DE102021119213B4 - Helix channel cooler unit - Google Patents

Helix channel cooler unit Download PDF

Info

Publication number
DE102021119213B4
DE102021119213B4 DE102021119213.7A DE102021119213A DE102021119213B4 DE 102021119213 B4 DE102021119213 B4 DE 102021119213B4 DE 102021119213 A DE102021119213 A DE 102021119213A DE 102021119213 B4 DE102021119213 B4 DE 102021119213B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
channel
helix
heat sink
helical
shell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102021119213.7A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102021119213A1 (en
Inventor
Ronald Eisele
Dominik Hilper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fachhochschule Kiel
Original Assignee
Fachhochschule Kiel
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fachhochschule Kiel filed Critical Fachhochschule Kiel
Priority to DE102021119213.7A priority Critical patent/DE102021119213B4/en
Publication of DE102021119213A1 publication Critical patent/DE102021119213A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102021119213B4 publication Critical patent/DE102021119213B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20218Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a liquid coolant without phase change in electronic enclosures
    • H05K7/20254Cold plates transferring heat from heat source to coolant
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927Liquid coolant without phase change
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0028Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cooling heat generating elements, e.g. for cooling electronic components or electric devices
    • F28D2021/0029Heat sinks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung aufweisend einen Kühlerkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente, wobei der Kühlerkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlerkörpers befinden und ein Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt, wobei auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist; die Helix-Kanalform zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist und durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird.

Figure DE102021119213B4_0000
The invention relates to a helical channel cooler unit for electronic assemblies with three-dimensional channel routing, having a cooler body, a media inlet, a media outlet, a helical channel shape and at least one component that generates power loss, the cooler body containing the helical channel shape and media access and Media outlet are located on the surface of the heat sink and a medium enters the helix channel shape via the media access and leaves it again via the media outlet, wherein at least one component generating power loss is mounted on at least one surface of the heat sink; the helical channel shape has channel sections combined into a helix and the three-dimensional channel routing creates a forced helical flow movement of the medium and thus better heat transfer along the channel walls.
Figure DE102021119213B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung aufweisend einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente, wobei der Kühlkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden und ein Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt.The invention relates to a helical channel cooler unit for electronic assemblies with three-dimensional channel routing, having a heat sink, a media inlet, a media outlet, a helical channel shape and at least one component that generates power loss, the heat sink containing the helical channel shape and media access and Media outlet are on the surface of the heat sink and a medium enters the helix channel shape via the media access and leaves it again via the media outlet.

Unter einem Medium, im Sinne der Erfindung, wird ein Fluid im physikalischen Sinne verstanden.A medium, within the meaning of the invention, is understood to mean a fluid in the physical sense.

Unter einer dreidimensionalen helikalen Strömung eines Mediums im Raum, im Sinne der Erfindung, wird eine durch eine dreidimensionale Kanalgeometrie erzwungene helikale Turbulenz als spiralförmige Sekundärströmung, die im Kanal einer Hauptströmungsrichtung überlagert ist, verstanden.A three-dimensional helical flow of a medium in space, within the meaning of the invention, is understood to mean a helical turbulence forced by a three-dimensional channel geometry as a spiral secondary flow, which is superimposed on a main flow direction in the channel.

Aus dem Stand der Technik sind allgemein zweidimensionale Strömungsschikanen, wie ShowerPower, 3D-ShowerPower der Firma Danfoss Silicon Power bekannt.Two-dimensional flow baffles such as ShowerPower, 3D-ShowerPower from Danfoss Silicon Power are generally known from the prior art.

Der bekannte Stand der Technik in der Flüssigkühlung zeigt eine zweidimensionale Führung des flüssigen Mediums in mäandrierender Form, die durch periodischen Richtungswechsel (Mäanderkanal) in einer Ebene eine Rotation der ansonsten laminaren Stromfäden (Strömung) erzeugt. Die Wirkung der flüssigen Kühlung besteht in der angestrebten Verringerung der im Wesentlichen ruhenden Grenzschicht der Kühlflüssigkeit an der zu kühlenden Berandungsfläche. Parallel zu den Strömungsfäden ist meist einseitig die Wärmezuführung an der Berandungsfläche, beispielsweise einem Leistungshalbleitersubstrat, angeordnet Die Druckschrift DE 10 2005 058 780 A1 offenbart einen Mikrowärmeübertrager sowie die Verwendung desselben als Fluidkühler für elektronische Bauteile mit einer ebenen kammartigen oder rillenartigen Struktur.The known state of the art in liquid cooling shows a two-dimensional guidance of the liquid medium in a meandering form, which generates a rotation of the otherwise laminar flow threads (flow) in one plane by periodic changes of direction (meander channel). The effect of the liquid cooling consists in the desired reduction of the essentially stationary boundary layer of the cooling liquid on the boundary surface to be cooled. The heat supply is usually arranged on one side parallel to the flow threads on the boundary surface, for example a power semiconductor substrate DE 10 2005 058 780 A1 discloses a micro heat exchanger and the use of the same as a fluid cooler for electronic components with a planar comb-like or groove-like structure.

Die Druckschrift WO 2018/ 134 031 A1 zeigt ein Leistungselektroniksystem und Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei ist die Leistungselektronik auf einer ersten Seite einer Grundplatte angeordnet und eine Kühlstruktur einseitig auf der zweiten Seite der Grundplatte angeordnet.The pamphlet WO 2018/ 134 031 A1 shows a power electronics system and method for its manufacture. The power electronics are arranged on a first side of a base plate and a cooling structure is arranged on one side on the second side of the base plate.

Die Druckschrift WO 01/ 63 667 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Abführen von Wärme von erhitzten Elementen, wobei die Vorrichtung umfasst einen Block aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, auf dem die Elemente in thermischem Kontakt angeordnet sind und wobei in dem Block Kanäle vorgesehen sind und eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, gezwungen wird, durch die Kanäle zu fließen. Die Kanäle bestehen aus Rohren mit dünnen Wänden und aus einem Material, das gegenüber der strömenden Flüssigkeit nicht korrosiv ist.The pamphlet WO 01/63667 A1 discloses a device for dissipating heat from heated elements, the device comprising a block of material having good thermal conductivity, on which the elements are arranged in thermal contact, and in which block channels are provided and a liquid, e.g. B. water, is forced to flow through the channels. The channels are made of thin-walled tubes and made of a material that is not corrosive to the flowing liquid.

Weiter ist aus der Druckschrift US 2016 / 0 313 390 A1 eine thermische Steuereinheit bekannt, die zur Aufrechterhaltung einer Solltemperatur an einer zu prüfenden integrierten Schaltung verwendet wird. Diese verfügt über mindestens eine Kühlplatte, die so konfiguriert ist, dass sie das Testen von integrierten Schaltungen erleichtert, wenn die zu prüfende Vorrichtung eine effiziente Kühlung erfordert.Next is from the pamphlet U.S. 2016/0 313 390 A1 discloses a thermal control unit used to maintain a set temperature on an integrated circuit under test. This has at least one cooling plate configured to facilitate testing of integrated circuits when the device under test requires efficient cooling.

