EP4581671A1 - Fluiddurchströmbarer kühler zum kühlen einer leistungselektronik - Google Patents

Fluiddurchströmbarer kühler zum kühlen einer leistungselektronik

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Publication number
EP4581671A1
EP4581671A1 EP23741008.9A EP23741008A EP4581671A1 EP 4581671 A1 EP4581671 A1 EP 4581671A1 EP 23741008 A EP23741008 A EP 23741008A EP 4581671 A1 EP4581671 A1 EP 4581671A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metal part
cooler
reinforcing
fluid
power electronics
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23741008.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max Florian BECK
Valentin RUEDENAUER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4581671A1 publication Critical patent/EP4581671A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/40—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20254—Cold plates transferring heat from heat source to coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/20—Arrangements for cooling
    • H10W40/22—Arrangements for cooling characterised by their shape, e.g. having conical or cylindrical projections
    • H10W40/226—Arrangements for cooling characterised by their shape, e.g. having conical or cylindrical projections characterised by projecting parts, e.g. fins to increase surface area

Definitions

  • the present invention relates to a cooler through which fluid can flow for cooling power electronics.
  • the invention further relates to a power electronics arrangement with power electronics and such a fluid-flowable cooler.
  • the power electronics can in particular have at least one power semiconductor.
  • Power semiconductors carry high electrical currents. Together with switching losses, the resulting conduction losses are the cause of high heat loss, which has to be dissipated over a very small area.
  • the maximum permissible semiconductor temperature is critical to failure, which is why minimizing the thermal resistance between the semiconductor and the coolant is of central importance.
  • the power substrates are applied to coolers through which fluid can flow. These coolers are made of aluminum, AlSiC or copper alloys. Pins or ribs are arranged inside the cooler to increase the heat-transferring surface and to intensify heat transfer.
  • the power substrate is joined to the cooler using a soft soldering process, optionally also a sintering process.
  • these coolers may be surface-coated with materials suitable for a soft soldering process or a sintering process.
  • Aluminum coolers, including AlSiC or copper coolers, which consist of several components that are joined in particular by a brazing process, are often known in automotive technology. Disclosure of the invention
  • the fluid-through-flow cooler according to the invention for cooling power electronics has the advantage that the requirements for a pressure loss in a cooling channel of the cooler, a resistance of the cooler to an internal pressure in the cooling channel, which is built up by a fluid that can flow through the cooling channel, and a cooling performance of the cooler can be fulfilled.
  • a fluid-through-flow cooler for cooling power electronics which comprises a first metal part, a second metal part, a cooling structure and a reinforcing part.
  • the first metal part and the second metal part are connected to one another and define between them a cooling channel through which a fluid can flow.
  • the first metal part has a receiving area for receiving the power electronics to be cooled.
  • the cooling structure is arranged in the cooling channel and connected to the first metal part and the second metal part.
  • the reinforcement part is attached to the first metal part.
  • the reinforcing part advantageously serves to reinforce the arrangement of the first metal part and the second metal part against the internal pressure prevailing during operation of the cooler. Because the reinforcing part is an external part, it is possible to dispense with complex insert parts or intermediate parts, which would be connected to the first metal part and the second metal part and thus hold the first metal part and the second metal part together when pressure is applied, for example via tie rods.
  • An external part is to be understood as meaning, in particular, a part which is not arranged in the cooling channel.
  • the cooling structure serves/acts as a support structure element, in particular as an inner support structure element, due to its connection to the first metal part and the second metal part.
  • the present invention can ensure or increase the resistance of the cooler to internal pressure in the cooling channel without having to select a sufficiently high thickness (material thickness) of the individual metal parts. Since a thermal resistance of the first metal part and/or the second metal part depends directly on a corresponding thickness of the first metal part and/or the second metal part, by providing the reinforcing part, the first metal part and/or the second metal part can be designed with the smallest possible thickness.
  • the cooling performance of the cooler can be kept high.
  • greater flexibility is ensured when choosing a suitable material for the first metal part and/or the second metal part in terms of strength.
  • materials can be selected for the first metal part and/or the second metal part that have sufficient strength and at the same time are suitable for a brazing process if the cooler is to be manufactured using a brazing process.
  • the reinforcing part can also be referred to as an external supporting structural element for supporting the internal pressure of the cooler.
  • the reinforcing part can preferably be made of metal.
  • a metal part is advantageously to be understood as a part which is made of at least one metal or a metal alloy.
  • the reinforcement part does not serve, in particular, to define the cooling channel due to its arrangement on the first metal part. It is possible that the cooler includes a plurality of reinforcement parts.
  • the cooling channel is enclosed in the circumferential direction exclusively by the first metal part and the second metal part.
  • the cooling channel is advantageously formed by the first metal part and the second metal part as a cooling channel that is closed in the circumferential direction.
  • the first metal part and the second metal part are advantageously directly connected to one another.
  • a direct connection means in particular that there is only one connecting material between the first metal part and the second metal part, by means of which the two metal parts are connected to one another.
  • the connecting material is preferably a brazing layer.
  • the first metal part, the second metal part and the reinforcing part advantageously form a housing.
  • the cooling channel corresponds in particular to an interior of the housing, which is defined by the first metal part and the second metal part.
  • An inlet and an outlet for the fluid used as coolant are preferably arranged directly on the housing.
  • the first metal part is advantageously arranged between the reinforcement part and the second metal part.
  • the first metal part can therefore be used as part of the present invention can also be referred to in particular as a metallic intermediate part.
  • the first metal part and the second metal part are arranged one on top of the other.
  • the reinforcing part is advantageously attached to an outer surface of the first metal part.
  • the cooler preferably includes a longitudinal direction, a width direction (transverse direction) and a thickness direction (height direction).
  • the longitudinal direction preferably corresponds to a longitudinal direction of the reinforcing part.
  • the width direction preferably corresponds to a width direction of the reinforcing part.
  • the thickness direction preferably corresponds to a thickness direction of the reinforcing part.
  • the cooler further preferably comprises a first end and a second end in the longitudinal direction and a first edge and a second edge in the width direction.
  • the reinforcing part is arranged on the first metal part at least partially outside an overlap area between the first metal part and the cooling structure and/or between the second metal part and the cooling structure.
  • the overlap area between the first metal part and the cooling structure and/or between the second metal part and the cooling structure is an area in which the first metal part and the cooling structure and/or the second metal part and the cooling structure overlap.
  • the reinforcing part is preferably applied at least partially to an area of the first metal part in which the cooler is not supported by the cooling structure.
  • the reinforcing part thus increases the resistance to the prevailing internal pressure in the weaker areas of the cooler, with the flow inside the cooling channel not being influenced by the reinforcing part.
  • relatively thin material thicknesses can be used for the first metal part, since the cooling channel in this area is supported upwards and downwards by the inserted cooling structure. This enables minimal heat transfer resistance between the power electronics and the fluid used as a coolant.
  • the reinforcing part can be arranged partially outside the overlap area.
  • the reinforcing part overlaps with the cooling structure or the overlap area.
  • the overlap of the reinforcing part with the cooling structure or the overlap area is advantageously a partial overlap.
  • at least a region of the reinforcing part is arranged outside the overlap region and at least one region of the reinforcing part overlaps with the cooling structure or the overlap region.
  • the reinforcing part can be arranged essentially outside the overlap area.
  • a measure of the overlap between a region of the reinforcing part and the cooling structure in the direction of extension of the region is preferably a maximum of ten times, particularly preferably a maximum of five times, a thickness of the first metal part.
  • the cooler in particular the housing of the cooler, preferably comprises a recess.
  • the receiving area of the first metal part is preferably arranged at the location of the recess.
  • the recess preferably defines the receiving area.
  • the recess can preferably be formed in the reinforcement part.
  • the reinforcing part can preferably have the recess.
  • the recess can preferably be defined by an inner wall of the reinforcing part.
  • the recess preferably surrounds the receiving area at least partially, in particular completely, in the circumferential direction. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the recess is closed circumferentially/in the circumferential direction.
  • the reinforcing part is continuous in the longitudinal direction.
