DE102017216665A1

DE102017216665A1 - Kühlkörpersegment, Kühlkörper sowie Verfahren zum Kühlen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102017216665A1
Application number: DE102017216665.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Schoepf; Benjamin Seitz; Hannes Willeck; Reiner Ramsayer; Martin Rittner; Andreas Burghardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-20
Filing date: 2017-09-20
Publication date: 2019-03-21
Also published as: JP6945730B2; JP2020534699A; CN111095539A; KR20200054982A; EP3685435A1; WO2019057416A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlkörpersegment zum Kühlen von Bauteilen, insbesondere von Leistungselektronikbauteilen, mit einer ersten Segmentfläche und einer zweiten Segmentfläche, wobei die erste Segmentfläche und die zweite Segmentfläche derart zueinander ausgerichtet sind, dass bei einem konzentrischen Anordnen mehrerer Kühlkörpersegmente alle Segmentflächen der Kühlkörpersegmente aneinander angrenzen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung und einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
In der DE 10 2010 017 168 A1 sind eine Lüfterredundante Anordnung und ein Lüfterredundantes Verfahren zum Kühlen von Leistungselektronikbauteilen offenbart.
Vorteile der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Kühlkörpersegment, ein Kühlkörper sowie ein Verfahren zum Kühlen von Bauteilen, insbesondere von Leistungselektronikbauteilen, vorgestellt.
Das Kühlkörpersegment zum Kühlen von Bauteilen, insbesondere von Leistungselektronikbauteilen, mit einer ersten Segmentfläche und einer zweiten Segmentfläche zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Segmentfläche und die zweite Segmentfläche derart zueinander ausgerichtet sind, dass bei einem konzentrischen Anordnen mehrerer Kühlkörpersegmente alle Segmentflächen der Kühlkörpersegmente aneinander angrenzen.
Unter einem Kühlkörpersegment kann eines von mehreren, einen Kühlkörper bildenden Segmenten verstanden werden. Ein Segment kann hierbei ein Ausschnitt bzw. Teilausschnitt eines größeren, bzw. übergeordneten Körpers, nämlich des Kühlkörpers, verstanden werden. Die erste Segmentfläche und die zweite Segmentfläche des Kühlkörpersegments sind hierbei derart zueinander ausgerichtet, dass eine weitere erste Segmentfläche und eine weitere zweite Segmentfläche eines weiteren Kühlkörpersegments bei dem konzentrischen Anordnen beider Kühlkörpersegmente an die erste Segmentfläche und die zweite Segmentfläche des ersten Kühlkörpersegments angrenzen. Dies bedeutet, dass sich die Ebenen, in welchen die Segmentflächen liegen, alle entlang einer gemeinsamen Schnittgeraden schneiden. Diese Schnittgerade verläuft senkrecht zu einem gemeinsamen Mittelpunkt, um welche die Kühlkörpersegmente konzentrisch angeordnet sind.
Unter einem Kühlkörpersegment kann insbesondere ein Tortensegment verstanden werden.
Unter einem Bauteil kann eine Komponente bzw. eine Teilkomponente oder ein Einzelteil eines technischen Komplexes verstanden werden, wobei das Bauteil während seines Betriebes bzw. während seiner Benutzung Wärme erzeugt oder warm wird, so dass eine aktive Kühlung bzw. Wärmeabfuhr des Bauteils notwendig ist. Unter Leistungselektronikbauteilen können leistungselektronische Aufbauten für hohe Leistungen verstanden werden, wie sie beispielsweise in einem Inwerter eines Elektrofahrzeugs verwendet werden. Hierbei kommen Leistungshalbleiter wie z. B. ein iPolar-Transistor mit isolierter Gateelektrode aus Siliziumkarbid oder Galliumnitrid zum Einsatz. Diese Leistungshalbleiter können auf ein metallisch kaschiertes, keramisches Substrat, wie beispielsweise Al₂O₃, Se₃N₄ oder AlN mit CU oder Al, welches über geätzte Leiterstrukturen verfügt, aufgebracht werden. Dieses Substrat kann dann samt den Halbleitern mit einem geeigneten Vergussmasse vergossen werden. Weiterhin können unter den Bauteilen auch Logikschaltungen zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter bzw. Leistungsmodulen, sowie Zwischenkreiskondensatoren verstanden werden.
