DE10017971A1 - Kühlvorrichtung zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mit einem Mikrowärmeübertrager - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines durch einen in gutem Wärmekontakt mit dem Bauelement (1) stehenden Mikrowärmeübertrager (10) strömenden Kältemittels, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel so gewählt ist, dass es bei der gewünschten Bauelementetemperatur im Mikrowärmeübertrager (10) verdampft (Figur 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungselektronik mittels eines durch einen in gutem Wärmekontakt mit dem Bauelement stehenden Mikrowärmeübertrager strömenden Kältemittels.

Eine derartige Kühlvorrichtung ist in INT. J. Heat Mass Transfer, Band 37, Nr. 2, Seiten 321-332, 1994, von M. P. Bowers und I. Mudawar mit dem Titel "High flux boiling in low flow rate, low pressure drop mini-channel and micro­ channel heat sinks" beschrieben worden.

Allgemein werden derzeit Bauelemente oder Baugruppen der Leistungselektronik, wie z. B. Pulswechselrichter, vor­ wiegend mit Hilfe von massiven Kühlkörpern aus Aluminium oder Kupfer gekühlt. Dabei erfolgt die Wärmeabfuhr mit Kühlflüssigkeit, die durch Bohrungen in den Kühlkörpern geleitet wird.

Alternativ dazu ist bei Leistungselektronikbauelementen die Wärmeabfuhr durch Siedebadkühlung bekannt. Dabei wird die Wärme durch Verdampfung einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit abgeführt, die jeweils in direktem Kontakt mit den Bauteilen steht.

Die bisher eingesetzten Verfahren zur Kühlung von Leistungselektronikbauelementen haben Nachteile, die bei den massiven Kühlkörpern, die z. B. 30 mm dick sind, durch eine großes Bauvolumen und Gewicht bedingt sind. Aufgrund der begrenzten Kühlwirkung solcher massiver Kühlkörper führen große Verlustwärmeströmungen der Leis­ tungselektronikbauteile zu einem deutlichen Anstieg der Bauteiltemperaturen. Hohe Bauteiltemperaturen bewirken einen schlechteren Wirkungsgrad der elektronischen Bau­ teile und können zur Zerstörung derselben führen.

Bei der Siedebadkühlung stehen die Bauteile in direktem Kontakt mit der wärmeübertragenden Flüssigkeit. Dabei werden üblicherweise Fluor-Kohlenwasserstoffe eingesetzt. Die Verwendung dieser Kältemittel macht umfangreiche Abdichtungsmaßnahmen notwendig, da mit der Änderung der Temperatur auch der Dampfdruck der Flüssigkeit in mehreren Bar variiert. Weiterhin werden die Komponenten der Leistungselektronik im Kraftfahrzeug aufgrund der hohen mechanischen Belastungen zur besseren Stabilität mit Materialien, wie Silikonkautschukmasse, vergossen. Dies ist beim Einsatz der Siedebadkühlung nur eingeschränkt möglich.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung insbesondere zur Kühlung von Bauelementen der Leistungs­ elektronik so anzugeben, dass große Wärmeströme auf einer kleinen Fläche bei niedrigen Temperaturen und geringem Gewicht des eingesetzten Wärmeübertragers unter Einsatz kleiner Kältemittelmengen abführbar sind, wobei kein Kontakt zwischen Kältemittel und Elektronikbauteilen besteht.

Kern der Erfindung ist die Kombination des Phasen­ übergangs, z. B. bei der Verdampfungskühlung, zur Kühlung der Leistungselektronikbauelemente mit dem Einsatz eines Mikrowärmeübertragers. Mikrowärmeübertrager sind Gebilde, in denen sich Kanalanordnungen mit sehr kleinen Abmes­ sungen im Submillimeterbereich, befinden.

Der Einsatz eines Mikrowärmeübertragers bietet mehrere Vorteile:

• - Kleine Abmessungen verbunden mit geringem Gewicht,
• - Große wärmeübertragende Fläche der Kanäle für das Kältemittel und dadurch gute lokale Kühlung der Elektronikbauteile.

