DAMIT AUSGESTATTETER ELEKTRONIKAUFBAU

Die Erfindung betrifft einen Luftwärmetauscher zur Kühlung eines Leistungselektronikbau teils.

Aus der EP0051315 A2 ist eine Ausführung eines Luftwärmetauschers bekannt. Obwohl es bereits Aufgabe der EP0051315 A2 war, die Wärmeabfuhr der einzelnen Bauteile zu verbes sern, wird dies in der EP0051315 A2 für Bauteile mit hoher Wärmeleistung, wie etwa Leis tungselektronikbauteile, immer noch ungenügend gelöst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu über winden und einen Luftwärmetauscher zur Verfügung zu stellen, welcher eine verbesserte Wärmeabfuhr auch für Elektronikbauteile mit hoher Wärmeleistung aufweist.

Eine Möglichkeit die Wärmeabfuhr zu verbessern, wäre die Verwendung eines Flüssigkeits wärmetauschers. Flüssigkeitswärmetauscher weisen jedoch den Nachteil eines hohen Energie verbrauches für die Kühlmediumumwälzung auf. Darüber hinaus weisen Flüssigkeitswärme tauscher einen komplexen Aufbau auf, welcher eine nicht unerhebliche Fehleranfälligkeit mit sich bringt. Aus diesem Grund wird die Verwendung von Flüssigkeitswärmetauschem im vor liegenden Einsatzgebiet ausgeschlossen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Luftwärmetauscher gemäß den Ansprüchen ge löst.

Die Erfindung betrifft einen Luftwärmetauscher zur Kühlung eines Leistungselektronikbau teils umfassend:

- eine Trägerplatte mit einem Aufnahmebereich zur Aufnahme des Leistungselektronikbau teils;

- eine Wärmetauscherplatte, welche mit der Trägerplatte gekoppelt ist, wobei durch die Trä gerplatte und die Wärmetauscherplatte begrenzt zumindest ein hermetisch abgeschlossener Hohlraum zur Aufnahme eines Arbeitsmediums ausgebildet ist, wobei der Hohlraum einen Verdampfer und einen Kondensator aufweist, wobei der Verdampfer in einer Wärmetrans portrichtung zum Kondensator beabstandet angeordnet ist;

- Kühlrippen, welche mit der Wärmetauscherplatte gekoppelt sind.

Die Kühlrippen des Luftwärmetauschers werden im Betrieb des Luftwärmetauschers mit Luft umströmt, wodurch die vom Leistungselektronikbauteil erzeugte Wärmemenge möglichst ef fizient an die Umgebung abgegeben werden kann.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Luftwärmetauschers bringt den überraschenden Vor teil mit sich, dass durch den hermetisch abgeschlossenen Hohlraum und das darin aufgenom mene Arbeitsmedium bzw. durch die erfindungsgemäße Anordnung des hermetisch abge schlossenen Hohlraumes eine Effizienzsteigerung um 20-30 % gegenüber einem ohne Hohl raum ausgeführten Luftwärmetauscher erreicht werden kann. Diese überraschend hohe Wir kungsgradsteigerung kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die im Aufnahmebe reich der Trägerplatte eingeleitete Wärmemenge des Leistungselektronikbauteils gleichmäßig an die Kühlrippen, welche mit der Wärmetauscherplatte gekoppelt sind, geleitet werden kann, wobei die Gesamtheit der Kühlrippen die Wärmemenge annähernd gleichermaßen an die Um gebungsluft abgeben können.

Weiters kann es zweckmäßig sein, wenn die Trägerplatte eine Trägerplattenanschlussfläche aufweist und wenn die Wärmetauscherplatte eine Wärmetauscherplattenanschlussfläche auf weist, wobei die Trägerplattenanschlussfläche und die Wärmetauscherplattenanschlussfläche aneinander anliegen. Dass die Trägerplattenanschlussfläche und die Wärmetauscherplattenan schlussfläche aneinander anliegen, umfasst auch jenen Zustand, wenn zwischen der Träger- plattenanschlussfläche und der Wärmetauscherplattenanschlussfläche eine Zwischenschicht, wie etwa eine Lotschicht oder eine Klebstoff Schicht ausgebildet ist.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Trägerplattenanschlussfläche an der gegen überliegenden Seite des Aufnahmebereiches der Trägerplatte angeordnet ist.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauscherplattenanschlussfläche an der bezüg lich der Kühlrippen gegenüberliegenden Seite der Wärmetauscherplatte angeordnet ist.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Trägerplattenanschlussfläche und die Wärmetauscher plattenanschlussfläche jeweils als ebene Flächen ausgebildet sind, wobei der Hohlraum durch eine Vertiefung in der Wärmetauscherplattenanschlussfläche ausgebildet ist. Dies bringt den überraschenden Vorteil mit sich, dass der Luftwärmetauscher einen möglichst einfachen Auf bau aufweisen kann und darüber hinaus eine möglichst große Effizienz aufweisen kann.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann vorgesehen sein, dass die Vertiefung zur Bildung des Hohlraumes in der Trägerplatte angeordnet ist.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Trägerplattenanschlussfläche und die Wärme- tauscherplattenanschlussfläche durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere durch eine Vakuumlötverbindung, miteinander gekoppelt sind. Durch eine derartige stoffschlüssige Verbindung kann ein dichter Abschluss des Hohlraumes erreicht werden. Darüber hinaus kann durch die Vakuumlötverbindung ein besonders dichter Abschluss des Hohlraumes bzw. eine einfache Herstellung der Verbindung zwischen der Trägerplatte und der Wärmetauscher platte erreicht werden. Außerdem kann beim Herstellen einer Vakuumlötverbindung das Ar beitsmedium einfach in den Hohlraum eingebracht werden.