Das Kühlkörpersegment hat den Vorteil, dass sich durch konzentrisches Anordnen mehrerer Kühlkörpersegmente ein symmetrischer Kühlkörper ergibt, welcher sich in einfacher Weise in eine elektrische Maschine integrieren lässt. Weiterhin ist ein Aufbau aus mehreren Kühlkörpersegmenten partinionierfähig, d. h. eine Anzahl der den Kühlkörper bildenden Kühlkörpersegmente kann variiert werden, ohne dass sich die äußere Gestalt bzw. geometrische Form verändert.
Das bedeutet, dass bei Vergrößern der Anzahl der Kühlkörpersegmente auch die Anzahl der zu kühlenden Bauteile vergrößert werden kann, ohne die äußere Form bzw. geometrische Gestalt des Kühlkörpers zu verändern.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtungen möglich.
In dem die erste Segmentfläche und/oder die zweite Segmentfläche dazu ausgebildet ist, ein zu kühlendes Bauteil aufzunehmen, kann das Bauteil effektiv gekühlt werden. Insbesondere da eine Segmentfläche eines Kühlkörpersegments an eine Segmentfläche eines anderen Kühlkörpersegments angrenzt, kann das Bauteil über jede der an das Bauteil angrenzenden Segmentflächen Wärme abführen und hierdurch gekühlt werden.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die erste Segmentfläche und/oder die zweite Segmentfläche eine Oberflächenkontur aufweist, die einer Kontur einer Bauteiloberfläche derart entspricht, dass das Bauteil wenigstens teilweise von dem Kühlkörpersegment umschlossen wird. Die Oberflächenkontur kann hierbei wenigstens eine Ausnehmung aufweisen, in welche wenigstens eines der Bauteile wenigstens teilweise aufgenommen werden kann. Die Ausnehmung kann hierbei auch der Gestalt sein, dass das wenigstens eine Bauteil vollständig darin versenkt werden kann. Hierdurch kann das Bauteil nicht nur über eine Oberseite und eine Unterseite sondern auch wenigstens teilweise über Seitenflächen seine Abwärme an das Kühlkörpersegment abgeben und dadurch noch effektiver gekühlt werden.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn ein inneres des Kühlkörpersegments Kühlstrukturen aufweist, welche von einem Kühlmittel durchflossen werden. Unter einem Kühlmittel können hierbei flüssige oder gasförmige Kühlmedien verstanden werden. Hierdurch kann die an das Kühlkörpersegment abgegebene Abwärme des Bauteils schneller abgeführt werden und es kann dadurch eine noch effektivere und effizientere Kühlung des Bauteils erreicht werden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Kühlkörpersegment eine als ebene Fläche ausgebildete Außenfläche zur Aufnahme eines weiteren, zu kühlenden Bauteils aufweist, wobei die Außenfläche die erste Segmentfläche und die zweite Segmentfläche miteinander verbindet. Denn hierdurch können weitere zu kühlende Bauteile auf das Kühlkörpersegment aufgebracht werden, wodurch sie näher an die zu kühlenden Bauteile heranrücken, die auf den Segmentflächen des Kühlkörpersegments bzw. der Kühlkörpersegmente angeordnet sind. Hierdurch können einerseits mehr Bauteile pro Kühlkörpersegment gekühlt werden, und andererseits können die Leitungslängen zwischen den Bauteilen auf den Segmentflächen und auf der Außenfläche verringert werden, wodurch parasitäre Induktivitäten verringert werden. (langer Satz). Unter einem weiteren zu kühlenden Bauteil kann beispielsweise ein temperaturempfindlicher Logikbaustein verstanden werden.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn das Kühlkörpersegment wenigstens eine, zu der ersten Segmentfläche und/oder zu der zweiten Segmentfläche im Wesentlichen senkrechte, als ebene Fläche ausgebildete Stirnfläche aufweist, wobei die Stirnfläche dazu ausgebildet ist, ein weiteres, zu kühlendes Bauteil aufzunehmen. Hierbei kann die wenigstens eine Stirnfläche eine Oberseite und optional eine weitere Stirnfläche eine Unterseite des Kühlkörpersegments bilden. Hierdurch können vorteilhafterweise noch mehr zu kühlende Bauteile auf dem Kühlkörpersegment angeordnet werden.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn das Kühlkörpersegment durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, durch selektives Elektronenstrahlschmelzen und/oder Binderjetting, gefertigt ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Kühlkörpersegment auch durch Strangpressen, Pulverspritzgießen, Drehen und/oder Fräßen gefertigt sein. Die Kühlkörpersegmente können insbesondere aus einem Metall wie Kupfer oder Aluminium gefertigt sein. In einer alternativen Ausführungsform können die Kühlkörpersegmente aus einer Keramik, wie beispielsweise Al₂O₃, Se_eN4, SiC und/oder AlN, gefertigt sein und beispielsweise durch Pulverspritzgießen, Extrusion, Schlickergießen und/oder generative Fertigungsmethoden hergestellt werden. Hierdurch können die Oberflächenkonturen des Kühlkörpersegments sehr präzise an Anforderungen der auf dem Kühlkörpersegment angeordneten, zu kühlenden Bauteile angepasst werden. Weiterhin können hierdurch komplexe und/oder arbiträre Kühlstrukturen im inneren des Kühlkörpersegments realisiert werden. Je nach Anforderung an die Kühlleistung der einzelnen Bauteile können hierbei die Segmentflächen, die Außenfläche und/oder die Stirnflächen unterschiedlich stark gekühlt werden.
Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für einen Kühlkörper zum Kühlen von Bauteilen, insbesondere von Leistungselektronikbauteilen, mit wenigstens einem ersten Kühlkörpersegment und einem zweiten Kühlkörpersegment nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungen. Der Kühlkörper zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Kühlkörpersegment und das zweite Kühlkörpersegment derart konzentrisch angeordnet sind, dass sich der Kühlkörper ausbildet. Solch ein Kühlkörper weist eine Rotationssymmetrie um wenigstens eine Achse auf, wobei die Rotationsachse identisch mit der Schnittgeraden ist, entlang welcher sich die Ebenen der einzelnen Segmentflächen schneiden. Hierdurch eignet sich der Kühlkörper besonders zur Integration in eine elektrische Maschine.
Es ist ferner zweckmäßig, wenn zwischen zwei Segmentflächen zweier unterschiedlicher Kühlkörpersegmente ein zu kühlendes Bauteil angeordnet ist. Denn hierdurch kann die Abwärme des zu kühlenden Bauteils auf zwei Seiten an die Segmentflächen und somit an den Kühlkörper abgegeben werden, wodurch eine effektivere Kühlung des Bauteils erreicht wird. Weiterhin können auf diese Art viele Bauteile innerhalb des Kühlkörpers angeordnet werden. Durch Vergrößern der Anzahl der Kühlkörpersegmente vergrößert sich auch die Anzahl der Segmentflächen und dadurch die Möglichkeit weitere Bauteile innerhalb des Kühlkörpers anzuordnen und zu kühlen, ohne eine Änderung der Größe und der Form des Kühlkörpers zu bedingen.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Kühlkörper in Form eines Hohlkörpers, insbesondere eines Hohlzylinders, ausgebildet ist. Denn hierdurch in der Ausnehmung des Hohlkörpers wenigstens ein weiteres zu kühlendes Bauteil angeordnet werden. Weiterhin kann die Ausnehmung dazu verwendet werden, um den Kühlkörper, beispielsweise in einer elektrischen Maschine, zu lagern oder haltern. Im Falle des Hohlzylinders, unter welchem man beispielsweise eine kreisförmige Scheibe mit einem zentrierten Loch darin verstehen kann, richten sich die einzelnen Kühlkörpersegmente in vorteilhafter Weise bei einem konzentrischen Anordnen selbst aus.
Einfügung: Der Kühlkörper hat des Weiteren den Vorteil, dass er sehr viele Bauteile pro Volumeneinheit kühlen kann und daher eine sehr kompakte Bauweise aufweist. Indem die Abstände zwischen den einzelnen elektrischen Bauteilen, insbesondere zwischen Leistungselektronikbauteilen und Logikbauteilen verkürzt werden, werden parasitäre Induktivitäten reduziert. Einfügung Ende.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn in einer Mitte des Hohlkörpers ein weiteres Bauteil angeordnet ist. Das weitere Bauteil kann hierbei beispielsweise eine Hülse zur Unterstützung einer Zentrierung der Kühlkörpersegmente sein. Alternativ oder zusätzlich kann das weitere Bauteil einen Zwischenkreiskondensator umfassen, der insbesondere mit den Leistungselektronikbauteilen über im Wesentlichen gleich lange Leitungen verbunden ist. Hierdurch wird der Kühlkörper in optimaler Weise genutzt und eine Bauweise der Leistungselektronikschaltung kann noch kompakter ausgestaltet werden. Der Zwischenkreiskondensator kann hierbei über die Hülse kontaktiert werden. (Position des Satzes überdenken).
