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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend mindestens eine Komponente mit einer Kühlfläche zum Abführen von Wärme und aufweisend mindestens einen Gehäuseabschnitt zum Ausbilden eines Kühlmittelkanals zwischen der Kühlfläche der mindestens einen Komponente und dem mindestens einen Gehäuseabschnitt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.
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Elektronische Komponenten zum Handhaben hoher Leistungen, wie beispielsweise Leistungshalbleiter und insbesondere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs), benötigen Kühler zum Abführen überschüssiger Wärme. Üblicherweise werden an derartigen Komponenten Kühler mit Kühlrippen oder Kühlstäben angeordnet. Die Kühler sind üblicherweise in einem Kühlmittelkanal positioniert und werden von einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs umströmt.
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Insbesondere IGBTs können die kostenintensivsten Komponenten innerhalb einer Leistungselektronik sein und damit maßgeblich den Preis der Leistungselektronik bestimmen. Ein Faktor bei der Preisgestaltung ist die Ausführung der Kühlung mit Kühlstäben bzw. sogenannten Pin-Fins, welche üblicherweise in einem teuren Kaltwalzprozess hergestellt werden. Eine derartige Struktur der Kühlung ist jedoch notwendig, um die entstehende Wärme zuverlässig abführen zu können.
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Die
DE 10 2006 057 796 A1 beschreibt ein Gerät mit elektronischen Komponenten, welche über Luftkühler mit einem Wasserkühler thermisch leitfähig verbunden sind. Der Wasserkühler weist einen mäanderförmig verlaufenden Kühlmittelkanal auf, welcher in seinem Querschnitt durch eine Vielzahl an Erhebungen reduziert wird. Die Erhebungen dienen zur Verwirbelung des Kühlmittels.
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Des Weiteren kann zum Erhöhen der abgeführten Wärmemenge anstelle der Struktur der Kühlung eine turbulente Strömung des Kühlmittels im Bereich der Kühlplatte durch Verwenden von Einlegern begünstigt werden. Derartige Einleger sind aus einem Kunststoff geformt und verursachen eine Verwirbelung des Kühlmittels. Eine Wärmeleitung durch derartige Einleger findet nicht statt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil der eingangs genannten Art mit einer effizienten und preiswerten Kühlung zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein elektronisches Bauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Das Bauteil weist mindestens eine Komponente mit einer Kühlfläche zum Abführen von Wärme auf. Des Weiteren weist das Bauteil mindestens einen Gehäuseabschnitt zum Ausbilden eines Kühlmittelkanals zwischen der Kühlfläche der mindestens einen Komponente und dem mindestens einen Gehäuseabschnitt auf. Erfindungsgemäß ist der mindestens eine Gehäuseabschnitt zumindest bereichsweise von der Kühlfläche der mindestens einen Komponente beabstandet und weist eine im Kühlmittelkanal ausgebildete Kühlstruktur auf.
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Das elektronische Bauteil kann mindestens eine zu kühlende Komponente aufweisen. Derartige Komponenten können beispielsweise Leistungshalbleiter, Elektromotoren, elektrische Schalter und dergleichen sein. Bevorzugterweise kann das elektronische Bauteil eine Leistungselektronik eines Fahrzeugs sein. Die Komponenten können in einem Betrieb Wärme in Form von Joulescher Wärme erzeugen. Zum Ermöglichen eines langfristigen Betriebs und zum Einhalten von vorgegebenen Betriebsbedingungen müssen derartige Komponenten thermisch geregelt werden. Hierfür kann die mindestens eine Komponente eine oder mehrere Kühlflächen aufweisen, welche zum Abführen der Wärme von dem Kühlmittel umströmt werden können.
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Durch den Einsatz des mindestens einen Gehäuseabschnitts mit einer ausgebildeten Kühlstruktur im gebildeten Kühlmittelkanal können elektrische Komponenten ohne eine aufwändige Kühlstruktur eingesetzt werden. Anstatt einer kostenintensiven strukturierten Kühlplatte mit einer Pin-Fin-Struktur wird die Kühlstruktur, um die notwendige Kühlung der Komponente zu realisieren, in das Gehäuse bzw. den mindestens einen Gehäuseabschnitt des elektronischen Bauteils integriert. Die Kühlstruktur ist dabei an einer der Kühlfläche der Komponente entgegengesetzten Seite des Kühlmittelkanals angeordnet und kann auf das Kühlmittel einwirken.
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Die Kühlstruktur des mindestens einen Gehäuseabschnitts dient zum Ablenken des Kühlmittels bei einem Durchströmen des Kühlmittelkanals. Insbesondere kann durch die Kühlstruktur die Anströmung der zu kühlenden Fläche der mindestens einen Komponente optimiert und eine Turbulenz der Strömung zum Erhöhen eines Wärmetransports erhöht werden.