Die Druckschrift WO 2020/ 209 390 A1 offenbart eine Anordnung, die es ermöglicht, die Konzentration von Wärmespannungen in der Nähe eines strömungsbegrenzten Bereichs eines Plattenwärmetauschers zu verringern und Ermüdungsversagen aufgrund dieser Konzentration zu verhindern. Der strömungsvolumenbegrenzte Bereich ist mit Öffnungen versehen, die denen eines Strömungskanals ähneln, um einen Steifigkeitsunterschied zu Strömungskanalbereichen zu verringern.The pamphlet WO 2020/ 209 390 A1 discloses an arrangement that makes it possible to reduce the concentration of thermal stresses in the vicinity of a flow-restricted area of a plate heat exchanger and to prevent fatigue failures due to this concentration. The flow volume restricted area is provided with openings resembling those of a flow channel in order to reduce a rigidity difference with flow channel areas.

Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass bei der Flüssigkühlung durch eine zweidimensionale Führung des flüssigen Mediums mit einer erzwungenen Richtungsänderung an den in einer Fläche liegenden Mäanderkurven eine Drallströmung erzeugt wird, die aus einer Hauptrichtung und einer Querströmung entsteht. Diese laminaren Stromfäden besitzen eine nur mäßige Eigenschaft der Grenzflächenminimierung für den Wärmeübergang der Berandungsfläche zum flüssigen Medium, da dort keine Komponente in Wandrichtung, zur Zerstörung der Grenzschicht, existiert.The main problems in the prior art are that in liquid cooling, a two-dimensional guidance of the liquid medium with a forced change of direction at the meander curves lying in a surface generates a swirl flow, which arises from a main direction and a cross flow. These laminar flow threads only have a moderate property of minimizing the boundary surface for the heat transfer from the boundary surface to the liquid medium, since there is no component in the direction of the wall to destroy the boundary layer.

Die flächige Mäanderführung der Kanäle führt zwar zur Rotation der Stromfäden, als eine Art helikale Strömung, diese ist jedoch ausschließlich nahezu parallel zu den Kanalwandungen gerichtet. Damit weisen diese Stromfäden die klassischen Strömungsprofile nach Bernoulli auf, die eine ausgeprägte und stabile Grenzschicht an den Rändern/Berandungen aufweisen. Diese Grenzschichten sind strömungsarm bis ruhend und vermindern oder verhindern die Wechselwirkung der Kühlflüssigkeit mit der Wandung.The planar meandering of the canals leads to the rotation of the stream threads, as a kind of helical flow, but this is exclusively directed almost parallel to the canal walls. These flow threads thus show the classic flow profiles according to Bernoulli, which have a pronounced and stable boundary layer at the edges/boundaries. These boundary layers have little or no flow and reduce or prevent the interaction of the coolant with the wall.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die nachteiligen, nahezu ruhenden Grenzschichten durch eine weitere erzwungene Richtungsänderung durch weitere Drallströmungen zu vermindern und durch Prallströmungen abzubauen. Die abgebauten Grenzschichten ermöglichen einen deutlich verbesserten Wärmeübergang von der Berandungsfläche in das Medium (die Kühlflüssigkeit). Dazu wird erfindungsgemäß der zweidimensionalen Mäandrierung durch eine x-y-Kanalführung eine weitere Richtungsänderung in z-Richtung aufgezwungen. So entsteht eine weitere Querströmung durch Richtungsänderungen des Mediums und damit eine dreidimensionale echte helikale Strömung im Raum. Diese weitere Strömungskomponente wirkt zusammen mit den zusätzlichen Prallflächen der Strömungsführung reduzierend auf die Grenzflächendicke und Grenzflächenerstreckung und wirkt damit steigernd auf den Wärmeübergang. So wird dann beispielsweise eine verbesserte Kühlung für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen möglich.The object of the present invention is to reduce the disadvantageous, almost stationary boundary layers by means of a further forced change of direction by means of further swirl flows and to reduce them by means of impingement flows. The degraded boundary layers allow a significantly improved heat transfer from the boundary surface to the medium (the coolant). For this purpose, according to the invention, a further change in direction in the z-direction is imposed on the two-dimensional meandering by means of an xy channel guide. This creates a further cross-flow through changes in direction of the medium and thus a three-dimensional real helical flow in space. This additional flow component, together with the additional baffle surfaces of the flow guide, has a reducing effect on the thickness and extent of the boundary surface and thus has an increasing effect on the heat transfer. For example, improved cooling for power electronic semiconductor assemblies is then possible.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer erfindungsgemäßen Helix-Kanal-Kühler-Einheit.This problem is solved with a helix channel cooler unit according to the invention.

Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung weist auf: einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform (50), zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente,
wobei

  • - der Kühlkörper (10) die Helix-Kanalform (50) beinhaltet und sich Medienzugang (30) und Medienabgang (31) auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden; und
  • - das Medium über den Medienzugang (30) in die Helix-Kanalform (50) gelangt und diese über den Medienabgang (31) wieder verlässt;
  • - auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers (10) mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist; und
  • - durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird;

und ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Helix-Kanalform (50) zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist.
Weiter kann der Kühlkörper quaderförmig ausgebildet sein.The helix channel cooler unit for electronic assemblies with three-dimensional channel routing has: a heat sink, a media inlet, a media outlet, a helix channel shape (50), at least one component that generates power loss,
whereby
  • - The heat sink (10) includes the helical channel shape (50) and media access (30) and media outlet (31) are located on the surface of the heat sink; and
  • - The medium enters the helix channel shape (50) via the media access (30) and leaves it again via the media outlet (31);
  • - At least one component generating power loss is mounted on at least one surface of the heat sink (10); and
  • - A forced helical flow movement of the medium and thus a better heat transfer along the channel walls is generated by the three-dimensional channel guide;

and is characterized in that
the helical channel shape (50) has channel sections combined to form a helix.
Furthermore, the heat sink can be cuboid.

Der Kühlkörper kann einteilig oder zweiteilig mit einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale ausgebildet sein.The heat sink can be designed in one piece or in two pieces with a first half-shell and a second half-shell.

Die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers können unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt werden.The various surfaces of the heatsink can be equipped independently of one another with components that generate power loss.

Die Verlustleistung erzeugende Komponenten können Halbleiter-Komponenten und / oder Kondensatoren umfassen.The components that generate the power loss can include semiconductor components and/or capacitors.

