DE102022133174A1

DE102022133174A1 - Kühlvorrichtung zur Kühlung elektronischer Komponenten, Verwendung derselben und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Publication number: DE102022133174A1
Application number: DE102022133174.1A
Authority: DE
Inventors: Lars Paulsen; Klaus Kristen Olesen; Henning Ströbel-Maier
Original assignee: Semikron Danfoss GmbH
Current assignee: Semikron Danfoss De GmbH
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2024-06-13
Also published as: WO2024126433A1

Abstract

Zur effizienten Kühlung elektronischer Komponenten, insbesondere der Leistungselektronik in einem Elektrofahrzeug, sind Kühlmodule mit mehreren Hohlräumen ausgestattet, die jeweils ein strömungsdefinierendes Element enthalten, das als Doppelhelix für einen bidirektionalen Kühlmittelfluss durch den Hohlraum ausgebildet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung elektronischer Komponenten, deren Verwendung für ein Elektrofahrzeug und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft sie ein Kühlvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei Elektrofahrzeugen wird die für den Antrieb zur Verfügung stehende Leistung in Modulen geregelt, die Stromrichter, Schalter und Regler enthalten, die einer Erwärmung unterliegen und zur Vermeidung von Schäden gekühlt werden müssen. Insbesondere beim Beschleunigen benötigen Elektrofahrzeuge (EV) eine Leistung von mehr als 100 kW, und obwohl nur ein kleiner Prozentsatz dieser Leistung im elektronischen Leistungssteuerungssystem in Wärme umgewandelt wird, kann die im elektronischen System erzeugte Wärme mehrere kW betragen und einer lokalen Leistungsdichte von mehr als 500 W/cm², was wesentlich ist. Um einen Eindruck von dieser Leistung zu vermitteln, sei bemerkt, dass diese Leistungsdichte größer ist als das, was eine Küchenkochplatte erzeugt. Diese Wärme muss effizient von der Elektronik abgeführt werden, um Schäden durch Überhitzung zu vermeiden. Dementsprechend ist die Kühlung der Elektronik bei Elektrofahrzeugen ein ernstes Problem.
Dieses Problem wird ausführlich in US 10 674 628 diskutiert, in dem ein Kühlmodul für einen Leistungswandler offenbart wird. Für eine effiziente Kühlung schlägt diese Offenbarung eine Reihe identischer Kühlmittelrohre vor, die Seite an Seite in einer ebenen Anordnung auf einer Kühlplatte vorgesehen sind, die an die Elektronik angrenzt. Jedes Kühlmittelrohr ist als ebene Doppelspirale ausgebildet. In dieser Offenbarung wird erläutert, dass es einen effizienten Kühleffekt mit verbesserter gleichmäßiger Temperaturverteilung erzeugt.
Das System von US 10 674 628 folgt einem traditionellen Ansatz, bei dem dünne Rohre für den Transport des Kühlmittels verwendet werden. Rohrsysteme zur Kühlung von Elektronik reichen mehr als ein halbes Jahrhundert weit zurück, zum Beispiel mit Hinweis auf US 4 161 980 für eine doppelt-helikale Thyristor-Kühlkapsel.
Allerdings leiden Kühlmittelrohrsysteme unter erheblicher Friktion im Rohrsystem, was den Kühlmittelfluss verringert und somit dem Ziel einer effizienten Kühlung entgegensteht.
Ein weiterer wichtiger Aspekt, der bei Elektrofahrzeugen berücksichtigt werden muss, ist die Minimierung der Produktionskosten. Rohre als Kühlmittelkanäle, insbesondere wenn die Rohre als Spiralen oder Helices vorgesehen sind, sind produktionstechnisch nachteilig, da sie einen relativ langsamen und kostspieligen Prozess erfordern. Dementsprechend sind die Systeme in den oben erwähnten Offenbarungen US 10 674 628 und US 4 161 980 nicht für eine kostengünstige Massenproduktion geeignet.
Ein weiterer Ansatz für Kühlmittelkanäle wird in der japanischen Patentanmeldung JP 6 268 127 A2 offenbart, wo ein doppeltspiraliger Kühlmittelkanal zur Kühlung der Elektronik in einem Block vorgesehen ist, wodurch die Herstellung von Rohren vermieden wird. Trotz des produktionsfreundlichen Ansatzes an sich vermeidet der lange und dünne Kühlmittelkanal entlang des Weges durch den Block jedoch nicht den Nachteil eines Druckverlusts in den Kanälen, der den Durchfluss verringert und für hohe Durchflussraten einen hohen Druck erfordert.
Der Stand der Technik scheint das Dilemma, eine gleichmäßige Kühlung mit hohen Kühlmittelflussraten bereitzustellen, nicht gelöst zu haben.
Es wäre wünschenswert, ein Kühlsystem für Elektronik bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
BESCHREIBUNG/ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung in diesem technischen Gebiet zu erbringen. Insbesondere, ist es eine Aufgabe, effiziente Kühlsysteme für die Elektronik bereitzustellen, die für eine kostengünstige Massenproduktion geeignet sind, insbesondere im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen. Dieses Ziel und weitere Vorteile werden durch eine Kühlvorrichtung zur Kühlung elektronischer Komponenten, deren Verwendung und Verfahren zu deren Herstellung erreicht, wie sie im Folgenden und in den Ansprüchen beschrieben werden.
Kurz gefasst werden zur effizienten Kühlung elektronischer Komponenten, insbesondere der Leistungselektronik in einem Elektrofahrzeug (EV), Kühlmodule mit mehreren Hohlräumen ausgestattet, die jeweils ein strömungsdefinierendes Element in Form einer Doppelhelix für einen Zwei-Wege-Kühlmittelfluss durch den Hohlraum enthalten.
Die Kühlvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass sowie einen Kühlmittelströmungsweg durch das Gehäuse vom Kühlmitteleinlass zum Kühlmittelauslass. Das Gehäuse umfasst eine Gehäusewand, an der die Elektronik vorgesehen ist und mit der die Elektronik in thermischem Kontakt steht. Die Gehäusewand hat eine Innenseite, die in thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel steht, und eine gegenüberliegende Außenseite, die für thermischen Kontakt mit den elektronischen Komponenten zur Übertragung thermischer Energie von den elektronischen Komponenten durch die Gehäusewand und zum zirkulierenden Kühlmittel ausgelegt ist. Optional ist eine ähnliche Anordnung mit Elektronik an einer zweiten, gegenüberliegenden Wand des Gehäuses vorgesehen.
Das Kühlmittel strömt durch einen ersten Kanal, der ein Kühlmittelzufuhrkanal ist und mit dem Kühlmitteleinlass verbunden ist, und einen zweiten Kanal, der ein Kühlmittelablaufkanal ist und mit dem Kühlmittelauslass verbunden ist. Der Strömungsweg für das Kühlmittel umfasst auch mehrere, voneinander getrennte Kühlmittelzweige. Jeder Kühlmittelzweig verfügt über einen Zweigeinlass, der mit dem Kühlmittelzufuhrkanal verbunden ist, und einen Zweigauslass, der mit dem Kühlmittelablaufkanal verbunden ist, ohne über einen der anderen Zweige verbunden zu sein, wodurch individuelle Kühlmittelkreisläufe durch jeden der Zweige gebildet werden. Die Zweige sind über die Innenseite des Gehäuses verteilt und sorgen so für ein homogenes Temperaturprofil in der Gehäusewand und der Elektronik.
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, kann die Wärme, die im elektronischen System eines Elektrofahrzeugs erzeugt wird, bis zu mehreren kW betragen und eine lokale Leistungsdichte von mehr als 500 W/cm² aufweisen, was beträchtlich ist. Damit die Elektronik ordnungsgemäß funktioniert und Schäden vermieden werden, muss diese Wärme effizient abgeführt werden. Die folgenden Konfigurationsbeispiele haben effiziente Wärmeabfuhr bewiesen. Damit mehrere gleiche Elektronikgeräte weitgehend identisch arbeiten, sollte die Temperatur für die verschiedenen Komponenten identisch sein, was erfordert, dass die Temperatur des Gehäuses homogen gehalten wird mit einer entsprechenden gleichmäßigen Wärmeableitung über und entlang des Gehäuseteils, das in thermischem Kontakt mit der Elektronik steht. Aus diesem Grund sind mehrere Kühlmittelzweige vorgesehen, die jeweils Wärme von der Wand abführen.
