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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für ein Halbleitermodul, insbesondere Leistungshalbleitermodul. Die Kühlvorrichtung weist einen Kühlkörper auf. Der Kühlkörper weist einen zum Fluidführen ausgebildeten Hohlraum auf. Der Kühlkörper weist auch eine Wärmekontaktfläche auf, welche ausgebildet ist, ein Halbleitermodul wärmeleitend zu kontaktieren. Der Kühlkörper weist einen eine Einlassöffnung, insbesondere einen für das Fluid bildenden Einlassstutzen, und einen eine Auslassöffnung, insbesondere einen für das Fluid bildenden Auslassstutzen auf, welche jeweils mit dem Hohlraum verbunden sind.
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Bei Kühlvorrichtungen stellt sich das Problem, einen Kühlkörper mit einem zum Fluidführen ausgebildeten Hohlraum mit einem guten Wärmeleitwert von dem Fluid zum Kühlkörper aufwandsgünstig bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist der Hohlraum durch ein Rohr, insbesondere einem Rohrstück gebildet. Das Rohr weist bevorzugt eine Rohrwand auf, die den Hohlraum umschließt. Bevorzugt ist das insbesondere einstückig ausgebildete Rohr wenigstens mit einem Längsabschnitt oder vollständig in dem Kühlkörper eingebettet, wobei das Rohr mittels Fluiddruck radial nach außen aufgeweitet ist und so eine Außenfläche des Rohrs an den Kühlkörper insbesondere spaltfrei angeschmiegt ist. Dadurch kann das Rohr vorteilhaft gasdicht mit dem das Rohr umgebenden Kühlkörper verbunden werden. Weiter vorteilhaft brauchen so keine zusätzlichen Füllmittel oder Dichtmittel zum Einsatz kommen, mit denen das Rohr mit dem Kühlkörper abdichtet.
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Bevorzugt weist das Rohr einen Einlassstutzen und einen Auslassstutzen auf, welche mit dem Hohlraum durch ein insbesondere einstückiges Rohr gebildet sind. Das Rohr ist bevorzugt mit einem Längsabschnitt in dem Kühlkörper eingebettet.
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In einer anderen Ausführungsform ist das Rohr vollständig in den Kühlkörper eingebettet. Eine Einlassöffnung und/oder eine Auslassöffnung des Rohrs kann beispielsweise bündig mit dem Kühlkörper abschließen. Die Kühlvorrichtung weist in dieser Ausführungsform keinen Einlassstutzen und keinen Auslassstutzen auf, welcher aus dem Kühlkörper herausragt. Das Rohr kann beispielsweise in Bereich der Einlassöffnung und/oder Auslassöffnung ein Innengewinde aufweisen, so dass über das Innengewinde ein weiteres Rohr oder ein Schlauch an den Kühlkörper angeschlossen werden kann. Die Kühlvorrichtung kann so in einen Fluidkreislauf eingebunden werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohr, insbesondere Rohrstück aus einer Knetlegierung gebildet. Bevorzugt ist das Rohr ein Aluminium- oder ein Kupferrohr. So kann der Einlassstutzen, beziehungsweise der Auslassstutzen vorteilhaft aufwandsgünstig aus einem Strangpressprofil, insbesondere Rohrstrang, durch Abtrennen von dem Rohrstrang erzeugt werden. Ein Aluminiumrohr ist beispielsweise aus einer Legierung umfassend als Hauptbestandteil Aluminium und als Bestandteil Mangan aufweist. Der Mangananteil beträgt bevorzugt 1 Prozent.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kühlkörper ein Aluminiumkörper, der bevorzugt Aluminium aufweist oder aus Aluminium gebildet ist. Der Kühlkörper kann so vorteilhaft einen kleinen Wärmeübergangswiderstand zu dem Rohr hin aufweisen.
