WO2021259555A1

WO2021259555A1 - Kühlgeometrie für leistungselektroniken

Info

Publication number: WO2021259555A1
Application number: PCT/EP2021/062950
Authority: WO
Inventors: Marc Leidenfrost; Thomas Spenkuch; Markus Omlor
Original assignee: Zf Friedrichshafen Ag
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2021-05-17
Publication date: 2021-12-30
Also published as: DE102020207713A1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Kühlgeometrie für Leistungselektroniken, aufweisend mindestens ein zu kühlendes Bauteil, das direkt oder indirekt auf einer Geometrieplatte befestigt ist. Die Geometrieplatte ist derart gebildet, dass sie unterhalb des oder der Bauteile eine Geometrie zur Strömungslenkung aufweist, die aus mindestens zwei übereinanderliegenden Ebenen gebildet ist, von denen die oberste Ebene direkt unterhalb des oder der Bauteile angeordnet ist. Ferner ist sie in Form einer Schnecke gebildet, und weist eine Einlass-Öffnung zu der darunterliegenden, untersten Ebene und eine Auslass-Öffnung zu einer von der untersten Ebene getrennten Kühlmittelabfuhrebene auf. Die unterste Ebene ist als Hohlraum mit einem an einem ersten Ende davon angeordneten Fluideinlass gebildet. An einem dem ersten Ende der Kühlgeometrie gegenüberliegenden zweiten Ende ist ein Fluidauslass angeordnet, der mit der Kühlmittelabfuhrebene in Verbindung steht.

Description

Kühlqeometrie für Leistunqselektroniken

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlgeometrie für Leistungselektroniken

Bei Leistungselektroniken und LEDs entsteht aufgrund bekannter physikalischer Gegebenheiten Wärme. Da sich Wärme auf die Lebensdauer der Bauteile auswirkt, d.h. diese verkürzt, sind diverse Kühlkonzepte bekannt, um Wärme von den empfindlichen Bauteilen abzuführen. In sehr vielen Anwendungen wird zur Kühlung ein Festkörper mit großer Oberfläche an eine Wärmequelle angeschlossen, um die Wärme von dort abzuführen. Sehr weit verbreitet sind die sogenannten Kühlrippen. Auch werden Pin-Strukturen verwendet, da hier eine größere Oberfläche bei im Wesentlichen gleichem Bauraum und damit eine bessere Wärmeabfuhr erreicht werden kann.

Kühlkörper zur Anwendung in der Elektronik müssen einige spezielle Anforderungen erfüllen. Sie müssen nach außen hin dicht sein, damit das Fluid, also die Kühlflüssigkeit, nicht ausläuft und die elektronischen Bauelemente schädigen kann. Hierfür werden Dichtmassen oder Dichtverfahren eingesetzt. Ferner ist es wichtig, eine zuverlässige Wärmeleitung, insbesondere im Falle von zusammengesetzten Bauteilen, also z.B. Basisplatte des IGBT und Geometrieplatte, zu gewährleisten. Da die aneinander liegenden Oberflächen immereine gewisse Rauhigkeit aufweisen, sind bei der Verbindung immer Lufteinschlüsse zu erwarten, die die Wärmeleitfähigkeit verschlechtern. Um dies zu vermeiden bzw. zu kompensieren, werden z.B. Wärmeleitpasten verwendet, die diese Hohlräume auffüllen und so die Wärmeleitfähigkeit verbessern.

Da es immer noch Verbesserungsbedarf bei der Wärmeabführung von Bauteilen der Leistungselektronik gibt, ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, eine Kühlgeometrie für Leistungselektroniken bereitzustellen, durch welche die Kühlung von wärmekritischen Bauteilen einer Leistungselektronik weiter verbessert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Vorgeschlagen wird eine Kühlgeometrie für Leistungselektroniken, aufweisend mindestens ein zu kühlendes Bauteil, das direkt oder indirekt auf einer Geometrieplatte befestigt ist. Die Geometrieplatte ist derart gebildet, dass sie unterhalb des oder der Bauteile eine Geometrie zur Strömungslenkung aufweist, die aus mindestens zwei übereinanderliegenden Ebenen gebildet ist, von denen die oberste Ebene direkt unterhalb des oder der Bauteile angeordnet ist. Ferner ist sie in Form einer Schnecke gebildet, und weist eine Einlass-Öffnung zu der darunterliegenden, untersten Ebene und eine Auslass-Öffnung zu einer von der untersten Ebene getrennten Kühlmittelabfuhrebene auf. Die unterste Ebene ist als Hohlraum mit einem an einem ersten Ende davon angeordneten Fluideinlass gebildet. An einem dem ersten Ende der Kühlgeometrie gegenüberliegenden zweiten Ende ist ein Fluidauslass angeordnet, der mit der Kühlmittelabfuhrebene in Verbindung steht.

