WO2005088713A1 - Kühleinrichtung - Google Patents

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WO2005088713A1
WO2005088713A1 PCT/EP2005/002068 EP2005002068W WO2005088713A1 WO 2005088713 A1 WO2005088713 A1 WO 2005088713A1 EP 2005002068 W EP2005002068 W EP 2005002068W WO 2005088713 A1 WO2005088713 A1 WO 2005088713A1
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WO
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heat
heat sink
heat exchange
exchange means
cooling device
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PCT/EP2005/002068
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English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Omnitz
Stefan Schirmaier
Markus Winterhalter
Peter Wiedemuth
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Hüttinger Elektronik Gmbh + Co. Kg
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Priority to EP05707651A priority patent/EP1723670A1/de
Publication of WO2005088713A1 publication Critical patent/WO2005088713A1/de
Priority to US11/530,242 priority patent/US20070217148A1/en

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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
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    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a cooling device of an electrical device, in particular a power supply device, comprising a heat sink, which is arranged in an airtight or substantially airtight housing of the electrical device, through which a coolant can flow and on which heat generators, in particular electronic components, are mounted that transfer heat to the heat sink through contact transfer.
  • An essentially airtight housing is understood to mean a housing which is ideally airtight but inadvertently has leaks or small gaps through which small amounts of air can penetrate or escape. In any case, no air flow for cooling is intentionally supplied to these housings or larger quantities of heated air are removed from the housing.
  • housings of voltage transformers for example for plasma excitation, often have to be airtight. This is necessary because such devices are often used in clean rooms. Particles that are present inside the housing after assembly must not get into the clean rooms. For this reason, fans that cause an air exchange between the housing and the environment are not suitable for cooling. However, applications are also conceivable in which the devices are used in a dirty environment, where it must be avoided that ambient air gets into the housing. It is known to conduct the heat generated by components arranged in the housing out of the housing through coolant systems. The coolant usually flows through a heat sink, which is arranged in the housing. Components that heat up during operation are thermally coupled to this heat sink.
  • the components that cannot or cannot be fully coupled to the heat sink are usually cooled by the ambient air. This cannot leave the housing. There is a build-up of heat that heats up the device internally. To avoid overheating of the device and components, the air must be cooled again. For this purpose, separate heat exchangers with a separate coolant circuit are often used.
  • a cooling system is known from DE 195 24 115 C2, which dissipates thermal energy from the air in a closed system to a coolant circuit.
  • the air that heats up on the electronic components, which are arranged in a housing, is cooled in an intermediate duct.
  • the intermediate duct then dissipates its heat to the atmospheric air via a second air circulation.
  • a coolant circuit is provided, with which converters arranged in the housing are cooled and the coolant of which is cooled by a cooler with atmospheric air.
  • the applicant has set himself the task of improving a cooling device of the type mentioned at the outset and to provide a method for producing a cooling body of such a cooling device.
  • this object is achieved by a cooling device of the type mentioned at the outset, in which heat-additionally heat exchange means connected to the heat sink are arranged for cooling air contained in the housing.
  • Such a cooling device combines in a compact design a cooling body, which can be designed as a water cooling plate, for cooling directly mounted components and a heat exchanger for cooling the interior of the device. With such a cooling device, an additional air / water heat exchanger for cooling the air in the housing is no longer necessary. Additional water connections are eliminated, which reduces the risk of a leak.
  • the device can be adapted very flexibly to the thermal requirements and mechanical conditions, particularly in compact devices. Appropriate construction of the heat exchange means makes three-dimensional designs easy and inexpensive to implement.
  • the geometry of the heat exchange medium can be selected depending on the application. No separate coolant circuit is required to cool the heat exchange medium.
  • the heat sink and the heat exchange medium can be implemented in one component in a space-saving manner.
  • a fan is arranged in the housing.
  • the heated air can circulate and the heated air can be swept well by the heated air.
  • the cooling of the housing internal air can thus be made more effective.
  • the heat exchange means are advantageously of lamellar design. This maximizes the heat exchange area for absorbing heat from the air inside the device.
  • the heat sink is designed as a cooling plate, from which the heat exchange means protrude. This makes it compact Construction ensured. Electrical components that generate heat can be arranged in a particularly space-saving manner on a plate-like heat sink.
  • the heat exchange means are arranged on one side and the heat generators on the opposite side of the heat sink.
  • the rear of the heat sink, on which no components are arranged can be equipped almost completely with heat exchange means for cooling air contained in the housing. This means that the heat sink absorbs the heat of the components on one side and dissipates it directly to the coolant and on the opposite side it absorbs heat from the air surrounding the heat sink and dissipates it to the coolant.
  • the effect of the cooling device can be further improved if the heat exchange means are arranged on two, in particular opposite, sides of the heat sink. This means that almost all of the free space on the heat sink, i.e. places on the heat sink that are not occupied by components can be equipped with heat exchange media and maximum heat can be extracted from the air in the housing. Due to the arrangement on two opposite sides, the heat sink can be designed as a plate and an overall relatively flat arrangement can be realized.
  • the heat exchange means are arranged between heat generators.
