DE102013108086B3 - Cooling arrangement for use in cooling system for power semiconductor module, has main body including fluid port that transitions at specific angle to one side surface of main body, and emerges into connection space for cooling channels - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung beschreibt eine Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul und einer Kühleinrichtung, ein mit dieser Anordnung aufgebautes Kühlsystem und ein Verfahren zur Herstellung der Anordnung. The invention describes an arrangement with a power semiconductor module and a cooling device, a cooling system constructed with this arrangement and a method for producing the arrangement.
Aus dem Stand der Technik, beispielhaft offenbart in der
Eine Anpassung der Durchflussmenge an die jeweilig Röhre ist hierbei nicht gegeben oder nur mit erheblichem Aufwand realisierbar. Zudem sind die jeweils äußeren Kühlkanäle bezüglich der Durchflussmenge bevorzugt. An adjustment of the flow rate to the respective tube is not given here or can be realized only with considerable effort. In addition, the respective outer cooling channels with respect to the flow rate are preferred.
In Kenntnis der genannten Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul und einer Kühleinrichtung, sowie ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Anordnung, vorzustellen, wobei die Durchflussmenge mehrerer Kühlkanäle in ihrem Verhältnis angepasst und gleichzeitig oder alternativ angeglichen werden kann. With the above circumstances in mind, it is the object of the invention to present an arrangement with a power semiconductor module and a cooling device, as well as a particularly preferred method for producing such an arrangement, wherein the flow rate of a plurality of cooling channels can be adapted in their ratio and adjusted simultaneously or alternatively ,
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 14. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben. This object is achieved by an arrangement with the features of
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul und einer Kühleinrichtung, ist die Kühleinrichtung als Flüssigkeitskühleinrichtung mit einem quaderförmigen Hauptkörper mit jeweils einer ersten und einer zweiten parallel zueinander angeordneten Haupt-, Seiten- und Längsflächen und mit einem ersten Seitenelement ausgebildet, wobei auf der ersten Hauptfläche das Leistungshalbleitermodul angeordnet und thermisch leitend mit dem Hauptkörper verbunden ist. Hierbei erstreckt sich eine Mehrzahl von Kühlkanälen durch den Hauptkörper von der ersten zur zweiten Seitenfläche, wobei das erste Seitenelement an der ersten Seitenfläche des Hauptkörpers dichtend anliegt und eine dieser ersten Seitenfläche zugewandte Ausnehmung aufweist, in die die Kühlkanäle münden und die einen Verbindungsraum für diese Kühlkanäle ausbildet Hierbei weist der Hauptkörper an seiner ersten Längsseite einen ersten Flüssigkeitsanschluss auf, wobei der erste Flüssigkeitsanschluss in einen ersten Anschlusskanal übergeht, der unter einem ersten Winkel zwischen 30° und 75° an der ersten Seitenfläche austritt und ebenfalls in den dortigen ersten Verbindungsraum an einer ersten Mündung mündet. In the arrangement according to the invention with a power semiconductor module and a cooling device, the cooling device is designed as a liquid cooling device with a cuboid main body having in each case a first and a second main, side and longitudinal surfaces arranged parallel to one another and with a first side element, wherein on the first main surface Power semiconductor module is arranged and thermally conductively connected to the main body. Here, a plurality of cooling passages extends through the main body from the first to the second side surface, wherein the first side member sealingly abuts the first side surface of the main body and has a recess facing this first side surface into which the cooling passages open and a connecting space for these cooling passages In this case, the main body has on its first longitudinal side a first liquid connection, wherein the first liquid connection merges into a first connection channel, which exits at a first angle between 30 ° and 75 ° at the first side surface and also in the local first connection space at a first Mouth opens.
Grundsätzlich kann als äquivalente Lösung der Verbindungsraum teilweise im Hauptkörper angeordnet sein, indem dort eine Ausnehmung analog derjenigen des Seitenelements vorgesehen ist. In principle, as an equivalent solution, the connection space can be partially arranged in the main body by providing a recess there analogous to that of the side element.
Selbstverständlich handelt es sich bei dem genannten Leistungshalbleitermodul um mindestens ein Leistungshalbleitermodul, wobei mehrere Leistungshalbleiterbauelemente auf einem Hauptkörper angeordnet sein können. Of course, the mentioned power semiconductor module is at least one power semiconductor module, wherein a plurality of power semiconductor components can be arranged on a main body.
