DE19747321A1 - Flüssigkeitskühler für Leistungshalbleiterbauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung beschreibt einen Flüssigkeitskühler für Leistungshalbleiterbauelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Kühleinrichtungen sind technisch in immer weiterem Umfang erforderlich und haben zwischenzeitlich eine große Vielfalt in der Gestaltung und der Formgebung angenommen. Die Einsatzzwecke der Kühleinrichtungen sind in jedem Falle die Grundlage für die Formgebung und die Wahl der einzusetzenden Art der Kühlung.

Überall dort, wo es durch den Betrieb von wärmeproduzierenden Ausrüstungen zu Erhitzungen kommt, sehr oft durch die Verlustwärme, muß diese erhöhte Temperatur durch Abführen von Wärme gesenkt werden, da solche Ausrüstungen im Dauerbetrieb ohne kühlende Maßnahmen Schaden nehmen würden.

Die Abgabe der nicht erforderlichen, parasitären Wärmemenge an eine den Betrieb der Ausrüstung nicht störende und örtlich entfernte Umgebung soll sehr einfach, kostengünstig, platzsparend effektiv und von hoher Langzeitqualität sein, so daß keine Betriebsstörungen hierdurch bedingt auftreten.

Wo immer es möglich ist, werden Kühlkörper in Form von Einrichtungen eingesetzt, die ein flüssiges Kühlmedium als "Wärmetransporteur" in sich beherbergen. Solche Kühleinrichtungen sind effektiver als Konvektionskühler, die überwiegend die abzuführende Wärmemenge an die Luft oder andere gasförmige Medien übertragen.

Der massenhafte Einsatz von Flüssigkeitskühlern im mobilen Bereich hat in diesem speziellen Produktspektrum zu sehr guten erfinderischen Leistungen geführt, hier können Temperaturen von 373K für einen Dauerbetrieb als Basis dienen. Durch die damit definierte Temperatur­ differenz gegenüber der letztlich die Wärmeenergie aufnehmenden Umgebungsluft bleibt ein genügend zu nutzender Spielraum in der Ausführung der Kühlkörper, dafür sollen sie jedoch relativ leicht und sehr kompakt sowie robust gebaut sein.

Wesentlich eingeschränkter sind die Möglichkeiten für die Definition der Bedingungen von Kühleinrichtungen in der Elektrotechnik. Einerseits sind alle Strom führenden Teile mit zuverlässiger Sicherheit von den Kühleinrichtungen elektrisch zu trennen, wobei die Isolation in keinem Falle einem guten Wärmeenergietransport gegenüber förderlich ist.

Andererseits zwingt eine immer kompakter gewünschte Aufbauweise der elektrischen Einrichtungen, wie sie beispielhaft Stromumrichter darstellen, zu neuen und immer wirksamer werdenden Kühleinrichtungen. Früher gesetzte Grenzen des technisch vertretbaren und realisierbaren Hochleistungskühlkörpers müssen neu definiert werden.

DE 34 36 545 A1 beschreibt einen Kühlkörper für Flüssigkeitskühlung von Leistunghalbleiter­ bauelemente, die in den für das Kühlmedium vorgesehenen Hohlräumen nutenförmige Ausbildungen zur Förderung der Flüssigkeitsturbulenzen aufweisen.

DE 43 12 057 A1 schlägt zum besseren Wärmeübergang vor, direkt elektrisch isoliert an den Leistungshalbleiterbauelementen Kühlzylinder in den für das Kühlmedium vorgesehenen Hohlräumen zu positionieren, um das Kühlmedium bei Zwangskonvektion in verstärkt turbulente Strömungen zu versetzen.

Mit DE 43 01 865 A1 wird eine "Kühldose" vorgestellt, die zum Kühlen von Hochleistungs­ halbleiterbauelementen eine hohe Wirksamkeit ausweisen soll. Durch den Einsatz von spindel-, schnecken- oder schraubenförmigen Verwirbelungskörpern in die für die Zwangskonvektion der Kühlmedien vorgesehenen Bohrungen wird eine dort genannte erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Kühlleistung bewirkt.

