DE19833707A1

DE19833707A1 - Kühler zur Fluidkühlung eines elektronischen Bauteils

Info

Publication number: DE19833707A1
Application number: DE1998133707
Authority: DE
Inventors: Raimund Fauser; Axel Tute
Original assignee: ABB Daimler Benz Transportation Schweiz AG; ABB Daimler Benz Transportation Technology GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2000-02-10

Abstract

Es wird eine Kühlervorrichtung mit Kühlungsspalt (8) für mindestens ein elektrotechnisches Bauteil (10) angegeben. Dadurch, dass die Höhe h des Kühlungsspaltes zwischen 0,1 mm und 1 mm ist und die Kühlungsspaltlänge s¶g¶ zwischen der 20-fachen und der 200-fachen Kühlungsspalthöhe h gewählt wird, kann aufgrund der sehr schnell auftretenden turbulenten Strömung im Kühlungsspalt (8) eine verbesserte Durchmischung des Kühlfluids und somit ein verbesserter Verlustwärmeabtransport erreicht werden. Die Kühlervorrichtung kann somit sehr einfach, flach und damit platzsparend aufgebaut werden.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kühltechnik. Sie geht aus von einer Kühlervor richtung nachdem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Ein gattungsgemässes Kühlsystem wird in der EP 0 603 860 A2 beschrieben. Elektrotechni sche Bauteile hoher Leistung benötigen ein Kühlsystem zur Abfuhr der in den Elementen ent stehenden Verlustwärme. Zu diesem Zweck ist ein Kühlsystem vorgesehen, auf dessen Kühl platte mindestens ein zu kühlendes elektronisches Bauteil angebracht ist. Die Kühlplatte bil det mit einer parallel zur Kühlplatte liegenden Rückwand einen Kühlkanal, in dem ein Kühl fluid strömt. Das Kühlsystem weist eine Kühlfluideintrittsöffnung und eine Kühlfluid austrittsöffnung auf. In der EP 0 603 860 A2 ist ausserdem eine finnenartige und stäbchen artige Oberflächenstruktur offenbart, die in den Kühlkanal eingebracht ist und vom Kühlfluid umströmt wird. Die in den Kühlkanal eingebrachten Oberflächenstrukturen dienen der Ober flächenvergrösserung und somit der Abfuhr der vom elektronischen Bauteil erzeugten Ver lustwärme. Die Oberflächenstrukturen im Kühlkanal sind strömungsoptimiert ausgeführt, so dass zur Kühlfluidströmungserzeugung nur eine verhältnismässig geringe Pumpleistung er forderlich ist.

Ein Kühlungssystem nach der EP 0 603 860 A2 mit Kühlkanal benötigt zwar eine verhält nismässig geringe Pumpleistung, jedoch fliesst das Kühlfluid relativ langsam und erzeugt deshalb nur wenige Turbulenzen. Eine turbulente Strömung hat jedoch den Vorteil, dass das Kühlfluid besser durchmischt wird und somit ein besserer Wärmeabtransport stattfinden kann. Die eingebrachten Oberflächenstrukturen sind wegen ihre strömungsoptimierten Struktur technisch aufwendig herzustellen, so dass dadurch unerwünschte Kosten entstehen.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Kühlervorrichtung für wenigstens ein elektroni sches Bauteil anzugeben, die eine verbesserte Wärmeabfuhr erreicht und die strukturell sehr einfach ausgeführt ist und somit kostengünstig aufgebaut werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Kern der Erfindung ist eine einfache Struktur eines Kühlkanals, dessen Höhe so klein gewählt wird, dass ein Kühlungsspalt entsteht, so dass die Ausbildung einer stehenden Kühlfluid grenzschicht im Kühlkanal behindert wird. Es hat sich überraschend gezeigt, dass bei einer Kühlungsspalthöhe zwischen 0,1 mm und 1 mm und bei einer geometrische Länge des Küh lungsspaltes zwischen der 20-fachen und der 200-fachen Höhe des Kühlungsspaltes sehr früh im Kühlkanal eine erwünschte turbulente Strömung erzeugt werden kann und somit die Aus bildung einer stehenden Grenzschicht des Kühlfluids unterbunden wird. Durch die turbulente Kühlfluidströmung wird eine wesentlich bessere Verlustwärmeabfuhr infolge der Durch mischung des Kühlfluids erreicht.

Grundsätzlich kann der Kühlungsspalt glatte Wandoberflächen aufweisen. Um die Verlust wärmeabfuhr weiter verbessern zu können, ist es günstig, dass in den Kühlungsspalt zusätzli che Oberflächen-Mikrostrukturen eingebracht werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist in der sehr flachen und platzsparenden Ausführung der Kühlervorrichtung zu sehen. Die Erfindung bringt zudem wesentliche Kosteneinsparungen, da die Kühlkanalführungen dementsprechend leicht herstellbar sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen naher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine erfindungsgemässe Kühlervorrichtung in der Draufsicht, bei der lediglich der Kühlergrundkörper dargestellt ist;

Fig. 1a Eine erste Ausführungsform der Kühlervorrichtung nach Fig. 1 im Schnitt entlang A-A, ausgeführt mit Kühlergrundkörper, Kühlplatte und einem elektronischen Bauelement;

Fig. 1a' Die Kühlervorrichtung nach Fig. 1a im Schnitt entlang B-B, ausgeführt mit Kühlergrundkörper, Kühlplatte und einem elektronischen Bauteil;

Fig. 1b Eine zweite Ausführungsform der Kühlervorrichtung nach Fig. 1 im Schnitt ent lang A-A, ausgeführt mit Kühlergrundkörper und einem elektronischen Bauele ment;

