CH685140A5

CH685140A5 - Cooling device for electrical components.

Info

Publication number: CH685140A5
Application number: CH2929/92A
Authority: CH
Inventors: Alexander Dipl-Ing Prokopp
Original assignee: Behr Industrietech Gmbh & Co
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1995-03-31
Also published as: ITMI922105A0; FR2681757B1; DE4131739A1; DE4131739C2; FR2681757A1; ITMI922105A1; IT1255588B

Description

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CH 685 140 A5 CH 685 140 A5

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Beschreibung description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung. The invention relates to a cooling device for electrical components, the type specified in the preamble of claim 1.

Aus der DE-A 3 908 996 ist ein flüssigkeitsdurch-strömter Kühlkörper für Halbleiterbaueiemente bekannt, der Kühlkanäle enthält, die sich mäanderför-mig von einem Zulaufanschluss zu einem Ablaufan-schluss erstrecken. Der Kühlkörper hat die Form eines Quaders und besteht aus Kunststoff oder Keramik. Trotz des mäanderförmigen Verlaufs der Kühlkanäle ist die von der Kühlflüssigkeit berührte Oberfläche begrenzt und auch die vorgeschlagenen Werkstoffe (Kunststoff oder Keramik) ermöglichen lediglich eine begrenzte Wärmeabfuhr. DE-A 3 908 996 discloses a heat sink for semiconductor components through which liquid flows and which contains cooling channels which extend in a meandering fashion from an inlet connection to an outlet connection. The heat sink has the shape of a cuboid and is made of plastic or ceramic. Despite the meandering course of the cooling channels, the surface touched by the cooling liquid is limited and the proposed materials (plastic or ceramic) only allow limited heat dissipation.

Aus der DE-A 3 937 130 ist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von elektrischen Bauelementen bekannt, bei der eine innere Kühldose aus Metall mit einer Vielzahl paralleler Fluidkanäle versehen ist, die sich zwischen einem Kühlmittelzulauf und einem Kühlmittelablauf erstrecken. Die innere Kühldose befindet sich unter Zwischenfügung eines Isoliermantels in einer äusseren Dose, auf deren Oberfläche die elektrischen Bauelemente zwecks Wärmeabgabe zur Anlage gebracht werden. Bei der bekannten Kühldose ist zwar die vom Kühlfluid beaufschlagte Oberfläche grösser als bei den mäanderförmigen Kanälen; dieser Vorteil wird jedoch durch die Isolierschicht zwischen innerer und äusserer Kühldose zumindest teilweise kompensiert. Aus herstellungstechnischen Gründen müssen die Rippen zwischen den Kanälen eine bestimmte Dicke besitzen und ausserdem nimmt bei zunehmender Rippenzahl die Querschnittsfläche für den Kühlwasserdurchfluss ab, was eine Erhöhung des Druckabfalls zur Folge hat. A cooling device for cooling electrical components is known from DE-A 3 937 130, in which an inner cooling box made of metal is provided with a plurality of parallel fluid channels which extend between a coolant inlet and a coolant outlet. The inner cooling box is located with the interposition of an insulating jacket in an outer box, on the surface of which the electrical components are brought to the system for the purpose of dissipating heat. In the known cooling box, the surface exposed to the cooling fluid is larger than in the meandering channels; however, this advantage is at least partially compensated for by the insulating layer between the inner and outer cooling box. For manufacturing reasons, the ribs between the channels must have a certain thickness and, in addition, the cross-sectional area for the cooling water flow decreases as the number of ribs increases, which results in an increase in the pressure drop.

Aus der DE-A 3 504 207 ist ein Luft/Luft/Wärmetauscher für Elektronikschränke bekannt, bei dem zur Erzeugung einer möglichst grossen Wärmeübertragungsfläche ein Faltflächenprofil vorgesehen ist, das von dem Kühlluftstrom beaufschlagt ist. From DE-A 3 504 207 an air / air / heat exchanger for electronic cabinets is known, in which a folded surface profile is provided to generate the largest possible heat transfer surface, which is acted upon by the cooling air flow.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und eine grosse Wärmeübertragungsleistung gestattet. Diese Aufgabe wird bei einer Kühleinrichtung der genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemässen Kühleinrichtung sind insbesondere darin zu sehen, dass diese aus einfach gestalteten und leicht herstellbaren Teilen besteht, und dass bei einer grossen Wärmeübetragungsflä-che ein äusserst geringer Druckverlust in der Kühleinrichtung auftritt. It is the object of the present invention to provide a cooling device for electrical components of the type specified in the preamble of claim 1, which is simple in construction and allows a large heat transfer capacity. This object is achieved in a cooling device of the type mentioned by the characterizing features of claim 1. The main advantages of the cooling device according to the invention can be seen in particular in the fact that it consists of simply designed and easy-to-produce parts, and that with a large heat transfer surface there is an extremely low pressure loss in the cooling device.

Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Einlage quer zur Durchströmungsrichtung eine Vielzahl von Wellen auf, die sich in Durchströmungsrichtung lediglich über eine Teilstrecke der Länge des Hohlraums erstrecken, und mehrere Reihen solcher Wellen sind hintereinander liegend angeordnet, wobei jeweils nachfolgende Reihen gegenüber der vorhergehenden Reihe seitlich versetzt angeordnet ist. Durch diese Massnahme wird, ohne zusätzlichen Materialeinsatz und bei Aufrechterhaltung des freien Durchtrittsquerschnitts für die Kühlflüssigkeit, eine intensive Verwirbelung der Kühlflüssigkeit erzeugt. Diese Turbulenzen verhindern laminare Strömungen und gewährleisten so einen effizienten Wärmeübergang von dem metallischen Bauteil auf die Kühlflüssigkeit. Um den Wär-mefluss von dem metallischen Bauteil auf die Einlage zu erhöhen ist es zweckmässig, dass die Wellen etwa rechteckförmig oder trapezförmig ausgebildet sind. Dadurch wird die Anlagefläche der Einlage an dem metallischen Bauteil vergössert. Zur optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche in dem Hohlraum wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Reihen der Wellen unmittelbar aufeinanderfolgend ohne Abstand angeordnet sind. According to a preferred development of the invention, the insert has a plurality of waves transversely to the direction of flow, which extend in the direction of flow only over part of the length of the cavity, and a plurality of rows of such shafts are arranged one behind the other, with subsequent rows opposite the previous row is laterally offset. As a result of this measure, an intensive swirling of the cooling liquid is produced without additional material being used and while maintaining the free passage cross section for the cooling liquid. This turbulence prevents laminar flows and thus ensures efficient heat transfer from the metallic component to the coolant. In order to increase the heat flow from the metallic component to the insert, it is expedient for the waves to be approximately rectangular or trapezoidal. As a result, the contact surface of the insert on the metallic component is enlarged. For optimal use of the available space in the cavity, it is further proposed that the rows of shafts are arranged in direct succession without a gap.

Es ist ausserdem von Vorteil, dass die Einlage einstückig ist und aus einem Aluminiumblech besteht, das in guter wärmeleitender Verbindung mit dem metallischen Bauteil steht. Das Aluminiumblech besitzt vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,15 mm und die Teilstrecke beträgt etwa 2 mm bis 5 mm. Diese Massnahmen bzw. Abmessungen gewährleisten, dass der Druckabfall äusserst gering gehalten wird und eine Vielzahl von Verwirbelungsstellen zur Turbulenzerzeugung vorhanden sind. Zur guten Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Hohlraums sollte die Einlage sich über mehr als 90% der Fläche des Hohlraums erstrecken. Gemäss einer ersten Ausführungsvariante ist der Hohlraum durch eine Aussparung in einem der Bauteile gebildet und das andere Bauteil ist als ebene Platte ausgeführt, welche die Aussparung abdeckt. Zur Standardisierung der Bauteile besteht eine zweite Ausführungsvariante darin, dass beide Bauteile etwa gleich dick sind und jedes dieser Bauteile eine Aussparung besitzt, die gemeinsam den Hohlraum bilden. Die Tiefe beider Aussparungen zusammen entspricht dann der Höhe der Einlage. Der Zusammenbau bzw. die Verbindung der Teile kann auf verschiedene Arten erfolgen. Dabei wird als vorteilhaft angesehen, dass beide Bauteile aus dem gleichen Material bestehen und an ihren Rändern sowie mit der Einlage stoffschlüssig verbunden sind. Für Kühleinrichtungen bei denen das zweite Bauteil nicht aus Metall sein muss oder aus irgendwelchen Gründen ein metallischer Werkstoff ungeeignet ist, wird als zweckmässig angesehen, dass zwischen den Bauteilen, entlang des den Hohlraum umgebenden Randes, eine Dichtung angeordnet ist und die beiden Bauteile mechanisch miteinander verbunden sind. It is also advantageous that the insert is in one piece and consists of an aluminum sheet that is in good heat-conducting connection with the metallic component. The aluminum sheet preferably has a thickness of approximately 0.15 mm and the section is approximately 2 mm to 5 mm. These measures or dimensions ensure that the pressure drop is kept extremely low and that a large number of turbulence points are available for generating turbulence. In order to make good use of the available cavity, the insert should extend over more than 90% of the area of the cavity. According to a first embodiment variant, the cavity is formed by a cutout in one of the components and the other component is designed as a flat plate which covers the cutout. To standardize the components, a second embodiment variant consists in that both components are approximately of the same thickness and each of these components has a recess which together form the cavity. The depth of both recesses together then corresponds to the height of the insert. The parts can be assembled or connected in various ways. It is considered advantageous that both components consist of the same material and are integrally connected at their edges and with the insert. For cooling devices in which the second component does not have to be made of metal or for some reason a metallic material is unsuitable, it is considered expedient that a seal is arranged between the components, along the edge surrounding the cavity, and the two components are mechanically connected to one another are.

