EP4616447A1 - Kühlstruktur eines fluiddurchströmbaren kühlers - Google Patents

Kühlstruktur eines fluiddurchströmbaren kühlers

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Publication number
EP4616447A1
EP4616447A1 EP23797746.7A EP23797746A EP4616447A1 EP 4616447 A1 EP4616447 A1 EP 4616447A1 EP 23797746 A EP23797746 A EP 23797746A EP 4616447 A1 EP4616447 A1 EP 4616447A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cooling structure
profile
cooler
fluid
metal part
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
EP23797746.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max Florian BECK
Valentin RUEDENAUER
Tobias Hoppe
Daniel Stehlik
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 EP4616447A1 publication Critical patent/EP4616447A1/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
    • H10W40/47—Arrangements for thermal protection or thermal control involving heat exchange by flowing fluids by flowing liquids, e.g. forced water cooling
    • 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
    • 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
    • H10W40/25—Arrangements for cooling characterised by their materials
    • H10W40/258—Metallic materials

Definitions

  • the present invention relates to a cooling structure of a fluid-flow cooler for cooling power electronics, a method for producing such a cooling structure and a fluid-flow cooler.
  • the invention also relates to a power electronics arrangement with such a cooler and power electronics.
  • the power substrates are applied to coolers through which fluid can flow. These coolers are made of aluminum, AlSiC or copper alloys. Pins or fins are arranged inside the cooler to increase the heat-transfer surface and to intensify the heat transfer.
  • the power substrate is joined to the cooler using a soft soldering process, or optionally a sintering process.
  • these coolers may be surface-coated with materials suitable for a soft soldering process or a sintering process.
  • aluminum coolers also AlSiC or copper coolers, which consist of several components that are joined together in particular by a brazing process, are common.
  • the cooling structure of a fluid-flow cooler has the advantage of a good balance between the heat transfer performance achieved from the cooling structure to a fluid used as a coolant and the pressure drop caused by the cooling structure when the cooling structure is used in such a cooler and the fluid flows through the cooler.
  • a cooling structure of a fluid-flow cooler that is formed from a U-profile that repeats periodically in a repeating direction and that comprises corrugated legs.
  • the corrugated legs extend in a longitudinal direction of the cooling structure and are formed according to a trigonometric function. In other words, the corrugated legs each have the shape of a trigonometric function.
  • corrugated legs are parts of the U-profile that repeats, all corrugated legs of the cooling structure advantageously have the same shape.
  • the repetition of the U-profile in the repeating direction advantageously creates a one-piece continuous profile, which can be referred to in particular as a corrugated profile within the scope of the invention.
  • the corrugated legs of the cooling structure cause a turbulent flow of the fluid used as a coolant, which leads to increased heat dissipation with an acceptable pressure drop caused by the corrugated shape of the legs.
  • the cooling structure according to the invention is therefore particularly suitable for use in fluid-flow coolers, in particular high-performance coolers, for power electronics applications.
  • the U-profile repeats an integer or non-integer number of times.
  • the cooling structure corresponds to an integer multiple of the periodically repeating U-profile.
  • a non-integer number of times means that the cooling structure is not an integer multiple of the periodically repeating U-profile.
  • the U-profile repeats depends advantageously on a width of the power electronics that is to be cooled by a fluid-flow cooler that encompasses the cooling structure.
  • the U-profile can repeat 5 times in the repetition direction. repeat.
  • the cooling structure has 5 repetitions of the U-profile or in other words 5 U-profiles that are connected to each other to form a one-piece continuous wave profile.
  • the cooling structure has a width direction and a height direction in addition to the longitudinal direction.
  • the repetition direction preferably corresponds to the width direction.
  • the longitudinal direction can preferably be perpendicular or inclined to the repetition direction.
  • the height direction is perpendicular to the width direction and the longitudinal direction.
  • the longitudinal direction is the direction that is parallel to a line that connects the geometric center of gravity of the cross section of the U-profile at a first end of the cooling structure to the geometric center of gravity of the cross section of the U-profile at a second end of the cooling structure.
  • the repetition direction is parallel to a Y-axis of a spatially fixed coordinate system and the height direction is parallel to a Z-axis of the spatially fixed coordinate system.
  • the longitudinal direction can preferably be parallel or inclined to an X-axis of the spatially fixed coordinate system.
  • the X-axis, the Y-axis and the Z-axis of the spatially fixed coordinate system are perpendicular to each other.
  • the spatially fixed coordinate system is a Cartesian coordinate system in three-dimensional space.
  • the longitudinal direction can preferably be the direction in which the cooling structure has its longest dimension.
  • the longitudinal direction of the cooling structure preferably corresponds to an extension direction of the repeating U-profile.
  • the trigonometric function can be, for example, a sine function.
  • a leg can also be referred to as a side wall.
  • the height of the periodically repeating U-profile is between 3.7 mm and 4.5 mm, particularly preferably 4 mm.
  • the height of the U-profile corresponds to the dimension of the U-profile in the height direction that is perpendicular to the repetition direction.
  • the height of the U-profile corresponds to the height of the cooling structure.