  • This measure allows heat to be dissipated directly from the immediate vicinity of the heat generator.
  • a coolant channel is formed in the heat sink, which extends along the mounting positions of heat generators. This measure allows heat to be dissipated directly from the heat generators. This makes the cooling effect more effective.
  • the coolant channel can be arranged and guided in the heat sink specific to the application. The coolant channel is preferably guided past the components with the greatest heat generation.
  • heat exchange means of different heights are provided.
  • the air flow in the housing can be influenced by this measure and an optimal heat transfer from the air into the heat exchange means and thus into the heat sink can take place.
  • heat exchangers have different heights along their extension, i.e. protrude at different distances from the heat sink.
  • the lamellar heat exchange means are soldered in heat exchange grooves of the heat sink. Because the heat exchange means are soldered in heat exchange grooves of the heat sink, the heat exchange medium is connected to the heat sink over a large area. This ensures good heat transfer from the heat exchangers to the heat sink.
  • the air can flow through between the heat exchange means and a large amount of heat can be transferred from the air into the heat exchange means.
  • the heat sink and / or the heat exchange means are preferably formed from copper or a higher-quality metal. This ensures good heat conduction.
  • the heat exchangers and the heat sink can be soldered to one another in a particularly simple manner.
  • the area defining the coolant channel should be made of copper or a higher-quality metal in order to prevent corrosion when the coolant flows through it. If lower-quality metals were used, electrochemical potentials would arise, which would lead to corrosion in the entire coolant circuit, ie not only in the area of the coolant channel.
  • the object is also achieved by a method for producing a heat sink with the method steps: a. Creating a coolant channel groove in the heat sink; b. Forming a coolant channel by closing the coolant channel groove with a cover part; c. Arranging heat exchangers on the heat sink.
  • a coolant can circulate or flow in the coolant channel in order to remove heat from the heat sink.
  • heat can be transferred from the ambient air into the heat sink and thus to the coolant.
  • the coolant channel groove can be produced, for example, by creating a coolant channel groove by milling in a heat sink.
  • the shape of the cover part can essentially correspond to the shape or the course of the coolant channel groove.
  • the coolant channel groove can be milled or created in some other way.
  • the arrangement of the heat exchange means comprises the removal of a plurality of heat exchange grooves in the heat sink and the insertion of the heat exchange means in the heat exchange grooves.
  • the heat exchange means can be arranged more stably on the heat sink and on the other hand that a large-area connection of the heat exchange means to the heat sink is realized. This would not be the case if, for example, heat exchange means designed as fins were simply placed on the heat sink with a narrow side.
  • the connection, for example by soldering, of the heat exchange medium to the heat sink is facilitated.
  • the cover part is soldered to the heat sink at a first soldering temperature, for example in the range from 270 ° to 350 ° C., in particular in the range from 290 to 307 ° C., and the heat exchange means at a second, lower soldering temperature, for example ⁇ 230 ° C, in particular ⁇ 200 ° C, are soldered to the heat sink.
  • a first soldering temperature for example in the range from 270 ° to 350 ° C., in particular in the range from 290 to 307 ° C.
  • the heat exchange means at a second, lower soldering temperature, for example ⁇ 230 ° C, in particular ⁇ 200 ° C, are soldered to the heat sink.
  • soldering is carried out by induction heating.
  • This procedure guarantees especially when used of a geometrically optimized inductor a quick heat input into the material and a very even heat distribution regardless of the heat sink geometry.
  • an energy-saving heat input is possible with a high degree of efficiency and with an exactly adjustable temperature.
  • induction heating can ensure that, during the second soldering process, the temperature at all points of the heat sink is reliably kept so low that the first soldered connection does not come loose again.
  • the soldering of the heat exchange means is simplified if the heat exchange grooves are provided with a soldering aid, for example with a soldering flux and / or a soldering paste, before the heat exchange means are inserted.
  • a soldering aid for example with a soldering flux and / or a soldering paste
  • the side of the heat sink on which the heat exchange means are to be arranged is coated or covered with a soldering aid, so that at least when the heat exchange means are inserted into the heat exchange grooves, soldering aid gets into the heat exchange grooves.
  • a second, wider depression is created along the coolant channel groove, the height of which corresponds approximately to the thickness of the cover part.
  • the cover part can be inserted into this second, wider depression.
  • the cover part does not protrude or only slightly protrudes from the surface of the heat sink. This creates an almost flat surface of the heat sink on which components can be easily arranged.
  • the depression can also be created first, for example as a first groove, in the groove base of which a second narrower groove can be created for the coolant channel.
  • the grooves are preferably milled. As a result, the coolant channel and the heat exchange grooves can be produced exactly.
  • the cover part fits well when the cover part is produced by laser cutting.
  • the cover part can for example consist of brass or a higher quality material. If the heat sink is made of copper, the cover part can be soldered to the heat sink particularly well. In addition, no corrosion can occur through a coolant, especially water.
  • mounting aids in particular mounting holes, are introduced or attached in or on the heat sink.
  • the components can thus be fixed in place on the heat sink.
  • Such a face milling is only necessary in areas where components are mounted on the cooling plate. Such a face milling is not necessary in the areas where lamellas are applied.