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Das Einbringen der Kühlstruktur in den mindestens einen Gehäuseabschnitt kann technisch einfach durch geringfügige Modifikationen des Herstellungsverfahrens umgesetzt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Anpassung einer Gussform erfolgen. Da Komponenten mit einer ebenen bzw. unstrukturierten Kühlfläche im Bauteil eingesetzt werden können, kann diese Maßnahme zu einer Reduzierung der Kosten für die mindestens eine Komponente und zu einer Maximierung der Kühlleistung des Bauteils führen.
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Durch Verwenden von Rampenelementen, welche als Kühlstruktur des mindestens einen Gehäuseabschnitts in den Kühlmittelkanal hineinragen, kann das Kühlmittel bei einem Durchströmen des Kühlmittelkanals gegen die Kühlfläche der mindestens einen Komponente geschaufelt bzw. abgelenkt werden. Es kann somit eine forcierte Anströmung gegen die Kühlfläche erzeugt werden, welche zusätzlich einen höheren Turbulenzgrad des Kühlmittels im Bereich der Kühlfläche bewirkt. Dadurch kann der mögliche Wärmetransport durch das Kühlmittel erhöht werden. Die Rampenelemente können vorzugsweise schanzenförmig ausgestaltet sein und/oder zumindest einseitig in Strömungsrichtung ansteigende Flanken aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform des Bauteils weisen die Rampenelemente zumindest bereichsweise einen linearen und/oder nichtlinearen Abschnitt oder Anstieg in Flussrichtung des Kühlmittels auf. Durch die schiefe Ebene bzw. die ansteigenden Abschnitte verringern die Rampenelemente zumindest bereichsweise einen Abstand zwischen der Kühlplatte und dem mindestens einen Gehäuseabschnitt.
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Alternativ oder zusätzlich weist die Kühlstruktur des mindestens einen Gehäuseabschnitts eine Profilierung auf. Die Profilierung kann beispielsweise als ein sogenanntes Traktorreifen-Profil ausgestaltet sein. Diese kann dabei schräg oder parallel zueinander angeordnete Stege oder Wände aufweisen. Die Wände können sich vorzugsweise zwischen dem mindestens einen Gehäuseabschnitt und der Kühlfläche durch den Kühlmittelkanal erstrecken. Eine mit Stegen versehene Profilierung erstreckt sich bereichsweise durch den Kühlmittelkanal hindurch. Die Profilierung erstreckt sich dabei orthogonal zu einer Flussrichtung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal. Die Säulen der Profilierung können einen runden, ovalen, rechteckigen oder tropfenförmigen Querschnitt aufweisen. Die Form der Profilierung kann örtlich innerhalb des Kühlmittelkanals variieren und verursacht eine Verwirbelung des durch den Kanal strömenden Kühlmittels. Durch die Verwirbelung des Kühlmittels kann die Wärmemenge, welche durch das Kühlmittel pro Zeiteinheit von der Kühlfläche transportiert wird, gesteigert werden.
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Die Effizienz der Kühlung kann weiter gesteigert werden, wenn die Profilierung zumindest bereichsweise mit der Kühlfläche thermisch leitfähig verbunden ist. Dadurch kann ein Wärmetransport von der Kühlfläche der mindestens einen Komponente in die Kühlstruktur bzw. die Profilierung ermöglicht werden, wodurch die Kühlfläche vergrößert wird.
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Nach einer Ausführungsform des Bauteils sind die Rampenelemente und/oder die Profilierung der Kühlstruktur reihenweise angeordnet. Die Kühlstruktur wird durch eine derartige Anordnung der Profilierung und/oder Rampenelemente flächig ausgefüllt, wodurch eine gleichmäßige Optimierung der Kühlleistung über den gesamten Kühlmittelkanal umgesetzt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich können die Reihen der Kühlstruktur des mindestens einen Gehäuseabschnitts zueinander versetzt angeordnet sein, sodass ein höherer Turbulenzgrad des Kühlmittels durch die Kühlstruktur erzeugbar ist.
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Die Kühlleistung des Bauteils kann weiter gesteigert werden, wenn der mindestens eine Gehäuseabschnitt thermisch leitfähig ist. Durch das Aufnehmen der Wärme der mindestens einen Komponente über die Kühlfläche entsteht eine zumindest lokale Erwärmung des Kühlmittels. Durch eine thermisch leitfähige Ausgestaltung des mindestens einen Gehäuseabschnitts kann dieser dem Kühlmittel Wärme entziehen und wie ein Wärmetauscher fungieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Bauteils ist der mindestens eine Gehäuseabschnitt mit der Kühlstruktur einteilig oder mehrteilig geformt. Der mindestens eine Gehäuseabschnitt kann somit abhängig vom Herstellungsprozess und Einsatzgebiet aus mehreren miteinander verbindbaren Teilen oder integral ausgeführt sein.