Die erfindungsgemässe Kühleinrichtung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert: The cooling device according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing:

In der Zeichnung zeigt: The drawing shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine mechanisch verbundene Kühleinrichtung; 1 shows a longitudinal section through a mechanically connected cooling device.

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 2 is a section along the line II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2; 3 shows a section along the line III-III in Fig. 2.

Fig. 4 eine Ausführungsvariante zu Fig. 1 mit stoffschlüssiger Verbindung der Bauteile; und 4 shows an embodiment variant of FIG. 1 with a material connection of the components; and

Fig. 5 bis Fig. 7 verschiedene Wellenformen der Einlage. Fig. 5 to Fig. 7 different waveforms of the insert.

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Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Kühleinrichtung 10, die als flacher Quader gestaltet ist und im wesentlichen aus zwei plattenförmigen Bauteilen 11 und 12 besteht. Sowohl das erste Bauteil 11 als auch das zweite Bauteil 12 bestehen aus metallischen Werkstoffen. Das erste Bauteil 11 ist mit einer Aussparung 18 versehen, durch die zwischen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12 - welches als ebene Platte gestaltet ist -ein Hohlraum 14 begrenzt wird, in dem eine Einlage 13 aus einem metallischen gewellten Band angeordnet ist. Die Einlage 13 ist an dem ersten Bauteil 11 angelötet. Entlang des Randes des Hohlraums 14 ist zwischen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12 eine Dichtung 15 vorgesehen, so dass der flüssigkeitsdurchströmte Hohlraum 14 gegen die Aussenseite abgedichtet ist. Das erste Bauteil 11 ist mit Gewindebohrungen 16 versehen, die zur Aufnahme von Schrauben 17 dienen, mit deren Hilfe das zweite Bauteil 12 an dem ersten Bauteil 11 mechanisch befestigt wird. Mit den Pfeilen Q ist die Wärmeeinwirkung auf die Kühleinrichtung 10 bezeichnet, wobei diese Wärme von auf der Oberfläche der Kühleinrichtung 10 montierten elektischen Bauteilen erzeugt wird. Fig. 1 shows a longitudinal section through a cooling device 10, which is designed as a flat cuboid and consists essentially of two plate-shaped components 11 and 12. Both the first component 11 and the second component 12 consist of metallic materials. The first component 11 is provided with a recess 18, through which a cavity 14 is delimited between the first component 11 and the second component 12, which is designed as a flat plate, in which an insert 13 made of a corrugated metallic band is arranged. The insert 13 is soldered to the first component 11. A seal 15 is provided along the edge of the cavity 14 between the first component 11 and the second component 12, so that the cavity 14 through which liquid flows is sealed off from the outside. The first component 11 is provided with threaded bores 16 which serve to receive screws 17, with the aid of which the second component 12 is mechanically fastened to the first component 11. Arrows Q denote the action of heat on the cooling device 10, this heat being generated by electrical components mounted on the surface of the cooling device 10.