  • a layer stack consisting of a first layer, a second layer, in which the coolant channel groove is formed, and the cover part is soldered before the heat exchange grooves are introduced.
  • the coolant channel groove does not have to be milled into the heat sink.
  • no cover part has to be produced by laser cutting.
  • the cover part can be a plate which essentially corresponds to the dimensions of the first layer.
  • a soldering aid can be applied between the individual layers.
  • the first and second layers and the cover part can be pressed together before soldering.
  • To form the coolant channel a plurality of copper parts which form the second layer can be arranged on the first layer, the coolant channel being formed by the space between the parts.
  • the heat exchange grooves can be milled in and the heat exchange means can be soldered to the heat sink.
  • the cover part or the first layer can already have cooling fins, which would simplify production.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a heat sink with a coolant channel of a cooling device, but without a heat exchange medium
  • FIG. 2 is a perspective view of the heat sink of FIG. 1 with the heat exchange grooves introduced;
  • 3 is a perspective view of the heat sink of FIGS. 1, 2 after a further manufacturing step;
  • Fig. 4 is a plan view of part of a heat sink to illustrate another manufacturing variant.
  • the coolant channel 2 can be connected to an open coolant circuit, for example a water circuit. It is limited by a coolant channel groove 3 milled into the coolant body 1 and a cover part 4.
  • the cover part 4 lies in a recess 5, the height of which corresponds approximately to the thickness of the cover part 4. This results in a flat surface 6 of the heat sink 1 when the cover part 4 is inserted.
  • the heat sink 1 is preferably made of copper and the cover part 4 is made of brass.
  • the cover part 4 is soldered to the heat sink 1. If copper or higher-quality metals are used, the coolant channel 2 is designed to be corrosion-resistant.
  • FIG. 2 Another process step in the manufacture of the heat sink 1 of the cooling device according to the invention is shown in FIG. 2. After the cover part 4 has been soldered to the heat sink 1 in the widening 5, heat exchange grooves 8 are milled into the surface of the heat sink 1. Heat can be introduced into the coolant particularly well via heat exchange grooves 8, which are arranged above the coolant channel 2.
  • a heat exchange medium 9.1 designed as a lamella is inserted, for example, into the heat exchange groove 8 and there with the heat sink 1 soldered. Due to the fact that the heat exchange medium 9.1 is inserted a little way into the heat exchange groove 8, heat can not only be introduced into the heat sink 1 at a point of the heat sink 1 opposite the narrow side 10, but also laterally via groove flanks 11.
  • 1 heat generator 12 are arranged on the opposite side of the heat sink, in particular are screwed to it by means of screws 13. Instead of screws, any other component holder can be used, such as clamps. The heat of the heat generator 12 is at least partially absorbed by the heat sink 1.
  • the heat exchange medium 9.2 shows, by way of example, that the heat exchange medium 9.2 can have different heights along its extent. In order to be able to better dissipate the heat from the surroundings of a component which can be mounted via the mounting aids 14 designed as mounting bores, the heat exchange medium 9.2 has a greater height in the section adjacent to the mounting aids 14. If fins similar to lamella 9.2 are used with different heights, they can make optimal use of the space in the housing and can be optimally adapted to components that are not mounted on the cooling plate in the housing and that have different heights.
  • FIG. 4 shows a top view of a second layer 15 of the heat sink 1, which is produced in an alternative manufacturing method.
  • the second layer 15 has the parts 15.1, 15.2 which are placed on a first layer 16.
  • a coolant channel 2 is formed between parts 15.1, 15.2.
  • a cover part, not shown, which has essentially the same base area as the first layer 16, can be placed on the first and second layers 15, 16. The layer stack formed in this way can then be soldered to a heat sink 1 before heat exchange grooves are milled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung eines elektrischen Geräts, insbesondere einer Stromversorgungseinrichtung, umfassend einen Kühlkörper (1), der in einem im Wesentlichen luftdicht abgeschlossenen Gehäuse des elektrischen Geräts angeordnet ist, der mit einem Kühlmittel durchströmbar ist und auf dem Wärmeerzeuger (12), insbesondere elektronische Bauteile, montiert sind, die Wärme durch Kontaktübertragung an den Kühlkörper (1) abgeben, wobei an dem Kühlkörper (1) zusätzlich wärmeleitend mit dem Kühlkörper (1) verbundene Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) zum Kühlen von in dem Gehäuse enthaltener Luft angeordnet sind. Eine derartige Kühleinrichtung kann in kompakter Bauweise mit effektiver Wärmeableitung realisiert werden.

Description

B E SC H RE I B U N G Kühleinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung eines elektrischen Geräts, insbesondere einer Stromversorgungseinrichtung, umfassend einen Kühlkörper, der in einem luftdicht oder im Wesentlichen luftdicht abgeschlossenen Gehäuse des elektrischen Geräts angeordnet ist, der mit einem Kühlmittel durchströmbar ist und auf dem Wärmeerzeuger, insbesondere elektronische Bauteile, montiert sind, die Wärme durch Kontaktubertragung an den Kühlkörper abgeben.
