DE102008052145A1

DE102008052145A1 - Kühlanordnung, Heizanordnung und Elektrogerät

Info

Publication number: DE102008052145A1
Application number: DE102008052145A
Authority: DE
Inventors: Joachim Nikola
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: DE102008052145B4

Abstract

Kühlanordnung, umfassend eine zu kühlende Fläche einer wärmeerzeugenden Komponente, insbesondere elektrisches oder elektronisches Bauteil oder Modul, wobei mehrere von einem Kühlmedium durchströmte Kühlplatten mit der zu kühlenden Fläche wärmeleitend verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung, eine Heizanordnung und ein Elektrogerät.
Es ist bekannt, wärmeerzeugende Komponenten an ihrer zu kühlenden Fläche mit einem einstückig ausgeführten Kühlkörper zu verbinden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Entwärmung zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Kühlanordnung nach den in Anspruch 1, bei der Heizanordnung nach den in Anspruch 14 und bei dem Elektrogerät nach den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Kühlanordnung sind, dass bei der Kühlanordnung eine zu kühlende Fläche einer wärmeerzeugenden Komponente umfasst ist, insbesondere elektrisches oder elektronisches Bauteil oder Modul, wobei mehrere von einem Kühlmedium durchströmte Kühlplatten mit der zu kühlenden Fläche wärmeleitend verbunden sind.
Von Vorteil ist dabei, dass temperaturbedingt Unebenheiten in der zu kühlenden Fläche auftreten dürfen, die sogar so erheblich sind, dass bei einstückiger Ausführung des Kühlkörpers eine Verschlechterung des Wärmeübergangswiderstandes stattfinden würde. Mittels der Erfindung ist es nun ermöglicht, bei solchen auftretenden Erhebungen die Verschlechterung des Wärmeübergangswiderstandes zu verhindern.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kühlplatten seriell angeordnet, also nacheinander von dem Kühlmedium durchströmt werden. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Leitung für das Kühlmittel verwendbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist jede Kühlplatte eine oder mehrere Durchgangsbohrungen auf. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Fertigung von Ausnehmungen in der Kühlplatte einsetzbar ist. Außerdem ist somit keine Abdichtung notwendig.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist eine oder jede Kühlplatte einen Hohlraum, insbesondere einen mäanderförmig verlaufenden Hohlraum für das Kühlmedium, auf. Von Vorteil ist dabei, dass ein möglichst direkter Wärmeübergang und somit ein möglichst kleiner Wärmeübergangswiderstand auftritt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zwischen den Kühlplatten Verbindungsleitungen angeordnet, insbesondere zur Umlenkung des Kühlmediums. Von Vorteil ist dabei, dass der durch die Unebenheiten verursachte und somit zwischen den Kühlplatten bewirkte Winkelversatz im Verbindungsbereich mittels elastischer Verformung der Verbindungsleitungen ausgleichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Kühlmedium in einem Rohr, insbesondere Kupferrohr, geführt. Von Vorteil ist dabei, dass keine weitere Abdichtung zwischen Leitungsabschnitten notwendig ist sondern das Kühlmedium in einem einzigen Bauteil geführt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Rohr im Verbindungsbereich elastisch verformbar zum Ausgleich der temperaturabhängigen Verkippungswinkel der Kühlplatten zueinander. Von Vorteil ist dabei, dass die temperaturbedingten Winkel mittels elastischer Verformung kompensierbar sind und somit kein Verschleiß der Ausgleichsmittel, also des elastisch verformten Bereichs des Rohrs entsteht. Es ist also eine hohe Standzeit erreichbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Rohr in einer Ausnehmung, insbesondere in einer Nut, insbesondere in einer zur zu kühlenden Fläche hin offenen Ausnehmung, der Kühlplatte vorgesehen, insbesondere hineingepresst oder hineingedrückt. Von Vorteil ist dabei, dass ein geringer Wärmeübergangswiderstand realisierbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen den einzelnen Kühlplatten ein derart großer Abstand vorgesehen, dass Unebenheiten der zu kühlenden Fläche, insbesondere temperaturabhängig veränderliche, keine Verschlechterung des Wärmeübergangs von der zu kühlenden Fläche zu den jeweiligen Kühlplatten bewirken. Von Vorteil ist dabei, dass im Verbindungsbereich eine genügend große elastische Verformung erreichbar ist, um die Verkippungswinkel auszugleichen und andererseits der Verbindungsbereich nicht so groß ist, dass der mittels der Kühlplatten abgedeckte Bereich der zu kühlenden Fläche wesentlich kleiner ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kühlplatten angeschraubt oder angeklebt oder verschweißt verbunden. Von Vorteil ist dabei, dass eine feste Verbindung, insbesondere starre Verbindung, realisierbar ist. Auf diese Weise ist ein geringer Wärmeübergangswiderstand erreichbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kühlplatten derart klein und die zu kühlende Fläche derart ausgeführt, dass die temperaturabhängig auftretenden Unebenheiten der zu kühlenden Fläche keine Verschlechterung des Wärmeübergangswiderstandes zwischen Kühlplatte und zu kühlender Fläche bewirken. Von Vorteil ist dabei, dass mittels der klein wählbaren Abmessungen der Kühlplatte im Vergleich zur zu kühlenden Fläche die absolute Größe der im Bereich der Kühlplatte auftretenden temperaturbedingten Unebenheit der zu kühlenden Fläche derart klein vorsehbar ist, dass keine Störung der Verbindung der Kühlplatte zur zu kühlenden Fläche auftreten kann. Somit ist ein guter Wärmeübergang realisierbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen Kühlplatte und zu kühlender Fläche Wärmeleitpaste angeordnet. Von Vorteil ist dabei, dass der Wärmeübergangswiderstand verringerbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Rohr mäanderförmig verlegt und die Kühlplatten mindestens zwei separate Aufnahmen, insbesondere zwei Ausnehmungen, für das Rohr aufweisen. Von Vorteil ist dabei, dass innerhalb der Kühlplatte das Kühlmedium mehrfach, beispielsweise parallel, durchführbar ist und somit ein höherer Wirkungsgrad bei der Entwärmung erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kühlplatten aus Aluminium gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass die Herstellung der Ausnehmungen einfach und kostengünstig ist Wichtige Merkmale bei der Heizanordnung sind, dass bei der vorbeschriebenen Kühlanordnung das Kühlmedium durch ein wärmendes Medium ersetzt wird und die zu kühlende Fläche eine zu wärmende Fläche ist.
Von Vorteil ist dabei, dass alle zu den vorgenannten Merkmalen zugehörigen Vorteile in entsprechender Weise bei einer Heizanordnung erreichbar sind, wobei als Kühlmedium ein heizendes Medium, wie beispielsweise heißes Wasser oder heißes Öl, verwendbar ist und die Wärme somit erfindungsgemäß effektiv an die zu wärmende Fläche, die der vorgenannten zu kühlenden Fläche entspricht, zuleitbar ist. Im Wesentlichen wird also der Wärmestrom bei der Heizanordnung im Vergleich zur Kühlanordnung umgekehrt.
Wichtige Merkmale bei dem Elektrogerät, insbesondere zumindest einen Wechselrichter oder einen Umrichter umfassendes Elektrogerät, sind, dass es mit einer vorbeschriebenen Kühlanordnung ausgeführt ist, wobei mittels der Kühlanordnung Wärme eines Halbleiters, insbesondere Leistungshalbleiters, des Elektrogeräts an die Umgebung abführbar ist, insbesondere wobei der Halbleiter von der Leistungselektronik des Elektrogeräts umfasst ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Wirkungsgrad des Elektrogeräts verbesserbar ist und die pro Bauvolumen erreichbare Leistung vergrößerbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Zuleitung
2: Kühlplatte
3: Verbindungsleitung
4: Ableitung
20: Kühlplatte
30: Kühlplatte

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In den Figuren ist die zu kühlende Fläche nicht dargestellt. Erfindungsgemäß ist diese Fläche aber wesentlich größer als die in den Figuren gezeigten Kühlplatten (2, 20, 30), vorzugsweise mindestens viermal größer.