  • a period of the periodically repeating U-profile is from 2 mm to 3.1 mm, particularly preferably 2.8 mm. It is to be understood that the period of the periodically repeating U-profile is a measure in the repeat direction. It is further to be understood that the period between a first end (side end) and a second end (side end) of the cooling structure is constant in the repeat direction. In other words, this means in particular that the periodically repeating U-profile repeats regularly.
  • a period of the trigonometric function is from 5.1 mm to 6 mm, more preferably 5.5 mm. It is to be understood that the period of the trigonometric function is a measurement in the longitudinal direction.
  • an amplitude of the trigonometric function is from 0.25 mm to 0.8 mm, particularly preferably 0.4 mm.
  • the amplitude of the trigonometric function corresponds to the greatest distance of the trigonometric function from the rest position of the trigonometric function, which is in the middle between the highest and the lowest function value of the trigonometric function.
  • the material thickness of the periodically repeating U-profile is from 0.2 mm to 0.4 mm, particularly preferably 0.3 mm.
  • the material thickness of the corrugated legs is preferably from 0.2 mm to 0.4 mm, particularly preferably 0.3 mm.
  • the periodically repeating profile advantageously has a constant material thickness.
  • each of the previously specified value ranges contributes individually to the good balance between the heat transfer performance achieved and the pressure drop caused.
  • the particularly preferred value of a respective parameter from the above parameters achieves the optimal balance between the heat transfer performance achieved and the pressure drop caused with regard to the respective parameter.
  • the height of the periodically repeating U-profile is 4 mm
  • the period of the trigonometric function is 5.5 mm
  • the amplitude of the trigonometric function is 0.8 mm
  • the material thickness of the periodically repeating U-profile is 0.3 mm.
  • a U-profile can preferably be referred to as a part of the cooling structure which comprises two (adjacent) legs, two first connecting regions and a second connecting region.
  • the second connecting region connects the two legs to one another, with the first connecting regions each connecting the U-profile to an adjacent U-profile (repetition of the U-profile).
  • the first connecting regions and the second connecting region are preferably parallel to a plane which is perpendicular to the height direction.
  • the repeating U-profile is preferably a rounded profile. This means in particular that a transition between a leg and a connection area (first or second connection area) has a rounding. In other words, a leg transitions into the first connection area or second connection area with a rounding radius.
  • the repeating U-profile it is also possible for the repeating U-profile to be a beveled profile, i.e. without rounding at the points mentioned.
  • the cooling structure can be designed such that all cross sections of the cooling structure have an equally large cross-sectional area in a section with a plane whose normal vector is perpendicular to the repetition direction.
  • the cooling structure can be designed such that not all cross sections of the cooling structure have an equally large cross-sectional area in a section with a plane whose normal vector is perpendicular to the repetition direction.
  • the cooling structure can be manufactured using a stamping, roll forming or extrusion process.
  • the cooling structure is preferably understood as a surface-enlarging, flow-guiding and heat transfer-increasing structure.
  • the cooling structure can also be referred to as a cooling fin structure, since a cooling fin is formed by the repeating U-profile.
  • the cooling structure can also be referred to in particular as a turbulator, since, as already described above, it causes a turbulent flow of a flowing fluid.
  • a flow direction of the cooler corresponds in particular to a main flow direction of the fluid used as coolant, which flows through through-openings formed by the cooling structure.
  • the main flow direction is in particular the direction in which the fluid mainly flows, i.e. 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 cooling structure is preferably at least partially, in particular completely, formed from a material and/or coated with a material which has a thermal conductivity coefficient which 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.
  • the fluid-flow cooler can also be used to cool components other than the power electronics that are located on the cooler in a power electronics arrangement, such as EMC filters, capacitors or busbars.
  • the invention further relates to a fluid-flow cooler for cooling power electronics.
  • the fluid-flow cooler comprises a previously described cooling structure, a first metal part, and a second metal part.
  • the first metal part and the second metal part are connected to one another and define a cooling channel in which the cooling structure is arranged.
  • a cooling channel direction ie the direction in which the cooling channel extends, is preferably parallel or inclined to the longitudinal direction of the cooling structure or parallel to the longitudinal axis of the above-mentioned spatially fixed coordinate system.
  • the first metal part and the second metal part advantageously form a housing which defines, in particular encloses, the cooling channel.
  • the cooling channel corresponds in particular to an interior of the housing.
  • an inlet and an outlet for the fluid used as a coolant are arranged directly on the housing.
  • the first metal part and the second metal part can preferably be connected to one another directly or indirectly.
  • a direct connection means in particular that there is only one connecting layer, in particular a connecting brazing layer, between the first metal part and the second metal part.
  • An indirect connection means in particular that at least one further metal part is provided between the first metal part and the second metal part, wherein the first metal part is connected to the second metal part via the at least one further metal part and a connecting layer, in particular a connecting brazing layer, between the first metal part and the at least one further metal part, and a connecting layer, in particular a connecting brazing layer, between the second metal part and the at least one further metal part.