Unter einem im Wesentlichen luftdicht abgeschlossenen Gehäuse wird ein Gehäuse verstanden, das idealerweise luftdicht ist, aber unbeabsichtigterweise Leckagen oder kleine Spalte aufweist, durch die geringfügige Mengen an Luft eindringen oder ausdringen können. Jedenfalls wird diesen Gehäusen kein Luftstrom zur Kühlung absichtlich zugeführt bzw. größere Mengen an erwärmter Luft aus dem Gehäuse abgeführt.
Gehäuse von Spannungswandlern (Stromversorgungseinrichtungen), beispielsweise für die Plasmaanregung, müssen oft luftdicht geschlossen sein. Dies ist erforderlich, da derartige Geräte häufig in Reinräumen eingesetzt werden. Partikel, die im Inneren des Gehäuses nach der Montage vorhanden sind, dürfen nicht in die Reinräume gelangen. Deshalb sind Lüfter, die einen Luftaustausch zwischen dem Gehäuse und der Umgebung herbeiführen, nicht zur Kühlung geeignet. Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, bei denen die Geräte in einer schmutzigen Umgebung verwendet werden, wo vermieden werden muss, dass Umgebungsluft in das Gehäuse gelangt. Es ist bekannt, die von im Gehäuse angeordneten Bauelementen erzeugte Wärme durch Kühlflüssigkeitssysteme aus dem Gehäuse zu leiten. Die Kühlflüssigkeit durchströmt in der Regel einen Kühlkörper, der im Gehäuse an- geordnet ist. An diesen Kühlkörper werden Bauteile, die sich im Betrieb erwärmen, thermisch angekoppelt. Die Bauteile, die sich nicht oder nicht vollständig an den Kühlkörper ankoppeln lassen, werden in der Regel durch die Umgebungsluft gekühlt. Diese kann das Gehäuse nicht verlassen. Es entsteht ein Wärmestau, der das Gerät intern aufheizt. Um eine Überhitzung von Gerät und Bauteilen zu vermeiden, muss die Luft ihrerseits wieder gekühlt werden. Dazu werden häufig separate Wärmetauscher mit einem separaten Kühlflüssigkeitskreislauf eingesetzt.
Aus der DE 195 24 115 C2 ist ein Kühlsystem bekannt geworden, welches Wärmeenergie aus der Luft in einem geschlossenen System an einen Kühlmittelkreislauf abführt. Hierbei wird die Luft, die sich an den elektronischen Bauteilen, die in einem Gehäuse angeordnet sind, aufheizt, in einem Zwischenkanal abgekühlt. Der Zwischenkanal leitet seine Wärme dann über eine zweite Luftzirkulation an die atmosphärische Luft ab. Zusätzlich ist ein Kühlflüssigkeitskreislauf vorgesehen, mit dem im Gehäuse angeordnete Stromrichter gekühlt werden und dessen Kühlflüssigkeit von einem Kühler mit atmosphärischer Luft abgekühlt wird.
Der Anmelder hat sich die Aufgabe gestellt, eine Kühleinrichtung der ein- gangs genannten Art zu verbessern und ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers einer derartigen Kühleinrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der an dem Kühlkörper zusätzlich wärmelei- tend mit dem Kühlkörper verbundene Wärmetauschmittel zum Kühlen von in dem Gehäuse enthaltener Luft angeordnet sind.
Eine derartige Kühleinrichtung vereinigt in kompakter Bauweise einen Kühl- körper, der als Wasserkühlplatte ausgebildet sein kann, zur Kühlung direkt montierter Bauteile und einen Wärmetauscher zur Kühlung der Geräteinnen- luft. Mit einer derartigen Kühleinrichtung ist ein zusätzlicher Luft-/Wasser- Wärmetauscher zur Kühlung der Luft im Gehäuse nicht mehr notwendig. Zusätzliche Wasserverbindungen entfallen, womit das Risiko eines Lecks vermindert wird. Die Einrichtung ist sehr flexibel an die thermischen Erfordernisse und mechanischen Gegebenheiten, insbesondere in kompakten Geräten, anpassbar. Durch entsprechende Konstruktion der Wärmetauschmittel sind dreidimensionale Ausführungen einfach und kostengünstig zu realisieren. Die Geometrie der Wärmetauschmittel ist anwendungsspezifisch wählbar. Zur Kühlung der Wärmetauschmittel ist kein separater Kühlmittelkreislauf notwendig. Der Kühlkörper und die Wärmetauschmittel können in Platz sparender Weise in einem Bauelement realisiert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn im Gehäuse ein Lüfter angeordnet ist. Dadurch kann eine Umwälzung der erwärmten Luft erfolgen und ein gutes Überstreichen der Wärmetauschmittel durch die erwärmte Luft erfolgen. Die Kühlung der Gehäuseinnenluft kann dadurch effektiver gestaltet werden.
