WO2023051990A1 - Kühler zum kühlen einer leistungselektronik - Google Patents

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WO2023051990A1
WO2023051990A1 PCT/EP2022/072565 EP2022072565W WO2023051990A1 WO 2023051990 A1 WO2023051990 A1 WO 2023051990A1 EP 2022072565 W EP2022072565 W EP 2022072565W WO 2023051990 A1 WO2023051990 A1 WO 2023051990A1
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cooling
ribs
longitudinal axis
weak
cooler
Prior art date
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PCT/EP2022/072565
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Inventor
Max Florian BECK
Maik Paehrisch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a cooler for cooling power electronics. Furthermore, the invention shows an arrangement comprising the cooler together with the power electronics.
  • Power semiconductors in power electronics carry high electrical currents. Together with switching losses, the resulting conduction losses are the cause of a high heat loss, which has to be dissipated on a relatively small area.
  • the maximum permissible semiconductor temperature is critical to failure, which is why minimizing the thermal resistance between the semiconductor and the coolant is of central importance.
  • the power electronics considered here are applied to coolers through which fluid flows. These coolers usually have cooling fin assemblies through which the fluid flows.
  • the cooler according to the invention is designed in particular for cooling power electronics.
  • This power electronics has one or more power semiconductors, which are usually arranged in a substrate.
  • the cooler includes a housing that is designed for mounting the power electronics.
  • the housing is preferably designed in the form of a plate, for example with two plates which define a cooling channel between them, through which cooling fluid can flow.
  • the cooling channel forms a cavity.
  • a cooling fin arrangement with a large number of fins is located in this cavity.
  • the cooling channel and the arrangement of cooling ribs are designed for the passage of a cooling fluid. It is cooled in particular with a fluid in the liquid state.
  • the cooling fin arrangement is designed in such a way that the fluid can flow through it along a longitudinal axis.
  • a transverse axis is defined perpendicularly to the longitudinal axis and thus also perpendicularly to the direction of flow.
  • a vertical axis is defined perpendicular to the transverse axis and perpendicular to the longitudinal axis.
  • the cooling fin arrangement extends significantly further in the direction of the longitudinal axis and in the direction of the transverse axis than in the direction of the vertical axis.
  • the power electronics are positioned along the vertical axis above or below the arrangement of cooling fins.
  • Several heat sources of the power electronics, in particular several of the power semiconductors can be positioned along the longitudinal axis and partly also along the transverse axis.
  • the cooler according to the invention has the advantage that the pressure drop in the cooler can be reduced. This is achieved in that the cooling fin arrangement comprises at least one strong cooling area with a first flow resistance for the fluid and at least one weak cooling area with a second flow resistance for the fluid.
  • the arrangement of cooling fins in the strong cooling area and in the weak cooling area is designed in such a way that the first flow resistance is higher than the second flow resistance.
  • the first flow resistance is particularly preferably at least 10% higher than the second flow resistance.
  • the at least one low-cooling area with the second flow resistance can be deliberately positioned within the cooler at locations where little or no cooling is required.
  • the strong cooling areas are positioned as close as possible to the power semiconductors, whereas the weak cooling areas are positioned more at the edges of the cooling rib arrangement and/or between two power semiconductors. It is thereby achieved that the fluid flowing through only enters consciously selected strong cooling areas which are necessary for cooling correspondingly high flow resistance is opposed, which also leads to a correspondingly high heat transfer coefficient.
  • the flow resistance is reduced as far as possible, so that when the cooling fin arrangement is considered overall, the flow resistance is as low as possible or the flow resistance is adapted to the thermal requirements.
  • the housing is preferably formed from two plates, which define the cooling channel between them.
  • the two plates are connected to one another, in particular via a brazing layer, and in this way form the cooling channel for accommodating the cooling fin arrangement.
  • An inlet and an outlet for the fluid preferably lead into this cooling channel.
  • the cooling fin arrangement preferably has at least two, more preferably at least three, particularly preferably at least four of the weak cooling areas described. These weak cooling areas can be designed in the same way or differently.
  • the weak cooling areas are distributed and spaced apart along the longitudinal axis, so that there is preferably a strong cooling area between the weak cooling areas.
  • one or more weak cooling areas can also be arranged next to one another along the transverse axis.
  • the distance between two ribs measured parallel to the transverse axis is therefore smaller in the heavily cooled area than in the weakly cooled area, which results in a greater flow resistance in the heavily cooled area than in the weakly cooled area.
