DE102022211780A1

DE102022211780A1 - Kühlstruktur eines fluiddurchströmbaren Kühlers

Info

Publication number: DE102022211780A1
Application number: DE102022211780.8A
Authority: DE
Inventors: Max Florian Beck; Valentin Ruedenauer; Tobias Hoppe; Daniel Stehlik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-08
Filing date: 2022-11-08
Publication date: 2024-05-08
Also published as: WO2024099763A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlstruktur (1) eines fluiddurchströmbaren Kühlers (100), die aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung (501) periodisch wiederholenden U-Profil (10) gebildet ist, welches gewellte Schenkel (15) umfasst, die sich in einer Längsrichtung (502) der Kühlstruktur (1) erstrecken und gemäß einer trigonometrischen Funktion (13) gebildet sind.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlstruktur eines fluiddurchströmbaren Kühlers zum Kühlen einer Leistungselektronik, ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Kühlstruktur und einen fluiddurchströmbaren Kühler. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung mit einem derartigen Kühler und einer Leistungselektronik.
Es ist bekannt, dass Leistungshalbleiter einer Leistungselektronik hohe elektrische Ströme führen. Zusammen mit Schaltverlusten sind die daraus resultierenden Leitverluste ursächlich für eine hohe Verlustwärmeleistung, welche auf einer sehr kleinen Fläche abgeführt werden muss. Die maximal zulässige Halbleitertemperatur ist dabei versagenskritisch, weshalb eine Minimierung des thermischen Widerstands zwischen Halbleiter und Kühlmittel von zentraler Bedeutung ist. Zur effizienten Kühlung werden die Leistungssubstrate auf fluiddurchströmbare Kühler appliziert. Diese Kühler bestehen aus Aluminium-, AlSiC- oder Kupferlegierungen. Im Kühlerinneren sind Pins oder Rippen zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche und zur Intensivierung des Wärmeübergangs angeordnet. Zum Zweck eines geringen Wärmewiderstands zwischen einem Leistungssubstrat, insbesondere einem AMB/DBC-Leistungssubstrat (AMB: active metal braze; DBC: direct copper bonding), und Kühler wird das Leistungssubstrat mittels eines Weichlotprozesses, wahlweise auch eines Sinterprozesses auf den Kühler gefügt. Dazu sind diese Kühler gegebenenfalls oberflächenbeschichtet mit für einen Weichlötprozess oder einen Sinterprozess geeigneten Materialien. In der Automobiltechnik sind häufig Aluminiumkühler, auch AlSiC- oder Kupferkühler, welche aus mehreren Bauteilen bestehen, die insbesondere durch einen Hartlötprozess gefügt werden, bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kühlstruktur eines fluiddurchströmbaren Kühlers weist den Vorteil einer guten Balance zwischen der erzielten Wärmeübertragungsleistung von der Kühlstruktur auf ein als Kühlmittel verwendetes Fluid und dem durch die Kühlstruktur verursachten Druckabfall auf, wenn die Kühlstruktur bei einem solchen Kühler eingesetzt wird und der Kühler durch das Fluid durchströmt wird. Dies wird durch eine Kühlstruktur eines fluiddurchströmbaren Kühlers erreicht, die aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung periodisch wiederholenden U-Profil gebildet ist, welches gewellte Schenkel umfasst. Die gewellten Schenkel erstrecken sich in einer Längsrichtung der Kühlstruktur und sind gemäß einer trigonometrischen Funktion gebildet. Mit anderen Worten weisen die gewellten Schenkel jeweils die Form einer trigonometrischen Funktion auf. Da die gewellten Schenkel Teile des U-Profils sind, welches sich wiederholt, weisen alle gewellten Schenkel der Kühlstruktur in vorteilhafter Weise dieselbe Form auf. Durch die Wiederholung des U-Profils in der Wiederholungsrichtung entsteht in vorteilhafter Weise ein einteiliges kontinuierliches Profil, welches im Rahmen der Erfindung insbesondere als Wellenprofil bezeichnet werden kann. Durch die gewellten Schenkel der Kühlstruktur wird eine turbulente Strömung des als Kühlmittel verwendeten Fluides bewirkt, was zu einer erhöhten Wärmeableitung bei akzeptablem verursachtem Druckabfall wegen der gewellten Form der Schenkel führt. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Kühlstruktur besonders für den Einsatz in fluiddurchströmbaren Kühlern, insbesondere Hochleistungskühlern, für leistungselektronische Anwendungen.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Vorzugsweise wiederholt sich das U-Profil eine ganzzahlige oder nicht ganzzahlige Anzahl von Malen. Das heißt, dass bei einer ganzzahligen Anzahl von Wiederholungsmalen des U-Profils die Kühlstruktur einem ganzzahligen Vielfachen des sich periodisch wiederholenden U-Profils entspricht. Auf der anderen Seite bedeutet eine nicht ganzzahlige Anzahl von Wiederholungsmalen, dass die Kühlstruktur kein ganzzahliges Vielfaches des sich periodischen wiederholenden U-Profils ist. Wie viele Male sich das U-Profil wiederholt, hängt in vorteilhafter Weise von einer Breite der Leistungselektronik ab, die durch einen die Kühlstruktur umfassenden fluiddurchströmbaren Kühler gekühlt werden soll. Beispielsweise kann sich das U-Profil in der Wiederholungsrichtung 5 Mal wiederholen. Dabei weist die Kühlstruktur 5 Wiederholungen des U-Profils oder mit anderen Worten 5 U-Profile, die miteinander so verbunden sind, dass ein einteiliges kontinuierliches Wellenprofil entsteht, auf.
