WO2009100798A1 - Modulares kühlkonzept - Google Patents

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WO2009100798A1
WO2009100798A1 PCT/EP2008/068336 EP2008068336W WO2009100798A1 WO 2009100798 A1 WO2009100798 A1 WO 2009100798A1 EP 2008068336 W EP2008068336 W EP 2008068336W WO 2009100798 A1 WO2009100798 A1 WO 2009100798A1
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WO
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cooling
module
cooling module
inlet
housing
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/068336
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Saur
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • 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
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/023—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for transmission of signals between vehicle parts or subsystems
    • B60R16/0239—Electronic boxes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • 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
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • 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

  • a dense, mostly metallic housing is provided for the electronic module, which is at least partially used for cooling electronic components in the electronic component.
  • the electronic component is housed with its housing in turn in a cooling housing, wherein the cooling housing has an inlet connection and an outflow channel for a cooling liquid.
  • the electronic component is mounted in the cooling housing in such a way that it can be bypassed by the cooling liquid except for the bearing points and the areas for connection plugs.
  • Parts of the cooling housing in which the housing of the electronic module is accommodated can be, for example, structural components or plates of the control device.
  • a coolant for example, the cooling water for the engine of an internal combustion engine in question, which can be passed directly from the radiator of the motor vehicle to the cooling housing.
  • JP 2004 296 748 A shows a cooling device for a semiconductor power module in electric vehicles. From this document shows that the service modules at least partially protrude into a cavity.
  • the cavity has an inlet for cooling medium and a drain for cooling medium.
  • the circulation of Küblmedi- in the cavity is determined by an insertable in this part, which imprints this according to the position of the inlet and outlet for the flow of the cooling medium this a certain twist or a certain deflection.
  • the insert which is embedded in the cavity flowed through by the cooling medium, can be fitted precisely with the boundary wall of the cavity and, just like the latter, is closed by a cover which is designed to be generally open.
  • JP 2002 009 477 A relates to a cooling system for power modules for hybrid drives.
  • a heat sink cool channels has.
  • the cooling channels, which run within a heat sink, are designed so that the contact surface of the cooling channels and the power module, which generates power and thus produces greater waste heat, is greater than the contact area between the cooling channels and those components of the power modules, which compared with a lower Generate heat.
  • Control devices that are used for hybrid drives of vehicles usually include one or more electronic power modules for generating a three-phase electric field, which serves to drive the electric motor. If the electric motor is used in regenerative operating mode, the electronic power modules serve to smooth the three-phase current and to generate a direct current. The generated direct current can be used to charge the battery.
  • the use of the cooling device according to the invention can of course also be used for the cooling of electronic components in all other applications in addition to the example shown application for the production of three-phase fields of electric machines and is therefore not limited to the production of Drehstromfeldem of electric machines.
  • the cooling preferably takes place via cooling water, since this is already present for cooling the internal combustion engine, which is still used in hybrid drives, of a motor vehicle driven by means of a hybrid drive.
  • a cooler unit with Aufoahme vom for power modules or blocks for generating three-phase fields, which can be used on electrical machines.
  • the electric machine is preferably a single-phase or multi-phase electric machine which can be used both in the regenerative operating mode and in the motor operating mode.
  • the control of the electrical machine in question here via pulse width modulation, which in turn can be switched via semiconductors.
  • the power modules are required, the heat loss of which has to be dissipated.
  • the cooler unit with Aumahmefest for power modules which can also be referred to as a cooling module is, for example, on a three-phase electrical Machine used. Per phase, a cooling module is provided. Due to the services to be switched, a connection of the underside of the cooling modules to a cooling circuit is preferably provided.
  • the cooler unit or the cooling module is preferably formed of a light metal, which brings advantages on the one hand in terms of weight optimization and on the other hand in terms of excellent thermal conductivity with it.
  • the power modules are preferably pressed on the cooler unit or pressed against a flat surface thereof, which can be done for example very easily via a spring element or a plurality of spring elements or a pressure plate.
  • the spring unit is used to fix the individual power modules and at the same time to hold the live parts.
  • the current-carrying parts are preferably busbars. These connect a storage capacitor with the power modules and drive the phase currents to the electric machine.
  • the cooler unit or the cooling module comprises a cooling or receiving plate, in which run one or more meandering cooling channels, through which a cooling medium, such as, for example, cooling water or cooling oil or the like, flows.
  • the base plate comprises, for example, the inlet and the outlet of the cooling circuit and is covered by a cover plate, which can be soldered to the base plate, for example.
  • current-carrying components that are connected via individual terminals to the power supply, are - possibly with the interposition of a transfer plate or at least a flat body - power modules to the flowed through by the cooling medium cooling or Aufhahmeplatte thedeerei ⁇ heit (or the cooling module) pressed.
  • Signal terminals, with which " the individual power modules are controlled can be provided in any outgoing directions, for example on the side of the cooling and receiving plate, which is opposite to the inlet and the outlet for the cooling medium, which is circulated in a cooling circuit ,
  • cooling and receiving plate Due to the dimensioning of the cooling and receiving plate, it is possible to scale the cooler unit or the cooling module. Thus, additional power modules can be added or removed as needed, which can be extremely simple, since they are employed by a pressure plate to the cooling and Aufhahmeplatte and therefore can be easily replaced.
