DE102021211246A1 - Heat sink for cooling electronic components of an electrified motor vehicle drive - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper (100) zur Kühlung elektronischer Komponenten (200) eines elektrifizierten Kraftfahrzeugantriebs, umfassend zwei mit Kühlfluid durchströmbare Haupt-Kühlplatten (110, 120), die- jeweils zwei einander gegenüberliegende Längskanten und zwei quer zu diesen stehende Querkanten aufweisen,- zueinander in einem rechten oder stumpfen Winkel stehen und- entlang je einer ihrer Längskanten strukturell und fluidleitend miteinander verbunden sind, wobei eine der Haupt-Kühlplatten (110) einen Kühlfluideinlass (113) und die andere Haupt-Kühlplatte (120) einen Kühlfluidauslass (123) aufweist.Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der Haupt-Kühlplatten (110, 120) eine mehrflutige, interne Kühlkanalstruktur aufweist, mittels derer Kühlfluid auf seinem Weg vom Kühlfluideinlass (113) zum Kühlfluidauslass (123) im Verbindungsbereich der Haupt-Kühlplatten (110, 120) senkrecht zu den miteinander verbundenen Längskanten und beabstandet von diesem Verbindungsbereich parallel zu den miteinander verbundenen Längskanten leitbar ist.The invention relates to a heat sink (100) for cooling electronic components (200) of an electrified motor vehicle drive, comprising two main cooling plates (110, 120) through which cooling fluid can flow, which each have two opposite longitudinal edges and two transverse edges standing transversely thereto ,- are at right or obtuse angles to one another, and- are structurally and fluidly connected to each other along one of their longitudinal edges, one of the main cooling plates (110) having a cooling fluid inlet (113) and the other main cooling plate (120) having a cooling fluid outlet ( 123). The invention is characterized in that at least one of the main cooling plates (110, 120) has a multi-flow, internal cooling channel structure, by means of which cooling fluid on its way from the cooling fluid inlet (113) to the cooling fluid outlet (123) in the connection area of the main - cooling plates (110, 120) can be guided perpendicularly to the longitudinal edges connected to one another and at a distance from this connection area parallel to the longitudinal edges connected to one another.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper zur Kühlung elektronischer Komponenten eines elektrifizierten Kraftfahrzeugantriebs, umfassend zwei mit Kühlfluid durchströmbare Haupt-Kühlplatten, die
- - jeweils zwei einander gegenüberliegende Längskanten und zwei quer zu diesen stehende Querkanten aufweisen,
- - zueinander in einem rechten oder stumpfen Winkel stehen und
- - entlang je einer ihrer Längskanten strukturell und fluidleitend miteinander verbunden sind,
- - each have two opposite longitudinal edges and two transverse edges standing transversely to these,
- - stand at right or obtuse angles to each other and
- - are structurally and fluidly connected to each other along one of their longitudinal edges,
Ein derartige Kühlkörper ist bekannt aus der
Zum Betrieb elektrischer Antriebsaggregate in voll- oder teilelektrifizierten Kraftfahrzeugantrieben müssen sehr hohe elektrische Stromstärken gehandhabt werden. Dies erfolgt durch die sogenannte Leistungselektronik, die insbesondere Pulswechselrichter umfasst, die einerseits in der Lage sind, von einer Traktionsbatterie gelieferten Gleichstrom in zum motorischen Betrieb des Antriebsaggregates phasenrichtige Wechselströme zu wandeln, und andererseits in der Lage sind, von einem generatorisch betriebenen Antriebsaggregat erzeugte Wechselströme zum Laden der Traktionsbatterie in Gleichströme zu wandeln. Aufgrund der dabei geschalteten, hohen Stromstärken ergibt sich ein erheblicher Anfall von Verlustleistungswärme, die effizient und insbesondere bauraumsparend abgeführt werden muss, um optimalerweise an anderer Stelle zur Verbesserung der Gesamt-Energieeffizienz wieder eingesetzt werden zu können.To operate electric drive units in fully or partially electrified motor vehicle drives, very high electrical currents have to be handled. This is done by the so-called power electronics, which include pulse-controlled inverters in particular, which on the one hand are able to convert direct current supplied by a traction battery into alternating currents that are in phase with the motor operation of the drive unit, and on the other hand are able to convert alternating currents generated by a generator-operated drive unit to charging the traction battery into direct currents. Due to the high currents switched, there is a significant accumulation of heat loss, which must be dissipated efficiently and in particular in a space-saving manner in order to be able to be used again optimally elsewhere to improve the overall energy efficiency.