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Bevorzugt ist der Kühlkörper mittels eines Metallgussverfahrens, insbesondere Spritzgussverfahrens, Druckgussverfahrens oder mittels Semi-Solid-Casting, auch Thixoformen genannt, oder mittels Squeeze-Casting erzeugt. Bevorzugt ist der Längsabschnitt des Rohrs – weiter bevorzugt vollständig – in den Kühlkörper eingebettet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aussparung zylinderförmig gebildet und der Endabschnitt ist hohlzylinderförmig gebildet. So kann sowohl der Einlassstutzen vorteilhaft aus einem zylinderförmigen Rohr gebildet sein, und die Aussparung kann vorteilhaft durch Bohren oder Rundfräsen erzeugt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kühlkörper im Bereich des Rohrs wenigstens einen Hohlraum auf, wobei das Rohr mit einem Teil des Längsabschnitts, bevorzugt unter Ausbildung eines Vorsprungs, in den Hohlraum formschlüssig eingreift. Bevorzugt ist der Hohlraum durch wenigstens eine, oder nur eine radial umlaufend ausgebildete Ringnut gebildet. So kann das Rohr vorteilhaft formschlüssig in dem Kühlkörper gehalten sein. Der Vorsprung zum Erzeugen eines Formschlusses, welcher das Rohrstück in dem Hohlraum oder der Aussparung formschlüssig sichert, wird vorteilhaft mittels des Aufweitens mit Fluiddruck, auch Hydroforming genannt, erzeugt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohrstück auf dem Längsabschnitt im Inneren des Kühlkörpers in drei räumlichen Dimensionen gewunden. Dadurch kann in dem Kühlkörper besonders effizient – insbesondere durch eine räumliche Verteilung des Rohrstücks als in drei räumlichen Dimensionen gewundene Rohrschlange – Wärme abgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft auch einen Inverter mit einer Kühlvorrichtung der vorbeschriebenen Art. Der Inverter weist wenigstens ein Leistungshalbleitermodul auf, welches mit einer Wärmekontaktfläche des Kühlkörpers wärmeleitfähig verbunden ist.
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Das Leistungsmodul weist wenigstens eine Halbleiterschalter-Halbbrücke auf, bevorzugt eine B6-Brücke. Bevorzugt bildet das Leistungshalbleitermodul eine Leistungsendstufe zum Bestromen eines Stators eines Elektromotors, insbesondere einen Inverter.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen einer Kühlvorrichtung zum Kühlen eines Leistungshalbleiters.
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Bei dem Verfahren wird ein Längsabschnitt des Rohrstücks in einen Kühlkörper, insbesondere Metallkörper eingebettet, so dass zwei Endabschnitte des Rohrstücks als Einlassstutzen beziehungsweise als Auslassstutzen aus dem Kühlkörper herausragen. Das Rohr wird über wenigstens einen Endabschnitt mit Fluiddruck beaufschlagt, so dass der Fluiddruck auf eine Rohrinnenwand des Rohrs einwirkt, und wenigstens der Längsabschnitt dabei radial nach außen erweitert wird und der Längsabschnitt, insbesondere eine Außenwand des Längsabschnitts sich an eine Innenwand des Kühlkörpers anschmiegt und so einen sich zwischen dem Rohr und dem Kühlkörper erstreckenden Spalt wenigstens teilweise oder vollständig schließt.
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Bevorzugt ragen bei dem Einbetten des Rohrs in den Kühlkörper Endabschnitte des Rohrstücks als Einlassstutzen (21, 25) und als Auslassstutzen aus dem Kühlkörper heraus. Bevorzugt kann das Rohr über die Endabschnitte mit Druck beaufschlagt werden.
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Bevorzugt kann bei dem Verfahren das Rohr von einer Haltevorrichtung in einer vorbestimmten Position gehalten werden und anschließend von einer den Kühlkörper formenden Metallschmelze umformt werden.
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Dadurch kann das Rohrstück formschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sein und beim Umformtwerden nicht verrutschen.