In Fig. 2 ist die flächenmässige Ausdehnung der Aussparung 18 im ersten Bauteil 11 der Kühleinrichtung 10 erkennbar, wobei an den jeweiligen Schmalseiten des ersten Bauteiles 11 die Anschlüsse für eine Kühlmittelleitung angeordnet sind. Mit dem Bezugszeichen 22 ist ein Zulaufanschluss und mit dem Bezugszeichen 23 ein Ablaufanschluss bezeichnet In dem durch die Aussparung 18 gebildeten Hohlraum befindet sich die Einlage 13, die aus einem gewellten Metallblech 25 besteht. Die Wellen verlaufen dabei quer zur Durchströmungsrichtung des Kühlfluids, wobei - in Strömungsrichtung gesehen - diese Wellenanordnung lediglich über eine Teilstrecke s der Gesamtlänge I des Hohlraums 14 reicht. Weil die Teilstrecke s pro Reihe 20, 21 relativ klein gegenüber der Länge I ist, umfasst das gewellte Metallblech 25 eine Vielzahl von Reihen 20, 21, wobei jedoch jeweils aufeinanderfolgende Reihen seitlich gegeneinander versetzt sind. Die Einlage 13 weist zu den stirnseitigen Rändern der Aussparung 18 jeweils einen Abstand a auf, was einer günstigen Verteilung der Kühlflüssigkeit über die gesamte Breite der Aussparung 18 dient. 2 shows the areal expansion of the recess 18 in the first component 11 of the cooling device 10, the connections for a coolant line being arranged on the respective narrow sides of the first component 11. The reference numeral 22 denotes an inlet connection and the reference numeral 23 denotes an outlet connection. The insert 13, which consists of a corrugated metal sheet 25, is located in the cavity formed by the recess 18. The waves run transversely to the direction of flow of the cooling fluid, whereby - viewed in the direction of flow - this shaft arrangement only extends over a partial distance s of the total length I of the cavity 14. Because the section s per row 20, 21 is relatively small compared to the length I, the corrugated metal sheet 25 comprises a plurality of rows 20, 21, but successive rows are laterally offset from one another. The insert 13 is at a distance a from the front edges of the recess 18, which serves for a favorable distribution of the cooling liquid over the entire width of the recess 18.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2. Es wird daraus deutlich, dass die in der Aussparung 18 des ersten Bauteils 11 befindliche Einlage 13 eine quer zur Durchströmungsrichtung verlaufende Wellung aufweist, wobei diese Wellung rechteckförmig ist. FIG. 3 shows a section along the line III-III in FIG. 2. It is clear from this that the insert 13 located in the recess 18 of the first component 11 has a corrugation which runs transversely to the direction of flow, this corrugation being rectangular.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Kühleinrichtung 30 gezeigt, die aus einem ersten Bauteil 31, das eine sich annähernd über die gesamte Länge erstreckende Aussparung 33 besitzt und einer ebenen Platte 32 als zweites Bauteil besteht. Die Aussparung 33 bildet zwischen dem ersten Bauteil 31 und der ebenen Platte 32 einen Hohlraum 34 in dem sich die Einlage 13 befindet, die nahezu über die gesamte Länge des Hohlraums 34 reicht. In den Hohlraum 34 mündet auf einer Seite des ersten Bauteils 31 ein Zulaufanschluss 35 FIG. 4 shows a further embodiment of a cooling device 30, which consists of a first component 31, which has a recess 33 that extends almost over the entire length and a flat plate 32 as the second component. The recess 33 forms between the first component 31 and the flat plate 32 a cavity 34 in which the insert 13 is located, which extends almost over the entire length of the cavity 34. An inlet connection 35 opens into the cavity 34 on one side of the first component 31

und am anderen Ende des Hohlraums 34 befindet sich in dem ersten Bauteil 31 ein Ablaufanschluss 36. Die Bauteile 31 und 32 sowie die Einlage 13 bestehen aus Aluminium und sind an ihren Anlageflächen jeweils miteinander verlötet. and at the other end of the cavity 34 there is a drain connection 36 in the first component 31. The components 31 and 32 and the insert 13 are made of aluminum and are soldered to one another on their contact surfaces.