Typischerweise werden zur Wärmeabfuhr mit Kühlfluid durchströmte Kühlkörper eingesetzt, an deren Außenwandungen die zu kühlenden elektronischen Komponenten, insbesondere Kondensatoren und in sogenannten Power-Modulen integrierte Transistoren, thermisch angekoppelt sind.For heat dissipation, heat sinks through which cooling fluid flows are typically used, on the outer walls of which the electronic components to be cooled, in particular capacitors and transistors integrated in so-called power modules, are thermally coupled.
Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift ist ein solcher Kühlkörper bekannt, der im Wesentlichen aus zwei hohlen, winklig zueinander stehenden Haupt-Kühlplatten besteht, die mit jeweils einer ihrer Längskanten aneinander fixiert und fluidleitend miteinander verbunden sind. An den jeweils freien Längskanten sind diese im Profil jeweils einen Schenkel eines „L“ bildenden Haupt-Kühlplatten offen. Hier befindet sich an einer ersten Haupt-Kühlplatte ein Kühlfluid-Einlass und an der anderen Haupt-Kühlplatte ein Kühlfluid-Auslass. Bei Betrieb wird Kühlfluid druckbeaufschlagt vom Kühlfluid-Einlass zum Kühlfluid-Auslass gepumpt und durchfließt dabei zunächst die erste und dann die zweite Haupt-Kühlplatte. Unter Zugrundelegung des vorgenannten L-Profils durchströmt das Kühlfluid somit zunächst den vertikalen und dann den horizontalen Schenkel des L. Dies ist in zweierlei Hinsicht nachteilig. Zum einen werden die an den horizontalen L-Schenkel thermisch angekoppelten Komponenten ausschließlich mit im vertikalen L-Schenkel bereits vorgewärmtem Kühlfluid beschickt. Zum anderen ist es strömungstechnisch schwierig, insbesondere bei in Längsrichtung lang erstreckten Kühlplatten eine gleichmäßige und in allen Fahr- und Drucksituationen exakt reproduzierbare Flächenströmung zu erzielen. Die Positionierung der einzelnen Komponenten muss also streng nach der jeweiligen Relation aus Kühlbedarf der Komponente und Kühlkapazität der entsprechenden Position am Kühlkörper gestaltet werden. Dies schränkt die konstruktive Freiheit bei der Anordnung der elektronischen Komponenten und damit die stets gewünschte Bauraumoptimierung erheblich ein. Zudem wird eine solche Konstruktion in der Regel nicht im Hinblick auf ihre Energieeffizienz hin optimierbar sein.Such a heat sink is known from the generic document mentioned at the outset, which essentially consists of two hollow main cooling plates which are at an angle to one another and are fixed to one another with one of their longitudinal edges and are connected to one another in a fluid-conducting manner. On the respective free longitudinal edges, these are open in profile in each case as a leg of an “L”-forming main cooling plate. Here there is a cooling fluid inlet on a first main cooling plate and a cooling fluid outlet on the other main cooling plate. In operation, cooling fluid is pumped under pressure from the cooling fluid inlet to the cooling fluid outlet, flowing first through the first and then through the second main cold plates. Taking the aforementioned L-profile as a basis, the cooling fluid thus first flows through the vertical and then the horizontal leg of the L. This is disadvantageous in two respects. On the one hand, the components that are thermally coupled to the horizontal leg of the L are fed exclusively with cooling fluid that has already been preheated in the vertical leg of the L. On the other hand, it is difficult in terms of flow technology to achieve a surface flow that is uniform and exactly reproducible in all driving and pressure situations, especially in the case of cooling plates that extend long in the longitudinal direction. The positioning of the individual components must therefore be designed strictly according to the respective relation between the cooling requirement of the component and the cooling capacity of the corresponding position on the heat sink. This severely restricts the design freedom in arranging the electronic components and thus the optimization of installation space that is always desired. In addition, such a construction will generally not be able to be optimized with regard to its energy efficiency.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gattungsgemäßen Kühlkörper derart weiterzubilden, dass bei zumindest gleicher, vorzugsweise verbesserter Energieeffizienz ein breiteres Spektrum an konstruktiven Möglichkeiten zur Anordnung der zu kühlenden elektronischen Komponenten zur Verfügung steht.It is the object of the present invention to further develop a generic heat sink in such a way that, with at least the same, preferably improved, energy efficiency, a broader range of structural options for arranging the electronic components to be cooled is available.