Es kann bevorzugt sein, wenn der erste Anschlusskanal beim Übergang vom ersten Flüssigkeitsanschluss eine erste Breite und erste Querschnittsfläche und bei der ersten Mündung in den ersten Verbindungsraum eine zweite Breite und eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei die zweite Querschnittsfläche einen Flächeninhalt von 75% bis 125% der ersten Querschnittsfläche aufweist. Hierbei kann die erste, die zweite, oder beide Querschnittsflächen rund ausgebildet sein. Hier und im Folgenden wird unter erster und zweiter Querschnittsfläche immer eine Fläche senkrecht zur Fließrichtung verstanden. Eine Breite ist ebenso definiert als die Breite dieser Querschnittsfläche. It may be preferred if the first connection channel has a first width and a first cross-sectional area at the transition from the first liquid connection and a second width and a second cross-sectional area at the first opening into the first connection space, the second cross-sectional area having an area of 75% to 125%. having the first cross-sectional area. In this case, the first, the second, or both cross-sectional areas may be round. Here and below, the first and second cross-sectional area is always understood to mean a surface perpendicular to the direction of flow. A width is defined as well as the width of this cross-sectional area.
Ebenso kann der erste Flüssigkeitsanschluss von der zugeordneten ersten Seitenfläche einen Abstand aufweisen, der zwischen das 0,5- bis 5-fachen der ersten Breite beträgt. Likewise, the first fluid port may have a distance from the associated first side surface that is between 0.5 and 5 times the first width.
Vorzugsweise weist der erste Anschlusskanal einen ersten geraden Kanalabschnitt senkrecht zur ersten Seitenfläche und einen zweiten geraden Kanalabschnitt auf, der unter dem ersten Winkel aus der ersten Seitenfläche in den ersten Verbindungsraum mündet, wobei beide Kanalabschnitte einen Übergangsbereich aufweisen der die beiden Kanalabschnitte verbindet. Preferably, the first connection channel has a first straight channel section perpendicular to the first side face and a second straight channel section which opens from the first side face into the first connection space at the first angle, wherein both channel sections have a transition region connecting the two channel sections.
Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn die Kühlkanäle eine dritte Breite und einen äquidistanten Abstand zueinander aufweisen der das 0,2- bis 3-fachen der dritten Breite beträgt. Hierbei wird unter der Breite eines Kühlkanals die Breite parallel zu den Hauptflächen des Hauptkörpers und senkrecht zur Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit des Kühlmediums verstanden. Hierbei kann die erste Mündung vom benachbarten Kühlkanal einen Abstand aufweisen, der das 0,5- bis 5-fachen des Abstandes der Kühlkanäle zueinander beträgt. Furthermore, it may be advantageous if the cooling channels have a third width and an equidistant distance from each other which is 0.2 to 3 times the third width. Here, the width of a cooling channel is understood to mean the width parallel to the main surfaces of the main body and perpendicular to the flow direction of the cooling liquid of the cooling medium. Here, the first mouth of the adjacent cooling channel may have a distance which is 0.5 to 5 times the distance of the cooling channels to each other.
In bevorzugter Weise kann die Ausnehmung des ersten Seitenelements eine U-förmige dritte Querschnittsfläche aufweisen. Hierbei kann die dritte Querschnittsfläche einen Flächeninhalt aufweisen, der über die Länge konstant ist oder von derjenigen Seite die der ersten Mündung zugeordnet ist stetig oder unstetig abnimmt. Unter dem Flächeninhalt der dritten Querschnittsfläche wird hier und im Folgenden natürlich nur der relevante Bereich zwischen der ersten Mündung und dem letzten Kühlkanal verstanden. Unter stetiger Abnahme soll hier verstanden werden, dass der Durchmesser im relevanten Bereich von der ersten Mündung zum letzten Kühlkanal nicht zunimmt sondern geringer wird. Eine unstetige Abnahme soll bedeuten, dass in einem kurzen Bereich der Durchmesser größer sein kann, z.B. um in unmittelbarer Nähe zur ersten Mündung eine Wirbelkammer auszubilden. In a preferred manner, the recess of the first side element may have a U-shaped third cross-sectional area. In this case, the third cross-sectional area can have a surface area which is constant over the length or steadily or discontinuously decreases from the side which is assigned to the first orifice. Of course, the surface area of the third cross-sectional area is understood here and below to mean only the relevant area between the first orifice and the last cooling channel. Constant decrease is to be understood here as meaning that the diameter does not increase in the relevant region from the first orifice to the last cooling channel, but decreases. An unsteady decrease should mean that the diameter can be larger in a short range, eg in order to form a vortex chamber in the immediate vicinity of the first mouth.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Hauptkörper symmetrisch zu seiner Mittelebene ausgebildet ist, und somit auch einen zweiten Flüssigkeitsanschluss aufweist, wobei der zweite Flüssigkeitsanschluss in einen zweiten Anschlusskanal übergeht, der unter einem zweiten Winkel zwischen 30° und 75° an der zweiten Seitenfläche austritt und ebenfalls in den dortigen zweiten Verbindungsraum eines zweiten Seitenelements an einer zweiten Mündung mündet. Unter Mittelebene wird hier eine Symmetrieebene verstanden, die parallel zu den Seitenflächen verläuft und die Haupt- und Längsflächen mittig schneidet. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste und zweite Flüssigkeitsanschluss in Längsrichtung des Hauptkörpers nebeneinander angeordnet sind. It is particularly advantageous if the main body is formed symmetrically to its center plane, and thus also has a second fluid port, wherein the second fluid port merges into a second port which emerges at a second angle between 30 ° and 75 ° at the second side surface and also in the local second connecting space of a second side member opens at a second mouth. By midplane is meant here a plane of symmetry which runs parallel to the side surfaces and cuts the main and longitudinal surfaces in the middle. It is particularly advantageous if the first and second liquid connection are arranged side by side in the longitudinal direction of the main body.