  • a continuous reinforcing part means in particular that the reinforcing part is at least partially continuous. In other words, at least a region of the reinforcing part is formed continuously. This means in particular that the at least one region of the reinforcing part in the longitudinal direction of a first End of the cooler extends to a second end of the cooler.
  • the reinforcing part can preferably have a first end region, at least one edge region, and a second end region.
  • the reinforcing part is arranged on the first metal part at at least one connection point, in particular at a plurality of connection points, particularly preferably at each connection point, between the first metal part and the second metal part.
  • the cooler is thus reinforced at the at least one connection point between the first metal part and the second metal part by means of the reinforcement part.
  • the cooler is preferably set up in such a way that the cooler has resistance to a relative internal pressure of greater than or equal to 2 bar in the cooling channel. Furthermore, the cooler can preferably be set up in such a way that it can withstand a maximum relative internal pressure of 2.5. This means in particular that the cooler is constructed in such a way that it can withstand the internal pressure over its lifetime without, or at least without, significant deformation.
  • the relative internal pressure means a pressure relative to the ambient pressure or atmospheric pressure.
  • the reinforcing part is preferably designed in the form of a plate/plate, in particular as an oval-shaped plate.
  • the first metal part is preferably plate-shaped, with the second metal part having a plate-shaped area and a trapezoidal area in section.
  • the second metal part can be designed as a deep-drawn part.
  • the first metal part it is also possible for the first metal part to have a plate-shaped area and an area that is trapezoidal in section and for the second metal part to be plate-shaped.
  • the first metal part and/or the second metal part is/are preferably designed as sheet metal(s).
  • the cooling structure can preferably comprise a cooling fin structure and/or a pin structure (cooling pin structure). It is also conceivable that the cooling structure alternatively or additionally also has a cooling structure element or a plurality of
  • Has cooling structure elements that have/have a shape other than a cooling fin or a pin.
  • the cooling structure it is possible for the cooling structure to have a plurality of cooling structure elements of different shapes.
  • the cooling structure it is possible for the cooling structure to have a cooling fin and a pin, or a plurality of cooling fins and a plurality of pins.
  • a cooling fin and a pin can each be referred to in particular as a cooling structure element.
  • the cooling structure is preferably understood as a surface-enlarging, flow-guiding and heat transfer-increasing structure.
  • the cooling fin structure can preferably comprise (only) one cooling fin or a plurality of cooling fins, which are preferably arranged one behind the other in a flow direction.
  • the flow direction corresponds in particular to a main flow direction of the fluid used as coolant, which flows through through openings formed by the cooling fin(s).
  • the main flow direction is in particular the direction in which the fluid mainly flows, that is, the direction in which a velocity component of the fluid is greater than a velocity component of the fluid in a direction perpendicular to the main flow direction.
  • the main flow direction can preferably correspond to an introduction direction of the fluid into the cooler through which fluid can flow.
  • the main flow direction is preferably parallel to the longitudinal direction of the cooler.
  • the cooling fin structure can in particular also be referred to as a turbulator.
  • a cooling fin is formed from a wave profile that repeats periodically in a repeating direction.
  • the pin structure can preferably comprise (only) one or a plurality of pins, which are preferably arranged in the flow direction and/or in a direction perpendicular to the flow direction.
  • the cooling structure can preferably be formed at least partially, in particular completely, from a material and/or coated with a material which has a thermal conductivity coefficient that is greater than 200 W/(m K).
  • the cooling structure can be at least partially, in particular completely, made of aluminum or coated with aluminum. In particular, these configurations relate to the cooling structure element(s) of the cooling structure.
  • FIG. 2 shows a schematic simplified perspective sectional view of the power electronics arrangement according to the invention from FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a schematic, simplified perspective view of a power electronics arrangement according to the invention with power electronics and a cooler through which fluid can flow according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • a power electronics arrangement 1000 according to the invention with power electronics 200 and a cooler 1 through which fluid can flow for cooling the power electronics 200 according to a first exemplary embodiment of the invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 3.
  • 1 shows the power electronics arrangement 1000 in perspective is shown.
  • Figure 3 shows a section of the power electronics arrangement 1000 along line AA (in the longitudinal direction 501) in Figure 1.
  • the fluid-flowable cooler 1 comprises a first metal part 11, a second metal part 12, a cooling structure 14 and a reinforcing part 13.
  • the first metal part 11 and the second metal part 12 are directly connected to one another and define between them a cooling channel 10 through which a fluid used as a coolant can flow and in which the cooling structure 14 is arranged.
  • the cooling channel 10 is in the circumferential direction exclusively enclosed by the first metal part 11 and the second metal part 12.
  • the cooling channel 10 is formed by the first metal part 11 and the second metal part 12 as a cooling channel closed in the circumferential direction.
  • brazing can advantageously be used, so that when the cooler 1 is assembled, a brazing layer is arranged between the two metal parts 11, 12. Both the first metal part 11 and the second metal part 11 can preferably
  • both metal parts 101, 102 are designed as sheets.
  • the first metal part 11 is plate-shaped, in particular as an oval-shaped plate, with the second metal part 12 having a plate-shaped area and a trapezoidal cross-sectional area ( Figures 2 and 3).
  • the second metal part 12 can advantageously be produced by a deep-drawing process.
  • the metal parts 11, 12 and the reinforcing part 13 advantageously form a housing 15, on which an inlet 151 and an outlet 152 for the fluid used as a coolant are arranged.
  • the inlet 151 and the outlet 152 which are each designed in particular as a connector and can therefore also be referred to as a coolant connector, are arranged on the second metal part 12 in this exemplary embodiment.
  • the first metal part has a receiving area 110.
  • the power electronics 200 comprises three power electronics units 210, which can also be referred to as power modules and are arranged one behind the other in the longitudinal direction 501.
  • Each of the power electronics units 210 can preferably have a carrier plate, conductor tracks and power semiconductors.
  • the power electronics components 210 are preferably each joined to the cooler 100 through which fluid can flow, in particular to the receiving area 110 of the first metal part 11, by means of a layer generated by a soft soldering process or a sintering process, which is therefore correspondingly referred to as a soft solder layer or sintered layer.
  • the cooling structure 14 is arranged in the cooling channel 10, which serves as a surface-enlarging structure that guides the flow of the fluid used as a coolant and increases heat transfer.
  • the cooling structure 14 according to FIG. 3 comprises or is a cooling fin structure.
  • the cooling fin structure can have at least one cooling fin 140, which extends in the direction of the length of the cooling channel 10 or a flow direction 504 of the fluid.
  • the cooling fin 140 is preferably formed from a wave profile that repeats periodically in a repeating direction.
  • the cooling fin 140 forms through openings 141 through which the fluid can flow.
  • the cooling structure 14 is preferably formed from a material and/or coated with a material which has a thermal conductivity coefficient that is greater than 200 W/(m K).
  • the cooling fin 10 can be made of aluminum or coated with aluminum. It is also possible that other thermally conductive materials are used for the cooling structure 14 and/or its layer.
  • the cooling structure 14 is connected to the first metal part 11 and the second metal part 12.
  • hard solder can be used as in the connection between the first metal part 11 and the second metal part 12.
  • the aforementioned reinforcing part 13 is attached to the first metal part 11, in particular soldered on.
  • connection of the first metal part 11 to the second metal part 12 and/or the connection of the cooling structure 14 to the metal parts 11, 12 and/or the connection of the reinforcing part 13 to the first metal part 11 can advantageously be carried out in the same production step, in particular by means of a brazing solder .
  • the reinforcing part 13 is arranged on the first metal part 11 partially outside an overlap area 16 between the first metal part 11 and the cooling structure 14 and/or the second metal part 12 and the cooling structure 14.
  • the reinforcing part 13 is arranged on the first metal part 11 mainly outside the overlap area 16. The arrangement or structure of the reinforcing part 13 is explained in more detail below.
  • the reinforcing part 13 in this exemplary embodiment includes a recess 130 that is closed in the circumferential direction. However, it is also possible that the recess 130 is not closed in the circumferential direction.
  • the recess 130 which can also be viewed as a recess in the housing 15, is defined in particular by an inner wall 135 of the reinforcing part 13 and is provided at the location of the receiving area 110. In particular, the recess 130 completely surrounds the receiving area 110 in the circumferential direction.