In der 1 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel schematisch skizziert.
Dabei wird ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder Öl, mittels einer Zuleitung 1 einer Kühlplatte 2 zugeführt und von dieser über eine Verbindungsleitung 3 einer weiteren Kühlplatte 2 zugeführt. Über eine weitere Verbindungsleitung 3 wird dann das Kühlmedium einer letzten Kühlplatte 2 zugeführt und letztendlich mittels der Ableitung 4 abgeführt.
Die Kühlplatte 2 weist einen von ihr umschlossenen Innenraum auf, durch den das Kühlmedium geleitet wird. Dieser Innenraum ist beispielsweise eine einfache Durchgangsbohrung oder als Mäanderförmiger Kanal ausgeführt. Im erstgenannten Fall ist eine kostengünstige Fertigung und hohe Dichtheit erreichbar. Im zweitgenannten Fall ist eine verbesserte Entwärmung erreichbar.
Die Zuleitung 1, Ableitung 4 und Verbindungsleitung 3 sind in jedem Fall dicht verbunden mit der Kühlplatte 2, so dass der Austritt von Kühlmedium in die Umgebung verhindert ist.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Kühlplatte 2 vorzugsweise aus einer oberen und einer unteren Gehäusehälfte ausgeführt, wobei in der unteren die Nut beziehungsweise die mäanderförmige Vertiefung eingefräst ist und die obere Gehäusehälfte als ebene Platte ausgeführt ist. Somit ist die Herstellung vereinfacht.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird zur Führung des Kühlmediums ein Kupferrohr verwendet, das in die entsprechenden Ausnehmungen der Kühlplatten eingelegt ist.
In den 1 und 2 ist das zu entwärmende Teil ebenfalls nicht gezeigt. Hierbei handelt es sich um ein im Vergleich zu einer Kühlplatte (2, 20) weiter ausgedehntes Teil, das eine vorzugsweise im Wesentlichen ebene Oberfläche aufweist, die als Kontaktfläche verwendet ist. An dieser Kontaktfläche sind also die Kühlplatten (2, 20) angeordnet und mit dieser wärmeleitend verbunden.
Die mechanische Verbindung der Kühlplatten zur zu kühlenden Fläche ist als formschlüssige Verbindung ausführbar, beispielhaft mit die Kühlplatten gegen die zu kühlende Fläche drückenden Schrauben, oder als kraftschlüssige Verbindung, beispielhaft mittels von einem Federelement bewirkten Andrücken der Kühlplatten 2 an die Kontaktfläche. Das Federelement ist beispielhaft mittels Federn ausführbar, wobei jeder Kühlplatte jeweils eine Feder zugeordnet ist oder als elastischer Kunststoff, wie beispielsweise Gummimatte oder Schaumstoffmatte, mittels dessen alle Kühlplatten gegen die zu kühlende Fläche andrückbar sind. Die Federn oder das elastische Medium ist zwischen den Kühlplatten und einem weiteren Teil, beispielsweise einem Gehäuseteil, angeordnet. Alternativ sind die Kühlplatten auch stoffschlüssig mit der zu kühlenden Fläche verbindbar, wie beispielsweise mittels Klebeverbindung oder Schweißverbindung.
Wie in 1 gezeigt, weisen die Kühlplatten 2 jeweils nur eine einzige Zuleitung 1 und eine einzige Ableitung 4 auf. Die Verbindungsleitung 3 ist möglichst kurz aber zum Ausgleich der auftretenden Verkippungswinkel zwischen den Kühlplatten genügend lang ausgeführt und die Kühlplatten sind zueinander unter Vernachlässigung der Verkippungswinkel im Wesentlichen parallel angeordnet, wobei die Durchströmung benachbarter Kühlplatten im Wesentlichen antiparallel erfolgt.