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass wenigstens eine der Haupt-Kühlplatten eine mehrflutige, interne Kühlkanalstruktur aufweist, mittels derer Kühlfluid auf seinem Weg vom Kühlfluideinlass zum Kühlfluidauslass im Verbindungsbereich der Haupt-Kühlplatten senkrecht zu den miteinander verbundenen Längskanten und beabstandet von diesem Verbindungsbereich parallel zu den miteinander verbundenen Längskanten leitbar ist.This object is achieved in connection with the features of the preamble of claim 1 in that at least one of the main cooling plates has a multi-flow, internal cooling channel structure, by means of which cooling fluid on its way from the cooling fluid inlet to the cooling fluid outlet in the connection area of the main cooling plates perpendicular to the connected longitudinal edges and spaced from this connection area parallel to the interconnected longitudinal edges can be guided.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Durch die mehrflutige Führung des Kühlfluids kann eine gleichmäßigere Temperaturverteilung über die Gesamtfläche der Kühlplatte erzielt werden. Daher sind unterschiedliche Positionen auf der Kühlplattenoberfläche thermisch deutlich stärker äquivalent als dies beim Stand der Technik der Fall ist.A more uniform temperature distribution over the entire surface of the cooling plate can be achieved by the multi-flow routing of the cooling fluid. Therefore, different positions on the cooling plate surface are thermally significantly more equivalent than is the case in the prior art.
Weiter sieht die Erfindung vor, den Kühlfluidstrom lediglich im Verbindungsbereich der beiden Kühlplatten senkrecht zu der gemeinsamen bzw. den miteinander verbundenen Längskanten zu lenken, was günstig ist, um den Kühlfluid-Übergang von der eingangsseitigen in die ausgangsseitige Kühlplatte zu erzielen. Im Übrigen, d.h. beabstandet von diesem Übergangs- bzw. Verbindungsbereich, strömt das Kühlfluid im Wesentlichen parallel zu den Längskanten, sodass sich im Gegensatz zum Stand der Technik kein steiles Temperaturgefälle von der freien zur verbundenen Längskante der Kühlplatte ergibt. Hierdurch wir eine nochmalige Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung über die Gesamtfläche der Kühlplatte erzielt.Furthermore, the invention provides for the flow of cooling fluid only in the connection area of the two To steer cooling plates perpendicular to the common or the interconnected longitudinal edges, which is favorable in order to achieve the cooling fluid transition from the inlet-side to the outlet-side cooling plate. Otherwise, ie at a distance from this transition or connection area, the cooling fluid flows essentially parallel to the longitudinal edges, so that, in contrast to the prior art, there is no steep temperature gradient from the free to the connected longitudinal edge of the cooling plate. This achieves a further equalization of the temperature distribution over the entire surface of the cooling plate.
In der Kombination der beiden erfindungsgemäßen Gedanken stellt sich also eine besondere Temperatur-Vergleichmäßigung über die Gesamtfläche der Kühlplatte ein, sodass zu kühlende elektronische Komponenten nicht mehr nach ihrem Kühlbedarf, sondern nach quasi beliebigen anderen Kriterien, beispielsweise im Hinblick auf eine Bauraumoptimierung hin angeordnet werden können.The combination of the two ideas according to the invention results in a special temperature equalization over the entire surface of the cooling plate, so that electronic components to be cooled can no longer be arranged according to their cooling requirements, but according to virtually any other criteria, for example with regard to optimizing the installation space .
Dieses Konzept wird vorzugsweise bei beiden Kühlplatten des Kühlkörpers realisiert.This concept is preferably implemented with both cooling plates of the heat sink.
Um die Druckverluste im Kühlfluid auf seinem Weg vom Kühlfluideinlass zum Kühlfluidauslass möglichst gering zu halten, wird bevorzugt, die Strömungsführung abgesehen von den erfindungsgemäß erforderlichen Umlenkungen möglichst geradlinig zu halten. Hierzu trägt insbesondere bei, wenn der Kühlfluideinlass und der Kühlfluidauslass an entgegengesetzten Querkanten der Haupt-Kühlplatten angeordnet sind. Das Kühlfluid strömt somit bereits parallel zu den miteinander verbundenen bzw. der gemeinsamen Längskante in die erste Kühlplatte ein, wird im Übergangs- bzw. Verbindungsbereich der Kühlplatten senkrecht dazu umgelenkt, erfährt bevorzugt in der zweiten Kühlplatte eine weitere Umlenkung nach parallel zur gemeinsamen Längskante und kann dann weitgehend geradlinig aus dem an der gegenüberliegenden Querkante angeordneten Kühlfluidauslass aus dem Kühlkörper austreten.In order to keep the pressure losses in the cooling fluid as low as possible on its way from the cooling fluid inlet to the cooling fluid outlet, it is preferred to keep the flow guidance as straight as possible, apart from the deflections required according to the invention. This contributes in particular if the cooling fluid inlet and the cooling fluid outlet are arranged on opposite transverse edges of the main cooling plates. The cooling fluid thus already flows parallel to the interconnected or common longitudinal edge into the first cooling plate, is deflected perpendicularly thereto in the transition or connection region of the cooling plates, is preferably further deflected in the second cooling plate parallel to the common longitudinal edge and can then emerge largely in a straight line from the cooling fluid outlet arranged on the opposite transverse edge from the heat sink.
