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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühler und eine leistungselektrische Vorrichtung mit einem genannten Kühler.
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Stand der Technik und Aufgabe der Erfindung:
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Elektrische Vorrichtungen, insb. leistungselektrische Vorrichtungen, sind bekannt und werden unter anderem als Teil von Wechselrichtern, Gleichrichtern oder Gleichspannungswandlern in elektrischen Antriebssystemen von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet. Derartige Vorrichtungen weisen funktionsbedingt hohe Verlustleistungen und damit gebundene hohe Abwärme auf, welche zu Störungen gar zu Ausfällen bei den Vorrichtungen führen kann. Zum Schutz der Vorrichtungen von der hohen Abwärme bedarf es einer effizienten Kühlung dieser Vorrichtungen.
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Damit besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der eine (leistungs-)elektrische Vorrichtung effizient gekühlt werden kann.
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Beschreibung der Erfindung:
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Kühler zur Kühlung einer elektrischen Vorrichtung, insb. einer leistungselektrischen Vorrichtung, insb. eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, speziell eines Wechselrichters, eines Gleichrichters oder eines Gleichspannungswandlers, im Allgemeinen eines Stromrichters, bereitgestellt.
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Der Kühler weist einen ersten Kühlkörper und einen zweiten Kühlkörper auf, wobei der erste und der zweite Kühlkörper gemeinsam einen Kühlkanal umschließen, der ausgebildet ist, zur Kühlung der Vorrichtung eine Kühlflüssigkeit durchzuleiten.
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Zumindest der erste Kühlkörper bzw. zumindest einer der beiden Kühlkörper weist Vorsprünge, bspw. in Form von Kühlrippen oder Kühlstiften, zur Vergrößerung der Wärmeabgabefläche des ersten Kühlkörpers auf, die von der Kühlflüssigkeit umströmbar in den Kühlkanal hineinragen. Zumindest der zweite Kühlkörper bzw. zumindest der andere der beiden Kühlkörper weist wiederum Vertiefungen zur Aufnahme freiliegender Enden der jeweils korrespondierenden Vorsprünge auf. In die jeweiligen, korrespondierenden Vertiefungen ragen die freiliegenden Enden der jeweiligen korrespondierenden Vorsprünge hinein. Dabei weisen die Vertiefungen bspw. jeweils einen Boden und eine umlaufende Seitenfläche (bestehend aus einer (bspw. zylinderwandförmigen) oder mehreren Seitenwänden) auf.
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Der Kühlkanalboden im Kühlkanal, welcher den Vorsprüngen gegenüberliegt, weist somit Vertiefungen auf, in welche die Vorsprünge bzw. deren freiliegenden Endabschnitte eintauchen. Auf dieser Weise stecken die freiliegenden Endabschnitte der Vorsprünge in dem den Vorsprüngen gegenüberliegenden Kühlkörper. Die einzelnen Vorsprünge erstrecken sich somit quer zur Hauptflussrichtung der Kühlflüssigkeit durch den gesamten Kühlkanal. Dadurch fließt die Kühlflüssigkeit (fast) ausschließlich zwischen den Vorsprüngen. Folglich wird die gesamte Kühlflüssigkeit zur Wärmeaufnahme herangezogen.
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Die Kühleffizienz des gesamten oben beschriebenen Kühlers wird somit im Vergleich zu einem Kühler mit Vorsprüngen erhöht, die nur teilweise in den Kühlkanal hineinragen und somit einen gewissen Abstand zu einem diesen Vorsprüngen gegenüberliegenden Kühlkörper des Kühlers (ohne Vertiefungen zur Aufnahme der Endabschnitte der Vorsprünge) aufweisen. Bei einem solchen Kühler mit den nur teilweise in den Kühlkanal hineinragenden Vorsprüngen fließt die Kühlflüssigkeit teilweise zwischen den Vorsprüngen und einem diesen Vorsprüngen gegenüberliegenden Kühlkörper des Kühlers und somit ohne eine ideale Wärmeaufnahme von den Vorsprüngen.
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Fertigungsbedingten Toleranzen bei den beiden Kühlkörpern, insb. bei den Vorsprüngen, können auch durch die Vertiefungen ausgeglichen werden, da toleranzbedingte Höhenunterschiede bei den Vorsprüngen durch die Vertiefungen kompensiert werden.
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Damit ist eine Möglichkeit bereitgestellt, eine (leistungs-)elektrische Vorrichtung effizient zu kühlen.
