DE102022213942A1 - Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements - Google Patents

Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements Download PDF

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DE102022213942A1 DE102022213942.9A DE102022213942A DE102022213942A1 DE 102022213942 A1 DE102022213942 A1 DE 102022213942A1 DE 102022213942 A DE102022213942 A DE 102022213942A DE 102022213942 A1 DE102022213942 A1 DE 102022213942A1
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Andreas Burghardt
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements (1), mit wenigstens einem, in einem Kühlkörper (11) ausgebildeten Kühlkanal (20; 20a) zum Führen eines Fluids entlang einer Fließrichtung (21) des Fluids, mit wenigstens einer Wärmekontaktwand (18), welche zumindest mittelbar in Wirkverbindung mit dem zu kühlenden wenigstens einen Leistungshalbleiterbauelement (1) angeordnet ist, mit zwei, den wenigstens einen Kühlkanal (20; 20a) begrenzenden Seitenwänden (26; 26a, 27; 27a) und mit wenigstens einem, den Querschnitt des Kühlkanals (20; 20a) verengenden Strömungselement, das zwischen den Seitenwänden (26; 26a, 27; 27a) zumindest im Wesentlichen quer zum Kühlkanal (20; 20a) verlaufend angeordnet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements, die sich durch eine besonders gute Anpassung ihrer Kühleigenschaften an eine vorhandene Anordnung von mit der Kühlvorrichtung verbundenen Leistungshalbleiterbauelementen auszeichnet.
  • Stand der Technik
  • Eine Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2015 2012 717 A1 der Anmelderin bekannt. Die bekannte Kühlvorrichtung weist eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Kühlkanälen zum Führen eines Fluids auf. Die Kühlkanäle sind durch senkrecht zu einer Wärmekontaktwand angeordnete Seitenwände begrenzt, wobei die Seitenwände gewellt ausgebildet sind, sodass sich die Breite der Kühlkanäle in Fließrichtung des Fluids ändert. Weiterhin ist in der genannten Schrift eine Ausführungsform offenbart, bei der sich auch die Höhe eines Kühlkanals in Fließrichtung des Fluids betrachtet ändert. Hierzu ist am Grund des Kühlkanals eine rampenartige Erhebung als Strömungselement vorgesehen, das in einem Abstand zu den beiden Seitenwänden endet bzw. lediglich in einem mittleren Bereich des Querschnitts des Kühlkanals angeordnet ist.
  • In ähnlicher Weise ist es aus der DE 10 2012 102 666 B4 bei einer Kühlvorrichtung bekannt, einen Kühlkanal durch quaderförmige Erhöhungen als Strömungselemente zu strukturieren. Auch hier enden die quaderförmigen Erhöhungen jeweils in einem Abstand von Seitenwänden bzw. in einem Abstand zu weiteren Erhöhungen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass diese eine optimierte lokale Kühlwirkung bei relativ geringen Strömungsverlusten bzw. einem relativ geringen Strömungswiderstand in dem wenigstens einen Kühlkanal ermöglicht. Insbesondere ermöglicht es die Kühlvorrichtung, die Kühlvorrichtung derart auszulegen, dass beispielsweise beim Vorhandensein mehrerer Bauelemente diese jeweils ihre maximal mögliche, ggf. unterschiedliche Betriebstemperatur nicht überschreiten. Dies ist beispielsweise bei Bauelementen besonders sinnvoll bzw. erforderlich, bei denen die Bauelemente temperaturabhängige Eigenschaften, zum Beispiel Schalteigenschaften, aufweisen.
  • Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, lokal unterschiedliche Strömungsverhältnisse im Kühlkanal durch das Ausbilden von Querstreben zu erzielen, die eine optimierte Wärmeübertragung von den wärmeerzeugenden Bauelementen in das (Kühl-) Fluid ermöglichen.
  • Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen, dass das wenigstens eine Strömungselement als eine vorzugsweise einen konstanten Querschnitt aufweisende Querstrebe ausgebildet ist, die sich zwischen den Seitenwänden über die gesamte Breite des Kühlkanals erstreckt, wobei zwischen der Querstrebe und den den Querschnitt des Kühlkanals zusätzlich zu den Seitenwänden begrenzenden Wänden jeweils ein Durchflussspalt für das Fluid ausgebildet ist.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Zur Verringerung des Strömungswiderstands für das Fluid bzw. Optimierung der Auslenkung des Fluids aus seiner ursprünglichen Strömungsrichtung kann es vorgesehen sein, dass der Querschnitt der Querstrebe ellipsenförmig oder tragflügelprofilartig ausgebildet ist und/oder dass eine Profilsehne des Querschnitts der Querstrebe in einem Winkel zu einer parallel zur Wärmekontaktwand verlaufen Richtung angeordnet ist, derart, dass das Fluid beim Umströmen der Querstrebe in Richtung der Wärmekontaktwand abgelenkt wird.
  • Eine weitere Optimierung der Wärmeübertragungseigenschaften in das Fluid kann erzielt werden, wenn in Bezug zu einer senkrecht zur Ebene der Wärmekontaktwand verlaufenden Richtung mehrere, in verschiedenen Höhen angeordnete Querstreben in einem Kühlkanal angeordnet sind. Der gleiche Effekt lässt sich ggf. bewirken, wenn in einem Kühlkanal mehrere Querstreben angeordnet sind, deren Querschnitte unterschiedliche Form und/oder unterschiedliche Größen aufweisen.
  • Eine erste vorteilhafte geometrische Ausgestaltung des wenigstens einen Kühlkanals sieht vor, dass wenigstens eine, vorzugsweise beide Seitenwände senkrecht zu der Wärmekontaktwand angeordnet sind, sodass die Breite des Kühlkanals in Richtung einer Z-Achse konstant ist. Dadurch ergibt sich insbesondere im Zusammenhang mit mehreren, auf einer Ebene nebeneinander angeordneten Kühlkanälen die Möglichkeit, bei einer vorgegebenen Baugröße des Kühlkörpers der Kühlvorrichtung eine relativ große Anzahl von Kühlkanälen vorzusehen. Darüber hinaus begünstigt eine derartige Anordnung bzw. Ausrichtung der Seitenwände in Höhenrichtung des Kühlkanals betrachtet eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit des Fluids.
  • Alternativ hierzu kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die zwei Seitenwände in einem schrägen Winkel, vorzugsweise maximal +/- 30Grad in Bezug zu einer senkrecht zu einer in Richtung einer Z-Achse verlaufenden Symmetrieebene angeordnet sind, sodass sich die Breite des Kühlkanals in Richtung der Z-Achse verringert oder vergrößert. Dieser Ausgestaltung liegen folgende Überlegungen zugrunde: Da die Wärmeenergie auf ihrem Weg von der oberen Abschlussplatte über die Seiten- bzw. Zwischenwände in Richtung zur unteren Abschlussplatte infolge der Wärmeübertragung an das Fluid immer geringer wird, sind in Richtung zur unteren Abschlussplatte keine engen bzw. einen geringen Querschnitt aufweisende Kühlkanäle, d.h., dass der Wärmeübergangskoeffizient in Richtung zur unteren Abschlussplatte hin geringer sein kann. Da in aufgeweiteten Querschnitten bzw. Kühlkanälen der Strömungswiderstand geringer ist, würde das Fluid hauptsächlich in Richtung des sich vergrößerten Querschnitts fließen und nicht mehr in die Nähe der oberen Abschlussplatte. Mit Hilfe der geeigneten Querstreben kann man den Strömungswiderstand in den aufgeweiteten Bereichen derart einstellen, dass das Fluid auch in Bereiche mit verringertem Querschnitt strömt. Auf diese Weise lassen sich die Wärmeübergangskoeffizienten und Strömungswiderstände in verschiedenen Bereichen des Kühlkanals unabhängiger voneinander auslegen, wobei gleichzeitig eine Materialersparnis möglich ist.
  • Wenn die Seitenwände mehrerer, in einer Ebene nebeneinander angeordneter Kühlkanäle um jeweils 180Grad zueinander gespiegelt angeordnet sind, wird darüber hinaus die Möglichkeit geschaffen, ebenfalls eine relativ hohe Anzahl von nebeneinander angeordneten Kühlkanälen in einer Ebene des Kühlkörpers zu realisieren.
