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WO2015117706A1 - Kühlkörper - Google Patents

Kühlkörper Download PDF

Info

Publication number
WO2015117706A1
WO2015117706A1 PCT/EP2014/077988 EP2014077988W WO2015117706A1 WO 2015117706 A1 WO2015117706 A1 WO 2015117706A1 EP 2014077988 W EP2014077988 W EP 2014077988W WO 2015117706 A1 WO2015117706 A1 WO 2015117706A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
plate
heat sink
flow
coolant
cover plate
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/077988
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Dennerlein
Stephan Ippisch
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2015117706A1 publication Critical patent/WO2015117706A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a heat sink, in particular for cooling a component used in the field of power electronics.
  • the devices can use the principle of active cooling or use passive heat sinks, which with the help ei ⁇ ner largest possible surface a large heat flow ⁇ he possible.
  • a large part of, for example, heat sinks used in power electronics is manufactured from metallic materials by means of abrasive manufacturing processes.
  • heat sink from extruded pro ⁇ len which are used in particular for air cooling exist.
  • Both types of heat sinks which, for example can be realized.
  • In the form of aluminum profiles ⁇ are relatively power ⁇ and capable of achieving a good cooling effect and heat dissipation, however, the manufacturing processes are comparatively costly ⁇ spielig.
  • the production costs per piece increase disproportionately, when smaller quantities are manufactured sol ⁇ len.
  • the heat sink is characterized in that for its production in Wesentli ⁇ chen easy to produce and cheap to be acquired sheets are used due to be ⁇ ner simple structure, in contrast to the use of strangge- pressed profiles or the parts described above, with ⁇ Made of abrasive manufacturing processes.
  • the production costs therefore remain low, but at the same time the heat sink achieves a good cooling efficiency due to its advantageous construction.
  • the heat sink for cooling a component has at least a first and a second layer, wherein the first layer ⁇ has its own cover plate, which is to bring to the component to be cooled in contact, so that a heat flow between the component and heat sink can take place.
  • the second layer has a flow distributor with at least one Strö ⁇ flow duct, wherein the flow channel is formed to guide a refrigerant from a manifold region of the heat sink to a collector region of the cooling body.
  • the flow channel is arranged such that the coolant is at least temporarily in ther ⁇ mischem contact with the cover plate during flow through the flow channel, so that a heat flow between the cover plate and coolant can take place.
  • the manifold portion has an input for supplying the refrigerant to the distribution area and the heat sink so ⁇ as an output for supplying the coolant from the Ver ⁇ splitter region to the flow distributor and in the Strömungska ⁇ nal.
  • the header portion has an input for supplying the coolant from the flow distributor and from the Strö ⁇ flow duct in the collector region, and an output for Ab ⁇ guiding the refrigerant from the collector region and thus out of the cooling body.
  • the heat sink has a third layer, wherein the second layer comprises the flow distributor and a frame and is arranged between the first layer and the third layer.
  • the third layer comprises a bottom plate, which forms, in cooperation with the cover plate of the first ply and the frame of the second layer at a ⁇ least partially hollow space and includes a fluid-tight, in which the flow distributor is arranged.
  • the three layers are arranged substantially parallel to each other.
  • the flow distributor may be a metal mesh, that is, a ⁇ Me tallvlies or metal wool, having a plurality of Mikrokanä- len, wherein the microchannels form a plurality of Strö ⁇ mung channels for the coolant.
  • the second layer may comprise at least a first plane with a first perforated plate and a second plane with a second perforated plate, wherein the perforated plates are arranged in wesent ⁇ union parallel to each other and to cover plate and bottom plate and together form the flow distributor.
  • Each of the perforated plates has a plurality of holes, which are relatively arranged so ⁇ at the perforated plates that holes of the first perforated plate and holes of the second perforated plate overlap partially, so that the characterized entste ⁇ immediate succession of holes of the first perforated sheet and second perforated plate forms the flow channel from the Verteilerbe ⁇ rich to the collector area, so that the coolant from the manifold area on the juxtaposition of holes can reach the collector area.
  • the holes of the first perforated plate and the second perforated plate are each arranged on a regular grid, ie the holes have certain dimensions, for example, in the case that they are round, certain radii, as well as certain distances to each other.
  • the grid and the size and Abstän ⁇ de the holes are ideally the same for both perforated sheets. Accordingly, identical hole ⁇ sheets can be used for mounting of the heat sink, which must be mounted merely offset from one another in order to obtain the arrangement with partially overlapping holes described above.
  • distributor ⁇ area and / or the collector region each having a profile of the piece with U-shaped cross-section, with ends of the deck plate and the bottom plate between the respective U-
  • the flow distributor may in one embodiment, a Lei ⁇ tung sheet having a shape that is a shape and / or surface structure, which differs from a shape of the cover plate such that sheet at a Ver ⁇ bond the cover sheet to the conducting lamina between the cover ⁇ and Conduit at least forms a cavity which forms the flow channel.
  • a Lei ⁇ tung sheet having a shape that is a shape and / or surface structure, which differs from a shape of the cover plate such that sheet at a Ver ⁇ bond the cover sheet to the conducting lamina between the cover ⁇ and Conduit at least forms a cavity which forms the flow channel.
  • the conduit plate is connected to the cover plate so materially, for example.
  • Conducting lamina can, for example, a corrugated iron or a stamping his ⁇ sheet. Such panels are relatively easy to detect and acquire forth ⁇ low in large numbers. Accordingly ⁇ the heat sink can be made low.
  • the flow channel is advantageously designed such that the coolant is distributed uniformly in the flow channel, so that all areas of the flow channels are supplied with coolant. Furthermore, the flow channel is designed such that turbulent flow behaves ⁇ nit of the coolant is formed. These measures further improve the cooling efficiency of the heat sink.
  • a heatsink is pre schla ⁇ gen in the commercial sheet products used to ⁇ which are ver ⁇ philgbar in large quantities and at low cost.
  • the sheet metal products are selected so that their surface pattern or its shape allow an advantageous ⁇ flow guidance of the coolant.
  • FIG. 6 is a plan view of a detail of a Strö ⁇ distribution manifold of the third embodiment of the heat sink,
  • FIG. 7 shows a plan view of a section of an alterna tive ⁇ flow distributor of the third form of execution of the cooling body, the same reference numerals in different figures denote the same components.
  • FIG. 1 shows a lateral cross-section of a first embodiment of a heat sink 1.
  • the heat sink 1 in this embodiment has essentially two layers and has, as first layer 10, a flat cover plate 11 which is brought into contact with the component 100 to be cooled that a heat flow from the component 100 to the heat sink 1 can take place. This results in a cooling effect on the component 100.
  • the cover plate 11 is flat as already mentioned. An optimal cooling effect is achieved when the contact area between the cover plate 11 and the component 100 to be cooled is maximum, so that a good thermal contact with the component 100 is achieved. Accordingly, the shape of the cover plate 11, in particular the shape of the component 100 to ⁇ facing, outer surface 12 of the cover plate 11, in the ideal ⁇ case to the shape of the outer surface 101 of the component 100 in the contact area between the component 100 and cover plate 11 fits. In this case, the contact region describes that region of the surface 101 of the component 100 with which the cover plate 11 of the heat sink 1 is in thermal contact.
  • flat cover sheet encompasses the shape of the cover sheet 11 corresponding to the shape of the outer surface 101 of the component 100 in the contact region 101 of the building ⁇ part 100, for example. Convex shaped, the cover plate 11 and at least its surface 12 will have a convex shape, wherein the radii of curvature of the component surface 101 and the cover plate 11 substantially coincide.
  • the second layer 20 of the heat sink 1 comprises a flow distributor 21 in the form of a ⁇ pipe plate 21, which may be, for example, a corrugated sheet or an emboss sheet.
