DE9100864U1

DE9100864U1 - Flüssigkeitskühlkörper

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Publication number: DE9100864U1
Application number: DE9100864U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-01-25
Filing date: 1991-01-25
Publication date: 1991-04-18
Anticipated expiration: 2001-01-26

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Flüssigkeitskühlkörper
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von wärmeerzeugenden, scheibenförmigen Bauelementen, der aus einer von der Eingangs- zur Ausgangsöffnung mit einem Kühlmedium durchflossenen Kammer besteht, die aus zwei Deckeln und aus einer Seitenwand besteht, wobei die Kammern mit mindestens einer wärmeaustauschenden Fläche des wärmeerzeugenden Bauelements in Kontakt ist.

Flüssigkeitskühlkörper sind heute bereits zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen bekannt. Die Steigerung der Schaltleistung von Halbleiterbauelementen ist mit der Erzeugung einer höheren Verlustwärme gekoppelt. Flüssigkeitskühlkörper haben allgemein eine größere Kühlleistung und halten leichter den Stoß- und Übergangszuständen Stand, weil ihre Wärmeträgheit es ermöglicht, kurze Wärmeimpulse mit einem nur geringfügigen Temperaturanstieg auszugleichen. Die Kühlkörper sind in vielen Fällen als zylinder- oder quaderförmige Körper mit Zuleitungsund Ableitungsstutzen konstruiert. Im Inneren des Kühlkörpers ist ein System von entweder parallelen oder anders miteinander verbundenen Kanälen ausgebildet. In einigen Fällen wird die Verteilung der Kühlflüssigkeit mit Hilfe von ausgebildeten Trennwänden durchgeführt oder es werden dem Flüssigkeitsstrom verschiedene Aufstellungen von Stiften in den Weg gestellt. Alle diese Anordnungen dienen zur Vergrößerung der Kontaktfläche, die die Wärme an die Kühlflüssigkeit abgibt.

Ein gattungsgemäßer Flüssigkeitskühlkörper ist aus der DE 34 11 523 Al bekannt. Bei diesem bekannten Flüssigkeitskühlkörper enthält die Kammer mindestens eine spiralförmige Trennwand, welche zusammen mit den Deckeln einen Kanal für das Kühlmedium bildet. Der untere Deckel, die Seitenwand und die spiralförmige Trennwand können eine Baueinheit bilden. Die Eingangsund Ausgangsöffnung sind jeweils mit einem Stutzen für die Zu-

Ur/Bim / 23.01.1991

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und Ableitung des Kühlmediums versehen. Die spiralförmige Trennwand kann bifilar gewickelt werden, wobei es in diesem Falle notwendig ist, den Durchfluß der Kühlflüssigkeit durch Überflußöffnungen im Mittelbereich der spiralförmigen Trennwand zu sichern. Bei einer besonders einfachen Ausführungsform ist nur eine einfache spiralförmige Trennwand vorgesehen und einer der beiden Stutzen ist bis ins Innere der Kammer verlängert. In der Kammer können auch zwei selbständige, in der Form und Abmessung identische spiralförmige Trennwände so angeordnet sein, daß ihre Enden die Seitenwand der Kammer bei der Eingangs- und Ausgangsöffnung berühren. Dabei kann die Seitenwand direkt von einer der spiralförmigen Trennwände gebildet werden. Zudem kann die Kammer des Kühlflüssigkeitskühlkörpers eine Dosenform oder eine Quaderform haben.

Mit diesem Flüssigkeitskühlkörper erreicht man eine gute Kühlwirkung bei einer verhältnismäßig niedrigen Durchflußgeschwindigkeit der Kühlkörperflüssigkeit, wobei der Materialverbrauch klein und die Herstellungskosten niedrig sind.

Aus der DE 16 39 047 Al ist ein durch strömendes Kühlmittel rückgekühlter Kühlkörper für Halbleiterbauelemente bekannt. Bei diesem Kühlkörper verläuft der Kühlmittelweg zwischen Einlaß und Auslaß unter der zu kühlenden Fläche des Halbleiterkörpers in Serpentinen. Diese Serpentinen können in einer der zu kühlenden Fläche des Halbleiterbauelementes parallelen Ebene liegen. Zwischen den Umkehrstellen der Serpentinen können dann noch weitere kleine Serpentinen angeordnet sein. Die Kühlwirkung des Kühlkörpers wird noch verbessert, wenn die Serpentinen in einer zu der zu kühlenden Fläche des Halbleiterkörpers senkrechten Ebene angeordnet sind. Dadurch wird der gesamte, unter der zu kühlenden Fläche des Halbleiterkörpers liegende Bereich des Kühlkörpers mit im gleichen Abstand voneinander angeordneten und parallel zueinander verlaufenden Kühlkanälen versehen, die alle an dem dem Halbleiterkörper zugewandten Ende geschlossen sind und deren Öffnungen alle in ein und derselben, von dem Halbleiterkörper abgewandten Ebene liegen. Dadurch wird eine gleichmäßige

