DE102011121064A1

DE102011121064A1 - Kaskadierbares Kühlsystem

Info

Publication number: DE102011121064A1
Application number: DE102011121064A
Authority: DE
Inventors: Helmut Kunkel; Andreas Schreck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem mit mindestens einem Grundkörper 1, wobei die Oberseite des Grundkörpers 1 derart realisiert ist, dass ein elektronisches Leistungsbauteil 3 unmittelbaren Kontakt zu einem Kühlmittel hat, wenn dieses Leistungsbauteil 3 an der Oberseite des Grundkörpers 1 angeordnet wird, und wenn der Flüssigkeitsraum 13 mit dem Kühlmittel gefüllt wird. Im Flüssigkeitsraum 13 ist ein Verdrängungsmittel 11 für ein Kühlmittel angeordnet. Durch diese Maßnahme ist sowohl die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr als auch die Intensität der Wärmeabfuhr vom Leistungshalbleiter 3 gezielt regulierbar.

Description

Die Erfindung betrifft Kühlsysteme für Halbleiterbauelemente, insbesondere für Hochleistungs-Halbleiterbauelemente, mit einem ersten Grundkörper, auf dessen Oberseite ein elektronisches Leistungsbauteil angeordnet werden kann, und welcher einen Flüssigkeitsraum umschließt, wobei eine erste Zuflussöffnung für den Flüssigkeitsraum und eine erste Abflussöffnung für den Flüssigkeitsraum vorgesehen ist.
Halbleiterbauelemente erzeugen im Betrieb Wärme. Die dadurch bedingte Temperaturerhöhung ist bis zu definierten Grenzwerten zulässig. Wenn die Temperatur über diesen Grenzwert hinaus ansteigt kann dies jedoch nachteilige Folgen haben. Zum einen kann die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente herabgesetzt werden. Zum anderen kann sich auch der Wirkungsgrad einer Schaltung verringern, in der die Halbleiterbauelemente angeordnet sind.
Es ist bekannt Halbleiterbauelemente mit Kühleinrichtungen zu versehen. Während man für einfache Halbleiterbauelemente vielfach mit Kühlkörpern arbeitet, die gut wärmeleitend ausgebildet sind und einfach eine vergrößerte Abstrahlfläche für die Wärme in die Umgebung haben, benötigt man für Hochleistungs-Halbleiterbauelemente vielfach andere Kühlmaßnahmen.
Die DE 202 08 106 U1 zeigt eine solche Kühleinrichtung. Ein quaderförmiges Gehäuse weist an seiner Oberseite eine Öffnung auf, durch die ein Einsatz eingesetzt werden kann, der zur Verteilung einer Kühlflüssigkeit dient, die durch Öffnungen zu- und abgeführt wird, die in einer Seitenwand des Gehäuses angeordnet sind. Die Öffnung wird unter Zwischenlage einer Dichtung von einem Deckel verschlossen. Der Deckel bildet den Träger für die Halbleiterbauelemente.
Die US 5 841 634 zeigt eine weitere Kühleinrichtung für Halbleiterbauelemente mit einem quaderförmigen Gehäuse, das einen im wesentlichen quadratischen Grundriß aufweist. Die Umfangswände des Gehäuses sind gestuft. Auf einem dadurch gebildeten Absatz liegt ein Verteilerelement auf, das durch eine an der Oberseite des Gehäuses gebildete Öffnung eingesetzt ist. Diese Öffnung wird durch einen Deckel verschlossen, der einen etwas nach innen versetzten bandartigen Flansch aufweist, der eine längere Überdeckung mit der Umfangswand des Gehäuses bildet.
Die DE 196 43 717 A1 zeigt eine Flüssigkeits-Kühlvorrichtung für ein Hochleistungshalbleitermodul. Die Kühlvorrichtung weist ein quaderförmiges Gehäuse auf, auf dessen Oberseite Halbleitermodule angeordnet sind. Von dieser Oberseite stehen dort, wo die Halbleitermodule angeordnet sind, Zapfengruppen vor. Auch eine Zwischenwand steht von der die Oberseite des Gehäuses bildenden Wand nach innen vor. An der Unterseite ist ein Deckel angeordnet, der das Gehäuse verschließt. Durch den so gebildeten Hohlraum läßt sich ein Kühlmittel leiten. Zum Ein- und Austritt des Kühlmittels sind Anschlußstutzen in einer Seitenwand vorgesehen.