  • the cooling fin arrangement is manufactured by forming a metal sheet into a turbulence metal sheet.
  • this turbulence plate has a large number of rows of ribs.
  • the single row of ribs extends perpendicular to the longitudinal axis along the transverse axis.
  • the single row of ribs has a large number of ribs.
  • the row of ribs has a wavy shape. Due to this waveform, two adjacent ribs are connected to each other via a crest or valley section of the waveform.
  • the crest or valley section of the waveform or the row of ribs extends, in particular, essentially in a plane spanned by the longitudinal axis and the transverse axis.
  • At least one of the weak cooling areas is preferably formed by a cut-out free space.
  • This free space is in particular punched out or otherwise cut out.
  • the turbulence plate is initially manufactured without free space and after the production of the turbulence plate, the free spaces are cut out at the desired locations. This results in areas without ribs at the free spaces, which form the lowest possible flow resistance in the weak cooling area.
  • the at least one weak cooling area can be used to direct the flow, for example to direct the flow with a directional component parallel to the transverse axis and/or to focus the flow of the fluid on an area that is to be cooled more strongly.
  • a flow control it is provided in particular that the above-described free space in the turbulence plate is tapered.
  • the free space tapers in the direction of flow, so that the fluid can be deliberately directed and channeled.
  • the individual ribs of the cooling rib arrangement are set at a first angle to the longitudinal axis, preferably at least in the strong cooling area.
  • the ribs are adjusted in such a way that, compared to a non-adjusted state, the flow resistance is increased and, as a result, the heat transfer coefficient is also increased.
  • the ribs in the strong cooling area are set at an angle to the longitudinal axis and the ribs in at least one adjacent weak cooling area are set less or not set at all, i.e. are parallel to the longitudinal axis.
  • the individual strong cooling area preferably has several rows of ribs arranged one behind the other. As described in connection with the turbulence plate, the rows of ribs extend along the transverse axis and lie directly against one another along the longitudinal axis.
  • the ribs in adjacent rows of ribs are preferably set at different directions against the longitudinal axis, so that, for example, the ribs of one row are set at 10° and the ribs of the next row at -10° with respect to the longitudinal axis. This alternating positioning of the ribs deliberately increases the flow resistance in order to achieve the highest possible heat transfer coefficient in the strong cooling area.
  • the length of each rib is measured parallel to the longitudinal axis.
  • the second length is preferably greater than the first length.
  • the ribs in the weak cooling area are therefore longer than the ribs in the strong cooling area and are preferably designed without an angle of attack. This is of particular interest in combination with the changing direction of attachment of the individual row of ribs described above, since the relatively long ribs in the weak cooling area have a relatively long section without Form change of the angle of attack and thus provide a reduced flow resistance.
  • a weak cooling area can be formed in the cooling fin arrangement by a cut-out space and another weak cooling area can be achieved in the same cooling fin arrangement by changing the length of the fins or by changing the angle of attack.
  • the invention also includes an arrangement.
  • the arrangement in turn combines the cooler described and the associated power electronics with at least one power semiconductor.
  • the power electronics are arranged on the cooler.
  • an imaginary projection of the power semiconductors along the vertical axis onto the plane of the cooling fin arrangement the positioning of areas with weak cooling and areas with strong cooling relative to the power semiconductors can be considered.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic top view of the cooler according to the invention according to the exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a top view of a cooling fin arrangement of the cooler according to the invention according to the exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a first detailed view of the cooling fin arrangement from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a second detailed view of the cooling fin arrangement from FIG.
  • the power electronics 101 includes one or more power semiconductors 102, which are considered here as primary heat sources.
  • FIG. 1 also shows that the cooler 1 is plate-shaped, with two cooling plates 3, 4 (which form a housing 2) connected to one another and arranged in parallel, between which there is a cooling channel 6.
  • the two cooling plates 3, 4 are connected to one another via a solder layer 5.
  • a cooling fin arrangement 7 is located in the cooling channel 6 and can also be connected to the housing 2 via the solder layer 5 .
  • FIG. 2 shows a plan view of the cooler 1.
  • the upper cooling plate 3 is hidden for the sake of clarity, so that the lower cooling plate 4 with the cooling fin arrangement 7 accommodated therein can be seen.
  • a longitudinal axis 30, a transverse axis 31 and a vertical axis 32 are defined on the cooler 1.