Der Kühlkörper kann aus einem Metall, einer Metalllegierung und / oder keramischen Werkstoffen, bevorzugt Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirconiumdioxid, Nickel, Edelstähle, ausgebildet sein.The heat sink can be made of a metal, a metal alloy and/or ceramic materials, preferably copper alloys, aluminum alloys, silicon nitride, aluminum nitride, zirconium dioxide, nickel, stainless steels.

Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die erste Halbschale und die zweite Halbschale funktionell zu einer ersten Kühlkörperhalbschale und einer zweiten Kühlkörperhalbschale erweiterbar ausgebildet sein.In a two-part design, the first half-shell and the second half-shell can be functionally expandable to form a first heat sink half-shell and a second heat sink half-shell.

Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die Helix-Kanalform durch Ausbildung von Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen der Halbschalen erhalten werden, wobei die Halbschalen die Kanalabschnitte auf verschiedenen Ebenen zwischen den Koordinatenachsen im kartesischen Koordinatensystem aufweisen und die Kanalabschnitte überlappen, so dass ein helikaler Verlauf ausgebildet wird.In a two-part design, the helical channel shape can be obtained by forming sinks in the half-shells and then stacking the half-shells in pairs, the half-shells having the channel sections on different levels between the coordinate axes in the Cartesian coordinate system and the channel sections overlap so that a helical course is trained.

Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit ist insbesondere für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung konstruiert. Sie weist einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente auf, wobei der Kühlkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden und das Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist, die Helix-Kanalform zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist und durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird.The helix channel cooler unit is specially designed for electronic assemblies with three-dimensional channel routing. It has a heat sink, a media inlet, a media outlet, a helical channel shape and at least one component that generates power loss, the heat sink containing the helical channel shape and the media inlet and media outlet are located on the surface of the heat sink and the medium via the media inlet into the helical channel shape and leaves it again via the media outlet, characterized in that at least one component that generates power loss is mounted on at least one surface of the heat sink, the helical channel shape has channel sections combined to form a helix and the three-dimensional channel routing causes a forced helical flow movement of the Medium and thus a better heat transfer is generated along the channel walls.

Wenn der Kühlkörper quaderförmig ausgebildet ist, so sind insgesamt sechs Flächen vorhanden, welche Funktionen erhalten können. Bis zu zwei Flächen besitzen dabei je einen Flüssigkeitszugang bzw. einen Medienzugang und einen Flüssigkeitsabgang bzw. Medienabgang. Die quaderförmige Ausbildung des Kühlkörpers ist die bevorzugte Variante. Der Kühlkörper kann jedoch auch andere Geometrien aufweisen.If the heat sink is cuboid, there are a total of six surfaces that can be given functions. Up to two surfaces each have a liquid inlet or media inlet and a liquid outlet or media outlet. The block-shaped design of the heat sink is the preferred variant. However, the heat sink can also have other geometries.

Der Kühlkörper kann einteilig oder zweiteilig mit einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale ausgebildet sein. Die einteilige Ausführung weist innenliegende helikale Kanäle auf, wie sie aktuell nur durch einteilige, additive Fertigung hergestellt werden können. Bei dieser Ausführung können an den größeren, gegenüberliegenden Planflächen die Verlustleistung erzeugenden Komponenten aufgebaut werden. Eine zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanalform aufweisend Prallflächen kann beispielsweise durch eine Kanalgeometrie, die durch einfach zu produzierende Senken in Platten hergestellt wird und durch paarweises Aufeinanderlegen den vollständigen Mediumskanal ergeben, ausgebildet werden. Die beiden Platten ergänzen sich kanalseitig zu dem Kühlerkanal und bieten zusätzlich auf ihren beiden Rückseiten eine Fläche für die Montage von den Verlustleistung erzeugenden Komponenten wie beispielsweise leistungselektronischen Komponenten. Die Kanalgestaltung in den beiden Platten kann durch vielfältige Herstellverfahren, wie spanende Bearbeitung, Prägen, Tiefziehen oder additive Metallfertigung vorgenommen werden.The heat sink can be designed in one piece or in two pieces with a first half-shell and a second half-shell. The one-piece design has internal helical channels that can currently only be produced by one-piece additive manufacturing. In this embodiment, the components that generate the power loss can be built up on the larger, opposite plane surfaces. A two-part embodiment of the helical channel shape having baffle surfaces can be formed, for example, by a channel geometry that is produced by depressions in plates that are easy to produce and result in the complete medium channel by stacking them in pairs. The two plates complement each other on the channel side to form the cooler channel and also offer a surface on their two rear sides for the installation of components that generate power loss, such as power electronic components. The channel design in the two plates can be made by a variety of manufacturing processes, such as machining, embossing, deep drawing or additive metal manufacturing.

Ein Vorteil der einteiligen Variante gegenüber der zweiteiligen ist die Möglichkeit des Ausgleichs von unterschiedlichen Wärmeflüssen bei unterschiedlicher Belastung der Verlustleistung (Wärme) erzeugenden Komponenten.An advantage of the one-piece variant compared to the two-piece variant is the possibility of compensating for different heat flows with different loads on the power loss (heat)-generating components.

Dementgegen ist die zweiteilige Variante einfacher und kostengünstiger herzustellen. Diese Variante beinhaltet ein neues Verfahren zur Produktion von Flüssigkühlern mit einer Kanalführung im Inneren, da die beiden Halbschalen getrennt voneinander produziert werden und erst nachfolgend zur Ausbildung des Helix-Kühlerkanals aufeinander montiert werden. Der Kühlkörper kann einfach und beidseitig unabhängig mit elektronischen Baugruppen bestückt werden.In contrast, the two-part variant is easier and cheaper to produce. This variant includes a new process for the production of liquid coolers with an internal duct, since the two half-shells are produced separately from one another and are only then assembled on top of each other to form the helix cooler duct. The heatsink can be equipped with electronic assemblies easily and independently on both sides.

Die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers können wenigstens teilweise oder vollständig und unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt sein.The various surfaces of the heat sink can be equipped at least partially or completely and independently of one another with components that generate power loss.

Dadurch, dass die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt werden können, ist die Helix-Kanal-Kühler-Einheit variabel ausgestaltbar. So ist das System zudem servicefreundlich und Änderungen können relativ einfach vorgenommen werden ohne dass ein Komplettumbau der gesamten Einheit notwendig wird.Because the various surfaces of the heat sink can be fitted with components that generate power loss independently of one another, the helix channel cooler unit can be configured variably. The system is also easy to service and changes can be made relatively easily without having to completely rebuild the entire unit.

Die Verlustleistung erzeugenden Komponenten können bevorzugt elektronische Baugruppen, insbesondere Halbleiterkomponenten und / oder Kondensatoren, umfassen.The components that generate power loss can preferably include electronic assemblies, in particular semiconductor components and/or capacitors.