Die Verwendung einer Flüssigkeit zur Kühlung von Halbleitern hat den Vorteil, daß die Wärmeabfuhr in der Regel besser und wirksamer ist als bei der Verwendung eines gasförmigen Kühlmittels. Allerdings bedingt die Verwendung einer Kühlflüssigkeit einen erhöhten baulichen Aufwand. Man muß dafür Sorge tragen, daß der Kühlmittelraum außen abgedichtet ist. Ein Übertritt einer Kühlflüssigkeit zu den elektrischen Komponenten ist in der Regel unerwünscht, weil er zu gefährlichen Situationen führen und die Halbleiterbauelemente zerstören kann.
Zur Optimierung der Kühlwirkung ist es erforderlich, dass das am Halbleiterbauelement vorbei strömende Kühlmittel einen möglichst hohen Wärmeabtrag gewährleistet.
Die Erfindung schlägt daher eine Lösung basierend auf einem Eingangs erwähnten Kühlsystem vor, wobei die Oberfläche des Grundkörpers derart realisiert ist, dass ein elektronisches Leistungsbauteil unmittelbaren Kontakt zu einem Kühlmittel hat, wenn dieses an der Oberfläche angeordnet wird und wenn der Flüssigkeitsraum mit dem Kühlmittel gefüllt wird und wobei im Flüssigkeitsraum ein Verdrängungsmittel für ein Kühlmittel angeordnet ist.
Der Vorteil dieser Maßnahme liegt darin, dass im Bereich des Überströmens zwischen der Zuflussöffnung und der Abflussöffnung die Flüssigkeit am Halbleiterbauelement vorbeiströmt, wobei mittels des Verdrängungsmittels gleichzeitig die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussbar ist, wodurch insgesamt der Wärmeabtrag vom Halbleiterbauelement erhöht wird.
Vorteilhafterweise wird das Verdrängungsmittel möglichst zwischen der ersten Zuflussöffnung und der ersten Abflussöffnung angeordnet, dadurch ist gewährleistet, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit am effektivsten beeinflussen lässt. Insgesamt ist das Verdrängungsmittel also derart optimiert, dass es der Beeinflussung der Strömungsrichtung und/oder der Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels dient.
Das Verdrängungsmittel kann auch so ausgebildet sein, dass der Abstand zwischen den den Flüssigkeitsraum begrenzenden Flächen zumindest abschnittsweise unterschiedlich ausfällt. Dadurch kann der Kühlmittelfluss optimiert werden, je nachdem welcher Wärmeabtrag gefordert ist, um das Halbleiterbauelement optimal zu kühlen. Abgesehen vom Abstand sind sämtliche Abmessungen des Verdrängungsmittels variabel gestaltbar, also auch dessen Breite und Länge innerhalb des Kühlmittelraumes. Daneben ist es auch denkbar die Oberfläche beispielsweise mit Noppen, Stegen oder dergleichen zu versehen, um den Weg des Kühlmittels und dessen Strömungsgeschwindigkeit noch weiter zu beeinflussen.
Vorzugsweise ist das Verdrängungsmittel derart realisiert, dass es aus mehreren Zellen gebildet wird, wobei jede Zelle einen separaten Flüssigkeitseinlass und einen separaten Flüssigkeitsauslass aufweist. Hierdurch erreicht man Turbulenzen beim Flüssigkeitstransport, welche den Wärmeabtransport weiter verbessern.
Die Zuflussöffnungen und die Abflussöffnungen sind zueinander gegenüberliegend oder zueinander versetzt am Grundkörper angeordnet, was die Flexibilität bei der Anordnung des Grundkörpers beispielsweise innerhalb eines Gerätegehäuses erhöht. Die Zuflussöffnungen und die Abflussöffnungen können aber auch an der Rückseite des Grundkörpers zusätzlich oder alternativ zu den Zuflussöffnungen und Abflussöffnungen an den Seitenwänden des Grundkörpers angeordnet sein. Bei einer rückwärtigen Anordnung wären diese dann nebeneinander angebracht.
Vorzugsweise ist die Zuflussöffnung und/oder die Abflussöffnung mittels eines rohrartigen Anschlusses realisiert, so dass gängige Verrohrungen genutzt werden können. Am Grundkörper sind hierzu zusätzlich erste und zweite Ausnehmungen vorgesehen, welche derart bemessen sind, dass diese den rohrförmigen Anschluss aufnehmen können.