  • the power electronics components 210 are arranged in the recess 130.
  • the reinforcing part 13 has a first end region 131, a second end region 132, a first edge region 133 and a second edge region 134.
  • the first edge region 133 is arranged between the first end region 131 and the second end region 133 and connects them to one another.
  • the second edge region 134 is arranged between the first end region 131 and the second end region 133 and connects them to one another. Therefore, in this exemplary embodiment, the first edge region 133 can also be referred to as the first central region and the second edge region 134 can also be referred to as the second central region.
  • a dimension 604 of the overlap between the first end region 131 of the reinforcing part 13 and the cooling structure 14 in the longitudinal direction 501 is a maximum of ten times, particularly preferably a maximum of five times, a thickness 601 of the first metal part 11. The same preferably applies to a measure of overlap between the second end region 132 and the cooling structure 14 in the longitudinal direction 501.
  • a first part of the first end region 131, the first edge region 133 and a first part of the second end region 132 form a first region of the reinforcing part 13, which is continuous in the longitudinal direction 501.
  • form a first part of the first end region 131, the first edge region 133 and a first part of the second end region 132 a first region of the reinforcing part 13, which extends from the first end 17 to the second end 18 of the cooler 1.
  • a second part of the first end region 131, the second edge region 134 and a second part of the second end region 132 form a second region of the reinforcing part 13, which is continuous in the longitudinal direction 501.
  • the reinforcing part 13 arranged at the inlet 151 corresponds to the first end region 131 of the reinforcing part 13 of the cooler 1 according to the first exemplary embodiment, wherein the reinforcing part 13 arranged at the outlet 152 corresponds to the second end region 132 of the reinforcing part 13 of the cooler 1 according to the first exemplary embodiment.

Landscapes

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen fluiddurchströmbaren Kühler (1) zum Kühlen einer Leistungselektronik (200), der ein erstes Metallteil (11), ein zweites Metallteil (12), eine Kühlstruktur (14) und Verstärkungsteil (13) umfasst. Das erste Metallteil (11) und das zweite Metallteil (12) sind miteinander verbunden und definieren einen Kühlkanal (10) zwischen sich, der von einem Fluid durchströmbar ist. Das erste Metallteil (11) weist einen Aufnahmebereich (110) zum Aufnehmen der zu kühlenden Leistungselektronik (200) auf. Die Kühlstruktur (14) ist im Kühlkanal (10) angeordnet, und mit dem ersten Metallteil (11) und dem zweiten Metallteil (12) verbunden. Das Verstärkungsteil (13) ist auf dem ersten Metallteil (11) befestigt. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung (1000) mit einem derartigen Kühler (1) und einer Leistungselektronik (200).

Description

Beschreibung
Titel Fluiddurchströmbarer Kühler zum Kühlen einer Leistungselektronik
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen fluiddurchströmbaren Kühler zum Kühlen einer Leistungselektronik. Ferner betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung mit einer Leistungselektronik und einem derartigen fluiddurchströmbaren Kühler. Die Leistungselektronik kann insbesondere mindestens einen Leistungshalbleiter aufweisen.
Leistungshalbleiter führen hohe elektrische Ströme. 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; DBG: 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
Der erfindungsgemäße fluiddurchströmbare Kühler zum Kühlen einer Leistungselektronik weist den Vorteil auf, dass die Anforderungen an einem Druckverlust in einem Kühlkanal des Kühlers, einer Widerstandsfähigkeit des Kühlers gegen einen Innendruck im Kühlkanal, der von einem den Kühlkanal durchströmbaren Fluides aufgebaut wird, und einer Kühlleistung des Kühlers erfüllt werden können. Dies wird durch einen fluiddurchströmbaren Kühler zum Kühlen einer Leistungselektronik erzielt, der ein erstes Metallteil, ein zweites Metallteil, eine Kühlstruktur und ein Verstärkungsteil umfasst. Das erste Metallteil und das zweite Metallteil sind miteinander verbunden und definieren zwischen sich einen Kühlkanal, der von einem Fluid durchströmbar ist. Das erste Metallteil weist einen Aufnahmebereich zum Aufnehmen der zu kühlenden Leistungselektronik auf. Die Kühlstruktur ist im Kühlkanal angeordnet und mit dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil verbunden. Das Verstärkungsteil ist auf dem ersten Metallteil befestigt. Das Verstärkungsteil dient in vorteilhafter Weise dazu, dass die Anordnung aus dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil gegen den beim Betrieb des Kühlers herrschenden Innendruck verstärkt wird. Dadurch, dass das Verstärkungsteil ein Außenteil ist, kann auf aufwendige Einlegeteile oder zwischengelegte Teile, welche mit dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil verbunden wären und so das erste Metallteil und das zweite Metallteil bei Druckbeaufschlagung z.B. über Zuganker Zusammenhalten würden, verzichtet werden. Als Außenteil ist insbesondere ein Teil, welches nicht im Kühlkanal angeordnet ist, zu verstehen. Somit kann ein Einhergehen eines höheren Druckverlustes im Kühlkanal, was anderenfalls durch die erwähnte zusätzliche Abstützgeometrie im Kühlkanal verursacht werden würde, vermieden werden. Hierbei sei angemerkt, dass die Kühlstruktur aufgrund ihrer Verbindung mit dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil als Stützstrukturelement, insbesondere als inneres Stützstrukturelement, dient/wirkt. Weiterhin kann durch die vorliegende Erfindung die Widerstandsfähigkeit des Kühlers gegen einen Innendruck im Kühlkanal gewährleistet oder erhöht werden, ohne dass eine ausreichend hohe Dicke (Materialstärke) der einzelnen Metallteile gewählt werden muss. Da ein thermischer Widerstand des ersten Metallteils und/oder des zweiten Metallteils direkt von einer entsprechenden Dicke des ersten Metallteils und/oder des zweiten Metallteils abhängt, kann/können durch das Vorsehen des Verstärkungsteils das erste Metallteil und/oder das zweite Metallteil mit einer möglichst geringen Dicke ausgebildet sein. Somit kann eine Kühlleistung des Kühlers hochgehalten werden. Außerdem wird eine höhere Flexibilität bei der Wahl eines geeigneten Materials für das erste Metallteil und/oder das zweite Metallteil hinsichtlich der Festigkeit gewährleistet. Insbesondere können für das erste Metallteil und/oder das zweite Metallteil Materialien gewählt werden, die eine ausreichende Festigkeit aufweisen und gleichzeitig für einen Hartlotprozess geeignet sind, wenn der Kühler mittels eines Hartlotprozesses hergestellt werden soll. Das Verstärkungsteil (Verstärkungselement) kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als äußeres Stützstrukturelement zur Innendruckabstützung des Kühlers bezeichnet werden. Das Verstärkungsteil kann vorzugsweise aus Metall ausgebildet sein. Ein Metallteil ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter weise als ein Teil zu verstehen, welches aus mindestens einem Metall oder einer Metalllegierung ausgebildet ist. Es sei ferner angemerkt, dass das Verstärkungsteil aufgrund seiner Anordnung auf dem ersten Metallteil insbesondere nicht zum Definieren des Kühlkanals dient. Es ist möglich, dass der Kühler eine Mehrzahl von Verstärkungsteilen umfasst.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In vorteilhafter Weise ist der Kühlkanal in Umfangsrichtung ausschließlich durch das erste Metallteil und das zweite Metallteil umschlossen. Dabei ist der Kühlkanal durch das erste Metallteil und das zweite Metallteil in vorteilhafter Weise als ein in Umfangsrichtung geschlossener Kühlkanal gebildet. Das erste Metallteil und das zweite Metallteil sind dabei in vorteilhafter weise direkt miteinander verbunden. Eine direkte Verbindung bedeutet insbesondere, dass sich zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil nur ein Verbindungsmaterial befindet, mittels dessen die beiden Metallteile miteinander verbunden sind. Das Verbindungsmaterial ist vorzugsweise eine Hartlotschicht.