Vorteilhaft ist auch eine Ausprägung, gemäß welcher vorgesehen sein kann, dass in der Ver tiefung zumindest im Bereich des Verdampfers Stege angeordnet sind, welche an der Träger- plattenanschlussfläche anliegen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass durch die Stege die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Trägerplatte und der Wärmetauscherplatte verbessert wer den kann, wodurch eine weitere überraschende Effizienzsteigerung des Luftwärmetauschers erreicht werden kann. Darüber hinaus können die Stege als Stützelement dienen, wodurch die Stabilität des Luftwärmetauschers bzw. die Formbeständigkeit des Hohlraumes verbessert werden kann.

Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass in der Vertiefung zumindest im Bereich des Ver dampfers Stege angeordnet sind, welche an der Wärmetauscherplattenanschlussfläche anlie gen.

Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass mehrere der Stege in einer Reihe angeordnet sind, wobei mehrere Reihen von Stegen hintereinander angeordnet sind. Dies bringt den Vor teil mit sich, dass die Effizienz des Luftwärmetauschers weiter verbessert werden kann.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Stege aus einer Reihe und/oder aus unter schiedlichen Reihen eine zueinander unterschiedliche Dimensionierung aufweisen und/oder dass die einzelnen Stege in unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sind. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Verteilung der Stege an die jeweiligen Erfordernisse der Wärmeabfuhr angepasst sind.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mehrere Reihen von Stegen in Wärmetransportrich tung hintereinander angeordnet sind.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Stege in Wärmetransportrichtung eine Längserstreckung aufweisen und quer zur Wärmetransportrichtung eine Quererstreckung auf- weisen, wobei die Längserstreckung größer ist als die Quer er Streckung. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Stege eine Längserstreckung zwischen 2mm und 50mm, insbesondere zwischen 4mm und 20mm, bevorzugt zwischen 6mm und 10mm aufweisen. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Stege eine Quererstreckung zwi schen 1mm und 20mm, insbesondere zwischen 2mm und 10mm, bevorzugt zwischen 3mm und 4mm aufweisen.

Weiters kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Kondensators zumindest ein Abstandhal ter ausgebildet ist. Der Abstandhalter ist derart ausgebildet, dass die Trägerplatte am Abstand halter anliegt. Weiters kann vorgesehen sein, dass der Abstandhalter in Wärmetransportrich tung eine Längserstreckung aufweist und quer zur Wärmetransportrichtung eine Quererstre- ckung aufweist, wobei die Längserstreckung größer ist als die Quer er Streckung. Darüber hin aus kann vorgesehen sein, dass der Abstandhalter eine Längserstreckung zwischen 20mm und 300mm, insbesondere zwischen 50mm und 200mm, bevorzugt zwischen 120mm und 130mm aufweist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Abstandhalter eine Quererstreckung zwischen 1mm und 20mm, insbesondere zwischen 2mm und 15mm, bevorzugt zwischen 4mm und 8mm aufweist.

Ferner kann es zweckmäßig sein, wenn zumindest zwei Hohlräume ausgebildet sind. Dies bringt den überraschenden Vorteil mit sich, dass die Effizienz des Luftwärmetauschers gegen über einem einzelnen größer dimensionierten Hohlraum weiter verbessert werden kann. Die einzelnen Hohlräume können hierbei unabhängig voneinander und nicht miteinander verbun den im Luftwärmetauscher angeordnet sein. Weiters kann vorgesehen sein, dass die zumindest zwei Hohlräume nebeneinander angeordnet sind, wobei die zumindest zwei Hohlräume eine zueinander gegensinnige Wärmetransport richtung aufweisen. Dies bringt den überraschenden Vorteil einer verbesserten Wärmevertei lung mit sich.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass in der Wärmetauscherplatte Kühlrippenaufnahmen ausgebildet sind, in welchen die Kühlrippen aufgenommen sind. Eine derartige Ausführungs form des Wärmetauschers, in welcher die Kühlrippen nicht einstückig mit der Wärmetau scherplatte ausgeformt sind, sondern gesondert ausgeformt sind und in der Wärmetauscher platte aufgenommen sind, bringt den Vorteil mit sich, dass die Wärmetauscherplatte einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.