Vorzugsweise weist die Kühlstruktur neben der Längsrichtung eine Breitenrichtung und eine Höhenrichtung auf. Die Wiederholungsrichtung entspricht vorzugsweise der Breitenrichtung. Die Längsrichtung kann vorzugsweise senkrecht oder geneigt zur Wiederholungsrichtung sein. Die Höhenrichtung ist senkrecht zur Breitenrichtung und der Längsrichtung. Vorzugsweise ist die Längsrichtung die Richtung, die parallel zu einer Linie ist, die den geometrischen Schwerpunkt des Querschnitts des U-Profils an einem ersten Ende der Kühlstruktur mit dem geometrischen Schwerpunkt des Querschnitts des U-Profils an einem zweiten Ende der Kühlstruktur verbindet.
Vorzugsweise ist die Wiederholungsrichtung parallel zu einer Y-Achse eines raumfixierten Koordinatensystems und die Höhenrichtung parallel zu einer Z-Achse des raumfixierten Koordinatensystems. Die Längsrichtung kann vorzugsweise parallel oder geneigt zu einer X-Achse des raumfixierten Koordinatensystems sein. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse des raumfixierten Koordinatensystems stehen senkrecht zueinander. Mit anderen Worten ist das raumfixierte Koordinatensystem ein kartesisches Koordinatensystem im dreidimensionalen Raum.
Die Längsrichtung kann vorzugsweise die Richtung sein, in der die Kühlstruktur ihr längstes Maß aufweist. Die Längsrichtung der Kühlstruktur entspricht vorzugsweise einer Erstreckungsrichtung des sich wiederholenden U-Profils.
Die trigonometrische Funktion kann beispielsweise eine Sinusfunktion sein. Im Rahmen der Erfindung kann ein Schenkel auch als Seitenwand bezeichnet werden.
Vorzugsweise beträgt eine Höhe des sich periodisch wiederholenden U-Profils von 3,7 mm bis 4,5 mm, besonders bevorzugt 4 mm. Die Höhe des U-Profils entspricht dem Maß des U-Profils in der Höhenrichtung, die senkrecht zur Wiederholungsrichtung steht. In vorteilhafter Weise entspricht die Höhe des U-Profils der Höhe der Kühlstruktur. Das heißt insbesondere, dass die Kühlstruktur eine konstante Höhe hat.
Vorzugsweise beträgt eine Periode des sich periodisch wiederholenden U-Profils von 2 mm bis 3,1 mm, besonders bevorzugt 2,8 mm. Es ist zu verstehen, dass die Periode des sich periodisch wiederholenden U-Profils ein Maß in der Wiederholungsrichtung ist. Es ist ferner zu verstehen, dass die Periode zwischen einem ersten Ende (Seitenende) und einem zweiten Ende (Seitenende) der Kühlstruktur in der Wiederholungsrichtung konstant ist. Das heißt mit anderen Worten insbesondere, dass das sich periodisch wiederholende U-Profil sich regelmäßig wiederholt.
Vorzugsweise beträgt eine Periode der trigonometrischen Funktion von 5,1 mm bis 6 mm, besonders bevorzugt 5,5 mm. Es ist zu verstehen, dass die Periode der trigonometrischen Funktion ein Maß in der Längsrichtung ist.
Vorzugsweise beträgt eine Amplitude der trigonometrischen Funktion von 0,25 mm bis 0,8 mm, besonders bevorzugt 0,4 mm. Die Amplitude der trigonometrischen Funktion entspricht dem größten Abstand der trigonometrischen Funktion zur Ruhelage der trigonometrischen Funktion, die in der Mitte zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Funktionswert der trigonometrischen Funktion liegt.