  • the Lei ⁇ tung sheet 21 has a shape that is a shape and / or surface structure, which causes between
  • Cover plate 11 and conduit sheet 21 one or more flow ⁇ channels 23 are formed when the conduit plate 21 is brought into contact with the cover plate 11.
  • the flow channels 23 may communicate with one another and / or a plurality of independent flow channels 23 may be re ⁇ alinstrument.
  • the corresponding embossing is preferably made of zylinderförmi ⁇ gene or sharp-edged studs to avoid low flow velocity zones.
  • the Lei ⁇ tion plate 21 is connected to the cover plate 11.
  • a material ⁇ positive connection for example.
  • a soldered connection offers the advantage of a good thermal contact and a white ⁇ direct improvement of heat dissipation from the component 100.
  • the flow channels 23 are formed due to the shapes of the conduit plate 21 and the cover plate 11.
  • the connection of the metal sheets 11, 21 leads to the coolant 2 not being able to leave the flow channels 23 via undesired paths, but only via the collector area 50 to be described below .
  • the heat sink 1 furthermore has a distributor region 40 with at least one inlet 41, a volume 42 and one or more outlets 43.
  • the distributor region 40 is connected to a coolant source (not shown), from which the coolant 2 passes via the inlet 41 into the volume 42, from which it flows via one or more, not shown in detail exits 43 in the one or more flow channels 23 is distributed.
  • the shape of the cover plate 11 in cooperation with the conduit plate 21 ensures that the coolant 2 is evenly distributed in the flow channels 23, so that all areas of the flow channels 23 are supplied with coolant 2. Furthermore, the shapes of the Ble ⁇ che 11, 21 selected so that turbulent flow behaves ⁇ nisse form in the flow channels 23rd Because it excluded can be addressed, that is well known by what means and measures the uniform distribution and the turbulent flow conditions can be achieved, which will shortly be omitted because at this point to the indication of further de ⁇ tails.
  • the heat sink 1 has a collector region 50 with one or more inputs 53, a volume 52 and at least one output 51. After passing ⁇ flow of the flow channels 23, the coolant 2 passes through one or more, also not shown in detail inputs 53 in the volume 52 of the collector region 50. From there, the coolant 2 through the output 51 of the collec- ler Schemes 50 fed a coolant sink (not Darge ⁇ asserted).
  • Both the distributor region 40 and the collector region 50 can be realized, for example, in each case with the aid of a correspondingly shaped profile piece 44, 54.
  • This may include the Pro ⁇ fil foundede 44, 54 have a U-shaped cross section, as shown in Fig. 1
  • the ends 11 11 ", 21 21" of the cover plate 11 and the conduit sheet 21 are placed between the respective U-legs, so that the coolant 2 is not free, but only through the various inputs and Aus ⁇ ⁇ outlets 41, 43, 51, 53 from the or in the respective volume 42, 52 of the manifold and collector region 40, 50 can get into or out of the flow channels 23.
  • the manifold region 40 and the collector region 50 and the corresponding profile sections 44, 54 can with the sheets 11, 21 eg. By welding or mechanical clamping ver ⁇ be prevented.
  • distri ⁇ LER and collector region 40, 50 is not by means of profile pieces rea ⁇ larra. Instead form openings or corresponding An ⁇ conclusions in the cover plate 11 and / or in the conduit plate 21, the inputs and outputs 41, 51, through which the coolant 2 passes directly into or out of a volume 42, 52 between cover plate 11 and conduit plate 21 in order to be supplied from there to the Strömungskanä ⁇ len 23.
  • the use of separate Pro ⁇ fil Cultureen is not necessary in this case.
  • the general structure of the heat sink 1 comprises a manifold portion 40, one or more flow ⁇ channels 23 and a collector region 50 thus described is all exporting ⁇ approximately examples in common, that is, these features are also found in those explained in connection with the remaining figures
  • Heat sinks also include all embodiments, that on the one hand, the coolant 2 through the shapes of the respective different components of the heat sink. 1 is distributed uniformly in the flow channels 23 and on the other turbulent flow conditions in the Strömungska ⁇ nels 23 are generated.
  • FIG. 2 shows a plan view of the plane designated by II in FIG. It can be seen that the conducting lamina 21 is constructed such that a meander-shaped Strö ⁇ flow duct 23 forms through which the coolant is passed from the 2 distri ⁇ ler Scheme 40 to the collector region 50th
  • the 2 shows a comparatively simple design of the line ⁇ sheet 21. Other shapes, in which for example.
  • FIGS. 3 and 4 show a second embodiment of the cooling ⁇ body 1.
  • Figure 3 shows a lateral cross section of the cooling body 1, while Figure 4 is a plan view.
  • Cover plate 11 is used.
  • the cover plate 11 is brought into contact with the component 100 to be cooled, so that a heat flow from the component 100 to the heat sink 1 can take place. This results in a cooling effect on the component 100.
  • the cover plate 11 corresponds in shape and function to the in connexion to ⁇ already explained with FIG 1 the cover plate. 11
  • the second layer 20 has two components 21, 22, wherein one of the components 21 is again a flow distributor 21 and the further component 22 is a frame 22.
  • the frame is not shown in FIG. In FIG 4, the frame 22 is shown only with the aid of the dashed line, since the frame 22 in plan view by the cover plate 21 ver ⁇ covers.
  • the third layer 30 comprises a preferably flat bottom plate 31, which is substantially performs the function on the seal the cooling ⁇ body 1 to the side facing away from component to be cooled 100, and thus to prevent leakage of the coolant.
  • the flow distributor 21 may in configuration and function correspond to the associated with the FIG 1 described Strömungsver ⁇ divider 21, that is, it may be formed as a conducting lamina 21 from ⁇ , eg. As corrugated metal or embossing plate, so that in the assembled state of the heat sink 1 again form cavities between the cover plate 11 and the conduit plate 21.
  • the conduit plate 21 would thus have a shape ⁇ tion, ie, a shape and / or surface structure, aufwei ⁇ sen, which causes one or more flow channels 23 are formed between the cover 11 and flow distributor ⁇ 21, when the flow distributor 21 with the cover plate 11th is associated.
  • the same can gel ⁇ th, that will also flow channels 23 may be located, in which the coolant 2 from the distribution area 40 can be initiated tet confirmed for the Be ⁇ range between flow distributor 21 and base plate 31st
  • the frame 22 is formed from one or more sheets and serves to prevent the coolant 2 from leaking laterally in the x- / y-direction from the heat sink 1, while the cover plate 11 and the bottom plate 31 to be described below the third layer 30 cause a seal of the heat sink 1 in the z-direction.
  • the frame 22 with the cover ⁇ sheet 11 and the bottom plate 31 is fluid-tightly connected, so that frame 22, cover plate 11 and base plate 31 form a volume in which the flow distributor is arranged 21st
  • the fluid-tight connection will be ⁇ werkstelligt by welding.
  • the presence of the frame 22 now allows the Strö ⁇ mung distribution as shown in FIG 3 21 as Metallwol ⁇ le or metal nonwoven can be formed, as in the second and in the third embodiment, a lateral sealing off of the heat sink 1 by the Frame 22 is ensured, while the lateral seal in the first Ausure ⁇ tion form by the flow distributor 21 itself scored ⁇ de. Sealing would not be possible with a flow distributor 21 in the form of metal wool or a metal fleece alone. Metal wool such as a metal fleece has ty ⁇ pisch enough, a porous structure with a large number of microchannels.
  • microchannels meet in this exporting ⁇ approximate form the functions of the flow channels 23.
  • various Fully ⁇ staltungen the flow distributor 21 can be combined.
  • the cavities between the flow distributor in the form of a conduit plate and the cover plate metal wool or a metal fleece can be positioned. This results in that the turbulent flow behaves ⁇ nit be further enhanced in the cavities.
  • the heat sink 1 of the second embodiment also has a distributor region 40 and a collector region 50.