Um eine dichte Kühlfluidführung zu gewährleisten, muss der Kühlkörper selbstverständlich abgesehen von dem Kühlfluidein- und -auslass geschlossen gestaltet sein. Es hat sich allerdings bewährt, wenn wenigstens eine der Haupt-Kühlplatten als eine einstückige, offene Wanne ausgebildet ist, deren offene Kanalstruktur mittels eines flachen Kühldeckels verschließbar oder verschlossen ist. Bevorzugt ist dies für beide Haupt-Kühlplatten der Fall, diese können dann nämlich jeweils oder - besonders bevorzugt - gemeinsam einstückig in einem kostengünstigen Herstellungsverfahren beispielsweise als Spritzgussteile hergestellt werden. Der bzw. die Kühldeckel, an welche die zu kühlenden elektronischen Komponenten thermisch angekoppelt sind oder werden, können dann nachträglich aufgesetzt und abgedichtet werden. Die Kühldeckel können dann im Hinblick auf ihre Funktion als Wärmeüberträger vom Kühlfluid zu den elektronischen Komponenten hin optimiert und ggf. recht komplex gestaltet sein, ohne dass dies das Herstellungsverfahren des übrigen Kühlkörpers unnötig verkomplizieren würde. Auch die thermische und ggf. gleichzeitig mechanische Ankopplung der elektronischen Komponenten an den Kühldeckel, die beispielsweise durch sehr spezielle Löt-, Sinterverfahren oder Laminierverfahren erzielt werden kann, kann unabhängig von der Herstellung oder eventuellen thermischen Empfindlichkeiten des übrigen Kühlkörpers durchgeführt werden. So kann es günstig sein, wenn die Kühldeckel mit bereits auf ihnen fixierten elektronischen Komponenten auf zur Abdeckung und Abdichtung der bis dato noch offenen Wannen der unabhängig davon gefertigten Haupt-Kühlplatten aufgesetzt werden. Besonders bevorzugt ist allerdings ein alternatives Verfahren, bei dem der erhitzte, aus einem metallischen Material gefertigte Kühldeckel auf den oberen Rand der zugeordneten, aus einem thermoplastischen Material gefertigten Wanne aufgepresst und dabei unter Ausbildung einer dichten und mechanisch festen Verbindung an die Wanne angeschmolzen wird. Die elektronischen Komponenten können später bei niedrigeren Prozesstemperaturen auf dem Kühldeckel fixiert werden.In order to ensure that the cooling fluid is guided in a sealed manner, the heat sink must of course be designed to be closed, apart from the cooling fluid inlet and outlet. However, it has proven useful if at least one of the main cooling plates is designed as a one-piece, open trough whose open channel structure can be closed or closed by means of a flat cooling cover. This is preferably the case for both main cooling plates, namely these can then be produced individually or—particularly preferably—together in one piece in a cost-effective production process, for example as injection-molded parts. The cooling cover or covers, to which the electronic components to be cooled are or will be thermally coupled, can then be subsequently placed and sealed. The cooling covers can then be optimized with regard to their function as a heat exchanger from the cooling fluid to the electronic components and, if necessary, can be of quite complex design, without this unnecessarily complicating the manufacturing process of the rest of the cooling body. The thermal and possibly simultaneously mechanical coupling of the electronic components to the cooling cover, which can be achieved for example by very special soldering, sintering or laminating processes, can be carried out independently of the production or any thermal sensitivities of the rest of the cooling body. It can be advantageous if the cooling cover with the electronic components already fixed on it is placed on to cover and seal the hitherto open troughs of the main cooling plates manufactured independently of it. However, an alternative method is particularly preferred in which the heated cooling cover made of a metallic material is pressed onto the upper edge of the associated pan made of a thermoplastic material and is thereby melted to form a tight and mechanically strong connection to the pan. The electronic components can later be fixed on the cooling cover at lower process temperatures.