Üblicherweise erfolgt die Wärmeabfuhr in Mikrowärme­ übertragern durch Wärmeübergang an eine durchströmende Flüssigkeit.

Entscheidende Vorteile ergeben sich durch die Durch­ strömung des Mikrowärmeübertragers mit einem geeigneten Kältemittel, das bei der gewünschten Bauteiletemperatur verdampft. Mikrowärmeübertrager besitzen durch ihre Viel­ zahl von durchströmten Kanälen eine große Wärmeübertra­ gungsfläche und sind somit in der Lage, wenn sie von einem geeigneten Kältemittel durchströmt werden, sehr große Wärmeströme bei der gewünschten Temperatur abzuführen. Weiterhin ist die Temperaturdifferenz entlang der Kühlkanäle geringer als bei einphasiger konvektiver Wärmeübertragung, da ein großer Teil der Wärme bei der Phasenübergangstemperatur übertragen wird. Somit stellen sich auch im Bereich der zu kühlenden Bauelemente gleichmäßige Temperaturverteilungen ein. Aufgrund ihrer geringen Kanaldurchmesser sind Mikrowärmeübertrager für den Einsatz bei hohen Drücken geeignet. Außerdem sind Dichtungsprobleme einfacher als bei der Siedebadkühlung zu lösen.

Zeichnung

Eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung wird nachstehend in Ausführungsbeispielen bezugnehmend auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch im Schnitt ein erstes Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;

Fig. 2 schematisch im Schnitt ein zweites Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und

Fig. 3 schematisch im Schnitt ein drittes Ausführungs­ beispiel einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.

Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 bis 3 sind drei Varianten einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zur Kühlung von Bau­ elementen der Leistungselektronik dargestellt.

Bei einem in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist ein Mikrowärmeübertrager 10 auf der Rückseite eines isolierenden Schaltungsplattensubstrats 2 einem zu kühlenden Bauteil 1 gegenüber angeordnet, das auf der Vorderseite des Substrats 2 über eine elektrische und thermische Kontaktierung 6 und eine Lotschicht 5 mit dem Schaltungsplattensubstrat 2 verbunden ist. In dem Leistungselektronikbauelement 1 wird ein Wärmestrom frei, der über das Lot 5, die elektrische und thermische Kontaktierung 6 und das Schaltungsplattensubstrat 2 (kurz Platine) an den Mikrowärmeübertrager 10 abgegeben wird.

Dem Mikrowärmeübertrager 10 wird flüssiges Kältemittel, das geringfügig unterkühlt ist, zugeführt. Das Kälte­ mittel erwärmt sich zunächst auf Siedezustand und beginnt dann, in den Kanälen des Mikrowärmeübertragers 10 zu sieden. Dabei spricht man auch von Strömungssieden einer gesättigten Flüssigkeit.

Eine Alternative ist das Strömungssieden einer als Kältemittel dienenden unterkühlten Flüssigkeit. Hierbei tritt die unterkühlte Flüssigkeit in den Mikrowärme­ übertrager 10 ein und es bilden sich Blasen, die jedoch im Gegensatz zum Strömungssieden gesättigter Flüssig­ keiten entweder schon an der Wand oder in unmittelbarer Wandnähe kollabieren. Der hierbei auftretende verbesserte Wärmeübergang ist auf gleichzeitiges Verdampfen und Kondensieren sowie auf eine verstärkte Turbulenz in der wandnahen Flüssigkeit stromabwärts von Blasenentstehungs­ punkt zurückzuführen.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, bei der ein Mikro­ wärmeübertrager 11 direkt auf und über dem zu kühlenden Bauelement (z. B. Chip) 1 angeordnet ist. Auch dieses Bau­ element 1 ist über eine Lotschicht 5 und eine elektrische und thermische Kontaktierung 6 mit einer isolierenden Platine 2 verbunden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Ein Mikrowärmeübertrager 12 ist direkt im Schaltungsplatten­ substrat 3 integriert, und zwar so, dass die Mikrokanäle des Mikrowärmeübertragers 3 in der Substratebene verlaufen und dem zu kühlenden Bauteil 1 bzw. dessen elektrischer und thermischer Kontaktierung 6 benachbart verlaufen.