Der Kühlkörper kann vorzugsweise aus einem Metall, einer Metalllegierung und / oder keramischen Werkstoffen, bevorzugt Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirconiumdioxid, Nickel, Edelstähle, ausgebildet sein, so dass eine gute Wärmeleitung gegeben ist und gegebenenfalls korrosionshemmende Werkstoffe zugesetzt sind. Es ist auch eine vorteilhafte Variante, wenn der Bereich der Kanalausprägung aus Aluminium besteht und stofflich verbunden eine wärmespreizende Kupferschicht zwischen dem Aluminiumteil und den Verlustleistung erzeugenden Komponenten eingefügt ist.The heat sink can preferably be made of a metal, a metal alloy and/or ceramic materials, preferably copper alloys, aluminum alloys, silicon nitride, aluminum nitride, zirconium dioxide, nickel, stainless steels, so that there is good heat conduction and, if necessary, corrosion-inhibiting materials can be added are. It is also an advantageous variant if the region of the channel formation consists of aluminum and a heat-spreading copper layer is inserted between the aluminum part and the components generating power loss in a materially connected manner.

Dadurch, dass bei einer zweiteiligen Ausführung die erste Halbschale und die zweite Halbschale funktionell zu einer ersten Kühlkörperhalbschale und einer zweiten Kühlkörperhalbschale erweiterbar sind, werden am Kühlkörper zusätzliche Wärmekontaktflächen für weitere Verlustleistung erzeugenden Komponenten geschaffen. So können neben beispielsweise Halbleiterkomponenten auf Grund- und Deckfläche auf zwei Seitenflächen Kondensatoren oder auch andere Bauteile montiert werden.The fact that in a two-part design the first half-shell and the second half-shell can be functionally expanded to form a first heatsink half-shell and a second heatsink half-shell, additional thermal contact surfaces are created on the heatsink for additional power loss-generating components. For example, in addition to semiconductor components on the base and top surfaces, capacitors or other components can also be mounted on two side surfaces.

Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die Helix-Kanalform durch Ausbildung von Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen der Halbschalen erhalten werden, wobei die Halbschalen die Kanalabschnitte auf verschiedenen Ebenen zwischen den Koordinatenachsen im kartesischen Koordinatensystem aufweisen und die Kanalabschnitte überlappen, so dass ein helikaler Verlauf ausgebildet wird.In a two-part design, the helical channel shape can be obtained by forming sinks in the half-shells and then stacking the half-shells in pairs, the half-shells having the channel sections on different levels between the coordinate axes in the Cartesian coordinate system and the channel sections overlap so that a helical course is trained.

Es wird über die Möglichkeit des Aufbaus über zwei Halbschalen ein einfaches, servicefreundliches, sicheres und relativ kostengünstig herstellbares Flüssigkühlersystem, nämlich die erfindungsgemäße Helix-Kanal-Kühler-Einheit, bereitgestellt, mit dem auch eine unabhängige Montage von elektronischen Baugruppen auf Kühlkörpern vorgenommen werden kann.A simple, service-friendly, safe liquid cooler system that can be produced relatively inexpensively, namely the helix-channel cooler unit according to the invention, is provided via the possibility of constructing two half-shells, with which electronic assemblies can also be mounted independently on heat sinks.

Durch die in der Helix-Kanal-Kühler-Einheit vorliegende Helix-Kanalform wird das Medium in helikaler Form, also als rotierende, wandernde Stromfäden, dreidimensional durch den Kanal geführt, wobei durch multiple Wandkontakte turbulente Wärmeübergänge ermöglicht werden, was einen deutlich verbesserten Wärmeübergang von der Berandungsfläche in die Kühlflüssigkeit bewirkt. Die nachteiligen, nahezu ruhenden Grenzschichten werden hierbei durch die dreidimensionalen erzwungenen Richtungsänderungen durch weitere Drallströmungen vermindert und durch Prallströmungen abgebaut. Dazu wird erfindungsgemäß der zweidimensionalen Mäandrierung durch x-y-Kanalführung eine weitere Richtungsänderung in z-Richtung aufgezwungen. Dadurch entsteht eine weitere Querströmung durch Richtungsänderung und damit eine dreidimensionale echte helikale Strömung. Diese weitere Strömungskomponente wirkt zusammen mit den zusätzlichen Prallflächen der Strömungsführung reduzierend auf die Grenzflächendicke und Grenzflächenerstreckung und damit steigernd auf den Wärmeübergang.Due to the helical channel shape present in the helix channel cooler unit, the medium is guided through the channel in a helical form, i.e. as rotating, migrating stream threads, three-dimensionally, whereby turbulent heat transfers are made possible by multiple wall contacts, which results in a significantly improved heat transfer from the boundary surface causes in the cooling liquid. The disadvantageous, almost stationary boundary layers are thereby reduced by the three-dimensional forced changes in direction by further swirl flows and degraded by impingement flows. For this purpose, according to the invention, a further change in direction in the z-direction is imposed on the two-dimensional meandering by xy channel routing. This creates a further transverse flow through a change in direction and thus a three-dimensional real helical flow. This additional flow component works together with the additional baffle surfaces of the flow control reducing the thickness and extent of the boundary surface and thus increasing the heat transfer.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht zwingend beschränkend zu werten sind:The invention is described below using the accompanying illustrations in the description of the illustrations, which are intended to explain the invention and are not necessarily to be viewed as limiting:

Es zeigen:

  • beispielhaft eine zweiteilige Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen in perspektivischer Darstellung;
  • beispielhaft eine zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen aus in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild);
  • beispielhaft eine zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit aus in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild), wobei die Strömungsvektoren der Helix dargestellt sind;
  • beispielhaft einen Kanalbereich der Strömungsvektoren aus mit perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild) ohne Helix-Kanalform;
  • beispielhafte Kanalgestaltung einer zerlegten, zweiteiligen Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen sowie resultierende mittlere Strömungsvektoren in Durchsicht-Darstellung;
  • beispielhafte gruppierte und verbundene Kanalanordnung einer zerlegten, zweiteiligen Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen sowie resultierende Strömungsvektoren in Durchsicht-Darstellung;
  • eine beispielhafte zweiteilige Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen mit beidseitigem Aufbau der leistungselektronischen Halbleiter-Baugruppen auf dem Kühlkörper, in Schnittdarstellung;
  • eine beispielhafte zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen nach , wobei die Halbschalen zu funktionell erweiterten Kühlkörper-Halbschalen ausgebildet sind, in Schnittdarstellung.
Show it:
  • an example of a two-part embodiment of a helix channel cooler unit for power electronic semiconductor assemblies in a perspective view;
  • example, a two-part embodiment of the helix channel cooler unit for power electronic semiconductor assemblies in a perspective view (X-ray image);
  • example, a two-part embodiment of the helix channel cooler unit in a perspective view (X-ray image), showing the flow vectors of the helix;
  • shows a channel area of the flow vectors as an example with perspective see-through representation (X-ray image) without helical canal shape;
  • exemplary channel design of a disassembled, two-part embodiment of a helix channel cooler unit for power electronic semiconductor assemblies and the resulting mean flow vectors in a see-through representation;
  • exemplary grouped and connected channel arrangement of a disassembled, two-part embodiment of a helix channel cooler unit for power electronic semiconductor assemblies and resulting flow vectors in a see-through representation;
  • an exemplary two-part embodiment of a helix-channel cooler unit for power electronic semiconductor assemblies with a double-sided structure of the power electronic semiconductor assemblies on the heat sink, in a sectional view;
  • an exemplary two-part embodiment of the helix channel cooler unit for power electronic semiconductor assemblies , The half-shells being formed into functionally expanded heat sink half-shells, in a sectional view.