Der Verwirbelungskörper aus Kunststoff wird in DE 43 01 865 A1 in seiner Form definiert und seine verdrehungssichere Lage in den Flüssigkeitskanälen wird dargestellt. Die allen Erfindungen auf diesem Sektor gemeinsame Idee ist es, die Strömungsverhältnisse der verwendeten Kühlmedien in der Weise zu verändern, daß sich nur in begrenztem Umfang Laminarströmungen ausbilden können, in dem Verwirbelungskörper in die Kühlmedienhohlräume eingebaut werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch Ablenkung des Kühlmediums in Flüssigkeitskühlern und dadurch verursachte zusätzliche Verwirbelung in der Phase der Zwangskonvektion einen größeren Wärmeübergang in das Kühlmedium zu erwirken.

Die Aufgabe wird durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den nachgeordneten Ansprüchen aufgezeigt.

Im Gegensatz zur freien Rohrströmung, bei der sich bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine laminare Flüssigkeitsströmung einstellt, wird die Wärme bei Flüssigkeitskühlern nach der Erfindung durch Ableitung von der Wandung der Röhre in die Mitte des Flüssigkeitskanals transportiert.

Bei höheren Durchflußgeschwindigkeiten des Kühlmediums ist der Anteil der turbulenten Strömung größer, dennoch wirkt die erfinderische Maßnahme dadurch, daß der Wärmetransport durch die turbulenten Querbewegungen der Flüssigkeitsströme verstärkt wird. Die turbulenten Querbewegungen der Flüssigkeitsströme werden erfindungsgemäß durch an sich bekannte Spiralen bewirkt.

Durch den Einsatz von Spiralen in die Röhren der Flüssigkeitsumwälzung werden die wandnahen heißen Flüssigkeitsschichten in die Kernströmung abgelenkt. Aus der Kernzone wird dadurch bedingt kältere Flüssigkeit in die heißeren Regionen der Wandzonen verdrängt.

Diese Verdrängungsströmung führt zusammen mit den durch die erfinderische Maßnahme intensiveren Turbulenzen auf der Lee-Seite der Spirale zu einem forcierten Wärmetransport vom Kühlkörper in das Kühlmedium. Dieser Mechanismus wirkt über dem gesamten Bereich der Strömungsgeschwindigkeit, so daß sich bereits bei geringen Geschwindigkeiten, die durch eine geringe zur Verfügung stehende Kühlflüssigkeitsmenge oder durch einen kleinen Förderdruck oder durch eine geringe Pumpleistung für das Umwälzen der Kühlflüssigkeit bedingt ist, der geringere erfinderische thermische Widerstand einstellt.

Die Erfindung soll nachfolgend auf der Grundlage der Fig. 1 bis 3 näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt in Diagrammform den thermischen Widerstand mit und ohne Spirale.

Fig. 2 stellt die erfindungsgemäß angewendete Spirale in der Flüssigkeitsröhre vor.

Fig. 3 zeigt die Kühlersegmente mit erfinderisch eingesetzten Spiralen.

Fig. 1 zeigt in Diagrammform den thermischen Widerstand mit und ohne Spirale. Es werden die Unterschiede des thermischen Widerstandes eines Wasserkühlers dargestellt. Versuche haben belegt, daß eine einfach herzustellende Spirale aus dem gleichen Material, aus dem der Kühlkörper selbst gebildet wurde, hervorragende Verbesserungen bei dem Wärmeübergang von dem Kühlkörper in das Kühlmedium bewirkte. Ein aus Aluminium hergestellter Wasserkühler mit vier Kanälen für das Kühlmedium diente als Grundlage für die Versuche. Durch die Kanäle wurden unterschiedliche Mengen eines Kühlmediums gepumpt.