  • Eine weitere konstruktive bzw. geometrische Ausgestaltung der beiden Seitenwände sieht vor, dass diese als ebene Seitenwände ausgebildet sind. Dadurch wird eine homogene Strömung des Fluids begünstigt.
  • Alternativ hierzu kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine Seitenwand, vorzugsweise beide Seitenwände, in Fließrichtung des Fluids betrachtet zumindest abschnittsweise gewellt ausgebildet ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht bei einer Verengung bzw. bei einer Verringerung der Breite zwischen den beiden Seitenwänden eine beschleunigte Strömung des Fluids und somit lokal angepasste Wärmeübertragungseigenschaften des Kühlkörpers. Alternativ kann bei einer konstanten Breite eines Kühlkanals eine S-förmige Führung des Fluids ermöglicht werden.
  • In einer bevorzugten geometrischen Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass sich die Form der gewellten Abschnitte der wenigstens einen Seitenwand in Fließrichtung des Fluids betrachtet periodisch wiederholt. Dies ist besonders vorteilhaft bei der parallelen Anordnung mehrerer Kühlkanäle in einer Ebene, da dann die Seitenwände der Kühlkanäle in Fließrichtung des Fluids bzw. in Längsrichtung der Kühlkanäle betrachtet mit einem Versatz zueinander angeordnet werden können, sodass Kühlkanäle mit gleicher Breite, jedoch Richtungswechseln in Fließrichtung des Fluids erzeugt werden können.
  • Vorteilhaft zur Anpassung bzw. Erhöhung der Kühlleistung kann es darüber hinaus sein, wenn mehrere, parallel zu der Wärmekontaktwand in Richtung einer Z-Achse in unterschiedlichen Ebenen angeordnete, vorzugsweise parallel und identisch ausgebildete Kühlkanäle vorgesehen sind.
  • Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn in Richtung einer Z-Achse betrachtet auf einer Ebene mehrere, in Richtung einer Y-Achse betrachtet nebeneinander und vorzugsweise parallel zueinander angeordnete Kühlkanäle vorgesehen sind.
  • Die beiden letztgenannten Vorschläge ermöglichen besonders hohe Kühlleistungen der Kühlvorrichtung und/oder die Möglichkeit, die Bauelemente besonders flexibel an den Wänden des Kühlkörpers anzuordnen.
  • Mit relativ geringem Aufwand und in kompakter Bauweise mit hoher Kühlleistung lässt sich die Kühlvorrichtung dadurch ausbilden, dass der Kühlkörper blockförmig ausgebildet ist, wobei alle Kühlkanäle in der gleichen Fließrichtung von dem Fluid durchströmt werden.
  • Die Fertigung einer derartigen, soweit beschriebenen, erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlvorrichtung mit komplex gestalteten Kühlkanälen lässt sich besonders einfach dadurch realisieren, wenn zumindest der Kühlkörper als ein im additiven Verfahren, insbesondere im Binderjetting-Verfahren ausgebildeter Kühlkörper ist.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer Kühlvorrichtung zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements,
    • 2 einen Längsschnitt im Bereich einer Erhebung eines Kühlkanals der Kühlvorrichtung der 1,
    • 3 einen Querschnitt im Bereich der Erhebung gemäß der 2 und
    • 4 einen Querschnitt durch einen Teilbereich der Kühlvorrichtung gemäß der 1 mit schräg angeordneten Seitenwänden.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • In der 1 ist ein Teilbereich einer Kühlvorrichtung 10 dargestellt. Die Kühlvorrichtung 10 dient zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements 1 o.ä. beim Betrieb Wärme erzeugendem Bauelement. Bei dem wenigstens einen, typischerweise jedoch mehreren Leistungshalbleiterbauelementen 1 kann es sich beispielsweise, und nicht einschränkend, um SIC-Transistoren handeln. Die Leistungshalbleiterbauelemente 1 sind typischerweise wiederum mit einem in den Figuren nicht dargestellten Schaltungsträger verbunden und Bestandteil einer elektronischen Schaltung. Die Kühlvorrichtung 10 arbeitet mit einem flüssigen Kühlmedium, im Folgenden Fluid genannt, beispielsweise mit einer Wasser/Glykol-Mischung.