Vorzugsweise beträgt eine Materialstärke des sich periodisch wiederholenden U-Profils von 0,2 mm bis 0,4 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm. Mit anderen Worten beträgt vorzugsweise die Materialstärke der gewellten Schenkel von 0,2 mm bis 0,4 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm. Das sich periodisch wiederholende Profil weist in vorteilhafter Weise eine konstante Materialstärke auf.
Jeder der zuvor angegebenen Wertebereiche trägt zum guten Gleichgewicht zwischen der erzielten Wärmeübertragungsleistung und dem verursachten Druckabfall einzeln bei. Der besonders bevorzugte Wert eines jeweiligen Parameters aus den oben genannten Parametern (Höhe des sich periodisch wiederholenden U-Profils, Periode des sich periodisch wiederholenden U-Profils, Periode der trigonometrischen Funktion, Amplitude der trigonometrischen Funktion, Materialstärke des sich periodisch wiederholenden Profils) erzielt das optimale Gleichgewicht zwischen der erzielten Wärmeübertragungsleistung und dem verursachten Druckabfall hinsichtlich des jeweiligen Parameters.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beträgt die Höhe des sich periodisch wiederholenden U-Profils 4 mm, die Periode der trigonometrischen Funktion 5,5 mm, die Amplitude der trigonometrischen Funktion 0,8 mm, und die Materialstärke des sich periodisch wiederholenden U-Profils 0,3 mm. Diese Ausgestaltung der Kühlstruktur weist den Vorteil eines optimalen Ausgleichs zwischen der erzielten Wärmeübertragungsleistung und des verursachten Druckabfalls auf.
Als U-Profil kann im Rahmen der Erfindung vorzugsweise ein Teil der Kühlstruktur bezeichnet werden, welcher zwei (benachbarte) Schenkel, zwei erste Verbindungsbereiche und einen zweiten Verbindungsbereich umfasst. Der zweite Verbindungsbereich verbindet die beiden Schenkel miteinander, wobei die ersten Verbindungsbereiche das U-Profil jeweils mit einem benachbarten U-Profil (Wiederholung des U-Profils) verbindet. Die ersten Verbindungsbereiche und der zweite Verbindungsbereich sind vorzugsweise parallel zur einer Ebene, die senkrecht zur Höhenrichtung ist. In einem eingebauten Zustand der Kühlstruktur in einem fluiddurchströmbaren Kühler, an dem eine Leistungselektronik angeordnet ist, sind die ersten Verbindungsbereiche näher zur Leistungselektronik als der zweite Verbindungsbereich.
Das sich wiederholende U-Profil ist vorzugsweise ein abgerundetes Profil. Das heißt insbesondere, dass ein Übergang zwischen einem Schenkel und einem Verbindungsbereich (ersten oder zweiten Verbindungsbereich) eine Rundung aufweist. Mit anderen Worten geht ein Schenkel in den ersten Verbindungsbereich oder zweiten Verbindungsbereich mit einem Abrundungsradius über. Es ist allerdings auch möglich, dass das sich wiederholende U-Profil ein abgekantetes Profil, d.h. ohne Abrundungen an den genannten Stellen, ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die Kühlstruktur derart ausgebildet sein, dass alle Querschnitte der Kühlstruktur in einem Schnitt mit einer Ebene, deren Normalvektor senkrecht zur Wiederholungsrichtung steht, eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen. Alternativ kann die Kühlstruktur derart ausgebildet sein, dass wobei nicht alle Querschnitte der Kühlstruktur in einem Schnitt mit einer Ebene, deren Normalvektor senkrecht zur Wiederholungsrichtung steht, eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
Die Kühlstruktur kann mittels eines Stanz-, Rollform- oder Extrusionsprozess hergestellt sein.
Die Kühlstruktur ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als eine oberflächenvergrößernde, strömungsführende und wärmeübergangserhöhende Struktur verstanden.
Die Kühlstruktur kann im Rahmen der Erfindung auch als Kühlrippenstruktur bezeichnet werden, da durch das sich wiederholende U-Profil eine Kühlrippe gebildet ist. Die Kühlstruktur kann insbesondere auch als Turbulator bezeichnet werden, da diese, wie schon oben beschrieben, eine turbulente Strömung eines strömenden Fluides bewirkt.
Eine Durchströmungsrichtung des Kühlers entspricht insbesondere einer Hauptströmungsrichtung des als Kühlmittel verwendeten Fluides, das durch Durchgangsöffnungen, die durch die Kühlstruktur gebildet sind, strömt. Dabei ist die Hauptströmungsrichtung insbesondere die Richtung, in der das Fluid hauptsächlich strömt, d.h. die Richtung, in der eine Geschwindigkeitskomponente des Fluides größer als eine Geschwindigkeitskomponente des Fluides in einer zur Hauptströmungsrichtung senkrechten Richtung ist. Die Hauptströmungsrichtung kann vorzugsweise einer Einführungsrichtung des Fluides in den fluiddurchströmbaren Kühler entsprechen.
