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Die Erfindung betrifft einen Kühler für ein elektronisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ein elektronisches Bauteil, das im Gebrauch Wärme erzeugt, kann auf der Außenfläche angeordnet sein, und ein Kühlmittel zum Wegtransportieren der Wärme kann durch die Kanäle geleitet werden. Ferner betrifft die Erfindung ein Halbleiterleistungsmodul, das solch einen Kühler umfasst.
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Im Betrieb erzeugen elektronische Bauteile wie beispielsweise Halbleiterschalter Wärme. Diese Wärme sollte mittels des durch die Kanäle eines Kühlers geleiteten Kühlmittels abgeführt werden, wobei das elektronische Bauteil direkt oder indirekt auf einer Außenfläche des Kühlers oder genauer der Außenseite der Grundplatte montiert ist. Solch ein Kühler wird in der
US 10 999 955 B2 offenbart. Das Kühlmittel kann ein beliebiges einer Anzahl von verschiedenen Fluiden sein, die auf dem Gebiet bekannt sind. In der Regel kann Wasser mit oder ohne geringe Additive verwendet werden.
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DE 202 08 106 U1 ,
US 10 999 955 B2 und
DE 10 2019 127 203 A1 beschreiben jeweils Kühleranordnungen mit Kühlmittelkanälen zum Leiten von Kühlmittel.
DE 202 08 106 U1 weist dabei eine erste und eine zweite Art von Kanälen auf, deren Geometrien sich voneinander unterscheiden.
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In Abhängigkeit von der Geometrie der Grundplatte ist es schwierig, eine Fluidverteilung zu den Fluidkanälen zu erreichen, die der notwendigen Kühlwirkung entspricht. Es ist oftmals der Fall, dass bestimmte elektronische Bauteile im Betrieb mehr Wärme erzeugen als andere oder dass elektronische Bauteile inhomogen über die Außenfläche des Kühlers verteilt sind. In solch einem Fall erfordern bestimmte Teile des Kühlers, jene, die der hohen Konzentration von erzeugter Wärme am nächsten sind, mehr Kühlung als andere Teile. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, dass bestimmte Teile des Kühlers mehr Kühlung als andere Teile ermöglichen. Darüber hinaus ist bekannt, dass es schwierig ist, eine homogene Fluidverteilung zu den Fluidkanälen in Bereichen zu gewährleisten, in denen diese homogene Kühlung erforderlich ist, da der Strom durch einzelne Kanäle stark von dem Abstand des Einlasses des Kanals von der Kühlmittelfluidquelle, dem Abstand des Auslassendes des Kanals von der Wärmesenke des Kühlmittelfluids, der Geometrie des Einlasses oder Auslasses des Kanals oder anderen Faktoren abhängig ist. Eine andere Aufgabe eines verbesserten Kühlers wäre daher, zu gewährleisten, dass es eine homogene Fluidverteilung zu den Fluidkanälen in Bereichen gibt, in denen diese homogene Kühlung erforderlich ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die oben genannten Aufgaben insofern gelöst, als mindestens eine erste Art von Kanälen und eine zweite Art von Kanälen auf der Innenfläche der Grundplatte angeordnet sind, wobei sich eine Geometrie der ersten Art von Kanälen und der zweiten Art von Kanälen darin unterscheidet, dass sich eine durch die erste Art von Kanälen strömende Strommenge von einer durch die zweite Art von Kanälen strömenden Strommenge unterscheidet, wobei ein erster Strömungswiderstand und/oder ein zweiter Strömungswiderstand der Kanäle von einer Strömungsrichtung abhängig sind, wodurch eine Strommenge in der einen Richtung dem 1,2 bis 4-fachen der durch den gleichen der Kanäle in eine entgegengesetzte Richtung strömenden Strommenge beträgt.