  • the first metal part and/or the second metal part is/are preferably formed as sheet metal(s).
  • a further aspect of the present invention relates to a power electronics arrangement which comprises a previously described fluid-flow cooler for cooling power electronics, and power electronics which are arranged on the fluid-flow cooler. Heat which is generated by the power electronics during their operation can be efficiently transported away by the fluid-flow cooler.
  • the power electronics can preferably comprise at least one power module with a power substrate. The at least one power module is attached to/on the first metal part of the fluid-flow cooler by means of the power substrate.
  • the power substrate can preferably be made of copper and/or ceramic (AMB/DBC power substrate; AMB: active metal braze; DBG: direct copper bonding).
  • AMB/DBC power substrate AMB: active metal braze
  • DBG direct copper bonding
  • the power substrate can preferably be joined to the cooler, in particular the first metal part, by means of a soft soldering process, optionally also a sintering process.
  • a soft soldering process optionally also a sintering process.
  • the power module is preferably joined to the fluid-permeable cooler or the first metal part by means of a layer produced by a soft soldering process or a sintering process, which is thus accordingly a soft solder layer or sintered layer.
  • the power module preferably comprises one or more power semiconductors.
  • the power semiconductor(s) generate(s) heat during operation of the power module, which heat can be dissipated by the cooler.
  • the invention relates to a method for producing a cooling structure of a cooler through which fluid can flow, in particular a previously described cooling structure which is formed from a U-profile which repeats periodically in a repeating direction and which comprises corrugated legs which extend in a longitudinal direction of the cooling structure and are formed according to a trigonometric function.
  • the method comprises the step of extruding the repeating U-profile along the trigonometric function in an extrusion direction which is perpendicular to the repeating direction or runs tangentially to the trigonometric function or lies between these two orientations.
  • the wording “between these two orientations” means in particular that the extrusion direction lies between a respective tangent of the trigonometric function and a perpendicular to the repeating direction.
  • the formulation that the U-profile is extruded along the trigonometric function preferably means that the geometric center of gravity of the U-profile moves along/on a mapping of the geometric function.
  • Figure 1 is a schematic simplified sectional view of a power electronics arrangement according to the invention with power electronics and a cooler according to the invention, which comprises a cooling structure according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic simplified perspective view of the
  • FIG. 3 is a simplified sketch to explain a manufacturing method according to the invention of the cooling structure according to the first embodiment, in which the cooling structure is shown in plan view,
  • Figure 4 is a simplified sketch to explain a
  • Figure 5 is a schematic simplified sectional view of a power electronics arrangement according to the invention with power electronics and a cooler according to a third embodiment, which comprises the cooling structure from Figure 2.
  • a power electronics arrangement 1000 according to the invention which comprises a power electronics 200 and a cooler 100 with a cooling structure 1 according to a first exemplary embodiment of the invention, is described below with reference to Figures 1 to 3.
  • the power electronics 200 comprises a power module 210, which can also be referred to as a power electronics assembly.
  • the power module 210 has a circuit board 204, conductor tracks 203, 205 and power semiconductors 201.
  • the conductor tracks 203, 205 are designed in particular as copper conductor tracks, with the circuit board 204 preferably being made of ceramic.
  • the power semiconductors 201 are applied to the conductor track 203 by means of a layer 202.
  • the layer 202 is designed in particular as a solder or sintered layer.
  • the conductor tracks 203, 205 together with the circuit board 204 form a power substrate 208.
  • the power substrate 208 is joined to the cooler 100, in particular to a first metal part 101 of a housing 110 of the cooler 100, by means of a layer 206 produced by a soft soldering process or a sintering process, which is thus a soft solder layer or sintered layer.
  • the housing 110 of the cooler 100 further comprises a second metal part 102, which is connected to the first metal part 101 by means of a layer (connecting layer) 103, which is designed in particular as a brazing layer.
  • Both the first metal part 101 and the second metal part 102 are preferably aluminum parts.
  • first metal part 101 is an upper part and the second metal part 102 is a lower part of the housing 110.
  • the first metal part 101 faces the power module 210, with the second metal part 102 facing away from the power module 210.
  • first metal part 101 is plate-shaped, with the second metal part 102 having a plate-shaped region and a region with a trapezoidal cross section.
  • first metal part 101 and the second metal part 102 can have other shapes.
  • the second metal part 102 can advantageously be produced by a deep-drawing process.
  • the cooling structure 1 is arranged in the cooling channel 111 and serves as a structure that increases the surface area, guides the flow of a fluid used as a coolant and increases the heat transfer.
  • the cooling structure 1 is advantageously joined to the first metal part 101 and the second metal part 102 by means of the layer 103.
  • the cooling structure 1 is formed from a U-profile 10 that repeats periodically in a repeat direction 501.