  • Die Kühlvorrichtung 10 umfasst einen Kühlkörper 11, der in einem additiven Verfahren, insbesondere in sogenannten Binderjetting-Verfahren, hergestellt ist, bei dem ein schichtweiser Aufbau des Kühlkörpers 11 durch in einem Bindermaterial angeordnete metallische Partikeln und anschließendem Trocknen der jeweiligen Schicht erfolgt, wie dies aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist.
  • Die Kühlvorrichtung 10 kann beispielsweise im Automotive-Bereich, insbesondere bei E-Fahrzeugen, eingesetzt werden. Dazu wird das Fluid nach dem Durchströmen der Kühlvorrichtung 10 über einen Kühler oder Wärmetauscher wieder herabgekühlt, wobei mittels einer nicht dargestellten Pumpeinrichtung erreicht wird, dass das Fluid die Kühlvorrichtung 10 im Umwälzbetrieb durchströmt. Neben dem Kühlkörper 11, der insbesondere quaderförmig ausgebildet ist, umfasst die Kühlvorrichtung 10 zumindest an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten des Kühlkörpers 11 als separate Bauteile oder monolithisch mit dem Kühlkörper 11 ausgebildete Abschlussstücke (nicht dargestellt), die einen Fluidzufluss zum und einen Fluidabfluss vom Kühlkörper 11 ausbilden.
  • Da die Form bzw. Größe der Kühlvorrichtung 10 bzw. des Kühlkörpers 11 jeweils dem vorgegebenen Bauraum bzw. der gewünschten Kühlleistung angepasst ist, kann die Form der Kühlvorrichtung 10 grundsätzlich beliebig sein.
  • Der beispielhaft quaderförmige Kühlkörper 11 weist an seiner Oberseite und seiner Unterseite eine geschlossene Form bzw. geschlossene Oberflächen auf. Ebenso sind die gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 des Kühlkörpers 11 geschlossen ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kühlkörper 11 an seiner Oberseite und seiner Unterseite jeweils mit einer Abschlussplatte 16, 17 versehen, die als separate Bauteile, ggf. aus einem anderen (metallischen) Material wie der Kühlkörper 11, ausgebildet sind. Selbstverständlich können die Abschlussplatten 16, 17 jedoch auch zusammen mit dem Kühlkörper 11 monolithisch ausgebildet sein bzw. gefertigt werden. Im Falle einer separaten Herstellung der Abschlussplatten 16, 17 sind diese vorzugsweise durch eine stoffschlüssige und wärmeleitende Verbindung mediendicht mit dem Kühlkörper 11 verbunden.
  • Die Leistungshalbleiterbauelemente 1 sind beispielhaft im Bereich der Oberseite des Kühlkörpers 11 bzw. der oberen Abschlussplatte 16 angeordnet. Der Kühlkörper 11 bzw. die obere Abschlussplatte 16 bildet auf der dem Leistungshalbleiterbauelement 1 zugewandten Seite eine Wärmekontaktwand 18 aus.
  • Ergänzend wird erwähnt, dass Leistungshalbleiterbauelemente 1 grundsätzlich auch im Beriech der unteren Abschlussplatte 17 bzw. an der Unterseite des Kühlkörpers 11 und/oder an den Seitenflächen 12, 13 des Kühlkörpers 11 angeordnet sein können.
  • In der 1 sind die X-, Y- und Z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems eingezeichnet. In Bezug auf die Achsen dieses Koordinatensystem weist der Kühlkörper 11 eine Länge L, eine Breite B und eine Höhe H auf.
  • In dem Kühlkörper 11 sind eine Vielzahl von Kühlkanälen 20 ausgebildet, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel vier, in Richtung der Z-Achse übereinander angeordnete Ebenen mit jeweils sechs, in Richtung der Y-Achse nebeneinander angeordneten Kühlkanälen 20 vorgesehen sind. Selbstverständlich kann sowohl die Anzahl der Ebenen in Richtung der Z-Achse, als auch die Anzahl der Kühlkanäle 20 in Richtung der Y-Achse variieren bzw. dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst sein. Ebenso können die Abstände der Kühlkanäle 20 sowohl in Richtung der Z-Achse, als auch in Richtung der Y-Achse gleich sein oder variieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstecken sich die Kühlkanäle 20 in Richtung der X-Achse und sind jeweils parallel zueinander angeordnet. Weiterhin durchströmt das (nicht dargestellte) Fluid die Kühlkanäle 20 in Richtung der X-Achse in einer (gleichen) Fließrichtung 21.
