DE112022002374T5

DE112022002374T5 - Kühler für elektronische Bauteile

Info

Publication number: DE112022002374T5
Application number: DE112022002374.0T
Authority: DE
Inventors: Henning Ströbel-Maier; Karsten Lund
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2022-04-22
Publication date: 2024-04-04
Also published as: WO2022229031A1; CN117063278A

Abstract

Eine Kühlmittelkopplungsvorrichtung, wobei der Kühler einen Hohlraum umfasst, in dem die Kühlmittelbahn um einen Winkel von mehr als 75 Grad geändert wird und der durch eine Wandstruktur mit zwei Radien definiert ist.

Description

Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft eine Kühlmittelkopplungsvorrichtung, insbesondere zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleitern.
Halbleitervorrichtungen erzeugen während ihres Betriebs Wärme, die normalerweise den Betrieb der Halbleitervorrichtung beeinträchtigt. Für Leistungshalbleitervorrichtungen ist es erforderlich, während des Betriebs gekühlt zu werden, um eine akzeptable Vorrichtungsleistung zu gewährleisten, und für Hochleistungshalbleiter wird häufig Fluidkühlung angewendet.
Eine typische Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist in 1 gezeigt, in der drei elektronische Leistungsmodule 2 auf einem Kühler 1 für elektronische Bauteile montiert sind. Der Kühler 1 wird durch ein Kühlfluid gekühlt.
2 zeigt die Unterseite der in 1 gezeigten typischen Vorrichtung nach dem Stand der Technik. Die elektronischen Leistungsmodule 2 sind in dieser Figur nicht sichtbar, da sie jetzt auf der verborgenen Fläche des Kühlers 1 liegen.
Der Kühler 1 ist hier in der Darstellung in einen ersten Teil 1a zerlegt, der einen Satz von Durchgängen 7 enthält, die dazu geeignet sind, das Kühlmittel kontrolliert zu verteilen, um eine gleichmäßige Kühlung der gekühlten Fläche zu ermöglichen. Der zweite Teil 1b wirkt als Deckel zum Schließen dieser Durchgänge und ist hier in der Darstellung der Übersicht halber entfernt. Ein Kühlmitteleinlass 3 und ein Kühlmittelauslass 4 sind in der Darstellung am Deckel befestigt und leiten in einen Einlasshohlraum 5 hinein bzw. aus einem Auslasshohlraum 6 des Hauptteils 1a des Kühlers heraus. Der Kühler 1 wird durch ein Kühlmittel gekühlt, das durch den Einlass 3 einströmt und den Kühler durch den Auslass 4 verlässt. In vielen Anlagen wird das Kühlmittel von externen Einrichtungen gekühlt (hier nicht gezeigt) und zum Einlass 3 zurückgeführt.
3 zeigt ein Detail des Auslasshohlraums 6 des in 2 gezeigten Hauptteils 1a. Die einzelnen Durchgänge 7, die das Kühlfluid durch die Bereiche, in denen die Leistungsmodule befestigt sind, geleitet haben, sind zusammen mit Pfeilen 8, die den Kühlmittelstrom anzeigen, dargestellt. Die mehreren parallelen Kühlmittelströme werden wieder vereint, bevor sie in den Auslasshohlraum 6 eintreten, und strömen dann schließlich durch den Auslass 4 aus. Der Auslass 4 weist eine Achse auf, die 90° beträgt und vom Kühlmittelstrom in den Auslasshohlraum 6 versetzt ist. Während das Kühlmittel durch den Hohlraum 6 strömt, wird es während seines Wechsels von Strömen entlang dem Kühler 1a zum Austreten aus dem Kühler durch den vertikalen Auslass 4 dazu gezwungen, die Richtung um 90° zu ändern. In einem solchen quadratischen Hohlraum führt dies wahrscheinlich zu plötzlichen Richtungsänderungen des Fluids, was einen erheblichen Gegendruck im System verursachen kann, was wiederum zu Energieverlust und zu der Notwendigkeit größerer und teurerer Pumpsysteme für die Zirkulation des Kühlfluids führt.
Auch wenn mit einigen Verlusten zu rechnen ist, wenn ein Fluidstrom vom Einlass 9 des Auslasshohlraums um volle 90° zum Auslass 4 gedreht wird, wäre es von großem Vorteil, wenn solche Verluste minimiert würden.
Kühlsysteme werden häufig dadurch eingeschränkt, dass sie in vorhandene Einrichtungen eingebaut oder im Verhältnis zu anderen Einrichtungen auf engem Raum, wie er sich im Motorraum eines Fahrzeugs befindet, platziert werden müssen, und zu diesen Einschränkungen kann auch gehören, dass ein Kühlmitteldurchgang um einen großen Winkel oder in einem solchen Winkel mit einem Versatz gedreht werden muss.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es wäre von großem Vorteil, wenn die Strömung durch einen Kühlmittelkoppler, bei dem die Strömungsrichtung um 90° geändert wird, so gesteuert würde, dass plötzliche Richtungsänderungen, Turbulenzen oder andere chaotische Bewegungen, die zu einem erhöhten Strömungswiderstand führen, minimiert werden.
Durch sorgfältiges Experimentieren und Modellieren wurde festgestellt, dass durch die sorgfältige Gestaltung des Innenraums einer solchen Kopplung der Druckverlust minimiert werden kann, mit den großen Vorteilen, die dadurch erzielt werden.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlmittelkoppler bereitzustellen, der einen Hohlraum umfasst, in dem die Kühlmittelbahn um 90° auf eine Weise geändert wird, die gleichmäßigere Strömungsänderungen beinhaltet als die, die durch Kühlmittelkoppler nach dem Stand der Technik gezeigt werden.
Es ist eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühler für elektronische Bauteile mit verbessertem Wirkungsgrad gegenüber elektronischen Leistungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik bereitzustellen.
Es ist eine weitere zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektronische Leistungsvorrichtung mit verbessertem Wirkungsgrad gegenüber elektronischen Leistungsvorrichtungen nach dem Stand der Technik bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die obige sowie weitere Aufgaben erfüllt, indem ein Kühlmittelkoppler bereitgestellt wird, der einen Hohlraum umfasst, in dem die Kühlmittelbahn um einen Winkel von mehr als 75 Grad geändert wird,
umfassend:

- ein erstes Portal mit einer Breite LP1, das mit einem ersten Kühlmittelkanal mit einer ersten Achse kommuniziert, und
- ein zweites Portal, das mit einem zweiten Kühlmittelkanal mit einer zweiten Achse kommuniziert, wobei die erste Achse und die zweite Achse rechtwinklig zueinander liegen, jedoch um einen Abstand X versetzt sind;

- einen ersten Abschnitt, der am ersten Portal beginnt und sich über eine Strecke L1 parallel zur ersten Achse fortsetzt;
- einen zweiten Abschnitt, der am Ende des ersten Abschnitts beginnt und sich mit einem Radius R1 in den Hohlraum krümmt;
- einen dritten Abschnitt, der bezüglich des ersten Abschnitts auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Portals beginnt und sich über eine Strecke L3 im rechten Winkel zur ersten Achse fortsetzt;
- einen vierten Abschnitt, der am Ende des dritten Abschnitts beginnt und sich mit einem Radius R2 in den Hohlraum krümmt, und
- einen fünften Abschnitt, der eine Tangente zwischen dem zweiten und vierten Wandsegment bildet,

Der Winkel, um den die Kühlmittelbahn geändert wird, kann in einer bevorzugten Ausführungsform innerhalb von 10 Grad eines rechten Winkels liegen, und in einer stärker bevorzugten Ausführungsform kann der Winkel ein rechter Winkel sein.
Unter Kühlmittelkoppler wird eine Vorrichtung verstanden, die einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass umfasst, und durch die Kühlmittel strömt, wobei der Kühlmittelkoppler die Bahn des Kühlmittels so ändert, dass das Kühlmittel den Kühlmittelkoppler in einer anderen Richtung verlässt als die, in der er eintrat, und mit einem bestimmten Versatz. Ein solcher Kühlmittelkoppler kann erforderlich sein, um die Kühlung einer elektronischen Vorrichtung durch bereits vorhandene Kühlmittelversorgungen, die beispielsweise im Motorraum eines Elektrofahrzeugs vorhanden sind, zu ermöglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist L1 größer als 0,8 x LP1 und kleiner als 1,2 x LP1, insbesondere größer als 0,9 x LP1 und kleiner als 1,1 x LP1.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist R1 größer als 0,8 x LP1 und kleiner als 1,2 x LP1, insbesondere größer als 0,9 x LP1 und kleiner als 1,1 x LP1.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird R2 durch die folgende Formel definiert: $R2 = a \times LP1 - b \times L3$
wobei a zwischen 1 und 3 und b zwischen 0,2 und 1 liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist LP2 größer als 0,8 x LP1 und kleiner als 1,2 x LP1.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die obige sowie weitere Aufgaben erfüllt, indem ein Kühler für elektronische Bauteile bereitgestellt wird, der einen Hohlraum umfasst, in dem die Kühlmittelbahn um einen Winkel von mehr als 75 Grad geändert wird, umfassend:

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die obigen sowie weitere Aufgaben erfüllt, indem eine elektronische Leistungsvorrichtung bereitgestellt wird, die ein oder mehrere Halbleiterleistungsmodule umfasst, die an einen Kühler für elektronische Bauteile befestigt sind, der einen Hohlraum umfasst, in dem die Kühlmittelbahn um einen Winkel von mehr als 75 Grad geändert wird,
umfassend:

Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird aus der hier nachstehend angeführten detaillierten Beschreibung verständlicher. Die beigefügten Zeichnungen dienen ausschließlich der Veranschaulichung und schränken somit die vorliegende Erfindung nicht ein. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:

1 eine typische Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
2 die Unterseite der in 1 gezeigten typischen Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
3 ein Detail des Auslasshohlraums der in 2 gezeigten Vorrichtung;
4 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;
5 einen Querschnitt V-V der in 4 gezeigten Ausführungsform;
6 eine andere Ausführungsform der Erfindung;
7 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
8 eine repräsentative Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlmittelkopplers;
9 eine repräsentative Ansicht eines Kühlers für elektronische Bauteile, der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlmittelkopplers umfasst, und
10 eine repräsentative Ansicht einer elektronischen Leistungsvorrichtung, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlmittelkopplers umfasst.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Nunmehr ausführlich auf die Zeichnungen Bezug nehmend, wird zur Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlmittelkopplers 50, der Teil eines Kühlers 10 für elektronische Bauteile ist, in 4 gezeigt.
In 4 wird in einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlmittelkopplers 50, der Teil eines Kühlers 10 für elektronische Bauteile ist, insbesondere der Auslasshohlraum 16 solch eines Kühlmittelkopplers gezeigt. Der Einlasshohlraum (nicht gezeigt) ist am gegenüberliegenden Ende des Kühlers 10 montiert und hat abgesehen davon, dass er in vertikaler Richtung umgedreht ist, eine identische Form. Das in den Auslasshohlraum 16 eintretende Fluid strömt in die gleiche Richtung, die es in einem ersten Kühlmittelkanal 20 hatte, das heißt entlang der Achse 21 des ersten Kühlmittelkanals 20, bis es auf den leicht gekrümmten Wandabschnitt 25 trifft, der allmählich beginnt, die Strömungsrichtung in den Hohlraum 16 zu drehen. Diese allmähliche Änderung der Geschwindigkeit hat im Gegensatz zu der viel schnelleren Richtungsänderung, die in Hohlräumen des Stands der Technik auftritt, eine Reihe von Vorteilen. Einer davon ist, dass weniger Energie für Turbulenzen oder nutzlose Richtungsänderungen verbraucht wird. Dies ermöglicht ein effizienteres Pumpen des Kühlmittelfluids durch das System und spart Energie. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese langsame Richtungsänderung beginnt, eine Rotation innerhalb des Fluids selbst zu fördern, die sich für den Rest des Pfads innerhalb des Kühlers fortsetzt. Insbesondere fördert sie die Zirkulation des Fluids, wenn es nach oben in das zweite Portal 14 und damit in den zweiten Kühlmittelkanal 23 und schließlich aus dem Kühler 10 strömt.
Es wurde festgestellt, dass ein solch vorteilhafter Strom durch die Dimensionierung des Hohlraums auf folgende Weise verbessert werden kann.
Wenn das erste Portal 19 eine Abmessung aufweist, die mit LP1 bezeichnet wird, beginnt der erste Wandabschnitt 24 auf einer Seite des ersten Portals 19 und verläuft parallel zur Achse 21 des ersten Kühlmittelkanals. Der erste Wandabschnitt 24 weist in dieser Ausführungsform die gleiche Abmessung LP1 wie die Breite des ersten Portals 19 auf.