  • cooling and receiving plates one above the other on a common carrier plate in the form of a tier.
  • the routing of the cooling medium through the inlet and outlet of the cooling and Aufhahmeplatte the cooling circuit can be done serially or in parallel, which different dissipated heat loss amounts can be taken into account.
  • the dissipated by the cooling and Aufi ⁇ ahmeplatte each of the power modules heat loss in turn depends on the driving frequency and the actual inherent in the respective power module in operation loss heat.
  • FIG. 1 is a perspective view of the cooling and receiving plate
  • FIG. 2 shows a plan view of the base plate with a meander-shaped cooling structure formed in it
  • Figure 3 is a perspective view of a pluralitydeereiri whatsoever comprehensive
  • Cooling module packs
  • Figure 4 is an illustration of a recessed into a housing with DC link capacitor cooler packs.
  • FIG. 1 shows in perspective representation a cooler unit 10, which has a cooling and receiving plate 12.
  • the perspective view of the cooler unit 10 can furthermore be seen that an inlet 16 for the cooling medium flowing in and laterally in the cooling and receiving plate 12 an outlet 18 are formed for outflowing, heated cooling medium.
  • a plurality of power modules 22 are arranged next to one another and are attached to the cooling and receiving plate by a pressure plate designated by reference numeral 20.
  • Each of the schematically indicated power modules 22 branches off connecting lines 24, which may, for example, have a substantially vertically oriented output direction 35.
  • the choice of the output direction 35 depends on the position of a control unit, via which the individual power modules 22 are controlled.
  • the outgoing direction 35 which is shown schematically in FIG. 1 and extends essentially in the vertical direction, any angle deviating from 90 ° with respect to the orientation of the connection lines 24 ' for contacting or controlling the power components 22 of the cooler unit 10 is possible.
  • FIG. 1 The perspective view of Figure 1 is also removed that on the pressure plate 20, a bus bar 26 is contacted.
  • the busbar 26 in turn comprises in alternating sequence with respect to each other arranged terminals 28, 30 and 32.
  • the indicated in Figure 1 busbar 26 is set against a generated, for example by a spring element or by a number of spring elements Anstellkraft 34 to the pressure plate 20 ,
  • the adjusting force 34 directed substantially in the vertical direction can also be produced in other ways than via spring elements, for example spiral springs, cup springs or disc spring packets.
  • Figure 2 shows the view of preferably in the cooling and Aufhahmeplatte 12 extending, preferably meandering runningméstruktuf.
  • the cooling structure 37 extending in the form of a meander 36 extends in the cooling and receiving plate 12 such that a maximum length of the channel 37 between the inlet 16 and the outlet 18 results.
  • FIG. 2 also shows that the cooling structure 37 running in the form of meanders 36 has intermediate walls or fins 40, 42. About the intermediate walls or fins 40, 42, the surface required for heat transfer between the cooling medium and cooling and Aufeahmeplatte 12 is increased and improves the heat transfer. Alternatively, the volume flow of the cooling medium can be increased, as set out below.
  • the perspective view of Figure 2 it can be seen that the cover plate 14 with its underside covers the cooling and Aufiiahmeplatte 12 and in particular the cooling structure formed therein 37 and thus seals.
  • the cover plate 14 may, for example, with the assigning this side of the cooling and Aufiiahmeplatte 12 cohesively connected, so for example soldered.
  • the cohesive connection in this case also represents the sealing of the cooling structure 37.
  • FIG. 2 also shows that the cover plate 14 and the cooling and receiving plate 12 have a substantially rectangular area. The two components are arranged congruently one above the other.
  • channel-shaped cooling structure 37 extending in the cooling and receiving plate 12
  • it can also be formed in the cover plate 14.
  • the possibility of forming the cooling structure 37 in the cooling and receiving plate 12 offers the possibility of dimensioning the depth of the cooling structure 37 such that a maximum flow of cooling medium through the cooling structure 37 is able to flow.
  • first intermediate wall or fin 40 and a second intermediate wall or fin 42 are formed in the cooling structure 37 in FIG. 2, these can also be omitted so that the flow cross section of the cooling structure 37 increases.
  • the volume flow of the cooling medium can be maximized and a heat dissipation maximizing, adapted to the number of power components to be cooled volume flow of cooling medium become.
  • FIG. 3 shows a cooling module pack in which three cooling and receiving plates 12 shown in perspective representation in FIG. 1 are each held with cover plate 14 on a common carrier plate.
  • FIG. 3 shows that a first slot 50, a second slot 52 and a third slot 54 are arranged on the carrier plate 44.
  • the common support plate 44 Via the common support plate 44, which is shown here only in a perspective external view, the inlets 16 and outlets 18, which respectively extend at the trailing edge 48 of the cooling and receiving plate 12, are exposed to cooling medium.
  • This admission possibility of inlets 16 and outlets 18 via a common carrier plate 44 allows an increase in the packing density of the inserts 50, 52 and 54, so that the space available in relation to the surface of the common carrier plate 44 can be used to the maximum.