  • the repeat direction 501 is perpendicular to a flow direction 500 and corresponds in particular to a width direction of the cooler 100.
  • the flow direction 500 corresponds to a main flow direction of a fluid used as a coolant when it flows through the cooling channel 111, in particular through through openings 14 ( Figure 1) that are formed by the repeating U-profile 10.
  • the flow direction 500 also corresponds to a cooling channel direction, which is the direction in which the cooling channel 11 essentially extends.
  • the U-profile repeats 106 times, so that in the cooling structure 1, six repetitions 19 of the U-profile 10, or in other words six interconnected U-profiles, are provided.
  • a longitudinal direction 502 and a height direction 503 are also shown.
  • the longitudinal direction 502 is in this embodiment is inclined (ie not perpendicular) to the repetition direction 501.
  • the height direction 503 is perpendicular to the repetition direction 501 and the longitudinal direction 502.
  • the longitudinal direction 502 is in particular the direction that is parallel to a line 509 that connects the geometric center of gravity 508 of the cross section of the U-profile 10 at a first end 11 of the cooling structure 1 with the geometric center of gravity 510 of the cross section of the U-profile 10 at a second end 12 of the cooling structure 1.
  • FIG. 2 a spatially fixed Cartesian three-dimensional coordinate system is shown in Figure 2.
  • the repetition direction 501 is parallel to a Y-axis 601 of the coordinate system and the height direction 503 is parallel to a Z-axis of the coordinate system 603.
  • the longitudinal direction 502 is inclined to an X-axis 602 of the coordinate system.
  • the repeating U-profile 10 has corrugated legs 15, first connection regions 16 and second connection regions 17.
  • the first connection regions 16 connect two adjacent corrugated legs 15 of adjacent repetitions 19 of the U-profile 10 to each other in an upper region of the corrugated legs 15, wherein the second connection regions 17 connect adjacent legs 15 of the same repetition 19 of the U-profile 10 to each other in a lower region of the legs 15.
  • the first connection regions 16 are closer to the power electronics 200 than the second connection regions 17.
  • the corrugated legs 15 of each repetition 19 are connected to each other by means of a second connection region 16.
  • each repetition 19 of the U-profile 10 is connected to the adjacent repetition of the U-profile 10, in particular a corrugated leg 15 of each repetition 19 of the U-profile 10 is connected to the corresponding corrugated leg 15 of the adjacent repetition 19 of the U-profile 10, by means of the corresponding first connecting regions 16 of the two repetitions 19.
  • the repeating profile 10 is rounded. This means that each leg 15 merges with a rounding radius into the corresponding first connection region 16 and the corresponding second connection region 17.
  • the cooling structure 1 is designed as follows:
  • a height 401 of the repeating U-profile 10 or the cooling structure 1 is from 3.7 mm to 4.5 mm, particularly preferably 4 mm.
  • a period 402 of the periodically repeating U-profile 10 is from 2 mm to 3.1 mm, particularly preferably 2.8 mm.
  • a period 403 of the trigonometric function 13 is from 5.1 mm to 6 mm, particularly preferably 5.5 mm.
  • an amplitude 404 of the trigonometric function 13 is from 0.25 mm to 0.8 mm, particularly preferably 0.4 mm.
  • a material thickness 405 of the periodically repeating U-profile or the cooling structure 1 is from 0.2 mm to 0.4 mm, particularly preferably 0.3 mm.
  • a length of the cooling structure 1 is preferably adapted to a length of the power module 10.
  • the cooling structure 1 is at least partially, in particular completely, formed from a material and/or coated with a material which has a thermal conductivity coefficient which is greater than 200 W/(m K).
  • the cooling structure 1 can advantageously be at least partially, in particular completely, formed from aluminum or coated with aluminum.
  • Figure 3 shows a simplified sketch by means of which a method for producing the cooling structure 1 according to the first embodiment is explained.
  • the trigonometric function 13 is shown graphically in Figure 3. Furthermore, rectangles are drawn, each of which represents a region of the cooling structure 1 seen from above.
  • the repeating U-profile 10 can be extruded along the trigonometric function 13 in an extrusion direction 504 that is tangential to the trigonometric function 13.
  • the extrusion direction 504 does not have a constant orientation, but always runs tangentially to the trigonometric function 13.
  • the cooling structure 1 is thus designed as an extrusion component in which the longitudinal direction 502 is inclined to the repeat direction 501 (at an angle not equal to 90 degrees).
  • the repeating U-profile 10 can be extruded along the trigonometric function 13 in an extrusion direction 504 which, in contrast to the method for producing the cooling structure 1 according to the first embodiment, is not tangential to the trigonometric function 13, but perpendicular to the repeating direction 501 or, in other words, parallel to the cooling channel direction.
  • the extrusion direction 504 is (always) parallel to the longitudinal direction 502.
  • the power electronics arrangement 1000 according to the third embodiment differs from that according to the first embodiment in that the first metal part 101, which is the upper part and thus faces the power module 210, has a plate-shaped region and a region with a trapezoidal cross section, wherein the second metal part 102, which is the lower part and thus faces the power module 210, is plate-shaped.
  • housing 110 of the cooler 100 according to the third embodiment can also be combined with the cooling structure 1 manufactured by the manufacturing method according to the second embodiment.
  • the power electronics 200 comprises only one power module 210.
  • the power electronics 200 it is possible for the power electronics 200 to have two or more power modules 210.
  • a corresponding number of cooling structures 1 can be arranged in the cooling channel 111 of the cooler 100, with each cooling structure 1 being assigned to one of the power modules 210.

