DE19646195A1

DE19646195A1 - Modular aufgebauter stranggepreßter Flüssigkeitskühlkörper mit verbesserten und einstellbaren Kühleigenschaften

Info

Publication number: DE19646195A1
Application number: DE1996146195
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Lang; Thomas Jaentsch
Original assignee: AUSTERLITZ ELECTRONIC GmbH
Current assignee: AUSTERLITZ ELECTRONIC GmbH
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 1998-05-14

Description

Anwendungsgebiet

Flüssigkeitskühlkörper werden vorzugsweise zur Kühlung elektronischer Bauelemente eingesetzt z. B. Leistungshalbleiter im oberen Leistungsbereich, wenn luftgekühlte Kühlkörper beispielsweise aus Gründen der Kühlleistung, Temperaturverteilung oder Einbauraumes in ihrer Kühlleistung nicht ausreichen oder unpraktisch sind. Weiterhin können Flüssigkeitskühlkörper im Zusam menwirken mit Rückkühl-Aggregaten betrieben werden, z. B. zum Zwecke der Wärmerückgewinnung oder Reduzierung des Kühlmediumverbrauches.

Stand der Technik

Es ist bekannt, elektronische Bauelemente mit Flüssigkeitskühlkörpern zu kühlen. Beispielsweise werden Flüssigkeitskühlkörper so gefertigt, daß in ein strang gepreßtes Profil ein mäanderförmiges Kühlrohr ("Kühlschlange") eingebaut ist. Daneben werden Flüssigkeitskühlkörper auch in Form von Kühldosen z. B. in der Ausführung als Löt- Schweiß- oder Gußkonstruktionen hergestellt.

Kritik am Stand der Technik

Für die unterschiedlichen mechanischen Maße (z. B. Bohrloch-Befestigungsbild für elektronische Bauelemente) und unterschiedliche elektrische Verlustlei stungen von Leistungshalbleitern müssen die benötigten Kühlkörper den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Dafür müssen die Flüssig keitskühlkörper in ihren Abmessungen und Kühleigenschaften dem jeweiligen Einsatzfall angepaßt werden. In der Regel bedeutet dies, daß dafür spezielle Flüssigkeitskühlkörper-Profile konstruiert werden müssen und damit dann auch spezifische Preßwerkzeuge angefertigt werden müssen, was Produkt-Lieferzeiten verlängert und Fertigungaufwand (Preise) erhöht.

Bei (stranggepreßten) Aluminium-Flüssigkeitskühlkörpern werden die Kühlrohre üblicherweise eingebracht durch:

- Einkleben der Kühlrohre mit wärmeleitenden Klebstoffen oder anderen Massen in nach "oben offene" Kanäle (Nute), so daß die Kühlrohre von der offenen Seite her eingebettet werden können.
- Einstemmen (Verpressen) der Kühlrohre in nach "oben offene" Kanäle (Nute).
- Kombination von Verpressen und Verkleben der Kühlrohre in nach "oben offene" Kanäle (Nute).

Nachteilig ist dabei der schlechte Wärmeübergang bei der Verklebung, Verpressung oder der Verklebung und Verpressung, da in der Grenzfläche Aluminiumkühlkörper- Kühlrohr schlecht wärmeleitende Hohlräume entstehen können die den Wärme durchgang behindern und somit die Kühlleistung bei vergleichbarer mechanischer Baugröße verringern. Auch wird durch die montagebedingten schlecht wärmeleitenden Massen der Wärmedurchgang zwischen Kühlrohr und Nuten verschlechtert.

Bei (z. B. stranggepreßten) Aluminium-Kühlkörpern werden die Kühlrohre üblicherweise in Konfiguration mäanderförmiger Schleifen eingebaut.

Dies bewirkt, daß die Kühlkanäle jeweils hintereinander, d. h. in Reihe geschaltet werden und dadurch die Temperaturverteilung des gesamten Kühlkörpers relativ ungleichmäßig ist. (Entlang der mit Kühlmedium durchströmten Kühlkanäle steigt die Temperatur im Kühlmedium durch Wärmeaufnahme in Strömungsrichtung mit zunehmender Länge des Kühlkanals an.) Nachteilig ist es in einer Kühlschlange, strömungstechnische Einbauten einzubringen oder gar später nachzurüsten.