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Verteilung der Wärmeflußlinien über die gesamte Fläche des Kühlkörpers unterhalb des zu kühlenden Halbleiterkörpers besorgt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von wärmeerzeugenden, scheibenförmigen Bauelementen anzugeben, der einfach gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung von zwei Kühlrippenanordnungen in der Kammer des Flüssigkeitskühlkörpers wird erreicht, daß das Kühlmedium auf dem Weg vom Verteilerraum (Freiraum) zum Sammelraum (Freiraum) mindestens einmal die Kühlrippenanordnung bzw. di,e Etage wechselt, d.h., wenn die Kühlflüssigkeit aus dem Verteilerraum in die Kühlkanäle der unteren bzw. oberen Kühlrippenanordnung eingeströmt ist, dann muß sie auf dem Weg zum Sammelraum mindestens einmal in die Kühlkanäle der oberen bzw. unteren Kühlrippenanordnung hinüberwechseln. Dadurch fließt das Kühlmedium mäanderförmig und zickzackförmig durch die Kammer des Flüssigkeitskühlkörpers.

Da die beiden Kühlrippenanordnungen der Kammer identisch sind, senken sich die Herstellungskosten und die Fertigung vereinfacht sich.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Flüssigkeitskühlkörpers bildet eine Kühlrippenanordnung und ein Deckel der Kammer jeweils eine Baueinheit. Dadurch vereinfacht sich die Fertigung wesentlich und die Herstellungskosten lassen sich nochmals senken.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Flüssigkeitskühlkörpers bilden eine Kühlrippenanordnung, ein Deckel und die Seitenwand der Kammer eine Baueinheit. Die zweite Kühlrippenanordnung und ein Deckel der Kammer können auch eine Baueinheit bilden, was die Fertigung des Flüssigkeitskühlkörpers besonders vereinfacht.

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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Flüssigkeitskühlkorpers besteht aus zwei Halbschalen, die jeweils aus einer Baueinheit, bestehend aus einer Kühlrippenanordnung und einem Deckel der Kammer und einer Hälfte der Seitenwand der Kammer gebildet sind. Diese Halbschalen sind entweder gegossen oder geschlagen. Diese Ausführungsform des Flüssigkeitskühlkorpers wird bevorzugt bei Serienfertigung.

Wie bereits aus der DE 34 11 523 Al bekannt ist, kann die Kammer des Flüssigkeitskühlkörpers eine Dosenform oder eine Quaderform haben. Der Dosenform ist Vorrang zu geben, da die wärmeerzeugenden Bauelemente, auch Leistungs-Halbleiterbauelemente genannt, überwiegend scheibenförmig sind.

Elektrische Einrichtungen, die mit Verbänden aus Leistungs-Halbleiterbauelementen und aus den erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörpern als Spannverband aufgebaut sind, sind lokal universell einsetzbar, da ein Kühlmittelkreislauf der Einrichtung vor Ort mittels Anschluß an einer Brauchwasserleitung aufgefüllt werden kann. Dadurch kann auch jederzeit Kühlmittel nachgefüllt werden.

Für eine elektrische Isolierung zwischen den wärmeerzeugenden, scheibenförmigen Bauelementen und den Flüssigkeitskühlkörpern sind elektrisch isolierende, thermisch leitende Isolierschichten vorgesehen. Als Isolierschichten sind Keramikplatten, beispielsweise aus Aluminiumoxyd (Al O₉) oder aus Aluminiumnitrit (Al N), vorgesehen. Diese Isolierschichten sind mit den Deckeln der Kammer beispielsweise mittels eines elastischen Klebers oder durch stellenweise Lötungen verbunden. Dadurch und durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kammer des Flüssigkeitskühlkörpers kann als Kühlmedium ungereinigtes Brauchwasser vorgesehen sein.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkorpers schematisch veranschaulicht ist.

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Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch den Flüssigkeitskühlkörper, wobei der Schnitt mit der Hauptflußrichtung einen Winkel von 45° einschließt,

Figur 2 veranschaulicht eine Baueinheitenkammer des Flüssigkeitskühlkörpers,

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf einen geöffneten Flüssigkeitskühlkörper und in

Figur 4 ist der Durchfluß des Kühlmediums durch die Kammer des Flüssigkeitskühlkörpers dargestellt.