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Kühlkörper eine kreisförmige, insbesondere ebene, Grundfläche ausbildet. Denn hierdurch wird ein kreisrunder, rotationssymmetrischer Kühlkörper erreicht, der in einfacher Weise in eine elektrische Maschine integriert werden kann. Denn durch die Rotationssymmetrie wird eine im Wesentlichen gleiche bzw. regelmäßige Gewichtsverteilung über den gesamten Winkelbereich des Kühlkörpers erreicht, was sich insbesondere bei sich um ihre Rotationsachse drehende Bauteilanordnungen als vorteilhaft erweist.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Kühlkörper eine quadratische, insbesondere ebene, Grundfläche ausbildet. Solch eine alternative Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Seitenflächen des quadratischen Kühlkörpers als zusätzliche Kühlflächen für zu kühlende elektrische Bauteile fungieren können.
Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für ein Verfahren zum Kühlen von Bauteilen, insbesondere von Leistungselektronikbauteilen. Das Verfahren weist hierbei einen Schritt des Bereitstellens eines ersten Kühlkörpers, insbesondere nach einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen, sowie ein Schritt des aktiven Kühlens des Kühlkörpers auf, wobei Kühlstrukturen in einem Inneren von Kühlkörpersegmenten des Kühlkörpers mit einem Kühlmittel durchflossen werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein Kühlkörper mit einer kompakten Bauweise erreicht werden kann, und der Kühlkörper durch seine Partitionierfähigkeit eine große Anzahl von elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen oder Bauteilen innerhalb eines relativ geringen Volumens effektiv kühlen kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpersegments zum Kühlen von Bauteilen in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung zweier Segmentflächen zweier direkt aneinander angrenzenden Kühlkörpersegmenten in einer Draufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung zweier Segmentflächen zweier direkt aneinander angrenzenden Kühlkörpersegmenten in einer Draufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers zum Kühlen von Bauteilen in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers in einer Draufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung einer Kühlung des Kühlkörpers anhand einer Seitenansicht eines Schnitts durch den Kühlkörper gemäß dreier Ausführungsbeispiele;
7 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers in einer Draufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers in einer Draufsicht und einer Seitenansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; sowie
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Kühlen von Bauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkörpersegments 10 in einer Draufsicht. Das Kühlkörpersegment 10 weist eine Tortensegmentartige Grundfläche auf. Das Kühlkörpersegment 10 weist weiterhin eine erste Segmentfläche 11a und eine zweite Segmentfläche 11b auf. Die Ebenen in welchen die erste Segmentfläche 11a und die zweite Segmentfläche 11b liegen schneiden sich entlang einer gemeinsamen Schnittgeraden 12, welche bei einem aus mehreren Kühlkörpersegmenten 10 gebildeten Kühlkörper einen konzentrischen Mittelpunkt bildet. Das Kühlkörpersegment 10 weist weiterhin eine Oberseite 13 auf, welche im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Segmentfläche 11a und zu der zweiten Segmentfläche 11b ausgerichtet ist. Des Weiteren weist das Kühlkörpersegment 10 eine bedingt durch die Darstellung nicht gezeigte Unterseite 14 auf, welche ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Segmentfläche 11a und zu der zweiten Segmentfläche 11b ausgebildet ist. Das Kühlkörpersegment 10 weist weiterhin eine Außenfläche 15 auf, die die erste Segmentfläche 11a und die zweite Segmentfläche 11b miteinander verbindet, und die konzentrisch um die Schnittgerade 12 verläuft. Fakultativ kann das Kühlkörpersegment 10 eine Innenfläche 16 aufweisen die ebenfalls die erste Segmentfläche 11a und die zweite Segmentfläche 11b miteinander verbindet und konzentrisch um die Schnittgerade 12 verläuft, und die näher als die Außenfläche 15 konzentrisch an der Schnittgerade 12 entlangverläuft. Das Kühlkörpersegment 10 kann aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer oder aus einer Keramik wie beispielsweise Al₂O₃, Se_eN4, SiC und/oder AlN gefertigt sein. Des Weiteren weist das Kühlkörpersegment 10 eine Kühlstruktur 20 auf, welche sich röhrenförmig als Leitungssystem durch ein inneres des Kühlkörpersegments 10 entlang schlängelt. Durch die Kühlstruktur 20 kann ein Kühlmittel zum aktiven Kühlen des Kühlkörpersegments 10 gepumpt bzw. geführt werden.