  • the Verteilerbe ⁇ rich 40 is in turn connected to a coolant source (not shown) from which the coolant 2 passes through an on ⁇ gang 41 of the manifold portion 40 into a volume 42, from which it hineued about one or more, in FIG 4 - Tete outputs 43 to the flow distributor 21 and in the Strö ⁇ mungskanäle 23 passes.
  • Both the manifold region 40 and the collector region 50 may, for example also in the second embodiment.
  • Respectively by means of a correspondingly shaped profile piece 44, 54 may be reali ⁇ Siert.
  • the profile pieces 44, 54 have a U-shaped cross section and the ends 11 11 ", 31 31" of the cover plate 11 and the bottom plate 31 are between placed the respective U-legs, so that the coolant 1 is not free, but only through the various inputs and outputs 41, 43, 51, 53 in or out of the respective Volu ⁇ men 42, 52 of the distributor and collector area 40th , 50 can arrive.
  • the distributor region 40 and the collector region 50 or the corresponding profile pieces 44, 54 can be connected to the metal sheets 11, 31, for example by welding or mechanical clamping.
  • the frame 22 in the corresponding areas of the heat sink 1 recesses and the profile pieces 44, 54 fill these recesses, to ultimately one Part of the frame 22 to form.
  • sheets and profile pieces 44, 54 alternate.
  • distributor and collector areas 40, 50 are again not realized by separate profile pieces. Instead, openings or corresponding connections in the cover plate 11 and / or in the bottom plate 31, the inputs and outputs 41, 51, through which thedemit ⁇ tel 2 directly into or out of a volume 42, 52 between cover plate 11 and floor panel 31 passes to be supplied from there to the Strö ⁇ mungskanälen 23.
  • the use of sepa ⁇ rate profile pieces is not necessary in this case and the frame 22 is completely circumferential without interruptions by profile pieces.
  • the frame 22 may here be formed by a single sheet metal strip which is bent or shaped in order to form the volume for the flow distributor 21 in cooperation with the cover plate 11 and the bottom plate 31.
  • the frame 22 of individual connected pieces of sheet may be composed with each other fluid-tightly, which are arranged in the same manner ⁇ between cover plate 11 and base plate 31 to form the volume of the flow distributor 21st
  • the Figures 5 and 6 show a third embodiment of the cooling ⁇ body 1.
  • the refrigerator body 1 has in the third execution ⁇ form again three layers 10, 20, 30, wherein the second La ⁇ ge 20 unlike the second embodiment, even two levels 20a, 20b.
  • the first layer 10 is as in the first and in the second embodiment, the flat top plate 11 ⁇ use.
  • the third layer 30 is a base plate as in the two ⁇ th embodiment 31. Since top plate 11 and bottom plate 31 perform the same functions as in the presence embodiments thereof will be omitted at this point a tie ⁇ fer detailed description of these components.
  • FIG. 5 shows a lateral cross section of the heat sink 1
  • FIG. 6 and FIG. 7 show plan views of sections of the second layer 20 with the planes 20a, 20b.
  • the plane is shown 20b dashed using Li ⁇ England and the distributor 40 and collector region 50 are only schematically indicated
  • the levels 20a, 20b are each designed as perforated plates 24, 25 reali ⁇ Siert and form the flow distributor 21 This may, for example, be commercially available perforated sheets.
  • Both hole ⁇ plates 24, 25 have a plurality of holes 26, 27, wherein the perforated plates 24, 25 are arranged relative to each other so that the holes 26, 27 partially overlap. This ensures that a fluid, in the present case, the coolant 2, for example.
  • a corresponding Verteilerbe are ⁇ rich 40 also in the third embodiment and a corresponding collector portion 50 vorgese ⁇ hen. It can be seen in FIG. 5 that the coolant 2 flows from the volume 42 of the distributor region 40 into at least one of the Holes 27 of the perforated plate 25 in the lower level 20 b passes. This hole 27 overlaps with two or more further Lö ⁇ holes 26 of the perforated plate 24 in the upper level 20a, so that the coolant 2 can spread accordingly.
  • Each hole in one of the planes 20a, 20b must accordingly with at least two holes of the respective other plane 20b overlap 20a so as to ensure that the coolant 2 27 can propagate to the collector region 50 by the distri ⁇ ler Scheme 40 via the holes 26.
  • the partially overlapping holes thus form one or more flow channels 23.
  • the coolant 2 can be in two levels 20a, 20b respectively in the two perforated plates 24, 25 spread evenly, and not only along a quasi-one-dimensional Ka ⁇ Nals. The latter case is shown in FIG.
  • the holes 26, 27 in the perforated plates 24, 25 are preferably arranged on a regular grid, the holes 26, 27 have specific radii for each level and certain distances to ⁇ each other.
  • the grid and the radii and spacings of the holes are ideally identical for both perforated plates 24, 25.
  • identical ⁇ diagram hole plates can be used which have to be mounted offset of ⁇ only gegeneinan to obtain the arrangement with partially overlapping holes described above.
  • the second layer 20 has one or more further planes or, correspondingly, one or more additional perforated plates (not shown).
  • the perforated plates of the planes would then be arranged such that the holes of directly adjacent or mutually angren ⁇ zender perforated plates partially overlap.

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Abstract

Der Kühlkörper zum Kühlen eines Bauteils weist eine erste und eine zweite Lage auf, wobei die erste Lage ein Deckblech, welches mit dem zu kühlenden Bauteil in thermischen Kontakt zu bringen ist, und die zweite Lage einen Strömungsverteiler mit zumindest einem Strömungskanal aufweist. Der Strömungskanal ist ausgebildet, um ein Kühlmittel von einem Verteilerbereich des Kühlkörpers zu einem Sammlerbereich des Kühlkörpers zu führen. Dabei ist der Strömungskanal derart angeordnet, dass das Kühlmittel beim Durchströmen des Strömungskanals zumindest zeitweise in thermischem Kontakt mit dem Deckblech ist, so dass ein Wärmestrom zwischen Deckblech und Kühlmittel stattfinden kann. Der Kühlkörper zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund seiner einfachen Konstruktion zu seiner Herstellung im Wesentlichen einfach herzustellende bzw. günstig zu erwerbende Bleche verwendet werden. Die Herstellungskosten bleiben daher niedrig, gleichzeitig erreicht der Kühlkörper aber aufgrund seiner vorteilhaften Konstruktion eine gute Kühleffizienz.

Description

Beschreibung Kühlkörper Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper, insbesondere zum Kühlen eines im Bereich der Leistungselektronik verwendeten Bauteils .
In diversen technischen Anwendungsgebieten kann es beim Be- trieb von elektronischen Bauteilen zu enormer Wärmeentwick¬ lung kommen. Um die elektronischen Bauteile vor Beschädigun¬ gen zu schützen, muss die Wärme mit Hilfe entsprechender Vor¬ richtungen vom Bauteil abgeführt werden. Dabei können die Vorrichtungen das Prinzip einer aktiven Kühlung einsetzen oder aber passive Kühlkörper verwenden, welche mit Hilfe ei¬ ner möglichst großen Oberfläche einen großen Wärmestrom er¬ möglichen .
Ein Großteil von bspw. in der Leistungselektronik zum Einsatz kommenden Kühlkörpern wird aus metallischen Werkstoffen durch abtragende Fertigungsverfahren hergestellt. Als Alternative hierzu existieren auch Kühlkörper aus stranggepressten Profi¬ len, welche insbesondere zur Luftkühlung eingesetzt werden. Beide Arten von Kühlkörpern, die bspw. in Form von Aluminium¬ profilen realisiert sein können, sind zwar relativ leistungs¬ fähig und erzielen eine gute Kühlwirkung bzw. Wärmeabfuhr, jedoch sind die Herstellungsverfahren vergleichsweise kost¬ spielig. Zudem steigen die Herstellungskosten pro Stück über- proportional, wenn kleinere Stückzahlen gefertigt werden sol¬ len .