  • the connection effort in relation to the passage of the cooling medium through the cooling structure 37 can be simplified.
  • each of the bays 50, 52 and 54 is constructed identically in terms of the number of power modules 22 and the number of terminals 28, 30 and 32.
  • Figure 4 shows a schematic representation of a housing in which a DC link capacitor is arranged and which contains the cooling module pack shown in Figure 3.
  • Reference numeral 58 designates a connection for example for a storage capacitor or a DC link capacitor, reference numeral 60 a further connection.
  • the cooling medium which exits from the cooling structures 37 at the respective outlets 18 at the trailing edge 48 and has a higher temperature compared to the inflowing cooling medium, dissipates the heat loss of the individual power components 22 respectively accommodated in the inserts 50, 52, 54.
  • connection ports 64 which comprise the respective connection training 24, lie on the front edge 36 of the cooling and receiving plate 12, while the cooling medium supply, in particular its connections, on the opposite trailing edge 48 of the cooling and Aufhahmeplatten 12 of the inserts 50, 52 and 54 lie.
  • FIG. 4 shows that, because of the selected modularity of the cooler unit pack, the intermediate circuit capacitor 56 can be designed in different sizes in order to meet a wide variety of applications.
  • the channel-shaped cooling structure 37 may be formed between wall free.
  • intermediate walls 40, 42 it would also be possible to carry out an opposite, alternating flow in the opposite direction of flow in the individual individual channels separated by the intermediate walls 40, 42.
  • the leadership of the cooling medium can be done both serially and in parallel.
  • the cooler unit 10 proposed according to the invention can be scaled by connecting further power modules 22 to the transfer area 20 shown in FIG.
  • the cooling medium cooling water of the Verbrermungskrafrniaschine be, which can be used except for cooling the internal combustion engine for heat dissipation of the heat loss from the power modules 22.
  • the housing into which the DC link capacitor 56 and the cooler unit pack according to the illustration in Figure 4 are embedded made of light material due to the improved heat conduction.
  • the cooling structures 37 in each of the cooling and receiving plates 12 of the shelves 50, 52, 54 are accessible from the outside of the inlet 16, 18 supplied with cooling medium.
  • the individual power modules 22, in particular embodiment according to FIG. 3, are preferably upright and therefore arranged in an extremely space-saving manner.
  • one or more inserts 50, 52, 54 having cooler unit 10 with receiving or transfer surfaces 20 for power modules 22 or devices is covered for the production of three-phase fields for electrical machines.
  • the proposed solution according to the invention can be preferably single- or multi-phase electric machines that can be operated both in the generator mode and in the engine mode, so for example on hybrid drives for motor vehicles, drive.
  • the control is preferably carried out via a pulse width modulation, which can be switched via semiconductors, compare power modules 22.
  • a cooler unit 10, cf. illustration according to FIG. 1, is preferably used.
  • the main body of the cooler units 10 performing cooling and Aumahmeplatte 12 is preferably made of a light metal, which brings advantages in terms of weight optimization with good thermal conductivity properties with it.
  • the power modules 22 are preferably employed in the vertical direction on the transfer surface 20 or on the cooling and receiving plate 12 through which the cooling medium flows.
  • a pressing unit can serve both for fixing the individual power components 22 and at the same time for receiving current-carrying parts, such as, for example, the busbar 26.

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Abstract

Kühlmodul (10) für mindestens einen elektronischen Leistungsbaustein (22), mit einem Gehäuse (66), welches einen Zulauf (58) sowie einen Ablauf (60) für Kühlmedium umfasst, sowie mit einer Stromschiene (26) und elektrischen Anschlüssen (28, 30, 32) der Leistungsbausteine (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (10) mindestens einen in der Kühl- und Aufhahmeplatte (12) verlaufenden mäanderformigen Kühlkanal (37) aufweist, der durch eine Deckplatte (14) abgedichtet ist.

Description

Beschreibung .
Titel
Modulares Kühlkonzept
Stand der Technik
•DE 197 15 592 C2 bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für einen Elektronikbaustein. Gemäß dieser Lösung ist ein dichtes, größtenteils metallisches Gehäuse für den Elektronikbaustein vorgesehen, welches zumindest teilweise zur Kühlung von elektronischen Bauelementen im Elektronikbaustein herangezogen wird. Der Elektronikbaustein ist mit seinem Gehäuse seinerseits in einem Kühlgehäuse untergebracht, wobei das Kühlgehäuse einen Zulaufanschluss und einen Ausströmkanal für eine Kühlflüssigkeit aufweist. Der Elektronikbaustein ist derart im Kühlgehäuse gelagert, dass er bis auf die Lagerstellen und die Bereiche für Anschlussstecker von der Kühlflüssigkeit umströmbar ist. Teile des Kühl- gehäuses, in welchem das Gehäuses des Elektronikbausteins untergebracht ist, können zum Beispiel Baubestandteile oder Platten der Steuervorrichtung sein. Als Kühlflüssigkeit kommt zum Beispiel das Kühlwasser für den Motor einer Verbrennungskraftmaschine in Frage, welches direkt vom Kühler des Kraftfahrzeuges zum Kühlgehäuse geleitet werden kann.
