durch diesen Kontakt des elektrischen und/oder elektronischen Bauelements kann ein erster thermischer Pfad von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement zu dem Gehäuse hergestellt sein. Das Wärmeleitelement kann beispielsweise thermisch mit einer Oberseite des elektrischen und/oder elektronischen Bauelements verbunden sein, beispielsweise unmittelbar oder mittelbar an der Oberseite des elektrischen und/oder elektronischen Bauelements anliegen und so einen zweiten Pfad zur Wärmeleitung von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement an das Gehäuse bilden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in dem Wärmeleitelement ein weiterer Kühlkanal ausgebildet ist, wobei der weitere Kühlkanal mit einem Arbeitsmittel gefüllt ist, das gleichzeitig flüssig und gasförmig in dem weiteren Kühlkanal vorliegt. So kann die Wärme von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement vorteilhaft gut über das Wärmeleitelement an das Gehäuse abgeleitet werden. Der weitere Kühlkanal mit dem Arbeitsmittel funktioniert dabei als Pulsating Heat Pipe, so dass eine vorteilhaft gute Ableitung der Wärme von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement an das Gehäuse erzielt wird.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein Kabelanschluss in das Gehäuse hineingeführt ist, wobei der Kabelanschluss eine Kabelschirmung aufweist, die thermisch mit dem Gehäuse verbunden ist. Die Kabelschirmung kann dabei beispielsweise unmittelbar oder mittelbar an dem Gehäuse anliegen, so dass ein thermischer Kontakt zwischen der Kabelschirmung und dem Gehäuse besteht. Die von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement an das Gehäuse abgeleitete Wärme kann somit über die Kabelschirmung des Kabelanschlusses von dem Gehäuse über den Kabelanschluss abgeleitet werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kabelschirmung als metallische Kabelschirmung ausgebildet ist und in dem Bereich, in dem der Kabelanschluss in das Gehäuse hineingeführt ist, an dem Gehäuse anliegt. So ist die Kabelschirmung auf einfache Art und Weise thermisch an das Gehäuse angebunden und die Wärme kann vom Gehäuse über die Kabelschirmung abgeleitet werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Gehäuse aus Aluminium ausgebildet ist. Ein aus Aluminium ausgebildetes Gehäuse weist eine vorteilhaft hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Somit wird Wärme von dem Gehäuse vorteilhaft gut an die Umgebung abgegeben.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Kühlkanal in der Gehäusewand zumindest abschnittsweise mäanderförmig verläuft. Ein mäanderförmiger Verlauf des Kühlkanals ermöglicht einen vorteilhaft effizienten Betrieb des Kühlkörpers als Pulsating Heat Pipe und somit eine effiziente Wärmeabfuhr von dem zu kühlenden Bauteil über die Kühlvorrichtung.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Baugruppe,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Baugruppe.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Baugruppe 1. Die Baugruppe 1 umfasst ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement 5 und ein Gehäuse 10. Das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 ist in dem Gehäuse 10 angeordnet. Das Gehäuse 10 dient somit beispielsweise als Schutz für das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5. In dem Gehäuse 10 können noch weitere in den Figuren nicht dargestellte Bauelemente angeordnet sein. Das Gehäuse 10 umgibt das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5, beispielsweise zu allen Seiten hin.
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Das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 kann beispielsweise ein Leistungsbauelement sein. Das elektrisch und/oder elektronische Bauelement 5 kann beispielsweise ein Leistungssubstrat und auf dem Leistungssubstrat angeordnete Leistungsschalter und weitere Komponenten umfassen. Das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 kann beispielsweise als Leistungsmodul ausgebildet sein. Das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 erzeugt beispielsweise eine Verlustleistung von 100 - 200 Watt, die über das Gehäuse 10 abgeführt werden muss. Das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 kann beispielsweise als DCDC-Wandler, beispielsweise als 12V DCDC-Wandler oder 48V DCDC-Wandler ausgebildet sein. Weiterhin kann das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 als Motormanagement-Steuergerät für High-End-Anwendungen, wie beispielsweise Piezo-Direkteinspritzung oder sonstige Kraftfahrzeug-Anwendungen ausgebildet sein. Weiterhin kann das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 beispielswese auch als Inverter, beispielsweise als 48V-Inverter für ein Boost-Recovery-System ausgebildet sein.