In einer Alternativvariante kann vorgesehen sein, dass Kühlrippen einteilig an die Wärmetau scherplatte angeformt sind. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Wärmetau scherplatte als Stranggussprofil ausgebildet ist.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauscherplatte als Tiefziehteil ausgebildet ist.

In diesem Fall können die Kühlrippen ebenfalls einstückig an die Wärmetauscherplatte ange formt sein.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Aufnahmeplatte und/oder die Wärmetauscher platte aus Aluminium bzw. aus einer Aluminiumlegierung gebildet sind.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Kühlrippen zur Verwendung eines gut wärmeleitfähi gen Materials, wie etwa einer Wärmeleitpaste, in der Kühlrippenaufnahme aufgenommen sind.

Die Kühlrippen können aus demselben Material gefertigt sein, wie die Wärmetauscherplatte.

Weiters kann vorgesehen sein, dass der Verdampfer im Aufnahmebereich angeordnet ist, wo bei der Aufnahmebereich in Draufsicht gesehen außermittig der Trägerplatte angeordnet ist. Durch die außermittige Anordnung des Aufnahmebereiches kann eine möglichst platzspa rende und effiziente Ausbildung des Luftwärmetauschers erreicht werden. Gleichzeitig kann durch die Ausbildung des Hohlraumes eine gleichmäßige Wärmespreizung auf die gesamte Fläche der Wärmetauscherplatte erreicht werden. Gemäß einer besonderen Ausprägung ist es möglich, dass der Hohlraum den Verdampfer und mehrere der Kondensatoren aufweist, wobei ausgehend vom Verdampfer zu den Kondensato ren mehrere Wärmetransportrichtungen ausgebildet sind. Durch diese Maßnahme kann eine gleichmäßige Wärmeverteilung bzw. Wärmespreizung an der Wärmetauscherplatte erreicht werden. Somit kann die Kühlleistung des Luftwärmetauschers überraschenderweise weiter verbessert werden.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Verdampfer in Draufsicht gesehen zentral an der Trägerplatte angeordnet ist und dass die Kondensatoren um den Verdampfer herum an der Trägerplatte angeordnet sind. Beispielsweise kann der Verdampfer zentral angeordnet sein, und ein erster Kondensator in einer ersten Richtung beabstandet angeordnet sein und ein zweiter Kondensator in einer zweiten Richtung beabstandet angeordnet sein.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Trägerplatte eine Trägerplattenstärke zwischen 1mm und 10mm, insbesondere zwischen 1,5mm und 5mm, bevorzugt zwischen 2mm und 3mm aufweist.

Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn die Wärmetauscherplatte eine Wärmetauscher plattenstärke zwischen 5mm und 50mm, insbesondere zwischen 15mm und 35mm, bevorzugt zwischen 24mm und 27mm aufweist.

Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Trägerplattenstärke zwischen 5% und 40%, insbeson dere zwischen 10% und 20%, bevorzugt zwischen 15% und 17% einer Wärmetauscherplat tenstärke beträgt. Besonders eine derartige Aufteilung zwischen der Trägerplattenstärke und der Wärmetauscherplattenstärke bringt eine überraschende Effizienzsteigerung des Luftwär metauschers mit sich.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauscherplatte und/oder die Trägerplatte durch spanabhebende Bearbeitung, insbesondere durch Fräsen hergestellt sind. Insbesondere die Vertiefung in der Wärmetauscherplatte kann einfach durch Fräsen hergestellt werden, wobei sich hier vielfältigste Formen realisieren lassen.

In einer alternativen Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauscher platte und/oder die Trägerplatte durch ein Gussverfahren, insbesondere durch ein Druckguss- verfahren, hergestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante können die Wärme tauscherplatte und/oder die Trägerplatte durch ein Aluminiumdruckgussverfahren hergestellt werden.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Kühlrippen derart angeordnet sind, dass die Längserstreckung der Kühlrippen in Draufsicht auf die Wärmetauscherplattenanschlussfläche gesehen quer zur Wärmetransportrichtung ausgebildet ist. Besonders bei einer derartigen An ordnung der Kühlrippen kann eine überdurchschnittliche Effizienzsteigerung des Luftwärme tauschers erreicht werden.

In einer Alternativvariante kann auch vorgesehen sein, dass die Kühlrippen derart angeordnet sind, dass die Längserstreckung der Kühlrippen in Draufsicht auf die Wärmetauscherplatten anschlussfläche gesehen längs zur Wärmetransportrichtung ausgebildet ist.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Kühlrippen sowohl unter dem Verdampfer, als auch unter dem Kondensator angeordnet sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass in Wär metransportrichtung gesehen die Kühlrippen gleichmäßig über einen Bereich startend vom äußersten Ende bzw. über die komplette Grundfläche des Verdampfers bis zum äußersten Ende bzw. über die komplette Grundfläche des Kondensators ausgebildet sind.