JP 2004 296 748 A zeigt eine Kühleinrichtung für einen Halbleiterleistungsbaustein in e- lektrischen Fahrzeugen. Aus diesem Dokument geht hervor, dass die Leistungsbausteine zumindest zum Teil in einen Hohlraum hineinragen. Der Hohlraum verfugt über einen Zulauf für Kühlmedium und einen Ablauf für Kühlmedium. Die Zirkulation des Küblmedi- ums im Hohlraum wird durch ein in diesen einsetzbares Teil bestimmt, welches entsprechend der Lage von Einlass und Auslass für den Strom des Kühlmediums diesem einen bestimmten Drall beziehungsweise eine bestimmte Umlenkung aufprägt. Der Einsatz, der in den vom Kühlmedium beströmten Hohlraum eingelassen ist, ist passgenau mit der Begrenzungswand des Hohlraumes fügbar und wird ebenso wie dieser durch einen im We- s entlichen eb en ausgebildeten D eckel verschlossen.
JP 2002 009 477 A bezieht sich auf ein Kühlsystem für Leistungsbausteine für Hybridantriebe. Gemäß dieser Losung wird vorgeschlagen, dass ein Kühlkörper Kühlkanäle auf- weist. Die Kühlkanäle, die innerhalb einer Wärmesenke verlaufen, sind so ausgebildet, dass die Kontaktfläche der Kühlkanäle und dem Leistungsbaustein, der Leistung erzeugt und damit größere Abwärme produziert, größer ist als der Kontaktbereich zwischen den Kühlkanälen und denjenigen Komponenten der Leistungsbausteine, die eine verglichen damit geringere Wärme erzeugen.
Steuergeräte, die für Hybridantriebe von Fahrzeugen eingesetzt werden, beinhalten zumeist einen oder mehrere elektronische Leistungsbausteine zum Erzeugen eines elektrischen Drehstromfelds, welcher dem Antrieb des Elektromotors dient. Wird der Elektromotor im generatorischen Betriebsmodus eingesetzt, dienen die elektronischen Leistungsbausteine zum Glätten des Drehstromes und zur Erzeugung eines Gleichstromes. Der erzeugte Gleichstrom kann zum Laden der Batterie genutzt werden. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung kann neben dem exemplarisch dargestellten Einsatz zur Erzeugung von Drehstromfeldern an elektrischen Maschinen selbstverständlich auch für die Kühlung elektronischer Bauelemente in sämtlichen anderen Einsatzgebieten verwendet werden und ist daher nicht auf die Erzeugung von Drehstromfeldem an elektrischen Maschinen beschränkt.
Aufgrund der auftretenden hohen Leistungen entsteht eine Verlustleistung, die oftmals eine aktive Kühlung des oder der Leistungsbausteine notwendig macht. Vorzugsweise erfolgt die Kühlung über Kühlwasser, da dieses bereits zur Kühlung der bei Hybridantrieben weiterhin eingesetzten Verbrennungskraftmaschine eines mittels eines Hybridantriebs angetriebenen Kraftfahrzeuges vorliegt.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Kühlereinheit mit Aufoahmeflächen für Leistungsbausteine oder für Bausteine zur Erzeugung von Drehstromfeldern bereitzustellen, die an elektrischen Maschinen eingesetzt werden kann. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich vorzugsweise um eine ein- oder mehrphasige elektrische Maschine, welche sowohl im generatorischen Betriebsmodus als auch im motorischen Betriebsmodus eingesetzt werden kann. Die Steuerung der hier in Rede stehenden elektrischen Maschine erfolgt über Pulsweitenmodulation, die ihrerseits über Halbleiter geschaltet werden kann. Zur Schaltung der Halbleiter sind die Leistungsbausteine erforderlich, deren Verlustwärme es abzuführen gilt.
Die Kühlereinheit mit Aumahmeflächen für Leistungsbausteine, die auch als Kühlmodul bezeichnet werden kann, wird zum Beispiel an einer dreiphasig ausgebildeten elektrischen Maschine eingesetzt. Pro Phase ist ein Kühlmodul vorgesehen. Aufgrund der zu schaltenden Leistungen wird bevorzugt eine Anbindung der Unterseite der Kühlmodule an einen Kühlkreislauf vorgesehen. Die Kühlereinheit beziehungsweise das Kühlmodul wird vorzugsweise aus einem Leichtmetall ausgebildet, welches Vorteile einerseits hinsichtlich der Gewichtsoptimierung und andererseits hinsichtlich einer hervorragenden Wärmeleitfähigkeit mit sich bringt. Die Leistungsbausteine werden bevorzugt auf der Kühlereinheit aufge- presst oder an eine ebene Fläche derselben angepresst, was zum Beispiel sehr leicht über ein Federelement oder mehrere Federelemente oder eine Andruckplatte erfolgen kann.