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Thermotherapy And Cooling Therapy Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)

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

Beschreibung
Titel
Kühlstruktur eines fluiddurchströmbaren Kühlers
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; 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 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 Kühl Struktur 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 Mate rial stärke 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, Mate rial stärke 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 Kühl Struktur 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; DBG: 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:
Figur 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,
Figur 2 eine schematische vereinfachte perspektivische Ansicht der
Kühlstruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 eine vereinfachte Skizze zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens der Kühlstruktur gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, in der die Kühlstruktur in Draufsicht gezeigt ist,
Figur 4 eine vereinfachte Skizze zur Erläuterung eines
Herstellungsverfahrens einer Kühlstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, in der die Kühlstruktur in Draufsicht gezeigt ist, und
Figur 5 eine schematische vereinfachte Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Leistungselektronik-Anordnung mit einer Leistungselektronik und einem Kühler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, der die Kühlstruktur aus Figur 2 umfasst.
Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Figuren 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 (Figur 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 106-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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figuren 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.
Figur 3 zeigt eine vereinfachte Skizze, anhand von der ein Verfahren zum Herstellen der Kühlstruktur 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert wird.
Insbesondere ist in Figur 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.
Figur 4 zeigt eine vereinfachte Skizze, anhand von der ein Verfahren zum Herstellen einer Kühlstruktur 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel erläutert wird.
Analog zu Figur 3 ist in Figur 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.
Figur 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 Kühl Strukturen 1 angeordnet ist, wobei jede Kühlstruktur 1 einem der Leistungsmodule 210 zugeordnet ist.

Claims

Ansprüche
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
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