Weiters kann vorgesehen sein, dass in der Trägerplatte eine Öffnung ausgebildet ist, welche dazu ausgebildet ist, um mittels eines Sockels des Leistungselektronikbauteils verschlossen zu werden. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann der Sockel des Leistungselektronik bauteils den Hohlraum begrenzen, wodurch eine besonders effiziente Wärmeabfuhr vom Leis tungselektronikbauteil erreicht werden kann. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, dass die Trägerplatte und die Wärmetauscherplatte einteilig ausgebildet ist und beispielsweise in Form eines Gussteils ausgebildet ist.

In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Hohlraum einen Dampfströmungskanal und baulich davon beabstandet einen Flüssigkeitsrückführkanal aufweist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass das kondensierte Arbeitsmedium im Flüssigkeitsrückführkanal vom Kondensator zum Verdampfer rückgeführt werden kann und das verdampfte Arbeitsmedium im Dampfströmungskanal vom Verdampfer zum Kondensator gelangen kann. Dadurch kann das Arbeitsmedium in einem Kreislauf geführt werden, wodurch die Kühleffizienz überra schenderweise gesteigert werden kann, da kein Wärmeaustausch zwischen dem kondensierten Arbeitsmedium und dem verdampften Arbeitsmedium stattfindet.

Weiters kann vorgesehen sein, dass eine poröse Struktur oder ein Docht im Flüssigkeitsrück führkanal angeordnet ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Rückführung des Arbeits mediums verbessert werden kann.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass in einem Vertiefungsboden der Vertiefung eine Senke ausgebildet ist, welche ihren tiefsten Punkt im Bereich des Verdampfers aufweist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass das Arbeitsmedium in seinem flüssigen Zustand schwerkraft- gebunden in den Verdampfer zurück befördert werden kann.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass in einem Hohlraum meh rere Verdampfer und/oder mehrere Kondensatoren ausgebildet sind.

Weiters kann vorgesehen sein, dass in der Trägerplatte oder in der Wärmetauscherplatte eine mit dem Hohlraum strömungsverbundene Befüllöffnung ausgebildet ist. Dies bringt den Vor teil mit sich, dass nach dem Verbinden der Trägerplatte mit der Wärmetauscherplatte via die Befüllöffnung das Arbeitsmedium in den Hohlraum eingebracht werden kann und via die Be füllöffnung der gewünschte Druck im Hohlraum eingestellt werden kann.

Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Befüllöffnung im verbauten Zustand des Luft wärmetauschers derart verpresst ist, dass sie dicht abgeschlossen ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Befüllöffnung einfach mittels einem Pressstempel zusammengedrückt wer den kann, sodass die Befüllöffnung verschlossen werden kann.

In einer Alternativvariante kann vorgesehen sein, dass die Befüllöffnung mittels eines Stop fens verschlossen ist. Der Stopfen kann hierbei eine Dichtung aufweisen.

In wieder einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Befüllöffnung mittels einer Schraube, wie etwa einer Wurmschraube verschlossen ist.

Erfindungsgemäß ist ein Elektronikaufbau ausgebildet. Der Elektronikaufbau umfasst:

- einen Luftwärmetauscher; - ein am Luftwärmetauscher angeordnetes Leistungselektronikbauteil, insbesondere einen Bi polartransistor mit isolierter Gate-Elektrode.

Der Luftwärmetauscher ist nach einer der oben genannten Ausprägungen ausgebildet.

Der erfindungsgemäße Elektronikaufbau bringt den Vorteil mit sich, dass aufgrund der Ver wendung des verbesserten Luftwärmetauschers auf gleichem Bauraum ein Leistungselektro nikbauteil mit erhöhter Betriebsleistung und somit erhöhter Wärmeabgabemenge verwendet werden kann. Besonders Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode erfordern eine hohe Wärmeenergieabfuhrmenge.

Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, dass das Leistungselektronikbauteil im Bereich des Verdampfers am Luftwärmetauscher angeordnet ist und dass im Bereich des Kondensa tors ein weiteres Elektronikbauteil angeordnet ist, wobei das weitere Elektronikbauteil eine geringere Wärmeabgabeleistung aufweist als eine Wärmeabgabeleistung des Leistungselekt ronikbauteils. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass mehrere Bauteile am Luftwärmetauscher angebracht werden können, wobei mittels des Luftwärmetauschers eine effiziente Kühlung aller am Luftwärmetauscher angeordneten Elektronikbauteile erreicht werden kann.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Hohlraumes im Luftwärmetauscher wirkt wie ein Wärme rohr. In einer ersten Ausführungsvariante kann der Luftwärmetauscher, insbesondere der Hohlraum, die Funktion einer Heatpipe aufweisen. In einer zweiten Ausführungsvariante kann der Luftwärmetauscher, insbesondere der Hohlraum, die Funktion eines Zwei-Phasen- Thermosiphons aufweisen. Beide Ausführungsvarianten haben gemeinsam, dass das Arbeits medium im Verdampfer in den gasförmigen Zustand überführt wird und das Arbeitsmedium im gasförmigen Zustand zum Kondensator gelangt. Im Kondensator wird das Arbeitsmedium wieder in den flüssigen Zustand überführt und gelangt bei der Heatpipe durch die Dochtwir kung einer porösen Struktur und bei der Ausführung eines Zwei-Phasen-Thermosiphons durch die Schwerkraft wieder zurück in den Verdampfer.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Herstellen eines Luftwärmetauschers, insbesondere eines Luftwärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen. Das Ver fahren weist folgende Verfahrensschritte auf:

- Verbinden einer Trägerplatte mit einer Wärmetauscherplatte;

- Befüllen eines Hohlraumes mit einem Arbeitsmedium via die Befüllöffnung; - Einstellen des gewünschten Dmckes im Hohlraum;

- Hermetisches verschließen des Hohlraumes durch Verpressen der Befüllöffnung.

Als Arbeitsmedium können beispielsweise Alkohole, Aceton oder auch ein sonstiges Kälte mittel verwendet werden. Durch den Innendruck im inneren des Hohlraumes und die Ver dampfungstemperatur des gewählten Arbeitsmediums kann eingestellt werden, bei welcher Temperatur der Luftwärmetauscher betrieben werden kann bzw. seine größte Wärmeabfuhr leistung erreicht.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Hohlraum eine poröse Struktur angeordnet ist, welche eine Kapillarwirkung aufweist. Die poröse Struktur kann beispielsweise aus einem Sintermaterial gebildet sein. In einer Alternativvariante ist es auch denkbar, dass die poröse Struktur in Form eines Dochtes, beispielsweise aus einem Stahlgeflecht ausgebildet ist, wel ches eine Kapillarwirkung aufweist.

Als Verdampfer bzw. Kondensator im Sinne dieses Dokumentes wird ein durch die Wärme tauscherplatte und/oder durch die Trägerplatte umschlossener Bereich verstanden. Der Ver dampfer bzw. der Kondensator sind somit keine eigenständigen Bauteile, können jedoch durch eigenständige Bauteile gebildet sein.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Luftwärme tauschers;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Wärmetauscherplattenanschlussfläche des ersten Ausfüh rungsbeispiels des Luftwärmetauschers;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Wärmetauscherplattenanschlussfläche eines zweiten Aus führungsbeispiels des Luftwärmetauschers;

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Wärmetauscherplattenanschlussfläche eines dritten Aus führungsbeispiels des Luftwärmetauschers; Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Luftwärme tauschers mit einem Dampfströmungskanal und einem Flüssigkeitsrückführkanal;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Luftwärme tauschers mit einer Senke;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Luftwärme tauschers mit einem Dampfströmungskanal und einem Flüssigkeitsrückführkanal;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Luftwärme tauschers mit einem Hohlraum und mehreren am Hohlraum ausgebildeten Ver dampfern;

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Wärmetauscherplattenanschlussfläche eines weiteren Aus führungsbeispiels des Luftwärmetauschers mit einem Dampfströmungskanal und einem Flüssigkeitsrückführkanal.

Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen wer den, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf glei che Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen wer den können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, un ten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Luftwärme tauschers 1 zur Kühlung eines Leistungselektronikbauteils 2. Ein derartiges zu kühlendes Leistungselektronikbauteil 2 kann beispielsweise ein Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode sein. Der Luftwärmetauscher 1 umfasst eine Trägerplatte 3 mit einem Aufnahmebe reich 4 zur Aufnahme des Leistungselektronikbauteils 2. Der Aufnahmebereich 4 ist an einer Aufnahmeseite 5 der Trägerplatte 3 ausgebildet. An der zur Aufnahmeseite 5 gegenüberlie genden Seite der Trägerplatte 3 ist eine Trägerplattenanschlussfläche 6 ausgebildet.

Weiters umfasst der Luftwärmetauscher 1 eine Wärmetauscherplatte 7. Die Wärmetauscher platte 7 weist eine Wärmetauscherplattenanschlussfläche 8 auf, welche im zusammengebau ten Zustand des Luftwärmetauschers 1 an der Trägerplattenanschlussfläche 6 anliegt. In Fig. 1 ist der Luftwärmetauscher 1 zur besseren Übersichtlichkeit in einer Explosionsdar stellung dargestellt, wobei die Trägerplatte 3 von der Wärmetauscherplatte 7 abgehoben dar gestellt ist. Im verbauten Zustand des Luftwärmetauschers 1 sind die Trägerplattenanschluss- flächen 6 und die Wärmetauscherplattenanschlussflächen 8 durch eine stoffschlüssige Verbin dung miteinander gekoppelt.

Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass in der Wärmetauscherplatte 7, insbesondere in der Wärmetauscherplattenanschlussfläche 8 eine Vertiefung 9 ausgebildet ist, welche im zusammengebauten Zustand der Trägerplatte 3 und der Wärmetauscherplatte 7 ei nen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 10 bildet.

Im Hohlraum 10 ist ein Verdampfer 11 und ein Kondensator 12 ausgebildet, wobei ein im Hohlraum 10 aufgenommenes Arbeitsmedium 13 bei einem Wärmeeintrag im Bereich des Verdampfers 11 verdampft und anschließend zum Kondensator 12 gelangt, wo es wieder kon densiert. Hierbei wird die spezifische Verdampfungsentalbie des Arbeitsmediums genutzt, um die Wärmeenergie vom Verdampfer 11 zum Kondensator 12 zu leiten und somit eine gleich mäßige Wärmeverteilung innerhalb der Wärmetauscherplatte 7 zu erreichen. Da das Arbeits medium 13 die Wärmeenergie vom Verdampfer 11 zum Kondensator 12 transportiert, kann der Weg vom Verdampfer 11 zum Kondensator 12 auch als Wärmetransportrichtung 14 gese hen werden.

Das im Kondensator 12 kondensierte Arbeitsmediums 13 kann entweder durch die Dochtwir kung einer porösen Struktur oder durch die Schwerkraft wieder zurück in den Verdampfer 11 gelangen.

An der zur Wärmetauscherplattenanschlussfläche 8 gegenüberliegenden Seite sind Kühlrip pen 15 angeordnet. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Kühlrippenaufnahme 16 ausgebildet ist, in welche die Kühlrippen 15 eingesteckt sind und welche zur Übertragung der Wärmeenergie von der Wärmetauscherplatte 7 auf die Kühlrippen 15 dient.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Kühlrippen 15 einstückig an die Wärmetauscherplatte 7 angeformt sind. Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass sich die Kühlrippen 15 in einer Querrichtung 17 erstrecken. Die Querrichtung 17 kann hierbei in Draufsicht auf die Wärme- tauscherplattenanschlussfläche 8 gesehen im rechten Winkel zur Wärmetransportrichtung 14 angeordnet sein.

Die einzelnen Kühlrippen 15 sind in einem Kühlrippenabstand 18 zueinander angeordnet und weisen eine Kühlrippendicke 19 auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kühlrip pendicke 19 zwischen 20 % und 350 %, insbesondere zwischen 80 % und 200 %, bevorzugt zwischen 140 % und 160 % des Kühlrippenabstandes 18 beträgt. Weiters kann vorgesehen sein, dass die Kühlrippen 15 um einen Kühlrippenüberstand 20 gegenüber der Kühlrippenauf nahme 16 vorstehend ausgebildet sind. Der Kühlrippenüberstand 20 kann das 20 bis 25fache der Kühlrippendicke 19 betragen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Kühlrippen überstand 20 zwischen 50 mm und 150 mm, insbesondere zwischen 70 mm und 120 mm, be vorzugt zwischen 90 mm und 95 mm beträgt.

Weiters kann vorgesehen sein, dass der Kühlrippenabstand 18 zwischen 1 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 3 mm und 15 mm, bevorzugt zwischen 5 mm und 7 mm beträgt.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Kühlrippendicke 19 zwischen 1 mm und 20 mm, ins besondere zwischen 2 mm und 10 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 5 mm beträgt.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Kühlrippen 15 in deren Längserstreckung eine Kühl rippentiefe 21 aufweisen, welche sich in Querrichtung 17 erstreckt. Die Kühlrippentiefe 21 kann zwischen 100 mm und 500 mm, insbesondere zwischen 300 mm und 400 mm, bevor zugt zwischen 250 mm und 350 mm betragen.

Die Trägerplatte 3 kann eine Trägerplattenstärke 22 aufweisen. Die Wärmetauscherplatte 7 weist eine Wärmetauscherplattenstärke 23 auf.

Weiters kann vorgesehen sein, dass in der Wärmetauscherplatte 7, insbesondere im Bereich des Verdampfers 11, Gewindeelemente 24 ausgebildet sind, welche zur Aufnahme von Befes tigungsschrauben für die Leistungselektronikbauteile 2 dienen. Die Gewindeelemente 24 kön nen mit entsprechenden Durchgangslöchern 25 in der Trägerplatte 3 korrespondieren. Durch eine derartige Kombination von Gewindeelementen 24 und Durchgangslöchem 25 kann er- reicht werden, dass die im Vergleich zur Trägerplattenstärke 22 größere Wärmetauscherplat tenstärke 23 zur sicheren und haltbaren Aufnahme einer Befestigungsschraube genutzt wer den kann.

Die Vertiefung 9 der Wärmetauscherplatte 7 erstreckt sich ausgehend von der Wärmetau- scherplattenanschlussfläche 8 zu einem Vertiefungsboden 27.

Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Verdampfers 11 ein oder mehrere Stege 26 angeordnet sind, welche sich zwischen dem Vertiefungsboden 27 der Vertiefung 9 und der Wärmetauscherplattenanschlussfläche 8 erstrecken. Die Stege 26 dienen zur besseren Wärmeübertragung von der Trägerplatte 3 in den Verdampfer 11. Insbe sondere ist vorgesehen, dass die Stege 26 im Zusammengebauten Zustand des Luftwärmetau schers 1 an der Trägerplattenanschlussfläche 6 der Trägerplatte 3 anliegen.

Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass die Stege 26 jeweils in einer Reihe 28 angeordnet sind, wobei mehrere Reihen 28 von Stegen 26 in Wärmetransportrich tung 14 gesehen hintereinander angeordnet sein können.

Weiters kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Kondensators 12 weitere Elektronikbau teile 29 an der Trägerplatte 3 angeordnet sind.

Wie aus Fig. 1 weiters ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Kondensators ein Abstandhalter 30 ausgebildet ist. Der Abstandhalter 30 kann zur Abstützung der Träger platte 3 im Bereich des Kondensators 12 dienen.

Fig. 2 zeigt die Wärmetauscherplatte 7 in einer Draufsicht auf die Wärmetauscherplattenan schlussfläche 8, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbe zeichnungen wie in der vorangegangenen Fig. 1 verwendet werden. Um unnötige Wiederho lungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in der vorangegangenen Fig. 1 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, weisen die Stege 26 jeweils eine Längserstreckung 31 und eine Quererstreckung 32 auf. Auch der Abstandhalter 30 weist eine Längserstreckung 33 und eine Quererstreckung 34 auf. In der Fig. 3 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform des Luftwärmetauschers 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Figuren 1 und 2 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den voran gegangenen Figuren 1 und 2 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

Fig. 3 zeigt den Luftwärmetauscher 1 in einer Ansicht wie sie auch in Fig. 2 gewählt wurde. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass der Verdampfer 11 zentral an der Wär metauscherplatte 7 ausgebildet ist und dass beiderseits des Verdampfers 11 ein Kondensator 12 ausgebildet ist. Somit stellt sich im Betrieb des Luftwärmetauschers 1 ausgehend vom Ver dampfer 11 eine erste Wärmetransportrichtung 14 und eine zweite Wärmetransportrichtung 14 ein, welche jeweils vom Verdampfer 11 zum Kondensator 12 erfolgt. Durch diese Maß nahme kann die mögliche Wärmeabfuhr verbessert werden, da die Wärmeabfuhr in unter schiedliche Richtungen erfolgen kann.

In der Fig. 4 ist eine weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsform des Luftwärmetauschers 1 gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den vorangegangenen Figuren 1 bis 3 verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in den voran gegangenen Figuren 1 bis 3 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass nicht nur einander gegenüberliegend zwei Kondensatoren 12 ausgebildet sind, sondern dass an den Verdampfer 11 mehrere Kon densatoren 12, insbesondere vier Kondensatoren 12 anschließen, welche beispielsweise stern förmig ausgebildet sein können. Hierbei kann der Verdampfer 11 beispielsweise im Zentrum der Wärmetauscherplatte 7 angeordnet sein.

Natürlich können in einer weiteren Ausführungsvariante auch drei oder mehr als vier Konden satoren 12 sternförmig um den Verdampfer 11 angeordnet sein.

Die Figuren 5 bis 9 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel des Luftwärmetauschers 1, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in den jeweils vorangegangenen Figuren verwendet werden. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die detaillierte Beschreibung in der vorangegangenen Fig. 1 hingewiesen bzw. Bezug genommen. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass der Hohlraum 10 einen Dampfströmungskanal 35 und baulich davon getrennt einen Flüssigkeitsrückführka nal 36 aufweist. Zwischen dem Dampfströmungskanal 35 und dem Flüssigkeitsrückführkanal 36 kann ein Trennsteg 37 angeordnet sein.

Aus Fig. 5 ist weiters ersichtlich, dass vorgesehen sein kann, dass in der Trägerplatte 3 eine Öffnung 38 ausgebildet ist, welche in jenem Bereich angeordnet ist, in welchem das Leis tungselektronikbauteil 2 installiert wird. Somit kann ein Sockel 39 des Leistungselektronik bauteil 2 im verbauten Zustand die Öffnung 38 verschließen und somit auf die Öffnung 38 aufgesetzt sein, oder in die Öffnung 38 eingesetzt sein. Dadurch kann der Sockel 39 des Leis tungselektronikbauteils 2 gleichzeitig eine Begrenzung für den Hohlraum 10 darstellen. Durch diese Maßnahme kann die Wärmeenergie möglichst effizient vom Leistungselektronikbauteil 2 auf das im Hohlraum 10 aufgenommene Arbeitsmedium 13 übertragen werden.