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Das Gehäuse 10 kann beispielsweise aus einem thermisch gut leitenden Material, beispielsweise einem Metall, beispielsweise aus Aluminium ausgebildet sein. Das Gehäuse 10 kann beispielsweise mittels Alu-Druckguss gefertigt sein. Das Gehäuse 10 umfasst Gehäusewände 15, die gemeinsam das Gehäuse 10 bilden. Das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 ist beispielsweise zu allen Seiten hin von Gehäusewänden 15 umgeben. Das Gehäuse 10 ist ausgebildet, das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 zu kühlen.
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Hierzu liegt das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 beispielsweise mittelbar oder unmittelbar an einer Innenseite 18 des Gehäuses 10 an. Beispielsweise kann ein Leistungssubstrat des elektrischen und/oder elektronischen Bauelements 5 flächig auf einer ebenen Auflagefläche an der Innenseite 18 des Gehäuses 10 aufliegen.
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In den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist in dem Gehäuse 10 ein mit einem Arbeitsmittel 6 gefüllter Kühlkanal 11 ausgebildet. Der Kühlkanal 11 ist in den Gehäusewänden 15 ausgebildet. Der Kühlkanal 11 bildet zusammen mit dem Arbeitsmittel 6 eine Pulsating Heat Pipe. Die Pulsating Heat Pipe ist somit in den Gehäusewänden 15 des Gehäuses 10 ausgebildet. Die Pulsating Heat Pipe ist in die Gehäusewand 15 oder die Gehäusewände 15 des Gehäuses 10 integriert. Der Kühlkanal 11 ist als Hohlraum im Inneren der Gehäusewand 15 oder der Gehäusewände 15 ausgebildet. Der Kühlkanal 11 kann die Gehäusewand 15 beispielsweise rohrförmig durchlaufen. Der Kühlkanal 11 kann beispielsweise einen kreisförmigen, einen rechteckförmigen oder einen ovalen Querschnitt aufweisen. Der Kühlkanal 11 kann, wie in diesem Ausführungsbeispiel, das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 umlaufen. Der Kühlkanal 11 kann aber auch nur in einzelnen oder mehreren Seiten des Gehäuses 10 in den Gehäusewänden 15 ausgebildet sein. Der Kühlkanal 11 kann in der Gehäusewand 15 oder in mehreren Gehäusewänden 15 beispielsweise mäanderförmig verlaufen. Als mäanderförmig wird dabei insbesondere eine Form angesehen, welche mehrere Richtungswechsel, vorzugsweise in einer Ebene, aufweist. Beispielsweise kann mäanderförmig auch als schlangenförmig bezeichnet werden. In der Gehäusewand 15 oder den Gehäusewänden 15 können auch mehrere miteinander fluidisch verbundene und/oder voneinander fluidisch getrennt Kühlkanäle 11, die mit einem Arbeitsmittel 6 gefüllt sind ausgebildet sein. Die Kühlkanäle 11 können beispielsweise parallel zueinander verlaufen.
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An der Außenseite 16 des Gehäuses 10 können, wie in den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen, Kühlstrukturen 17 ausgebildet sein. Die Kühlstrukturen 17 an der Außenseite 16 des Gehäuses 10 vergrößern an der Außenseite 16 die Kontaktfläche des Gehäuses 10 mit der Umgebung des Gehäuses 10. Die Kühlstrukturen 17 können beispielsweise als Kühlrippen oder Kühlstifte ausgebildet sein.
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In den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist eine weitere Pulsating Heat Pipe von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement 5 auf die Innenseite 18 des Gehäuses 10 geführt. Die weitere Pulsating Heat Pipe ist in einem Wärmeleitelement 20 als in dem Wärmeleitelement 20 ausgebildeter weiterer Kühlkanal 21, der mit Arbeitsmittel 6 gefüllt ist, ausgebildet.