  • the three axes 30, 31 and 32 are perpendicular to each other.
  • the housing 2 is designed to conduct a cooling fluid along a flow direction 34 .
  • the flow direction 34 which extends parallel to the longitudinal axis 30, is the main flow direction from the housing-side inlet to the housing-side outlet of the fluid.
  • the fluid can also flow within the cooling fin arrangement 7 with a directional component parallel to the transverse axis 31 .
  • the cooling fin arrangement 7 is formed by a formed sheet metal and can also be referred to as a turbulence sheet metal.
  • the cooling rib arrangement 7 is composed of a large number of rows 8 of ribs. Each row of ribs 8 extends along the transverse axis 31. The plurality of rows of ribs 8 are arranged directly adjacent to one another in a row along the longitudinal axis 30. FIG. 4 shows these rows of ribs 8 in a detailed view 3.
  • the individual row of ribs 8 is wavy, with two adjacent ribs 9 being connected to one another by a crest or valley section 10 of the wavy shape. Parallel to the transverse axis 31, there is a distance 11 between two adjacent ribs 9.
  • the individual rib 9 extends parallel to the longitudinal axis 30 over a first length 12.
  • FIG. 5 shows that the ribs 9 can be inclined at an angle of attack 14 in relation to the longitudinal axis 30 .
  • FIG. 2 clarifies, purely schematically, the positioning and configuration of areas 21 with weak cooling.
  • several of these weakly cooled areas 31 are integrated into the cooling rib arrangement 7 in different shapes and sizes.
  • the fluid flowing through is opposed to a lower flow resistance than in the strong cooling areas 20. This means that in the strong cooling areas 20 a higher heat transfer coefficient is possible.
  • strong cooling areas 20 are preferably located below the power semiconductors 102, whereas the weak cooling areas 21 are arranged between the power semiconductors 102.
  • FIG. 2 schematically illustrates two triangular weak cooling regions 21 which are tapered along the direction of flow 35 in order to direct or channel the fluid accordingly.
  • a free space can be cut out in the cooling fin arrangement 7 to form the weak cooling areas 21 .
  • the angle of attack 14 has already been explained with reference to FIGS.
  • This angle of attack 14 can preferably be smaller in the weak cooling areas 21 or equal to zero in order to generate a lower flow resistance in the weak cooling areas 21 than in the surrounding strong cooling areas 20.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse (2) zum Aufsetzten der Leistungselektronik (101) und eine Kühlrippenanordnung (7) mit einer Vielzahl an Rippen (9) in einem Kühlkanal (6) des Gehäuses (2), wobei die Kühlrippenanordnung (7) entlang einer Längsachse (30) mit einem Fluid durchströmbar ist, wobei die Kühlrippenanordnung (7) zumindest einen Starkkühlungsbereich (20) mit einem ersten Strömungswiderstand für das Fluid und zumindest einen Schwachkühlungsbereich (21) mit einem zweiten Strömungswiderstand für das Fluid umfasst, wobei der erste Strömungswiderstand höher ist als der zweite Strömungswiderstand.

Description

Beschreibung
Titel
Kühler zum Kühlen einer Leistungselektronik
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühler zum Kühlen einer Leistungselektronik. Des Weiteren zeigt die Erfindung eine Anordnung umfassend den Kühler samt der Leistungselektronik.