Die Federeinheit dient zur Fixierung der einzelnen Leistungsbausteine und gleichzeitig zur Aufnahme der stromführenden Teile. Bei den stromführenden Teilen handelt es sich bevorzugt um Stromschienen. Diese verbinden einen Speicherkondensator mit den Leistungsbausteinen und fuhren die Phasenströme zur elektrischen Maschine.
Die Kühlereinheit beziehungsweise das Kühlmodul umfasst eine Kühl- oder Aufhahme- platte, in der ein oder mehrere mäanderformig ausgebildete Kühlkanäle verlaufen, die von einem Kühlraedium, wie zum Beispiel Kühlwasser oder Kühlöl oder dergleichen, durchströmt werden. Die Grundplatte umfasst zum Beispiel den Ein- und den Auslass des Rühl- kreislaufes und wird über eine Deckplatte, die beispielsweise mit der Grundplatte verlötet werden kann, überdeckt. Mit den zum Beispiel als Stromschienen ausgebildeten stromführenden Bauteilen, die über einzelne Anschlüsse mit der Spannungsversorgung verbunden sind, werden - gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Übertragungsplatte oder zumindest eines flächigen Körpers - Leistungsbausteine an die vom Kühlmedium durchströmte Kühl- beziehungsweise Aufhahmeplatte der Kühlereiαheit (oder des Kühlmoduls) gepresst. Signalanschlüsse, mit welchen" die einzelnen Leistungsbausteine gesteuert werden, können in beliebigen Abgangsrichtungen, so zum Beispiel an der Seite der Kühl- und Aufhahmeplatte vorgesehen sein, die dem Ein- und dem Auslass für das Kühhnedium, welches in einem Kühlkreislauf umgewälzt wird, entgegengesetzt liegt.
Aufgrund der Dimensionierung der Kühl- und Aufiiahmeplatte jst eine Skalierung der Küh- lereinheit oder des Kühlmoduls möglich. So können je nach Bedarf weitere Leistungsbausteine zugefügt oder entfernt werden, was äußerst einfach vonstatten gehen kann, da diese durch eine Andruckplatte an die Kühl- und Aufhahmeplatte angestellt sind und demzufolge sehr leicht ausgewechselt werden können.
Hinsichtlich der Skalierung ist es ohne weiteres möglich, an einer gemeinsamen Trägerplatte etagenförmig eine Vielzahl von Kühl- und Aufnahmeplatten übereinander liegend unterzubringen. Die Führung des Kühlmediums durch den Ein- und den Auslass der Kühl- und Aufhahmeplatte des Kühlkreislaufes kann seriell oder auch parallel erfolgen, wodurch unterschiedlichen abzuführenden Verlustwärmemengen Rechnung getragen werden kann. Die durch die Kühl- und Aufiαahmeplatte jeweils von den Leistungsbausteinen abzuführende Verlustwärme hängt wiederum ab von der Ansteuerungsfrequenz sowie der eigentlichen dem jeweiligen Leistungsbaustein im Betrieb immanenten Verlustwärme.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 eine perspektivische Wiedergabe der Kühl- und Aufhahmeplatte,
Figur 2 eine Draufsicht auf die Grundplatte mit in dieser ausgebildeter, mäanderförmig ausgeführter Kühlstruktur,
Figur 3 eine perspektivische Wiedergabe eines mehrere Kühlereiriheiten umfassenden
Kühlmodul-Packs, und
Figur 4 eine Darstellung eines in ein Gehäuse mit Zwischenkreiskondensator eingelassenen Kühlereinheiten-Packs.
Ausführungsformen
Figur 1 zeigt in perspektivischer Wiedergabe eine Kühlereinheit 10, welche eine Kühl- und Aufhahmeplatte 12 aufweist.
Unterhalb der Kühl- und Aufhahmeplatte 12 befindet sich eine die in Figur 1 nicht darge- stellte Kühlstruktur abdeckende Deckplatte 14. Der perspektivischen Ansicht der Kühlereinheit 10 ist weiterhin zu entnehmen, dass seitlich in der Kühl- und Aufhahmeplatte 12 ein Einlass 16 für zuströmendes Kühlmedium und ein Auslass 18 für abströmendes, erwärmtes Kühlmedium ausgebildet sind. Das durch den Einlass 16 in die in Figur 1 nicht dargestellte Kühlstruktur der Kühl- und Aufhahmeplatte 12 einströmende Kühlmedium führt die Wärme ab, die im Betrieb von elektronischen Leistungsbausteinen 22 entsteht. Aus der Darstellung gemäß Figur 1 ist entnehmbar, dass in dieser Ausführungsform mehrere Leistungsbausteine 22 nebeneinanderliegend angeordnet und durch eine mit Bezugszeichen 20 bezeichnete Andruckplatte an die Kühl- und Aufhahmeplatte angestellt sind. Von jedem der schematisch angedeuteten Leistungsbausteine 22 zweigen Anschlussleitungen 24 ab, die zum Beispiel eine im Wesentlichen vertikal orientierte Abgangsrichtung 35 aufweisen können. Die Wahl der Abgangsrichtung 35 hängt ab von der Position eines Steuergerätes, über welches die einzelnen Leistungsbausteine 22 angesteuert werden. Neben der in Figur 1 schematisch angedeuteten, im Wesentlichen sich in vertikaler Richtung erstreckenden Abgangsrichtung 35 ist jeder beliebige Winkel abweichend von 90° in Bezug auf die Orientierung der Anschlussleitungen 24' zur Kontaktierung beziehungsweise Ansteuerung der Leistungsbausteine 22 der Kühlereinheit 10 möglich.