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt der Einlage 13 - in Kühlmittelströmungsrichtung gesehen - vergrössert dargestellt. Die Einlage besteht aus einem gewellten Metallblech 25, wobei die Wellung annähernd senkrechte Flanken 26 und ebene Amplituden 27 umfasst. Die mit Schraffur dargestellte Wellung entspricht der ersten Reihe 20 der Wellen, wobei die nachfolgende Reihe 21 der Wellen gegenüber der Reihe 20 seitlich versetzt angeordnet ist, was durch die in gleicher Weise gestalteten Flanken 26* und Amplituden 27* dargestellt, ist. 5 shows a detail of the insert 13 - seen in the coolant flow direction - enlarged. The insert consists of a corrugated metal sheet 25, the corrugation comprising approximately vertical flanks 26 and flat amplitudes 27. The corrugation shown with hatching corresponds to the first row 20 of the waves, the subsequent row 21 of the waves being arranged laterally offset from the row 20, which is represented by the flanks 26 * and amplitudes 27 * designed in the same way.

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt einer vergrösserten Darstellung von einer weiteren Ausführungsform der Einlage 13, die in diesem Fall V-förmig angeordnete Flanken und kuppenförmige Amplituden besitzt. Auf den seitlichen Versatz, bzw. auf die Anordnung einzelner Reihen von Wellen wurde hierbei verzichtet. FIG. 6 shows a section of an enlarged representation of a further embodiment of the insert 13, which in this case has V-shaped flanks and dome-shaped amplitudes. The lateral offset or the arrangement of individual rows of shafts has been omitted.

Fig. 7 zeigt eine ähnlich gestaltete Einlage 13 wie Fig. 5, die ebenfalls aus einem Metallblech 25 besteht. Im Gegensatz zur Fig. 5 ist jedoch die Wellenform trapezförmig, d.h. zwischen eben verlaufenden Amplituden 27 befinden sich schräg verlaufende Flanken 26. FIG. 7 shows a similarly designed insert 13 as in FIG. 5, which likewise consists of a metal sheet 25. In contrast to Fig. 5, however, the waveform is trapezoidal, i.e. there are obliquely running flanks 26 between amplitudes 27 running flat.

Claims

1. Cooling device for electrical components with at least one liquid-flowed flat cavity and inlet and outlet connections, characterized in that the cavity (14, 34) is formed between two substantially plate-shaped components (11, 12; 31, 32), of which at least a first component (11, 31) consists of metal, and that an insert (13) having approximately the shape of a corrugated band is arranged in the cavity (14, 34).

2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the insert (13) transversely to the flow direction has a plurality of waves which extend in the flow direction only over a partial distance (s) of the length (I) of the cavity (14, 34) and a plurality of rows (20, 21) of such shafts are arranged one behind the other, the following row (21) being laterally offset from the previous row (20).

3. Cooling device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the waves are approximately rectangular or trapezoidal.

4. Cooling device according to claim 2, characterized in that the rows (20, 21) of the shafts are arranged in direct succession without a gap.

5. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the insert (13) is in one piece and consists of an aluminum sheet (25) which is in good heat-conducting connection with the metallic component (11, 31).

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6. Cooling device according to claim 5, characterized in that the aluminum sheet (25) has a thickness of about 0.15 mm.

7. Cooling device according to claim 2, characterized in that the section (s) is about 2 mm to 5 mm.

8. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the insert (13) extends over more than 90% of the area of the cavity (14, 34).

9. Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity (14, 34) is formed by a recess (18, 33) in the first component (11, 31) and the second component (12, 32) is a flat plate which covers the recess (18, 33).

10. Cooling device according to one of claims 1 to 8, characterized in that both components are approximately the same thickness and each of these components has a recess which together form the cavity.

11. Cooling device according to claims 1 and 5, characterized in that both components (31, 32) consist of the same material and are integrally connected at their edges and with the insert (13).

12. Cooling device according to one of claims 1 to 10, characterized in that a seal (15) is arranged between the components (11, 12) along the edge surrounding the cavity (14) and the two components (11, 12) mechanically with each other are connected.

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