Die Kühlstruktur ist vorzugsweise zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einem Material ausgebildet und/oder mit einem Material beschichtet, welches einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist, der größer als 200 W/(m·K) ist. In vorteilhafter Weise kann die Kühlstruktur zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus Aluminium ausgebildet oder mit Aluminium beschichtet sein.
Der fluiddurchströmbare Kühler kann auch dazu dienen, andere als die Leistungselektronik zu kühlende Bauteile zu kühlen, die sich bei einer Leistungselektronik-Anordnung auf dem Kühler befinden, wie z.B. EMV-Filter, Kondensatoren oder Stromschienen.
Ferner betrifft die Erfindung einen fluiddurchströmbaren Kühler zum Kühlen einer Leistungselektronik. Der fluiddurchströmbare Kühler umfasst eine zuvor beschriebene Kühlstruktur, ein erstes Metallteil, und ein zweites Metallteil. Das erste Metallteil und das zweite Metallteil sind miteinander verbunden und definieren einen Kühlkanal, in dem die Kühlstruktur angeordnet ist. Eine Kühlkanalrichtung, d.h. die Richtung, in der sich der Kühlkanal erstreckt, ist vorzugsweise parallel oder geneigt zur Längsrichtung der Kühlstruktur bzw. parallel zur Längsachse des oben genannten raumfixierten Koordinatensystems.
Das erste Metallteil und das zweite Metallteil bilden in vorteilhafter Weise ein Gehäuse, welches den Kühlkanal definiert, insbesondere umschließt. Der Kühlkanal entspricht insbesondere einem Innenraum des Gehäuses. Bevorzugt sind am Gehäuse direkt ein Einlass und ein Auslass für das als Kühlmittel verwendete Fluid angeordnet.
Das erste Metallteil und das zweite Metallteil können vorzugsweise direkt oder indirekt miteinander verbunden sein. Eine direkte Verbindung bedeutet insbesondere, dass sich zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil nur eine Verbindungsschicht, insbesondere eine Verbindungshartlotschicht, befindet. Eine indirekte Verbindung bedeutet insbesondere, dass sich zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil mindestens ein weiteres Metallteil vorgesehen ist, wobei das erste Metallteil mit dem zweiten Metallteil über das mindestens eine weitere Metallteil und eine Verbindungsschicht, insbesondere eine Verbindungshartlotschicht, zwischen dem ersten Metallteil und dem mindestens einem weiteren Metallteil, und eine Verbindungsschicht, insbesondere eine Verbindungshartlotschicht, zwischen dem zweiten Metallteil und dem mindestens einem weiteren Metallteil verbunden ist.
Das erste Metallteil und/oder das zweite Metallteil ist/sind vorzugsweise als Blech(e) ausgebildet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Leistungselektronik-Anordnung, die einen zuvor beschriebenen fluiddurchströmbaren Kühler zum Kühlen einer Leistungselektronik, und eine Leistungselektronik umfasst, die am fluiddurchströmbaren Kühler angeordnet ist. Wärme, die durch die Leistungselektronik während Ihres Betriebs erzeugt wird, kann durch den fluiddurchströmbaren Kühler effizient abtransportiert werden.
Die Leistungselektronik kann vorzugsweise mindestens ein Leistungsmodul mit einem Leistungssubstrat umfassen. Das mindestens eine Leistungsmodul ist an/auf dem ersten Metallteil des fluiddurchströmbaren Kühlers mittels des Leistungssubstrates befestigt.
Das Leistungssubstrat kann vorzugsweise aus Kupfer und/oder Keramik (AMB/DBC-Leistungssubstrat; AMB: active metal braze; DBC: direct copper bonding) ausgebildet sein.
Zum Zweck eines geringen Wärmewiderstands zwischen dem Leistungssubstrat und dem Kühler, insbesondere dem ersten Metallteil, kann das Leistungssubstrat vorzugsweise mittels eines Weichlötprozesses, wahlweise auch eines Sinterprozesses auf den Kühler, insbesondere das erste Metallteil, gefügt werden. Das heißt, dass das Leistungsmodul vorzugsweise mittels einer durch einen Weichlötprozess oder einen Sinterprozess erzeugten Schicht, die somit entsprechend eine Weichlotschicht oder Sinterschicht ist, auf den fluiddurchströmbaren Kühler bzw. das erste Metallteil gefügt.