Die erste Segmentfläche 11a und/oder die zweite Segmentfläche 11b sind dazu vorgesehen, Bauteile, insbesondere Leistungselektronikbauteile, aufzunehmen und deren Abwärme über die Kühlstruktur 20 abzuführen. Das Kühlkörpersegment 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Körper mit einer viertelkreisförmigen Grundfläche dargestellt. Hierbei schließen die erste Segmentfläche 11a und die zweite Segmentfläche 11b einen Winkel von im Wesentlichen 90° ein. In weiteren, alternativen Ausführungsformen ist es möglich, dass sowohl kleinere als auch größere Winkel zwischen der ersten Segmentfläche 11a und der zweiten Segmentfläche 11b eingeschlossen werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung zweier benachbarter Kühlkörpersegmente 10, 10b in einer Draufsicht. Auf einer ersten Segmentfläche 11a des ersten Kühlkörpersegments 10 ist eine zu kühlende Bauteilgruppe 30 angeordnet. Die Bauteilgruppe 30 umfasst Leistungshalbleiter 31, welche sich bei Betrieb stark erwärmen und somit einer großen Kühlleistung bedürfen. Weiterhin umfasst die Bauteilgruppe 30 Logikbausteine 32, welche in unmittelbarer Nähe zu den Leistungshalbleitern 31 angeordnet sind. Die Bauteilgruppe 30 ist auf einem Keramiksubstrat 35 aufgebracht, wobei das Keramiksubstrat 35 beiderseits mit Metall 36 kaschiert ist. Die einzelnen Leistungshalbleiter 31 und die einzelnen Logikbausteine 32 sind über elektrische Leitungen 33 miteinander verbunden. Dass an das erste Kühlkörpersegment 10 angrenzende zweite Kühlkörpersegment 10b weist ebenfalls eine Segmentfläche 11c auf, die der ersten Segmentfläche 11a gegenüber angeordnet ist. Die Segmentfläche 11c weist ihrerseits Ausnehmungen 38 auf, welche die Leistungshalbleiter 31 wenigstens teilweise oder vollständig aufnehmen können, wenn die erste Segmentfläche 11a an die weitere Segmentfläche 11c angefügt wird. Die Ausnehmungen 38 sind dargestellt, dass sie eine Oberflächenkontur der Bauteilgruppe 30 derart nachbilden, dass das erste Kühlkörpersegment 10 und das weitere Kühlkörpersegment 10b möglichst nahe aneinander angeordnet bzw. angefügt werden können. Die im Betrieb der Leistungshalbleiter 31 anfallende Abwärme wird hierdurch effektiv sowohl an das erste Kühlkörpersegment 10 als auch an das weitere Kühlkörpersegment 10b abgegeben, welche ihrerseits die Abwärme durch die Kühlstrukturen 20 abführen.
In 3 ist eine schematische Darstellung zweier Segmentflächen 11a, 11c von zwei benachbart anzuordnenden Kühlkörpersegmenten 10, 10b in einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Kühlkörpersegment 10 weist auf seiner ersten Segmentfläche 11a ein Keramiksubstrat 35 auf, welches beiderseits mit einer Metallkaschierung 36 versehen ist, wobei auf dem Keramiksubstrat 35 Leistungshalbleiter 31 angeordnet sind.
Einschub: Durch die effektive Kühlung der Bauteilgruppe 30, insbesondere der Leistungshalbleiter 31, lassen sich die Logikbausteine 32 näher an die Leistungshalbleiter 31 positionieren. Dadurch verkürzen sich die Längen der elektrischen Leitungen 33, was wiederum sich positiv auf parasitäre Induktivitäten auswirkt. Einschub Ende.
Dass dem ersten Kühlkörpersegment 10 gegenüber angeordnete weitere Kühlkörpersegmente 10b wiest ebenfalls auf seiner weiteren Segmentsfläche 11c ein Keramiksubstrat 35 auf, welches beidseitig mit einer Metallkaschierung 36 versehen ist. Auf dem Keramiksubstrat 35 sind Logikbausteine 32 angeordnet, wobei zwischen einzelnen Logikbausteinen 32 Aussparungen 39 vorgesehen sind. Die Aussparungen 39 sind dafür vorgesehen, dass bei einem Aneinanderfügen des ersten Kühlkörpersegments 10 und des weiteren Kühlkörpersegments 10b die Leistungshalbleiter 31, welche sich auf dem Keramiksubstrat 35 der ersten Segmentfläche 11a befinden, aufzunehmen. (Satzbau). Die Leistungshalbleiter 31 und die Logikbausteine 32 können hierbei beliebig auf den jeweiligen Keramiksubstraten 35 positioniert werden. In einer alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass ein Keramiksubstrat 35 ausschließlich für Logikbausteine vorgesehen ist. Hierdurch können mehrlagige Logiksubstrate wie beispielsweise LTCC (Was ist das?) mit geringer Stromtragfähigkeit jedoch mit großer Entflechtungsfähigkeit verwendet werden. Hierdurch sind die Logikbausteine 32 nach einem Zusammenfügen der ersten Segmentfläche 11a mit der weiteren Segmentfläche 11c thermisch noch besser von der Leistungshalbleitern 31 entkoppelt.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers 100 in einer Draufsicht gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Kühlkörper 100 weist vier Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d auf, welche allesamt eine tortensegmentartige Grundform aufweisen. Durch konzentrisches Anordnen der Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d um, einen gemeinsamen Mittelpunkt 12a, welcher auf der Schnittgeraden 12 liegt, bildet sich der symmetrische Kühlkörper 100 aus. Der Kühlkörper 100 weist hierbei eine Tortenartige bzw. Hohlzylindrische Grundform auf. Zwischen zwei jeweils zueinander benachbarten Segmentflächen 11a, 11c, 11b, 11d sind Bauteilgruppen 30 angeordnet, die durch den Kühlkörper 100 gekühlt werden. Der Kühlkörper 100 weist in seinem Inneren eine kreisförmige Ausnehmung 110 auf.