Der Flüssigkeitskühlkörper 2 in der Figur 1 besteht aus einer Kammer 4, welche zwei Deckel 6 und 8, eine Seitenwand IO und zwei Kühlrippenanordnungen 12 und 14 enthält. Der obere Deckel 8 und die obere Kühlrippenanordnung 14 bilden in dieser Ausführung,sform eine Baueinheit, die in der Figur 2 alleine dargestellt ist. Die untere Kühlrippenanordnung 12 und der untere Deckel 6 bilden bei einer besonders einfachen Ausführungsform des Flüssigkeitskühlkörpers 2 auch eine Baueinheit. In dieser Darstellung jedoch sind die Kühlrippenanordnungen 12 und der untere Deckel 6 thermisch leitend miteinander verbunden. Die beiden Kühlrippenanordnungen 12 und 14 sind so in der Kammer des Flüssigkeitskühlkörpers 2 angeordnet, daß deren Kühlrippen 16 bzw. 18 jeweils mit einer Hauptflußrichtung des Kühlmediums einen Winkel von 45° und zueinander einen Winkel von 90° einschließen und daß die Stirnflächen der Kühlrippen 16 und 18 sich gegenseitig abstützen. Gegenüber der dargestellten Ausführungsform kann der Winkel, der von den Kühlrippen 16 bzw. 18 mit der Hauptflußrichtung eingeschlossen wird, größer sein als 45°, jedoch kleiner sein als 90". Demzufolge ist der Winkel, der von den Kühlrippen 16 und 18 eingeschlossen wird, auch größer 90°, jedoch kleiner 180°. Dadurch durchströmt das Kühlmedium die Kammer 4 des Flüssigkeitskühlkörpers 2 mäanderförmig und zickzackförmig. Bei funktionsmäßiger Verwendung des Flüssigkeitskühlkörpers 2 werden die auftretenden Spannkräfte gleichmäßig auf die Kontaktflächen zwischen den beiden Deckeln 6 und 8 verteilt. Die Teile der Kammer 4 sind beispielsweise miteinander hart verlötet. Jeweils zwei benachbarte Kühlrippen 16 der unteren Kühlrippenanordnung 12 bilden einen Kühlkanal 20. Ebenfalls bilden

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jeweils zwei benachbarte Kühlrippen 18 der oberen Kühlrippenanordnung 14 einen Kühlkanal 22 (Figur 2), von denen in der Figur

1 nur einer zu sehen ist, der in der Schnittebene liegt. Die Teile 6, 8, 10, 12 und IA der Kammer 4 des Flüssigkeitskühlkörpers 2 sind aus einem thermisch gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt. Dabei kann die Kühlrippenanordnung 12 und 14 aus einer Platte geschlagen oder gefräst werden. Es besteht auch die Möglichkeit, insbesondere die in Figur

2 gezeigte Baueinheit, zu gießen.
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Bei der Darstellung der Baueinheit in Figur 2 sind zwei Ausführungsformen der Baueinheit in einer Darstellung vereinigt. Bei der einen Ausführungsform ist jede Kühlrippe 22 mit dem Deckel 8 verbunden (stoffschlüssig) und bei der anderen Ausführungsform sind die Kühlrippen 22 mittels einer Stegplatte 24 untereinander verbunden, wobei die Stegplatte 24 beispielsweise stoffschlüssig mit dem Deckel 8 verbunden sein kann. D.h. bei der zweiten Ausführungsform ist die Kühlrippenanordnung 14 stoffschlüssig mit dem Deckel 8 verbunden.

In Figur 3 ist ein geöffneter Flüssigkeitskühlkörper 2 dargestellt, dabei sind wieder die gleichen Bezugszeichen wie für funktionsgleiche Teile in den Figuren 1 und 2 verwendet. Die Kammer 4 weist eine Eingangsöffnung 26 und eine Ausgangsöffnung 28 auf, die jeweils in der Seitenwand 10 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Eingangs- und die Ausgangsöffnung und 28 sind jeweils mit einem Stutzen 30 für die Zu- und Ableitung des Kühlmediums versehen. Die Stutzen 30 sind beispielsweise mit der Seitenwand 10 der Kammer 4 hart verlötet.

Die Kühlrippenanordnung 12 und 14, von denen in dieser Figur nur die Kühlrippenanordnung 12 zu sehen ist, ist derart ausgebildet, daß vor jeder Öffnung 26 und 28 sich ein Freiraum 32 und 34 bildet. Die beiden Öffnungen 26 und 28 schließen höchstens einen Winkel von 180° ein. Dieser Winkel kann solange verkleinert werden, solange sich vor jeder Öffnung 26 bzw. 28 der Freiraum 32 bzw. 34 befindet. Außerdem können die Öffnungen 26 und 28 mit den Stutzen 30 auch in verschiedenen Ebenen

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angeordnet sein. Die durch die benachbarten Kühlrippen 16 gebildeten Kühlkanäle 20 sind eingangs- oder ausgangsseitig von der Seitenwand 10 verschlossen. Der Freiraum 32 wird auch Verteilerraum genannt, weil das Kühlmedium, zugeführt durch den Stutzen 30 und der Öffnung 26 auf die Kühlkanäle 20 verteilt wird. Der Freiraum 34 wird auch Sammelraum genannt, weil das Kühlmedium, das durch die Kühlkanäle 20 der unteren Kühlrippenanordnung 12 und/oder den Kühlkanälen 22 der oberen Kühlrippenanordnung 14, die in dieser Darstellung nicht gezeigt werden kann, fließt, gesammelt wird, bevor es über die Öffnung 28 und den Stutzen abgeführt wird.