Durch das Bereitstellen der Schneckengeometrie und des direkten Einlasses des Kühlmittels bzw. Fluids über die Einlass-Öffnung ohne Einfluss von bereits erwärmtem Kühlmittel wird eine verbesserte Kühlung der Bauteile und ein geringerer Druckverlust erreicht.

In einer Ausführung sind die Schnecken und jede Einlass-Öffnung direkt unterhalb eines Wärmespots eines Bauteils angeordnet. Durch Bereitsteller der Geometrie für jeden einzelnen Wärmespot kann die Kühlwirkung weiter verbessert werden.

In einer Ausführung ist im Falle, dass mehrere Bauteile in Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet sind, die Kühlmittelabfuhrebene derart von Bauteil zu Bauteil vergrößert, dass die untere Ebene dadurch kontinuierlich in ihrer Höhe verkleinert ist.

In einer Ausführung sind an einem Trägerbauteil der Geometrieplatte, welches das oder die Bauteile trägt, Pins derart angeordnet, dass sie in die Schnecken ragen. Durch Bereitstellen von Pins wird die Oberfläche vergrößert, so dass die Kühlwirkung verbessert wird. In einer Ausführung sind Vertiefungen zwischen benachbarten Pins vorgesehen. Dadurch kann eine zusätzliche Anregung der Turbulenz erfolgen.

In einer Ausführung ist jede Einlass-Öffnung als eine zylinderförmige Bohrung derart gebildet, dass ihre Achse zwischen oberster und unterster Ebene in einem vorgegebenen Winkel zum zugehörigen Bauteil liegt. Somit kann die Anströmung noch verbessert werden.

In einer Ausführung ist die Geometrieplatte zweiteilig derart gebildet ist, dass sie ein erstes Trägerbauteil aufweist, welches wärme übertrag ende Komponenten, umfassend mindestens das oder die Bauteile und die Pins, wenn vorhanden, trägt, und ein zweites Trägerbauteil, welches die Geometrie zur Strömungslenkung aufweist.

In einer Ausführung sind das erste Trägerbauteil und die Pins, wenn vorhanden, aus demselben Material gebildet.

In einer Ausführung sind innerhalb der Schnecken Finnen vorgesehen. Durch diese kann die Strömung weiter gelenkt werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer Kühlgeometrie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht der in Figur 1 gezeigten Kühlgeometrie. Figur 3 zeigt eine Explosionsansicht einer Kühlgeometrie gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw.

Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Leistungselektronik-Anwendungen sind Bauteile verbaut, die sehr viel Wärme erzeugen, welche abgeleitet werden muss, um eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden.

Nachfolgend wir eine Kühlgeometrie vorgeschlagen, die zur Kühlung jeglicher flacher Bauteile, bei denen Wärme abgeführt werden muss, geeignet ist, z.B. von IGBT- Modulen. IGBT-Module 102a-102c sind Leistungshalbleiter-Module, die z.B. in Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, verbaut werden, um den von der Batterie gelieferten Gleichstrom überden Eingang der Gleichspannung in den von der E-Maschine benötigten Drehstrom zu wandeln. Die vorgeschlagene Kühlgeometrie kann auch im Bereich des Formel-E-Rennsports verwendet werden, da sie eine effektive und effiziente Kühlung von wärmekritischen bzw. wärmeempfindlichen Bauteilen der Leistungselektronik ermöglicht.