Auch ist die Kühlleistung der Kühlschlange durch Druckabfall und Strömungs widerstand - gegeben u. a. durch Länge, Querschnitt, Oberfläche und Struktur (z. B. Einbauten) des Strömungskanales kühlmediumseitig - in der Durchfluß menge des Kühlmediums begrenzt.

Aufgabe der Erfindung Stranggepreßtes Profil

Ein stranggepreßtes Aluminium-Profil ist mit eingepreßten geraden Hohlkanälen im Materialquerschnitt vorzugsweise mit kreisrunden geraden in Längsachse der Strangpreßrichtung verlaufenden geschlossenen Hohlkanälen ausgeführt.

Die Wandung der Kühlkanäle ist aus dem Werkstoff aus dem das Strang preßprofil hergestellt ist; z. B. strangpreßfähige Werkstoffe, vorzugsweise AlMgSi 0.5 F22.

Die Hohlkanäle wirken als Kühlkanäle zur Ableitung von Wärme vom Kühlkörper an ein vorzugsweise flüssiges Kühlmedium. Vorzugsweise ist die Dicke des Profils größer als die Höhe (oder z. B. der Durchmesser) der darin befindlichen Hohlkanäle, so daß die Hohlkanäle allseitig geschlossene Kanäle ergeben (bezogen auf den Hohlkanal-Querschnitt).

Es ist auch vorteilhaft, die Hohlkanäle symmetrisch in Platten-Dicke einzubringen, da dadurch auf beiden Seiten des Flüssigkeitskühlers gleiche thermische Wirkung erreicht wird und Bauteile so auf Oberseite, Unterseite oder Oberseite und Unterseite angebracht werden können. Durch Verwendung von Aluminium- Strangpreß-Profilen wird eine Kosten- und Gewichtseinsparung erzielt und erlaubt die Fertigung in großen Stückzahlen.

Das Aluminium-Profil kann nahezu beliebig bearbeitet werden (z. B. zur Montagevorbereitung elektronischer Bauteile), sofern die Kühlkanäle nicht in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Wird eine größere als die stranggepreßte Breite benötigt, so kann diese durch aneinandersetzen, beispielsweise durch Schweißen, bewirkt werden.

Beispiel für eine mögliche Ausführung mit sechs Kühlkanälen Fig. 1.

Eingezogenes Kupfer-Rohr

In die Kühlkanäle, vorzugsweise kreisrunde Kanäle, kann vorteilhafterweise ein Innenrohr eingeformt sein, vorzugsweise durch Einziehen und Aufweiten mit einem geeigneten Dorn, so daß ein sehr guter metallischer und großflächiger Kontakt ohne Hohlräume in der Grenzfläche zur stranggepreßten Kühlkanal- Wandung bewirkt wird.

Dies bewirkt einen extrem guten Wärmeübergang zwischen Innenrohr und Aluminium-Kühlkanalwandung, sowie eine gute Wärmeverteilung innerhalb der Kupferrohr-Wandung. Vorteilhaft ist hier auch, daß z. B. keine korrosiven Substanzen oder Feuchtigkeit zwischen Kupfer-Innenrohr und Aluminium- Hohlkanalwandung entlang wandern können.

Werden für das eingeformte Innenrohr korrosionsbeständige Werkstoffe, vorzugsweise Kupfer oder Kupfer-Legierungen gewählt, so kann der Einsatz bereich des Kühlers zur Verwendung für die verschiedensten Kühlmedien erheblich erweitert werden. Beispiel für eine mögliche Ausführung mit sechs Kühlkanälen und eingezogenem Kupferrohr Fig. 2.

Abtrennen der Kühlkörper

Aus dem stranggepreßten Profil, mit oder ohne eingezogenem Innenrohr, werden durch Abtrennen, vorzugsweise durch Sägeschnitte und vorzugsweise senkrecht zur Strangpreßrichtung (d. h. senkrecht zu den Hohlkanälen ) Flüssigkeitskühl körper in beliebiger Länge hergestellt. Auch kann es vorteilhaft sein, die Trenn schnitte parallel zur Strangpreßrichtung auszuführen.

Konfektionieren mit Anschlußstücken

Durch Konfektionieren mit den verschiedensten Anschlußstücken oder Anschlußarmaturen werden die Anschlußkanäle, je nach Anwendungsfall, zur Versorgung mit unterschiedlichsten Kühlmedien ausgerüstet.