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Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus den in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Leistungshalbleitermodul mit einem ein Rohrstück umgebenden Kühlkörper;
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2 zeigt einen Kühlkörper in den ein U-förmiges Rohrstück eingebettet ist;
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3 zeigt einen Kühlkörper in den ein dreidimensional gewundenes Rohrstück eingebettet ist.
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1 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für ein Leistungshalbleitermodul 1 in einer Schnittdarstellung. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist eine Kühlvorrichtung 2 auf. Die Kühlvorrichtung 2 weist einen Kühlkörper 3 auf, welcher eine Wärmekontaktfläche 4 aufweist. Das Leistungshalbleitermodul 1 weist auch einen Leistungshalbleiter 5 auf, welcher mit der Wärmekontaktfläche 4 wärmeleitfähig verbunden ist. Der Leistungshalbleiter 5 kann mit der Wärmekontaktfläche 4 des Kühlkörpers 3 beispielsweise stoffschlüssig oder mittels einer Wärmeleitpaste materialschlüssig verbunden sein. Die stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels Sinterns, insbesondere Silbersinterns, oder mittels Löten erzeugt sein. Der Kühlkörper 3 ist beispielsweise ein Aluminiumkühlkörper oder ein Kupferkühlkörper. Der Leistungshalbleiter 5 ist beispielsweise eine Leistungsendstufe, insbesondere ein Inverter, welcher wenigstens eine Halbleiterschalter-Halbbrücke aufweist. Der Inverter weist bevorzugt drei Halbleiterschalter-Halbbrücken auf, welche gemeinsam eine B6-Brücke bilden.
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Das Leistungshalbleitermodul 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Rohr 7 auf. Das Rohr 7 ist beispielsweise durch ein Kupferrohr oder ein Aluminiumrohr gebildet. Das Rohr 7 ist auf einem Längsabschnitt 15 in den Kühlkörper 3 eingebettet. Dazu kann der Längsabschnitt 15 des Rohrs 7 beispielsweise mittels eines Metallgussverfahrens, insbesondere Spritzgussverfahrens, Druckgussverfahrens oder mittels Semi-Solid-Molding oder mittels Squeeze-Casting, von einem Metallgussmaterial unter Ausbildung des Kühlkörpers 3 umformt sein.
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Nach einem Abkühlen des Kühlkörpers 3 entsteht durch Materialschrumpfung des Kühlkörpermaterials des Kühlkörpers 3 ein Spalt 6, welcher das Rohr 7 umgibt. Der Spalt 6 kann nun, wie folgt beschrieben und in 1 gezeigt, mittels einer Druckvorrichtung 10 geschlossen werden:
Die Druckvorrichtung 10 weist eine Druckzuleitung 11 und eine Druckzuleitung 13 auf und ist ausgebildet, einen Fluiddruck, insbesondere Öl- oder Wasserdruck, auf die Druckleitungen 11 und 13 zu erzeugen. Die Druckleitung 11 weist im Bereich eines Endes ein Anschlussstück 12 auf, welches ausgebildet ist, auf einen Öffnungsrand 8 eines Rohrendabschnitts 16 aufgesetzt zu werden, welcher aus dem Kühlkörper 3 herausragt und an den Längsabschnitt 15 anschließt.
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Die Druckleitung 13 weist im Bereich eines Endes einen Anschluss 14 auf, welcher ausgebildet ist, auf einen Öffnungsrand 9 eines zu dem Endabschnitt 16 gegenüberliegenden Endabschnitt 17 des Rohrs 7 aufgesetzt zu werden. Die Öffnungsränder 8 und 9 bilden so eine Einlassöffnung beziehungsweise Auslassöffnung.