Leistungshalbleiter in einer Leistungselektronik führen hohe elektrische Ströme. Zusammen mit Schaltverlusten sind die daraus resultierenden Leitverluste ursächlich für eine hohe Verlustwärmeleistung, welche auf einer relativ kleinen Fläche abzuführen ist. Die maximal zulässige Halbleitertemperatur ist dabei versagenskritisch, weshalb eine Minimierung des thermischen Widerstands zwischen Halbleiter und Kühlmittel von zentraler Bedeutung ist. Zur effizienten Kühlung wird die hier betrachtete Leistungselektronik auf fluiddurchströmten Kühlern appliziert. In diesen Kühlern befinden sich üblicherweise Kühlrippenanordnungen, durch die das Fluid strömt.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kühler ist insbesondere zum Kühlen einer Leistungselektronik ausgebildet. Diese Leistungselektronik weist einen oder mehrere Leistungshalbleiter auf, die üblicherweise in einem Substrat angeordnet sind. Der Kühler umfasst ein Gehäuse, das zum Aufsetzen der Leistungselektronik ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das Gehäuse plattenförmig ausgestaltet, beispielsweise mit zwei Platten, welche zwischen sich einen Kühlkanal definieren, welcher von Kühlfluid durchströmt werden kann. Der Kühlkanal bildet einen Hohlraum. In diesem Hohlraum befindet sich eine Kühlrippenanordnung mit einer Vielzahl an Rippen. Der Kühlkanal sowie die Kühlrippenanordnung sind zum Durchleiten eines kühlenden Fluides ausgebildet. Es wird insbesondere mit einem Fluid im flüssigen Aggregatszustand gekühlt. Die Kühlrippenanordnung ist so ausgebildet, dass sie entlang einer Längsachse mit dem Fluid durchströmbar ist. Senkrecht zu der Längsachse und somit auch senkrecht zur Strömungsrichtung ist eine Querachse definiert. Senkrecht zur Querachse und senkrecht zur Längsachse ist eine Hochachse definiert. Insbesondere erstreckt sich die Kühlrippenanordnung in Richtung der Längsachse und in Richtung der Querachse wesentlich weiter als in Richtung der Hochachse. Die Leistungselektronik ist entlang der Hochachse über oder unter der Kühlrippenanordnung positioniert. Entlang der Längsachse und zum Teil auch entlang der Querachse können mehrere Wärmequellen der Leistungselektronik, insbesondere mehrere der Leistungshalbleiter positioniert werden. Innerhalb des Kühlkanals des Gehäuses bzw. innerhalb der Kühlrippenanordnung ergibt sich entlang der Strömungsrichtung ein Druckabfall durch den Widerstand des durchströmenden Fluides an der Kühlrippenanordnung. Je höher der Wärmeübergangskoeffizient durch die Kühlrippenanordnung ist, desto höher ist im Regelfall auch der Druckabfall. Im Kühlsystem ist der maximal zulässige Druckabfall aufgrund der Pumpe für das Fluid begrenzt. Daher ist es notwendig, auch den Druckabfall im gesamten Kühler zu begrenzen, wodurch unter Umständen nicht der maximal mögliche Wärmeübergangskoeffizient ausgenutzt werden kann. Der erfindungsgemäße Kühler hat zum Vorteil, dass der Druckabfall im Kühler reduziert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kühlrippenanordnung zumindest einen Starkkühlungsbereich mit einem ersten Strömungswiderstand für das Fluid und zumindest einen Schwachkühlungsbereich mit einem zweiten Strömungswiderstand für das Fluid umfasst. Die Kühlrippenanordnung im Starkkühlungsbereich und im Schwachkühlungsbereich ist derart ausgebildet, dass der erste Strömungswiderstand höher ist als der zweite Strömungswiderstand. Besonders bevorzugt ist der erste Strömungswiderstand um zumindest 10% höher als der zweite Strömungswiderstand. Der zumindest eine Schwachkühlungsbereich mit dem zweiten Strömungswiderstand kann innerhalb des Kühlers bewusst an Stellen positioniert werden, an denen keine oder nur wenig Kühlung vonnöten ist. Insbesondere werden die Starkkühlungsbereiche möglichst nahe an den Leistungshalbleitern positioniert, wohingegen die Schwachkühlungsbereiche eher an den Rändern der Kühlrippenanordnung und/oder zwischen zwei Leistungshalbleitern positioniert werden. Dadurch wird erreicht, dass dem durchströmenden Fluid nur in bewusst ausgewählten, zur Kühlung notwendigen Starkkühlungsbereichen ein entsprechend hoher Strömungswiderstand entgegengesetzt wird, der auch zu einem entsprechend hohen Wärmeübergangskoeffizienten führt. In Bereichen, in denen eine geringere oder keine Kühlung notwendig ist, also in den Schwachkühlungsbereichen, wird der Strömungswiderstand weitestgehend reduziert, so dass sich bei Gesamtbetrachtung der Kühlrippenanordnung ein möglichst geringer Strömungswiderstand bzw. ein an die thermischen Anforderungen angepasster Strömungswiderstand ergibt.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Wie beschrieben, ist das Gehäuse vorzugsweise aus zwei Platten gebildet, welche zwischen sich den Kühlkanal definieren Die beiden Platten sind miteinander, insbesondere über eine Hartlotschicht, verbunden und bilden dabei den Kühlkanal zur Aufnahme der Kühlrippenanordnung. In diesen Kühlkanal führt vorzugsweise ein Zulauf und ein Ablauf für das Fluid.