Das erste Metallteil, das zweite Metallteil und das Verstärkungsteil bilden in vorteilhafter Weise ein Gehäuse. Der Kühlkanal entspricht insbesondere einem Innenraum des Gehäuses, der durch das erste Metallteil und das zweite Metallteil definiert ist. Bevorzugt sind am Gehäuse direkt ein Einlass und ein Auslass für das als Kühlmittel verwendete Fluid angeordnet.
In vorteilhafter Weise ist das erste Metallteil zwischen dem Verstärkungsteil und dem zweiten Metallteil angeordnet. Das erste Metallteil kann daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere auch als metallisches Zwischenteil bezeichnet werden. In vorteilhafter weise sind das erste Metallteil und das zweite Metallteil aufeinander angeordnet. Das Verstärkungsteil ist in vorteilhafter Weise auf einer Außenfläche des ersten Metallteils befestigt.
Der Kühler umfasst vorzugsweise eine Längsrichtung, eine Breitenrichtung (Querrichtung) und eine Dickenrichtung (Höhenrichtung) auf. Die Längsrichtung entspricht vorzugsweise einer Längsrichtung des Verstärkungsteils. Die Breitenrichtung entspricht vorzugsweise einer Breitenrichtung des Verstärkungsteils. Die Dickenrichtung entspricht vorzugsweise einer Dickenrichtung des Verstärkungsteils. Der Kühler umfasst ferner bevorzugt in Längsrichtung ein erstes Ende und ein zweites Ende sowie einen ersten Rand und einen zweiten Rand in Breitenrichtung.
Bevorzugt ist das Verstärkungsteil auf dem ersten Metallteil zumindest teilweise außerhalb eines Überlappungsbereichs zwischen dem ersten Metallteil und der Kühlstruktur und/oder zwischen dem zweiten Metallteil und der Kühlstruktur angeordnet. Das heißt insbesondere, dass zumindest ein Bereich des Verstärkungsteils außerhalb des Überlappungsbereichs angeordnet ist. Der Überlappungsbereich zwischen dem ersten Metallteil und der Kühlstruktur und/oder zwischen dem zweiten Metallteil und der Kühlstruktur ist ein Bereich, in dem sich das erste Metallteil und die Kühlstruktur und/oder das zweite Metallteil und die Kühlstruktur überlappen. Mit anderen Worten wird das Verstärkungsteil bevorzugt zumindest teilweise auf einen Bereich des ersten Metallteils aufgebracht, in dem der Kühler nicht durch die Kühlstruktur abgestützt wird. Das Verstärkungsteil erhöht somit die Widerstandsfähigkeit gegen den herrschenden Innendruck in den schwächeren Bereichen des Kühlers, wobei die Strömung im Inneren des Kühlkanals nicht durch das Verstärkungsteil beeinflusst wird. Insbesondere im Bereich der aufgebrachten Leistungselektronik, Das heißt im Aufnahmebereich, können verhältnismäßig dünne Materialstärken für das erste Metallteil eingesetzt werden, da der Kühlkanal in diesem Bereich durch die eingelegte Kühlstruktur nach oben und unten hin abgestützt wird. Dies ermöglicht einen minimalen Wärmeübergangswiderstand zwischen der Leistungselektronik und dem als Kühlmittel verwendeten Fluid.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Verstärkungsteil auf dem ersten Metallteil ausschließlich außerhalb des Überlappungsbereichs angeordnet sein. Das heißt insbesondere, dass das Verstärkungsteil mit der Kühlstruktur nicht überlappt bzw. diese nicht überdeckt. Mit anderen Worten überlappt das Verstärkungsteil nicht mit dem Überlappungsbereich. Insbesondere kann das Verstärkungsteil mit Abstand von dem Überkappungsbereich bzw. der Kühlstruktur angeordnet sein.
Nach einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Verstärkungsteil teilweise außerhalb des Überlappungsbereichs angeordnet sein. Das Verstärkungsteil überlappt dabei mit der Kühlstruktur bzw. dem Überlappungsbereich. Es ist zu verstehen, dass die Überlappung des Verstärkungsteils mit der Kühlstruktur bzw. dem Überlappungsbereich in vorteilhafter weise eine teilweise Überlappung ist. Das heißt insbesondere, dass zumindest ein Bereich des Verstärkungsteils außerhalb des Überlappungsbereichs angeordnet ist und zumindest ein Bereich des Verstärkungsteils mit der Kühlstruktur bzw. dem Überlappungsbereich überlappt. Dabei kann das Verstärkungsteil im Wesentlichen außerhalb des Überlappungsbereichs angeordnet sein.
Vorzugsweise kann/können zumindest ein Bereich des Verstärkungsteils auf dem ersten Metallteil ausschließlich außerhalb des Überlappungsbereichs angeordnet sein und/oder zumindest ein Bereich des Verstärkungsteils mit der Kühlstruktur überlappen. Somit kann beispielsweise ein Bereich des Verstärkungsteils, welcher sich in Längsrichtung von einem Ende des Kühlers bis zum Aufnahmebereich erstreckt, mit der Kühlstruktur überlappen bzw. die Kühlstruktur überdecken, wobei ein Bereich des Verstärkungsteils, welcher sich in Breitenrichtung von einem Rand des Kühlers bis zum Aufnahmebereich erstreckt, ausschließlich außerhalb des Überlappungsbereichs angeordnet sein, oder umgekehrt. Es ist auch vorstellbar, dass sowohl der Bereich des Verstärkungsteils, welcher sich in Längsrichtung von einem Ende des Kühlers bis zum Aufnahmebereich erstreckt, als auch der Bereich des Verstärkungsteils, welcher sich in Breitenrichtung von einem Rand des Kühlers bis zum Aufnahmebereich erstreckt, mit der Kühlstruktur überlappen bzw. die Kühlstruktur überdecken.
Bei einer überlappenden Anordnung des Verstärkungsteils mit der Kühlstruktur beträgt bevorzugt ein Maß der Überlappung zwischen einem Bereich des Verstärkungsteils und der Kühlstruktur in der Erstreckungsrichtung des Bereichs maximal ein Zehnfaches, besonders bevorzugt maximal ein Fünffaches, einer Dicke des ersten Metallteils. Vorzugsweise umfasst der Kühler, insbesondere das Gehäuse des Kühlers, eine Ausnehmung. Bevorzugt ist an der Stelle der Ausnehmung der Aufnahmebereich des ersten Metallteils angeordnet. Vorzugsweise definiert die Ausnehmung den Aufnahmebereich.
Die Ausnehmung kann vorzugsweise im Verstärkungsteil ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann vorzugsweise das Verstärkungsteil die Ausnehmung aufweisen. Die Ausnehmung kann vorzugsweise durch eine Innenwandung des Verstärkungsteils definiert sein. Die Ausnehmung umgibt vorzugsweise in Umfangsrichtung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, den Aufnahmebereich. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausnehmung umfänglich/in Umfangsrichtung geschlossen.
Alternativ kann die Ausnehmung vorzugsweise zwischen zwei Verstärkungsteilen ausgebildet sein.
Eine Dicke des Verstärkungsteils ist bevorzugt größer gleich einer Dicke des ersten Metallteils, insbesondere des Aufnahmebereichs des ersten Metallteils.