Vorteilhafterweise wird ein kaskadiertes Kühlsystem aufgebaut, wobei ein zweiter Grundkörper vorgesehen ist, dessen erste Ausnehmung mit der Abflussöffnung des ersten Grundkörpers verbunden ist und dessen Zuflussöffnung mit der zweiten Ausnehmung des ersten Grundkörpers verbunden ist, so dass zwischen den Flüssigkeitsräumen beider Grundkörper ein Flüssigkeitsaustausch ermöglich wird. Hierdurch können Halbleiterbauelemente großflächig bei geringster Raumbeanspruchung gekühlt werden.
Idealerweise ist in der Zuflussöffnung und/oder in der Abflussöffnung ein Dichtmittel vorgesehen, welches den Durchfluss einer Flüssigkeit zwischen beiden Grundkörpern verhindert oder hemmt, wodurch der Weg der Flüssigkeit innerhalb des Kühlsystems vorbestimmt und kanalisiert werden kann. Eine Vielzahl von Grundkörpern kann derart miteinander verbunden werden.
1 zeigt einen Grundkörper perspektivisch
2 zeigt eine erste Seitenansicht des Grundkörpers
3 zeigt eine Draufsicht auf mehrere miteinander verbundene Grundkörper
4 zeigt mittels seitlichen Anschlüssen kaskadierte Grundkörper
5 zeigt zwei mittels rückseitigen Anschlüssen kaskadierte Grundkörper
6 zeigt drei mittels rückseitigen Anschlüssen kaskadierte Grundkörper
7 zeigt eine mögliche Realisierung des Flüssigkeitsraumes
8 zeigt die parallel geschaltete Kanalisierung des Kühlmittels innerhalb eines kaskadierten Systems
9 zeigt die in Reihe geschaltete Kanalisierung des Kühlmittels innerhalb eines kaskadierten Systems
In 1 ist der Grundkörper 1 zu sehen, auf dessen Oberseite ein elektronisches Leistungsbauteil angeordnet werden kann, und welcher einen Flüssigkeitsraum 13 umschließt, wobei eine erste Zuflussöffnung 5a für den Flüssigkeitsraum 13 und eine erste Abflussöffnung 5b für den Flüssigkeitsraum 13 vorgesehen ist. Die Oberseite des Grundkörpers 1 ist derart realisiert, dass ein elektronisches Leistungsbauteil unmittelbaren Kontakt zu einem Kühlmittel hat, wenn dieses an der Oberseite angeordnet wird, und wenn der Flüssigkeitsraum 13 mit dem Kühlmittel gefüllt wird. Im Flüssigkeitsraum 13 ist auch ein Verdrängungsmittel 11 für ein Kühlmittel angeordnet. Die Bezugszeichen 5c und 5d stellen weitere Anschlüsse dar. Bezugszeichen 6 deutet Rillen mit Dichtmitteln wie O-Ringen an. Die Lasche 8 ermöglichst die Befestigung des Grundkörpers 1 an einer Unterlage, beispielsweise an einer Maschine. Die Zuflussöffnung 5a und die Abflussöffnung 5b sind einander gegenüberliegend am Grundkörper 1 angeordnet. Die Zuflussöffnung 5a und/oder die Abflussöffnung 5b ist mittels eines rohrartigen Anschlusses realisiert. Am Grundkörper 1 sind erste und zweite Ausnehmungen 5c, 5d vorgesehen, welche derart bemessen sind, dass diese die Zuflussöffnung 5a und die Abflussöffnung 5b eines gegebenenfalls weiteren baugleichen Grundkörpers 1 aufnehmen können. Im Bereich des Überströmens 11 zwischen Einlass und Auslass 5a, b, c, d sollte die Flüssigkeit eine möglichst große Kontaktfläche mit dem zu kühlenden Element haben.
2 zeigt eine Schnittansicht durch den Grundkörper 1. Deutlich zu sehen ist, dass im Flüssigkeitsraum 13 ein Verdrängungsmittel 11 angeordnet ist. Durch das Verdrängungsmittel 11 wird das zwischen den Anschlüssen 5c und 5a (siehe 1) in den Flüssigkeitsraum 13 strömende Kühlmittel unmittelbar an die Unterseite des Baulteils 3 gepresst. Die Abdichtung zum Grundkörper 1 erfolgt mittels einer Dichtlippe 4 (Beispielsweise Einfachdichtung oder Doppeldichtung).