Für eine effiziente Wärmeabfuhr umfasst jeder Zweig einen Hohlraum und ein strömungsdefinierendes Element innerhalb des Hohlraums. Beispielsweise sind die Hohlräume und ihre jeweiligen strömungsdefinierenden Elemente, die die mehreren Kühlmittelzweige bilden, parallel nebeneinander angeordnet und decken somit einen großen Bereich der Gehäusewand ab, von dem die Wärme abgeführt werden soll. Beispielsweise ist das Gehäuse länglich mit einer Längsrichtung und die Hohlräume parallel entlang einer Hohlraumausrichtung senkrecht zur Längsrichtung angeordnet. Optional sind die mehreren Zweige identisch.
Das strömungsdefinierende Element umfasst strömungsdefinierende Wände, die relativ zueinander in einer Konfiguration angeordnet sind, die einen ineinandergreifenden doppelt-helikalen oder doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg des Kühlmittels durch den Hohlraum bilden.
Der Begriff „quasi-helikal“ wird hier verwendet, um einen Strömungsweg zu beschreiben, der annähernd einen helikalen Weg ausmacht. Es wird darauf hingewiesen, dass die Wandelemente selbst nicht unbedingt helikal angeordnet sein müssen, sondern dass sie so angeordnet sind, dass der resultierende Fluss annähernd einem helikalen Strömungsweg folgt. Dies bedeutet nicht notwendigerweise, dass der Strömungsweg kreisförmig helikal ist, wohlwissend unter Bezugnahme auf das allgemeine Fachwissen und die Terminologie in den relevanten technischen Bereichen, dass die Begriffe „quadratische Helix“ und „rechteckige Helix“ dementsprechend von einer fachkundigen Person verstanden werden. Aus dieser Sicht ist der Begriff „helikale Strömung“ als eine vorwärtsgerichtete Spiralbewegung des Kühlmittels zu verstehen, und dementsprechend sollte der Begriff „quasi-helikal“ in ähnlicher Weise als eine vorwärtsgerichtete Spiralbewegung des Kühlmittels verstanden werden, die einer wendelförmigen Bewegung nahekommt, jedoch möglicherweise mit einem gewissen Maß an Verformung einer Helix. Ähnlich wie bei der helikalen Bewegung hat auch die quasi-helikale Bewegung des Kühlmittels eine sich wiederholende Spiralbewegung entlang und um eine Mittelachse des strömungsdefinierenden Elements, die wiederum typischerweise mit einer zentralen Längsachse des Hohlraums, in dem sich das strömungsdefinierende Element befindet, zusammenfällt.
Der doppelt-helikale oder doppelt-quasi-helikale Strömungsweg für das Kühlmittel entlang des strömungsdefinierenden Elements durch den Hohlraum umfasst einen ersten Strömungsweg, der ein helikaler oder quasi-helikaler Vorlauf-Strömungsweg vom Hohlraumeinlass an einem ersten Ende des Hohlraums zu einem zweiten, gegenüberliegenden Ende des Hohlraums ist. An diesem Ende wird die Strömung umgekehrt, und das Kühlmittel tritt in einen zweiten Strömungsweg ein, der ein helikaler oder quasi-helikaler Rücklauf-Strömungsweg in entgegengesetzter Richtung relativ zum ersten Strömungsweg ist. Die beiden helikalen oder quasi-helikalen Strömungswege sind ineinander verschlungen, wie man es normalerweise bei einer Doppelhelix versteht.
In einigen Ausführungsformen strömt das Kühlmittel am gleichen Ende des strömungsdefinierenden Elements aus dem Hohlraum. Dies ist der Fall, wenn der Kühlmittelzufuhrkanal und der Kühlmittelablaufkanal zum Abfließen des Kühlmittels nach der Wärmeaufnahme am gleichen Ende des Hohlraums vorgesehen sind.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Kanäle an gegenüberliegenden Enden der Hohlräume vorgesehen sind, beispielsweise parallele Hohlräume. Eine Option ist in diesem Fall ein dritter Kühlmittelströmungsweg durch einen Kanal, der sich durch das strömungsdefinierende Element erstreckt, beispielsweise ein zentraler Kanal, mit einer Strömungsrichtung zum zweiten Ende des Hohlraums, von dem das Kühlmittel in den Kühlmittelablaufkanal abgeleitet wird. Alternativ umfasst das strömungsdefinierende Element einen dritten helikalen oder quasi-helikalen Strömungsweg für das Kühlmittel zusätzlich zu dem doppelt-helikalen oder doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg und ist mit den anderen beiden Helices oder Quasi-Helices verflochten, um einen dreifachhelikalen oder dreifach-quasi-helikalen Strömungsweg bereitzustellen, bevor das Kühlmittel in den Kühlmittelablaufkanal am zweiten Ende des Hohlraums fließt.
In einigen Ausführungsformen ist das strömungsdefinierende Element als Schraube ausgebildet und in den jeweiligen Hohlraum eingeführt. Jedoch ist die Herstellung von Komponenten in Form einer perfekten mathematischen Helix, beispielsweise durch Fließpressen, aufgrund der gekrümmten helikalen Wände nicht möglich. Um dieses Problem zu überwinden wurde die Konstruktion und Herstellung der strömungsdefinierenden Elemente so angepasst, dass die Helixform einer verallgemeinerten Quasi-Helix mit geraden Abschnitten angenähert wird, sei es für eine runde Quasi-Helix oder eine rechteckige Quasi-Helix.
In diesem Sinne umfasst das strömungsdefinierende Element in einigen Ausführungsformen mehrere zueinander parallele erste gerade Wandabschnitte und mehrere zueinander parallele zweite gerade Wandabschnitte. Die ersten geraden Wandabschnitte sind auf einer Seite einer mittleren Schnittebene und die zweiten geraden Wandabschnitte auf einer gegenüberliegenden Seite der mittleren Schnittebene angeordnet. Die ersten geraden Wandabschnitte sind relativ zu den zweiten geraden Wandabschnitten abgewinkelt, so dass sich die ersten und zweiten geraden Wandabschnitte an der mittleren Schnittebene relativ zueinander kreuzen. Wenn die geraden Wände von beiden Seiten auf die mittlere Schnittebene projiziert werden, kommt dies einem Zick-Zack-Weg gleich. Paare erster gerader Wandabschnitte auf der ersten Seite der mittleren Schnittebene und Paare zweiter gerader Wandabschnitte auf der zweiten Seite der mittleren Schnittebene bilden entsprechende Segment des Strömungswegs für das Kühlmittel. Da die Strömungssegmente auf beiden Seiten der mittleren Schnittebene angeordnet sind, bewirken sie eine abwechselnde Strömung des Kühlmittels von der ersten Seite zur zweiten Seite der mittleren Schnittebene und dann wieder zurück zur ersten Seite bei einer Vorlaufbewegung entlang einer Achse des strömungsdefinierenden Elements.
Für den quasi-helikalen Strömungsweg folgt die Strömung einem ersten vorwärts gerichteten Strömungswegsegment entlang und zwischen einem Paar der ersten geraden Wandabschnitte auf der ersten Seite der mittleren Schnittebene, dann durch die mittlere Schnittebene und dann weiter vorwärts entlang und zwischen einem Paar der zweiten geraden Wandabschnitte auf der zweiten Seite der mittleren Schnittebene, bevor es durch die mittlere Schnittebene wieder zur ersten Seite zurückfließt für gleiche aufeinanderfolgende Vorlauf-Wegsegmente. Obwohl die Segmente gerade sind, bewirkt diese Anordnung der Strömungswegsegmente eine spiralförmige Vorlaufbewegung des Kühlmittels durch den Hohlraum, was zu der oben erwähnten quasi-helikalen Strömung des Kühlmittels führt.