Die Kühlrippenanordnung weist vorzugsweise zumindest zwei, weiter vorzugsweise zumindest drei, besonders vorzugsweise zumindest vier, der beschriebenen Schwachkühlungsbereiche auf. Diese Schwachkühlungsbereiche können gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Die Schwachkühlungsbereiche sind entlang der Längsachse verteilt und beabstandet, so dass zwischen den Schwachkühlungsbereichen sich vorzugsweise ein Starkkühlungsbereich befindet. Zusätzlich zu diesen, entlang der Längsachse hintereinander angeordneten Schwachkühlungsbereichen können auch entlang der Querachse ein oder mehrere Schwachkühlungsbereiche nebeneinander angeordnet werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schwachkühlungsbereiche in Summe eine erste Fläche einnehmen und die Starkkühlungsbereiche in Summe eine zweite Fläche der Kühlrippenanordnung einnehmen, wobei die Flächen jeweils in der durch die Längsachse und Querachse aufgespannten Ebene definiert sind. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die erste Fläche zumindest 10%, insbesondere zumindest 20%, der Gesamtfläche der Kühlrippenanordnung einnimmt und gleichzeitig die zweite Fläche zumindest 10%, insbesondere zumindest 20%, der Gesamtfläche der Kühlrippenanordnung einnimmt. In zumindest einem Starkkühlungsbereich stehen vorzugsweise die Rippen der Kühlrippenanordnung, gemessen quer zur Längsachse, enger als die Rippen in zumindest einem benachbarten Schwachkühlungsbereich. Der parallel zur Querachse gemessene Abstand zwischen zwei Rippen ist also im Starkkühlungsbereich kleiner als im Schwachkühlungsbereich, wodurch sich im Starkkühlungsbereich ein größerer Strömungswiderstand ergibt als im Schwachkühlungsbereich. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass in zumindest einem Schwachkühlungsbereich überhaupt keine Rippen ausgebildet sind.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kühlrippenanordnung durch Umformen eines Blechs zu einem Turbulenzblech gefertigt ist. Dieses Turbulenzblech weist insbesondere eine Vielzahl an Rippenreihen auf. Die einzelne Rippenreihe erstreckt sich senkrecht zur Längsachse entlang der Querachse. Die einzelne Rippenreihe weist eine Vielzahl an Rippen auf. Insbesondere weist die Rippenreihe eine Wellenform auf. Durch diese Wellenform sind jeweils zwei benachbarte Rippen über einen Berg- oder Talabschnitt der Wellenform miteinander verbunden. Der Berg- oder Talabschnitt der Wellenform bzw. der Rippenreihe erstreckt sich insbesondere im Wesentlichen in einer durch die Längsachse und Querachse aufgespannten Ebene.
In dem Turbulenzblech ist vorzugsweise zumindest einer der Schwachkühlungsbereiche durch einen ausgeschnittenen Freiraum gebildet. Dieser Freiraum ist insbesondere ausgestanzt oder anderweitig ausgeschnitten. Insbesondere ist das Turbulenzblech zunächst ohne Freiraum gefertigt und nach der Fertigung des Turbolenzblechs werden die Freiräume an den gewünschten Stellen ausgeschnitten. Dadurch ergeben sich an den Freiräumen Bereiche ohne Rippen, die einen möglichst geringen Strömungswiderstand im Schwachkühlungsbereich bilden.
Der zumindest eine Schwachkühlungsbereich kann zum Lenken der Strömung verwendet werden, beispielsweise um die Strömung mit einer Richtungskomponente parallel zur Querachse zu lenken und/oder um die Strömung des Fluids auf einen stärker zu kühlenden Bereich zu fokussieren. Um solche eine Strömungslenkung zu erreichen, ist insbesondere vorgesehen, dass der oben beschriebene Freiraum im Turbulenzblech verjüngt ausgebildet ist. Insbesondere verjüngt sich der Freiraum in Richtung der Strömungsrichtung, so dass das Fluid bewusst gelenkt und kanalisiert werden kann.