Durch die direkte Abführung der Wärme über die Kühlflüssigkeit im späteren Betrieb hat der Grundkörper 1 keine wärmeleitende Funktion. Als Material kann deshalb neben Aluminium, Zink, Messing oder Kupfer auch Kunststoff gewählt werden. Letzteres ermöglicht den Einsatz besonders kostengünstiger Teile.
3 zeigt eine Draufsicht auf mehrere miteinander verbundene Grundkörper 1, auf denen jeweils ein Leistungshalbleiterbauelement 3 angeordnet ist. Die konkrete Anwendung hier betrifft die Realisierung einer Leistungsversorgung für einen elektrischen Antrieb. Die Flüssigkeitszufuhr und Flüssigkeitsabfuhr kann mittels der Anschlüsse 10 erfolgen. Benachbarte Anschlüsse sind mit einem Endstopfen 9 versehen.
4 zeigt ebenfalls kaskadierte Grundkörper 1 mit Bauelementen 3, welche an der Oberseite der Grundkörper 1 angeordnet sind. Die Durchflußrichtung kann über verschiedene Anordnungen von Dichtungen in den Anschlüssen 5a, 5b, 5c und 5d gesteuert werden.
5 zeigt zwei mittels rückseitigen Anschlüssen kaskadierte Grundkörper 1, der einzelne Grundkörper 1 weist hierfür alternativ oder zusätzlich zu den seitlichen Anschlüssen (hier nicht gezeigt) rückwärtige Anschlüsse auf. Die Grundkörper 1 können mittels Verbindungsstücken 16 unterschiedlichster Form und Art miteinander verbunden werden, so dass die Kühlflüssigkeit zwischen den Grundkörpern 1 austauschbar ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 6 gezeigt. Hier wird ein T-Stück als Verbindungsmittel 16 verwendet.
Das Grundprinzip besteht in allen Fällen darin, dass durch die vorzugsweise symmetrisch ausgebildeten Grundkörper 1 eine Kühlflüssigkeit 2 geleitet wird. Durch einfaches Zusammenstecken sind mehrere Grundkörper 1 leicht aneinander anreihbar. Die Anreihung der einzelnen Grundkörper 1 kann zwei- oder auch dreidimensional zueinander erfolgen.
7 zeigt eine mögliche Realisierung des Flüssigkeitsraumes 13. Im Bereich des Überströmens zwischen Einlass (hier nicht gezeigt) und Auslass (hier nicht gezeigt) sollte die Flüssigkeit eine möglichst große Kontaktfläche zu einem zu kühlenden Element (hier nicht gezeigt) haben. Die Kontur 14, 15 wird abhängig vom gewünschten Druck, von der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit und von der Kühlflüssigkeit (bzw. deren spezifische Wärmekapazität) gewählt. Eine variierende Durchlasshöhe wäre beispielsweise mittels einer schiefen Ebene oder eine Freiformfläche realisierbar. Ebenfalls denkbar sind Stege in Längs- und/oder Querrichtung, Schlangenlinien, Barrieren, Überläufe und dergleichen.
8 und 9 zeigt die Realisierung der Beeinflussung des Flüssigkeitsweges innerhalb eines kaskadierten Systems, bestehend aus mehreren Grundkörpern 1. Die Durchflußmenge und der Durchflussweg jedes einzelnen Grundkörpers 1 wird durch in die Flüssigkeitskanäle eingelassene Absperrungen beeinflusst. In zumindest eine der Zuflussöffnungen und/oder Abflussöffnungen 5a, b, c, d der Grundkörper 1 wird hierzu ein Dichtmittel 12 eingebracht, welches den Durchfluss einer Flüssigkeit 2 zwischen den Grundkörpern 1 verhindert oder hemmt bzw. den Durchfluss gezielt kanalisiert. Die Durchflußrichtung kann somit parallel (8) oder in Reihe (9) erfolgen, je nachdem welche Kanäle verschlossen werden.
Generell gilt, dass bei einem kaskadierten System, wie den 3, 4, 5, 6, und 8 gezeigt, die Grundkörper 1 über die Einlässe 5a, b, c, d und Auslässe miteinander verbunden sind. Die Abdichtung untereinander erfolgt dabei mittels Dichtungen 12 oder dergleichen.
