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.