Da das strömungsdefinierende Element einen doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg bewirkt, ist eine ähnliche Anordnung von Strömungswegsegmenten für den Rücklauf entlang des strömungsdefinierenden Elements zum ersten Ende des Hohlraums ausgerichtet. Der Vorlauf-Strömungsweg und der Rücklauf-Strömungsweg sind ineinandergreifend.
Um die Produktion zu erleichtern, sind die strömungsdefinierenden geraden Wandabschnitte für das strömungsdefinierende Element an einem Rahmen befestigt, um ein Modul zu bilden. Dieses Modul wird in Teile, die Wände des Gehäuses bilden, beispielsweise in Sandwichbauweise, eingesetzt. Typischerweise enthält der Rahmen die mittlere Schnittebene und verläuft parallel zu dieser.
Vorteilhafterweise sind die strömungsdefinierenden Wandabschnitte für mehrere strömungsdefinierende Elemente am Rahmen befestigt, um ein Modul mit einer Reihe von strömungsdefinierenden Elementen zu bilden, die parallel Seite an Seite ausgerichtet sind. Optional sind alle strömungsdefinierenden Elemente identisch, was die Produktion erleichtert.
In manchen Ausführungsformen umfasst das Gehäuse zwei gegenüberliegende Teile, wobei ein Teil die Gehäusewand umfasst und auf einer Seite des Moduls bereitgestellt ist und ein zweiter Teil auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des Moduls bereitgestellt ist, wobei die beiden Teile in Kombination mit dem Modul ein fluiddichtes Gehäuse bilden, abgesehen vom Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass.
Optional bildet der Rahmen einen Teil einer Innenwand des endgültigen Hohlraums, in dem das strömungsdefinierende Element vorgesehen ist.
In einigen Ausführungsformen, die für eine kostengünstige Massenproduktion nützlich sind, umfasst das Modul eine erste Array-Platte, die die ersten geraden Abschnitte umfasst, eine zweite Array-Platte, die die zweiten geraden Abschnitte umfasst, und eine zentrale Platte, die die mittlere Schnittebene enthält und parallel dazu verläuft. Die Platten werden mit der zentralen Platte kombiniert, die zwischen der ersten und zweiten Array-Platte liegt. Die zentrale Platte umfasst mehrere Durchgänge, wobei jeder der mehreren Durchgänge eines der ersten Strömungswegsegmente, die durch ein Paar der ersten geraden Wandabschnitte auf einer ersten Seite der zentralen Platte gebildet werden, mit einem der zweiten Strömungssegmente, die durch ein Paar der zweiten geraden Abschnitte auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der zentralen Platte gebildet werden, verbindet. Beispielsweise umfasst jeder Durchgang einen Teil der Hohlraumwand.
Insbesondere für einige der Ausführungsformen ist das folgende Herstellungsverfahren nützlich. Ein planarer Rahmen und ein strömungsdefinierendes Element, das in einem Hohlraumabschnitt des Rahmens fest mit dem Rahmen verbunden ist, werden in einem Formgebungsprozess geformt. In einem späteren Montageprozess wird auf beiden Seiten des Rahmens eine wärmeleitende Platte zugeführt, die den Rahmen und das strömungsdefinierende Element zwischen den Platten in einer Sandwichkonstruktion umschließt. Der Rahmen bildet in Kombination mit den Platten einen fluiddichten Hohlraum um das strömungsdefinierende Element herum, abgesehen von einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass für das Fließen des Kühlmittels in den Hohlraum und dann entlang eines ersten und zweiten durch das strömungsdefinierende Element bestimmten Strömungswegs und dann aus dem Hohlraum heraus. Das strömungsdefinierende Element umfasst strömungsdefinierende Wände, wie bereits oben erläutert, die den oben erwähnten ineinandergreifenden doppelt-helikalen oder doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg des Kühlmittels durch den Hohlraum für das Fließen des Kühlmittels entlang des ersten Strömungswegs, der ein helikaler oder quasi-helikaler Vorlauf-Strömungsweg vom Hohlraumeinlass an einem ersten Ende des Hohlraums zu einem zweiten, gegenüberliegenden Ende des Hohlraums ist, wo die Strömung umgekehrt wird, damit das Kühlmittel in den zweiten Strömungsweg eintritt, der ein helikaler oder quasi-helikaler Rücklauf-Strömungsweg ist in entgegengesetzter Richtung relativ zum ersten Strömungsweg, bevor das Kühlmittel aus dem Hohlraum durch den Kühlmittelauslass strömt.
Beispielsweise umfasst der Formgebungsprozess einen Stanzprozess, der das Entfernen einiger Abschnitte eines Metallblechs zum Bilden von Hohlraumabschnitten innerhalb des Rahmens und die Verformung anderer Abschnitte des Metallblechs zur Bildung der strömungsdefinierenden Wände umfasst. Typische Dickenabmessungen des Metallblechs betragen 1-5 mm. Alternativ umfasst der Formgebungsprozess Fließpressen oder Sintern. Diese Methoden sind insbesondere dann sinnvoll, wenn der planare Rahmen und das strömungsdefinierende Element als Kombination in einem einzigen Material geformt sind.
Insbesondere sind solche Umform- und Montageprozesse für eine kostengünstige Massenproduktion nützlich, wenn der Rahmen und das strömungsdefinierende Element Teile eines Arrays von Rahmen und strömungsdefinierenden Elementen sind, die im Formgebungsprozess gebildet werden, insbesondere wenn die Rahmen und die strömungsdefinierenden Mitglieder im Array identisch sind.
Unter Bezugnahme auf das Obige umfasst der Formgebungsprozess für das Array optional das Formen einer ersten Array-Platte, die erste gerade, zueinander parallele Abschnitte umfasst, und das Formen einer zweiten Array-Platte, die zweite gerade, zueinander parallele Abschnitte umfasst, und das Formen einer zentralen Platte mit mehreren Kühlmitteldurchgängen, und das Anordnen der zentralen Platte sandwichartig zwischen der ersten und der zweiten Array-Platte. Insbesondere umfasst das Verfahren das Bereitstellen der ersten geraden Abschnitte, die relativ zu den zweiten geraden Abschnitten abgewinkelt sind, so dass sich die ersten und zweiten geraden Abschnitte relativ zueinander kreuzen, wenn sie auf die Zentrale Platte projiziert werden. In diesem Fall bildet jedes Paar gerader erster Abschnitte und jedes Paar zweiter Abschnitte ein Strömungswegsegment für den helikalen oder quasi-helikalen Strömungsweg des Kühlmittels durch den Hohlraum, wobei jeder der mehreren Durchgänge in der zentralen Platte einen der ersten Strömungswegsegmente, die durch Paare erster gerader Abschnitte auf einer ersten Seite der zentralen Platte gebildet werden, mit einem der zweiten Strömungssegmente, die durch Paare der zweiten geraden Abschnitte auf der zweiten, gegenüberliegenden Seite der zentralen Platte gebildet werden, verbindet. Optional umfasst jeder Durchgang einen Teil der Hohlraumwand. Die Strömungssegmente sind abwechselnd zwischen der ersten und der zweiten Seite der zentralen Platte angeordnet, damit das Kühlmittel abwechselnd zwischen der ersten und der zweiten Seite der zentralen Platte strömen kann, mit einem erstes Strömungswegsegment entlang einem der ersten geraden Abschnitte auf der ersten Seite der zentralen Platte, dann durch die zentrale Platte und entlang eines der zweiten geraden Abschnitte auf der zweiten Seite der zentralen Platte, bevor es wieder zur ersten Seite durch die mittlere Schnittebene zurückfließt für gleichartige aufeinanderfolgende Strömungswegsegmente, welches einen quasi-helikalem Strömungsweg ausmacht.
Die Kühlvorrichtung eignet sich insbesondere zur Kühlung der Leistungselektronik in einem Elektrofahrzeug (EV), beispielsweise zur Kühlung von Leistungsmodulen, Wandlern und/oder Wechselrichtern.