Der perspektivischen Darstellung gemäß Figur 1 ist darüber hinaus entnehmbar, dass an der Andruckplatte 20 eine Stromschiene 26 kontaktiert ist. Die Stromschiene 26 wiederum umfasst in alternierender Abfolge in Bezug aufeinander angeordnete Anschlüsse 28, 30 beziehungsweise 32. Die in Figur 1 angedeutete Stromschiene 26 wird über eine zum Beispiel durch ein Federelement oder durch eine Anzahl von Federelementen erzeugte An- stellkraft 34 an die Andruckplatte 20 angestellt. Die im Wesentlichen in vertikale Richtung gerichtete Anstellkraft 34 kann auch auf anderen Wegen als über Federelemente, zum Beispiel Spiralfedern, Tellerfedern oder Tellerfederpakete, erzeugt werden.
Figur 2 zeigt die Ansicht der bevorzugt in der Kühl- und Aufhahmeplatte 12 verlaufenden, bevorzugt mäanderförmig verlaufenden Kühlstruktuf.
Wie der perspektivischen Wiedergabe gemäß Figur 2 entnommen werden kann, verläuft die in Form eines Mäanders 36 verlaufende Kühlstruktur 37 derart in der Kühl- und Aufnahmeplatte 12, dass sich eine maximale Länge des Kanals 37 zwischen dem Einlass 16 und dem Ausläse 18 ergibt. Figur 2 zeigt zudem, dass die in Form von Mäandern 36 verlaufende Kühlstruktur 37 Zwischenwände oder Finnen 40, 42 aufweist. Über die Zwischenwände oder Finnen 40, 42 wird die zur Wärmeübertragung zwischen Kühlmedium und Kühl- und Aufoahmeplatte 12 erforderliche Oberfläche vergrößert und der Wärmetransport verbessert. Alternativ kann der Volumenstrom des Kühlmediums erhöht werden, wie im Folgenden dargelegt. Der perspektivischen Darsicht gemäß Figur 2 ist zu entnehmen, dass die Deckplatte 14 mit ihrer Unterseite die Kühl- und Aufiiahmeplatte 12 und insbesondere die darin ausgebildete Kühlstruktur 37 überdeckt und damit abdichtet. Die Deckplatte 14 kann zum Beispiel mit der dieser zuweisenden Seite der Kühl- und Aufiiahmeplatte 12 stoffschlüssig verbunden, so zum Beispiel verlötet sein. Die stoffschlüssige Verbindung stellt in diesem Falle gleichzeitig die Abdichtung der Kühlstruktur 37 dar.
Der Einlass 16 beziehungsweise der Auslass 18 für die die Mäander 36 aufweisende Kühlstruktur 37, von Kühlmedium durchströmt, sind lediglich von der Längsseite (vergleiche Position 48) der Kühl- und Aufhahmeplatte 12 zugänglich. Figur 2 zeigt außerdem, dass die Deckplatte 14 und die Kühl- und Aufhahmeplatte 12 eine im Wesentlichen rechteck- förmige Fläche aufweisen. Die beiden Bauteile sind kongruent übereinanderliegend angeordnet. Alternativ zur bevorzugten Ausfuhrungsvariante von in der Kühl- und Aufhahme- platte 12 verlaufender kanalförmiger Kühlstruktur 37 kann diese auch in der Deckplatte 14 ausgebildet sein. Die Möglichkeit, die Kühlstruktur 37 in der Kühl- und Aufhahmeplatte 12 auszubilden, bietet die Möglichkeit, die Tiefe der Kühlstruktur 37 so zu dimensionieren, dass ein maximaler Strom von Kühhnedium durch die Kühlstruktur 37 zu strömen vermag. Wenngleich in Figur 2 eine erste Zwischenwand oder Finne 40 sowie eine zweite Zwi- schenwand oder Finne 42 in der Kühlstruktur 37 ausgebildet sind, können diese auch fortgelassen werden, so dass sich der Strömungsquerschnitt der Kühlstruktur 37 vergrößert. In Kombination mit der Tiefe, in der die Mäander 36 aufweisende Kühlstruktur 37 in der Kühl- und Aufhahmeplatte 12 verläuft, kann der Volumenstrom des Kühlmediums maxi- miert werden und ein die Wärmeabfuhr maximierender, an die Anzahl der zu kühlenden Leistungsbausteine angepasster Volumenstrom von Kühlmedium erreicht werden.
Figur 3 zeigt ein Kühlmodul-Pack, bei dem drei in Figur 1 in perspektivischer Wiedergabe dargestellte Kühl- und Aufhahmeplatten 12 jeweils mit Deckplatte 14 an einer gemeinsamen Trägerplatte aufgenommen sind.