zeigt beispielhaft eine zweiteilige Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen in perspektivischer Darstellung. Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 besteht aus einem metallischen Kühlkörper 10 aufgebaut aus aufeinanderliegend einer ersten Halbschale 11 und einer zweiten Halbschale 12 sowie oberhalb der ersten Halbschale 11 Halbleitkomponenten 40 mit Leistungshalbleitern 20. Das Medium wird der Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 durch einen Medienzugang 30 in der zweiten Halbschale 12 des Kühlkörpers 10 zugeführt und verlässt die Helix-Kanal-Kühler-Einheit über einen Medienabgang 31 in der zweiten Halbschale 12. Der metallische Kühlkörper 10 besteht aus einem vorzugsweise gut wärmeleitenden Material. Die Halbschalen sind plattenförmig ausgebildet. Die Verlustleistung erzeugende Komponente (Wärmequelle), hier die Leistungshalbleiter 20, sind in diesem Beispiel einseitig aufgebaut. shows an example of a two-part embodiment of a helix channel cooler unit 1 for power electronic semiconductor assemblies in a perspective view. The helix-channel cooler unit 1 consists of a metallic heat sink 10 made up of a first half-shell 11 and a second half-shell 12 lying one on top of the other as well as semiconductor components 40 with power semiconductors 20 above the first half-shell 11. The medium becomes the helix-channel cooler unit 1 is fed through a media access 30 in the second half-shell 12 of the heat sink 10 and leaves the helix channel cooler unit via a media outlet 31 in the second half-shell 12. The metal heat sink 10 consists of a preferably good thermally conductive material. The half-shells are plate-shaped. The component (heat source) that generates power loss, here the power semiconductors 20, are constructed on one side in this example.

In wird in einer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild) gezeigt. Nach Medienzufuhr durch den Medienzugang 30 durchfließt das Medium eine Helix-Kanalform 50 bestehend aus mehreren Kanalabschnitten, welche in Kombination eine Helix ausbilden, bevor es durch den Medienabgang 31 wieder austritt. Durch diese Helix-Kanalform 50 wird eine optimierte 3-dimensionale Medienführung bewirkt. In der Abbildung ist die Helix-Kanalform 50 mit Prallflächen für das Medium ausgestaltet. Die Helix-Kanalform 50 wird in der Abbildung beispielsweise durch einfach zu produzierende Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen erhalten. Die erste Halbschale 11 trägt die Kanalabschnitte in z-x-Richtung und die zweite Halbschale 12 die Kanalabschnitte in z-y-Richtung. Ein z-x-Abschnitt ist überlappend mit einem z-y-Abschnitt. Durch die fortgesetzte und abwechselnde Überlappung ist ein helikaler Verlauf für den Flüssigkeitstransport gewährleistet. Die beiden Halbschalen ergänzen sich kanalseitig zu der Helix-Kanalform 50 und bieten zusätzlich auf ihren beiden Rückseiten eine Fläche für die Montage von wärmeabgebenden Komponenten, wie Leistungshalbleitern 20, die gemäß der Abbildung einseitig montiert sind, oder auch anderen leistungselektronischen Komponenten wie Kondensatoren.In becomes shown in a see-through view (X-ray image). After the medium has been supplied through the media inlet 30 , the medium flows through a helical channel shape 50 consisting of a number of channel sections which, when combined, form a helix before it exits again through the media outlet 31 . This helical channel shape 50 brings about an optimized 3-dimensional media guidance. In the illustration, the helix channel shape 50 is designed with baffles for the medium. In the illustration, the helical channel shape 50 is obtained, for example, by depressions that are easy to produce in the half-shells and then placed on top of each other in pairs. The first half-shell 11 carries the channel sections in the zx-direction and the second half-shell 12 carries the channel sections in the zy-direction. A zx section is overlapped with a zy section. The continued and alternating overlap ensures a helical course for liquid transport. The two half-shells complement each other on the channel side to form the helical channel shape 50 and also offer a surface on their two rear sides for installing heat-dissipating components, such as power semiconductors 20, which are mounted on one side as shown in the figure, or other electronic power components such as capacitors.

Die Überlappung ist derart gewählt, dass im Beispiel ein zur zentralen Strömungsrichtung senkrechter Kanalquerschnitt stets konstant bleibt (beispielsweise 6 mm2). Weiter sind hier auch Querschnitte von 1 mm2 bis mehr als 100 mm2 denkbar; dies ist von der Kühlaufgabe und dem erlaubten Druckabfall in den Kanälen abhängig und wird kann aufgabenspezifisch angepasst werden. An der Seite der Verlustleistung erzeugenden Komponente ist die Wandstärke des Kühlers bis zu der Kanalinnenoberfläche (Wärmeübergangszone) in dem Beispiel nicht dicker (stärker) als 5 mm.The overlap is selected in such a way that, in the example, a channel cross section perpendicular to the central flow direction always remains constant (for example 6 mm 2 ). Cross sections from 1 mm 2 to more than 100 mm 2 are also conceivable here; this depends on the cooling task and the permitted pressure drop in the channels and can be adapted to the specific task. On the side of the power dissipation generating component is the wall thickness of the cooler up to the channel inner top surface (heat transition zone) in the example not thicker (stronger) than 5 mm.

Diese geometrischen Varianten lassen sich auf weitere mehrteilige Kühlkörper mit demselben Grundprinzip anwenden.These geometric variants can be applied to other multi-part heat sinks with the same basic principle.

zeigt die extrahierten, mittleren Strömungsvektoren der zweiteiligen Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit aus in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild), wobei die Strömungsvektoren 60 der Helix dargestellt sind. Figure 12 shows the extracted mean flow vectors of the two-part embodiment of the helix channel cooler unit in a perspective see-through representation (X-ray image), the flow vectors 60 of the helix being represented.