Elektronische Komponenten umfassen beispielsweise ein Leistungsmodul mit Halbleiterschaltern, wie beispielsweise Isolierten Gate Bipolaren Transistoren (IGBT) oder auf einem Substrat montierten Siliziumkarbid- (SiC) oder GaN-Halbleiterschaltern mit großem Bandabstand.
Optional umfasst das Substrat eine isolierende Basis mit Leiterschienen zur Bildung der erforderlichen Schaltkreise, die an der isolierenden Basis befestigt sind. Beispiele für geeignete Substrate sind AMB-Substrate (Active Metal Braze), die aus zwei leitenden Kupferschichten auf beiden Seiten einer isolierenden Keramikschicht bestehen. Beispiele für weitere geeignete Substrate sind DBA (Direct Bonded Aluminium) oder DBC (Direct Bonded Copper).
Im Hinblick auf eine mögliche Kühlung der Elektronik an der ersten Wand des Gehäuses, optional auch an der gegenüberliegenden, zweiten Wand des Gehäuses, werden die folgenden beispielhaften Abmessungen, Kühlmitteldurchflüsse, Temperaturen der Elektronik angegeben.
Die Abmessungen der Hohlräume liegen im Bereich von 3-15 mm in Bezug auf die Länge und 1-4 mm in Bezug auf die Breite.
Bei den strömungsdefinierenden Komponenten liegt die Anzahl der geraden Wandabschnitte im Bereich von 4-20.
Die Dickenabmessungen der geraden Wandabschnitte liegen typischerweise im Bereich von 0,5-2 mm.
Ein Beispiel für die Anzahl der Hohlräume in einem Array liegt im Bereich von 3 bis 20.
Typische Dicken des Array-Rahmens liegen im Bereich von 0,8-3 mm
Simulationen haben gezeigt, dass eine Temperaturhomogenität von ΔT <1K für Elektronik erreicht werden kann, die aus drei Halbbrückenmodulen besteht, wobei jedes Modul aus 4-12 Halbleiterchips besteht. Diese Temperaturhomogenität ist wesentlich besser als bei einem typischen Stiftrippenkühler, der unter typischen Lastbedingungen ein ΔT im Bereich von 10-15 K aufweist.
Typische Abmessungen der Kühlvorrichtung sind 150-250 mm x 35-60 mm × 6-15 mm für Automobilanwendungen.
Typische Abmessungen der Kühlvorrichtung, wie beispielsweise in gezeigt, betragen bei Verwendung für ein persönliches Elektrofahrzeug etwa 200 mm × 60 mm × 12 mm.
Für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien, beispielsweise die Leistungselektronik in Windkraftanlagen, in denen mehrere MW verarbeitet werden, oder geländegängige Elektrofahrzeuge, beispielsweise im Bergbau, liegen die Abmessungen der Kühlvorrichtung in der Größenordnung von 400-800 mm × 200-400 mm × 20-40 mm.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert,

1 veranschaulicht das Grundprinzip eines Kühlmoduls mit doppelt-helikalem Strömungsweg;
2 veranschaulicht die Strömung durch ein doppelt-helikales, strömungsdefinierendes Element;
3 ist eine Skizze eines Gehäuses;
4 zeigt ein Gehäuse mit Elektronik auf der Außenseite;
5 ist ein Querschnitt durch ein strömungsdefinierendes Element in einem Hohlraum;
6 veranschaulicht eine Option des Kühlmittelflusses durch ein Gehäuse;
7A zeigt einen Längsschnitt durch das Gehäuse entlang einer Mittelebene und 7B ist ein vergrößerter Ausschnitt davon;
8 veranschaulicht ein strömungsdefinierendes Element in einer doppelt-helikalen Struktur mit geraden Wandabschnitten mit abgerundeten Wandkanten in A) perspektivischer Ansicht, B) Seitenansicht und C) Seitenansicht unter einem Winkel;
9 veranschaulicht ein Array mehrerer strömungsdefinierender Elemente;
10 veranschaulicht ein Array mehrerer strömungsdefinierender Elemente in zwei gegenüberliegenden Hälften eines Gehäuses, in dem Halbhohlräume gebildet sind;
11 zeigt einen transversalen Querschnitt durch das Gehäuse;
12 zeigt einen Längsschnitt durch das Gehäuse für doppelt-helikale strömungsdefinierende Elemente mit runden Wandkanten;
13 zeigt einen Längsschnitt durch das Gehäuse für doppelt-helikale strömungsdefinierende Elemente mit geraden Wandkanten;
14 veranschaulicht ein strömungsdefinierendes Element in einer doppelt-helikalen Struktur mit geraden Wandabschnitten, die gerade Wandkanten haben, in A) perspektivischer Ansicht, B) Seitenansicht und C) Seitenansicht unter einem Winkel;
15 veranschaulicht eine Anordnung mehrerer strömungsdefinierender Elemente des Typs wie in 14;
16A veranschaulicht die zentrale Querschnittsebene in der Anordnung von 15, und 16B ist ein vergrößerter Ausschnitt davon;
17 ist eine Explosionsansicht eines Gehäuses mit Abschnitten von Anordnungen strömungsdefinierender Elemente;
18 ist eine Explosionsansicht eines teilweise zusammengebauten Gehäuses mit einem Abschnitt von Anordnungen strömungsdefinierender Elemente.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG / BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
1 veranschaulicht einige Grundprinzipien, die für Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden. Ein Kühlmodul 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein Hohlraum 3 vorgesehen ist. Der Hohlraum 3 dient zum Strömen von Kühlmittel durch den Hohlraum 3, um Wärme aus dem Gehäuse 2 abzuführen. Der Strömungsweg des Kühlmittels in das Gehäuse hinein und aus dem Gehäuse 2 heraus wird durch ein strömungsdefinierendes Element 4 bestimmt, das in den Hohlraum 3 eingesetzt wird. Wie in 1 dargestellt und weiter in 2 ist das strömungsdefinierende Element 4 beispielsweise als doppelt-helikale Schraube mit einem zentralen Teil 5 dargestellt, um den sich zwei ineinander verschlungene helikale Wände 6A, 6B erstrecken und entlang dessen sich Doppel-Helix Windungen des Schraubenförmigen Abschnitts 7 des strömungsdefinierenden Elements 4 bilden. Die beiden ineinander verschlungenen helikalen Wände 6A, 6B umfassen einen ersten helikalen Strömungsweg 8A, dessen Richtung durch den Pfeil 9A angezeigt wird, für den Vorlauf des Kühlmittels, und einen zweiten helikalen Strömungsweg 8B, dessen Richtung durch den Pfeil 9B angezeigt wird, für den Rücklauf des Kühlmittels, nachdem das Kühlmittel am geschlossenen Ende des Hohlraums seine Strömungsrichtung von vorwärts lauf zu rückwärts geändert hat, was durch den gebogenen Pfeil 10 angedeutet ist.
Für den praktischen Einsatz, um eine große Fläche gleichmäßig zu kühlen, weist das Gehäuse 2 nicht nur einen einzigen solcher Hohlräume 3 mit strömungsdefinierendem Element 4 auf, sondern das Gehäuse 2 weist mehrere Hohlräume 3 auf, beispielsweise entlang der Längsrichtung 11 des Gehäuses verteilt, wie in 3 veranschaulicht. Die Bereitstellung mehrerer solcher paralleler Hohlräume 3 nebeneinander entlang der Längsrichtung 11 des länglichen Gehäuses 2 und senkrecht zur Längsrichtung 11 ausgerichtet sorgt für die notwendige annähernd gleichmäßige Wärmeabfuhr von der Außenfläche des Gehäuses 2 durch Wärmeübertragung durch das wärmeleitende Wandmaterial des Gehäuses 2.
Wie in 4 dargestellt sind auf der Außenseite des Gehäuses 2 elektronische Komponenten 12 in thermischem Kontakt mit der Oberfläche des Gehäuses 2 angeordnet zur Wärmeübertragung der elektronischen Komponenten 12 auf das Gehäuse 2 und durch das Material des Gehäuses 2 in das Kühlmittel, das in die Hohlräume 3 hineinströmt und aus ihnen herausströmt.