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Die Anschlüsse 12 und 14 sind jeweils ausgebildet, mit dem jeweiligen Rohrendabschnitt 16 beziehungsweise 17 druckfest verbunden zu werden und eine Rohröffnung im Bereich des Rohrrandes 8 beziehungsweise 9 dicht zu verschließen. Dazu sind die Anschlüsse 12 und 14 jeweils als konisch ausgebildetes Anschlussstück ausgebildet, wobei das konisch ausgebildete Anschlussstück ausgebildet ist, in die zuvor erwähnte Öffnung des Rohrendabschnitts im Bereich des Öffnungsrandes einzugreifen und dicht gegen den Öffnungsrand, wie den Öffnungsrand 8 oder den Öffnungsrand 9, anzupressen und so den Rohrendabschnitt wie den Rohrendabschnitt 16 oder den Rohrendabschnitt 17 dicht zu verschließen. Die Druckvorrichtung 10 ist ausgebildet, einen Fluiddruck, beispielsweise mittels eines Fluides, beispielsweise Öl oder Wasser, über die Druckleitungen 11 und 13 auf das Rohr 7, insbesondere auf einen von dem Rohr 7 umschlossenen Hohlraum 30, zu erzeugen. Das Rohr 7 kann so mittels des in dem Hohlraum 30 erzeugten Fluiddruckes radial nach außen aufgeweitet werden und den Spalt 6 zwischen einer Rohrwand des Rohrs 7 und zwischen dem Kühlkörper 3 dicht verschließen. Die Rohrwand des Rohrs 7 kann so an den Kühlkörper 3 unter Verringerung des Spaltes 6 mittels des von der Druckvorrichtung 10 erzeugten Fluiddruckes dicht angeschmiegt werden.
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Das Rohr 7 weist beispielsweise eine Wanddickte zwischen 0,5 und einem Millimeter auf. Ein von der Druckvorrichtung 10 erzeugter Fluiddruck beträgt beispielsweise wenigstens 350 Bar, weiter bevorzugt zwischen 500 und 1000 Bar, bevorzugt zwischen 500 Bar und 700 Bar, bevorzugt für ein Rohr aus AlMn1.
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1 zeigt auch eine Haltevorrichtung 18, welche ausgebildet ist, den Rohrendabschnitt 17 von außen zu halten, insbesondere zu halten, und so ein Gegenlager auszubilden, sodass das Rohr 7 auf dem Endabschnitt 17 durch den Fluiddruck im Hohlraum 30 nicht oder nur geringfügig expandieren kann. Die Haltevorrichtung 18, welche gestrichelt dargestellt ist, kann Bestandteil der Druckvorrichtung 10 sein.
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Das Rohr 7 kann mit der Haltevorrichtung 18 oder ohne die Haltevorrichtung 18 expandiert werden. Im Falle keiner Haltevorrichtung 18 wird der Endabschnitt 17 zusammen mit dem Längsabschnitt 15 des Rohrs 17 expandiert.
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Das Rohr 7 kann zur Expansion anders als in 1 dargestellt, nur von einer Öffnung mit Fluiddruck beaufschlagt werden, wobei die andere Öffnung – beispielsweise mittels eines Schraubverschlusses – verschlossen wird.
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2 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für einen Kühlkörper 19. Der Kühlkörper 19 weist ein Rohr 20 auf, welches mit zwei Endabschnitten 21 und 22 aus dem Kühlkörper 19 herausragt. Das Rohr 20 ist mit einem U-förmigen Abschnitt in den Kühlkörper 19 eingebettet. Das Rohr 20 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene, sodass das Rohr 20 in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in zwei Dimensionen abgewinkelt ist. Das in 1 dargestellte Rohr 7 erstreckt sich gerade und ist nicht abgewinkelt. Der Endabschnitt 21 bildet beispielsweise einen Einlassstutzen und der Endabschnitt 22 einen Auslassstutzen, über die der Kühlkörper 19 an einen Fluidkreislauf angeschlossen werden kann.
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Die Endabschnitte 21 und 22 können in einer – nicht dargestellten – Ausführungsform entfallen, so dass das Rohr 20 vollständig in den Kühlkörper 19 eingebettet ist.