In wird ein Kanalbereich der extrahierten, mittleren Strömungsvektoren 60 aus ohne gezeichnete Helix-Kanalform dargestellt.In becomes a channel region of the extracted mean flow vectors 60 from shown without drawn helix channel shape.

zeigt beispielhaft eine mögliche Gestaltung einer Helix-Kanalform 50 in einem Kühlkörper 10. In der Abbildung befinden sich links eine Draufsicht der Kanalabschnitte in z-x-Richtung 70 der zweiten Halbschale 12 mit Medienzugang 30 und Medienabgang 31 und in der Mitte eine Draufsicht der Kanalabschnitte in z-y-Richtung 71 der ersten Halbschale 11. Rechts sind die resultierenden (symbolischen) mittleren Strömungsvektoren 60 in der Helix-Kanalform 50 im Kühlkörper 10 bestehend aus den beiden Halbschalen in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild) dargestellt. Die erzeugte Kanaltiefe beträgt in diesem Beispiel mindestens die Kanalbreite. shows an example of a possible design of a helical channel shape 50 in a heat sink 10. The figure shows a plan view of the channel sections in the zx direction 70 of the second half-shell 12 with media access 30 and media outlet 31 on the left and in the middle a plan view of the channel sections in zy -Direction 71 of the first half-shell 11. On the right, the resulting (symbolic) mean flow vectors 60 in the helical channel shape 50 in the heat sink 10 consisting of the two half-shells are shown in a perspective view (X-ray image). In this example, the generated channel depth is at least the channel width.

Die Kanalabschnitte können durch vielfältige, auch kombinierte Herstellungsverfahren erfolgen, wie spanende Bearbeitung, Prägen, Tiefziehen oder additive Metallfertigung.The channel sections can be made using a variety of manufacturing processes, including combined ones, such as machining, embossing, deep-drawing or additive metal manufacturing.

Der Kühlkörper 10 besteht aus mindestens einem, vorzugsweise gut wärmeleitenden Metall, wie Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen oder dergleichen. Korrosionshemmende Werkstoffe wieder Edelstahl sind dabei vorteilhaft für den Einsatz in einem Medien-/Flüssigkühler. Eine weitere vorteilhafte Variante besteht in einer Kanalausprägung aus Aluminium und einer stofflich verbunden wärmespreizenden Einfügung einer Kupferschicht zwischen dem Aluminiumteil und den Verlustleistung erzeugenden Komponenten.The heat sink 10 consists of at least one metal, preferably a metal with good thermal conductivity, such as copper alloys, aluminum alloys or the like. Corrosion-inhibiting materials such as stainless steel are advantageous for use in a media/liquid cooler. A further advantageous variant consists in a channel formation made of aluminum and a materially connected, heat-spreading insertion of a copper layer between the aluminum part and the components generating power loss.

Zusätzlich besteht die Möglichkeit an den schmalen Seiten der Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 beziehungsweise seiner Halbschalen Wärmekontaktflächen für weitere Verlustleistung erzeugende Komponenten vorzusehen.In addition, there is the possibility of providing thermal contact surfaces for further components that generate power losses on the narrow sides of the helix channel cooler unit 1 or its half-shells.

In wird beispielhaft eine mögliche Gestaltung einer gruppierten und verbundenen Kanalanordnung einer Helix-Kanalform 50 eines Kühlkörpers 10 als Bestandteil einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 aufgezeigt. In der Abbildung befinden sich links eine Draufsicht der Kanalabschnitte in z-x-Richtung 70 der zweiten Halbschale 12 mit Medienzugang 30 und Medienabgang 31 und in der Mitte eine Draufsicht der Kanalabschnitte in z-y-Richtung 71 der ersten Halbschale 11. Im Unterschied zu sind hier die Kanalabschnitte jeweils in mehreren Kanalzügen aneinandergereiht. In der Mitte sind serielle Verbindungen der einzelnen Kanalzüge untereinander vorgesehen. Dies wird deutlich durch die zum Teil vergrößerten Kanalabschnitte in z-y-Richtung 71 der ersten Halbschale 11. Rechts sind die resultierenden (symbolischen) mittleren Strömungsvektoren 60 in der Helix-Kanalform 50 im Kühlkörper 10 bestehend aus den beiden Halbschalen in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild) dargestellt.In a possible design of a grouped and connected channel arrangement of a helix channel shape 50 of a heat sink 10 as part of a helix channel cooler unit 1 is shown as an example. The figure shows a top view of the channel sections in the zx direction 70 of the second half-shell 12 with media access 30 and media outlet 31 on the left and a top view of the channel sections in the zy-direction 71 of the first half-shell 11 in the middle the channel sections are each lined up in several channel strips. Serial connections between the individual channel strips are provided in the middle. This is made clear by the partially enlarged channel sections in the zy direction 71 of the first half-shell 11. On the right are the resulting (symbolic) mean flow vectors 60 in the helix channel shape 50 in the heat sink 10 consisting of the two half-shells in a perspective view (X-ray image ) shown.

Die dargestellte Verkettung und Anreihung mehrerer Kanalzüge ist besonders geeignet, um eine flächige Anordnung von Wärme erzeugenden Komponenten gleichmäßig zu kühlen. Dabei ist eine serielle Verbindung der Kanalzüge wie beispielhaft dargestellt vorteilhaft ausführbar zur Verringerung von Temperaturgefällen. Eine weitere Möglichkeit bietet hier eine parallele Durchströmung einzelner Kanalzüge. In einer weiteren Variante ist auch die Platzierung des Medienzuganges 30 und die des Medienabganges 31 auf der gleichen Körperseite, statt auf unterschiedlichen oder gegenüberliegenden Seiten, möglich.The chaining and arrangement of multiple ducts shown is particularly suitable for uniformly cooling a planar arrangement of heat-generating components. In this case, a serial connection of the duct strips, as shown by way of example, can advantageously be implemented in order to reduce temperature gradients. A further possibility offers a parallel flow through individual ducts. In a further variant, it is also possible to place media access 30 and media outlet 31 on the same side of the body, instead of on different or opposite sides.