Vorteile der Erfindung Temperaturverteilung und Kühlleistung

Durch Montage von geeigneten Umlenkeinheiten sind große Variations- und Gestaltungsmöglichkeiten zur Schaltung (Verschaltung) der Kühlkanäle zu beliebigen Kühlschleifen bzw. Kühlkreisläufen gegeben, so daß, je nach Anforderung, Kühlleistung und Wärmeverteilung des gesamten Kühlkörpers jeweils anforderungsspezifisch eingestellt werden kann.

Bei Parallelbetrieb, d. h. mit Fließrichtung in den Kühlkanälen jeweils in dieselbe Richtung ist hier die maximale Kühlleistung aufgrund des maximalen Durchflusses von Vorteil.

Bei Gegenstrom-Betrieb, d. h. mit einander entgegengesetzten Strömungs richtungen in den Kühlkanälen ist hier die sehr gleichmäßige Wärmeverteilung im Kühlkörper von Vorteil. Auch kann im Gegenstrom-Betrieb das Kühlmedium beispielsweise auch auf der einen Seite in einen Kanal eintreten, durch eine Umlenkeinheit in einen benachbarten Kanal auf die Ausgangsseite wieder zurückfließen, d. h. die beiden Kühlkanäle in Reihe geschaltet werden d. h. eine U- Form bildet. Vorteilhaft ist hier die relativ einfache Führung der Zu- und Abflußleitungen für das Kühlmedium.

Vorteilhaft ist auch, daß durch strömungstechnisch wirkende Einbauten der Wärmeübergang zwischen Hohlkanal-Innenwandung und Kühlmedium z. B. durch Turbulenzen erhöht werden kann. Diese Einbauten können auch noch nach träglich in die Kühlkanäle, je nach Anforderung eingebaut werden.

Modularer Aufbau

Durch den modularen Aufbau kann der Kühlkörper in der Breite optimal zur Bauteilgröße angepaßt werden, ohne daß für die verschiedenen Flüssigkeits- Kühlkörper-Breiten (aufgrund der unterschiedlichen Bauteil-Breiten) neue Kühl körper-Strangpreßwerkzeuge gefertigt werden müssen. Dies bewirkt auch kürzere Lieferzeiten. Die bei den Abtrennvorgängen anfallenden Flüssigkeits-Kühler stücke können z. B. als Flüssigkeits-Kühlkörper mit geringerer Breite als die Original gepreßte Flüssigkeits-Kühlkörper-Breite für weitere standardmäßig verwendbare Flüssigkeits-Kühlkörper genutzt werden.

Dies reduziert den anfallenden Verschnitt, der sonst als Abfall verworfen würde. Ausführungsbeispiel siehe Fig. 3.

Abstandmaß zwischen den Kühlkanälen

Durch das standardisierte Abstandmaß zwischen den Kühlkanälen wird die Montage möglichst vieler Bauelemente, (d. h. jeweils die Abstände der Bauele ment-Befestigungsbohrungen), erheblich erleichtert und ermöglicht so die Montage einer Vielzahl von verschiedenen Bauelementen.

Weiterhin wird durch das standardisierte Abstandmaß ein geringes Einbaumaß (Raummaß) durch geeignete Umlenkeinheiten sowie die Verwendung von standardisierten Umlenkeinheiten erreicht.

Umlenkeinheit zwischen den Kühlkanälen

Standardisierte Umlenkeinheiten bewirken große Variations- und Gestaltungsmöglichkeiten zur Schaltung der Kühlkanäle zu beliebigen Kühlschleifen bzw. Kühlkreisläufen, so daß, je nach Anforderung, Kühlleistung und Wärmeverteilung des gesamten Kühlkörpers spezifisch eingestellt werden kann.

Darüber hinaus können die Flüssigkeitskühler zu Ebenen übereinander montiert werden, so daß diese Anordnung als "Sandwich-Pack" für Flachbaugruppen - z. B. diese beidseitig auf dem Flüssigkeitskühlkörper montiert - eingesetzt werden kann, siehe Fig. 3 und Fig. 4.

Lösung der Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es, einen modular aufgebauten stranggepreßten Flüssigkeitskühlkörper mit verbesserten und einstellbaren Kühleigenschaften zu schaffen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen Parallelbetrieb

Bei Parallelbetrieb strömt "frisches" Kühlmedium in benachbarten Kühl-Kanälen parallel und in gleicher Richtung. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß das Kühlmedium - beispielsweise durch einen Verteiler - auf der einen Seite jeweils in gleicher Fließrichtung die Kanäle eintritt und nach Erwärmung desselben auf der gegenüberliegenden Seite jeweils in gleicher Strömungs richtung wieder aus den Kanälen austritt. Vorteilhaft ist hier die maximale Kühlleistung aufgrund des maximalen Durchflusses; Fig. 6.