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kostengünstig herstellbaren Kühlkörper vorzuschlagen, der ei- ne ausreichende Kühlwirkung gewährleistet. Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkörper mit den Merkmalen in Anspruch 1. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vor¬ teilhafte Ausgestaltungen.
Der Kühlkörper zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund sei¬ ner einfachen Konstruktion zu seiner Herstellung im Wesentli¬ chen einfach herzustellende bzw. günstig zu erwerbende Bleche verwendet werden, im Unterschied zur Verwendung der strangge- pressten Profile oder der oben beschriebenen Teile, die mit¬ tels der abtragenden Fertigungsverfahren hergestellt sind. Die Herstellungskosten bleiben daher niedrig, gleichzeitig erreicht der Kühlkörper aber aufgrund seiner vorteilhaften Konstruktion eine gute Kühleffizienz.
Der Kühlkörper zum Kühlen eines Bauteils weist zumindest eine erste und eine zweite Lage auf, wobei die erste Lage ihrer¬ seits ein Deckblech aufweist, welches mit dem zu kühlenden Bauteil in Kontakt zu bringen ist, so dass ein Wärmestrom zwischen Bauteil und Kühlkörper stattfinden kann. Die zweite Lage weist einen Strömungsverteiler mit zumindest einem Strö¬ mungskanal auf, wobei der Strömungskanal ausgebildet ist, um ein Kühlmittel von einem Verteilerbereich des Kühlkörpers zu einem Sammlerbereich des Kühlkörpers zu führen. Dabei ist der Strömungskanal derart angeordnet, dass das Kühlmittel beim Durchströmen des Strömungskanals zumindest zeitweise in ther¬ mischem Kontakt mit dem Deckblech ist, so dass ein Wärmestrom zwischen Deckblech und Kühlmittel stattfinden kann.
Der Verteilerbereich weist einen Eingang zur Zuführung des Kühlmittels zum Verteilerbereich und damit zum Kühlkörper so¬ wie einen Ausgang zur Zuführung des Kühlmittels aus dem Ver¬ teilerbereich zum Strömungsverteiler und in den Strömungska¬ nal auf. Der Sammlerbereich weist einen Eingang zur Zuführung des Kühlmittels aus dem Strömungsverteiler und aus dem Strö¬ mungskanal in den Sammlerbereich sowie einen Ausgang zur Ab¬ führung des Kühlmittels aus dem Sammlerbereich und damit aus dem Kühlkörper auf. In einer vorteilhaften Variante weist der Kühlkörper eine dritte Lage auf, wobei die zweite Lage den Strömungsverteiler sowie einen Rahmen umfasst und zwischen der ersten Lage und der dritten Lage angeordnet ist. Die dritte Lage weist ein Bodenblech auf, welches im Zusammenwirken mit dem Deckblech der ersten Lage und dem Rahmen der zweiten Lage einen zumin¬ dest teilweise hohlen Raum bildet und fluiddicht einschließt, in dem der Strömungsverteiler angeordnet ist. Die drei Lagen sind dabei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
Der Strömungsverteiler kann ein Metallgewebe, d.h. ein Me¬ tallvlies oder Metallwolle, mit einer Vielzahl von Mikrokanä- len aufweisen, wobei die Mikrokanäle eine Vielzahl von Strö¬ mungskanälen für das Kühlmittel bilden.
Alternativ kann die zweite Lage zumindest eine erste Ebene mit einem ersten Lochblech und eine zweite Ebene mit einem zweiten Lochblech aufweisen, wobei die Lochbleche im Wesent¬ lichen parallel zueinander sowie zu Deckblech und Bodenblech angeordnet sind und gemeinsam den Strömungsverteiler bilden.
Jedes der Lochbleche weist eine Vielzahl von Löchern auf, wo¬ bei die Lochbleche relativ zueinander derart angeordnet sind, dass sich Löcher des ersten Lochblechs und Löcher des zweiten Lochblechs teilweise überlappen, so dass die dadurch entste¬ hende Aneinanderreihung von Löchern des ersten Lochblechs und des zweiten Lochblechs den Strömungskanal vom Verteilerbe¬ reich zum Sammlerbereich bildet, so dass das Kühlmittel vom Verteilerbereich über die Aneinanderreihung von Löchern zum Sammlerbereich gelangen kann.
Jedes Loch von einer Vielzahl von Löchern des ersten Loch¬ blechs überlappt vorteilhafterweise mit zumindest drei Lö¬ chern des zweiten Lochblechs. Hierdurch wird erreicht, dass sich das Kühlmittel in beiden Ebenen bzw. in beiden Lochble¬ chen gleichmäßig ausbreiten kann, und nicht lediglich entlang eines quasi eindimensionalen Kanals. Die Löcher des ersten Lochblechs und des zweiten Lochblechs sind jeweils auf einem regelmäßigen Raster angeordnet, d.h. die Löcher haben bestimmte Ausmaße, bspw. für den Fall, dass sie rund sind, bestimmte Radien, sowie bestimmte Abstände zu- einander. Dabei sind die Raster sowie die Ausmaße und Abstän¬ de der Löcher idealerweise für beide Lochbleche identisch. Zur Montage des Kühlkörpers können demnach identische Loch¬ bleche verwendet werden, die lediglich gegeneinander versetzt montiert werden müssen, um die oben beschriebene Anordnung mit teilweise überlappenden Löchern zu erzielen.
IN den verschiedenen Ausführungsformen können der Verteiler¬ bereich und/oder der Sammlerbereich jeweils ein Profilstück mit U-förmigem Querschnitt aufweisen, wobei Enden des Deck- blechs und des Bodenblechs zwischen den jeweiligen U-
Schenkeln des jeweiligen Profilstücks derart platziert sind, dass das Kühlmittel nicht frei, sondern nur durch die ent¬ sprechenden Ein- und/oder Ausgänge in das bzw. aus dem jewei¬ ligen Volumen des Verteiler- und Sammlerbereichs gelangen kann.
Der Strömungsverteiler kann in einer Ausführungsform ein Lei¬ tungsblech mit einer Formgebung aufweisen, d.h. eine Form und/oder Oberflächenstruktur, die sich von einer Formgebung des Deckblechs derart unterscheidet, dass sich bei einer Ver¬ bindung des Deckblechs mit dem Leitungsblech zwischen Deck¬ blech und Leitungsblech zumindest ein Hohlraum ausbildet, welcher den Strömungskanal bildet. Hierzu muss im Allgemeinen gewährleistet sein, dass die Form des Leitungsblechs und die Form des Deckblechs unterschiedlich sind, so dass sich im zu¬ sammengebauten Zustand Hohlräume zwischen dem Deckblech und dem Leitungsblech ausbilden, die miteinander in Verbindung stehen und so einen Strömungskanal bilden. Das Leitungsblech ist mit dem Deckblech derart Stoffschlüssig verbunden, bspw. verlötet oder verschweißt, dass das Lei¬ tungsblech und das Deckblech den Hohlraum fluiddicht ein¬ schließen, so dass das Kühlmittel den so zwischen dem Deck- blech und dem Leitungsblech gebildeten Raum nur über die Aus¬ gänge und Eingänge des Verteilerbereichs und des Sammlerbe¬ reichs verlassen kann. Das Leitungsblech kann bspw. ein Wellblech oder ein Präge¬ blech sein. Derartige Bleche sind vergleichsweise leicht her¬ zustellen und günstig in großen Stückzahlen zu erwerben. Dem¬ entsprechend kann der Kühlkörper günstig hergestellt werden.
Der Stromungskanal ist vorteilhafterweise derart ausgestaltet ist, dass sich das Kühlmittel gleichmäßig im Strömungskanal verteilt, so dass sämtliche Bereiche der Strömungskanäle mit Kühlmittel versorgt werden. Weiterhin ist der Strömungskanal derart ausgestaltet, dass sich turbulente Strömungsverhält¬ nisse des Kühlmittels ausbilden. Durch diese Maßnahmen wird die Kühleffizienz des Kühlkörpers weiter verbessert.