Ein erfindungsgemäßes Kühlsystem weist zwei der oben genannten Anordnungen mit nur jeweils einem Flüssigkeitsanschluss auf. Die beiden Anordnungen sind mit ihren zweiten Seitenflächen parallel und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet und mittels einer zusätzlichen Verbindungseinrichtung miteinander verbunden. A cooling system according to the invention has two of the abovementioned arrangements with only one fluid connection each. The two arrangements are arranged with their second side surfaces parallel and mirror-symmetrical to each other and connected to each other by means of an additional connecting device.
Es ist hierfür besonders vorteilhaft, wenn die Verbindungseinrichtung eine Koppeleinrichtung ist, die zugeordnete zueinander fluchtenden Kühlkanäle zweier Anordnungen jeweils miteinander verbindet. It is particularly advantageous for this purpose if the connection device is a coupling device which connects associated mutually aligned cooling channels of two arrangements with each other.
Das besonders bevorzugte Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Leistungshalbleitermodul und einer Kühleinrichtung, wobei die Kühleinrichtung als Flüssigkeitskühleinrichtung ausgebildet ist, ist gekennzeichnet durch die folgenden wesentlichen Verfahrensschritt:
- a) Strangpressen eines Hauptkörpers aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wobei hierbei ausschließlich die Kühlkanäle ausgebildet werden;
- b) Ausbilden eines ersten und zweiten Kanalabschnitts, indem der erste Kanalabschnitt von der ersten Längsfläche des Hauptkörpers senkrecht eingebracht wird und wobei der zweite Kanalabschnitt von der ersten Seitenfläche unter einem ersten Winkel zwischen 30° und 75° eingebracht wird; vorzugsweise wird hierbei der erste und zweite Kanalabschnitt jeweils mittels eines spanenden Verfahrens eingebracht.
- c) Anordnen eines Seitenelements und des Leistungshalbleitermoduls.
- a) extruding a main body of aluminum or an aluminum alloy, in which case only the cooling channels are formed;
- b) forming a first and second channel portion by vertically inserting the first channel portion from the first longitudinal surface of the main body and inserting the second channel portion from the first side surface at a first angle between 30 ° and 75 °; In this case, the first and second channel sections are preferably introduced by means of a cutting process.
- c) arranging a page element and the power semiconductor module.
Es versteht sich, dass die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung einzeln oder in beliebigen sich nicht per se ausschließenden Kombinationen realisiert sein können, um Verbesserungen zu erreichen. Insbesondere sind die vorstehend genannten und erläuterten Merkmale, unabhängig ob sie im Rahmen des Verfahrens oder des Gegenstands genannt sind, nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It will be understood that the various embodiments of the invention may be implemented individually or in any combinations that are not per se exclusive in order to achieve improvements. In particular, the above-mentioned and explained features, regardless of whether they are mentioned in the context of the method or the subject, can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Weitere Erläuterung der Erfindung, vorteilhafte Einzelheiten und Merkmale, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den
Auf der ersten Hauptfläche
Die Kühleinrichtung
Erfindungsgemäß weist der Hauptkörper
Der erste Flüssigkeitsanschluss
Der erste Anschlusskanal
Dieser zweite Flüssigkeitsanschluss
Die jeweiligen Ausnehmungen
Dargestellt ist zudem die Wirkung des Kühlflüssigkeitszuflusses über einen Anschlusskanal gemäß der Erfindung. Der Austritt von Kühlflüssigkeit aus dem Anschlusskanal in einen Verbindungsraum unter einem Winkel, vorzugsweise unter einem Winkel von 50° bis 60°, erzeugt eine turbulente Strömung, die für eine gleichmäßige Durchflussmenge in den Kühlkanälen sorgt. Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist der Austritt der Kühlflüssigkeit aus der Mündung unter einem definierten Winkel. Die Feinabstimmung erfolgt über die relative Lage der Mündung zu den Kühlkanälen, vgl.
Jeweils ein Seitenelement
Die Koppeleinrichtung
Auf den beiden Anordnungen sind Leistungshalbleitermodule
Auf den Haupt-
Dargestellt sind hierbei die Kühlkanäle
Die Kühlkanäle
Die erste Mündung
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