Wie in Figuren 1-3 gezeigt, sind zu kühlende Bauteile 102a-102c auf einer Seite davon zur Kühlung mit einer Kühlgeometrie verbunden. Auf der anderen Seite können sie z.B. mit einer Leiterplatte elektrisch verbunden sein. In einer Ausführung sind die zu kühlenden Bauteile 102a-102c auf einer Basisplatte 103 angeordnet, die auf einer Geometrieplatte 101 angeordnet ist, über welche die Wärmeabfuhr erfolgt. Eine Wärmeleitpaste zwischen Basisplatte 103 und Geometrieplatte 101 dient dem Toleranzausgleich zwischen den Berührungsflächen, so dass keine für die Wärmeleitung negativen Lufteinschlüsse entstehen. In einerweiteren Ausführung ist jedes der Bauteile 102a-102c direkt auf der Geometrieplatte 101 angeordnet, so dass die Basisplatte 103 entfallen kann. Die Geometrieplatte 101 weist eine Geometrie zur Strömungslenkung in Form von Schnecken 20-25 sowie Komponenten zur Wärmeableitung oberhalb davon, also nahe am zu kühlenden Bauteil 102a-102c. Diese können lediglich der Deckel des Gehäuses sein, das die Geometrie beinhaltet, aber auch Pins 30, wie nachfolgend beschrieben.

Die Kühlflüssigkeit, später auch als Fluid bezeichnet, wird über den Fluideinlass 104 in die Geometrie der Geometrieplatte 101 eingebracht und fließt somit durch ein geschlossenes System, gebildet aus dem Gehäuse und der nachfolgend im Detail beschriebenen Geometrie. Sie führt die von jedem der Bauteile 102a-102c übertragene Wärme über den Fluidauslass 105 wieder ab.

In vielen Anwendungen sind mehrere Bauteile 102a-102c in einer Leistungselektronik-Komponente vorhanden, z.B. IGBT-Module 102a-102c. Diese werden alle über einen Kühlkreislauf gekühlt, bei dem das Fluid über die in Reihe aneinander liegenden Bauteile 102a-102c fließt. Da sich das Fluid vom Fluideinlass 104 bis hin zum Fluidauslass 105 erwärmt, werden die Bauteile 102a-102c weniger gekühlt, je näher sie sich am Fluidauslass 105 befinden. Ferner ist ein Druckverlust zwischen Fluideinlass 104 und Fluidauslass 105 vorhanden, der sich nach der angeschlossenen Pumpe richtet und sich innerhalb eines vorgegebenen Bereichs befinden sollte, je nach Anwendung.

Durch die vorgeschlagene Kühlgeometrie wird sowohl die Kühlung lediglich eines einzelnen Bauteils, z.B. IGBT-Moduls 102a-102c, ermöglicht, als auch mehrerer solcher flachen Bauteile, wie in den Figuren gezeigt.

Wie in Figuren 1 bis 3 gezeigt, wird ein zu kühlendes Bauteil einer Leistungselektronik, z.B. ein IGBT oder IGBT-Modul 102a-102c, entweder direkt (nicht gezeigt) oder indirekt übereine Basisplatte 103 auf einer Geometrieplatte 101 befestigt.

Die Geometrieplatte 101 ist derart gebildet, dass sie aus mindestens zwei in Z- Richtung gesehen übereinanderliegenden Ebenen E1 und E3 unterhalb des oder der Bauteile 102a-102c gebildet ist. Von den Ebenen weist die Ebene E3, die direkt unterhalb des oder der Bauteile 102a-102c angeordnet ist, eine Geometrie zur Strömungslenkung in Form einer Schnecke 20-25 sowie eine Einlass-Öffnung 10-15 zu der darunterliegenden, untersten Ebene E1 auf. Diese sind als Hohlraum mit einem an einem ersten Ende davon angeordneten Fluideinlass 104 gebildet ist.

Das Fluid, das zur Kühlung des oder Bauteile 102a-102c dient, fließt über den Fluideinlass 104 in die unterste Ebene E1 ein, füllt den Hohlraum und wird über die Einlass-Öffnung 10-15 oder bei mehreren Bauteilen 102a-102c über die Einlass öffnungen 10-15 in die darüber liegende Ebene E3 geführt. Somit kann das Fluid durch die Schnecke 20-25 strömen und dabei die darüber angeordneten, zu kühlenden Bauteile 102a-102c kühlen.