Vorteilhafterweise sind die Wärmetauschmittel lamellenförmig ausgebildet. Dadurch wird die Wärmetauschfläche zur Aufnahme von Wärme aus der Luft im Geräteinneren maximiert.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Kühlkörper als Kühlplatte ausgebildet ist, von der die Wärmetauschmittel abstehen. Dadurch wird eine kompakte Bauweise sichergestellt. Auf einem plattenartigen Kühlkörper können elektrische Bauelemente, die Wärme erzeugen, besonders platzsparend angeordnet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauschmittel auf der einen und die Wärmeerzeuger auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers angeordnet sind. Durch diese Maßnahme kann die Rückseite des Kühlkörpers, auf der keine Bauelemente angeordnet sind, nahezu vollständig mit Wärmetauschmitteln zum Kühlen von in dem Gehäuse enthaltener Luft ausgestattet werden. Dies bedeutet, dass der Kühlkörper auf der einen Seite die Wärme der Bauelemente aufnimmt und unmittelbar an die Kühlflüssigkeit abführt und auf der gegenüberliegenden Seite über die Wärmetauschmittel Wärme aus der den Kühlkörper umgebenden Luft aufnimmt und an das Kühlmittel abführt.
Die Wirkung der Kühleinrichtung kann noch verbessert werden, wenn die Wärmetauschmittel auf zwei, insbesondere sich gegenüberliegenden, Seiten des Kühlkörpers angeordnet sind. Somit können nahezu alle Freiräume auf dem Kühlkörper, d.h. auf dem Kühlkörper nicht von Bauelementen besetzte Stellen, mit Wärmetauschmitteln ausgestattet werden und kann ein maximaler Wärmeentzug aus der Luft im Gehäuse erfolgen. Durch die Anordnung auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten kann der Kühlkörper als Platte ausgebildet sein und kann eine insgesamt relativ flache Anordnung realisiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauschmittel zwischen Wärmeerzeugern angeordnet sind. Durch diese Maßnahme kann Wärme direkt aus der unmittelbaren Umgebung der Wärmeerzeuger abgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn im Kühlkörper ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist, der sich entlang von Montagepositionen von Wärmeerzeugern erstreckt. Durch diese Maßnahme kann Wärme unmittelbar bei den Wärmeerzeugern abgeführt werden. Dadurch wird die Kühlwirkung effektiver gestaltet. Insbesondere kann der Kühlmittelkanal anwendungsspezifisch in dem Kühlkörper angeordnet und geführt werden. Vorzugsweise wird der Kühlmittelkanal an den Bauelementen mit der größten Wärmeerzeugung vorbei geführt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind Wärmetauschmittel unterschiedlicher Höhen vorgesehen. Durch diese Maßnahme kann der Luftstrom im Gehäuse beeinflusst werden und kann ein optimaler Wärmeübergang aus der Luft in die Wärmetauschmittel und damit in den Kühlkörper erfolgen. Es kann auch vorgesehen sein, dass Wärmetauschmittel entlang ihrer Erstreckung unterschiedliche Höhen aufweisen, d.h. unterschiedlich weit vom Kühlkörper abstehen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die lamellenförmigen Wärme- tauschmittel in Wärmetauschnuten des Kühlkörpers verlötet. Dadurch, dass die Wärmetauschmittel in Wärmetauschnuten des Kühlkörpers verlötet sind, erfolgt eine großflächige Verbindung der Wärmetauschmittel mit dem Kühlkörper. Dies stellt einen guten Wärmeübergang von den Wärmetauschmitteln in den Kühlkörper sicher.
Wenn mehrere Wärmetauschmittel parallel zueinander angeordnet sind, kann die Luft zwischen den Wärmetauschmitteln hindurchströmen und kann eine große Wärmemenge aus der Luft in die Wärmetauschmittel übertragen werden. Vorzugsweise sind der Kühlkörper und/oder die Wärmetauschmittel aus Kupfer oder einem höherwertigen Metall ausgebildet. Dadurch wird eine gute Wärmeleitung sichergestellt. Außerdem können die Wärmetauschmittel und der Kühlkörper besonders einfach miteinander verlötet werden. Insbesondere der den Kühlmittelkanal definierende Bereich sollte aus Kupfer oder einem höherwertigen Metall ausgebildet sein, um Korrosion beim Durchfluss mit dem Kühlmittel zu verhindern. Bei der Verwendung von niederwertige- ren Metallen würden elektrochemische Potentiale entstehen, die zu Korrosi- on im gesamten Kühlmittelkreislauf führen, also nicht nur im Bereich des Kühlmittelkanals.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers mit den Verfahrensschritten: a. Erzeugen einer Kühlmittelkanalnut in dem Kühlkörper; b. Ausbilden eines Kühlmittelkanals durch Verschließen der Kühlmittelkanalnut mit einem Deckelteil; c. Anordnen von Wärmetauschmitteln an dem Kühlkörper.