Einfügung: Zwischen den Segmentflächen 11a, 11c, 11b, 11d bleiben nach Zusammenfügen der Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d zu dem Kühlkörper 100 Spalte 40 übrig, welche mit einer Vergussmasse vergossen werden können. Hierdurch werden einerseits die Spalte 40 aufgefüllt und andererseits die Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10, c, 10d aneinandergefügt.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers 100b gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Der Kühlkörper 100b unterscheidet sich hierbei von dem Kühlkörper 100 lediglich darin, dass in der kreisförmigen Ausnehmung 110 eine Hülse 115 angeordnet ist. Die Hülse 115 kann ein Metall aufweisen und somit zur Kontaktierung der Bauteilgruppen 30 verwendet werden. Die Hülse 115 dient weiterhin dazu, die einzelnen Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d präziser zueinander oder konzentrisch um den Mittelpunkt 12a auszurichten. Alternativ oder zusätzlich kann in der kreisförmigen Ausnehmung 110 ein Zwischenkreiskondensator angeordnet sein, der zu jeder der Bauteilgruppe 30 den gleichen Abstand und somit auch gleichlange elektrische Verbindungen aufweist. Hierdurch werden parasitäre Induktivitäten weiter verringert. Über die Hülse 115 kann der Zwischenkreiskondensator elektrisch kontaktiert werden.
Im Falle, dass lediglich der Zwischenkreiskondensator in der kreisförmigen Ausnehmung 110 angeordnet ist, fungiert der Zwischenkreiskondensator zusätzlich als Ausrichtungshilfe bzw. Zentrierungshilfe für die einzelnen Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d.
In 6 ist eine schematische Darstellung einer Kühlung der Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d anhand dreier Ausführungsbeispiele gezeigt. (siehe kurze Figurenbeschreibung) In jedem der drei Ausführungsbeispiele sind eine Seitenansicht eines Kühlkörpersegments 10 bzw. eine Hälfte eines Schnitts durch den Kühlkörper 100 entlang eines Spalts 40 zu sehen. Auf jeder der Segmentflächen 11 ist ein Keramiksubstrat 35 mit einer Metallkaschierung 36 zu sehen. Auf jedem der metallkaschierten Keramiksubstrate 35 sind jeweils zwei Leistungshalbleiter 31 angeordnet. Des Weiteren ist die an einer Innenfläche 16 angrenzende Hülse 115 sowie der durch eine gestrichelte Linie dargestellte Mittelpunkt 12a gezeigt. Bei dem oberen Ausführungsbeispiel ist ein Kühlwasserzufluss auf der Unterseite 14 durch einen Pfeil 150a und ein Kühlwasserabfluss auf einer Oberseite 13 durch einen weiteren Pfeil 152a angedeutet. Bei dem mittleren Ausführungsbeispiel ist ein Kühlmittelzufluss von der Unterseite 14 durch einen Pfeil 150b, sowie ein Kühlmittelabfluss ebenfalls auf der Unterseite 14 durch einen weiteren Pfeil 152b angedeutet. In dem unteren Ausführungsbeispiel ist ein Kühlmittelzufluss an zwei Stellen auf der Unterseite 14 durch die Pfeile 150c sowie ein Kühlmittelabfluss von der Unterseite 14 durch zwei weitere Pfeile 152c angedeutet. Das Kühlmittel kann unabhängig von den drei Ausführungsformen durch ein gezieltes Fertigen bzw. Anordnen der Kühlstruktur 20 innerhalb der Kühlkörpersegmente 10 beliebig geleitet bzw. geführt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass Zuläufe und/oder Abläufe für das Kühlmittel an die Unterseite 14 und/oder an die Oberseite 13 beispielsweise durch Löten oder Schweißen, angebracht werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Kühlstruktur 20 derart ausgestaltet sein, dass sie aus geradlinigen Bohrungen parallel zu der ersten Segmentfläche und/oder der zweiten Segmentfläche ausgebildet ist. Hierbei kann die Oberseite 14 und/oder die Unterseite 13 beispielsweise mit einem Stahlblech verschlossen werden, wobei Anschlüsse für die Zuläufe und für die Abläufe des Kühlmittels auf der Oberseite 13 und/oder auf der Unterseite 14 vorgesehen sein können.