Die Figur 4 zeigt einen Flüssigkeitskühlkörper 2, der sich von der eben beschriebenen Darstellung nur dadurch unterscheidet, daß der,Deckel 6 der Kammer 4 mit einer Isolierschicht 36 versehen ist, die elektrisch isolierend und thermisch leitend ist. Das wärmeerzeugende, scheibenförmige Bauelement ist dann mit mindestens einer wärmeaustauschenden Fläche mit dieser Isolierschicht 36 im Kontakt. Diese Darstellung soll lediglich den Durchfluß des Kühlmediums - gekennzeichnet durch Pfeile - veranschaulichen. Dabei kennzeichnen die ausgezogenen Pfeile innerhalb der Kühlrippen den Weg des Kühlmediums vom Verteilerraum zum Sammelraum 34 in den Kühlkanälen 20 der unteren Kühlrippenanordnung 12 und die unterbrochenen Pfeile den Weg des Kühlmediums in den Kühlkanälen 22 der oberen Kühlrippenanordnung 14. Bei diesen gekennzeichneten Wegen wechselt das Kühlmedium fünfmal die Kühlkanäle 20 und 22. Wann gewechselt wird, bleibt dem Zufall überlassen. Beim Wechsel vom Kühlkanal 20 zum Kühlkanal 22 und umgekehrt ändert sich auch die Richtung um 90°, d.h., das Kühlmedium durchfließt die Kammer 4 des Flüssigkeitskühlkörpers 2 nicht nur mäanderförmig, sondern auch zickzackförmig.

Claims

91 G 3 0 26 OE Schutzansprüche

1. Flüssigkeitskühlkörper (2) zum Kühlen von wärmeerzeugenden, scheibenförmigen Bauelementen, der aus einer von der Eingangszur Ausgangsöffnung (26, 28) mit einem Kühlmedium durchflossenen Kammer (4) besteht, die aus zwei Deckeln (6, 8) und einer Seitenwand (10) besteht, wobei die Kammer (4) mit mindestens einer wärmeaustauschenden Fläche des wärmeerzeugenden Bauelementes in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kammer (4) zwei Kühlrippenanordnungen (12, 14) derart enthält, daß die Stirnflächen deren Kühlrippen (16, 18) sich gegenseitig abstützen, daß deren Kühlrippen (16, 18) jeweils mit einer Hauptflußrichtung einen Winkel von mindestens 45° und zueinander einen Winkel von mindestens 90° einschließen, daß vor jeder Öffnung (26, 28) sich ein Freiraum (32, 34) bildet, daß jeweils die durch benachbarte Kühlrippen (16, 18) einer Kühlrippenanordnung (12, 14) gebildeten Kühlkanäle (20, 22) eingangs- oder ausgangsseitig von der Seitenwand (10) abgeschlossen sind und daß die Kühlrippenanordnungen (12, 14) jeweils mit einem Deckel (6, 8) wärmeleitend verbunden sind.

2. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlrippenanordnung (12, 14) und ein Deckel (6, 8) jeweils eine Baueinheit bilden.

3. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlrippenanordnung (12, 14), ein Deckel (6, 8) und die Seitenwand (10) eine Baueinheit bilden.

4. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach Anspruch 1 und 2, d adurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Baueinheit und eine Hälfte der Seitenwand (10) eine Halbschale des Flüssigkeitskühlkörpers (2) bilden.

5. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Öffnungen (26, 28) in verschiedenen Ebenen liegen.

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6. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Öffnungen (26, 28) einen Winkel von höchstens 180° einschließen.

7. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (4) des Flüssigkeitskühlkörpers (2) eine Dosenform hat.

8. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer

(4) des Flüssigkeitskühlkörpers (2) eine Quaderform hat.

9. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmedium ,ungereinigtes Brauchwasser vorgesehen ist.

10. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kammer (4) und der wärmeaustauschenden Fläche des wärmeerzeugenden Bauelementes eine elektrisch isolierende, thermisch leitende Isolierschicht (36) angeordnet ist.

11. Flüssigkeitskühlkörper (2) nach Anspruch 10, dad u r c h gekennzeichnet, daß als Isolierschicht (36) eine Keramikplatte vorgesehen ist.