Figur 3 zeigt, dass an der Trägerplatte 44 ein erster Einschub 50, ein zweiter Einschub 52 und ein dritter Einschub 54 angeordnet sind. Über die gemeinsame Trägerplatte 44, die hier lediglich in perspektivischer Außenansicht dargestellt ist, werden die Einlasse 16 beziehungsweise Auslässe 18, die an der Hinterkante 48 der Kühl- und Aufhahmeplatte 12 je- weils verlaufen, mit Kühhnedium beaufschlagt. Diese Beaufschlagungsmöglichkeit von Einlassen 16 beziehungsweise Auslässen 18 über eine gemeinsame Trägerplatte 44 erlaubt eine Erhöhung der Packungsdichte der Einschübe 50, 52 beziehungsweise 54, so dass der in Bezug auf die Fläche der gemeinsamen Trägerplatte 44 vorhandene Bauraum maximal genutzt werden kann. Durch die Verbindung der jeweiligen Hinterkanten 48 der Einschübe 50, 52, 54 mit einer der Planflächen der Trägerplatte 44 lässt sich der Anschlussaufwand in Bezug auf die Durchleitung des Kühlmediums durch die Kühlstruktur 37 vereinfachen.
In vorteilhafter Weise ist jeder der Einschübe 50, 52 und 54 identisch aufgebaut, was die Anzahl der Leistungsbausteine 22 und die Anzahl der Anschlüsse 28, 30 und 32 betrifft.
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung ein Gehäuse, in dem ein Zwischenkreiskonden- sator angeordnet ist und welches das in Figur 3 dargestellte Kühlmodul-Pack enthält. Über die elektronischen Leistungsbausteine 22 des ersten Einschubs 50, des zweiten Ein- ' schubs 52 sowie des dritten Einschubs 54 werden elektrische Anschlüsse 62 für. eine nicht näher dargestellte elektrische Maschine angesteuert. Bezugszeichen 58 bezeichnet einen Anschluss beispielsweise für einen Speicherkondensator oder einen Zwischenkreiskonden- sator, Bezugszeichen 60 einen weiteren Anschluss. Das Kühlmedium, welches an den jeweiligen Auslässen 18 an der Hinterkante 48 aus den Kühlstrukturen 37 austritt und im Vergleich zum zuströmenden Kühlmedium eine höhere Temperatur hat, fuhrt die Verlustwärme der einzelnen in den Einschüben 50, 52, 54 jeweils aufgenommenen Leistungsbausteine 22 ab.
Die Darstellung gemäß Figur 4 zeigt insbesondere, dass aufgrund der gewählten Modulari- tät die einzelnen Anschlussports 64, die jeweiligen Anschlussleiningen 24 umfassend, an der Vorderkante 36 der Kühl- und Aumahmeplatte 12 liegen, während die Kühlmedium- versorgung, insbesondere deren Anschlüsse, an der gegenüberliegenden Hinterkante 48 der Kühl- und Aufhahmeplatten 12 der Einschübe 50, 52 und 54 liegen.
Figur 4 zeigt zudem, dass aufgrund der gewählten Modularität des Kühlereinheiten-Packs der Zwischenkreiskondensator 56 in unterschiedlichen Baugrößen ausgebildet werden kann, um unterschiedlichsten Applikationen gerecht zu werden.
Wenngleich in der. Darstellung gemäß Figur 2 die kanalförmig ausgebildete Kühlstruktur 37 Zwischenwände 40, 42 aufweist, so kann, wie obenstehend bereits erwähnt, die Kühlstruktur 37 zwischenwandfrei ausgebildet sein. Beim Einsatz von Zwischenwänden 40, 42 könnte auch ein gegenläufiges, alternierendes Durchströmen in entgegengesetzter Strö- mungsrichtung in den einzelnen durch die Zwischenwände 40, 42 voneinander getrennten Einzelkanälen vorgenommen werden. Die Führung des Kühlmediums kann sowohl seriell als auch parallel erfolgen. Je nach Applikationszweck kann die erfmdungsgemäß vorgeschlagene Kühlereinheit 10 skaliert werden, indem weitere Leistungsbausteine 22 mit der in Figur 1 dargestellten Übertragungsfläche 20 verbunden werden.