In Abhängigkeit von der Durchströmmenge an Kühlflüssigkeit (Abszisse) wurde der thermische Widerstand in Kelvin pro Watt (Ordinate) gemessen.

Die Meßergebnisse sind reproduzierbar. Mit eingesetzter Spirale ergeben sich etwa um die Hälfte geringere thermische Widerstandswerte, wie das aus dem Vergleich der beiden Kurvenzüge (1 ohne Spirale und 2 mit Spirale) hervorgeht. Die relative Verbesserung der thermischen Widerstandswerte ist bei unterschiedlichen Durchströmgeschwindigkeiten des Kühlmediums durch die Röhren des Kühlkörpers gleich.

Fig. 2 stellt die erfindungsgemäß angewendete Spirale in der Flüssigkeitsröhre vor. Dargestellt ist der Querschnitt des Kühlkörperblocks (1), in dem die Durchbohrung geschnitten gezeichnet eingebracht worden sind. Diese Durchbohrung bildet die Röhre (2) für den Transport des Kühlmediums. In jede solcher Röhren (2) wird eine Spirale (3) mit einer Länge, die größer als die Röhre (2) selbst ist, eingeschoben. Die Spirale besitzt einen Außendurchmesser, der gleich dem des lichten Maßes der Röhre (2) ist. Dadurch liegt die Spirale eng an der Innenwand der Röhre an.

Für die Herstellung der Spirale sollten Drähte verwendet werden, deren Drahtstärke 20% bis 30% des lichten Maßes der Röhre (2) betragen. Ein geringerer Durchmesser ist wegen der Reduzierung der mechanischen Stabilität und der dabei gegebenen geringeren Verdrängungs­ wirkung der Spirale nicht ratsam. Ein größerer Drahtquerschnitt engt zu stark den Querschnitt der Röhre (2) ein und kann weiterhin dazu führen, daß die vorzugsweise axiale Strömung durch die Spirale in eine Drallströmung umgewandelt wird. Die Ganghöhe einer Spirale sollte in der Größenordnung des lichten Maßes der Röhre (2) gestaltet sein.

Fig. 3 zeigt die Kühlersegmente mit erfinderisch eingesetzten Spiralen. Dargestellt ist wiederum ein Querschnitt, hier jedoch des gesamten beispielhaften Wasserkühlers, mit dem die Versuche über den Wirkungsgrad der Spirale durchgeführt wurden. In dem Kühlkörperblock (1) befinden sich vier Röhren (2) mit je einer Spirale (3). Vor der Montage mit den Kopfstücken (4 und 5) werden die Enden der Spiralen (3) beidseitig abgewinkelt, so daß sie verdrehungsicher beim Betrieb des Kühlers positioniert sind. Die Zulauf- und Ablauföffnungen (6, 7) sind versetzt eingebracht, so daß keine bevorzugten Röhren mit geringerem Fließwiderstand vorhanden sind.

Claims (3)

1. Flüssigkeitskühler für Leistungshalbleiterbauelemente mit einem metallischen die Wärme gut leitendem Kühlkörper (1), der mehrere Röhren (2) mit beliebigem Querschnitt zur Aufnahme von flüssigen Kühlmedien aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Röhre (2) verdrehungssicher eine Spirale (3) plaziert ist, deren Außenabmessung der Windungen gleich groß ist, wie die Innenkontur der Röhren (2).

2. Flüssigkeitskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spirale (3) länger ist, als die in dem Kühlkörper (1) ausgebildete Röhre (2).

3. Flüssigkeitskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale (3) aus dem gleichen Material wie der Kühlkörper (1) gebildet wurde, eine Drahtstärke von 20 bis 30% des Spiraldurchmessers besitzt und in der Spirale von Wendel zu Wendel ein etwa gleicher Abstand geformt ist, wie der Durchmesser der Spirale.