Das Leistungsmodul umfasst vorzugsweise einen oder mehrere Leistungshalbleiter. Der/die Leistungshalbleiter erzeugt/erzeugen Wärme während des Betriebs des Leistungsmoduls, die durch den Kühler abgeführt werden kann.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlstruktur eines fluiddurchströmbaren Kühlers, insbesondere einer zuvor beschriebenen Kühlstruktur, die aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung periodisch wiederholenden U-Profil gebildet ist, welches gewellte Schenkel umfasst, die sich in einer Längsrichtung der Kühlstruktur erstrecken und gemäß einer trigonometrischen Funktion gebildet sind. Das Verfahren umfasst den Schritt des Extrudierens des sich wiederholenden U-Profils entlang der trigonometrischen Funktion in einer Extrusionsrichtung, die senkrecht zur Wiederholungsrichtung ist oder tangential zur trigonometrischen Funktion verläuft oder zwischen diesen beiden Ausrichtungen liegt. Die Formulierung „zwischen diesen beiden Ausrichtungen“ bedeutet insbesondere, dass die Extrusionsrichtung zwischen einer jeweiligen Tangente der trigonometrischen Funktion und einer Senkrechten zur Wiederholungsrichtung liegt.
Die Formulierung, dass das U-Profil entlang der trigonometrischen Funktion extrudiert wird, bedeutet vorzugsweise, dass sich der geometrische Schwerpunkt des U-Profils entlang/auf einer Abbildung der geometrischen Funktion bewegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische vereinfachte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung mit einer Leistungselektronik und einem erfindungsgemäßen Kühler, der eine Kühlstruktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst,
2 eine schematische vereinfachte perspektivische Ansicht der Kühlstruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 eine vereinfachte Skizze zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens der Kühlstruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, in der die Kühlstruktur in Draufsicht gezeigt ist,
4 eine vereinfachte Skizze zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer Kühlstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, in der die Kühlstruktur in Draufsicht gezeigt ist, und
5 eine schematische vereinfachte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung mit einer Leistungselektronik und einem Kühler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, der die Kühlstruktur aus 2 umfasst.

Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine erfindungsgemäße Leistungselektronik-Anordnung 1000, die eine Leistungselektronik 200 und einen Kühler 100 mit einer Kühlstruktur 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Leistungselektronik 200 ein Leistungsmodul 210, das auch als Leistungselektronik-Baueinheit bezeichnet werden kann. Das Leistungsmodul 210 weist eine Leiterplatte 204, Leiterbahnen 203, 205 und Leistungshalbleiter 201 auf. Die Leiterbahnen 203, 205 sind insbesondere als Kupferleiterbahnen ausgebildet, wobei die Leiterplatte 204 vorzugsweise aus Keramik ausgebildet ist.
Die Leistungshalbleiter 201 sind mittels einer Schicht 202 auf die Leiterbahn 203 aufgebracht. Dabei ist die Schicht 202 insbesondere als Lot- oder Sinterschicht ausgebildet.
Die Leiterbahnen 203, 205 zusammen mit der Leiterplatte 204 bilden ein Leistungssubstrat 208. Das Leistungssubstrat 208 ist mittels einer durch einen Weichlötprozess oder einen Sinterprozess erzeugten Schicht 206, die somit entsprechend eine Weichlotschicht oder Sinterschicht ist, auf den Kühler 100, insbesondere auf ein erstes Metallteil 101 eines Gehäuses 110 des Kühlers 100, gefügt.
Das Gehäuse 110 des Kühlers 100 umfasst ferner ein zweites Metallteil 102, welches mit dem ersten Metallteil 101 mittels einer Schicht (Verbindungsschicht) 103, die insbesondere als Hartlotschicht ausgebildet ist, verbunden ist. Sowohl das erste Metallteil 101 als auch das zweite Metallteil 102 sind vorzugsweise Aluminiumsteile.
Aus 1 erkennt man ferner, dass das erste Metallteil 101 ein Oberteil und das zweite Metallteil 102 ein Unterteil des Gehäuses 110 ist. Das erste Metallteil 101 ist dem Leistungsmodul 210 zugewandt, wobei das zweite Metallteil 102 dem Leistungsmodul 210 abgewandt ist. Weiterhin ist in diesem Ausführungsbeispiel das erste Metallteil 101 plattenförmig ausgebildet, wobei das zweite Metallteil 102 einen plattenförmigen Bereich und einen im Querschnitt trapezförmigen Bereich aufweist. Es ist aber auch möglich, dass das erste Metallteil 101 und das zweite Metallteil 102 andere Formen aufweisen. Das zweite Metallteil 102 kann in vorteilhafter Weise durch einen Tiefziehprozess hergestellt werden.
Zwischen der Schicht 206 und dem Kühler 100, insbesondere dem ersten Metallteil 101, befindet sich in vorteilhafter Weise eine Vermittlungsschicht 107, welche fest mit dem ersten Metallteil 101 verbunden ist und eine Benetzung der Schicht 206 erlaubt. Die Vermittlungsschicht 107 ist ein optionales Merkmal der Leistungselektronik-Anordnung 1000 und kann insbesondere entweder als separates Teil oder als Teil des Gehäuses 110 des Kühlers 100 betrachtet werden.