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Die beiden Kühlkörper bestehen jeweils bspw. aus einem Metall oder einer Metalllegierung, wie z. B. Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung. Insb. bestehen die Kühlkörper bspw. aus einem und demselben Metall oder einer und derselben Metalllegierung. Auch Kombinationen aus Kupfer und Alu sind möglich (oder andere Kombinationen).
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Bspw. weist der Kühler ferner ein Festkörperwärmeleitmittel auf, das in den Vertiefungen angeordnet ist und die freiliegenden Enden der jeweiligen korrespondierenden Vorsprünge mit dem zweiten Kühlkörper bzw. dem anderen Kühlkörper thermisch verbindet. Dabei füllt das Festkörperwärmeleitmittel Zwischenräume zwischen den freiliegenden Enden der jeweiligen Vorsprünge und den jeweiligen korrespondierenden Vertiefungen und verbinden somit die jeweiligen Vorsprünge mit dem zweiten Kühlkörper bzw. dem anderen Kühlkörper thermisch verbindet.
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Bspw. weist das Festkörperwärmeleitmittel einen wärmeleitenden Kleber (bekannter Art) auf bzw. ist das Festkörperwärmeleitmittel als ein wärmeleitender Kleber (bekannter Art) ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich dazu weist das Festkörperwärmeleitmittel bspw. ein Wärmeleitpad auf bzw. ist das Festkörperwärmeleitmittel als ein Wärmeleitpad ausgeführt.
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Bspw. entspricht die Länge L eines Vorsprungs im Wesentlichen bzw. unter Berücksichtigung von allgemeinen Fertigungstoleranzen einer Summe der Tiefe T einer diesem einen Vorsprung korrespondierenden Vertiefung und der Höhe H des Kühlkanals an diesem einen Vorsprung entspricht: L = T + H.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine leistungselektrische Vorrichtung, insb. für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, speziell ein Wechselrichter, ein Gleichrichter oder ein Gleichspannungswandler, im Allgemeinen ein Stromrichter, bereitgestellt.
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Die Vorrichtung weist mindestens eine leistungselektrische Schaltungsanordnung, z. B. mit Leistungselektronikmodulen oder Leistungshalbleiterschaltern wie MOSFETs oder IGBTs, auf. Ferner weist die Vorrichtung mindestens einen zuvor beschriebenen Kühler auf. Die Schaltungsanordnung liegt dabei auf einer von dem Kühlkanal abgewandten Oberfläche zumindest eines der beiden Kühlkörper auf und ist mit diesem thermisch verbunden.
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Beschreibung der Zeichnung:
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Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur in einer schematischen Schnittdarstellung einen Abschnitt einer leistungselektrischen Vorrichtung LV mit einem Kühler KL gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung.
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Die Vorrichtung LV ist in dieser Ausführungsform bspw. als ein Wechselrichter eines elektrischen Antriebs eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgeführt.
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Die Vorrichtung LV weist unter anderem eine leistungselektrische Schaltungsanordnung SA auf, die ihrerseits mehrere leistungselektrischen Module mit jeweils einem leistungselektrischen Bauelement BE aufweist. Die leistungselektrischen Bauelemente BE sind in dieser Ausführungsform als Leistungshalbleiterschalter, wie z. B. MOSFETs oder IGBTs, ausgeführt.
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Die Vorrichtung LV weist ferner einen Kühler KL zur Kühlung der leistungselektrischen Schaltungsanordnung SA bzw. der leistungselektrischen Bauelemente BE auf.
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Der Kühler KL weist unter anderem einen ersten Kühlkörper KK1 und einen zweiten Kühlkörper KK2 auf, wobei die beiden Kühlkörper KK1, KK2 gemeinsam einen Kühlkanal KN umschließen, der zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit, wie z. B. des Kühlwassers, in einer vorbestimmten Hauptflussrichtung FR dient.
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Die beiden Kühlkörper KK1, KK2 sind in dieser Ausführungsform aus einer bekannten, thermisch gut leitenden Aluminiumlegierung in einem Druckguss- oder Strangpressverfahren hergestellt. Dabei sind die beiden Kühlkörper KK1, KK2 derart geformt bzw. zueinander derart angepasst, dass diese den Kühlkanal KN umschließen. Dabei verlaufen eine dem Kühlkanal KN zugewandten Oberfläche OF1 des ersten Kühlkörpers KK1 und eine dem Kühlkanal KN zugewandten Oberfläche OF2 des zweiten Kühlkörpers KK2 im Wesentlichen zueinander parallel und parallel zu der Hauptflussrichtung FR. Dadurch weist der Kühlkanal KN eine in der Hauptflussrichtung FR weitgehend homogene Kanalhöhe H auf. Alternativ können die beiden Oberflächen OF1, OF2 zueinander zulaufen, wobei in diesem Fall der Kühlkanal KN eine sich in der Hauptflussrichtung FR kontinuierlich verjüngende Kanalhöhe H aufweist.