Erfindungsgemäß wird demnach ein Kühlkörperdesign vorgeschla¬ gen, bei dem handelsübliche Blecherzeugnisse verwendet wer¬ den, welche in großer Stückzahl und zu niedrigen Kosten ver¬ fügbar sind. Die Blecherzeugnisse werden dabei so ausgewählt, dass deren Oberflächenmuster bzw. deren Formgebung eine vor¬ teilhafte Strömungsführung des Kühlmittels erlauben. Durch die Verwendung von in Massen produzierten Standardteilen kön¬ nen die Materialkosten deutlich reduziert werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nun¬ mehr anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen eine seitliche Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform des Kühlkörpers, eine Draufsicht auf die in der FIG 1 mit II be¬ zeichnete Ebene, eine seitliche Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform des Kühlkörpers, FIG 4 eine Draufsicht auf die zweite Ausführungsform des Kühlkörpers ,
FIG 5 eine seitliche Querschnittsansicht einer dritten
Ausführungsform des Kühlkörpers,
FIG 6 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Strö¬ mungsverteilers der dritten Ausführungsform des Kühlkörpers ,
FIG 7 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt eines alterna¬ tiven Strömungsverteilers der dritten Ausführungs form des Kühlkörpers, Gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren kennzeichnen gleiche Komponenten.
Die FIG 1 zeigt einen seitlichen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines Kühlkörpers 1. Der Kühlkörper 1 ist in dieser Ausführungsform im Wesentlichen zweilagig aufgebaut und weist als erste Lage 10 ein flaches Deckblech 11 auf, welches mit dem zu kühlenden Bauteil 100 in Kontakt gebracht wird, so dass ein Wärmestrom vom Bauteil 100 zum Kühlkörper 1 stattfinden kann. Dies resultiert in einer Kühlungswirkung auf das Bauteil 100.
Das Deckblech 11 ist wie bereits erwähnt flach. Eine optimale Kühlwirkung wird dann erreicht, wenn die Berührungsfläche zwischen dem Deckblech 11 und dem zu kühlenden Bauteil 100 maximal ist, so dass eine gute thermische Kontaktierung mit dem Bauteil 100 erzielt wird. Demzufolge ist die Form des Deckblechs 11, insbesondere die Form der dem Bauteil 100 zu¬ gewandten, äußeren Oberfläche 12 des Deckblechs 11, im Ideal¬ fall an die Form der äußeren Oberfläche 101 des Bauteils 100 im Kontaktbereich zwischen Bauteil 100 und Deckblech 11 ange- passt. Dabei beschreibt der Kontaktbereich denjenigen Bereich der Oberfläche 101 des Bauteils 100, mit dem das Deckblech 11 des Kühlkörpers 1 in thermischem Kontakt ist. Mit anderen Worten umfasst der Begriff „flaches Deckblech" also, dass die Form des Deckblechs 11 der Form der äußeren Oberfläche 101 des Bauteils 100 im Kontaktbereich entspricht. In der Folge ist also die Berührungsfläche zwischen dem Deckblech 11 und dem Bauteil 100 maximal. Ist also die Oberfläche 101 des Bau¬ teils 100 bspw. konvex geformt, so wird auch das Deckblech 11 bzw. zumindest dessen Oberfläche 12 eine konvexe Form haben, wobei die Krümmungsradien der Bauteiloberfläche 101 und des Deckblechs 11 im Wesentlichen übereinstimmen.
Die zweite Lage 20 des Kühlkörpers 1 weist einen Strömungs¬ verteiler 21 in Form eines Leitungsbleches 21 auf, welches bspw. ein Wellblech oder ein Prägeblech sein kann. Das Lei¬ tungsblech 21 weist eine Formgebung auf, d.h. eine Form und/oder Oberflächenstruktur, die bewirkt, dass zwischen
Deckblech 11 und Leitungsblech 21 ein oder mehrere Strömungs¬ kanäle 23 gebildet werden, wenn das Leitungsblech 21 mit dem Deckblech 11 in Verbindung gebracht wird. Hierzu muss im All¬ gemeinen gewährleistet sein, dass die Form des Leitungsblechs 21 und die Form des Deckblechs 11 unterschiedlich sind, so dass sich im zusammengebauten Zustand zumindest teilweise zu¬ sammenhängende Hohlräume zwischen dem Deckblech 11 und dem Leitungsblech 21 ausbilden, welche als Strömungskanäle 23 zum Leiten eines Kühlmittels 2 genutzt werden können. Die Strö- mungskanäle 23 können miteinander in Verbindung stehen und/oder es können mehrere unabhängige Strömungskanäle 23 re¬ alisiert sein. Im Falle einer Ausbildung als Prägeblech be¬ steht die entsprechende Prägung bevorzugt aus zylinderförmi¬ gen bzw. scharfkantigen Noppen, um Zonen geringer Strömungs- geschwindigkeit zu vermeiden.
Im zusammengebauten Zustand des Kühlkörpers 1 ist das Lei¬ tungsblech 21 mit dem Deckblech 11 verbunden. Hierzu können die Bleche 11, 21 bspw. miteinander verschraubt, verklebt, verschweißt oder verlötet sein. Insbesondere eine stoff¬ schlüssige Verbindung, bspw. eine Lötverbindung, bietet den Vorteil eines guten thermischen Kontakts und damit einer wei¬ teren Verbesserung der Wärmeabführung vom Bauteil 100. Im zu- sammengebauten Zustand werden aufgrund der Formgebungen des Leitungsblechs 21 und des Deckblechs 11 die Strömungskanäle 23 gebildet. Die Verbindung der Bleche 11, 21 miteinander führt unter anderem dazu, dass das Kühlmittel 2 die Strö- mungskanäle 23 nicht über unerwünschte Wege verlassen kann, sondern nur über den im folgenden zu beschreibenden Sammler¬ bereich 50.
Der Kühlkörper 1 weist desweiteren einen Verteilerbereich 40 mit zumindest einem Eingang 41, einem Volumen 42 und einem oder mehreren Ausgängen 43 auf. Der Verteilerbereich 40 ist mit einer Kühlmittelquelle verbunden (nicht dargestellt) , von der das Kühlmittel 2 über den Eingang 41 in das Volumen 42 gelangt, von dem aus es über einen oder mehrere, nicht im De- tail dargestellte Ausgänge 43 in den oder die Strömungskanäle 23 verteilt wird.
Durch die Formgebung des Deckblechs 11 im Zusammenwirken mit dem Leitungsblech 21 wird erreicht, dass sich das Kühlmittel 2 gleichmäßig in den Strömungskanälen 23 verteilt, so dass sämtliche Bereiche der Strömungskanäle 23 mit Kühlmittel 2 versorgt werden. Des Weiteren sind die Formgebungen der Ble¬ che 11, 21 so gewählt, dass sich turbulente Strömungsverhält¬ nisse in den Strömungskanälen 23 ausbilden. Da davon ausge- gangen werden kann, dass hinlänglich bekannt ist, mit welchen Mitteln und Maßnahmen die gleichmäßige Verteilung sowie die turbulenten Strömungsverhältnisse erzielt werden können, wird der Kürze wegen an dieser Stelle auf die Angabe weiterer De¬ tails verzichtet.
Neben dem Verteilerbereich 40 weist der Kühlkörper 1 einen Sammlerbereich 50 mit einem oder mehreren Eingängen 53, einem Volumen 52 und zumindest einem Ausgang 51 auf. Nach Durch¬ strömen der Strömungskanäle 23 gelangt das Kühlmittel 2 durch einen oder mehrere, ebenfalls nicht im Detail dargestellte Eingänge 53 in das Volumen 52 des Sammlerbereichs 50. Von dort aus wird das Kühlmittel 2 über den Ausgang 51 des Samm- lerbereichs 50 einer Kühlmittelsenke zugeführt (nicht darge¬ stellt) .