zeigt eine beispielhafte zweiteilige Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen mit beidseitigem Aufbau der leistungselektronischen Halbleiter-Baugruppen auf dem Kühlkörper 10 in Schnittdarstellung. Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 besteht aus einem Kühlkörper 10 aufweisend eine erste Halbschale 11 und eine zweite Halbschale 12 angeordnet unterhalb der ersten Halbschale 11, wobei in der ersten Halbschale 11 der Medienzugang 30 und der Medienabgang 31 an den gegenüberliegenden Enden der Halbschale liegen. Medienzugang 30 und Medienabgang 31 sind durch eine Helix-Kanalform 50 miteinander verbunden. Auf den nach außen gerichteten Oberflächen der ersten Halbschale 11 und der zweiten Halbschale 12 sind jeweils Halbleiterkomponenten 40 mit Leistungshalbleitern 20 als Beispiel für Verlustleistung erzeugende Komponenten montiert. Diese Verlustleistung erzeugenden Komponenten sind dabei vorzugsweise stofflich an das Kühlermetall der Halbschalen angebunden, beispielsweise durch Löten oder Niedertemperatur-Sintern. shows an exemplary two-part embodiment of a helix channel cooler unit 1 for power electronic semiconductor assemblies with the power electronic semiconductor assemblies being built up on both sides on the heat sink 10 in a sectional view. The helix channel cooler unit 1 consists of a heat sink 10 having a first half-shell 11 and a second half-shell 12 arranged below the first half-shell 11, with the media inlet 30 and the media outlet 31 in the first half-shell 11 at the opposite ends of the half-shell lay. Media access 30 and media outlet 31 are connected to one another by a helical channel shape 50 . Semiconductor components 40 with power semiconductors 20 are mounted on the outwardly directed surfaces of the first half-shell 11 and the second half-shell 12 as an example of components that generate power losses. These components that generate power loss are preferably materially connected to the cooler metal of the half-shells, for example by soldering or low-temperature sintering.

stellt beispielhafte zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen nach in Schnittdarstellung dar, wobei die erste Halbschale 11 und die zweite Halbschale 12 zu der ersten Kühlkörper-Halbschale 90 und der zweiten Kühlkörper-Halbschale 91 funktionell erweitert werden. 1 shows an exemplary two-part embodiment of the helix channel cooler unit 1 for power electronic semiconductor assemblies in sectional view, with the first Half-shell 11 and the second half-shell 12 are functionally expanded to form the first heatsink half-shell 90 and the second heatsink half-shell 91 .

In der Abbildung sind zusätzlich zu den Komponenten in zwei Kondensatoren, nämlich ein erster Kondensator 80 und ein zweiter Kondensator 81, abgebildet. Die beiden Kondensatoren sind jeweils neben dem Medienzugang 30 und dem Medienabgang 31 der Stirnflächen des Kühlkörpers 10 installiert. So steht die Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 in thermischen Kontakt mit in diesem Beispiel den Kondensatoren des leistungselektronischen Systems und die die erste Halbschale 11 und die zweite Halbschale 12 werden so zu der ersten Kühlkörper-Halbschale 90 und der zweiten Kühlkörper-Halbschale 91 funktionell erweitert. Gemäß Abbildung ist der erste Kondensator 80 dabei teilintegriert in die Kühlkörper-Halbschalen und der zweite Kondensator 81 ist exemplarisch voll-integriert in die Kühlkörper-Halbschalen. Prinzipiell ist eine derartige Kontaktierung von zu kühlenden Bauteilen nicht auf Halbleiter-Komponenten beschränkt.In the figure, in addition to the components in two capacitors, namely a first capacitor 80 and a second capacitor 81 are shown. The two capacitors are each installed next to the media inlet 30 and the media outlet 31 of the end faces of the heat sink 10 . The helix channel cooler unit 1 is in thermal contact with the capacitors of the power electronic system in this example, and the first half-shell 11 and the second half-shell 12 thus become the first heat sink half-shell 90 and the second heat sink half-shell 91 functionally expanded. According to the figure, the first capacitor 80 is partially integrated into the half-shells of the heat sink and the second capacitor 81 is, for example, fully integrated into the half-shells of the heat sink. In principle, such contacting of components to be cooled is not limited to semiconductor components.

Das quaderförmige Volumen der zweiteiligen Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 besitzt insgesamt bis zu sechs Flächen, die Funktionen erhalten können: Bis zu zwei Flächen besitzen dabei je einen Medienzugang 30 und einen Medienabgang 31.The cuboid volume of the two-part helix channel cooler unit 1 has a total of up to six surfaces that can be given functions: Up to two surfaces each have a media inlet 30 and a media outlet 31.

Neben der in den Abbildungen aufgezeigten zweiteiligen Ausführungsform ist auch eine einteilige Ausführungsform möglich. Die einteilige Ausführungsform weist innenliegende helikale Kanäle derartig auf, wie sie nur durch einteilige, additive Fertigung hergestellt werden können. Auch in dieser Ausführung können an den größeren, gegenüberliegenden Planflächen die Verlustleistung erzeugenden Komponente aufgebaut werden. Der zusätzliche Vorteil der einteiligen Variante gegenüber der zweiteiligen Variante ist die Möglichkeit des Ausgleichs von unterschiedlichen Wärmeflüssen bei unterschiedlicher Belastung der Wärme (Verlustleistung) erzeugenden Komponenten.In addition to the two-piece embodiment shown in the figures, a one-piece embodiment is also possible. The one-piece embodiment has internal helical channels of a type that can only be made by one-piece additive manufacturing. In this embodiment, too, the components that generate the power loss can be built up on the larger, opposite planar surfaces. The additional advantage of the one-piece variant compared to the two-piece variant is the possibility of compensating for different heat flows with different loads on the components that generate heat (power loss).

BezugszeichenlisteReference List

11
Helix-Kanal-Kühler-EinheitHelix channel cooler unit
1010
Kühlkörperheatsink
1111
erste Halbschalefirst half shell
1212
zweite Halbschalesecond half shell
2020
Leistungshalbleiterpower semiconductors
3030
Medienzugangmedia access
3131
Medienabgangmedia outlet
4040
Halbleiterkomponentensemiconductor components
5050
Helix-KanalformHelix channel shape
6060
Strömungsvektorenflow vectors
7070
Kanalabschnitte in z-x-RichtungChannel sections in the z-x direction
7171
Kanalabschnitte in z-y-RichtungChannel sections in the z-y direction
8080
erster Kondensatorfirst capacitor
8181
zweiter Kondensatorsecond condenser
9090
erste Kühlkörperhalbschalefirst heatsink half shell
9191
zweite Kühlkörperhalbschalesecond heat sink half shell

Claims (8)

Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung aufweisend - einen Kühlkörper (10); - einen Medienzugang (30); - einen Medienabgang (31); - eine Helix-Kanalform (50); - zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente; wobei - der Kühlkörper (10) die Helix-Kanalform (50) beinhaltet und sich Medienzugang (30) und Medienabgang (31) auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden; und - ein Medium über den Medienzugang (30) in die Helix-Kanalform (50) gelangt und diese über den Medienabgang (31) wieder verlässt; - auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers (10) mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist; und - durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Helix-Kanalform (50) zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist.Helix channel cooler unit (1) for electronic assemblies with three-dimensional channel routing having - a heat sink (10); - a media access (30); - a media outlet (31); - a helical channel shape (50); - At least one power loss generating component; - the heat sink (10) includes the helical channel shape (50) and the media inlet (30) and media outlet (31) are located on the surface of the heat sink; and - a medium enters the helix channel shape (50) via the media access (30) and leaves it again via the media outlet (31); - At least one component generating power loss is mounted on at least one surface of the heat sink (10); and - a forced helical flow movement of the medium and thus a better heat transfer along the channel walls is generated by the three-dimensional channel guidance, characterized in that - the helical channel shape (50) has channel sections combined into a helix. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) quaderförmig ausgebildet ist.Helix channel cooler unit (1) after claim 1 , characterized in that the heat sink (10) is cuboid. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) - einteilig oder - zweiteilig mit einer ersten Halbschale (11) und einer zweiten Halbschale (12) ausgebildet ist.Helix channel cooler unit (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the heat sink (10) - is formed in one piece or - in two parts with a first half-shell (11) and a second half-shell (12). Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers (10) wenigstens teilweise oder vollständig und unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt sind.Helix channel cooler unit (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the different surfaces of the heat sink (10) are at least partially or completely and are equipped independently of one another with components that generate power loss. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verlustleistung erzeugende Komponenten Halbleiter-Komponenten (40) und / oder Kondensatoren umfassen.Helix-channel cooler unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that components generating power losses comprise semiconductor components (40) and/or capacitors. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) aus einem Metall, einer Metalllegierung und / oder keramischen Werkstoffen, bevorzugt Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirconiumdioxid, Nickel, Edelstähle, ausgebildet ist.Helix channel cooler unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink (10) is made of a metal, a metal alloy and/or ceramic materials, preferably copper alloys, aluminum alloys, silicon nitride, aluminum nitride, zirconia, nickel, stainless steels. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zweiteiligen Ausführung die erste Halbschale (11) und die zweite Halbschale (12) funktionell zu einer ersten Kühlkörperhalbschale (90) und einer zweiten Kühlkörperhalbschale (91) erweiterbar sind.Helix channel cooler unit (1) after claim 3 , characterized in that in a two-part design, the first half-shell (11) and the second half-shell (12) are functionally expandable to form a first heat sink half-shell (90) and a second heat sink half-shell (91). Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zweiteiligen Ausführung die Helix-Kanalform (50) durch Ausbildung von Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen der Halbschalen erhalten wird, wobei die Halbschalen die Kanalabschnitte auf verschiedenen Ebenen zwischen den Koordinatenachsen im kartesischen Koordinatensystem aufweisen und die Kanalabschnitte überlappen, so dass ein helikaler Verlauf ausgebildet ist.Helix channel cooler unit (1) after claim 3 , characterized in that in a two-part design the helical channel shape (50) is obtained by forming depressions in the half-shells and then placing the half-shells on top of one another in pairs, the half-shells having the channel sections on different levels between the coordinate axes in the Cartesian coordinate system and the channel sections overlap so that a helical course is formed.
DE102021119213.7A 2021-07-25 2021-07-25 Helix channel cooler unit Active DE102021119213B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021119213.7A DE102021119213B4 (en) 2021-07-25 2021-07-25 Helix channel cooler unit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021119213.7A DE102021119213B4 (en) 2021-07-25 2021-07-25 Helix channel cooler unit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102021119213A1 DE102021119213A1 (en) 2023-01-26
DE102021119213B4 true DE102021119213B4 (en) 2023-02-09

Family

ID=84784856

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021119213.7A Active DE102021119213B4 (en) 2021-07-25 2021-07-25 Helix channel cooler unit

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102021119213B4 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001063667A1 (en) 2000-02-23 2001-08-30 Teracom Ab Apparatus for heat transport away from heated elements and a method for manufacturing the apparatus
DE102005058780A1 (en) 2005-12-09 2007-06-14 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Micro heat exchanger and the use thereof as a fluid cooler for electronic components
US20160313390A1 (en) 2009-11-30 2016-10-27 Essai, Inc. Systems and methods for conforming test tooling to integrated circuit device with whirlwind cold plate
WO2018134031A1 (en) 2017-01-20 2018-07-26 Danfoss Silicon Power Gmbh Electronic power system and method for manufacturing the same
WO2020209390A1 (en) 2019-04-12 2020-10-15 株式会社ティラド Stacked plate heat exchanger

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001063667A1 (en) 2000-02-23 2001-08-30 Teracom Ab Apparatus for heat transport away from heated elements and a method for manufacturing the apparatus
DE102005058780A1 (en) 2005-12-09 2007-06-14 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Micro heat exchanger and the use thereof as a fluid cooler for electronic components
US20160313390A1 (en) 2009-11-30 2016-10-27 Essai, Inc. Systems and methods for conforming test tooling to integrated circuit device with whirlwind cold plate
WO2018134031A1 (en) 2017-01-20 2018-07-26 Danfoss Silicon Power Gmbh Electronic power system and method for manufacturing the same
WO2020209390A1 (en) 2019-04-12 2020-10-15 株式会社ティラド Stacked plate heat exchanger

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021119213A1 (en) 2023-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013101747B4 (en) COOLER
DE60208953T2 (en) Cooling plate with flat hose for liquid cooling of electrical components
EP1406297A2 (en) Microstructure cooling device and use thereof
DE112017002842T5 (en) Heat sink and cooling device
DE10393585T5 (en) Distributor for reducing the pressure drop in microchannel heat exchangers
DE102012201710A1 (en) heat exchangers
DE102019202425A1 (en) Arrangement for uniform cooling of components and motor vehicle with at least one arrangement
DE112014006676T5 (en) Power module device, power conversion device, and method of making a power module device
DE102021119213B4 (en) Helix channel cooler unit
DE4116960A1 (en) COOLING DEVICE FOR AT LEAST ONE CAPACITOR AND METHOD FOR THEIR PRODUCTION
DE102006040187A1 (en) Power electronics component cooling system, for use in e.g. passenger aircraft, has cooling device including heat sinks, where heat sinks are separately supplied with cooling fluids from different cooling fluid sources
EP2702845B1 (en) Arrangement for the temperature control, in particular cooling, of heat-generating components using a cooling plate
DE112011101959T5 (en) Heat sink and process for its production
DE202021103958U1 (en) Helix duct cooler unit
DE202018100041U1 (en) Liquid cooling system
DE102019127203A1 (en) Cooling system with a serpentine passage
DE102006033724A1 (en) Circuit board with cooling architecture
DE102010045905B3 (en) Cross-flow micro heat exchanger
WO2011150920A2 (en) Heat exchanger
DE102020132689B4 (en) Power electronic system with a switching device and with a liquid cooling device
DE102022109148A1 (en) Heat sink for an electronic component and a corresponding cooling arrangement
DE102023003323A1 (en) Cooling device and method for producing a heat sink
DE102022100756A1 (en) Heat sink with heat pipe for an electronic component and a corresponding arrangement
DE102021211544A1 (en) Cooling rib of a fluid-through-flow cooler for cooling power electronics
DE102020200110A1 (en) Cooling device

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final