Am Ende des ersten Wandabschnitts 24 beginnt sich der zweite Abschnitt 25 der Wand mit einem Radius R1 sanft nach innen zu drehen. In dieser Ausführungsform hat der Radius R1 die gleiche Abmessung LP1 wie die Breite des ersten Portals 19. Am Ende des zweiten Abschnitts 25 der Wand beginnt ein im Wesentlichen gerader fünfter Abschnitt 28 der Wand. Dieser verläuft fast genau unter einem Rand der zweiten Portalöffnung 14 und beginnt sich schließlich am vierten Abschnitt 27 der Wand, der einen Radius R2 aufweist, sanft nach innen zu krümmen. Der vierte Wandabschnitt 27 trifft schließlich auf den dritten Wandabschnitt 26, der nun rechtwinklig zur Achse 21 des ersten Kühlmittelkanals 20 verläuft. Der dritte Wandabschnitt 26 endet bezüglich des Beginns des ersten Wandabschnitts 24 auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Portals. Der Radius des vierten Wandabschnitts 27 erhöht die Rotationseigenschaft des Kühlmittelstroms im Auslasshohlraum 16. Es ist von Vorteil, wenn der Radius R1 größer als der Radius R2 ist.
Es wurde festgestellt, dass die Länge des ersten Wandabschnitts 24 vorteilhafterweise so ausgelegt werden kann, dass sie der Breite des ersten Portals 19, die hier als LP1 bezeichnet wird, gleicht. Der bevorzugte Wert von L1 liegt im Bereich: $0,8 \times LP1 < L1 < 1,2 \times LP1,$
und ein besonders bevorzugter Wert von L1 liegt im Bereich: $0,9 \times LP1 < L1 < 1,1 \times LP1 .$
In ähnlicher Weise wurde festgestellt, dass der Radius R1 vorteilhafterweise so ausgelegt werden kann, dass er der Breite des ersten Portals 19, die hier als LP1 bezeichnet wird, gleicht. Der bevorzugte Wert von R1 liegt im Bereich: $0,8 \times LP1 < R1 < 1,2 \times LP1,$
und ein besonders bevorzugter Wert von R1 liegt im Bereich: $0,9 \times LP1 < R1 < 1,1 \times LP1 .$
Es wurde auch festgestellt, dass der optimale Radius R2 des vierten Wandabschnitts davon abhängt, wie weit vom zweiten Portal 14 der vierte Wandabschnitt beginnt. Es wurde festgestellt, dass der bevorzugte Wert von R2 in den Bereichen liegt, die anhand der folgenden Gleichung bestimmt werden: $R2 = a \times LP1 - b \times L3,$
wobei 2 < a < 3 und 0,2 < b < 1.
5 zeigt einen Querschnitt V-V der in 4 gezeigten Ausführungsform.
6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Verbindung zwischen den Wandsegmenten 24, 28 und den Bodensegmenten des Auslasshohlraums 16 geglättet 30, um scharfe Geschwindigkeitsänderungen für das zirkulierende Kühlmittel innerhalb der Hohlraums zu vermeiden.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine repräsentative Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlmittelkopplers 50. Die gestrichelte Linie 55 zeigt die Kontur der Wand innerhalb des Kühlmittelkopplers, die den Auslasshohlraum 16 definiert. Das Fluid tritt durch das erste Portal 19 in den Auslasshohlraum 16 ein. Nachdem das Kühlmittel durch den Kühlmittelkoppler 50 passiert ist, verlässt es den Kühlmittelkoppler durch das zweite Portal 14.
9 ist eine repräsentative Ansicht eines Kühlers 10 für elektronische Bauteile, der eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlmittelkopplers 50 umfasst. Hier ist der Hauptkörper 56 des Kühlers 10 für elektronische Bauteile an zwei Kühlmittelkopplern 50 befestigt; wobei einer zum Koppeln des in den Hauptkörper 56 eintretenden Kühlmittels über den Kühlmitteleinlass 3 wirkt und ein zweiter zum Koppeln des den Hauptkörper 56 verlassenden Kühlmittels an den Kühlmittelauslass 4 bewirkt. Die Hohlräume in den beiden Kühlmittelkopplern 50 sind durch die gestrichelten Linien 55 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Kühlmittelkoppler 50 am Einlass und Auslass im Wesentlichen die gleiche Konstruktion aufweisen, aber gespiegelt sind.
10 ist eine repräsentative Ansicht einer elektronischen Leistungsvorrichtung 57, die eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlmittelkopplers umfasst. Hier sind drei elektronische Leistungsmodule 2, ähnlich wie in 9, auf einem elektronischen Kühler 10 montiert.