Durch das erste Metallteil 101 und das zweite Metallteil 102, die im zusammengefügten Zustand das Gehäuse 110 des Kühlers 100 bilden, ist ein Innenraum definiert, welcher als Kühlkanal 111 des Kühlers 100 dient.
Im Kühlkanal 111 ist die Kühlstruktur 1 angeordnet, die als oberflächenvergrößernde, für ein als Kühlmittel verwendete Fluid strömungsführende und wärmeübergangserhöhende Struktur dient. Die Kühlstruktur 1 ist in vorteilhafter Weise mittels der Schicht 103 zum ersten Metallteil 101 und zweiten Metallteil 102 gefügt.
Wie sich aus 1 und 2 ergibt, ist die Kühlstruktur 1 aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung 501 periodisch wiederholenden U-Profil 10 gebildet. Die Wiederholungsrichtung 501 steht senkrecht zu einer Durchströmungsrichtung 500 und entspricht insbesondere einer Breitenrichtung des Kühlers 100. Die Durchströmungsrichtung 500 entspricht einer Hauptströmungsrichtung eines als Kühlmittel verwendeten Fluides, wenn dieses durch den Kühlkanal 111, insbesondere durch Durchgangsöffnungen 14 strömt (1), die durch das sich wiederholende U-Profil 10 gebildet sind. Die Durchströmungsrichtung 500 entspricht ferner einer Kühlkanalrichtung, die die Richtung ist, in der sich der Kühlkanal 11 im Wesentlichen erstreckt. In diesem Ausführungsbeispiel wiederholt sich das U-Profil 10 6-Mal, so dass bei der Kühlstruktur 1 sechs Wiederholungen 19 des U-Profils 10 oder mit anderen Worten sechs, miteinander verbundene U-Profile, vorgesehen sind.
In 2 sind neben der Wiederholungsrichtung 501 ferner eine Längsrichtung 502 und eine Höhenrichtung 503 eingezeichnet. Die Längsrichtung 502 ist in diesem Ausführungsbeispiel geneigt (d.h. nicht senkrecht) zur Wiederholungsrichtung 501. Die Höhenrichtung 503 ist senkrecht zur Wiederholungsrichtung 501 und der Längsrichtung 502. Wie sich aus 3 ergibt, ist die Längsrichtung 502 insbesondere die Richtung, die parallel zu einer Linie 509 ist, die den geometrischen Schwerpunkt 508 des Querschnitts des U-Profils 10 an einem ersten Ende 11 der Kühlstruktur 1 mit dem geometrischen Schwerpunkt 510 des Querschnitts des U-Profils 10 an einem zweiten Ende 12 der Kühlstruktur 1 verbindet.
In 2 ist ferner ein raumfixiertes kartesisches dreidimensionales Koordinatensystem eingezeichnet. Die Wiederholungsrichtung 501 ist parallel zu einer Y-Achse 601 des Koordinatensystems und die Höhenrichtung 503 parallel zu einer Z-Achse des Koordinatensystems 603. Die Längsrichtung 502 ist geneigt zu einer X-Achse 602 des Koordinatensystems.
Bezugnehmend auf 1 und 2 weist das sich wiederholende U-Profil 10 gewellte Schenkel 15, erste Verbindungsbereiche 16 und zweite Verbindungsbereiche 17 auf. Die ersten Verbindungsbereiche 16 verbinden zwei benachbarte gewellte Schenkel 15 von benachbarten Wiederholungen 19 des U-Profils 10 miteinander in einem oberen Bereich der gewellten Schenkel 15, wobei die zweiten Verbindungsbereiche 17 benachbarte Schenkel 15 derselben Wiederholung 19 des U-Profils 10 miteinander in einem unteren Bereich der Schenkel 15 verbinden. Die ersten Verbindungsbereiche 16 sind näher zur Leistungselektronik 200 als die zweiten Verbindungsbereiche 17. Insbesondere sind die gewellten Schenkel 15 jeder Wiederholung 19 mittels eines zweiten Verbindungsbereichs 16 miteinander verbunden. Weiterhin ist jede Wiederholung 19 des U-Profils 10 mit der benachbarten Wiederholung des U-Profils 10, insbesondere ein gewellter Schenkel 15 jeder Wiederholung 19 des U-Profils 10 mit dem entsprechenden gewellten Schenkel 15 der benachbarten Wiederholung 19 des U-Profils 10, mittels der entsprechenden ersten Verbindungsbereiche 16 der beiden Wiederholungen 19 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das sich wiederholende Profil 10 abgerundet. Das heißt, dass jeder Schenkel 15 mit einem Abrundungsradius in den entsprechenden ersten Verbindungsbereich 16 und in den entsprechenden zweiten Verbindungsbereich 17 übergeht.