Wie aus Fig. 5 weiters ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass eine Befüllöffnung 40 ausgebil det ist, welche zum Befüllen des Hohlraumes 10 mit dem Arbeitsmedium 13 dient. Die Be füllöffnung 40 kann beispielsweise in einer Seitenfläche des Hohlraumes 10 angeordnet sein. Weiters kann vorgesehen sein, dass die Befüllöffnung 40 in der Wärmetauscherplatte 7 ausge bildet ist.

Wenn das Leistungselektronikbauteil 2 zum Abschließen des Hohlraumes 10 dient, kann auch vorgesehen sein, dass die Stege 26 direkt am Sockels 39 des Leistungselektronikbauteils 2 an geordnet sind.

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass im Vertiefungsboden 27 der Vertiefung 9 eine Senke 41 ausgebildet ist, welche im Bereich des Kondensators 12 angeordnet ist. In der vorgesehenen Einbaulage des Luftwärmetauschers 1 weist die Senke 41 im Bereich des Ver dampfers 11 ihren tiefsten Punkt auf.

Wie aus Fig. 6 weiters ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass die Senke 41 und somit der Verdampfer 11 im Zentrum der Wärmetauscherplatte 7 angeordnet ist. Den Verdampfer 11 umgebend ist somit der Kondensator 12 ausgebildet. Weiters können Stützstege 42 vorgese hen sein, welche zur Abstützung der Trägerplatte an der Wärmetauscherplatte 7 dienen.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass nebeneinander mehrere Hohlräume 10 ausgebildet sind, welche eine unterschiedliche bzw. gegensinnige Wärmetransportrichtung 14 aufweisen. Durch diese Maßnahme kann über die komplette Wärmetauscherplatte 7 gesehen eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind die Leistungselektronikbauteile 2 in Form von Rechtecken an der Trägerplatte 3 schematisch angedeutet.

In Fig. 8 sind die Leistungselektronikbauteile 2 schematisch angedeutet, wobei die Träger platte 3 der Übersichtlichkeit halber ausgeblendet ist. Wie aus Fig. 8 ersichtlich, kann vorge sehen sein, dass nur ein einziger großer Hohlraum 10 ausgebildet ist, welcher mehrere Ver dampfer 11 und mehrere Kondensatoren 12 aufweist. Die Verdampfer 11 sind hierbei jeweils im Bereich des Leistungselektronikbauteils 2 ausgebildet und die Kondensatoren 12 sind an der übrigen Fläche ausgebildet.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 weist einen grundsätzlich ähnlichen Aufbau zum Aus führungsbeispiel nach Fig. 5 auf. Wie aus Fig. 9 ersichtlich, kann vorgesehen sein, dass der Luftwärmetauscher 1 eine stehende Anordnung aufweist, sodass im betriebsbereiten Zustand des Luftwärmetauschers 1 der Verdampfer 11 unterhalb des Kondensators 12 ausgebildet ist, wodurch das Arbeitsmedium 13 durch Einwirkung der Schwerkraft vom Kondensator 12 in den Verdampfer 11 gelangen kann. Eine Hohlraumseitenfläche 43 des Hohlraumes 10 weist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ein Gefälle vom Dampfströmungskanal 35 zum Flüs- sigkeitsrückführkanal 36 hin auf, wodurch das an der Hohlraumseitenfläche 43 kondensierte Arbeitsmedium 13 schwerkraftgebunden in den Flüssigkeitsrückführkanal 36 läuft.

Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten, wobei an dieser Stelle be merkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten dersel ben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausfüh rungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.

Der Schutzbereich ist durch die Ansprüche bestimmt. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmals kombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispie len können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen wer den.

Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verste hen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mitumfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereiche beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1, oder 5,5 bis 10.

Der Ordnung halber sei abschließend daraufhingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus Elemente teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert darge stellt wurden.

Bezugszeichenaufstellung Luftwärmetauscher 30 Abstandhalter Leistungselektronikbauteil 31 Längserstreckung Steg Trägerplatte 32 Quer er Streckung Steg Aufnahmebereich 33 Längserstreckung Abstandhalter Aufnahmeseite 34 Quer er Streckung Abstandhalter Trägerplattenanschlussfläche 35 Dampfströmungskanal Wärmetauscherplatte 36 Flüssigkeitsrückführkanal Wärmetauscherplattenanschluss- 37 Trennsteg fläche 38 Öffnung Vertiefung 39 Sockel Hohlraum 40 Befüllöffnung Verdampfer 41 Senke Kondensator 42 Stützsteg Arbeitsmedium 43 Hohlraumseitenfläche Wärmetransportrichtung Kühlrippe Kühlrippenaufnahme Querrichtung Kühlrippenabstand Kühlrippendicke Kühlrippenüberstand Kühlrippentiefe Trägerplattenstärke Wärmetauscherplattenstärke Gewindeelement Durchgangsloch Steg Vertiefungsboden Reihe weiteres Elektronikbauteil