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Das in 2 dargestellte Rohr 20 kann vorteilhaft mittels der in 1 dargestellten Druckvorrichtung 10 nach einem Einbetten mittels eines Druckguss- oder Spritzgussverfahrens in den Kühlkörper 19 an den Kühlkörper 19 unter Verringerung eines Spaltes, wie dem in 1 dargestellten Spalt 6, angeschmiegt werden.
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3 zeigt – schematisch – ein Ausführungsbeispiel für einen Kühlkörper 23, welcher in diesem Ausführungsbeispiel als eine Art Rinne oder Schiene mit einem U-förmigen Querschnitt ausgebildet ist. In den Kühlkörper 23 ist ein Rohr 24 eingebettet, wobei das Rohr 24 mit einem Endabschnitt 25 und einem Endabschnitt 26 aus dem Kühlkörper 23 herausragt. Der Endabschnitt 25 des Rohrs 24 mündet in einen in diesem Ausführungsbeispiel U-förmig geformten Längsabschnitt 27 des Rohrs 24, wobei der Längsabschnitt 27 in einen U-Schenkel des Kühlkörpers 23 eingebettet ist. Ein Rohrabschnitt 29 schließt an dem Rohrabschnitt 27 an und erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel quer zu einer Ebene, in welcher der Längsabschnitt 27 des Rohrs 24 verläuft. Der Rohrabschnitt 29 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel in einen Boden der durch den Kühlkörper 23 gebildeten Rinne. An den Rohrabschnitt 29 schließt ein in diesem Ausführungsbeispiel U-förmig geformter Rohrlängsabschnitt 28 an, welcher in den Endabschnitt 28 mündet, der aus dem Kühlkörper 23 herausragt. Der Rohrlängsabschnitt 28 erstreckt sich in einer Ebene, welche quer zu dem Rohrlängsabschnitt 29 angeordnet ist. Der Rohrlängsabschnitt 28 des Rohrs 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel von einem weiteren U-Schenkel der durch den Kühlkörper 23 gebildeten Rinne eingebettet. Der Endabschnitt 25 bildet beispielsweise einen Einlassstutzen und der Endabschnitt 26 einen Auslassstutzen, über die der Kühlkörper 19 an einen Fluidkreislauf angeschlossen werden kann.
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Die Endabschnitte 25 und 26 können in einer – nicht dargestellten – Ausführungsform entfallen, so dass das Rohr 24 vollständig in den Kühlkörper 23 eingebettet ist.
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3 verdeutlicht mit dem rinnenförmig ausgebildeten Kühlkörper 23, dass das Rohr 24 in drei Dimensionen, und so in drei zueinander verschiedenen Raumrichtungen, welche gemeinsam ein Orthogonalsystem bilden, in einem Kühlkörper wie dem Kühlkörper 23 angeordnet sein kann. Das Rohr 24 kann in dem Kühlkörper 23 nahezu beliebige zwei- oder dreidimensionale Formen annehmen. Das Rohr 24 kann vorteilhaft mit der in 1 bereits dargestellten Druckvorrichtung 10, über die Öffnungen der Endabschnitte 25 und 26 mittels Fluiddruck radial nach außen aufgeweitet werden und so – unter Beibehaltung der dreidimensionalen Form in dem Kühlkörper 23, dem Rohrverlauf des Rohrs 24 folgend, radial nach außen aufgeweitet werden, und so einen zwischen dem Kühlkörper 23 und einer Rohrwand des Rohrs 24 ausgebildeten Spalt schließen. Somit kann das Rohr 24 vorteilhaft entlang seines – insbesondere beliebig – gewundenen Rohrverlaufes radial nach außen aufgeweitet werden. Dies ist mit mechanischen Werkzeugen, welche durch eine Rohröffnung im Bereich der Endabschnitte 25 oder 26 eingreifen könnten, entlang des vollständigen Rohrverlaufs aufgrund der Windungen und des Kurvenverlaufes des Rohrs 24 nicht oder nur schwierig möglich.