  • Ergänzend wird erwähnt, dass es mit entsprechenden Geometrien der Kühlkanäle 20 bzw. parallel zu den Abschlussplatten 16, 17 angeordneter Zwischenwände auch denkbar ist, dass beispielsweise einige oder mehrere Kühlkanäle 20 auf einer oder mehreren Ebenen in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden, was durch entsprechend ausgebildete stirnseitige Abschlussstücke am Kühlkörper 11 realisiert werden könnte. So kann es vorgesehen sein, dass das Fluid beispielsweise in einer Ebene stets in einer Richtung der X-Achse, und in einer darunter oder darüber liegenden Ebene beispielsweise in der entgegengesetzten Richtung der X-Achse strömt. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass innerhalb einer Ebene die Kühlkanäle 20 abwechselnd in die eine oder die andere Richtung der X-Achse durchströmt werden.
  • Beispielhaft sind auf der oberen Abschlussplatte 16 im dargestellten Abschnitt drei Leistungshalbleiterbauelemente 1 angeordnet. Die Anordnung bzw. Platzierung der Leistungshalbleiterbauelemente 1 in Bezug die diesen zugewandten Kühlkanälen 20 erfolgt vorzugsweise in Überdeckung mit einem Kühlkanal 20. Je nach Anwendungsfall ist es jedoch auch denkbar, dass ein Leistungshalbleiterbauelement 1 im Bereich zwischen zwei Kühlkanälen 20, d.h. in Überdeckung mit einer zwischen zwei Kühlkanälen 20 ausgebildeten, die Kühlkanäle 20 seitlich begrenzenden Zwischenwand 24 angeordnet ist. Dies kann beispielweise bei Leistungshalbleiterbauelementen 1 sinnvoll sein, die einen geringeren Kühlbedarf aufweisen und/oder die durch Wärmeeintrag in die Zwischenwand 24 gekühlt werden sollen.
  • Nachfolgend werden unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen der Kühlkanäle 20 folgt erläutert:
    • Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kühlkanäle 20 von zwei, senkrecht zu den Abschlussplatten 16, 17 und parallel zur Z-Achse angeordneten Seitenwänden 26, 27 begrenzt. Die Seitenwände 26, 27 sind in Richtung der Y-Achse gekrümmt bzw. gewellt ausgebildet, wobei die Breite b eines Kühlkanals 20 in Fließrichtung 21 des Fluids betrachtet konstant sein kann oder aber veränderlich. Vorzugsweise ist die Form der Krümmungen bzw. Wellen stetig ohne Stufen. Weiterhin wiederholen sich die einzelnen Krümmungen bzw. Wellen in Fließrichtung 21 bzw. in Richtung der X-Achse betrachtet periodisch. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei in einer Ebene nebeneinander angeordnete Kühlkanäle 20 symmetrisch zu einer im Bereich einer Zwischenwand 24 verlaufenden Symmetrieachse 28 angeordnet, wodurch sich die Dicke d der Zwischenwand 24 in Richtung der X-Achse ebenfalls periodisch ändert.
  • Die minimale Dicke d der Zwischenwand 24 und/oder sonstigen, die Kühlkanäle 20 begrenzenden Strukturen beträgt aus fertigungstechnischen Gründen vorzugswiese mindestens 0,5mm.
  • Aus einer Zusammenschau der 1 bis 3 ist darüber hinaus erkennbar, dass der (rechteckförmige) Querschnitt der Kühlkanäle 20 durch in Richtung der Y-Achse verlaufende, den Strömungsquerschnitt des Kühlkanals 20 verringerte Querstreben 30 verengt ausgebildet ist.