Die einzelnen Rippen der Kühlrippenanordnung sind, vorzugsweise zumindest im Starkkühlungsbereich, mit einem ersten Anstellwinkel zur Längsachse angestellt. Insbesondere sind die Rippen derart angestellt, um, gegenüber einem nicht angestellten Zustand, den Strömungswiderstand zu erhöhen und infolgedessen auch den Wärmeübergangskoeffizienten zu erhöhen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Rippen im Starkkühlungsbereich mit einem Anstellwinkel zur Längsachse angestellt sind und die Rippen in zumindest einem benachbarten Schwachkühlungsbereich geringer angestellt sind oder gar nicht angestellt sind, also parallel zur Längsachse stehen.
Der einzelne Starkkühlungsbereich weist vorzugsweise mehrere hintereinander angeordnete Rippenreihen auf. Die Rippenreihen erstrecken sich, wie im Rahmen des Turbulenzblechs beschrieben, entlang der Querachse und liegen entlang der Längsachse unmittelbar aneinander an. Vorzugsweise sind die Rippen in benachbarten Rippenreihen mit unterschiedlichen Anstellungsrichtungen gegen die Längsachse angestellt, so dass beispielsweise die Rippen der einen Reihe mit 10° und die Rippen der nächsten Reihe mit -10° gegenüber der Längsachse angestellt sind. Durch dieses wechselseitige Anstellen der Rippen wird der Strömungswiderstand bewusst erhöht, um im Starkkühlungsbereich einen möglichst hohen Wärmeübergangskoeffizienten zu erreichen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass in zumindest einem Starkkühlungsbereich die Rippen eine erste Länge aufweisen und die Rippen in zumindest einem benachbarten Schwachkühlungsbereich eine zweite Länge aufweisen. Die Länge der einzelnen Rippe wird dabei parallel zur Längsachse gemessen. Die zweite Länge ist vorzugsweise größer als die erste Länge. Die Rippen im Schwachkühlungsbereich sind dadurch länger ausgebildet als die Rippen im Starkkühlungsbereich und vorzugsweise ohne Anstellwinkel ausgebildet. Dies ist insbesondere in Kombination mit der oben beschriebenen wechselnden Anstellungsrichtung der einzelnen Rippenreihe von Interesse, da die relativ langen Rippen im Schwachkühlungsbereich einen relativ langen Abschnitt ohne Wechsel des Anstellwinkels bilden und somit einen reduzierten Strömungswiderstand bereitstellen.
Die hier beschriebenen unterschiedlichen Ausgestaltungen zur bewussten Veränderung des Strömungswiderstandes im Schwachkühlungsbereich und im Starkkühlungsbereich können auch innerhalb einer Kühlrippenanordnung miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise ein Schwachkühlungsbereich in der Kühlrippenanordnung durch einen ausgeschnittenen Freiraum gebildet sein und ein anderer Schwachkühlungsbereich in derselben Kühlrippenanordnung durch Veränderung der Länge der Rippen oder durch Veränderung des Anstellwinkels erreicht werden.
Die Erfindung umfasst ferner eine Anordnung. Die Anordnung wiederum vereint den beschriebenen Kühler und die zugehörige Leistungselektronik mit zumindest einem Leistungshalbleiter. Wie beschrieben, ist die Leistungselektronik dabei auf dem Kühler angeordnet. Bei einer gedanklichen Projektion der Leistungshalbleiter entlang der Hochachse auf die Ebene der Kühlrippenanordnung lässt sich die Positionierung von Schwachkühlungsbereichen und Starkkühlungsbereichen relativ zu den Leistungshalbleitern betrachten. Es ist insbesondere vorgesehen, dass unmittelbar unter den Leistungshalbleitern ausschließlich Starkkühlungsbereiche gebildet sind und sich die Schwachkühlungsbereiche zwischen den Leistungshalbleitern befinden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen
Anordnung mit erfindungsgemäßem Kühler gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 eine schematische Draufsicht des erfindungsgemäßen Kühlers gemäß dem Ausführungsbeispiel, Figur 3 eine Draufsicht auf eine Kühlrippenanordnung des erfindungsgemäßen Kühlers gemäß dem Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine erste Detailansicht der Kühlrippenanordnung aus Figur 3, und
Figur 5 eine zweite Detailansicht der Kühlrippenanordnung aus Figur 3.
Ausführungsform der Erfindung
Im Folgenden wird eine Anordnung 100 mit einem Kühler 1 anhand der Figuren 1 bis 5 im Detail beschrieben. Die Anordnung 100 umfasst gemäß der schematischen Schnittansicht in Figur 1 eine Leistungselektronik 101 , die auf dem Kühler 1 sitzt. Die Leistungselektronik 101 umfasst einen oder mehrere Leistungshalbleiter 102, die hier als primäre Wärmequellen betrachtet werden.