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Das Bauteil kann besonders kosteneffizient ausgestaltet sein, wenn der mindestens eine Gehäuseabschnitt mit der Kühlstruktur aus einem Metall besteht und durch ein Gussverfahren, Fräsverfahren oder Stanz-Biege-Verfahren hergestellt ist. Somit kann eine maximale Kühlwirkung erzielt werden, wobei die preistreibende und teure Pin-Fin-Struktur durch günstige Herstellungsverfahren ersetzbar ist.
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Der mindestens eine Gehäuseabschnitt kann beispielsweise durch ein preiswertes Aluminium-Druckgussverfahren hergestellt werden. Die Kühlstrukturen können bevorzugterweise während des Herstellungsprozesses in den mindestens einen Gehäuseabschnitt integriert werden.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem erfindungsgemäßen elektronischen Bauteil bereitgestellt, wobei ein Kühlmittelkanal des mindestens einen Bauteils fluidleitend mit einem Fahrzeugkühlmittelkreislauf verbunden ist.
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Durch das erfindungsgemäße elektronische Bauteil kann eine Kostenersparnis erzielt werden, da die Kühlkomponenten des Bauteils technisch einfacher und preiswerter ausgeführt sind. Insbesondere können die sich stark erwärmenden IGBTs gezielt und effizient gekühlt werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rampenelements gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rampenelements gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine Draufsicht auf einen Gehäuseabschnitt mit einer Kühlstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
- 4 eine Draufsicht auf einen Gehäuseabschnitt mit einer Kühlstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 5 eine Schnittdarstellung A-A aus 3,
- 6 eine Draufsicht auf einen Gehäuseabschnitt mit einer Kühlstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 7 eine Schnittdarstellung A-A aus 6 und
- 8 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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In der 1 ist eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rampenelements 10 eines elektronischen Bauteils 100 (5) gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht. Das Rampenelement 10 weist eine linear ansteigende schiefe Ebene 11 auf. Die Ebene 11 steigt in Flussrichtung des Kühlmittels.
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Das Rampenelement 10 endet an einem zylindrisch geformten Abschnitt 12, wodurch eine Breite B der Ebene 11 mit zunehmender Steigung abnimmt. Das Rampenelement 10 kann an seiner Bodenfläche 13 mit einem Gehäuseabschnitt des Bauteils 100 (5) integral oder nachträglich verbunden werden.
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Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rampenelements 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Ausführungsform weist das Rampenelement 10 einen bereichsweise nicht-linear ausgeformten Abschnitt 14 auf. Der nicht linear ausgeformte Abschnitt 14 ist zwischen zwei linear ansteigenden Abschnitten 11a, 11b angeordnet und weist einen Krümmungsradius R auf.
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An dem Rampenelement 10 vorbeiströmendes Kühlmittel kann den mindestens einen linearen und/oder nicht-linearen Anstieg bzw. Abschnitt 14 hinaufströmen und somit kinetische Energie in potentielle Energie umwandeln. Hierdurch kann das Kühlmittel gegen eine über dem Rampenelement 10 angeordnete Kühlplatte gespült werden.
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In der 3 ist eine Draufsicht auf einen Gehäuseabschnitt 20 mit einer Kühlstruktur 30 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Es ist eine zu einer Kühlfläche einer Komponente gerichtete Seite des Gehäuseabschnitts 20 sichtbar. Auf dem Gehäuseabschnitt 20 ist eine Kühlstruktur 30 angeordnet.
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Die Kühlstruktur 30 ist integral mit dem Gehäuseabschnitt 20 ausgeformt und weist eine Vielzahl an Rampenelementen 10 auf. Die Rampenelemente 10 sind gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgestaltet und weisen linear geformte Ebenen und/oder Abschnitte 11a, 11b auf, welche mit der Strömung X des Kühlmittels zunehmend ansteigen. Die Rampenelemente 10 sind hierbei in gleichmäßig ausgeführten Reihen im Kühlmittelkanal 40 angeordnet. Jede Reihe weist eine gleiche Anzahl an Rampenelementen 10 auf.
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Das Kühlmittel, welches beispielsweise Wasser oder eine wässrige Lösung sein kann, wird direkt über die Rampenelemente 10 bzw. Schanzen gespült und somit gegen die Komponente bzw. eine Kühlplatte der Komponente gepresst.. Die Rampenelemente 10 dienen zusätzlich als Hindernisse und verursachen somit eine Verwirbelung des Kühlmittels. Durch die Verwirbelung kann die Kühlwirkung erhöht werden.