Es ist möglich und wird als günstig angesehen, wenn der Kühldeckel wenigstens einer Haupt-Kühlplatte in deren Inneres ragende Wärmeleit- und/oder Turbulenzelemente aufweist. Beispielsweise können hier Noppen- oder Rippenstrukturen vorgesehen sein, die eine Verbesserung des Wärmeaustauschs zwischen dem Kühldeckel bzw. den an ihn angekoppelten elektronischen Komponenten und dem im Inneren des Kühlkörpers strömenden Kühlfluid bewirken.It is possible and is considered favorable if the cooling cover of at least one main cooling plate has heat-conducting and/or turbulence elements projecting into its interior. For example, nub or rib structures can be provided here, which bring about an improvement in the heat exchange between the cooling cover or the electronic components coupled to it and the cooling fluid flowing inside the cooling body.
Die (ungefähre) L-Form des erfindungsgemäßen Kühlkörpers erlaubt in jedem Fall eine einseitige Kühlung der angekoppelten elektronischen Komponenten. Manche elektronische Komponenten bedürfen jedoch eine zweiseitige Kühlung. Dies ist bei der L-Form des erfindungsgemäßen Kühlkörpers höchstens im Bereich des Innenwinkels zwischen den beiden Haupt-Kühlplatten möglich. Dies führt jedoch zu einer sehr asymmetrischen Kühlung eines in diesem Zwickel angeordneten Elementes. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Kühlkörper zusätzlich eine mit Kühlfluid durchströmbare Zusatz-Kühlplatte aufweist, die parallel zu einer der Haupt-Kühlplatten ausgerichtet und beabstandet zu dieser auf deren - bezogen auf den zwischen den Haupt-Kühlplatten eingeschlossenen Winkel - äußeren Seite angeordnet ist. Damit entsteht zwischen der Außenseite der entsprechenden Haupt-Kühlplatte und besagter Zusatz-Kühlplatte ein Spalt, in den entsprechend dimensionierte elektronische Komponenten eingesetzt und mit beiden Kühlplatten zur Erzielung einer beidseitigen Kühlung gekoppelt werden können.In any case, the (approximate) L-shape of the heat sink according to the invention allows the coupled electronic components to be cooled on one side. However, some electronic components require two-sided cooling. With the L-shape of the heat sink according to the invention, this is possible at most in the area of the inner angle between the two main cooling plates. However, this leads to a very asymmetrical cooling of an element arranged in this gusset. In a further development of the invention, it is therefore provided that the cooling body additionally has an additional cooling plate through which cooling fluid can flow, which is aligned parallel to one of the main cooling plates and is spaced from it at its outer angle relative to the angle enclosed between the main cooling plates side arranged net is. This creates a gap between the outside of the corresponding main cooling plate and said additional cooling plate, in which correspondingly dimensioned electronic components can be inserted and coupled with both cooling plates to achieve cooling on both sides.
Günstigerweise handelt es sich bei derjenigen Haupt-Kühlplatte, zu der besagte Zusatz-Kühlplatte parallel ausgerichtet ist, um die ausgangsseitige Haupt-Kühlplatte. Mit anderen Worten ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zusatz-Kühlplatte parallel zu der den Kühlfluidauslass aufweisenden Haupt-Kühlplatte ausgerichtet ist. Hintergrund dieser Gestaltung ist, dass trotz der erfindungsgemäßen Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung ein Temperaturgradient zwischen der eingangsseitigen und der ausgangsseitigen Haupt-Kühlplatte unvermeidbar ist, wenngleich dieser Effekt erfindungsgemäß gegenüber dem Stand der Technik bereits deutlich reduziert ist. Gleichwohl kann die Kühlung der auf der ausgangsseitigen Haupt-Kühlplatte angeordneten elektronischen Komponenten niemals dasselbe Niveau erreichen wie die Kühlung der auf der eingangsseitigen Haupt-Kühlplatte angeordneten Komponenten. Die durch die Zusatz-Kühlplatte erzielte zusätzliche Kühlung kann genutzt werden um diesen Unterschied auszugleichen. Alternativ oder zusätzlich kann sie genutzt werden, um unterschiedlichen Kühlbedarfen unterschiedlicher elektronischer Komponenten gerecht zu werden. Dies insbesondere, wenn die eingangsseitige Haupt-Kühlplatte mit weniger kühlungsintensiven Komponenten, wie etwa Kondensatoren, bestückt wird, die das Kühlfluid nur wenig erhitzen, sodass kühlungsintensivere Komponenten, wie etwa Power-Module, die auf der ausgangsseitigen Haupt-Kühlplatte angeordnet sind, einerseits mittels Kühlfluids einer Temperatur (noch) nahe seiner Eingangstemperatur gekühlt werden können und andererseits über die