  • Die Querstreben 30 verlaufen über die gesamte Breite b eines Kühlkanals 20 zwischen den beiden Seitenwänden 26, 27. Weiterhin ist erkennbar, dass sich in Fließrichtung 21 des Fluids in einem Kühlkanal 20 mehrere Querstreben 30 befinden. Die Abstände a zwischen zwei, in Fließrichtung des Fluids betrachtet aufeinanderfolgende Querstreben 30 können entweder gleich sein oder aber sich ändern. Insbesondere erfolgt die Anordnung der Querstreben 30 in den Bereichen, in denen ein Leistungshalbleiterbauelement 1 angeordnet ist, um eine lokale Änderung der Wärmeübertragungseigenschaften in das Fluid zu erzielen. Die Anordnung der Querstreben 30 innerhalb des Kühlkanals 20 mit einer Höhe h der ist derart, dass zwischen der den Kühlkanal 20 begrenzenden oberen bzw. unteren Wand entsprechend der 3 ein Durchflussspalt der Höhe h1 bzw. h2 ausgebildet ist, wobei die Höhen h1 und h2 gleich oder aber unterschiedlich groß sein können, d.h., dass eine Querstrebe 30 in Richtung der Z-Achse betrachtet an beliebiger Höhenposition angeordnet sein kann. So kann es ggf. günstig sein, entsprechend der 2 in Fließrichtung 21 des Fluids betrachtet eine Höhenstaffelung der Querstreben 30 vorzusehen. Die genaue Position bzw. Anordnung der Querstreben 30 in dem Kühlkanal 20 wird bevorzugt anhand nummerischer, computergestützter Simulationsprogramme mit Blick aus die gewünschte Kühlung der Leistungshalbleiterbauelemente 1 festgelegt.
  • Der Querschnitt der Querstreben 30 ist über deren Längserstreckung, d.h. in Richtung der Y-Achse betrachtet vorzugsweise kontant. Jedoch kann sowohl die Größe (Höhe und Länge) des Querschnitts, als auch die Form des Querschnitts der Querstreben 30, je nach Anwendungsfall, in vielfältiger Form variieren.
  • So ist beispielhaft in der 2 dargestellt, dass die Querstrebe 30a einen ellipsenförmigen Querschnitt mit einer Profilsehne 32 aufweist, die parallel zur oberen bzw. unteren Wand des Kühlkanals 30 verläuft. Demgegenüber ist die Profilsehne 32 der Querstrebe 30b um einen Winkel β gegenüber der unteren Wand des Kühlkanals 20 angestellt, sodass das Fluid unter Strömungsbeschleunigung in Richtung der oberen Wand des Kühlkanals 20 abgelenkt wird. Ein ähnlicher Effekt tritt bei dem tragflügelprofilartigen Querschnitt der Querstrebe 30c auf, bei dem auf der Oberseite eine Druckverringerung bei gleichzeitiger Strömungsbeschleunigung stattfindet.
  • Grundsätzlich ist es sinnvoll, mit Blick auf einen relativ geringen Strömungs- bzw. Profilwiderstand der Querstreben 30 deren Querschnitt relativ gering zu halten, während es andererseits ggf. sinnvoll sein kann, zur möglichst hohen Beschleunigung bzw. Wärmeübertragung in das Fluid einen großen Querschnitt zu verwenden. Die genaue Form und Anordnung der Querstreben 30 ist daher sehr anwendungsspezifisch.
  • Zuletzt ist in der 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der die Seitenwände 26a, 27a eines Kühlkanals 20a in einem Winkel α parallel zu einer in Richtung der Z-Achse verlaufenden Symmetrieebene 34 verlaufen, wobei der Winkel α maximal ± 30° maximal betragen kann. Dadurch ergibt sich in Richtung Z-Achse eine abnehmende Breite b des Kühlkanals 20a.