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In der 4 ist eine Draufsicht auf einen Gehäuseabschnitt 20 mit einer Kühlstruktur 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zur in 3 gezeigten Kühlstruktur 30 sind hierbei die Rampenelemente 10 in zueinander versetzt angeordneten Reihen auf dem Gehäuseabschnitt 20 positioniert. Hierdurch können ungenutzte Strömungskanäle zwischen Rampenelementen 10 unterbunden werden, wodurch der Verwirbelungsgrad des Kühlmittels weiter gesteigert und eine gleichmäßige Kühlungseffizienz im gesamten Kühlmittelkanal 40 erzielt werden.
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Die 5 veranschaulicht eine Schnittdarstellung A-A aus 3. Dabei ist das Bauteil 100 zumindest bereichsweise im Querschnitt gezeigt. Das Bauteil 100 ist ein elektronisches Bauteil 100 und weist eine Komponente 50 mit einer Kühlfläche 52 auf. Die Komponente 50 ist beispielsweise ein IGBT. Zwischen der Kühlfläche 52 und dem Gehäuseabschnitt 20 wird ein Kühlmittelkanal 40 ausgebildet, welcher durch das Kühlmittel durchströmt wird. Die Pfeile verdeutlichen die Strömung X des Kühlmittels. Insbesondere wird die Beeinflussung des Kühlmittels durch die Rampenelemente 10 der Kühlstruktur 30 des Gehäuseabschnitts verdeutlicht.
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Durch die schiefe Ebene bzw. die ansteigenden Abschnitte 11, 14 bilden die Rampenelemente 10 zumindest bereichsweise einen Abstand A zwischen den Rampenelementen 10 und der Komponente 50.
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In der 6 ist eine Draufsicht auf einen Gehäuseabschnitt 20 mit einer Kühlstruktur 30 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu den bereits erwähnten Kühlstrukturen 30 ist die Kühlstruktur 30 gemäß diesem Ausführungsbeispiel in Form einer Profilierung 60 ausgestaltet. Die Profilierung 60 ist als ein Traktorprofil ausgeprägt und weist eine Vielzahl an Wänden 62 auf, welche schräg zueinander in Reihen angeordnet sind und die Kühlstruktur 30 bilden. Abhängig davon, ob die Profilierung 60 die Kühlfläche 52 kontaktiert, können auch Stege 64 eingesetzt werden, welche nur bereichsweise in den Kühlmittelkanal 40 hineinragen.
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Die 7 zeigt eine Schnittdarstellung A-A aus 6. Dabei wird die Ausdehnung der Wände 62 der Profilierung 60 im Kühlmittelkanal 40 verdeutlicht. Bevorzugterweise besteht eine thermisch leitfähige Verbindung zwischen der Kühlfläche 52 und der Profilierung 60. Der Kühlmittelkanal 40 wird zwischen dem Gehäuseabschnitt 20 und der Kühlfläche 52 der Komponente 50 ausgebildet. Der Kühlmittelkanal 40 wird durch die Wände 62 bereichsweise unterbrochen zum Verursachen von Verwirbelungen des Kühlmittels.
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Die 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 200 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Kraftfahrzeug 200 ist ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug. Zum Antreiben der elektrischen Antriebe weist das Kraftfahrzeug 200 ein als eine Leistungselektronik 100 ausgestaltetes Bauteil 100 auf. Zum Kühlen des Bauteils 100 ist eine Anbindung des Kühlmittelkanals 40 an einen Kühlmittelkreislauf 210 des Kraftfahrzeugs 200 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rampenelement
- 11
- linear ansteigende Ebene des Rampenelements
- 11a, 11b
- linear ansteigende Abschnitte
- 12
- zylinderförmige Endabschnitt
- 13
- Bodenfläche des Rampenelements
- 14
- nicht-linear ausgeformter Abschnitt
- 20
- Gehäuseabschnitt
- 30
- Kühlstruktur
- 40
- Kühlmittelkanal
- 50
- Komponente
- 52
- Kühlfläche der Komponente
- 60
- Profilierung
- 62
- Wände der Profilierung
- 64
- Stege der Profilierung
- 100
- elektronisches Bauteil
- 200
- Kraftfahrzeug
- 210
- Kühlmittelkreislauf des Kraftfahrzeugs
- X
- Kühlmittelströmung
- R
- Krümmungsradius des nicht-linear ausgeformten Abschnitts
- B
- Breite des Rampenelements
- A
- Abstand zwischen der Komponente und der Kühlstruktur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057796 A1 [0004]