Zwischen der jeweiligen Kühlplatte und der Kontaktfläche ist auch Wärmeleitpaste oder ein anderes entsprechend den Wärmeübergang verbesserndes Medium anordenbar.
Vorzugsweise sind die Kühlplatten aus Aluminium ausgeführt.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen wird das Kühlmedium in einem Rohr, vorzugsweise einem Kupferrohr, geführt. Somit ist das Rohr durch die Bohrungen der Kühlplatten gesteckt und die Dichtheit sicher gewährleistet. Alternativ werden die Kühlplatten mit einer Nut, vorzugsweise einer gerade verlaufenden Nu, zur Aufnahme des Rohrs ausgeführt, wodurch die Kühlplatten auf das Rohr aufsteckbar sind, insbesondere in Richtung der Normalen der Platte. Der Abstand der Kühlplatten zueinander In den Verbindungsbereichen ist derart groß, dass das Rohr zum Ausgleich der zwischen den Kühlplatten auftretenden Verkippungswinkel elastisch verformbar ist.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei jede Kühlplatte 20 mehr als eine einzige Zuleitung 1 und eine einzige Ableitung 4 aufweist. Bei der gezeigten Anordnung sind jeder Kühlplatte 20 sogar drei Zuleitungen 1 und drei Ableitungen 4 zugeordnet.
Somit sind die Kühlplatten 20 jeweils mittels dreier parallel ausgeführter Bohrungen verwendbar, wobei die Kühlplatten 20 derart hintereinander anordenbar sind, dass die Bohrungsöffnungen einer benachbarten Kühlplatte mit möglichst geringem Abstand zu den entsprechenden Bohrungsöffnungen aufweisen. Auf diese Weise sind die Verbindungsleitungen sehr klein ausführbar. Alternativ ist auch wiederum ein Kupferrohr verwendbar, das in entsprechend verlaufende Nuten der Kühlplatten verlegt ist. Insbesondere kann dies in zur kühlenden Fläche hin offener Bauweise erfolgen.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind statt der in 2 gezeigten Kühlplatten mit drei Bohrungen auch Kühlplatten mit einer größeren Anzahl von Bohrungen verwendbar.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei drei in Reihen angeordnete Kühlplatten 30 vorgesehen sind.
In jeder Reihe sind drei Kühlplatten 30 hintereinander und mit geringem Abstand angeordnet. Der Abstand ist jedoch – wie auch die Abstände zwischen den Kühlplatten der 1 und 2 – derart groß, dass bei Unebenheiten der zu kühlenden Fläche die Kühlplatten sich entsprechend ausrichten können. Die Kühlplatten sind also entsprechend der Erhöhungen oder Vertiefungen der zu kühlenden Fläche verkippt angeordnet.
Darüber hinaus ist dabei wichtig, dass diese Unebenheiten der zu kühlenden Fläche temperaturabhängig variieren. Die Kühlplatten passen sich auch diesen Variationen an, da sie viel kleiner sind als die zu kühlende Fläche.
Je größer die im Betriebstemperaturbereich auftretenden Unebenheiten der zu kühlenden Fläche sind, desto kleiner sind die Kühlplatten vorzugsweise zu wählen.
Zwar ist erfindungsgemäß eine Vielzahl von Kühlplatten für eine einzige zu kühlende Fläche vorzusehen und es müssen erfindungsgemäß zwischen den Kühlplatten Verbindungsleitungen vorgesehen werden, jedoch ist somit eine verbesserte Entwärmung bei großen zu kühlenden Flächen realisierbar. Außerdem darf die zu kühlende Fläche gekrümmt verlaufen, da mittels der Vielzahl von Kühlplatten verschiedene geometrische Ausformungen der zu kühlenden Fläche vorsehbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist die Kontaktfläche einer Kühlplatte zur zu kühlenden Fläche etwa fünfmal bis hundertmal kleiner als die von den Kühlplatten abgedeckte Kontaktfläche der zu kühlenden Fläche.
Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen werden statt der in 1 und 2 gezeigten drei Kühlplatten 2 mehr Kühlplatten 2 in entsprechender Weise seriell mittels der Verbindungsleitungen verbunden. Analog ist auch die Anordnung nach 3 erweiterbar auf mehr Kühlplatten 30.
Bei der Erfindung wird der Wärmeübergang zwischen der zu kühlenden Fläche und dem Kühlmedium verbessert. Die Erfindung ist aber auch mit einem wärmenden anstatt kühlenden Medium vorteilhaft ausführbar, so dass der Wärmefluss auch umgekehrt zu den vorbeschriebenen Figuren einsetzbar ist

Claims

Kühlanordnung, umfassend eine zu kühlende Fläche einer wärmeerzeugenden Komponente, insbesondere elektrisches oder elektronisches Bauteil oder Modul, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere von einem Kühlmedium durchströmte Kühlplatten mit der zu kühlenden Fläche wärmeleitend verbunden sind.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten seriell angeordnet sind, also nacheinander von dem Kühlmedium durchströmt werden.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Kühlplatte eine oder mehrere Durchgangsbohrungen aufweist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder jede Kühlplatte einen Hohlraum, insbesondere einen mäanderförmig verlaufenden Hohlraum für das Kühlmedium aufweist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kühlplatten Verbindungsleitungen angeordnet sind, insbesondere zur Umlenkung des Kühlmediums.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium in einem Rohr, insbesondere Kupferrohr, geführt ist.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr im Verbindungsbereich elastisch verformbar ist zum Ausgleich der temperaturabhängigen Verkippungswinkel der Kühlplatten zueinander.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr in einer Ausnehmung, insbesondere in einer Nut, insbesondere in einer zur zu kühlenden Fläche hin offenen Ausnehmung, der Kühlplatte vorgesehen ist, insbesondere hineingepresst oder hineingedrückt.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Kühlplatten ein derart großer Abstand vorgesehen ist, dass Unebenheiten der zu kühlenden Fläche, insbesondere temperaturabhängig veränderliche, keine Verschlechterung des Wärmeübergangs von der zu kühlenden Fläche zu den jeweiligen Kühlplatten bewirken, und/oder dass die Kühlplatten derart klein sind und die zu kühlende Fläche derart ausgeführt, dass die temperaturabhängig auftretenden Unebenheiten der zu kühlenden Fläche keine Verschlechterung des Wärmeübergangswiderstandes zwischen Kühlplatte und zu kühlender Fläche bewirken.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatten angeschraubt oder angeklebt oder verschweißt verbunden sind.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kühlplatte und zu kühlender Fläche Wärmeleitpaste angeordnet ist und/oder dass die Kühlplatten aus Aluminium gefertigt sind.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr mäanderförmig verlegt ist und die Kühlplatten mindestens zwei separate Aufnahmen, insbesondere zwei Ausnehmungen, für das Rohr aufweisen.
Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu kühlende Fläche wärmeleitend mit einem elektronischen Bauelement, wie Halbleiter, insbesondere Leistungshalbleiter, verbunden ist.
Heizanordnung, wobei bei der Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, das Kühlmedium durch ein wärmendes Medium ersetzt wird und die zu kühlende Fläche eine zu wärmende Fläche ist.
Elektrogerät, insbesondere zumindest einen Wechselrichter oder einen Umrichter umfassendes Elektrogerät, mit einer Kühlanordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Kühlanordnung Wärme eines Halbleiters, insbesondere Leistungshalbleiters, des Elektrogeräts an die Umgebung abführbar ist, insbesondere wobei der Halbleiter von der Leistungselektronik des Elektrogeräts umfasst ist.