In dem Kühlmittelkanal kann ein Kühlmittel zirkulieren bzw. strömen, um Wärme aus dem Kühlkörper abzuführen. Durch das Anordnen von Wärmetauschmitteln an dem Kühlkörper kann Wärme aus der Umgebungsluft in den Kühlkörper und damit an das Kühlmittel überführt werden. Die Kühlmit- telkanalnut kann erzeugt werden, indem beispielsweise durch Fräsen in einem Kühlkörper eine Kühlmittelkanalnut erzeugt wird. Die Form des Deckelteils kann im Wesentlichen der Form bzw. dem Verlauf der Kühlmittelkanalnut entsprechen. Die Kühlmittelkanalnut kann gefräst werden oder auf andere Weise erzeugt werden. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass das Anordnen der Wärmetauschmittel das Ausnehmen mehrerer Wärmetauschnuten in dem Kühlkörper und das Einsetzen der Wärmetauschmittel in die Wärmetauschnuten umfasst. Dies hat den Vorteil, dass die Wärmetauschmittel zum einen stabiler auf dem Kühlkörper angeordnet werden können und dass zum anderen eine großflächige Verbindung der Wärmetauschmittel mit dem Kühlkörper realisiert wird. Dies wäre nicht der Fall, wenn beispielsweise als Lamellen ausgebildete Wärmetauschmittel einfach mit einer schmalen Seite auf den Kühlkörper aufgesetzt würden. Außerdem wird das Verbinden, beispielsweise durch Löten, der Wärmetauschmittel mit dem Kühlkörper erleichtert.
Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass das Deckelteil bei einer ersten Löttemperatur, beispielsweise im Bereich 270° - 350°C, insbesondere im Bereich 290 - 307°C, mit dem Kühlkörper verlötet wird und die Wärmetauschmittel bei einer zweiten, niedrigeren Löttemperatur, beispielsweise < 230°C, insbesondere < 200°C, mit dem Kühlkörper verlötet werden. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass die erste Löt- Verbindung nicht wieder gelöst wird, wenn die Wärmetauschmittel angelötet werden. Die Löttemperaturen müssen so gewählt werden, dass diese Bedingung erfüllt ist. Abhängig von den zu verlötenden Materialien und den verwendeten Löthilfsmitteln müssen die Löttemperaturen geeignet gewählt werden und können auch außerhalb der oben angegebenen Bereiche liegen. Lötverbindungen zu verwenden hat den Vorteil, dass dadurch ein guter Wärmeübergang zwischen den verlöteten Teilen sicher gestellt ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Löten jeweils mittels Induktionserwärmung erfolgt. Dieses Verfahren garantiert insbesondere bei Verwendung eines geometrisch optimierten Induktors einen schnellen Wärmeeintrag in das Material sowie eine sehr gleichmäßige Wärmeverteilung unabhängig von der Kühlkörpergeometrie. Weiterhin ist damit ein energiesparender Wärmeeintrag bei einem hohen Wirkungsgrad und mit exakt einstellbarer Tempe- ratur möglich. Insbesondere kann mit einer Induktionserwärmung sichergestellt werden, dass beim zweiten Lötvorgang die Temperatur an allen Stellen des Kühlkörpers zuverlässig so niedrig gehalten wird, dass sich die erste Lötverbindung nicht wieder löst.
Das Verlöten der Wärmetauschmittel wird vereinfacht, wenn vor dem Einsetzen der Wärmetauschmittel die Wärmetauschnuten mit einem Löthilfsmittel, beispielsweise mit einem Lötflussmittel und/oder einer Lötpaste, versehen werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass diejenige Seite des Kühlkörpers, an dem die Wärmetauschmittel anzuordnen sind, mit ei- nem Löthilfsmittel bestrichen oder bedeckt wird, so dass zumindest beim Einstecken der Wärmetauschmittel in die Wärmetauschnuten Löthilfsmittel in die Wärmetauschnuten gelangt.
Vorteilhaft ist es, wenn nach dem Ausnehmen der Kühlmittelkanalnut eine zweite, breitere Vertiefung entlang der Kühlmittelkanalnut erzeugt wird, deren Höhe in etwa der Dicke des Deckelteils entspricht. In diese zweite, breitere Vertiefung kann das Deckelteil eingesetzt werden. Das Deckelteil steht dabei nicht oder nur unwesentlich über die Oberfläche des Kühlkörpers hervor. Dadurch entsteht eine nahezu plane Oberfläche des Kühlkörpers, auf der Bauelemente einfach angeordnet werden können. Es versteht sich, dass auch zunächst die Vertiefung erzeugt werden kann, beispielsweise als erste Nut, in deren Nutgrund eine zweite schmalere Nut für den Kühlmittelkanal erzeugt werden kann. Vorzugsweise werden die Nuten gefräst. Dadurch können der Kühlmittelkanal und die Wärmetauschnuten exakt hergestellt werden.
Eine gute Passung des Deckelteils ergibt sich, wenn das Deckelteil durch Laserschneiden erzeugt wird. Dabei kann das Deckelteil beispielsweise aus Messing oder einem höherwertigen Material bestehen. Besteht der Kühlkörper aus Kupfer, kann das Deckelteil besonders gut mit dem Kühlkörper verlötet werden. Außerdem kann keine Korrosion durch ein Kühlmittel, insbesondere durch Wasser, erfolgen.
Zur Montage von Bauelementen, von denen Wärme abgeführt werden soll, ist es vorteilhaft, wenn in den oder an dem Kühlkörper Montagehilfen, insbesondere Montagelöcher, eingebracht oder angebracht werden. Damit können die Bauelemente ortsfest am Kühlkörper fixiert werden.
Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass nach dem Verlöten des Deckelteils mit dem Kühlkörper die Oberfläche des Kühlkörpers plan gefräst wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bauelemente großflächig auf dem Kühlkörper aufliegen und ein optimaler Wärmeüber- gang von den Bauelementen in den Kühlkörper erfolgen kann. Eine solche Planfräsung ist nur in Bereichen nötig, wo Bauteile auf die Kühlplatte montiert werden. In Bereichen der Aufbringung von Lamellen ist eine solche Planfräsung nicht notwendig.
Bei einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass ein Schichtenstapel bestehend aus einer ersten Schicht, einer zweiten Schicht, in der die Kühlmittelkanalnut ausgebildet wird, und dem Deckelteil verlötet wird, ehe die Wärmetauschnuten eingebracht werden. Bei dieser Herstellungsart muss die Kühlmittelkanalnut nicht in den Kühlkörper eingefräst werden. Außerdem muss kein Deckelteil durch Laserschneiden hergestellt werden. Das Deckelteil kann eine Platte sein, die im Wesentlichen den Maßen der ersten Schicht entspricht. Zwischen den einzelnen Schichten kann ein Löthilfsmittel angebracht werden. Vor dem Verlöten können die erste und zweite Schicht und das Deckelteil miteinander verpresst werden. Zur Ausbildung des Kühlmittelkanals können mehrere Kupferteile, die die zweite Schicht bilden, auf der ersten Schicht angeordnet werden, wobei durch den Zwischenraum zwischen den Teilen der Kühlmittelkanal gebildet wird. Nach dem Verlöten der Schichten können die Wärmetauschnuten eingefräst werden und die Wär- metauschmittel mit dem Kühlkörper verlötet werden. Alternativ kann das Deckteil oder die erste Schicht schon Kühllamellen besitzen, was die Herstellung vereinfachen würde.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich o- der zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers mit Kühlmittel- kanal einer Kühleinrichtung, jedoch ohne Wärmetauschmittel;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Kühlkörpers der Fig. 1 mit eingebrachten Wärmetauschnuten; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Kühlkörpers der Fign. 1, 2 nach einem weiteren Herstellungsschritt;
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil eines Kühlkörpers zur Darstellung einer weiteren Herstellungsvariante.
In der Fig. 1 ist ein Kühlkörper 1 dargestellt, der einen Kühlmittelkanal 2 aufweist. Der Kühlmittelkanal 2 kann an einen offenen Kühlmittelkreislauf, beispielsweise einen Wasserkreislauf, angeschlossen werden. Er wird begrenzt durch eine in den Kühlmittelkörper 1 eingefräste Kühlmittelkanalnut 3 und ein Deckelteil 4. Das Deckelteil 4 liegt in einer Vertiefung 5, deren Höhe in etwa der Dicke des Deckelteils 4 entspricht. Dadurch entsteht bei eingelegtem Deckelteil 4 in etwa eine plane Oberfläche 6 des Kühlkörpers 1. Vorzugsweise besteht der Kühlkörper 1 aus Kupfer und das Deckelteil 4 aus Messing. Das Deckelteil 4 ist mit dem Kühlkörper 1 verlötet. Werden Kupfer oder höherwertige Metalle verwendet, so ist der Kühlmittelkanal 2 korrosionsbeständig ausgebildet.
Ein weiterer Verfahrensschritt in der Herstellung des Kühlkörpers 1 der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist in der Fig. 2 dargestellt. Nachdem das Deckelteil 4 in der Verbreiterung 5 mit dem Kühlkörper 1 verlötet wurde, werden Wärmetauschnuten 8 in die Oberfläche des Kühlkörpers 1 einge- fräst. Über Wärmetauschnuten 8, die über dem Kühlmittelkanal 2 angeordnet sind, kann besonders gut Wärme in das Kühlmittel eingeleitet werden.
In der Fig. 3 ist beispielhaft ein als Lamelle ausgebildetes Wärmetauschmittel 9.1 in die Wärmetauschnut 8 eingesetzt und dort mit dem Kühlkörper 1 verlötet. Dadurch, dass das Wärmetauschmittel 9.1 in die Wärmetauschnut 8 ein Stück weit eingesetzt ist, kann Wärme nicht nur an einer der Schmalseite 10 gegenüber liegenden Stelle des Kühlkörpers 1 in den Kühlkörper 1 eingeleitet werden, sondern auch lateral über Nutflanken 11. In der Fig. 3 ist weiterhin angedeutet, dass auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers 1 Wärmeerzeuger 12 angeordnet sind, insbesondere mit diesem über Schrauben 13 verschraubt sind. Anstatt Schrauben lassen sich auch beliebige andere Bauteilhalter verwenden wie z.B. Klemmen. Die Wärme des Wärmeerzeugers 12 wird zumindest teilweise durch den Kühlkörper 1 auf- genommen. Durch das Wärmetauschmittel 9.2 ist beispielhaft dargestellt, dass die Wärmetauschmittel 9.2 entlang ihrer Erstreckung unterschiedliche Höhen aufweisen können. Um die Wärme aus der Umgebung eines über die als Montagebohrungen ausgebildeten Montagehilfen 14 montierbaren Bauteils besser ableiten zu können, weist das Wärmetauschmittel 9.2 im den Montagehilfen 14 benachbarten Abschnitt eine größere Höhe auf. Wenn Lamellen ähnlich wie die Lammelle 9.2 mit unterschiedlichen Höhen eingesetzt werden, können sie den Raum im Gehäuse optimal nutzen und auf Bauteile, die im Gehäuse aber nicht auf der Kühlplatte montiert sind und die unterschiedliche Bauhöhen besitzen, optimal angepasst werden.