Weiterhin ist bevorzugt eine Summe aus einer Dicke des Verstärkungsteils und einer Dicke des ersten Metallteils, insbesondere des Aufnahmebereichs des ersten Metallteils, größer gleich einer Dicke des zweiten Metallteils.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich das Verstärkungsteil in Längsrichtung von einem Ende des Kühlers (nur) bis zum Aufnahmebereich. Vorzugsweise kann der Kühler zwei Verstärkungsteile umfassen, wobei sich das eine Verstärkungsteil in Längsrichtung von einem ersten Ende des Kühlers (nur) bis zum Aufnahmebereich erstreckt und sich das andere Verstärkungsteil in Längsrichtung von einem zweiten Ende des Kühlers (nur) bis zum Aufnahmebereich erstreckt.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Verstärkungsteil in Längsrichtung durchgehend ausgebildet. Ein durchgehendes Verstärkungsteil bedeutet im Rahmen der Erfindung insbesondere, dass das Verstärkungsteil zumindest teilweise durchgehend ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist zumindest ein Bereich des Verstärkungsteils durchgehend ausgebildet. Das heißt insbesondere, dass der zumindest einen Bereich des Verstärkungsteils in Längsrichtung von einem ersten Ende des Kühlers zu einem zweiten Ende des Kühlers erstreckt. Bei dieser Ausgestaltung des Kühlers kann das Verstärkungsteil vorzugsweise einen ersten Endbereich, zumindest einen Randbereich, und einen zweiten Endbereich aufweisen. Bevorzugt kann dabei der erste Endbereich sich in Längsrichtung von einem ersten Ende des Kühlers (nur) bis zum Aufnahmebereich erstrecken und der zweite Endbereich in Längsrichtung von einem zweiten Ende des Kühlers (nur) bis zum Aufnahmebereich erstrecken, wobei sich der zumindest eine Randbereich in Breitenrichtung von einem Rand des Kühlers (nur) bis zum Aufnahmebereich erstreckt. Der zumindest eine Randbereich ist vorzugsweise zwischen dem ersten Endbereich und dem zweiten Endbereich angeordnet. Bevorzugt verbindet der zumindest eine Randbereich den ersten Endbereich und den zweiten Endbereich miteinander. Ein Teil des ersten Endbereichs, der zumindest eine Randbereich und ein Teil des zweiten Endbereichs können dem zuvor erwähnten Bereich des Verstärkungsteils entsprechen, der sich in Längsrichtung vom ersten Ende des Kühlers zum zweiten Ende des Kühlers erstreckt und somit durchgehend ausgebildet ist. Besonders bevorzugt umfasst das Verstärkungsteil zwei Randbereiche.
Vorzugsweise kann das Verstärkungsteil am Einlass und/oder Auslass des Kühlers vorgesehen sein.
Vorzugsweise ist das Verstärkungsteil auf dem ersten Metallteil an mindestens einer Verbindungsstelle, insbesondere an einer Mehrzahl von Verbindungsstellen, besonders bevorzugt an jeder Verbindungsstelle, zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil angeordnet. Somit wird der Kühler an der mindestens einen Verbindungsstelle zwischen dem ersten Metallteil und dem zweiten Metallteil mittels des Verstärkungsteils verstärkt.
Vorzugsweise ist der Kühler derart eingerichtet, dass der Kühler eine Widerstandsfähigkeit gegen einen relativen Innendruck von größer gleich 2 bar im Kühlkanal aufweist. Ferner bevorzugt kann der Kühler derart eingerichtet sein, dass dieser einen maximalen relativen Innendruck von 2,5 aushält. Das heißt insbesondere, dass der Kühler derart aufgebaut ist, dass dieser dem Innendruck auch über Lebenszeit ohne oder zumindest ohne signifikante Verformung standhält. Der relative Innendruck bedeutet einen Druck relativ zum Umgebungsdruck bzw. Atmosphärendruck. Das Verstärkungsteil ist vorzugsweise plattenförmig/als Platte, insbesondere als ovalförmige Platte, ausgebildet.
Bevorzugt ist das erste Metallteil plattenförmig ausgebildet, wobei das zweite Metallteil einen plattenförmigen Bereich und einen im Schnitt trapezförmigen Bereich aufweist.
Insbesondere kann das zweite Metallteil als Tiefziehteil ausgebildet sein. Es ist allerdings auch möglich, dass das erste Metallteil einen plattenförmigen Bereich und einen im Schnitt trapezförmigen Bereich aufweist und das zweite Metallteil plattenförmig ausgebildet ist.
Das erste Metallteil und/oder das zweite Metallteil ist/sind vorzugsweise als Blech(e) ausgebildet.
Die Kühlstruktur kann vorzugsweise eine Kühlrippenstruktur und/oder eine Pin-Struktur (Kühlpin-Struktur) umfassen. Es ist auch vorstellbar, dass die Kühlstruktur alternativ oder zusätzlich auch ein Kühlstrukturelement oder eine Mehrzahl von
Kühlstrukturelementen aufweist, das/die eine andere Form als eine Kühlrippe oder ein Pin hat/haben. Es ist insbesondere möglich, dass die Kühlstruktur eine Mehrzahl von Kühlstrukturelementen unterschiedlicher Form aufweist. So ist zum Beispiel möglich, dass die Kühlstruktur eine Kühlrippe und einen Pin, oder eine Mehrzahl von Kühlrippen und eine Mehrzahl von Pins aufweist. Eine Kühlrippe und ein Pin können im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils insbesondere als Kühlstrukturelement bezeichnet werden.
Die Kühlstruktur ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise als eine oberflächenvergrößernde, strömungsführende und wärmeübergangserhöhende Struktur verstanden.
Die Kühlrippenstruktur kann vorzugsweise (nur) eine Kühlrippe oder eine Mehrzahl von Kühlrippen umfassen, die vorzugsweise in einer Durchströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Durchströmungsrichtung entspricht insbesondere einer Hauptströmungsrichtung des als Kühlmittel verwendeten Fluides, das durch Durchgangsöffnungen, die durch die Kühlrippe(n) gebildet sind, strömt. Dabei ist die Hauptströmungsrichtung insbesondere die Richtung, in der das Fluid hauptsächlich strömt, Das heißt 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 Hauptströmungsrichtung ist vorzugsweise parallel zur Längsrichtung des Kühlers sein.
Die Kühlrippenstruktur kann insbesondere auch als Turbulator bezeichnet werden. Vorzugsweise ist eine Kühlrippe aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung periodisch wiederholenden Wellenprofil gebildet. Die Pin-Struktur kann vorzugsweise (nur) ein oder eine Mehrzahl von Pins umfassen, die vorzugsweise in der Durchströmungsrichtung und/oder in einer zur Durchströmungsrichtung senkrechten Richtung angeordnet sind.
Die Kühlstruktur kann vorzugsweise zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einem Material ausgebildet und/oder mit einem Material beschichtet sein, 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. Insbesondere betreffen diese Ausgestaltungen den/die Kühlstrukturelemente der Kühl Struktur.
Der gesamte Kühler, Das heißt das erste Metallteil, das zweite Metallteil, das Verstärkungsteil und die Kühlstruktur, kann/können vorzugsweise aus dem gleichen Material, bevorzugt Aluminium oder z.B. Kupfer oder Edelstahl, hergestellt und/oder beschichtet sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Fluid, welches durch den Kühler strömbar ist, insbesondere auch als Kühlfluid bezeichnet werden.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Leistungselektronik-Anordnung, die einen zuvor beschriebenen fluiddurchströmbaren Kühler und eine Leistungselektronik umfasst. Die Leistungselektronik ist auf dem Aufnahmebereich des ersten Metallteils angeordnet, insbesondere fixiert.
Vorzugsweise kann die Leistungselektronik eine Leistungselektronik-Baueinheit oder mehrere Leistungselektronik-Baueinheiten umfassen.
Eine Leistungselektronik-Baueinheit kann im Rahmen der Erfindung insbesondere auch als Leistungsmodul bezeichnet sein. Eine Leistungselektronik-Baueinheit umfasst vorzugsweise eine Trägerplatte und/oder Leiterbahnen und/oder einen oder mehrere Leistungshalbleiter.
Die Leistungselektronik-Baueinheit(en) ist/sind vorzugsweise mittels einer durch einen Weichlötprozess oder einen Sinterprozess erzeugten Schicht, die somit entsprechend als Weichlotschicht oder Sinterschicht bezeichnet werden kann, auf den fluiddurchströmbaren Kühler bzw. den Aufnahmebereich des ersten Metallteils gefügt.
In vorteilhafter Weise ist die Leistungselektronik nur auf dem Aufnahmebereich des ersten Metallteils angeordnet. Das heißt insbesondere, dass die Leistungselektronik nicht auf dem Verstärkungsteil angeordnet ist.
Die Leistungselektronik ist vorzugsweise in vorteilhafter Weise in der zuvor beschriebenen Ausnehmung des Gehäuses angeordnet.