Sowohl der Verteilerbereich 40 als auch der Sammlerbereich 50 können bspw. jeweils mit Hilfe eines entsprechend geformten Profilstücks 44, 54 realisiert werden. Hierzu können die Pro¬ filstücke 44, 54 einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wie in der FIG 1 dargestellt. Die Enden 11 11", 21 21" des Deckblechs 11 und des Leitungsblechs 21 werden zwischen den jeweiligen U-Schenkeln platziert, so dass das Kühlmittel 2 nicht frei, sondern nur durch die verschiedenen Ein- und Aus¬ gänge 41, 43, 51, 53 aus dem bzw. in das jeweiligen Volumen 42, 52 des Verteiler- und Sammlerbereichs 40, 50 in die bzw. aus den Strömungskanälen 23 gelangen kann.
Der Verteilerbereich 40 und der Sammlerbereich 50 bzw. die entsprechenden Profilstücke 44, 54 können mit den Blechen 11, 21 bspw. durch Verschweißen oder mechanisches Verklemmen ver¬ bunden werden.
In einer alternativen, einfacheren Ausgestaltung sind Vertei¬ ler- und Sammlerbereich 40, 50 nicht durch Profilstücke rea¬ lisiert. Stattdessen bilden Öffnungen bzw. entsprechende An¬ schlüsse im Deckblech 11 und/oder im Leitungsblech 21 die Ein- und Ausgänge 41, 51, durch die das Kühlmittel 2 direkt in ein bzw. aus einem Volumen 42, 52 zwischen Deckblech 11 und Leitungsblech 21 gelangt, um von dort den Strömungskanä¬ len 23 zugeführt zu werden. Die Verwendung von separaten Pro¬ filstücken ist in diesem Fall nicht notwendig.
Der hiermit beschriebene generelle Aufbau des Kühlkörpers 1 aus einem Verteilerbereich 40, einem oder mehreren Strömungs¬ kanälen 23 und einem Sammlerbereich 50 ist sämtlichen Ausfüh¬ rungsbeispielen gemein, d.h. diese Merkmale finden sich auch in den im Zusammenhang mit den übrigen Figuren erläuterten
Kühlkörpern. Auch beinhalten sämtliche Ausführungsbeispiele, dass zum Einen das Kühlmittel 2 durch die Formgebungen der jeweiligen verschiedenen Komponenten des Kühlkörpers 1 gleichmäßig in den Strömungskanälen 23 verteilt wird und zum Anderen turbulente Strömungsverhältnisse in den Strömungska¬ nälen 23 erzeugt werden. Die FIG 2 zeigt eine Draufsicht auf die in der FIG 1 mit II bezeichnete Ebene. Es ist zu erkennen, dass das Leitungsblech 21 derart aufgebaut ist, dass sich ein mäanderförmiger Strö¬ mungskanal 23 bildet, durch den das Kühlmittel 2 vom Vertei¬ lerbereich 40 zum Sammlerbereich 50 geleitet wird. Die FIG 2 zeigt eine vergleichsweise einfache Formgebung des Leitungs¬ blechs 21. Andere Formgebungen, bei denen sich bspw. eine kompliziertere Verästelung des Strömungskanals 23 bildet oder bei denen mehrere voneinander unabhängige Strömungskanäle vorhanden sind, sind natürlich denkbar. In der FIG 2 sind zur Orientierung die Begrenzungen des Deckblechs 11 lediglich mit Hilfe gestrichelter Linien angedeutet, wobei die Bezugszei¬ chen 11 x und 11" die in den Verteilerbereich 40 bzw. in den Sammlerbereich 50 ragenden Enden des Deckblechs 11 bezeich¬ nen .
Die FIG 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform des Kühl¬ körpers 1. Die FIG 3 zeigt einen seitlichen Querschnitt des Kühlkörpers 1, während FIG 4 eine Draufsicht darstellt. Der Kühlkörper 1 weist in der zweiten Ausführungsform drei Lagen 10, 20, 30 auf, wobei als erste Lage 10 wiederum das flache
Deckblech 11 Verwendung findet. Das Deckblech 11 wird mit dem zu kühlenden Bauteil 100 in Kontakt gebracht, so dass ein Wärmestrom vom Bauteil 100 zum Kühlkörper 1 stattfinden kann. Dies resultiert in einer Kühlungswirkung auf das Bauteil 100. Das Deckblech 11 entspricht in Form und Funktion dem im Zu¬ sammenhang mit der FIG 1 bereits erläuterten Deckblech 11.
Die zweite Lage 20 weist zwei Komponenten 21, 22 auf, wobei eine der Komponenten 21 wiederum ein Strömungsverteiler 21 und die weitere Komponente 22 ein Rahmen 22 ist. Der Rahmen ist in FIG 3 nicht dargestellt. In FIG 4 ist der Rahmen 22 lediglich mit Hilfe der gestrichelten Linie dargestellt, da der Rahmen 22 in der Draufsicht durch das Deckblech 21 ver¬ deckt ist.
Die dritte Lage 30 weist ein bevorzugt flaches Bodenblech 31 auf, welches im Wesentlichen die Funktion erfüllt, den Kühl¬ körper 1 auf der dem zu kühlenden Bauteil 100 abgewandten Seite abzudichten und so ein Austreten des Kühlmittels 2 zu verhindern . Der Strömungsverteiler 21 kann in Ausgestaltung und Funktion dem im Zusammenhang mit der FIG 1 beschriebenen Strömungsver¬ teiler 21 entsprechen, d.h. er kann als Leitungsblech 21 aus¬ gebildet sein, bspw. als Wellblech oder als Prägeblech, so dass sich im zusammengebauten Zustand des Kühlkörpers 1 wie- der Hohlräume zwischen dem Deckblech 11 und dem Leitungsblech 21 ausbilden. Das Leitungsblech 21 würde also eine Form¬ gebung, d.h. eine Form und/oder Oberflächenstruktur, aufwei¬ sen, die bewirkt, dass zwischen Deckblech 11 und Strömungs¬ verteiler 21 ein oder mehrere Strömungskanäle 23 gebildet werden, wenn der Strömungsverteiler 21 mit dem Deckblech 11 in Verbindung gebracht wird. Gleiches kann auch für den Be¬ reich zwischen Strömungsverteiler 21 und Bodenblech 31 gel¬ ten, d.h. auch hier können sich Strömungskanäle 23 befinden, in die das Kühlmittel 2 aus dem Verteilerbereich 40 eingelei- tet werden kann.
Der Rahmen 22 ist aus einem oder mehreren Blechen geformt und dient dazu, das Kühlmittel 2 daran zu hindern, seitlich in x- /y-Richtung aus dem Kühlkörper 1 auszutreten, während das Deckblech 11 und das im folgenden zu beschreibende Bodenblech 31 der dritten Lage 30 eine Abdichtung des Kühlkörpers 1 in z-Richtung bewirken. Hierzu ist der Rahmen 22 mit dem Deck¬ blech 11 sowie mit dem Bodenblech 31 fluiddicht verbunden, so dass Rahmen 22, Deckblech 11 und Bodenblech 31 ein Volumen bilden, in dem der Strömungsverteiler 21 angeordnet ist.