In der Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine zweite Schicht 15 des Kühlkörpers 1 dargestellt, der in einem alternativen Herstellungsverfahren hergestellt wird. Die zweite Schicht 15 weist die Teile 15.1, 15.2 auf, die auf eine erste Schicht 16 aufgesetzt sind. Zwischen den Teilen 15.1, 15.2 ist ein Kühlmit- telkanal 2 ausgebildet. Auf die erste und zweite Schicht 15, 16 kann ein nicht dargestelltes Deckelteil, das im Wesentlichen die gleiche Grundfläche wie die erste Schicht 16 aufweist, aufgesetzt werden. Der dadurch gebildete Schichtenstapel kann anschließend zu einem Kühlkörper 1 verlötet werden, ehe Wärmetauschnuten eingefräst werden.

Claims

PAT E N TA N S P RÜ C H E
1. Kühleinrichtung eines elektrischen Geräts, insbesondere einer Stromversorgungseinrichtung, umfassend einen Kühlkörper (1), der in einem zumindest im Wesentlichen luftdicht abgeschlossenen Gehäuse des elektrischen Geräts angeordnet ist, der mit einem Kühlmittel durchströmbar ist und auf dem Wärmeerzeuger (12), insbesondere elektronische Bauteile, montiert sind, die Wärme durch Kontaktubertragung an den Kühlkörper (1) abgeben, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kühlkörper (1) zusätzlich wärmeleitend mit dem Kühlkörper (1) verbundene Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) zum Kühlen von in dem Gehäuse enthaltener Luft angeordnet sind.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse ein Lüfter angeordnet ist.
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) lamellenförmig ausgebildet sind.
4. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) auf der einen und die Wärmeerzeuger (12) auf der gegenüberliegenden Seite des Kühlkörpers (1) angeordnet sind.
5. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) auf zwei, insbesondere sich gegenüberliegenden, Seiten des Kühlkörpers (1) angeordnet sind.
6. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) zwischen Wärmeerzeugern (12) angeordnet sind.
7. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkörper (1) ein Kühlmittelkanal (2) ausgebildet ist, der sich entlang von Montagepositionen von Wärmeerzeugern (12) erstreckt.
8. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) unter- schiedlicher Höhen vorgesehen sind.
9. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die lamellenförmige Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) in Wärmetauschnuten (8) des Kühlkörpers (1) verlötet sind.
10. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) parallel zueinander angeordnet sind.
11. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) und/oder die Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) aus Kupfer oder einem höherwertigen Metall bestehen.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers (1) mit den Verfahrensschritten: a. Erzeugen einer Kühlmittelkanalnut in dem Kühlkörper (1); b. Ausbilden eines Kühlmittelkanals (2) durch Verschließen der Kühlmittelkanalnut mit einem Deckelteil (4); c. Anordnen von Wärmetauschmitteln (9.1, 9.2) an dem Kühlkörper (1).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen der Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) das Ausnehmen mehrerer Wärmetauschnuten (8) in dem Kühlkörper (1) und das Einsetzen der Wärmetau seh mittel (9.1, 9.2) in die Wärmetauschnuten (8) um- fasst.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelteil (5) bei einer ersten Löttemperatur, insbesondere im Bereich 270 - 350°C, besonders bevorzugt in einem Bereich von Bereich 290 - 307°C mit dem Kühlkörper (1) verlötet wird und die Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) bei einer zweiten, niedrigeren Löttemperatur, insbesondere < 230°C, besonders bevorzugt bei <200°C mit dem Kühlkörper (1) verlötet werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Löten jeweils mittels Induktionserwärmung erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einsetzen der Wärmetauschmittel (9.1, 9.2) die Wärmetauschnuten (8) mit einem Löt- hilfsmittel versehen werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausnehmen der Kühlmittelkanalnut eine zweite, breitere Vertiefung (5) entlang dem Kühl- mittelkanal (2) erzeugt wird, deren Höhe in etwa der Dicke des Deckelteils entspricht.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten gefräst werden.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Deckelteil (4) durch Laserschneiden erzeugt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlkörper (1) Montagehilfen, insbesondere Montagelöcher (14), für die Wärmeerzeuger (12) eingebracht werden.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verlöten des Deckelteils (4) mit dem Kühlkörper (1) die Oberfläche (6) des Kühlkörpers (1) plan gefräst wird.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schichtenstapel bestehend aus einer ersten Schicht (16), einer zweiten Schicht (15), in der die Kühlmittelkanalnut ausgebildet ist, und dem Deckelteil verlötet wird, ehe die Wärmetauschnuten (8) eingebracht werden.
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