Wie schon oben beschrieben kann die Ausnehmung nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung im Verstärkungsteil ausgebildet sein. Das heißt, dass die Ausnehmung im Verstärkungsteil ausgebildet ist. Bevorzugt steht die Leistungselektronik in Dickenrichtung über eine Außenfläche des Verstärkungsteils vor. Die Leistungselektronik kann vorzugsweise mit Abstand von der Innenwandung des Verstärkungsteils angeordnet sein. Alternativ kann bevorzugt die Leistungselektronik die Innenwandung des Verstärkungsteils kontaktieren. Somit kann die Leistungselektronik zum Verbinden dieser mit dem ersten Metallteil vorzentriert werden. Außerdem kann über den Kontakt der Leistungselektronik mit der Innenwandung des Verstärkungsteils ein Teil einer durch die Leistungselektronik erzeugten Wärme abgeleitet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Komponenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische vereinfachte perspektivische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung mit einer Leistungselektronik und einem fluiddurchströmbaren Kühler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 eine schematische vereinfachte perspektivische Schnittansicht der erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung aus Figur 1 ,
Figur 3 eine schematische vereinfachte Schnittansicht der erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung aus Figur 1 , und
Figur 4 eine schematische vereinfachte perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung mit einer Leistungselektronik und einem fluiddurchströmbaren Kühler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 eine erfindungsgemäße Leistungselektronik-Anordnung 1000 mit einer Leistungselektronik 200 und einem fluiddurchströmbaren Kühler 1 zum Kühlen der Leistungselektronik 200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Figur 1 stellt die Leistungselektronik-Anordnung 1000 perspektivisch dar. Figur 2 zeigt einen perspektivischen Schnitt der Leistungselektronik-Anordnung 1000 entlang der Linie B- B (in Breitenrichtung 502) in Figur 1, wobei in Figur 2 zusätzlich ein Teil des Kühlers 1 im vergrößertem Maßstab dargestellt ist. Figur 3 zeigt einen Schnitt der Leistungselektronik-Anordnung 1000 entlang der Linie A-A (in Längsrichtung 501) in Figur 1.
Wie aus den Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst der fluiddurchströmbare Kühler 1 ein erstes Metallteil 11, ein zweites Metallteil 12, eine Kühlstruktur 14 und ein Verstärkungsteil 13.
Das erste Metallteil 11 und das zweite Metallteil 12 sind direkt miteinander verbunden und definieren zwischen sich einen Kühlkanal 10, der von einem als Kühlmittel verwendeten Fluid durchströmbar ist und in dem die Kühlstruktur 14 angeordnet ist. Wie insbesondere Figur 3 zu entnehmen ist, ist der Kühlkanal 10 in Umfangsrichtung ausschließlich durch das erste Metallteil 11 und das zweite Metallteil 12 umschlossen. Dabei ist der Kühlkanal 10 durch das erste Metallteil 11 und das zweite Metallteil 12 als ein in Umfangsrichtung geschlossener Kühlkanal gebildet. Zum Verbinden des ersten Metallteils 11 mit dem zweiten Metallteil 12 kann in vorteilhafter weise Hartlot verwendet werden, so dass im zusammengefügten Zustand des Kühlers 1 eine Hartlotschicht zwischen den beiden Metallteilen 11, 12 angeordnet ist. Sowohl das erste Metallteil 11 als auch das zweite Metallteil 11 können vorzugsweise
Aluminiumsteile sein. Andere Materialien sind für das erste Metallteil 11 und/oder das zweite Metallteil 12 vorstellbar.
Insbesondere sind beide Metallteile 101, 102 als Bleche ausgebildet. Was die Form der Metallteile 11 , 12 angeht, ist das erste Metallteil 11 plattenförmig, insbesondere als ovalförmige Platte, ausgebildet, wobei das zweite Metallteil 12 einen plattenförmigen Bereich und einen im Querschnitt trapezförmigen Bereich (Figuren 2 und 3) aufweist. Das zweite Metallteil 12 kann in vorteilhafter Weise durch einen Tiefziehprozess hergestellt werden. Es ist allerdings auch möglich, dass das erste Metallteil 11 und das zweite Metallteil 12 andere Formen aufweisen.
Die Metallteile 11, 12 und das Verstärkungsteil 13 bilden in vorteilhafter weise ein Gehäuse 15, an dem ein Einlass 151 und ein Auslass 152 für das als Kühlmittel verwendete Fluid angeordnet sind. Der Einlass 151 und der Auslass 152, die jeweils insbesondere als Stutzen ausgebildet sind und somit auch als Kühlmittelstutzen bezeichnet werden können, sind in diesem Ausführungsbeispiel am zweiten Metallteil 12 angeordnet.
Zum Aufnehmen der zu kühlenden Leistungselektronik 200 weist das erste Metallteil einen Aufnahmebereich 110 auf. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Leistungselektronik 200 drei Leistungselektronik-Baueinheiten 210, die auch als Leistungsmodule bezeichnet werden können und in Längsrichtung 501 hintereinander angeordnet sind. Jede der Leistungselektronik-Baueinheiten 210 kann vorzugsweise eine Trägerplatte, Leiterbahnen und Leistungshalbleiter aufweisen.
Die Leistungselektronik-Baueinheiten 210 sind vorzugsweise jeweils mittels einer durch einen Weichlötprozess oder einen Sinterprozess erzeugten Schicht, die somit entsprechend als Weichlotschicht oder Sinterschicht bezeichnet wird, auf den fluiddurchströmbaren Kühler 100, insbesondere auf den Aufnahmebereich 110 des ersten Metallteils 11, gefügt. Wie schon zuvor beschrieben, ist im Kühlkanal 10 die Kühlstruktur 14 angeordnet, die als oberflächenvergrößernde, für das als Kühlmittel verwendete Fluid strömungsführende und wärmeübergangserhöhende Struktur dient. Insbesondere umfasst bzw. ist die Kühlstruktur 14 gemäß Figur 3 eine Kühlrippenstruktur. Dazu kann die Kühlrippenstruktur mindestens eine Kühlrippe 140 aufweisen, die sich in Richtung der Länge der Kühlkanals 10 bzw. einer Durchströmungsrichtung 504 des Fluides erstreckt. Wie sich außerdem aus Figur 3 ergibt, ist die Kühlrippe 140 vorzugsweise aus einem sich in einer Wiederholungsrichtung periodisch wiederholenden Wellenprofil gebildet. Durch die Kühlrippe 140 sind Durchgangsöffnungen 141 gebildet, durch die das Fluid durchströmen kann.
Die Kühlstruktur 14 ist vorzugsweise 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 Kühlrippe 10 aus Aluminium hergestellt oder mit Aluminium beschichtet sein. Es ist auch möglich, dass andere wärmleitfähigen Materialien für die Kühlstruktur 14 und/oder deren Schicht benutzt werden.
Die Kühlstruktur 14 ist mit dem ersten Metallteil 11 und dem zweiten Metallteil 12 verbunden. Zum Verbinden der Kühlstruktur 14 mit dem ersten Metallteil 11 und dem zweiten Metallteil 12 kann wie bei der Verbindung zwischen dem ersten Metallteil 11 und dem zweiten Metallteil 12 Hartlot benutzt werden. Durch die Verbindung der Kühlstruktur 14 mit dem ersten Metallteil 11 und dem zweiten Metallteil 12 wird der Kühler 1 im Bereich des Kühlkanals 10 gegen einen darin herrschenden Innendruck abgestützt.
Um die Widerstandsfähigkeit des Kühlers 1 auch in Bereichen zu erhöhen, in denen die Kühlstruktur 10 nicht als Stützstrukturelement dienen kann, und somit den Aufbau der Kühlers 10 in diesen Bereichen zu verstärken, ist das zuvor erwähnte Verstärkungsteil 13 auf dem ersten Metallteil 11 befestigt, insbesondere aufgelötet.