Claims

Kühlmittelkoppler, der einen Hohlraum umfasst, in dem die Kühlmittelbahn um einen Winkel von mehr als 75 Grad geändert wird umfassend: - ein erstes Portal mit einer Breite LP1, das mit einem ersten Kühlmittelkanal mit einer ersten Achse kommuniziert, und - ein zweites Portal, das mit einem zweiten Kühlmittelkanal mit einer zweiten Achse kommuniziert, wobei die erste Achse und die zweite Achse rechtwinklig zueinander liegen, jedoch um einen Abstand X versetzt sind; wobei der Hohlraum durch eine Wand definiert wird, die Folgendes aufweist: - einen ersten Abschnitt, der am ersten Portal beginnt und sich über eine Strecke L1 parallel zur ersten Achse fortsetzt; - einen zweiten Abschnitt, der am Ende des ersten Abschnitts beginnt und sich mit einem Radius R1 in den Hohlraum krümmt; - einen dritten Abschnitt, der bezüglich des ersten Abschnitts auf der gegenüberliegenden Seite des ersten Portals beginnt und sich über eine Strecke L3 im rechten Winkel zur ersten Achse fortsetzt; - einen vierten Abschnitt, der am Ende des dritten Abschnitts beginnt und sich mit einem Radius R2 in den Hohlraum krümmt, und - einen fünften Abschnitt, der eine Tangente zwischen dem zweiten und vierten Wandsegment bildet, wobei das zweite Portal eine Abmessung LP2 aufweist und so positioniert ist, dass es direkt über dem Hohlraum liegt, wobei ein Rand direkt über einem Punkt des fünften Wandabschnitts liegt, und wobei R1 > R2.
Kühlmittelkoppler nach Anspruch 1, wobei L1 größer als 0,8 x LP1 und kleiner als 1,2 x LP1 ist.
Kühlmittelkoppler nach Anspruch 1, wobei R1 größer als 0,8 x LP1 und kleiner als 1,2 x LP1 ist.
Kühlmittelkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei R2 durch folgende Formel definiert wird: $R2 = a \times LP1 - b \times L3$
wobei a zwischen 1 und 3 und b zwischen 0,2 und 1 liegt.
Kühlmittelkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei LP2 größer als 0,8 x LP1 und kleiner als 1,2 x LP1 ist.
Kühler für elektronische Bauteile, der einen Kühlmittelkoppler nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Elektronische Leistungsvorrichtung, die ein oder mehrere Halbleiterleistungsmodule umfasst, die an einem Kühler für elektronische Bauteile nach Anspruch 6 befestigt sind.