Ferner ist eine Auslass-Öffnung 16, 17, 18 je zu kühlendem Bauteil 102a-102c vorgesehen, die das durch die Schnecke 20-25 geflossene und dabei erwärmte Fluid wieder aus der oberen Ebene E3 in eine davon getrennte Kühlmittelabfuhrebene E2 abführt. In dieser Ebene E2 wird das vom vorhergehenden Bauteil 102a bzw. 102b über dessen Auslass-Öffnung 16-18 in die Ebene E2 abgeführte und bereits erwärmte Fluid getrennt vom noch nicht erwärmten, von Ebene E1 zu Ebene E3 zu führenden, Fluid, geleitet. So kann ein bereits erwärmtes Fluid nicht mehr zum nächsten, zu kühlenden Bauteil 102a-102c gelangen. Beim letzten zu kühlenden Bauteil wird das erwärmte Fluid von Ebene 2, also der Kühlmittelabfuhrebene, weiter in den Fluidauslass 105 geführt. Wenn lediglich ein zu kühlendes Bauteil 102a-102c vorhanden ist, entspricht die Ebene E2 im Wesentlichen der Austritts-Öffnung 18 der Ebene E3, da kein von einem vorherigen Bauteil 102a-102c erwärmtes Fluid vorhanden ist. Insofern ist in einer Ausführung mit lediglich einem Bauteil (in den Figuren nicht gezeigt) die Kühlmittelabfuhrebene E2 der Ebene E3 i gleichzusetzen.

Durch die vorgeschlagene Geometrie wird erreicht, dass eine in die Ebene E1 über den Fluideinlass 104 eingebrachte Kühlflüssigkeit direkt durch die zugehörige Einlass-Öffnung 10-15 in die oberste Ebene E3 einfließt. Dort strömt sie dann durch die Schnecke 20-25. Bei mehreren zu kühlenden Bauteilen 102a-102c fließt das erwärmte Fluid über die zugehörige Auslass-Öffnung 16-18 in die Kühlmittelabfuhrebene E2. Bei lediglich einem zu kühlenden Bauteil 102a-102c ist diese mit der Ebene E3 gleichzusetzen, wie bereits erwähnt. Somit wird eine effiziente und effektive Kühlung der zu kühlenden Bauteile 102a-102c unabhängig von der Anzahl der Bauteile 102a-102c erreicht.

Nachfolgend wird die Kühlgeometrie nochmals konkret Anhand der Figuren 1 und 2 beschrieben. Es ist eine Kühlgeometrie für beispielsweise als IGBT-Module gebildete Bauteile 102a-102c einer Leistungselektronik gezeigt. Hier sind drei solcher IGBT- Module 102a-102c gezeigt, die in Strömungsrichtung S hintereinander vom Fluideinlass 104 zum Fluidauslass 105 angeordnet sind. Die Kühlgeometrie ist aus drei Ebenen E1-E3 aufgebaut.

Das Fluid strömt in die unterste Ebene E1 ein. Von dort strömt das Fluid durch als zylinderförmige Bohrungen gebildete Einlass-Öffnungen 10-15 in die oberste Ebene E3, die in Figur 2 in Draufsicht, also als Schnitt in A-A-Richtung von Figur 1, dargestellt ist.

Die Einlass-Öffnungen 10-15 und die Schnecken 20-25 sind in einer Ausführung jeweils direkt unterhalb von Wärmespots W, Figur 2 als Kasten dargestellt, jedes Bauteils 102a- 102c angeordnet. Wärmespots W können mittels Simulationen oder Versuchen ermittelt werden. In der vorliegenden Ausführung sind sechs Einlass öffnungen 10-15 vorgesehen, da es sich herausgestellt hat, dass jeder der verwendeten IGBTs 10a-102c zwei Wärmespots W aufweist. Vorteilhaft sind also unter jedem Wärmespot eine Einlass-Öffnung 10-15 und eine Schnecke 20-25 vorgesehen. Es kann aber auch lediglich eine Einlass-Öffnung 10-15 und eine Schnecke 20-25 pro Bauteil 102a-102c vorgesehen sein, auch wenn mehrere Wärmespots W vorhanden sind.

In der oberen Ebene E3 wird das Fluid durch die Schnecken 20-25 geleitet, wie mit den Pfeilen in Figur 2 angedeutet, um die Verweildauer durch einen längeren Weg unter den Wärmespots W der Bauteile 102a-102c zu verteilen. Hierfür sind die Schnecken 20-25 entsprechend der Anwendung auszulegen. Grundsätzlich wird mehr Wärme abgeleitet, je mehr Rundungen die Schnecke aufweist. Zu achten ist allerdings bei der Wahl der Rundungen darauf, dass ein maximal vorgegebener Druckverlust eingehalten wird. Grundsätzlich kann die abhängig von der Anwendung zu wählende Form der Schnecken 20-25 berechnet und/oder durch Simulation ermittelt werden.