Bei einer Ausführung in Kunststoff kann ein zusätzlicher Schnapphaken 7, wie in 8 gezeigt, aneinander angereihte Grundkörper 1 vorfixieren. Denkbar ist auch die Verschraubung mit zumindest einer Gewindestange 16, wie in 9 angedeutet, die die einzelnen Grundkörper 1 aneinander fixiert. Die Befestigung der Grundkörper 1 kann mittels Laschen 8 und Bohrungen 17 an einem Träger (nicht gezeigt) erfolgen. Das gewährleistet zugleich, daß sich die nur mittels Steckverbindern miteinander verbundenen Einlässe und Auslässe nicht mehr trennen können.
Eine Aneinanderreihung von Grundkörpers 1 mittels zwischengeschalteter Anschlüsse (nicht gezeigt), beispielsweise in Form von von T-Stücken/T-Rohren oder ähnlichem wäre ebenfalls denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 20208106 U1 [0004]
US 5841634 [0005]
DE 19643717 A1 [0006]

Claims

Kühlsystem mit einem ersten Grundkörper (1), auf dessen Oberseite ein elektronisches Leistungsbauteil (3) angeordnet werden kann, und welcher einen Flüssigkeitsraum (13) für ein flüssiges Kühlmittel (2) umschließt, wobei eine erste Zuflussöffnung (5a) für den Flüssigkeitsraum (13) und eine erste Abflussöffnung (5b) für den Flüssigkeitsraum (13) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberseite des Grundkörpers derart realisiert ist, dass ein elektronisches Leistungsbauteil (3) unmittelbaren Kontakt zu einem Kühlmittel (2) hat, wenn dieses an der Oberseite angeordnet wird, und wenn der Flüssigkeitsraum (13) mit dem Kühlmittel (2) gefüllt wird und wobei im Flüssigkeitsraum (13) ein Verdrängungsmittel (11) für ein Kühlmittel (2) angeordnet ist.
Kühlsystem gemäß Anspruch 1, wobei das Verdrängungsmittel (11) im wesentlichen zwischen der ersten Zuflussöffnung (5a) und der ersten Abflussöffnung (5b) angeordnet ist.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdrängungsmittel (11) zur Beeinflussung der Strömungsrichtung und/oder zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit eines Kühlmittels (2) dient.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdrängungsmittel (11) derart realisiert ist, dass der Abstand zwischen den den Flüssigkeitsraum (13) begrenzenden Flächen zumindest abschnittsweise unterschiedlich ausfällt.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdrängungsmittel (11) derart realisiert ist, dass es aus mehreren Zellen gebildet ist, wobei jede Zelle einen separaten Flüssigkeitseinlass und einen separaten Flüssigkeitsauslass aufweist.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuflussöffnung (5a) und die Abflussöffnung (5b) zueinander gegenüberliegend oder zueinander versetzt am Grundkörper (1) angeordnet sind.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuflussöffnung (5a) und/oder die Abflussöffnung (5b) mittels eines rohrförmigen Anschlusses realisiert sind.
Kühlsystem gemäß Anspruch 7, wobei am Grundkörper (1) zusätzlich jeweils eine erste und eine zweite Ausnehmung (5c, 5d) vorgesehen ist, welche derart bemessen ist, dass diese den rohrförmigen Anschluss aufnehmen können.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Grundkörper (1) vorgesehen ist, dessen erste Ausnehmung (5c) mit der Abflussöffnung (5b) des ersten Grundkörpers (1) verbunden ist und dessen Zuflussöffnung (5a) mit der zweiten Ausnehmung (5d) des ersten Grundkörpers (1) verbunden ist, so dass zwischen den Flüssigkeitsräumen (13) beider Grundkörper (1) ein Flüssigkeitsaustausch ermöglich wird.
Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Zuflussöffnung (5a) und/oder in der Abflussöffnung (5b) ein Dichtmittel (12) vorgesehen ist, welches den Durchfluss einer Flüssigkeit (2) zwischen beiden Grundkörpern (1) verhindert oder hemmt.
Kühlsystem, wobei eine Vielzahl von Grundkörpern (1) gemäß Anspruch 9 oder Anspruch 10 miteinander verbunden sind.