In 7 ist eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers 100c gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Kühlkörper 100c unterscheidet sich von dem Kühlkörper 100b des Ausführungsbeispiels aus 5 dahingehend, dass die Außenflächen 15a nicht konzentrisch und im Mittelpunkt 12a verlaufen, sondern ebene Flächen bilden. Hierdurch bildet sich bei einer konzentrischen Anordnung der Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d um den Mittelpunkt 12a der Kühlkörper 100c mit einer quadratischen Grundfläche aus. Durch die ebenen Außenflächen 15a können weitere, insbesondere zu kühlende, Bauteile, wie beispielsweise Leiterplatten 34 an den Kühlkörpersegmenten 10, 10b, 10c, 10d angeordnet und somit durch den Kühlkörper 100c gekühlt werden.
In 8 ist eine schematische Darstellung eines Kühlkörpers 100d in einer Draufsicht sowie in einer Seitenansicht eines Schnittes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Kühlkörper 100d weist einen ähnlichen Ausbau auf, wie der Kühlkörper 100b aus dem Ausführungsbeispiel aus 5. Der Kühlkörper 100d weist Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d auf, welche konzentrisch um den Mittelpunkt 12a angeordnet sind, und welche angeordnet zwischen den Segmentflächen 11 Bauteilgruppen 30 aufweisen. Des Weiteren weist wenigstens ein Kühlkörpersegment 10 auf der Oberseite 13 eine weitere Bauteilgruppe 30 und/oder eine Leiterplatte 34 auf, welche dort zur Kühlung angeordnet ist. Des Weiteren sind in dem Kühlkörpersegment die Kühlstruktur 20 in Form von Leitungsabschnitten 21 angedeutet. Die Leitungsabschnitte 21 verlaufen im Wesentlichen von der Unterseite 14 hin zur Oberseite 13 der Kühlkörpersegmente 10, 10b, 10c, 10d, wobei die Leitungsabschnitte 21 die Unterseite 14 und die Oberseite 13 nicht durchdringen. Die Leitungsabschnitte 21 weisen in der Nähe der Oberseite 13 und der Unterseite 14 Querverbindungen 22 auf, die die Leitungsabschnitte 21 derart miteinander verbinden, dass lediglich eine Einlassöffnung 23 und eine Auslassöffnung 24, beispielsweise auf der Unterseite 14 ausreicht, um das Kühlmittel durch die Kühlstruktur 20 zu leiten.
Auf der linken Seite des Ausführungsbeispiels ist in dem Kühlkörpersegment 10d ein Schnitt 17, angedeutet durch die Buchstaben A, durch das Kühlkörpersegment 10d gezeigt. Das dazugehörige Schnittbild ist auf der rechten Seite des Ausführungsbeispiels nochmals dargestellt. Hierbei ist das Kühlkörpersegment 10d in einem Schnitt 17 senkrecht zu der Oberseite 13 und der Unterseits 14 zu sehen. Im Inneren des Kühlkörpersegments 10d ist die Kühlstruktur 20 in Form von Leitungsabschnitten 21 und Querverbindungen 22 zwischen den Leitungsabschnitten 21 dargestellt. Die Kühlstruktur 20 weist eine Einlassöffnung 23 auf, durch welche das Kühlmittel dem Kühlkörpersegment 10d, angedeutet durch einen Pfeil 150 zugeführt wird. Des Weiteren weist das Kühlkörpersegment 10d auf seiner Unterseite 14 eine Auslassöffnung 24 auf, über welche das Kühlmittel von dem Kühlkörpersegment 10d, angedeutet durch einen weiteren Pfeil 152, abgeführt wird. Insbesondere generative Fertigungstechniken eignen sich hierbei, um eine nahezu willkürliche Kühlstruktur 20 bzw. einen arbiträren Verlauf der Leitungsabschnitte 21 und der dazwischenliegenden Querverbindungen 23 zu erreichen.