Es ist ausdrücklich zu bemerken, dass auch Kombinationen der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele möglich und sinnvoll sein können, d. h., dass dann der Mikrowärmeübertrager in einzelne Abschnitte aufgeteilt sein kann, die dann jeweils die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Struktur und Lage haben können.

Das Kältemittel und der Systemdruck, bei dem sich der entsprechende Verdampfungsvorgang einstellt, werden so gewählt, dass der Wärmestrom aus den elektrischen Bauteilen abgeführt und die maximal zulässige Temperatur im Bereich des Bauteils bzw. Chips nicht überschritten wird. Im Fall des Strömungssiedens verdampft ein Großteil des zugeführten Kältemittels, wird nachfolgend konden­ siert und tritt anschließend wieder in den Mikrowärme­ übertrager ein. Ein (nicht gezeigter) Kondensator, der zur Kondensierung des aus dem Mikrowärmeübertrager tretenden verdampften Kältemittels dient, kann mikro­ strukturiert oder konventionell aufgebaut sein, und ist zentral oder dezentral angeordnet. Der Rücktransport des im Kondensator kondensierten Kältemittels kann aktiv über eine (nicht gezeigte) Pumpe oder passiv über Schwerkraft oder über Kapillarleitungen in den Mikrowärmeübertrager erfolgen.

Bedingt durch die kleinen Volumina in den Kanälen des Mikrowärmeübertragers sind sowohl für den Fall des Strömungssiedens einer gesättigten als auch einer unterkühlten Flüssigkeit nur geringe Mengen an Kälte­ mittel erforderlich.

Claims (10)

1. Kühlvorrichtung, insbesondere zur Kühlung von Bau­ elementen der Leistungselektronik mittels eines durch einen in gutem Wärmekontakt mit dem Bauelement stehenden Mikrowärmeübertrager strömenden Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel so gewählt ist, dass es bei der gewünschten Bauelementetemperatur im Mikro­ wärmeübertrager verdampft.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Mikrowärmeübertrager (10) auf der Rückseite eines das Leistungselektronikbauelement (1) auf seiner Vorderseite tragenden Schaltungsplattensubstrats (2) dem Bauelement gegenüberliegend angeordnet ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Mikrowärmeübertrager (11) direkt auf und über dem Bauelement (1) angeordnet ist.

4. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Mikrowärmeübertragers (10, 11) an die Abmessungen des Bauelements (1) angepasst sind.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Mikrowärmeübertrager (12) in einem das Bauelement tragenden Schaltungsplattensubstrat (3) dem Bauelement (1) benachbart so angeordnet ist, dass das Kältemittel das Substrat (3) in der Substratebene durch­ strömt.

6. Kühlvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowärmeübertrager (10, 11, 12) in mehrere Abschnitte unterteilt ist, die jeweils auf der Rückseite des das Bauelement auf seiner Vorderseite tragenden Schaltungs­ plattensubstrats und/oder direkt auf und über dem Bau­ element und/oder in dem das Bauelement tragenden Schaltungsplattensubstrat liegen.

7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowärmeübertrager Element eines Kältemittelkreises ist.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass in dem Kältemittelkreis dem Mikrowärme­ übertrager in Strömungsrichtung ein Kondensator für das im Mikrowärmeübertrager verdampfte Kältemittel nachge­ schaltet ist.

9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücktransport des Kältemittels zum Mikrowärmeübertrager aktiv durch eine im Kältemittel­ kreis angeordnete Pumpe erfolgt.

10. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Struktur und Anordung des Mikrowärmeübertragers, das Kältemittel und der Systemdruck so gewählt sind, dass eine maximal zulässige Temperatur des zu kühlenden Bauelements nicht überschritten wird.