Ferner zeigt Figur 1 , dass der Kühler 1 plattenförmig ausgebildet ist, mit zwei miteinander verbundenen und parallel angeordneten Kühlplatten 3, 4 (die ein Gehäuse 2 bilden), zwischen welchen sich ein Kühlkanal 6 befindet. Die beiden Kühlplatten 3, 4 sind über eine Lotschicht 5 miteinander verbunden.
In dem Kühlkanal 6 befindet sich eine Kühlrippenanordnung 7, die ebenfalls über die Lotschicht 5 mit dem Gehäuse 2 verbunden sein kann.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf den Kühler 1. Die obere Kühlplatte 3 ist der Übersichtlichkeit halber ausgeblendet, so dass die untere Kühlplatte 4 mit darin aufgenommener Kühlrippenanordnung 7 zu sehen ist.
Gemäß den Figuren 1 bis 5 sind am Kühler 1 eine Längsachse 30, eine Querachse 31 und eine Hochachse 32 definiert. Die drei Achsen 30, 31 und 32 stehen jeweils senkrecht zueinander.
Das Gehäuse 2 ist zum Durchleiten eines kühlenden Fluides entlang einer Strömungsrichtung 34 ausgebildet. Bei der Strömungsrichtung 34, die sich parallel zur Längsachse 30 erstreckt, handelt es sich um die Hauptströmungsrichtung vom gehäuseseitigen Einlass zum gehäuseseitigen Auslass des Fluides. Innerhalb der Kühlrippenanordnung 7 kann das Fluid auch mit einer zur Querachse 31 parallelen Richtungskomponente fließen.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kühlrippenanordnung 7 durch ein umgeformtes Blech gebildet und kann auch als Turbulenzblech bezeichnet werden. Die Kühlrippenanordnung 7 setzt sich aus einer Vielzahl an Rippenreihen 8 zusammen. Jede Rippenreihe 8 erstreckt sich entlang der Querachse 31. Entlang der Längsachse 30 hintereinander sind die Vielzahl an Rippenreihen 8 unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet. Figur 4 zeigt in einer Detailansicht 3 diese Rippenreihen 8. Die einzelne Rippenreihe 8 ist dabei wellenförmig, wobei jeweils zwei benachbarte Rippen 9 durch einen Berg- oder Talabschnitt 10 der Wellenform miteinander verbunden sind. Parallel zur Querachse 31 ergibt sich dabei ein Abstand 11 zwischen zwei benachbarten Rippen 9. Die einzelne Rippe 9 erstreckt sich parallel zur Längsachse 30 über eine erste Länge 12.
Die Detailansicht in Figur 5 zeigt, dass die Rippen 9 mit einem Anstellwinkel 14 gegenüber der Längsachse 30 geneigt sein können.
Figur 2 verdeutlicht rein schematisch die Positionierung und Ausgestaltung von Schwachkühlungsbereichen 21. Diese Schwachkühlungsbereiche 21 der Kühlrippenanordnung 7 sind von Starkkühlungsbereichen 20 der Kühlrippenanordnung 7 umgeben. Entlang der Längsachse 3, also entlang der Strömungsrichtung 34, sind mehrere dieser Schwachkühlungsbereiche 31 in verschiedenen Formen und Größen in die Kühlrippenanordnung 7 integriert. In den Schwachkühlungsbereichen 31 wird dem durchströmenden Fluid ein geringerer Strömungswiderstand entgegengesetzt als in den Starkkühlungsbereichen 20. Dadurch ergibt sich, dass in den Starkkühlungsbereichen 20 ein höherer Wärmeübergangskoeffizient möglich ist. Dementsprechend befinden sich unterhalb der Leistungshalbleiter 102 vorzugsweise Starkkühlungsbereiche 20, wohingegen die Schwachkühlungsbereiche 21 zwischen den Leistungshalbleitern 102 angeordnet sind.