Bspw. kann die fluiddichte Verbindung durch Verschweißen be¬ werkstelligt werden. Das Vorhandensein des Rahmens 22 erlaubt nun, dass der Strö¬ mungsverteiler 21 wie in der FIG 3 dargestellt als Metallwol¬ le oder Metallvlies ausgebildet sein kann, da in der zweiten sowie auch in der dritten Ausführungsform eine seitliche Ab- dichtung des Kühlkörpers 1 durch den Rahmen 22 gewährleistet ist, während die seitliche Abdichtung in der ersten Ausfüh¬ rungsform durch den Strömungsverteiler 21 selbst erzielt wur¬ de. Eine Abdichtung wäre mit einem Strömungsverteiler 21 in Form von Metallwolle oder einem Metallvlies allein nicht rea- lisierbar. Metallwolle so wie auch ein Metallvlies weist ty¬ pischerweise eine poröse Struktur mit einer großen Anzahl von Mikrokanälen auf. Die Mikrokanäle erfüllen in dieser Ausfüh¬ rungsform die Funktionen der Strömungskanäle 23. In einer speziellen Weiterbildung können verschiedenen Ausge¬ staltungen des Strömungsverteilers 21 miteinander kombiniert werden. Bspw. kann in einigen oder allen Hohlräumen zwischen dem Strömungsverteiler in Form eines Leitungsblechs und dem Deckblech Metallwolle oder ein Metallvlies positioniert wer- den. Dies führt dazu, dass die turbulenten Strömungsverhält¬ nisse in den Hohlräumen weiter verstärkt werden.
Wie im Zusammenhang mit der FIG 1 erläutert, weist auch der der Kühlkörper 1 der zweiten Ausführungsform einen Verteiler- bereich 40 und einen Sammlerbereich 50 auf. Der Verteilerbe¬ reich 40 ist wiederum mit einer Kühlmittelquelle verbunden (nicht dargestellt) , von der das Kühlmittel 2 über einen Ein¬ gang 41 des Verteilerbereichs 40 in ein Volumen 42 gelangt, von dem aus es über einen oder mehrere, in der FIG 4 angedeu- tete Ausgänge 43 zum Strömungsverteiler 21 und in die Strö¬ mungskanäle 23 gelangt.
Sowohl der Verteilerbereich 40 als auch der Sammlerbereich 50 können auch in der zweiten Ausführungsform bspw. jeweils mit Hilfe eines entsprechend geformten Profilstücks 44, 54 reali¬ siert sein. Hierzu können die Profilstücke 44, 54 einen U- förmigen Querschnitt aufweisen und die Enden 11 11", 31 31" des Deckblechs 11 und des Bodenblechs 31 werden zwischen den jeweiligen U-Schenkeln platziert, so dass das Kühlmittel 1 nicht frei, sondern nur durch die verschiedenen Ein- und Ausgänge 41, 43, 51, 53 in das bzw. aus dem jeweiligen Volu¬ men 42, 52 des Verteiler- und Sammlerbereichs 40, 50 gelangen kann. Der Verteilerbereich 40 und der Sammlerbereich 50 bzw. die entsprechenden Profilstücke 44, 54 können mit den Blechen 11, 31 bspw. durch Verschweißen oder mechanisches Verklemmen verbunden werden. Für den Fall, dass der Verteilerbereich 40 bzw. der Sammler¬ bereich 50 durch Profilstücke 44, 54 realisiert sind, weist der Rahmen 22 in den entsprechenden Bereichen des Kühlkörpers 1 Aussparungen auf und die Profilstücke 44, 54 selbst füllen diese Aussparungen, um letztlich einen Teil des Rahmens 22 zu bilden. In einer Bewegungsrichtung entlang des Rahmens in der x/y-Ebene, werden sich also Bleche und Profilstücke 44, 54 abwechseln .
In der alternativen, einfacheren Ausgestaltung sind Vertei- 1er- und Sammlerbereich 40, 50 wiederum nicht durch separate Profilstücke realisiert. Stattdessen bilden Öffnungen bzw. entsprechende Anschlüsse im Deckblech 11 und/oder im Boden¬ blech 31 die Ein- und Ausgänge 41, 51, durch die das Kühlmit¬ tel 2 direkt in ein bzw. aus einem Volumen 42, 52 zwischen Deckblech 11 und Bodenblech 31 gelangt, um von dort den Strö¬ mungskanälen 23 zugeführt zu werden. Die Verwendung von sepa¬ raten Profilstücken ist in diesem Fall nicht notwendig und der Rahmen 22 ist vollständig umlaufend ohne Unterbrechungen durch Profilstücke. Der Rahmen 22 kann hier durch einen ein- zelnen Blechstreifen gebildet sein, der gebogen oder geformt ist, um im Zusammenwirken mit dem Deckblech 11 und dem Boden¬ blech 31 das Volumen für den Strömungsverteiler 21 zu bilden. Alternativ kann sich der Rahmen 22 aus einzelnen miteinander fluiddicht verbundenen Blechstücken zusammensetzen, die in gleicher Weise zwischen Deckblech 11 und Bodenblech 31 ange¬ ordnet werden, um das Volumen für den Strömungsverteiler 21 zu bilden. Die FIG 5 und 6 zeigen eine dritte Ausführungsform des Kühl¬ körpers 1. Der Kühlkörper 1 weist in der dritten Ausführungs¬ form wiederum drei Lagen 10, 20, 30 auf, wobei die zweite La¬ ge 20 im Unterschied zur zweiten Ausführungsform selbst zwei Ebenen 20a, 20b aufweist. Als erste Lage 10 findet wie in der ersten und in der zweiten Ausführungsform das flache Deck¬ blech 11 Verwendung. Die dritte Lage 30 ist wie in der zwei¬ ten Ausführungsform ein Bodenblech 31. Da Deckblech 11 und Bodenblech 31 die gleichen Funktionen erfüllen wie in den an- deren Ausführungsformen, wird an dieser Stelle auf eine tie¬ fer gehende Beschreibung dieser Komponenten verzichtet.
Die FIG 5 zeigt einen seitlichen Querschnitt des Kühlkörpers 1, während FIG 6 und FIG 7 Draufsichten auf Ausschnitte der zweiten Lage 20 mit den Ebenen 20a, 20b darstellt. Dabei ist in FIG 6 und FIG 7 die Ebene 20b mit Hilfe gestrichelter Li¬ nien dargestellt und der Verteiler- 40 und Sammlerbereich 50 sind lediglich schematisch angedeutet Die Ebenen 20a, 20b sind jeweils als Lochbleche 24, 25 reali¬ siert und bilden den Strömungsverteiler 21. Dabei kann es sich bspw. um handelsübliche Lochbleche handeln. Beide Loch¬ bleche 24, 25 weisen eine Vielzahl von Löchern 26, 27 auf, wobei die Lochbleche 24, 25 relativ zueinander so angeordnet sind, dass sich die Löcher 26, 27 teilweise überlappen. Dies gewährleistet, dass sich ein Fluid, im vorliegenden Fall das Kühlmittel 2, bspw. von einem Loch 26 des Lochblechs 24 in der oberen Ebene 20a in ein überlappendes Loch 27 des Loch¬ blechs 25 in der unteren Ebene 20b und von dort wiederum in ein weiteres überlappendes Loch 26 in der oberen Ebene 20a etc. ausbreiten kann. Die beiden Lochbleche 24, 25 bilden in der dritten Ausführungsform den Strömungsverteiler 21.
Wie in den bereits erläuterten Ausführungsformen sind auch in der dritten Ausführungsform ein entsprechender Verteilerbe¬ reich 40 sowie ein entsprechender Sammlerbereich 50 vorgese¬ hen. In der FIG 5 ist erkennbar, dass das Kühlmittel 2 vom Volumen 42 des Verteilerbereichs 40 in zumindest eines der Löcher 27 des Lochblechs 25 in der unteren Ebene 20b gelangt. Dieses Loch 27 überlappt mit zwei oder mehr weiteren der Lö¬ cher 26 des Lochblechs 24 in der oberen Ebene 20a, so dass sich das Kühlmittel 2 entsprechend ausbreiten kann. Jedes Loch in einer der Ebenen 20a, 20b muss demnach mit mindestens zwei Löchern der jeweils anderen Ebene 20b, 20a überlappen, um zu gewährleisten, dass sich das Kühlmittel 2 vom Vertei¬ lerbereich 40 über die Löcher 26, 27 zum Sammlerbereich 50 ausbreiten kann. Die teilweise überlappenden Löcher bilden somit einen oder mehrere Strömungskanäle 23.