Der Einfachheit halber kann bei Anwendungen im Automobilbereich das Kühlmedium Kühlwasser der Verbrermungskrafrniaschine sein, welches außer zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine zur Wärmeabfuhr der Verlustwärme von den Leistungsbausteinen 22 herangezogen werden kann. Bevorzugt wird das Gehäuse, in welches der Zwischenkreis- kondensator 56 sowie das Kühlereinheiten-Pack gemäß der Darstellung in Figur 4 eingelassen sind, aufgrund der verbesserten Wärmeleitung aus Leichtmaterial hergestellt. Wie vorstehend bereits erwähnt, werden die Kühlstrukturen 37 in einer jeden der Kühl- und Aufhahmeplatten 12 der Einschübe 50, 52, 54 über von der Außenseite zugängige Einlasse 16, 18 mit Kühlmedium versorgt. Die einzelnen Leistungsbausteine 22, vergleiche insbesondere Ausführungsform gemäß Figur 3, sind bevorzugt stehend und damit extrem platzsparend angeordnet. Aufgrund der gewählten Anordnungsgeometrie kann eine Skalierung der Kühlereinheiten erreicht werden, wodurch unterschiedliche Leistungsklassen mit einem Konzept, welches erweiterbar ist, abgedeckt werden können. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene, einen oder mehrere Einschübe 50, 52, 54 aufweisende Kühlereinheit 10 mit Aufnahme- beziehungsweise Übertragungsflächen 20 für Leistungsbausteine 22 oder Bausteine wird zur Erzeugung von Drehstromfeldern für elektrische Maschinen abgedeckt. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lassen sich bevorzugt ein- oder mehrphasige elektrische Maschinen, die sowohl im Generatormodus als auch im Motormodus betrieben werden können, so zum Beispiel an Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge, ansteuern. Die Steuerung erfolgt bevorzugt über eine Pulsweitenmodulation, die über Halbleiter geschaltet werden kann, vergleiche Leistungsbausteine 22. In der Prophase der anzusteuernden elektrischen Maschine wird bevorzugt eine Kühlereinheit 10, vergleiche Darstellung gemäß Figur 1, eingesetzt. Aufgrund der gewählten Anordnung wird angesichts der hohen zu schaltenden Leistung eine Anbindung der Unterseite der Kühlereinheiten, d.h. der Kühl- und Aufnahmeplatten 12 an das Kühlmedium vorgeschlagen. Die den Grundkörper der Kühlereinheiten 10 darstellende Kühl- und Aumahmeplatte 12 wird bevorzugt aus einem Leichtmetall gefertigt, was Vorteile hinsichtlich der Gewichtsoptimierung bei gleichzeitig guten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften mit sich bringt. Bevorzugt werden die Leistungsbausteine 22 in vertikale Richtung an die Übertragungsfläche 20 beziehungsweise an die vom Kühlmedium durchströmte Kühl- und Aumahmeplatte 12 angestellt. Eine Andrückeinheit kann sowohl zur Fixierung der einzelnen Leistungsbausteine 22 als auch gleichzeitig zur Aufnahme stromführender Teile, wie zum Beispiel der Stromschiene 26, dienen.
Der in der Beschreibung exemplarisch dargestellte Einsatz der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung für Anwendungen zur Erzeugung von Drehstromfeldern an elektrischen Maschinen ist selbstverständlich nicht auf diesen Einsatzfall beschränkt sondern kann auch für die Kühlung elektronischer Bauelemente in sämtlichen anderen Einsatzgebieten verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Kühlmodul (10) für mindestens einen elektronischen Leistungsbaustein (22), mit einem Gehäuse (66), welches einen Zulauf (58) sowie einen Ablauf (60) für Kühlraedi- um umfasst, sowie mit einer Stromschiene (26) und elektrischen Anschlüssen (28, 30,
32) der Leistungsbausteine (22), dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmodul (10) mindestens einen in der Kühl- und Aufhahmeplatte (12) verlaufenden mäanderformigen Kühlkanal (37) aufweist, der durch eine Deckplatte (14) abgedichtet ist.
2. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (16) sowie ein Auslass (18) des bevorzugt in der Kühl- und Aufhahmeplatte (12) verlaufenden Kühlkanals (37) an ein und derselben Seite (48) der Kühlereinheit (10) ausgeführt sind.
3. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (16) "und der Auslass (18) der bevorzugt kanalförmig ausgebildeten Kühlstruktur (37) an einer Längsseite der Kühl- und Aufhahmeplatte (12) ausgebildet sind.
4. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Maximierung der effektiven Kühlstrecke innerhalb der Kühl- und Aufhahmeplatte (12) die bevorzugt kanalförmig ausgebildete Kühlstruktur (37) mehrere Mäander aufweist.
5. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugt kanalförmig ausgebildete Kühlstruktur (37) eine oder mehrere parallel zueinander verlau- fende Zwischenwände (40, 42) aufweist.
6. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bevorzugt kanalförmig ausgebildete Kühlstruktur (37) in der Kühl- und Aufhahmeplatte (12) gleichsinnig oder gegensinnig von Kühlmedium durchströmt wird.
7. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer gemeinsamen Trägerplatte (44) mehrere Kühlmodule (10) in Form von Einschüben (50, 52, 54) in modularer Anordnung aufgenommen sind.
8. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgung der Einlasse (16) beziehungsweise der Auslässe (18) mit Kühlmedium der einzelnen Ein- Schübe (50, 52, 54) der modularen Anordnung über die gemeinsame Trägerplatte (44) erfolgt.
9. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (66) als Leichtmetallgehäuse ausgebildet ist und. einen Zulauf (58) für kaltes Kühlmedium und einen Ablauf (60) für erwärmtes Kühlmedium aufweist.
10. Kühlmodul (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium, welches in das Gehäuse (66) am Zulauf (58) eintritt und dieses am Ablauf (60) wieder verlässtj Kühlwasser der Verbrennungskrafhnascbine eines Kraftfahrzeuges ist.
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