Das Verbinden des ersten Metallteils 11 mit dem zweiten Metallteil 12 und/oder das Verbinden der Kühlstruktur 14 mit den Metallteilen 11 , 12 und/oder das Verbinden des Verstärkungsteils 13 mit dem ersten Metallteil 11 können vorteilhafterweise im selben Fertigungsschritt, insbesondere mittels eines Hartlotes, erfolgen. Das Verstärkungsteil 13 ist auf dem ersten Metallteil 11 teilweise außerhalb eines Überlappungsbereichs 16 zwischen dem ersten Metallteil 11 und der Kühlstruktur 14 und/oder dem zweiten Metallteil 12 und der Kühlstruktur 14 angeordnet. Insbesondere ist das Verstärkungsteil 13 auf dem ersten Metallteil 11 hauptsächlich außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet. Die Anordnung bzw. der Aufbau des Verstärkungsteils 13 wird im Folgenden näher erläutert.
Wenn man die Figuren 1 bis 3 betrachtet, stellt man fest, dass das Verstärkungsteil 13 in diesem Ausführungsbeispiel eine in Umfangsrichtung geschlossene Ausnehmung 130 umfasst. Es ist allerdings auch möglich, dass die Ausnehmung 130 in Umfangsrichtung nicht geschlossen ist. Die Ausnehmung 130, die auch als Ausnehmung des Gehäuses 15 angesehen werden kann, ist insbesondere durch eine Innenwandung 135 des Verstärkungsteils 13 definiert und an der Stelle des Aufnahmebereichs 110 vorgesehen. Insbesondere umgibt die Ausnehmung 130 in Umfangsrichtung vollständig den Aufnahmebereich 110. Bei der fertigen Leistungselektronik-Anordnung 1000 sind die Leistungselektronik-Baueinheiten 210 in der Ausnehmung 130 angeordnet. Insbesondere können die Leistungselektronik- Baueinheiten 210 in Dickenrichtung 503 über eine Außenfläche 136 des Verstärkungsteils 13 hinausragen. Aus den Figuren 1 bis 3 ergibt sich weiterhin, dass die Leistungselektronik-Baueinheiten 210 auf dem Aufnahmebereich 110 mit Abstand von der Innenwandung 135 positioniert sind. Eine Kontaktierung der Leistungselektronik-Baueinheiten 210 mit der Innenwandung 135 ist allerdings auch vorstellbar.
Das Verstärkungsteil 13 weist einen ersten Endbereich 131 , einen zweiten Endbereich 132, einen ersten Randbereich 133 und einen zweiten Randbereich 134 auf. Der erste Randbereich 133 ist zwischen dem ersten Endbereich 131 und dem zweiten Endbereich 133 angeordnet und verbindet diese miteinander. Entsprechend ist der zweite Randbereich 134 zwischen dem ersten Endbereich 131 und dem zweiten Endbereich 133 angeordnet und verbindet diese miteinander. Daher kann in diesem Ausführungsbeispiel der erste Randbereich 133 auch als erster Mittelbereich und der zweite Randbereich 134 auch als zweiter Mittelbereich bezeichnet werden.
Wie Figur 2 und insbesondere dem darin gezeigten vergrößerten Teil des Kühlers 1 zu entnehmen ist, erstreckt sich in vorteilhafter Weise der erste Endbereich 131 in Längsrichtung 501 von einem ersten Ende 17 des Kühlers 1 (nur) bis zum Aufnahmebereich 110 des ersten Metallteils 11 und überlappt mit der Kühlstruktur 14. Das heißt, dass der erste Endbereich 131 teilweise außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet ist. Insbesondere ist der erste Endbereich 131 hauptsächlich außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet. Der zweite Endbereich 132 erstreckt sich vorteilhafterweise in Längsrichtung 501 von einem zweiten Ende 18 des Kühlers 1 (nur) bis zum Aufnahmebereich 110 des ersten Metallteils 11 und überlappt mit der Kühlstruktur 14. Das heißt, dass der zweite Endbereich 132 teilweise außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet ist. Insbesondere ist der zweite Endbereich 132 hauptsächlich außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet.
Bei dieser Ausgestaltung des Kühlers 1 überlappen sich das Verstärkungsteil 13, das erste Metallteil 11 und die Kühlstruktur 14. Insbesondere überlappen sich der erste Endbereich 131, das erste Metallteil 11 und die Kühlstruktur 14 sowie der zweite Endbereich 132, das erste Metallteil 11 und die Kühlstruktur 14. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, beträgt ein Maß 604 der Überlappung zwischen dem ersten Endbereich 131 des Verstärkungsteils 13 und der Kühlstruktur 14 in Längsrichtung 501 maximal ein Zehnfaches, besonders bevorzugt maximal ein Fünffaches, einer Dicke 601 des ersten Metallteils 11. Das gleiche gilt vorzugsweise für ein Maß der Überlappung zwischen dem zweiten Endbereich 132 und der Kühlstruktur 14 in Längsrichtung 501.
Figur 3 kann weiterhin entnommen werden, dass sich der erste Randbereich 133 in Breitenrichtung 502 von einem ersten Rand 19 des Kühlers 1 (nur) bis zum Aufnahmebereich 110 erstreckt und ausschließlich außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet ist. Das heißt, dass der erste Randbereich 133 mit der Kühlstruktur 14 nicht überlappt. Entsprechend erstreckt sich der zweite Randbereich 134 in Breitenrichtung 502 von einem zweiten Rand 20 des Kühlers 1 (nur) bis zum Aufnahmebereich 110 und ist ausschließlich außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet. Das heißt, dass der zweite Randbereich 134 mit der Kühlstruktur 14 nicht überlappt. Es ist allerdings auch möglich, dass der erste Randbereich 133 und/oder der zweite Randbereich 134 mit der Kühlstruktur 14 überlappt/überlappen.
Ein erster Teil des ersten Endbereichs 131, der erste Randbereich 133 und ein erster Teil des zweiten Endbereichs 132 bilden einen ersten Bereich des Verstärkungsteils 13, der in Längsrichtung 501 durchgehend ausgebildet ist. Mit anderen Worten bilden ein erster Teil des ersten Endbereichs 131 , der erste Randbereich 133 und ein erster Teil des zweiten Endbereichs 132 einen ersten Bereich des Verstärkungsteils 13, der sich vom ersten Ende 17 bis zum zweiten Ende 18 des Kühlers 1 erstreckt. Entsprechend bilden ein zweiter Teil des ersten Endbereichs 131 , der zweite Randbereich 134 und ein zweiter Teil des zweiten Endbereichs 132 einen zweiten Bereich des Verstärkungsteils 13, der in Längsrichtung 501 durchgehend ausgebildet ist. Mit anderen Worten bilden ein zweiter Teil des ersten Endbereichs 131 , der zweite Randbereich 134 und ein zweiter Teil des zweiten Endbereichs 132 einen zweiten Bereich des Verstärkungsteils 13, der sich vom ersten Ende 17 bis zum zweiten Ende 18 des Kühlers 1 erstreckt. Insgesamt kann das Verstärkungsteil 13 als durchgehend bezeichnet werden.
Wie sich ferner insbesondere aus Figur 3 ergibt, ist eine Dicke 603 des Verstärkungsteils 13 größer als die Dicke 601 des ersten Metallteils 11. Ferner ist auch eine Dicke 602 des zweiten Metallteils 12 größer als die Dicke 601 des ersten Metallteils 11. Weiterhin ist eine Summe aus der Dicke 603 des Verstärkungsteils 13 und der Dicke 601 des ersten Metallteils 11 vorzugsweise gleich der Dicke 602 des zweiten Metallteils 12. Es ist aber auch möglich, dass die Summe aus der Dicke 603 des Verstärkungsteils 13 und der Dicke 601 des ersten Metallteils 11 größer als die Dicke 602 des zweiten Metallteils 12 ist. In vorteilhafter Weise weist das erste Metallteil 11 überall die gleiche Dicke 601 auf. Das heißt, dass der Aufnahmebereich 110 auch die Dicke 601 aufweist. Entsprechend sind die Dicke 602 des zweiten Metallteils 12 und die Dicke 603 des Verstärkungsteils 13 jeweils konstant. Die Tatsache, dass die Dicke 601 des ersten Metallteils 11 , insbesondere dessen Aufnahmebereichs 110, relativ zu der Dicke 602 des zweiten Metallteils 12 und der Dicke 603 des Verstärkungsteils 13 derart ausgewählt ist, ermöglicht einen minimalen Wärmeübergangswiderstand zwischen der Leistungselektronik 200 und dem als Kühlmittel verwendeten Fluid, ohne die Widerstandsfähigkeit des Kühlers 1 gegen einen Innendruck im Kühlkanal 10 zu beeinträchtigen.