  • Die soweit beschriebene Kühlvorrichtung 10 bzw. der Kühlkörper 11 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 1020152012717 A1 [0002]
    • DE 102012102666 B4 [0003]

Claims (14)

  1. Kühlvorrichtung (10) zum Kühlen wenigstens eines Leistungshalbleiterbauelements (1), mit wenigstens einem, in einem Kühlkörper (11) ausgebildeten Kühlkanal (20; 20a) zum Führen eines Fluids entlang einer Fließrichtung (21) des Fluids, mit wenigstens einer Wärmekontaktwand (18), welche zumindest mittelbar in Wirkverbindung mit dem zu kühlenden wenigstens einen Leistungshalbleiterbauelement (1) angeordnet ist, mit zwei, den wenigstens einen Kühlkanal (20; 20a) begrenzenden Seitenwänden (26; 26a, 27; 27a) und mit wenigstens einem, den Querschnitt des Kühlkanals (20; 20a) verengenden Strömungselement, das zwischen den Seitenwänden (26; 26a, 27; 27a) zumindest im Wesentlichen quer zum Kühlkanal (20; 20a) verlaufend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Strömungselement als eine vorzugsweise einen konstanten Querschnitt aufweisende Querstrebe (30; 30a; 30b; 30c) ausgebildet ist, die sich zwischen den Seitenwänden (26; 26a, 27; 27a) über die gesamte Breite (b) des Kühlkanals (20; 20a) erstreckt, wobei zwischen der Querstrebe (30; 30a; 30b; 30c) und den den Querschnitt des Kühlkanals (20; 20a) zusätzlich zu den Seitenwänden (26; 26a, 27; 27a) begrenzenden Wänden jeweils ein Durchflussspalt (31, 33) für das Fluid ausgebildet ist.
  2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Querstrebe (30; 30a; 30b; 30c) ellipsenförmig oder tragflügelprofilartig ausgebildet ist.
  3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Profilsehne (32) des Querschnitts der Querstrebe (30b; 30c) in einem Winkel (β) zu einer parallel zur Wärmekontaktwand (18) verlaufen Richtung angeordnet ist, derart, dass das Fluid beim Umströmen der Querstrebe (30b; 30c) in Richtung der Wärmekontaktwand (18) abgelenkt wird.
  4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug zu einer senkrecht zur Ebene der Wärmekontaktwand (18) verlaufenden Richtung mehrere, in verschiedenen Höhen angeordnete Querstreben (30; 30a; 30b; 30c) in einem Kühlkanal (20; 20a) angeordnet sind.
  5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Querstreben (30; 30a; 30b; 30c) in Fließrichtung (21) des Fluids mit gleichen oder unterschiedlichen Abständen (a) zueinander angeordnet sind.
  6. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kühlkanal (20; 20a) mehrere Querstreben (30; 30a; 30b; 30c) angeordnet sind, deren Querschnitte unterschiedliche Form und/oder unterschiedliche Größen aufweisen.
  7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Seitenwände (26a; 27a) in einem schrägen Winkel (α), vorzugsweise maximal +/- 30° in Bezug zu einer senkrecht zu einer in Richtung einer Z-Achse verlaufenden Symmetrieebene (34) angeordnet sind, sodass sich die Breite (b) des Kühlkanals (20a) in Richtung der Z-Achse verringert oder vergrößert.
  8. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Seitenwände (26; 26a, 27; 27a) als ebene Wände ausgebildet sind.
  9. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Seitenwand (26; 26a, 27; 27a), vorzugsweise beide Seitenwände (26; 26a, 27; 27a), in Fließrichtung (21) des Fluids betrachtet zumindest abschnittsweise gewellt ausgebildet ist.
  10. Kühlvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Form der gewellten Abschnitte der wenigstens einen Seitenwand (26; 26a, 27; 27a) in Fließrichtung (21) des Fluids betrachtet periodisch wiederholt.
  11. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, parallel zu der Wärmekontaktwand (18) in Richtung einer Z-Achse in unterschiedlichen Ebenen angeordnete, vorzugsweise parallel und identisch ausgebildete Kühlkanäle (20; 20a) vorgesehen sind.
  12. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung einer Z-Achse betrachtet auf einer Ebene mehrere, in Richtung einer Y-Achse betrachtet nebeneinander und vorzugsweise parallel zueinander angeordnete Kühlkanäle (20; 20a) vorgesehen sind.
  13. Kühlvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (21) blockförmig ausgebildet ist, wobei alle Kühlkanäle (20; 20a) in der gleichen Fließrichtung (21) von dem Fluid durchströmbar sind.
  14. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Kühlkörper (11) in einem additiven Verfahren, insbesondere im Binderjetting-Verfahren, ausgebildet ist.
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CN208315539U (zh) 2018-06-25 2019-01-01 华北油田科达开发有限公司 一种海洋钻机平台变频大功率单管igbt驱动模块装置

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