Um eine gute Balance zwischen einer Wärmeleistungsübertragung zwischen dem als Kühlmittel verwendeten Fluid und der Kühlstruktur 1 und einem durch die Kühlstruktur 1 verursachten Druckabfall zu ermöglichen, ist die Kühlstruktur 1 wie folgt ausgebildet:

Eine Höhe 401 des sich wiederholenden U-Profils 10 bzw. der Kühlstruktur 1 beträgt von 3,7 mm bis 4,5 mm, besonders bevorzugt 4 mm. Eine Periode 402 des sich periodisch wiederholenden U-Profils 10 beträgt von 2 mm bis 3,1 mm, besonders bevorzugt 2,8 mm. Eine Periode 403 der trigonometrischen Funktion 13 beträgt von 5,1 mm bis 6 mm, besonders bevorzugt 5,5 mm. Ferner beträgt eine Amplitude 404 der trigonometrischen Funktion 13 von 0,25 mm bis 0,8 mm, besonders bevorzugt 0,4 mm. Weiterhin beträgt eine Materialstärke 405 des sich periodisch wiederholenden U-Profils bzw. der Kühlstruktur 1 von 0,2 mm bis 0,4 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm.

Es sei angemerkt, dass eine Länge der Kühlstruktur 1 vorzugsweise an eine Länge des Leistungsmoduls 10 angepasst ist.
Um die Wärmeabfuhr vom Leistungsmodul 210 mittels des als Kühlmittel verwendeten Fluides zu unterstützen, ist die Kühlstruktur 1 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einem Material ausgebildet und/oder mit einem Material beschichtet, welches einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist, der größer als 200 W/(m·K) ist. In vorteilhafter Weise kann die Kühlstruktur 1 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus Aluminium ausgebildet oder mit Aluminium beschichtet sein.
3 zeigt eine vereinfachte Skizze, anhand von der ein Verfahren zum Herstellen der Kühlstruktur 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert wird.
Insbesondere ist in 3 die trigonometrische Funktion 13 graphisch dargestellt. Ferner sind Rechtecke eingezeichnet, die jeweils einen Bereich der Kühlstruktur 1 gesehen von oben darstellen.
Gemäß dem Herstellungsverfahren kann das sich wiederholende U-Profil 10 entlang der trigonometrischen Funktion 13 in einer Extrusionsrichtung 504 extrudiert werden, die tangential zur trigonometrischen Funktion 13 ist. Es sei angemerkt, dass die Extrusionsrichtung 504 keine konstante Ausrichtung hat, sondern immer tangential zur trigonometrischen Funktion 13 verläuft.
In diesem Ausführungsbeispiel ist somit die Kühlstruktur 1 als Extrusionsbauteil ausgebildet, bei der die Längsrichtung 502 zur Wiederholungsrichtung 501 geneigt (in einem Winkel nicht gleich 90 Grad) ist.
Die Kühlstruktur 1 ist gemäß diesem Herstellungsverfahren derart ausgebildet, dass nicht alle Querschnitte der Kühlstruktur 1 in einem Schnitt mit einer Ebene, deren Normalvektor senkrecht zur Wiederholungsrichtung 501 steht, eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
Die Kühlstruktur 1 und somit auch der Kühler 100 und die Leistungselektronik-Anordnung 1000 die gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnen sich aufgrund der beschriebenen Ausgestaltung des sich wiederholenden U-Profils 10 durch ein gutes Verhältnis der thermischen Performance zu verursachtem Druckverlust im Kühlkanal 111 aus.
4 zeigt eine vereinfachte Skizze, anhand von der ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlstruktur 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert wird.
Analog zu 3 ist in 4 die trigonometrische Funktion 13 graphisch dargestellt. Ferner sind Rechtecke eingezeichnet, die jeweils einen Bereich der Kühlstruktur 1 gesehen von oben darstellen.
Zum Herstellen der Kühlstruktur 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kann das sich wiederholende U-Profil 10 entlang der trigonometrischen Funktion 13 in einer Extrusionsrichtung 504 extrudiert werden, die im Gegenteil zum Verfahren zum Herstellen der Kühlstruktur 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nicht tangential zur trigonometrischen Funktion 13, sondern senkrecht zur Wiederholungsrichtung 501 oder anders gesagt parallel zur Kühlkanalrichtung ist. Hier ist die Extrusionsrichtung 504 (immer) parallel zur Längsrichtung 502.