5 zeigt einen Querschnitt entlang eines Hohlraums 3, in dem ein strömungsdefinierendes Element 4 in Form einer doppelt-helikalen Schraube vorgesehen ist. Deutlich zu erkennen ist das geschlossene Ende 13 des Hohlraums 3, wo die Richtung des Kühlmittels umkehrt. Senkrecht zu den Hohlräumen 3 erstrecken sich zwei Kanäle 14A, 14B, von denen ein erster Kanal, der ein Kühlmittelzulaufkanal 14A ist, zur Zufuhr von Kühlmittel in die Hohlräume 3 benutzt wird, und ein zweiter Kanal, der ein Kühlmittelablaufkanal 14B ist, zum Ableiten des Kühlmittels aus den Hohlräumen 3 benutzt wird, nachdem das Kühlmittel Wärmeenergie von den elektronischen Komponenten durch die Wand des Gehäuses 2 aufgenommen hat.
6 veranschaulicht durch Pfeil 15A den Eintritt von Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlass 27A in den Kühlmittelzufuhrkanal 14A und durch Pfeil 15B den Austritt des erwärmten Kühlmittels durch den Auslass 27B.
7A ist eine perspektivische Schnittansicht in die untere Hälfte des Gehäuses 2. 7B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 7A zum besseren Verständnis. Pfeile 9A, 9B, ähnlich den Pfeilen in 1 und 2, geben Strömungsrichtungen an, wobei die gestrichelten Pfeile die Strömungsrichtung in der unteren Hälfte des Gehäuses 2 unterhalb der mittleren Schnittebene 18 andeuten und durchzogenen Pfeile die Strömungsrichtung oberhalb der mittleren Schnittebene 18 veranschaulichen.
Aus dieser Schnittdarstellung geht der doppelt-helikale Strömungsweg, der die mittlere Schnittebene 18 durchkreuzt, als eine Vielzahl von Durchlässen 19 in der mittleren Schnittebene 18 erscheint, wobei jeder Durchlass 19 durch die beiden ineinander verschlungenen helikalen Wände 6A, 6B der Strömungsdefinierenden Elements 4 und die Wand 17 des Hohlraums 3 begrenzt ist. Der Abschnitt der Strömungswege oberhalb und unterhalb der mittleren Schnittebene 18 wird durch die beiden ineinander verschlungenen helikalen Wände 6A, 6B und die Wand 17 des Hohlraums 3 gebildet, und diese Abschnitte verbinden die dargestellten Durchgänge 19 in einem Muster, das in der Projektion auf die mittlere Schnittebene 18, wie dargestellt, ein Zick-Zack-Muster ausmacht. Jeder Durchgang 19 verbindet, abgesehen von den Durchgängen 19A, 19B an den gegenüberliegenden Enden des strömungsdefinierenden Elements 4, einen Kanalabschnitt unter der mittleren Schnittebene 18 mit einem Kanalabschnitt über der Schnittebene 18.
In einigen weiteren Ausführungsformen wurde dieses Prinzip auf Strukturen verallgemeinert, bei denen ein doppelt-helikaler Strömungsweg annähernd beibehalten wird, bei dem jedoch die beiden ineinander verschlungenen helikalen Wände 6A, 6B durch Wände 16A, 16B ersetzt werden, die einfacher herzustellen sind. Ein Beispiel ist in 8A, 8B und 8C dargestellt, wo ein strömungsdefinierendes Element 4 mit einem quasi-helikalen Strömungsweg dargestellt ist, der in etwa einer Schraubenform gleichkommt, aber Wände 16A, 16B mit geraden Abschnitten 20 aufweist, die durch gekrümmte Abschnitte 21 verbunden sind, welches einer Drehung der Wandabschnitte gleichkommt. Wie in diesem verallgemeinerten Beispiel zu erkennen ist, sind die Wände 16A, 16B nicht konstant entlang einer Helix gekrümmt, sondern haben gerade erste Wandabschnitte 20A auf einer ersten Seite der mittleren Schnittebene und zweite gerade Wandabschnitte 20B auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der mittleren Schnittebene 18 in Zick-Zack-Form und durch die krümmenden/gedrehten Abschnitte 21 miteinander verbunden.
Ein Vorteil besteht darin, dass diese Strukturen durch Fließpressen oder durch Komprimieren von Pulvermaterial, beispielsweise durch Sintern von Keramik, beispielsweise Metallkeramik, hergestellt werden können. Alternativ wird ein Blechformprozess verwendet, bei dem Metallbleche zwischen Schablonen gestanzt werden, um Öffnungen und verformte Abschnitte zu bilden.
Diese Herstellungstechnik impliziert auch, dass nicht nur einzelne strömungsdefinierende Elemente 4 zum Einsetzen in einzelne Hohlräume 3 durch kosteneffiziente und schnelle Produktionsverfahren hergestellt werden können, sondern auch Arrays aus mehreren solcher strömungsdefinierenden Elemente 4 in einem einziger Herstellungsschritt produziert werden können, optional als Teil eines Array-Moduls 22 inklusive Rahmen 29 mit einem Wandabschnitt 17A der Hohlräume 3 an der mittleren Schnittebene, wie in 9 dargestellt.
Dieses Array-Modul 22 mit den strömungsdefinierenden Elementen 4 wird dann in zwei entsprechend geformte Schalen 2A, 2B des Gehäuses 2 eingesetzt, wobei jede Schale 2A, 2B ein entsprechendes Array von Hohlraumabschnitten 3A, 3B umfasst, siehe auch 11. zur Veranschaulichung der Hohlraumabschnitte 3A, 3B. Nach dem Zusammenbau drücken die beiden Schalen 2A, 2B des Gehäuses 2 die Hohlraumabschnitte 3A, 3B der Schalen 2A, 2B gegen das Array-Modul 22, und die Hohlraumabschnitte 3A, 3B der Schalen 2A, 2B in Kombination mit dem Hohlraumabschnitt 3C der Rahmen 29 verschließen die Hohlräume 3 auf dichte Weise, so dass Kühlmittel nicht von einem Hohlraum 3 zu einem benachbarten Hohlraum 3 fließt. Man sollte beachten, dass der Strömungsweg für das Kühlmittel trotz dieser generalisierten Schraubenform in etwa einem doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg ausmacht.
11 zeigt einen lateralen Querschnitt der Anordnung von 10 nach dem Zusammenbau. Dargestellt sind der Hohlraum 3 sowie die Hohlraumabschnitte 3A, 3B in den Schalen 2A, 2B und das strömungsdefinierende Element 4 sowie das Ende 13 des Hohlraums 3, wo das Kühlmittel seine Richtung von Vorwärtsrichtung im ersten helikalen Strömungsweg zur Rückwärtsrrichtung im zweiten quasi-helikalen Strömungsweg. Ähnlich wie 5, zeigt 11 auch den Kühlmittelzufuhrkanal 14A und den Kühlmittelablaufkanal 14B.
Ein Längsschnitt davon ist in 12 dargestellt, welches den kreisförmigen Querschnitt der Hohlräume 3 darstellt, bestehend aus einem unteren Hohlraumabschnitt 3A, der auch in 10 dargestellt ist, und einen oberen Hohlraumabschnitt 3B.
Während die Hohlräume 3 in 10 im Gehäuse 2 zylindrische Form mit kreisförmigem Querschnitt haben, wie in 12 dargestellt, kann das Prinzip noch weiter auf Hohlraumformen mit anderen Querschnitten verallgemeinert werden, beispielsweise Hohlräume mit rechteckigem Querschnitt, wie in 13 dargestellt, was einen rechteckigen, doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg impliziert.
