DE19747321C2 - 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.

Bei dem für Flüssigkeitskühlung typischem Einsatzbereich im Automobilbau sind Temperaturen der Kühlflüssigkeit im Bereich von 100°C bekannt. Damit ergeben sich als Randbedingungen für die Konstruktion derartiger Kühlkörper die Temperaturdifferenz gegenüber der letztlich die Wärmeenergie aufnehmenden Umgebungsluft sowie die Anforderung an eine relativ leichte und kompakte sowie robuste Ausführung.

An Kühleinrichtungen in der Elektrotechnik werden höhere Anforderungen gestellt. 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 Leistungshalbleiterbauelementen, 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.

JP 08215737 A beschreibt einen Kühlkörper mit darin fest verankerten in sich verdrehten Metallbändern. Dies führt zu einem spiralförmigen Wasserfluß innerhalb der jeweiligen Röhre. Damit wird die effektive Fließgeschwindigkeit erhöht ohne ein signifikante zusätzliche Verwirbelung zu erzielen.

DE 88 04 742 U1 schlägt ein Füllstück für einen Strömungskanal vor, wobei hierin auf die zusätzliche Wärme übertragende Wirkung diese Füllstückes durch Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Kühlmedium und Kühlkörper abgestellt wird.

Die DE 44 21 025 A1 schlägt einen Kühlkörper mit einem in verschiedener Weise gebogenen Verwirbelungsdraht vor, wobei der Draht nur in einer Dimension verbogen ist.

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 geeignete Ablenkung des Kühlmediums in Flüssigkeitskühlern für Leistungshalbleiterbauelemente und dadurch verursachte zusätzliche Verwirbelung in der Phase der Zwangskonvektion den Wärmeübergang in das Kühlmedium zu verbessern.

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 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 thermische Widerstand einstellt.

Ein Ausführungsbeispiel der 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 angewendete Spirale in der Flüssigkeitsröhre vor.

Fig. 3 zeigt die Kühlersegmente mit 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 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 werden Drähte verwendet, deren Drahtstärke 20% bis 30% des lichten Maßes der Röhre (2) betragen. Eine geringere Drahtstärke 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 aale Strömung durch die Spirale in eine Drallströmung umgewandelt wird. Die Ganghöhe einer Spirale ist in der Größenordnung des lichten Maßes der Röhre (2) gestaltet.

Fig. 3 zeigt die Kühlersegmente mit 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 leitenden, 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) platziert ist, deren Außenabmessung der Windungen gleich groß ist, wie die Innenkontur der Röhren (2), so daß die Spirale (3) eng an deren Innenwand der Röhre (2) anliegt und die Spirale (3) eine Drahtstärke von 20 bis 30% des Spiraldurchmessers besitzt.

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 ist, und in der Spirale von Wendel zu Wendel ein etwa gleicher Abstand geformt ist, wie der Durchmesser der Spirale.