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Dies hat zum Beispiel im Falle von länglichen Kühlern die Wirkung, dass nur eine geringere Kühlmittelmenge durch die Kanäle der ersten Art strömen kann, so dass genug Kühlmittel durch die zweite Art von Kanälen strömen kann, die weiter entfernt von einem Einlassverteiler positioniert sein könnten. Damit wird die Wärme homogen abgeführt, und es wird gewährleistet, dass alle Kanäle mit Kühlmittel versorgt werden.
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Es wird bevorzugt, dass die Kanäle parallel mit einem ersten Verteiler und zweiten Verteiler verbunden sind. In Abhängigkeit von der Strömungsrichtung könnte einer der Verteiler als ein Einlassverteiler verwendet werden und der andere Verteiler als ein Auslassverteiler verwendet werden. Die Verwendung der Verteiler vereinfacht die Installation des Kühlers und gestattet die Verwendung einer hohen Anzahl von Kanälen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Kanäle die gleiche Breite und/oder Tiefe auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Dicke der Kanalwände konstant sein. Solch ein Design gestattet mehrere Herstellungsverfahren, führt zu weniger Materialkonzentration und daher zu einer reduzierten Masse des Kühlers. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn der Kühler in mobilen Vorrichtungen wie zum Beispiel Autos verwendet wird.
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In einigen Fällen kann die Kanalgeometrie, z. B. die Kanalbreite, entlang dem Strömungspfad variieren, um die kalorimetrischen Wirkungen, die das Fluid (in der Regel um 10K) erwärmen, auszugleichen, da sie Wärmeenergie von den wärmeerzeugenden Vorrichtungen absorbiert. Diese variierende Kanalgeometrie erhöht die Kühlwirkung entlang dem Strömungspfad, wodurch eine homogene Temperaturverteilung in dem Aufbau gewährleistet wird. Ohne diesen geometrischen Ausgleich können die kalorimetrischen Wirkungen Temperaturgradienten in dem Aufbau verursachen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Art von Strömungskanälen den ersten Strömungswiderstand auf, und die zweite Art von Strömungskanälen weist den zweiten Strömungswiderstand auf, wobei der erste Strömungswiderstand und der zweite Strömungswiderstand verschieden sind. Der Strömungswiderstand kann durch die Geometrie der Kanäle bzw. die Kanalwände beeinflusst werden. Mittels verschiedener Strömungswiderstände ist es relativ leicht, die durch die Kanäle strömende Strommenge zu beeinflussen. Gleichzeitig werden blockierte Kanäle, die zu Totwasserbereichen führen würden, vermieden. In solchen Totwasserbereichen gibt es keine Bewegung des Fluids, was zu verschiedenen Korrosionsproblemen führen kann. Wenn der Strömungswiderstand hoch ist, führt selbst ein hoher Differenzialdruckabfall zu einer geringen Strommenge, wobei bei einem geringen Strömungswiderstand der gleiche Differenzialdruckabfall zu einer höheren Strommenge durch den Kanal führt. Dies bedeutet, dass durch Variieren des Strömungswiderstands die durch die Kanäle strömende Strommenge beeinflusst werden kann.
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Der erste Strömungswiderstand und/oder der zweite Strömungswiderstand der Kanäle hängt von einer Strömungsrichtung ab. Damit wird eine Diodizität erhalten, was bedeutet, dass die durch die jeweiligen Kanäle strömende Fluidmenge von einer Strömungsrichtung abhängig ist. Die Strommenge in der einen Richtung kann zwischen dem 1,2- bis 4-Fachen der durch den gleichen Kanal in die entgegengesetzte Richtung strömenden Strommenge betragen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Kanäle der ersten Art von Kanälen eine solche Geometrie auf, dass nur in einer Strömungsrichtung eine bestimmte Menge des Stroms umgelenkt wird. In der entgegengesetzten Richtung erfolgt keine Umlenkung, was bedeutet, dass der Strömungswiderstand der ersten Art von Kanälen von der Strömungsrichtung abhängig ist.