Zusatz-Kühlplatte eine zusätzliche Kühlung erfahren.Conveniently, that main cooling plate to which said additional cooling plate is aligned parallel is the main cooling plate on the output side. In other words, it is preferably provided that the additional cooling plate is aligned parallel to the main cooling plate having the cooling fluid outlet. The background to this design is that despite the inventive equalization of the temperature distribution, a temperature gradient between the inlet-side and the outlet-side main cooling plate is unavoidable, although this effect is already significantly reduced according to the invention compared to the prior art. However, the cooling of the electronic components arranged on the main cooling plate on the output side can never reach the same level as the cooling of the components arranged on the main cooling plate on the input side. The additional cooling achieved by the additional cooling plate can be used to compensate for this difference. Alternatively or additionally, it can be used to meet different cooling needs of different electronic components. This is particularly the case when the main cooling plate on the input side is equipped with less cooling-intensive components, such as condensers, which heat the cooling fluid only slightly, so that components that require more cooling, such as power modules, which are arranged on the main cooling plate on the output side, are equipped on the one hand by means of Cooling fluids at a temperature (still) can be cooled close to its input temperature and, on the other hand, experience additional cooling via the additional cooling plate.
Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zusatz-Kühlplatte im Bereich einer ihrer Querkanten fluidleitend direkt mit dem Kühlfluideinlass und im Bereich ihrer gegenüberliegenden Querkante direkt mit dem Kühlfluidauslass verbunden ist. Dadurch stellt sich durch die Zusatz-Kühlplatte hindurch ein zum Fluidstrom durch die Haupt-Kühlplatte paralleler Fluidstrom ein und auch die auf der ausgangsseitigen Haupt-Kühlplatte angeordneten elektronischen Komponenten werden mit frischem, d.h. nicht vorgewärmten Kühlfluid beschickt. Aufgrund der Doppelkühlung dieser Komponenten kann der Fluidstrom durch die Zusatz-Kühlplatte jedoch deutlich geringer und weniger komplex ausgestaltet sein. It is preferably provided that the additional cooling plate is fluid-conductively connected directly to the cooling fluid inlet in the area of one of its transverse edges and directly to the cooling fluid outlet in the area of its opposite transverse edge. This results in a fluid flow through the additional cooling plate that is parallel to the fluid flow through the main cooling plate and the electronic components arranged on the main cooling plate on the outlet side are also supplied with fresh, i.e. not preheated, cooling fluid. Due to the double cooling of these components, however, the fluid flow through the additional cooling plate can be designed to be significantly smaller and less complex.
Insbesondere hat sich gezeigt, dass eine lineare Führung über die Länge der Zusatz-Kühlplatte, d.h. parallel zu den miteinander verbundenen Längskanten der Haupt-Kühlplatten, ausreichen kann.In particular, it has been shown that linear guidance over the length of the additional cooling plate, i.e. parallel to the longitudinal edges of the main cooling plates connected to one another, can be sufficient.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention result from the following specific description and the drawings.
Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Darstellung einer Leistungselektronik mit erfindungsgemäßem Kühlkörper, -
2 die Leistungselektronik von1 in geschnittener Darstellung, -
3 die Leistungselektronik von1 mit ausgeblendeter Kondensatoranordnung, -
4 der erfindungsgemäße Kühlkörper von1 mit ausgeblendetem Powermodul-Kühldeckel, -
5 die Powermodul-Anordnung der Leistungselektronik von1 und -
6 die Leistungselektronik von1 in senkrecht zu2 geschnittener Darstellung.
-
1 a perspective view of power electronics with a heat sink according to the invention, -
2 the power electronics of1 in cut representation, -
3 the power electronics of1 with blanked capacitor arrangement, -
4 the heat sink according to the invention1 with hidden power module cooling cover, -
5 the power module arrangement of the power electronics from1 and -
6 the power electronics of1 in perpendicular to2 cut representation.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.The same reference symbols in the figures indicate the same or analogous elements.