Die Kühlstruktur 1 ist gemäß diesem Herstellungsverfahren derart ausgebildet, dass alle Querschnitte der Kühlstruktur 1 in einem Schnitt mit einer Ebene, deren Normalvektor senkrecht zur Wiederholungsrichtung 501 steht, eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
5 zeigt eine Leistungselektronik-Anordnung 1000 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Leistungselektronik-Anordnung 1000 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von derjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das erste Metallteil 101, welches als Oberteil und somit dem Leistungsmodul 210 zugewandt ist, einen plattenförmigen Bereich und einen im Querschnitt trapezförmigen Bereich aufweist, wobei das zweite Metallteil 102, welches als Unterteil und somit dem Leistungsmodul 210 zugewandt ist, plattenförmig ausgebildet ist.
Diese Ausbildung des Gehäuses 110 kann im Falle eines Platzmangels in der unmittelbaren Nähe des Leistungsmoduls 210 vorteilhaft sein.
Es sei angemerkt, dass das Gehäuse 110 des Kühlers 100 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel auch mit der Kühlstruktur 1, die durch das Herstellungsverfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kombiniert werden kann.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst die Leistungselektronik 200 nur ein Leistungsmodul 210. Es ist allerdings möglich, dass die Leistungselektronik 200 zwei oder mehrere Leistungsmodule 210 aufweist. Dazu kann im Kühlkanal 111 des Kühlers 100 eine entsprechende Anzahl von Kühlstrukturen 1 angeordnet ist, wobei jede Kühlstruktur 1 einem der Leistungsmodule 210 zugeordnet ist.

Claims

Kühlstruktur (1) eines fluiddurchströmbaren Kühlers (100), die aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung (501) periodisch wiederholenden U-Profil gebildet ist, welches gewellte Schenkel (15) umfasst, die sich in einer Längsrichtung (502) der Kühlstruktur (1) erstrecken und gemäß einer trigonometrischen Funktion (13) gebildet sind.
Kühlstruktur (1) nach Anspruch 1, wobei eine Höhe (401) des sich periodisch wiederholenden U-Profils (10) von 3,7 mm bis 4,5 mm, vorzugsweise 4 mm, beträgt.
Kühlstruktur (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Periode (402) des sich periodisch wiederholenden U-Profils (10) von 2 mm bis 3,1 mm, vorzugsweise 2,8 mm, beträgt.
Kühlstruktur (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Periode (403) der trigonometrischen Funktion (13) von 5,1 mm bis 6 mm, vorzugsweise 5,5 mm, beträgt.
Kühlstruktur (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Amplitude (404) der trigonometrischen Funktion (13) von 0,25 mm bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,4 mm, beträgt.
Kühlstruktur (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Materialstärke des sich periodisch wiederholenden U-Profils (10) von 0,2 mm bis 0,4 mm, bevorzugt 0,3 mm, beträgt.
Kühlstruktur (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kühlstruktur (1) derart ausgebildet ist, dass alle Querschnitte der Kühlstruktur (1) in einem Schnitt mit einer Ebene, deren Normalvektor senkrecht zur Wiederholungsrichtung (501) steht, eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen oder wobei nicht alle Querschnitte der Kühlstruktur (1) in einem Schnitt mit einer Ebene, deren Normalvektor senkrecht zur Wiederholungsrichtung (501) steht, eine gleich große Querschnittsfläche aufweisen.
Fluiddurchströmbarer Kühler (100) zum Kühlen einer Leistungselektronik (200), umfassend: ▪ eine Kühlstruktur (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, ▪ ein erstes Metallteil (101), und ▪ ein zweites Metallteil (102), wobei das erste Metallteil (101) und das zweite Metallteil (102) miteinander verbunden sind und einen Kühlkanal (111) definieren, in dem die Kühlstruktur (1) angeordnet ist.
Leistungselektronik-Anordnung (1000), umfassend: • einen fluiddurchströmbaren Kühler (100) nach Anspruch 8 zum Kühlen einer Leistungselektronik, und • eine Leistungselektronik (200), die am fluiddurchströmbaren Kühler (100) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Kühlstruktur (1) eines fluiddurchströmbaren Kühlers (100), die aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung periodisch wiederholenden U-Profil (10) gebildet ist, welches gewellte Schenkel (15) umfasst, die sich in einer Längsrichtung der Kühlstruktur (1) erstrecken und gemäß einer trigonometrischen Funktion (13) gebildet sind, wobei das sich wiederholende U-Profil (10) entlang der trigonometrischen Funktion (13) in einer Extrusionsrichtung extrudiert wird, die senkrecht zur Wiederholungsrichtung (501) oder tangential zur trigonometrischen Funktion (13) ist oder zwischen diesen beiden Ausrichtungen liegt.