Wie in der Anordnung gemäß FIG 6 zu erkennen ist, überlappt ein Loch in einer Ebene 20a, 20b abgesehen von den Löchern im Randbereich der Lochbleche 24, 25 nicht nur mit zweien, son- dern mit drei Löchern in der jeweils anderen Ebene 20b, 20a. Demzufolge kann sich das Kühlmittel 2 in beiden Ebenen 20a, 20b bzw. in beiden Lochblechen 24, 25 gleichmäßig ausbreiten, und nicht lediglich entlang eines quasi eindimensionalen Ka¬ nals. Letzterer Fall ist in der FIG 7 dargestellt.
Die Löcher 26, 27 in den Lochblechen 24, 25 sind bevorzugt auf einem regelmäßigen Raster angeordnet, wobei die Löcher 26, 27 je Ebene bestimmte Radien sowie bestimmte Abstände zu¬ einander haben. Dabei sind die Raster sowie die Radien und Abstände der Löcher idealerweise für beide Lochbleche 24, 25 identisch. Zur Montage des Kühlkörpers 1 können demnach iden¬ tische Lochbleche verwendet werden, die lediglich gegeneinan¬ der versetzt montiert werden müssen, um die oben beschriebene Anordnung mit teilweise überlappenden Löchern zu erzielen.
Weiterhin ist es denkbar, dass die zweite Lage 20 eine oder mehrere weitere Ebenen bzw. dementsprechend ein oder mehrere zusätzliche Lochbleche aufweist (nicht dargestellt) . Die Lochbleche der Ebenen wären dann derart angeordnet, dass sich die Löcher unmittelbar benachbarter bzw. aneinander angren¬ zender Lochbleche teilweise überlappen.

Claims

Patentansprüche
1. Kühlkörper (1) zum Kühlen eines Bauteils (100), aufweisend zumindest eine erste (10) und eine zweite Lage (20),
wobei
- die erste Lage (10) ein Deckblech (11) aufweist, welches mit dem zu kühlenden Bauteil (100) in Kontakt zu bringen ist, so dass ein Wärmestrom zwischen Bauteil (100) und Kühlkörper (1) stattfinden kann,
- die zweite Lage (20) einen Strömungsverteiler (21) mit zu¬ mindest einem Strömungskanal (23) aufweist,
wobei der Strömungskanal (23) ausgebildet ist, um ein Kühl¬ mittel (2) von einem Verteilerbereich (40) des Kühlkörpers
(I) zu einem Sammlerbereich (50) des Kühlkörpers zu führen, und wobei der Strömungskanal (23) derart angeordnet ist, dass das Kühlmittel (2) beim Durchströmen des Strömungskanals (23) zumindest zeitweise in thermischem Kontakt mit dem Deckblech
(II) ist, so dass ein Wärmestrom zwischen Deckblech (11) und Kühlmittel (2) stattfinden kann.
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Verteilerbereich (40) einen Eingang (41) zur Zuführung des Kühlmittels (2) zum Verteilerbereich (40) und zum Kühl¬ körper (1) sowie einen Ausgang zur Zuführung des Kühlmittels (2) aus dem Verteilerbereich (40) zum Strömungsverteiler (21) und in den Strömungskanal (23) aufweist, und
- der Sammlerbereich (50) einen Eingang (53) zur Zuführung des Kühlmittels (2) aus dem Strömungsverteiler (21) und aus dem Strömungskanal (23) in den Sammlerbereich (50) sowie ei- nen Ausgang (51) zur Abführung des Kühlmittels (2) aus dem Sammlerbereich (50) und aus dem Kühlkörper (1) aufweist.
3. Kühlkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine dritte Lage (30), wobei
- die zweite Lage (20) den Strömungsverteiler (21) sowie ei¬ nen Rahmen (22) aufweist und zwischen der ersten Lage (10) und der dritten Lage (30) angeordnet ist, - die dritte Lage (30) ein Bodenblech (31) aufweist, welches im Zusammenwirken mit dem Deckblech (11) der ersten Lage (10) und dem Rahmen (22) der zweiten Lage einen zumindest teilwei¬ se hohlen Raum bildet und fluiddicht einschließt, in dem der Strömungsverteiler (21) angeordnet ist.
4. Kühlkörper (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsverteiler (21) ein Metallgewebe mit einer Vielzahl von Mikrokanälen aufweist, wobei die Mikrokanäle ei- ne Vielzahl von Strömungskanälen (23) für das Kühlmittel (2) bilden .
5. Kühlkörper (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lage (20) zumindest eine erste Ebene (20a) mit einem ersten Lochblech (24) und eine zweite Ebene (20b) mit einem zweiten Lochblech (25) aufweist, wobei die Lochble¬ che (24, 25) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und gemeinsam den Strömungsverteiler (21) bilden.
6. Kühlkörper (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Lochbleche (24, 25) eine Vielzahl von Löchern (26, 27) aufweist, wobei die Lochbleche (24, 25) relativ zu¬ einander derart angeordnet sind, dass sich Löcher (25) des ersten Lochblechs (24) und Löcher (26) des zweiten Lochblechs (25) teilweise überlappen, so dass die dadurch entstehende
Aneinanderreihung von Löchern (26, 27) des ersten Lochblechs (24) und des zweiten Lochblechs (25) den Strömungskanal (23) vom Verteilerbereich (40) zum Sammlerbereich (50) bildet.
7. Kühlkörper (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Loch von einer Vielzahl von Löchern (26) des ers¬ ten Lochblechs (24) mit zumindest drei Löchern (27) des zwei¬ ten Lochblechs (25) überlappt.
8. Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Löcher (26, 27) des ersten Loch¬ blechs (24) und des zweiten Lochblechs (25) jeweils auf einem regelmäßigen Raster angeordnet sind.
9. Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (40) und/oder der Sammlerbereich (50) jeweils ein Profilstück (44, 54) mit U- förmigem Querschnitt aufweisen, wobei Enden (11 11", 21 21") des Deckblechs (11) und des Bodenblechs (31) zwischen den jeweiligen U-Schenkeln des jeweiligen Profilstücks (44, 54) platziert sind.
10. Kühlkörper (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Strömungsverteiler (21) ein Leitungsblech (21) mit einer Formgebung aufweist, die sich von einer Form¬ gebung des Deckblechs (11) derart unterscheidet, dass sich bei einer Verbindung des Deckblechs (11) mit dem Leitungs- blech (21) zwischen Deckblech (11) und Leitungsblech (21) zu¬ mindest ein Hohlraum ausbildet, welcher den Strömungskanal (23) bildet.
11. Kühlkörper (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungsblech (21) mit dem Deckblech (11) derart stoffschlüssig verbunden ist, dass das Leitungsblech und das Deckblech den Hohlraum fluiddicht einschließen.
12. Kühlkörper (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Leitungsblech (21) ein Wellblech oder eine
Prägeblech ist.
13. Kühlkörper (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da¬ durch gekennzeichnet, dass der Verteilerbereich (40) und/oder der Sammlerbereich (50) jeweils ein Profilstück (44, 54) mit U-förmigem Querschnitt aufweisen, wobei Enden (11 11", 21 21") des Deckblechs (11) und des Leitungsblechs (21) zwischen den jeweiligen U-Schenkeln des jeweiligen Profilstücks (44, 54) platziert sind.
14. Kühlkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (23) derart ausgestaltet ist, dass - sich das Kühlmittel (2) gleichmäßig im Strömungskanal (23) verteilt ,
- sich turbulente Strömungsverhältnisse des Kühlmittels (2) ausbilden .
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