Für den Einsatz in solchen Hohlräumen mit rechteckigem Querschnitt ist in 14A, 14B und 14C ein mögliches strömungsdefinierendes Element 4 dargestellt, das in 15 in Array-Form in einem Array-Modul 22 bereitgestellt ist. Jedes dieser strömungsdefinierenden Elemente 4 umfasst gerade Wandabschnitte 20A, 20B, die in einer Zick-Zack-Bahn angeordnet sind mit zueinander parallelen geraden ersten Wandabschnitten 20A, die eine obere Hälfte eines rechteckigen doppelt-quasi-helikalen Strömungswegs oberhalb der mittleren Schnittebene 18 bilden, und mit zueinander parallelen geraden zweiten Wandabschnitten 20B, die eine untere Hälfte eines rechteckigen doppelten quasi-helikalen Strömungswegs unterhalb der mittleren Schnittebene 18 bilden. Die ersten Wandabschnitte 20A und die zweiten Wandabschnitte 20B kreuzen sich, wenn auf die mittlere Schnittebene 18 projiziert, und sind abwechselnd unterhalb und oberhalb der mittleren Schnittebene 18 angeordnet. Die Querschnittsebene ist in 16A dargestellt. Die ersten Wandabschnitte 20A und die zweiten Wandabschnitte 20B sind in zwei Sätzen vorgesehen, die einen rechteckigen doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg für das Kühlmittel bilden, der im Prinzip dem in 1 und 2 dargestellten doppelten helikalen Strömungsweg ähnelt.
Dadurch, dass die ersten und zweiten Wandabschnitte 20A, 20B mit entgegengesetzten Winkeln abwechselnd unterhalb und oberhalb der mittleren Schnittebene 18 versetzt sind, wie auch beim Array-Modul in 15 dargestellt, sind die Durchgänge 19 in der mittleren Schnittebene 23 dreieckig ausgebildet, wobei jedes Dreieck durch den ersten und zweiten Wandabschnitt 20A, 20B und den Hohlraumwandabschnitt 17A des Hohlraums 3 gebildet wird. Die dreieckige Form der Durchgänge 19 unterscheidet sich von den in 7B dargestellten halbkreisförmigen Durchlässen 19. Man beachte in 16B einen vergrößerten Querschnitt von 16A, wo die Strömungsrichtung zwischen dem Durchgang 19 oberhalb der mittleren Schnittebene 23 durch Pfeile 9A, 9B angezeigt ist, ähnlich wie in 7B.
Ausgehend von der Form der strömungsdefinierenden Elemente 4, die in 15 dargestellt sind, ist es auch möglich, solche strömungsdefinierenden Elemente 4 schichtweise herzustellen, wie in der Ausführungsform gemäß 17 dargestellt, mit einer zentralen Platte 24, die nur die Durchgänge 19 der zentralen Ebene 23 definiert, welches in 16A und 16B dargestellt ist, und einer ersten geformten Array-Platte 22A mit ersten Wandabschnitten 20A auf einer Seite der zentralen Platte 24 zum Definieren der Strömung auf der Seite der zentralen Platte 24, die beispielhaft als die Unterseite der zentralen Platte 24 dargestellt ist, und eine zweite geformte Array-Platte 22B mit zweiten Wandabschnitten 20B auf der gegenüberliegenden Seite der zentralen Platte 24, die beispielhaft als Oberseite der zentralen Platte 24 dargestellt ist. Die zweiten Wandabschnitte 20B sind relativ zu den ersten Wandabschnitten 20A ähnlich abgewinkelt wie bei der Konfiguration von 14 und 15. Beim Zusammenbau der ersten geformten Array-Platte 22A mit der zentralen Platte 24 und der zweiten geformten Array-Platte 22B wird ein Array von strömungsdefinierenden Elementen 4 ähnlich der Darstellung des Array-Moduls in 15 erzielt.
Für jeden der Durchgänge 19 in der zentralen Platte 24, mit Ausnahme der Durchgänge 19A, 19B an den Enden der Hohlräume 3 (für die Endhohlräume 19A, 19B wird auf 7B verwiesen), verbinden die ersten Wandabschnitte 20A in der ersten geformten Array-Platte 22A unterhalb der zentralen Platte 24 den entsprechenden Durchgang 19 mit einem ersten benachbarten Durchgang 19, und die zweiten Wandabschnitte 20B verbinden in der zweiten geformten Anordnungsplatte 22B oberhalb der zentralen Platte 24 den gleichen entsprechenden Durchgang 19 mit einen zweiten benachbarten Durchgang in der mittleren Schnittebene 18. Dadurch entsteht ein zick-zack-förmiger Strömungsweg, der sich unterhalb und oberhalb der zentralen Platte 24 abwechselt, was zu einem doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg für das Kühlmittel führt.
Ähnlich dem Beispiel in 1 und 2, sind die Strömungswegabschnitte, die durch Paare von geraden ersten Wandabschnitten 20A und Paaren von geraden zweiten Wandabschnitten 20B in Kombination gebildet werden, so angeordnet, dass sie einen doppelten quasi-helikalen Strömungsweg durch das strömungsdefinierende Element 4 bilden, analog zu dem Beispiel in 7B. Dies gilt unabhängig davon, dass das strömungsdefinierende Element 4 nicht als monolithisches separates Element hergestellt und dann in einen Hohlraum 3 eingesetzt wird, wie es anfänglich in Bezug auf 1 erläutert wurde, sondern aufgrund der Einfachheit der Herstellung das strömungsdefinierende Element 4 während der Produktion mit Rahmen, die Abschnitte 17A der Hohlraumwände 17 umfassen, kombiniert wird, wobei dem in 9 vorgestellten Ansatz gefolgt wird und weiter in 15 und noch weiter gereift in 17.
Die zentrale Platte 24 von 17 wird mit der ersten geformten Array-Platte 22B und der zweiten geformten Array-Platte 22B zu einem Modul 25 kombiniert, wie in 18 dargestellt, beispielsweise durch Pressen, Löten, Kleben oder Schweißen, beispielsweise Laserschweißen. Das Modul 25 umfasst das Array strömungsdefinierender Elemente 4, einschließlich Trennwänden, die Abschnitte 17A von Hohlraumwänden zwischen den strömungsdefinierenden Elementen 4 bilden, wobei die Hohlraumwände geschlossen sind, sobald das Gehäuse 2 durch Verschließen mithilfe einer oberen Platte 26B und Bodenplatte 26A fertiggestellt ist, wie in 18 dargestellt. Das Modul 25 kann auch als ein monolithisches Teil durch Schmieden (Schlagextrusion) hergestellt werden, wobei die Bildung der Verbindungslöcher der Platte 24 (17) einen anschließenden Bohr- oder Stanzvorgang erfordern kann.
Wie in 17 und 18 dargestellt, liegen elektronische Komponenten 13 an mindestens einer Seite des Gehäuses 2 an und stehen in thermischem Kontakt mit diesem, um Wärme von den elektronischen Komponenten 13 durch die Wand des Gehäuses 2 und in das in den Hohlräumen 3 im Inneren des Gehäuses fließende Kühlmittel zu leiten.
Optional und wie in 18 dargestellt sind der Kühlmitteleinlass 27A und der Kühlmittelauslass 27B, die entsprechend mit dem Kühlmittelzufuhrkanal 14A und dem Kühlmittelablaufkanal 14B verbunden sind, siehe auch vergleichsweise 5 und 11, in der Bodenplatte 26A vorgesehen, was eine etwas andere Anordnung darstellt im Vergleich zur Ausführungsform in 6 und 10, wo der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass an gegenüberliegenden Stirnseiten des länglichen Gehäuses 2 vorgesehen waren.