Nachdem das Fluid durch die Schnecken 20-25 geflossen ist, die darüber liegenden Bauteile 102a-102c gekühlt hat und dabei Wärme aufgenommen hat, wird es über eine Auslass-Öffnung 16-18 in die zwischen unterer Ebene E1 und oberer Ebene E3 angeordnete und davon getrennte Ebene E2 bis zum Fluidauslass 105 geleitet.

Diese Ebene E2 dient also als Kühlmittelabfuhrebene. Durch das Bereitstellen der zylindrischen Bohrungen zwischen erster und oberster Ebene E1 und E3 kann das Fluid in der Ebene E2 um den Zylinder herum fließen und vermischt sich nicht mit dem in Richtung Ebene E3 fließenden Fluid.

Die Wärmeaufnahme und Führung der Strömung durch die Schneckenwindungen wird in Figur 2 durch die Pfeile illustriert, die gepunktet dargestellt sind, wenn sie noch kaltes Fluid führen, und durchgängig sind, sobald sie Wärme aufgenommen haben und damit erwärmtes Fluid führen.

Im Falle, dass mehrere Bauteile 102a-102c in Strömungsrichtung S des Kühlmittels angeordnet sind, ist die Kühlmittelabfuhrebene E2 derart von Bauteil 102a-102c zu Bauteil 102a-102c vergrößert, dass die untere Ebene E1 dadurch kontinuierlich in ihrer Höhe verkleinert wird. Somit kann sich der Massenstrom gleichmäßig auf alle Einlass-Öffnungen 10-15 aufteilen, d.h. die Anströmbedingungen (Fluidgeschwindigkeit und Druck) sind bei allen Bauteilen 102a-102c nahezu identisch. Die Auslegung der Vergrößerung der Ebene E2 bzw. der Verkleinerung der Ebene E1 hängt von der Anordnung und der Anzahl der Bauteile 102a-102c, sowie der verwendeten Pumpe, also der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids, und der Größe, d.h. dem Volumen, des Raums, in dem sich das Fluid bewegt, ab. Abhängig von diesen Parametern stellen sich ein Druck und eine Strömungsgeschwindigkeit am Fluideingang 104 ein. Grundsätzlich ist es Ziel, dass Druck und Strömungsgeschwindigkeit beim letzten Bauteil möglichst gleich sind wie beim ersten Bauteil. Um diese Anforderung möglichst zu erfüllen, wird die Verkleinerung der Ebene E1 durch die Ebene E2 entsprechend gewählt bzw. durch Berechnung und/oder Simulation bestimmt. Aufgrund der parallelen Anströmung der einzelnen Wärmespots W und der schrittweisen Verkleinerung der unteren Ebene 1 erfolgt eine homogene Druckverteilung in den durchströmten, durch die Einlass-Öffnungen 10-15 gebildeten Zylindern und der Druckverlust ist immer noch im erlaubten Bereich. Ferner ändert sich die Fluidtemperatur am Fluidauslass 105 aufgrund der Durchmischung der Fluidmassen aus den unterschiedlichen Ebenen E1-E3 im Vergleich zu bisherigen Temperaturen kaum.

Durch die Verwendung von (nicht gezeigten) Finnen im Bereich der Schneckenwindungen kann die Strömung in der Schnecke 20-25 zusätzlich gelenkt werden.

Ferner kann eine Vergrößerung der Kühl -Oberfläche durch Verwenden von Pins 30 erreicht werden. Die Pins 30 sind dabei in einer Ausführung auf einem separaten Trägerbauteil 101a der Geometrieplatte 101 gebildet, das die Bauteile 102a-102c trägt. Die Pins 30 wirken als eine wärmeübertragende Geometrie, die das Volumen der Schnecken 20-25 füllen. Sie sind dann vorteilhaft gleichmäßig, also mit gleichbleibender Pindichte, über die gesamte Fläche der Schnecke 20-25 verteilt. Je dichter die Pins 30 angeordnet sind, desto besser ist die Wärmeabfuhr, wobei auch hier wieder bei der Wahl der Pindichte darauf geachtet werden muss, dass der maximal erlaubte Druckverlust beachtet wird. Durch die Verwendung von Pins 30 sind eine sehr gute Temperaturverteilung und ein geringer Druckverlust gegeben. Die Pins 30 sind vorteilhaft aus einem Material, das sehr gut Wärme (ab)leitet, z.B.