Figur 2 verdeutlicht schematisch zwei dreieckige Schwachkühlungsbereiche 21, die entlang der Strömungsrichtung 35 verjüngt ausgebildet sind, um das Fluid entsprechend zu lenken oder zu kanalisieren. Wie im allgemeinen Teil bereits beschrieben, kann zur Bildung der Schwachkühlungsbereiche 21 ein Freiraum in der Kühlrippenanordnung 7 ausgeschnitten werden. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, im Schwachkühlungsbereich 21 die Länge der Rippen 9 länger auszubilden, als in den Starkkühlungsbereichen 20. Beispielhaft zeigt Figur 3 zwei Schwachkühlungsbereiche 21 , die sich über die gesamte Breite (entlang der Querachse 31) der Kühlrippenanordnung 7 erstrecken. In diesen beiden Schwachkühlungsbereichen 21 gemäß Figur 3 sind die Rippen 9 mit einer zweiten Länge 13 ausgebildet, die länger ist als eine erste Länge 12 der Rippen 9 in den drei Starkkühlungsbereichen 20.
Anhand der Figuren 4 und 5 wurde bereits der Anstellwinkel 14 erläutert. Dieser Anstellwinkel 14 kann vorzugsweise in den Schwachkühlungsbereichen 21 geringer ausfallen oder gleich Null sein, um in den Schwachkühlungsbereichen 21 einen geringeren Strömungswiderstand zu erzeugen, als in den umliegenden Starkkühlungsbereichen 20.

Claims

Ansprüche
1. Kühler (1) zum Kühlen einer Leistungselektronik (101), umfassend
• ein Gehäuse (2) zum Aufsetzten der Leistungselektronik (101)
• und eine Kühlrippenanordnung (7) mit einer Vielzahl an Rippen (9) in einem Kühlkanal (6) des Gehäuses (2),
• wobei die Kühlrippenanordnung (7) entlang einer Längsachse (30) mit einem Fluid durchströmbar ist,
• wobei die Kühlrippenanordnung (7) zumindest einen Starkkühlungsbereich (20) mit einem ersten Strömungswiderstand für das Fluid und zumindest einen Schwachkühlungsbereich (21) mit einem zweiten Strömungswiderstand für das Fluid umfasst, wobei der erste Strömungswiderstand höher ist als der zweite Strömungswiderstand.
2. Kühler nach Anspruch 1, wobei die Kühlrippenanordnung (7) zumindest zwei, vorzugsweise zumindest drei, besonders vorzugsweise zumindest vier, Schwachkühlungsbereiche (21) aufweist, die entlang der Längsachse verteilt und beabstandet sind.
3. Kühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem Starkkühlungsbereich (20) die Rippen (9) der Kühlrippenanordnung (7), gemessen quer zur Längsachse (30), enger stehen als die Rippen (9) in zumindest einem benachbarten Schwachkühlungsbereich (21).
4. Kühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem Schwachkühlungsbereich (21) keine Rippen (9) ausgebildet sind.
5. Kühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlrippenanordnung (7) durch Umformen eines Blechs zu einem Turbulenzblech gefertigt ist und zumindest ein Schwachkühlungsbereich (21) ein ausgeschnittener, insbesondere ausgestanzter, Freiraum in dem Turbulenzblech ist. Kühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwachkühlungsbereich (21) zur Strömungslenkung verjüngt ausgebildet ist. Kühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem Starkkühlungsbereich (20) die Rippen (9) mit einem Anstellwinkel zur Längsachse angestellt sind und die Rippen (9) in zumindest einem benachbarten Schwachkühlungsbereich (21) geringer angestellt sind, vorzugsweise parallel zur Längsachse (30) stehen. Kühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Starkkühlungsbereich (20) mehrere Rippenreihen (8) umfasst, die sich jeweils quer zu Längsachse (30) erstrecken und die entlang der Längsachse (30) unmittelbar aneinander angrenzen, wobei die Rippen (9) in einer jeweiligen Rippenreihe (8) mit derselben Anstellungsrichtung gegen die Längsachse (30) angestellt sind, und wobei die Rippen (9) zweier benachbarter Rippenreihen (8) entgegengesetzt angestellt sind. Kühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem Starkkühlungsbereich (20) die Rippen (9) eine erste Länge (12), gemessen parallel zur Längsachse (30), aufweisen und die Rippen (9) in zumindest einem benachbarten Schwachkühlungsbereich (21) eine zweite Länge (13), gemessen parallel zur Längsachse (30), aufweisen, wobei die zweite Länger (13) größer ist als die erste Länge (12). Anordnung (100) umfassend einen Kühler (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Leistungselektronik (101) mit mehreren Leistungshalbleitern (102), die auf dem Gehäuse (2) angeordnet sind.
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