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Der erste Kühlkörper KK1 ist als ein standardisierter Kühlkörper im Wesentlichen plattenförmig geformt und weist Vorsprünge VS in Form von Kühlstiften (Pin Fins) zur Vergrößerung von Wärmeabgabeflächen auf. Dabei weisen die Kühlstifte VS eine im Wesentlichen gleiche Form bzw. eine im Wesentlichen gleiche Länge L auf und ragen zueinander parallel und von dem plattenförmigen Hauptteil des ersten Kühlkörpers KK1 weg senkrecht zur Hauptflussrichtung FR der Kühlflüssigkeit in den Kühlkanal KN hinein.
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Der zweite Kühlkörper KK2 ist ebenfalls im Wesentlichen plattenförmig geformt und weist auf einer dem Kühlkanal KN und somit den Vorsprüngen VS zugewandten Seite (anstelle der Vorsprünge) Vertiefungen VT in Form von Sacklöchern auf, die sich jeweils in gegenüberliegenden Positionen der jeweiligen Vorsprünge VS befinden (nachdem die beiden Kühlkörper KK1, KK2 zusammenmontiert sind). Nach dem Zusammenmontieren der beiden Kühlkörper KK1, KK2 ragen freiliegende Endabschnitte der jeweiligen Vorsprünge VS jeweils in die jeweiligen gegenüberliegenden, korrespondierenden Vertiefungen VT hinein. Die Vertiefungen VT weisen im Wesentlichen eine und dieselbe Tiefe T auf.
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Entsprechend den Anforderungen von zu kühlenden (leistungs-)elektrischen Vorrichtungen, wie z. B. zur Verfügung stehendem Bauraum, können der erste Kühlkörper KK1 wie auch der zweite Kühlkörper KK2 andere Bauformen aufweisen als die oben beschriebene Plattenform. Insbesondere die Kühlstifte oder Kühlrippen können je nach Bedarf unterschiedliche Geometrien haben und verschiedenfach kombiniert werden.
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Dabei ist die Summe der Kanalhöhe H und der Tiefe T der Vertiefungen VT annährend gleich groß wie oder geringfügig größer als die Länge L der Vorsprünge VS. Etwaige Fertigungstoleranzen bei den bzw. zwischen den beiden Kühlkörpern KK1, KK2 können durch die geringfügig größer ausgeführte Tiefe T der Vertiefungen VT (als die zur Aufnahme der freiliegenden Endabschnitte der jeweiligen Vorsprünge VS erforderliche Mindesttiefe) kompensiert werden.
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Sowohl der erste Kühlkörper KK1 mit den gleich langen Vorsprüngen VS als auch der zweite Kühlkörper KK2 mit den gleich tiefen Vertiefungen VT können als Standardbauteile in einer Massenfertigung, wie z. B. in einem Prägeverfahren, hergestellt werden.
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Die freiliegenden Endabschnitte der Vorsprünge VS, die sich in die jeweiligen korrespondieren Vertiefungen VT hineinragen, berühren Wände der jeweiligen korrespondieren Vertiefungen VT und sind somit mit dem zweiten Kühlkörper KK2 körperlich und thermisch kontaktiert.
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Alternativ sind die Endabschnitte der Vorsprünge VS, die sich in die jeweiligen korrespondieren Vertiefungen VT hineinragen, mit einem Festkörperwärmeleitmittel, wie z. B. einem bekannten wärmeleitenden Kleber, überzogen, der die Endabschnitte mit den Wänden der jeweiligen korrespondieren Vertiefungen VT und somit mit dem zweiten Kühlkörper KK2 thermisch verbindet.
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Der erste Kühlkörper KK1 weist auf einer von dem Kühlkanal KN abgewandten Seite eine Oberfläche OF auf, auf der die Schaltungsanordnung SA aufliegt und mit dem ersten Kühlkörper KK1 und somit mit dem Kühler KL thermisch verbunden ist. Dabei sind die leistungselektrischen Bauelemente BE der Schaltungsanordnung SA bzw. die leistungselektrischen Module mit den leistungselektrischen Bauelementen BE über jeweils eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Isolierschicht IS auf der Oberfläche OF des ersten Kühlkörpers KK1 angeordnet und mit diesem auch thermisch verbunden und zugleich von diesem elektrisch isoliert. Ferner sind die leistungselektrischen Bauelemente BE bzw. die leistungselektrischen Module in der Hauptflussrichtung FR betrachtet hintereinander angeordnet.