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Es könnte bevorzugt werden, dass die Kanäle der zweiten Art von Kanälen eine solche Geometrie aufweisen, dass nur in einer Strömungsrichtung eine bestimmte Menge des Stroms umgelenkt wird, wobei der Strom durch die erste Art von Kanälen in der gleichen Strömungsrichtung nicht umgelenkt wird. Damit wird die Differenz zwischen dem Widerstand der ersten Art von Kanälen und dem Strömungswiderstand der zweiten Art von Kanälen vergrößert.
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Bei einer alternativen Ausführungsform weisen die Kanäle der zweiten Art von Kanälen eine mäanderförmige Geometrie auf. Der Strömungswiderstand der zweiten Art von Kanälen ist dann von der Strömungsrichtung unabhängig.
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Vorteilhafterweise sind die Kanäle in Mustern angeordnet, wobei in jedem Muster Kanäle der gleichen Art angeordnet sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kühler eine dritte Art von Kanälen, deren Kanäle einen ersten Teil und einen zweiten Teil umfassen, wobei in dem ersten Teil die Geometrie des ersten Teils so ist, dass eine bestimmte Menge des Stroms in einer Strömungsrichtung umgelenkt wird, und die Geometrie des zweiten Teils so ist, dass eine bestimmte Menge des Stroms in der entgegengesetzten Strömungsrichtung umgelenkt wird. Die durch diese dritte Art von Kanälen strömende Strommenge ist dann unabhängig von der Strömungsrichtung immer gering, aber im Vergleich zu blockierten Kanälen werden Totwasserbereiche vermieden.
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Vorteilhafterweise umfassen die Kanalwände der ersten und/oder zweiten und/oder dritten Art von Kanälen Strukturen, die einen Rückstrom in einer Strömungsrichtung und einen geraden Strom in der entgegengesetzten Strömungsrichtung verursachen. Dies führt zu einer hohen Diodizität.
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Der Rückstrom kann durch Kanäle verursacht werden, wobei die erste und/oder zweite und/oder dritte Art von Kanälen abwechselnd gekrümmte Abschnitte umfasst, wobei sich an jedem gekrümmten Abschnitt ein Umkehrkanal befindet. Dann schlängelt sich der Hauptstrom durch die Kanäle, wobei der umgelenkte Strom, der nur eine geringe Strommenge ist, durch den Umkehrkanal an jedem gekrümmten Abschnitt umgekehrt wird.
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Es wird bevorzugt, dass die erste und/oder zweite und/oder dritte Art von Kanälen einen länglichen Abschnitt zwischen jedem gekrümmten Abschnitt umfasst. Eine größere Länge der länglichen Abschnitte führt zu weniger gekrümmten Abschnitten und einem kürzeren Kanal.
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Vorzugsweise ist ein ankommendes Ende der Außenwand des Umkehrkanals mit einer Außenwand des länglichen Abschnitts bündig. Dann kann der Strom entlang den Kanalwänden gleiten, und Störungen wie Turbulenzen werden vermieden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlers ist die Grundplatte rechteckig und weist eine Breite und eine Länge auf, wobei die Länge mindestens das Dreifache der Breite beträgt. Solch eine Form wird in der Regel für Umrichter im Automobilbereich verwendet.
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Es wird bevorzugt, dass die Grundplatte durch Heiß- oder Kaltschmieden hergestellt wird. Dieser Herstellungsprozess arbeitet mit sehr hohen Presskräften, die das Material zum Fließen in die durch ein Schmiedewerkzeug definierten erforderlichen Geometrien drücken. Er gestattet eine kostengünstige und zuverlässige Produktion, wobei die Grundplatte in der Regel aus einem Metall hergestellt ist.