Gegenstrom-Betrieb

Bei Gegenstrom-Betrieb strömt "frisches" Kühlmedium in benachbarten Kanälen parallel und in einander entgegengesetzter Strömungsrichtung. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, daß "frisches" Kühlmedium in zwei benachbarte Kühlkanäle auf den jeweils gegenüberliegenden Seiten eintritt und nach Erwärmung desselben wieder jeweils auf den entgegengesetzten Seiten austritt. Vorteilhaft ist hier die sehr gleichmäßige Wärmeverteilung und die maximale Kühlleistung; Fig. 7.

Daneben kann das Kühlmedium beispielsweise auch auf der einen Seite in einen Kanal eintreten, durch eine Umlenkeinheit in einen benachbarten Kanal auf die Ausgangs-Seite wieder zurückfließen, d. h. die beiden Kühlkanäle in Reihe geschaltet werden. Vorteilhaft ist hier die relativ einfache Führung der Zu- und Abflußleitungen für das Kühlmedium; Fig. 8.

Betrieb in Reihenschaltung ("Kühlschlangen-Betrieb")

Bei Reihenschaltung der Kühlkanäle durch eine geeignete Verschaltung ist hier die relativ einfache Konfektionierung (anschließen der Zu- und Abflüsse) von Vorteil; Fig. 9.

Claims

1. Ein Kühlkörper, insbesondere ein stranggepreßter Flüssigkeitskühlkörper mit verbesserten und einstellbaren Kühleigenschaften in modularer Bauweise ist dadurch gekennzeichnet, daß
Temperaturverteilung und Kühlleistung
durch Montage von geeigneten Umlenkeinheiten, Anschlußstücken oder Anschlußarmaturen große Variations-und Gestaltungs-Möglichkeiten zur Schaltung (Verschaltung) der Kühlkanäle zu beliebigen Kühlschleifen bzw. Kühlkreisläufen gegeben ist, so daß, je nach Anforderung, Kühlleistung und Wärmeverteilung des gesamten Kühlkörpers jeweils anforderungs spezifisch eingestellt werden kann.
Es ist weiterhin von Vorteil, den Flüssigkeitskühlkörper im Parallelbetrieb, Gegenstrom-Betrieb oder auch in Reihenschaltung oder Kombinationen untereinander durch geeignete Verschaltung betreiben zu können. Es ist weiterhin von Vorteil, in die Kühlkanäle Einbauten einzubringen, die auf strömungstechnische Art und Weise eine verbesserte Wärmeüber tragung zwischen Kühlkanalwandung und Kühlmedium bewirken oder die wärme-übertragende Wärmeübergangsfläche zum Kühlmedium vergrößern oder eine Kombination daraus.

2. Modularer Aufbau
Die Breite des Flüssigkeits-Kühlkörpers durch Abtrennen von ein oder mehreren Kühlsträngen - typischerweise im Bereich der Kühlkanäle und parallel zu diesen - in seiner Breite beliebig variierbar ist. Es kann auch vorteilhaft sein, den Trennschnitt im Bereich zwischen den Kühlkanälen zu positionieren. Auch kann es vorteilhaft sein, die Trennschnitte senkrecht zur Strangpreßrichtung (senkrecht zu den Hohlkanälen) auszuführen. Vorzugsweise werden die Trennschnitte in Kombination senkrechter und paralleler Trennschnitte in Bezug zur Strangpreßrichtung ausgeführt. Es kann auch vorteilhaft sein, Flüssigkeitskühlkörper aneinanderzusetzen, vorzugsweise parallel zu den Kühlkanälen (Strangpreßrichtung) beispielsweise durch Schweißen.

3. Abstandmaß zwischen den Kühlkanälen
Abstand der - zueinander parallelen und in Strangpreßrichtung verlaufenden - Kühlkanäle zueinander vorzugsweise jeweils gleich ist (Rastermaß) und der Bereich zwischen den Kühlkanälen zur Befestigung von Bauteilen wirkt.
Der Mittenabstand der Kühlkanäle ist so gewählt, daß die Montage möglichst vieler Bauelemente ermöglicht wird (d. h. jeweils die Abstände der Bauelement-Befestigungsbohrungen). Dies wird typischerweise dadurch erreicht, daß dieser Abstand ein Standardmaß ist, welcher ein Optimum zwischen unterschiedlichen Befestigungsloch-Abständen unterschiedlichster Bauelemente bildet. Dieses Standardmaß liegt typischerweise im Bereich von 30 mm oder ein Vielfaches davon.