Die
Wanne 111, 121 und Kühldeckel 112, 122 bilden jeweils eine im Wesentlichen hohle Haupt-Kühlplatte 110, 120, die von einem Kühlfluid, typischerweise Kühlöl oder glykolhaltiges Wasser, durchströmbar ist. Die beiden Haupt-Kühlplatten 110, 120 sind nicht nur mechanisch sondern auch fluidisch miteinander verbunden. Hierzu existieren im Bereich der gemeinsamen Längskante bzw. der miteinander verbundenen Längskanten der Haupt-Kühlplatten 110, 120 Überleitungen 130. An entgegengesetzten Querkanten der ersten Haupt-Kühlplatte 110 einerseits und der zweiten Haupt-Kühlplatte 120 andererseits sind ein Kühlfluideinlass 113 und ein Kühlfluidauslass 123 angeordnet, die in einen stutzenartigen Zuleitkanal 114 bzw. Ableitkanal 124 übergehen, an welche Kühlfluid-Leitungen zur Bildung eines aktiven Kühlfluidkreises anschließbar sind.
Innerhalb jeder der Haupt-Kühlplatten 110, 120 sind Leitrippen 115, 125 angeordnet, mittels derer Kühlfluid, welches über den Zuführkanal 114 in den Kühlkörper 100 hinein und aus dem Ableitkanal 124 abgepumpt wird, in erfindungsspezifischer Weise innerhalb des Kühlkörpers 100 gelenkt wird. So wird der durch den Kühlfluideinlass 113 in die erste Haupt-Kühlplatte 110 eingeleitete Kühlfluidstrom mittels der dortigen Leitrippen 115 zunächst mehrflutig, insbesondere dreiflutig aufgespalten. Er strömt dann dreiflutig zunächst längskantenparallel, um sodann von den Leitrippen 115 quer dazu auf den Übergangsbereich zwischen den beiden Haupt-Kühlplatten 110, 120 umgelenkt zu werden. Dort tritt er dann durch die Überleitungen 130 in die zweite Haupt-Kühlplatte 120 ein, um dort nach wie vor mehrflutig und quer zu den Längskanten geleitet zu werden. Alsdann wird er durch die dortigen Leitrippen 125 längskantenparallel auf den Kühlfluid-Auslass 123 umgelenkt. Dort werden die einzelnen Teilströme wieder vereinigt, um gemeinsam über den Ableitkanal 124 abgeleitet zu werden. Diese spezielle Lenkung des Kühlfluids führt zu einer erheblichen Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung über die Oberflächen der Haupt-Kühlplatten 110, 120, insbesondere über die Flächen ihrer Kühldeckel 112, 122.
Die Kühldeckel 112, 122 sind mit elektronischen Komponenten 200 bestückt, die dort mechanisch und thermisch angebunden sind. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Kühldeckel 112 der ersten Haupt-Kühlplatte 110 mit Zwischenkreis-Kondensatoren 210 und der Kühldeckel 122 der zweiten Haupt-Kühlplatte 120 mit sogenannten Power-Modulen 220 bestückt. Diese elektronischen Komponenten 200 können über den jeweils zugeordneten Kühldeckel 112, 122 Wärme an das Kühlfluid abgeben. Zur Verbesserung dieses Wärmeaustauschs weisen die Kühldeckel 112, 122 an ihren jeweiligen Innenseiten, d.h. den zum Inneren der jeweils zugeordneten Haupt-Kühlplatte 110, 120 hin gerichteten Seite, Wärmeleit- und/oder Turbulenzelemente 116, 126 auf. Im Fall der ersten Haupt-Kühlplatte 110 sind die zugeordneten Wärmeleit- und/oder Turbulenzelemente 116 noppenartig ausgebildet. Im Fall der zweiten Haupt-Kühlplatte 120 sind die zugeordneten Wärmeleit- und/oder Turbulenzelemente 126 rippenartig ausgebildet.The cooling covers 112, 122 are fitted with electronic components 200 which are mechanically and thermally connected there. In the embodiment shown, the
Während die Zwischenkreis-Kondensatoren 210 bei der dargestellten Ausführungsform lediglich eine einseitige Kühlung erfahren, ist für die Power-Module 220 eine doppelseitige Kühlung vorgesehen. Hierzu dient eine Zusatz-Kühlplatte 150, die mittels einer Federplatte 140, die mit Fixierungsbolzen 141 parallel zum Kühldeckel 122 der zweiten Haupt-Kühlplatte 120 gehalten wird, gegen die auf dessen Oberfläche fixierten Power-Module 220 gepresst wird. Wie auch die Haupt-Kühlplatten 110, 120 ist die Zusatz-Kühlplatte 150 zweiteilig, nämlich in Form einer offenen Wanne 151 und eines diese verschließenden Kühldeckels 152 ausgebildet. Der Kühldeckel 152 der Zusatz-Kühlplatte 150 liegt an den Power-Modulen 220 an und ist an seiner Innenseite mit Wärmeleit- und/oder Turbulenzelementen 156 bestückt. Auch die Zusatz-Kühlplatte 150 kann mit Kühlfluid durchströmt werden. Hierzu ist sie über zwei kanalartige Überleitungen 131, von denen in den Figuren lediglich die eingangsseitige erkennbar ist, einerseits mit dem Kühlfluid-Einlass 113 und andererseits mit dem Kühlfluid-Auslass 123 verbunden. Bei der dargestellten Ausführungsform sind innerhalb der Zusatz-Kühlplatte 150 keine besonderen Leitrippen zur Kühlfluid-Lenkung vorgesehen. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Zusatz-Kühlplatte 150 daher linear längskantenparallel durchströmt.While the intermediate circuit capacitors 210 in the embodiment shown are only cooled on one side, the power modules 220 are cooled on both sides. An
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist die in den Figuren gezeigte, gemeinsam einstückige Ausbildung der Wannen 111, 121 der Haupt-Kühlplatten 110, 120 nicht erfindungszentral, wenngleich besonders bevorzugt und speziell im Hinblick auf Kostenvorteile bei der Herstellung vorteilhaft. Bei alternativen Gestaltungen kann der Kühlkörper 100 auch als Zusammenbauteil aus einer größeren Anzahl von Elementen hergestellt sein. Weiter denkbar ist die Bestückung beider Hauptflächen wenigstens einer der Haupt-Kühlplatten 110, 120 mit elektronischen Komponenten 200. In unmittelbarer Erweiterung der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen käme dafür insbesondere die erste Haupt-Kühlplatte 110 in Frage.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures only represent illustrative exemplary embodiments of the present invention. In particular, the joint one-piece design of the
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Leistungselektronikpower electronics
- 100100
- Kühlkörperheatsink
- 110110
- erste Haupt-Kühlplattefirst main cold plate
- 111111
- Wanne von 110tub of 110
- 112112
- Kühldeckel von 110Cooling cap from 110
- 113113
- Kühlfluid-Einlasscooling fluid inlet
- 114114
- Zuführkanalfeed channel
- 115115
- Leitrippeguide rib
- 116116
- Wärmeleit- und/oder TurbulenzelementHeat conducting and/or turbulence element
- 120120
- zweite Haupt-Kühlplattesecond main cooling plate
- 121121
- Wanne von 120tub of 120
- 122122
- Kühldeckel von 120Cooling cap from 120
- 123123
- Kühlfluid-Auslasscooling fluid outlet
- 124124
- Ableitkanaldrainage channel
- 125125
- Leitrippeguide rib
- 126126
- Wärmeleit- und/oder TurbulenzelementHeat conducting and/or turbulence element
- 130130
- Überleitung zwischen 110 und 120Transition between 110 and 120
- 131131
- Überleitung zwischen 110 und 150Reconciliation between 110 and 150
- 140140
- Federplattespring plate
- 141141
- Fixierungsbolzenfixing bolts
- 150150
- Zusatz-KühlplatteAdditional cooling plate
- 151151
- Wanne von 150tub of 150
- 152152
- Kühldeckel von 150Cooling cap from 150
- 156156
- Wärmeleit- und/oder TurbulenzelementHeat conducting and/or turbulence element
- 200200
- elektronische Komponentenelectronic components
- 210210
- Zwischenkreis-Kondensatorintermediate circuit capacitor
- 220220
- Power-Modulpower module
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 3340292 A1 [0002]EP 3340292 A1 [0002]
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US20120139096A1 (en) | 2009-08-10 | 2012-06-07 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor module and cooling unit |
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EP3340292A1 (en) | 2016-12-21 | 2018-06-27 | Valeo GmbH | Heat sink, power electronics unit comprising the heat sink and method for assembling the power electronics unit |
WO2020078748A1 (en) | 2018-10-17 | 2020-04-23 | Valeo Systemes De Controle Moteur | Electronic device for a vehicle |
-
2021
- 2021-10-06 DE DE102021211246.3A patent/DE102021211246A1/en active Pending
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