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Die oben erwähnten Aufgaben werden durch ein Halbleiterleistungsmodul gelöst, das einen Kühler wie oben beschrieben umfasst. Das Halbleiterleistungsmodul umfasst elektronische Bauteile wie beispielsweise Halbleiterschalter, die durch den Kühler gekühlt werden. Solche Halbleiterschalter können Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) oder andere Bauelemente, die auf dem Gebiet bekannt sind, umfassen und können Halbleiter auf Siliciumbasis oder Halbleiter mit großer Bandlücke wie beispielsweise Siliciumcarbid (Sic) oder Galliumnitrid (GaN) verwenden.
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Es werden nunmehr bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei:
- 1 eine erste Ausführungsform einer Grundplatte eines Kühlers zeigt,
- 2 eine zweite Ausführungsform der Grundplatte eines Kühlers zeigt und
- 3 eine dritte Ausführungsform der Grundplatte eines Kühlers zeigt.
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In 1 ist ein Abschnitt einer Grundplatte 1 gezeigt. Kanalwände 2 sind auf einer Innenseite 3 der Grundplatte 1 angeordnet. Fluidkanäle einer ersten Art 4 und einer zweiten Art 5 sind zwischen den Kanalwänden 2 gebildet.
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Die erste Art von Kanälen 4 weist eine solche Geometrie auf, dass in einer Strömungsrichtung eine bestimmte Menge des Stroms umgelenkt wird. In dieser Strömungsrichtung ist ein Strömungswiderstand der Kanäle höher als in der entgegengesetzten Richtung. Dies hat die Wirkung, dass eine durch die erste Art von Kanälen 4 in einer Richtung strömende Strommenge geringer als in der entgegengesetzten Richtung ist.
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Die zweite Art von Kanälen 5 weist eine solche Geometrie auf, dass sich der Strom durch die Kanäle schlängelt, wobei der Strömungswiderstand und die Strommenge von der Strömungsrichtung unabhängig sind.
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In 2 wird ein Abschnitt einer Grundplatte 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Es werden nur ein Kanal der ersten Art 4 und ein Kanal der zweiten Art 5 gezeigt. Die Geometrie der ersten Art von Kanälen 4 und der zweiten Art von Kanälen 5 ist die gleiche, aber sie sind in einer entgegengesetzten Richtung ausgerichtet.
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Die Kanäle umfassen gekrümmte Abschnitte 6 und längliche Abschnitte 7 zwischen jedem gekrümmten Abschnitt 6. Umkehrkanäle 8 befinden sich an jedem gekrümmten Abschnitt 6. Solch eine Struktur verursacht einen Rückstrom in einer Richtung und einen mehr oder weniger geraden Strom in der entgegengesetzten Richtung. Mit anderen Worten umfassen die Kanäle einen Strömungswiderstand, der von der Strömungsrichtung abhängig ist.
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Um Turbulenzen zu vermeiden, ist ein ankommendes Ende 9 einer Außenwand 10 des Umkehrkanals 8 mit einer Außenwand 11 des länglichen Abschnitts 7 bündig.
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In 3 wird ein Abschnitt einer Grundplatte 1 gemäß einer dritten Ausführungsform gezeigt. Nur Kanäle von der ersten Art 4 werden gezeigt. Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform sind die Ränder der gekrümmten Abschnitte winkelförmiger ausgeführt. Alle Kanäle weisen die gleiche Breite und Tiefe auf, und eine Dicke der Kanalwände 2 ist konstant. Daher kann solch eine Struktur leicht durch Heiß- oder Kaltschmieden hergestellt werden.
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Obgleich die vorliegende Offenbarung bezüglich einer bestimmten Ausführungsform davon dargestellt und beschrieben wurde, ist für den Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen an der Offenbarung vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundplatte
- 2
- Kanalwände
- 3
- Innenfläche
- 4
- erste Art von Kanälen
- 5
- zweite Art von Kanälen
- 6
- gekrümmter Abschnitt
- 7
- länglicher Abschnitt
- 8
- Umkehrkanal
- 9
- ankommendes Ende
- 10
- Außenwand des Umkehrkanals
- 11
- Außenwand des länglichen Abschnitts