4. Umlenkeinheit zwischen den Kühlkanälen
Der Kühler mit seinen Kühlkanälen so konfiguriert ist, daß standardisierte Umlenkeinheiten universell, d. h. in Modulbauweise eingesetzt werden können. Eine Umlenkeinheit als Verbinder zwischen zwei parallelen und benachbarten Kühlkanälen wirkt.
Die Umlenkeinheit große Variations- und Gestaltungsmöglichkeiten zur Schaltung der Kühlkanäle zu beliebigen Kühlschleifen bzw. Kühlkreisläufen zuläßt, so daß, je nach Anforderung, Kühlleistung und Wärmeverteilung des gesamten Kühlkörpers eingestellt werden kann, siehe Punkt Temperaturverteilung und Kühlleistung. Durch das standardisierte Abstandsmaß kann der Kühler mit Hilfe von Umlenkeinheiten auch zu Ebenen übereinander montiert werden, so daß diese Anordnung als "Sandwich-Pack" für Flachbaugruppen - z. B. beidseitig auf den Flüssigkeitskühlkörper montiert - eingesetzt werden kann.

5. Konfektionieren mit Anschlußstücken
Durch Konfektionieren mit den verschiedensten Anschlußstücken oder Anschlußarmaturen die Anschlußkanäle, je nach Anwendungsfall, zur Ver sorgung mit unterschiedlichsten Kühlmedien ausgerüstet werden können und große Variations- und Gestaltungs-Möglichkeiten zur Schaltung (Verschaltung) der Kühlkanäle zu beliebigen Kühlschleifen bzw. Kühlkreisläufen bewirkt wird.

6. Stranggepreßtes Profil
Ein stranggepreßtes Aluminium-Profil mit eingepreßten geraden Hohl kanälen im Materialquerschnitt vorzugsweise mit kreisrunden geraden in Längsachse der Strangpreßrichtung verlaufenden geschlossenen Hohlkanälen ausgeführt ist.
Die Wandung der Kühlkanäle ist aus dem Werkstoff, aus dem das Strang preßprofil hergestellt ist; z. B. strangpreßfähige Werkstoffe, vorzugsweise AlMgSi 0.5 F22. Die Hohlkanäle wirken als Kühlkanäle zur Ableitung von Wärme vom Kühlkörper an ein vorzugsweise flüssiges Kühlmedium. Vorzugsweise ist die Dicke des Profils größer als die Höhe (oder z. B. der Durchmesser) der darin befindlichen Hohlkanäle, so daß die Hohlkanäle allseitig geschlossene Kanäle ergeben (bezogen auf den Hohlkanalquerschnitt).
Es ist auch vorteilhaft, die Hohlkanäle symmetrisch in Platten-Dicke einzubringen, da dadurch auf beiden Seiten des Flüssigkeitskühlers gleiche thermische Wirkung erreicht wird und Bauteile so auf Oberseite, Unterseite oder Oberseite und Unterseite angebracht werden können. Wird eine größere als die stranggepreßte Breite benötigt, so kann diese durch Aneinandersetzen, beispielsweise durch Schweißen, bewirkt werden.

7. Eingezogenes Kupfer-Rohr
In die Kühlkanäle, vorzugsweise kreisrunde Kanäle, vorteilhafter Weise ein Innenrohr eingeformt sein kann, vorzugsweise durch Einziehen und Aufweiten mit einem geeigneten Dorn, so daß ein sehr guter metallischer und großflächiger Kontakt ohne Hohlräume in der Grenzfläche zur stranggepreßten Kühlkanal-Wandung bewirkt wird. Dies bewirkt einen extrem guten Wärmeübergang zwischen Innenrohr und Aluminium- Kühlkanalwandung sowie eine gute Wärmeverteilung innerhalb der Kupferrohr-Wandung.
Werden für das eingeformte Innenrohr korrosionsbeständige Werkstoffe, vorzugs-weise Kupfer oder Kupfer-Legierungen gewählt, so kann der Einsatzbereich des Kühlers zur Verwendung für die verschiedensten Kühlmedien erheblich erweitert werden.