Kupfer. Eine weitere Optimierungsmöglichkeit ist eine zusätzliche Anregung der Turbulenz durch Vertiefungen 31 zwischen den Pins 30. Die genaue Ausführung, also Tiefe, Breite etc. lässt sich anhand von Simulationen ermitteln.

Ferner kann noch der Durchmesser der Einlass-Öffnungen 10-15 variiert werden. Da festgestellt wurde, dass der Durchmesser wenig Einfluss auf die Temperatur hat, wird vorteilhaft ein Durchmesser gewählt, der den geringsten bzw. einen gewünschten Druckverlust verursacht. Die Anströmung der Bauteile 102a-102b erfolgt in einem Winkel. In einer Ausführung ist der Winkel der Anströmung zwischen Zylinderachse und Wärmequelle, also Bauteil 102a-102c, ein steiler Winkel zwischen 70 Grad und 90 Grad. Die Zylinderachse ist die Achse durch die zylindrische Bohrung in z-Richtung, also von Ebene E1 zu Ebene E3.

Ferner ist, wie in Figur 3 gezeigt, die Geometrieplatte 101 in einer Ausführung in zwei separate Trägerbauteile 101a, 101b aufgeteilt, ein erstes Trägerbauteil 101a für die wärmeübertragende Geometrie und ein zweites Trägerbauteil 101b mit der Geometrie zur Strömungslenkung. Die Verbindung erfolgt an den Verbindungsflächen 40 durch entsprechende Verfahren zur Verbindung, gegebenenfalls mit Toleranzausgleich z.B. über eine Wärmeleitpaste. Somit ist ein separates Trägerbauteil 101 b für die Geometrie, die für die Strömungslenkung verantwortlich ist, also die Ebenen E1-E3 mit den Schnecken 20-25, und ein separates Trägerbauteil 101a für die Komponenten, die für die Wärmeübertragung von den Bauteilen 102a-102c auf das Fluid verantwortlich ist, vorgesehen, z.B. die Pins 30. Durch dieses Konzept können unterschiedliche Werkstoffe für die beiden Trägerbauteile 101a, 101 b verwendet werden, die für die jeweilige Funktion am besten geeignet sind. So kann z.B. das erste Trägerbauteil 101a, welches für die Wärmeübertragung verantwortlich ist, aus Kupfer gebildet sein, während die Geometrie, die zur Strömungslenkung dient, also Schnecken 20-25, Einlass öffnungen 10-15, Auslass-Öffnungen 16-18, Ebenen E1-E3, Gehäusewände etc. aus einer Aluminiumlegierung oder einem anderen, für die jeweilige Anwendung geeigneten Material gebildet ist. In einer Ausführung sind auch die Pins 30, an deren Oberfläche der größte Teil der Wärme abgegeben wird, aus Kupfer gebildet. Damit kann eine optimale Wärmeübertragung erfolgen.

Grundsätzlich ist der Bereich der Geometrieplatte 101, der zur Wärmeübertragung zwischen Bauteilen 102a-102c und dem Fluid dient, aus einem entsprechenden, Wärme leitenden Material wie Kupfer gebildet. Andere Wärme leitende Materialien können je nach Anwendung ebenfalls verwendet werden. Das dritte gezeigte Bauteil 50 ist lediglich schematisch als Platzhalter für eine vorgegebene Gehäusegeometrie argestellt, an der die Kühlgeometrie befestigt ist. Hier sind lediglich Fluideinlass 104 und Fluidauslass 105 gezeigt.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Bauteile 102a-102c, z.B. IGBTs, direkt auf der Geometrieplatte 101 befestigt sind, wenn diese aus Metall, z.B. Kupfer, gebildet ist. Damit wirkt die Geometrieplatte 101 gleichzeitig als Basisplatte 103. Somit wird ein Bauteil eingespart und das Gewicht reduziert. Ferner wird eine bessere Wärmeleitfähigkeit erreicht und es entfällt die zur Befestigung von zwei Bauteilen notwendige Wärmeleitpaste.

Vorteilhaft bei der vorgeschlagenen Kühlgeometrie in Form von Schnecken 20-25 ist, dass jeder Wärmespot W eines Bauteils 102a-102c angeströmt und gekühlt werden kann, auch einzeln. Wie in Figur 2 zu sehen, fließt bei allen Bauteilen 102a-102c, also bis hin zum letzten Bauteil 102c, noch das ursprünglich einströmende Fluid (durch gepunktete Pfeile gekennzeichnet) zur Kühlung durch die jeweiligen Einlass öffnungen 10-15 in die oberste Ebene E3, vermischt sich also nicht mit dem bereits erwärmten Fluid des vorhergehenden Bauteils. Das heißt, dass sich die näher am Fluidauslass 105 befindlichen Bauteile 102b, 102c nicht mehr so stark wie bei bisher bekannten Kühlgeometrien aufheizen.