In 9 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Kühlen von Bauteilen, insbesondere von Leistungselektronikbauteilen, gezeigt. Hierbei wird in einem ersten Verfahrensschritt 201 ein Kühlkörper 100, insbesondere gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt 202 wird der Kühlkörper 100 aktiv gekühlt, indem Kühlstrukturen 20 in einem Inneren von Kühlkörpersegmenten 10, 10b, 10c, 10d des Kühlkörpers 100 von einem Kühlmittel durchflossen werden.
Einschub: Eine Fließrichtung 23 des Kühlmittels ist durch Pfeile in den Leitungsabschnitten 21 angedeutet. Einschube Ende.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010017168 A1 [0002]

Claims

Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) zum Kühlen von Bauteilen (30,34), insbesondere von Leistungselektronikbauteilen, mit einer ersten Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) und einer zweiten Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) und die zweite Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) derart zueinander ausgerichtet sind, dass bei einem konzentrischen Anordnen mehrerer Kühlkörpersegmente (10, 10b, 10c, 10d) alle Segmentflächen (11, 11a, 11b, 11c, 11d) der Kühlkörpersegmente (10, 10b, 10c, 10d) aneinander angrenzen.
Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) und/oder die zweite Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) dazu ausgebildet ist, ein zu kühlendes Bauteil (30,34) aufzunehmen.
Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) und/oder die zweite Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) eine Oberflächenkontur (38) aufweist, die einer Kontur einer Bauteiloberfläche derart entspricht, dass das Bauteil (30,34) wenigstens teilweise von dem Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) umschlossen wird.
Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Inneres des Kühlkörpersegments (10, 10b, 10c, 10d) Kühlstrukturen (20, 21, 22) aufweist, welche von einem Kühlmittel durchflossen werden.
Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) eine als ebene Fläche ausgebildete Außenfläche (15) zur Aufnahme eines weiteren, zu kühlenden Bauteils (30,34) aufweist, wobei die Außenfläche (15) die erste Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) und die zweite Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) miteinander verbindet.
Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) wenigstens eine, zu der ersten Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) und/oder zu der zweiten Segmentfläche (11, 11a, 11b, 11c, 11d) im Wesentlichen senkrechte, als ebene Fläche ausgebildete Stirnfläche (13, 14) aufweist, wobei die Stirnfläche (13, 14) dazu ausgebildet ist, ein weiteres, zu kühlendes Bauteil (30,34) aufzunehmen.
Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) durch ein generatives Fertigungsverfahren, insbesondere durch selektives Laserschmelzen, durch selektives Elektronenstrahlschmelzen und/oder Binder Jetting, gefertigt ist.
Kühlkörper (100, 100b, 100c, 100d) zum Kühlen von Bauteilen (30,34), insbesondere von Leistungselektronikbauteilen, mit wenigstens einem ersten Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) und einem zweiten Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) und das zweite Kühlkörpersegment (10, 10b, 10c, 10d) derart konzentrisch angeordnet sind, dass sich der Kühlkörper (100, 100b, 100c, 100d) ausbildet.
Kühlkörper (100, 100b, 100c, 100d) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Segmentflächen (11, 11a, 11b, 11c, 11d) zweier unterschiedlicher Kühlkörpersegmente (10, 10b, 10c, 10d) ein zu kühlendes Bauteil (30,34) angeordnet ist.
Kühlkörper (100, 100b, 100c, 100d) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkörper (100, 100b, 100c, 100d) in Form eines Hohlkörpers, insbesondere eines Hohlzylinders, ausbildet.
Kühlkörper (100, 100b, 100c, 100d) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Mitte des Hohlkörpers ein weiteres Bauteil, insbesondere eine Hülse (115) und/oder ein Zwischenkreiskondensator, angeordnet ist.
Kühlkörper (100, 100b, 100c, 100d) nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (100, 100b, 100c, 100d) eine kreisförmige oder quadratische Grundfläche ausbildet.
Verfahren (200) zum Kühlen von Bauteilen (30,34), insbesondere von Leistungselektronikbauteilen, mit den Schritten: • Bereitstellen (201) eines Kühlkörpers (100, 100b, 100c, 100d), insbesondere nach einem der Ansprüche 8 bis 12; und • Aktives Kühlen (202) des Kühlkörpers (100, 100b, 100c, 100d), wobei Kühlstrukturen (20, 21, 22) in einem Inneren von Kühlkörpersegmenten (10, 10b, 10c, 10d) des Kühlkörpers (100, 100b, 100c, 100d) von einem Kühlmittel durchflossen werden.