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Der Kühlkanal 11,21 ist mit einem Arbeitsmittel 6 gefüllt. Das Arbeitsmittel 6 liegt gleichzeitig gasförmig und flüssig in dem Kühlkanal 11,21 vor. Das Arbeitsmittel 6 liegt in dem Kühlkanal 11,21 gleichzeitig gasförmig und flüssig vor, mit anderen Worten teils gasförmig und teils flüssig. Das heißt, das Arbeitsmittel 6 liegt im Kühlkanal 11,21 zweiphasig vor. Insbesondere liegen dabei innerhalb des Kühlkanals 11,21 Gasblasen sowie Flüssigkeitssäulen gleichzeitig vor. Vorzugsweise nehmen bei einer Nenntemperatur die Gasblasen sowie die Flüssigkeitssäulen ein ähnlich großes Volumen ein. Besonders bevorzugt nimmt der gasförmige Anteil des Arbeitsmittels 6 bei der Nenntemperatur 30 % bis 70 % eines Innenvolumens des Kühlkanals 11,21 ein, wobei das restliche Innenvolumen durch den flüssigen Anteil des Arbeitsmittels 6 eingenommen wird. In Abhängigkeit einer Temperatur des Gehäuses 10 ändert sich dabei das Volumenverhältnis durch Verdampfen oder Kondensieren des Arbeitsmittels 6. So kann der Kühlkanal 11,21 in dem Gehäuse 10 bzw. in dem Wärmeleitelement 20 als Pulsating Heat Pipe betrieben werden.
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Bei einer Erwärmung des Gehäuses 10 und/oder des Wärmeleitelements 20 durch das elektrische und/oder elektronische Bauelement 5 erfolgt eine Erwärmung des Kühlkanals 11,21 sowie des darin befindlichen Arbeitsmittels 6. Durch eine Kombination aus Verdampfung, Kondensation, konvektivem Wärmetransport und Wärmeleitung erfolgt eine Verteilung der Wärme über das Gehäuse 10 und somit ein Abtransport der Wärme von dem elektrischen und/oder elektronischen Bauelement 5 weg. Besonders bevorzugt weist das Arbeitsmittel 6 eine kritische Temperatur auf, die größer als eine maximale Betriebstemperatur ist. Vorzugsweise weist das Arbeitsmittel 6 eine kritische Temperatur von mindestens 233 K, vorzugsweise mindestens 273 K besonders vorzugsweise mindestens 373 K, und insbesondere maximal 533 K, auf. Als kritische Temperatur wird dabei eine Temperatur eines Stoffes am kritischen Punkt angesehen. Dadurch wird sichergestellt, dass das Arbeitsmittel 6 in einem bevorzugten Betriebsbereich, in welchem das Arbeitsmittel 6 insbesondere bei Temperaturen von 222 K bis 473k, insbesondere von 273 K bis 373 K, vorliegt, zweiphasig innerhalb des Kühlkanals 5 vorliegen kann. Vorzugsweise ist das Arbeitsmittel 6 ein organisches Kältemittel, welches beispielsweise in Fahrzeugklimaanlagen eingesetzt wird, wie insbesondere 2,3,3,3-Tetrafluorpropen, auch als R1234yf bezeichnet, R1233zd(E) usw. Besonders bevorzugt weist das Arbeitsmittel 6 einen Schmelzpunkt auf, welcher maximal 273 K, vorzugsweise maximal 233K, besonders bevorzugt maximal 213 K, beträgt.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel der Baugruppe 1, die in 2 dargestellt ist, ist das Gehäuse 10 wärmeleitend mit einem Kabelanschluss 30 verbunden. Der Kabelanschluss 30 umfasst eine Kabelschirmung 31. Die Kabelschirmung 31 ist beispielsweise aus einem Metall ausgebildet. Der Kabelanschluss 30 ist über die Kabelschirmung 31 wärmeleitend mit dem Gehäuse 10 verbunden. Dazu liegt die Kabelschirmung 31 in dem Bereich, in dem der Kabelanschluss 30 in das Gehäuse 10 hineingeführt ist, an dem Gehäuse 10 an.
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Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