Durch die Anordnung der Leistungselektronik 200 am fluiddurchströmbaren Kühler 1 und der Kühlstruktur 14 im Kühlkanal 111 kann während des Betriebs der Leistungselektronik 200 erzeugte Wärme in effizienter Weise von der Leistungselektronik 200 zuerst auf das erste Metallteil 11 und von dort auf das die Kühlstruktur 14 durchströmendes Fluid übertragen und abgeführt werden. Insbesondere wird durch die Kühlstruktur 14 eine turbulente Strömung des Fluides bewirkt, wodurch eine erhöhte Kühleffizienz des Kühlers 1 erzielt werden kann.
Der Kühleraufbau gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch das Verstärkungsteil 13 gegen den Innendruck im Kühlkanal 10 verstärkt. Insbesondere ist das Verstärkungsteil 13 auf dem ersten Metallteil 11 an Verbindungstellen zwischen dem ersten Metallteil 11 und dem zweiten Metallteil 12 angeordnet. Solche Verbindungsstellen 21 sind in Figuren 2 und 3 zu sehen. Trotz der Verstärkung des Kühlers 1 erhöht das Verstärkungsteil 13 den schon durch die Kühlstruktur 14 verursachten Druckverlust nicht, wodurch die Kühlleistung des Kühlers 1 nicht beeinflusst wird.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Leistungselektronik-Anordnung 1000 mit einer Leistungselektronik 200 und einem fluiddurchströmbaren Kühler 1 zum Kühlen der Leistungselektronik 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Leistungselektronik-Anordnung 1000 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von derjenigen gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch den Aufbau des fluiddurchströmbaren Kühlers 1.
Wie sich aus Figur 4 ergibt, umfasst der fluiddurchströmbare Kühler 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zwei Verstärkungsteile 13, wobei das eine Verstärkungsteil 13 vorzugsweise am Einlass 151 und das andere Verstärkungsteil 13 vorzugsweise am Auslass 152 vorgesehen ist. Insbesondere erstreckt sich das eine Verstärkungsteil 13, in diesem Fall das am Einlass 151 angeordnete Verstärkungsteil 13, in Längsrichtung 501 vom ersten Ende 17 des Kühlers 1 (nur) bis zum Aufnahmebereich 110, wobei sich das andere Verstärkungsteil 13, in diesem Fall das am Auslass 152 angeordnete Verstärkungsteil 13, in Längsrichtung 101 vom zweiten Ende 18 des Kühlers 1 (nur) bis zum Aufnahmebereich 110 erstreckt. Die beiden Verstärkungsteile 13 sind vorzugsweise identisch ausgebildet. Die Ausnehmung 130 des Gehäuses 15 ist zwischen den beiden Verstärkungsteilen 13 angeordnet.
Entsprechend ist der Aufnahmebereich 110 zwischen den beiden Verstärkungsteilen 13 positioniert.
Jedes der Verstärkungsteile 13 überlappt mit der Kühlstruktur 14 bzw. dem Überlappungsbereich 16 zwischen dem ersten Metallteil 11 und der Kühlstruktur 14 und/oder zwischen dem zweiten Metallteil 12 und der Kühlstruktur 14. Das heißt, dass ähnlich zum Verstärkungsteil 13 des Kühlers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel jedes der Verstärkungsteile 13 des Kühlers 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel teilweise außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet ist. Insbesondere ist jedes der Verstärkungsteile 13 hauptsächlich außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet. Dabei entspricht das am Einlass 151 angeordnete Verstärkungsteil 13 dem ersten Endbereich 131 des Verstärkungsteils 13 des Kühlers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei das am Auslass 152 angeordnete Verstärkungsteil 13 zweiten Endbereich 132 des Verstärkungsteils 13 des Kühlers 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht.
Es ist allerdings auch möglich, dass zumindest eines der Verstärkungsteile 13, insbesondere beide Verstärkungsteile 13, ausschließlich außerhalb des Überlappungsbereichs 16 angeordnet ist/sind. Mit anderen Worten ist es möglich, dass sich zumindest eines der Verstärkungsteile 13, insbesondere beide Verstärkungsteile 13, sich vom entsprechenden Ende 17, 18 des Kühlers 1 (nur) bis zum Überlappungsbereich 16 erstreckt/erstrecken.

Claims

Ansprüche
1 . Fluiddurchströmbarer Kühler (1) zum Kühlen einer Leistungselektronik (200), umfassend:
. ein erstes Metallteil (11) und ein zweites Metallteil (12), die miteinander verbunden sind und einen Kühlkanal (10) zwischen sich definieren, der von einem Fluid durchströmbar ist, wobei das erste Metallteil (11) einen Aufnahmebereich (110) zum Aufnehmen der zu kühlenden Leistungselektronik (200) aufweist,
. eine Kühlstruktur (14), die im Kühlkanal (10) angeordnet ist, und mit dem ersten Metallteil (11) und dem zweiten Metallteil (12) verbunden ist, und
. ein Verstärkungsteil (13), welches auf dem ersten Metallteil (11) befestigt ist.
2. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach Anspruch 1 , wobei der Kühlkanal (10) in Umfangsrichtung ausschließlich durch das erste Metallteil (11) und das zweite Metallteil (12) umschlossen ist.
3. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Metallteil (11) zwischen dem Verstärkungsteil (13) und dem zweiten Metallteil (12) angeordnet ist.
4. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verstärkungsteil (13) auf dem ersten Metallteil (11) zumindest teilweise außerhalb eines Überlappungsbereichs (16) zwischen dem ersten Metallteil (11) und der Kühlstruktur (14) und/oder zwischen dem zweiten Metallteil (12) und der Kühlstruktur (14) angeordnet ist.
5. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach Anspruch 4, wobei das Verstärkungsteil (13) auf dem ersten Metallteil (11) ausschließlich außerhalb des Überlappungsbereichs (16) angeordnet ist, oder wobei das Verstärkungsteil (13) teilweise außerhalb des Überlappungsbereichs (16) angeordnet ist und mit der Kühlstruktur (14) überlappt. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verstärkungsteil (13) eine Ausnehmung (130) umfasst, wobei der Aufnahmebereich des ersten Metallteils (11) an der Stelle der Ausnehmung (130) angeordnet ist und/oder wobei die Ausnehmung (130) in Umfangsrichtung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, den Aufnahmebereich (110), umgibt. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Dicke (603) des Verstärkungsteils (13) größer gleich einer Dicke (601) des ersten Metallteils (11), insbesondere des Aufnahmebereichs (110), ist, und/oder wobei eine Summe aus einer Dicke (603) des Verstärkungsteils (13) und einer Dicke (601) des ersten Metallteils (11), insbesondere des Aufnahmebereichs (110), größer gleich einer Dicke (602) des zweiten Metallteils (12) ist. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sich das Verstärkungsteil (13) in Längsrichtung (501) von einem Ende (17, 18) des Kühlers (1) nur bis zum Aufnahmebereich (110) erstreckt oder wobei das Verstärkungsteil (13) in Längsrichtung (501) durchgehend ausgebildet ist. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verstärkungsteil (13) auf dem ersten Metallteil (11) an mindestens einer Verbindungsstelle zwischen dem ersten Metallteil (11) und dem zweiten Metallteil (12) angeordnet ist. Fluiddurchströmbarer Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verstärkungsteil (13) plattenförmig ist. Leistungselektronik-Anordnung (1000), umfassend eine Leistungselektronik (200) und einen fluiddurchströmbaren Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leistungselektronik (200) auf dem Aufnahmebereich (110) des ersten Metallteils (11) angeordnet ist. Leistungselektronik-Anordnung (1000) nach Anspruch 11, wobei die Leistungselektronik (200) nur auf dem Aufnahmebereich (110) des ersten Metallteils (11) angeordnet ist.
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