Bezuqszeichenliste

101 Geometrieplatte

101a Trägerbauteil für IGBTs bzw. wärmeübertragende Geometrie

101b Trägerbauteil mit Geometrie zur Strömungslenkung

102a-102c zu kühlendes Bauteil

103 Basisplatte des IGBT

104 Fluideinlass

105 Fluidauslass

10-15 Einlass-Öffnung bzw. zylinderförmige Bohrungen von E1 zu E3

16-18 Auslass-Öffnung

20-25 Schnecke

30 Pins

31 Vertiefungen zwischen Pins 30

40 Verbindungsflächen

50 Gehäusegeometrie mit Fluideinlass und Fluidauslass

E1 unterste Ebene

E2 Kühlmittelabfuhrebene

E3 oberste Ebene

S Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche

1. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken, aufweisend

- mindestens ein zu kühlendes Bauteil (102a-102c), das direkt oder indirekt auf einer Geometrieplatte (101 ) befestigt ist, wobei die Geometrieplatte (101 ) derart gebildet ist, dass

- sie unterhalb des oder der Bauteile (102a-102c) eine Geometrie zur Strömungslenkung aufweist, die aus mindestens zwei übereinanderliegenden Ebenen (E1 , E3) gebildet ist, von denen die oberste Ebene (E3) direkt unterhalb des oder der Bauteile (102a-102c) angeordnet ist,

- in Form einer Schnecke (20-25) gebildet ist, und

- eine Einlass-Öffnung (10-15) zu der darunterliegenden, untersten Ebene (E1) und eine Auslass-Öffnung (16-18) zu einer von der untersten Ebene (E1) getrennten Kühlmittelabfuhrebene (E2, E3) aufweist, und wobei

- die unterste Ebene (E1) als Hohlraum mit einem an einem ersten Ende davon angeordneten Fluideinlass (104) gebildet ist, und wobei

- ein an einem dem ersten Ende der Kühlgeometrie gegenüberliegenden zweiten Ende ein Fluidauslass (105) angeordnet ist, der mit der Kühlmittelabfuhrebene (E2, E3) in Verbindung steht.

2. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken nach Anspruch 1, wobei die Schnecken (20-25) und jede Einlass-Öffnung (10-15) direkt unterhalb eines Wärmespots (W) eines Bauteils (102a-102c) angeordnet sind.

3. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Falle, dass mehrere Bauteile (102a-102c) in Strömungsrichtung (S) des Kühlmittels angeordnet sind, die Kühlmittelabfuhrebene (E2) derart von Bauteil (102a-102c) zu Bauteil (102a-102c) vergrößert ist, dass die untere Ebene (E1) dadurch kontinuierlich in ihrer Höhe verkleinert ist.

4. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an einem ersten Trägerbauteil (101a) der Geometrieplatte (101a), welches das oder die Bauteile (102a-102c) trägt, Pins (30) derart angeordnet sind, dass sie in die Schnecken (20-25) ragen.

5. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken nach Anspruch 4, wobei Vertiefungen (31) zwischen benachbarten Pins (30) vorgesehen sind.

6. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Einlass-Öffnung (10-15) als eine zylinderförmige Bohrung derart gebildet ist, dass ihre Achse zwischen oberster und unterster Ebene (E1 , E3) in einem vorgegebenen Winkel zum zugehörigen Bauteil (102a-102c) liegt.

7. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geometrieplatte (101 ) zweiteilig derart gebildet ist, dass sie aufweist:

- ein erstes Trägerbauteil (101a), welches wärmeübertragende Komponenten, umfassend mindestens das oder die Bauteile (102a-102c) und die Pins (30), wenn vorhanden, trägt, und

- ein zweites Trägerbauteil (101b), welches die Geometrie zur Strömungslenkung aufweist.

8. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken nach Anspruch 7, wobei das erste Trägerbauteil (101a) und die Pins (30), wenn vorhanden, aus demselben Material gebildet sind.

9. Kühlgeometrie für Leistungselektroniken nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb der Schnecken (20-25) Finnen vorgesehen sind.