Bezugszeichen

1: Kühlmodul
2: Gehäuse
2A, 2B: Schalen für Gehäuse
3: Hohlräume
3A, 3B: Hohlraumabschnitte
4: strömungsdefinierendes Element
5: Mittelteil
6A, 6B: ineinander verschlungene helikale Wände
7: helikaler Abschnitt
8A: erster helikaler Strömungsweg
8B: zweiter helikaler Strömungsweg
9A: Pfeil, der den Vorlauf von Kühlmittel anzeigt
9B: Pfeil, der den Rücklauf anzeigt
10: gebogener Pfeil, der die Änderung der Strömungsrichtung von Vorlauf zu Rücklauf am geschlossenen Ende des Hohlraums anzeigt
11: Längsrichtung des Gehäuses
12: elektronische Komponenten
13: geschlossenes Ende des Hohlraums 3
14A: Kühlmittelzufuhrkanal
14B: Kühlmittelablaufkanal
15A: Pfeil, der den Eintritt des Kühlmittels in den Kanal 14A anzeigt
15B: Pfeil, der den Austritt des erwärmten Kühlmittels aus dem Kanal 14B anzeigt
16: erster Satz gerader Wandabschnitte
16B: zweiter Satz gerader Wandabschnitte
17: Wand des Hohlraums
17A: Wandabschnitt des Hohlraums
18: mittlere Schnittebene
19: Durchgänge durch die mittlere Schnittebene
19A, 19B: Durchgänge an den gegenüberliegenden Enden des strömungsdefinierenden Elements 4
20: gerade Wandabschnitte
20A: gerade erste Wandabschnitte auf einer ersten Seite der mittleren Schnittebene
20B: gerade zweite Wandabschnitte auf einer zweiten Seite der mittleren Schnittebene
21: gekrümmte Abschnitte zwischen den geraden Wandabschnitten 20A, 20B
22: Array-Modul
22A: erste geformte Array-Platte mit ersten geraden Abschnitten 20A
22B: zweite geformte Array-Platte mit zweiten geraden Abschnitten 20B
23A: Kühlmitteleinlass
23B: Kühlmittelauslass
24: zentrale Platte
25: Modul
26A: Bodenplatten des Gehäuses
26B: Oberplatte des Gehäuses
27A: Kühlmitteleinlass
27B: Kühlmittelauslass
29: Rahmen
30A: Hohlraumeinlass
30B: Hohlraumauslass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10674628 [0003, 0004, 0006]
US 4161980 [0004, 0006]
JP 6268127 A2 [0007]

Claims

Kühlvorrichtung zum Kühlen elektronischer Komponenten (12), wobei die Kühlvorrichtung ein Gehäuse (2) mit einem Kühlmitteleinlass (27A) und einem Kühlmittelauslass (27B) sowie einen Kühlmittelströmungsweg durch das Gehäuse (2) vom Kühlmitteleinlass (27A) zum Kühlmittelauslass (27B) umfasst, wobei das Gehäuse (2) eine Gehäusewand (2B) umfasst, deren Innenseite in thermischem Kontakt mit dem Kühlmittel steht und deren gegenüberliegende Außenseite für den thermischen Kontakt mit den elektronischen Komponenten (12) ausgelegt ist zur Übertragung thermischer Energie von den elektronischen Komponenten (12) durch die Gehäusewand (2B) zum Kühlmittel; wobei der Kühlmittelströmungsweg einen mit dem Kühlmitteleinlass (27A) verbundenen Kühlmittelzufuhrkanal (14A) und einen mit dem Kühlmittelauslass (27B) verbundenen Kühlmittelablaufkanal (14B) aufweist, sowie mehrere, voneinander getrennte Kühlmittelzweige, wobei jeder Zweig einem Zweigeinlass umfasst, der mit dem Kühlmittelzufuhrkanal (14A) verbunden ist, und einem Zweigauslass umfasst, der mit dem Kühlmittelablaufkanal (14B) verbunden ist, ohne durch einen der anderen der mehreren Zweige verbunden zu sein, wodurch individuelle Kühlmittelkreisläufe durch jeden der Zweige gebildet werden; wobei die Zweige so auf der Innenseite der Gehäusewand (2B) verteilt sind, dass sie ein homogenes Temperaturprofil in der Gehäusewand (2B) und den elektronischen Komponenten (12) erbringen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zweig einen Hohlraum (3) und ein strömungsdefinierendes Element (4) innerhalb des Hohlraums (2) aufweist, wobei das strömungsdefinierende Element (4) strömungsdefinierende Wände (6A, 6B) umfasst, die so angeordnet sind, dass sie einen ineinandergreifenden doppelt-helikalen oder doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg (8A, 8B) des Kühlmittels durch den Hohlraum (3) schaffen zur Strömung von Kühlmittel entlang eines ersten Strömungswegs (8A), welcher ein helikaler oder quasi-helikaler Vorlauf-Strömungsweg von einem Hohlraumeinlass (3A) an einem ersten Ende des Hohlraums (3) zu einem zweiten, gegenüberliegenden Ende des Hohlraums (13) ist, wo die Strömung umgekehrt wird, damit das Kühlmittel in einen zweiten Strömungsweg (8B) eintritt, bei dem es sich um einen helikalen oder quasi-helikalen Rücklauf-Strömungsweg in entgegengesetzter Richtung relativ zum ersten Strömungsweg (8A) handelt, bevor das Kühlmittel in den Kühlmittelablaufkanal (14B) fließt.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hohlräume (3) und ihre jeweiligen strömungsdefinierenden Elemente (4) der mehreren Kühlmittelzweige parallel nebeneinander angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Gehäuse (2) länglich mit einer Längsrichtung (11) ist und wobei die Hohlräume (3) parallel entlang einer Hohlraumausrichtung senkrecht zur Längsrichtung (11) angeordnet sind.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die strömungsdefinierenden Wände des strömungsdefinierenden Elements (4) mehrere gerade, zueinander parallele erste Wandabschnitte (20A) und mehrere zueinander gerade, parallele zweite Wandabschnitte (20B) umfassen, wobei die ersten Wandabschnitte (20A) auf einer Seite einer mittleren Schnittebene (18) und die zweiten Wandabschnitte auf einer gegenüberliegenden Seite der mittleren Schnittebene (18) angeordnet sind, wobei die ersten Wandabschnitte (20A) relativ zu den zweiten Wandabschnitten (20B) so gewinkelt sind, dass die ersten und zweiten Wandabschnitte (20A, 20B) einander an der mittleren Schnittebene (18) kreuzen, wobei Paare von ersten Wandabschnitten (20A) und Paare von zweiten Wandabschnitten (20B) Segmente des Strömungsweges für das Kühlmittel bilden, wobei die Strömungssegmente abwechselnd zwischen der ersten und zweiten Seite der mittleren Schnittebene (18) verlaufen mit einem erstes Strömungswegsegment entlang eines Paares erster Wandabschnitte (20B) auf der ersten Seite der mittleren Schnittebene (18), dann durch die mittlere Schnittebene (18) und entlang eines Paares der zweiten Wandabschnitte (20B) auf der zweiten Seite der mittleren Schnittebene (18), vor dem zurückfließen zur ersten Seite durch die mittlere Schnittebene (18) für gleichartige aufeinanderfolgende Strömungswegsegmente.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, wobei die strömungsdefinierenden Wände des strömungsdefinierenden Elements (4) an einem Rahmen (29) befestigt sind, um ein Modul (25) zu bilden, das einen Teil einer Innenwand (17A) des Hohlraums (3) umfasst, in dem das strömungsdefinierende Element (4) vorgesehen ist.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Rahmen (29) die mittlere Schnittebene (18) enthält und parallel zu dieser ist.
Kühlvorrichtung nach 5 oder 6, wobei die strömungsdefinierenden ersten und zweiten Wandabschnitte (20A, 20B) für mehrere strömungsdefinierende Elemente (4) so am Rahmen (29) befestigt sind, dass sie ein Modul (25) bilden mit einem Array mehrerer strömungsdefinierender Elemente (4), die parallel nebeneinander ausgerichtet sind.
Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Gehäuse (2) aus zwei gegenüberliegenden Teilen besteht, wobei ein Teil die Gehäusewand (2B) umfasst und auf einer Seite des Moduls (25) vorgesehen ist und ein zweiter Teil eine weitere Gehäusewand (2A) umfasst, die auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite des Moduls (25) vorgesehen ist, wobei die beiden Teile in Kombination mit dem Modul ein fluiddichtes Gehäuse bilden abgesehen vom Kühlmitteleinlass (27A) und dem Kühlmittelauslass (27B).
Kühlvorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Modul (25) eine erste Array-Platte (22A) mit den ersten Wandabschnitten (20A) und eine zweite Array-Platte (22B) mit den zweiten Wandabschnitten (20B) umfasst, sowie eine zentrale Platte (24), welche die mittlere Schnittebene (18) beinhaltet und parallel zu dieser verläuft, wobei die zentrale Platte (24) zwischen der ersten und zweiten Array-Platte (22A, 22B) eingelegt ist und mehrere Durchgänge (19) umfasst, wobei jeder der mehreren Durchgängen (19) eines der ersten Strömungswegsegmente, die durch die ersten Wandabschnitte (20A) auf einer ersten Seite der zentralen Platte (24) gebildet werden, mit einem der zweiten Strömungssegmente, die durch die zweiten Wandabschnitte (20B) auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite der zentralen Platte (24) gebildet werden, verbindet.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Hohlräume (3) und strömungsdefinierenden Elemente (4) identisch sind.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlmittelzufuhrkanal (14A) und der Kühlmittelablaufkanal (14B) an gegenüberliegenden Enden der Hohlräume (3) vorgesehen sind, wobei die Hohlräume (3) jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind, und wobei jedes der strömungsdefinierenden Elemente (4) einen dritten Strömungsweg stromabwärts des zweiten Strömungswegs und in Richtung des zweiten (13) Endes des Hohlraums (3) aufweist, wobei der dritte Strömungsweg ein dritter helikaler oder quasi-helikaler Strömungsweg zusätzlich zum doppelt-helikalen oder doppelt quasi-helikalen Strömungsweg ist und damit verflochten ist um einen dreifach helikalen oder dreifach quasi-helikalen Strömungsweg für die Strömung zu bilden, bevor das Kühlmittel in den Kühlmittelablaufkanal (14B) fließt.
Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit elektronischen Komponenten (12), die an der ersten Wand (2B9) des Gehäuses (2) vorgesehen sind.
Verwendung einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11 in einem Elektrofahrzeug zum Kühlen elektronischer Komponenten (12), die zur Leistungsregelung elektrischer Antriebsmotoren verwendet werden.
Verfahren zur Herstellung einer Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren die Formgebung eines ebenen Rahmens (29) und eines strömungsdefinierenden Elements (4), das solide am Rahmen in einem Hohlraumabschnitt (3C) des Rahmens befestigt ist, in einem Formgebungsprozess umfasst (29), Bereitstellen einer wärmeleitenden Platte auf jeder Seite des Rahmens in einem Montageprozess und Einschließen des Rahmens und des strömungsdefinierenden Elements zwischen den Platten in einer Sandwichkonstruktion; wobei der Rahmen in Kombination mit den Platten einen fluiddichten Hohlraum um das strömungsdefinierende Element herum bildet, abgesehen von einem Kühlmitteleinlass (30A) und einem Hohlraumauslass (30B) für den Fluss von Kühlmittel aus dem Kühlmittelzufuhrkanal (14A) durch den Holraumeinlass (30A) in den Hohlraum (3), dann entlang eines ersten und zweiten Strömungswegs, der durch das strömungsdefinierende Element (4) bestimmt wird, und dann durch den Hohlraumauslass (30B) aus dem Hohlraum (3) in den Kühlmittelablaufkanal (14B); wobei das strömungsdefinierende Element (4) strömungsdefinierende Wände (6A, 6B) umfasst, die einen ineinandergreifenden doppelt-helikalen oder doppelt-quasi-helikalen Strömungsweg des Kühlmittels durch den Hohlraum (3) für die Strömung des Kühlmittels entlang des ersten Strömungswegs bewirken, bei dem es sich um einen helikalen oder quasi-helikalen Vorlauf-Strömungsweg vom Hohlraumeinlass (30A) an einem ersten Ende des Hohlraums zu einem zweiten, gegenüberliegenden Ende des Hohlraums (3) handelt, wo die Strömung umgekehrt wird, damit das Kühlmittel in einen zweiten Strömungsweg eintreten kann, bei dem es sich um einen helikalen oder quasi-helikalen Rücklauf-Strömungsweg in entgegengesetzter Richtung relativ zum ersten Strömungsweg handelt, bevor das Kühlmittel aus dem Hohlraum durch den Kühlmittelauslass (27B) fließt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Formgebungsprozess einen Stanzprozess, der das Entfernen einiger Abschnitte eines Metallblechs zur Bereitstellung von Hohlraumabschnitten (3C) innerhalb des Rahmens (29), umfasst sowie die Verformung anderer Abschnitte des Metallblechs zum Bereitstellen von strömungsdefinierenden Wandabschnitten (20A, 20B), oder wobei der Formgebungsprozess Gießen oder Sintern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der Rahmen (29) und das strömungsdefinierende Element (4) als Kombination aus einem einzigen Material geformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16, wobei der Rahmen (29) und das strömungsdefinierende Element (4) Teile einer Reihe von Rahmen (29) und strömungsdefinierenden Elementen (4) sind, die durch den Formgebungsprozess gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Verfahren identische Formgebung der Rahmen und der strömungsdefinierenden Elemente in der Anordnung umfasst, eine erste Array-Platte (22A) mit den ersten Wandabschnitten (20A) und eine zweite Array-Platte (22B) mit den zweiten Wandabschnitten (20B), sowie eine zentrale Platte (24), welche die mittlere Schnittebene (18) beinhaltet und parallel zu dieser verläuft, wobei die zentrale Platte (24) zwischen der ersten und zweiten Array-Platte (22A, 22B) eingelegt ist und mehrere Durchgänge (19) umfasst, wobei jeder der mehreren Durchgängen (19) eines der ersten Strömungswegsegmente, die durch die ersten Wandabschnitte (20A) auf einer ersten Seite der zentralen Platte (24) gebildet werden, mit einem der zweiten Strömungssegmente, die durch die zweiten Wandabschnitte (20B) auf einer zweiten gegenüberliegenden Seite der zentralen Platte (24) gebildet werden, verbindet.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 17-18. wobei der Formgebungsprozess für das Array das Formen einer ersten Array-Platte (22A) umfasst, die mehrere gerade, zueinander parallele erste Wandabschnitte (20A) umfasst, und das Formen einer zweiten Array-Platte, die mehrere zueinander gerade, parallele zweite Wandabschnitte (20B) umfasst, und das Formen einer zentralen Platte (24) mit mehreren Kühlmitteldurchgängen (19) und Anordnen der zentralen Platte (24) zwischen der ersten und der zweiten Array-Platte (22A, 22B), wobei das Verfahren das Bereitstellen der ersten Wandabschnitte (20A) in einem Winkel relativ zu den zweiten Wandabschnitten (20B) umfasst, so dass sich die ersten und zweiten Wandabschnitte (20A, 20B) relativ zueinander kreuzen, wenn sie auf die zentrale Platte (24) projiziert werden, wobei jeder erste und zweite Wandabschnitt (20A, 20B) in Kombination mit den Durchgängen (19) Strömungswegsegmente bildet, die den helikalen oder quasi-helikalen Strömungsweg des Kühlmittels durch den Hohlraum (3) bilden, wobei jeder der mehreren Durchgänge (19) in der zentralen Platte (24) eines der ersten Strömungswegsegmente, die durch die ersten Wandabschnitte (20A) auf einer ersten Seite der zentralen Platte (25) gebildet werden, mit einem der zweiten Strömungssegmente, die durch die zweiten Wandabschnitte (20B) auf der zweiten, gegenüberliegenden Seite der zentralen Platte (24) gebildet werden; wobei die Strömungssegmente abwechselnd zwischen der ersten und der zweiten Seite der zentralen Platte (24) angeordnet sind, um einen Kühlmittelfluss abwechselnd zwischen der ersten und der zweiten Seite der zentralen Platte (24) zu ermöglichen, mit einem ersten Strömungswegsegment entlang einer der ersten Wandabschnitte auf der ersten Seite der zentralen Platte, dann durch die zentralen Platte (24) und dann entlang eines der zweiten geraden Wandabschnitte auf der zweiten Seite der zentralen Platte (24), bevor es wieder durch die mittlere Schnittebene (18) zur ersten Seite zurückfließt für vergleichbare aufeinanderfolgende Strömungswegsegmente, die einem quasi-helikalen Strömungsweg ausmachen.