Fig. 1b' Die Kühlervorrichtung nach Fig. 1b im Schnitt entlang B-B, ausgeführt mit Kühlergrundkörper und einem elektronischen Bauteil;

Fig. 2 Eine dem Kühlergrundkörper gegenüberliegende Wandoberfläche der Kühlervor richtung nach Fig. 1 in der Draufsicht, ausgeführt mit rechteckförmiger Oberflä chen-Mikrostruktur;

Fig. 2a Die Kühlervorrichtung nach Fig. 2 im Schnitt entlang B-B, ausgeführt mit Kühler grundkörper, Kühlplatte und einem elektronischen Bauteil;

Fig. 2b Die Kühlervorrichtung nach Fig. 2 im Schnitt entlang B-B, ausgeführt mit Kühler grundkörper und einem elektronischen Bauteil;

Fig. 3 Eine dem Kühlergrundkörper gegenüberliegende Wandoberfläche der Kühlervor richtung nach Fig. 1 in der Draufsicht, ausgeführt mit Oberflächen-Mikro strukturen, die als Mikroerhebungen ausgebildet sind;

Fig. 4 Eine dem Kühlergrundkörper gegenüberliegende Wandoberfläche der Kühlervor richtung nach Fig. 1 in der Draufsicht, ausgeführt mit Oberflächen-Mikro strukturen, die als gezackte Rippenstruktur ausgebildet ist.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Be zugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die Kühlervorrichtung ist insbesondere für die Kühlung mindestens eines elektronischen Bauteils geeignet. Sie umfasst einen Kühlergrundkörper 1 mit einer Kühlfluideintrittsöffnung 4 und einer Kühlfluidaustrittsöffnung 5. An der Kühlfluideintrittsöffnung wird eine nicht dar gestellte leistungsfähige Pumpe angeschlossen, die einen gleichbleibenden Massefluss des Kühlfluids gewährleistet. Das Kühlfluid gelangt anschliessend in eine Kühlfluidverteilvor richtung 2, von welcher es durch einen Kühlungsspalt 8 in Kühlfluidströmungsrichtung 7 fliesst. Der Kühlungsspalt 8 wird aus einer Aussparung 6 im Kühlergrundkörper 1 und einer gegenüberliegende Wandoberfläche 9, 10 gebildet. Fig. 1a und Fig. 1a' zeigen die dem Kühlergrundkörper 1 gegenüberliegende Wandoberfläche, ausgeführt als Kühlplatte 9 mit darauf angebrachtem elektronischen Bauteil 10. Hingegen zeigen Fig. 1b und Fig. 1b' die dem Kühlergrundkörper 1 gegenüberliegende Wandoberfläche ausgeführt ohne Kühlplatte 9 als Teil des elektronischen Bauteils 10. Die Höhe h des Kühlungsspaltes 8 bezeichnet den Abstand zwischen der Aussparung 6 und der gegenüberliegenden Wandoberfläche 9,10. Die geometrische Länge s_g bezeichnet die Länge des Kühlungsspaltes 8. Erfindungsgemäss hat sich überraschend gezeigt, dass bei einer Kühlungsspalthöhe h zwischen 0,1 mm und 1 mm bei einer charakteristischen Länge s im Kühlungsspalt 8 sehr schnell, d. h. s wesentlich kleiner als s_g, Wirbel im Kühlfluid auftreten und somit eine erwünschte turbulente Strömung früh im Kühlungsspalt 8 erzeugt wird. Insbesondere ist die Höhe h des Kühlungsspaltes 8 mit Vorteil zwischen 0,2. mm und 0,6 mm zu wählen. Die erzeugte turbulente Strömung verhindert den Aufbau einer, für den Verlustwärmeabtransport nachteiligen, stehenden Grenzschicht des Kühlfluids im Kühlungsspalt 8. Hingegen wird durch die erzeugte turbulente Strömung die Durchmischung des Kühlfluids verbessert und somit der Abtransport der Wärme beschleu nigt. Erfindungsgemäss wird der Kühlungsspalt 8 so dimensioniert, dass seine geometrische Länge s_g zwischen der 20-fachen und der 200-fachen Kühlungsspalthöhe h ist. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die geometrische Länge s_g kleiner als die 100-fache Kühlungs spalthöhe h gewählt wird. Daraus ergibt sich eine flache und somit platzsparende Ausführung der Kühlervorrichtung.

Ein im Kühlungsspalt 8 strömendes Kühlfluid besitzt vorteilhaft eine kinematische Viskosität ν zwischen 0,5 mm²/s und 30 mm²/s, um den hydraulischen Widerstand des Kühlfluids im Kühlungsspalt 8 gering zu halten. Vorzugsweise beinhaltet das Kühlfluid Wasser, wobei bei Niedertemperaturanwendungen ein Frostschutzmittel im Kühlfluid verwendet wird. Ein Kühlfluid mit Wasser im Bereich zwischen 80 und 40 Volumeneinheiten und Glykol im Be reich zwischen 20 und 60 Volumeneinheiten hat sich dabei als besonders geeignet erwiesen. Eine weitere Verbesserung der Durchmischung ergibt das Einbringen von Oberflächen-Mikro strukturen 11. Diese verbessern das schnelle Auftreten der erwünschten turbulenten Kühlfluidströmung im Kühlungsspalt 8. In Fig. 2, 3 und 4 sind Ausführungsformen von ein fachen Oberflächen-Mikrostrukturen 11 gezeigt. In Fig. 2, 2a und 2b sind die Oberflächen-Mikro strukturen 11 als rechteckförmige Rippenstruktur 12 senkrecht zur Kühlfluidströ mungsrichtung 7 ausgeführt. In Fig 3. sind Oberflächen-Mikrostrukturen 11 dargestellt, die rasterförmig angeordnete, in der Draufsicht polygonförmige Mikroerhebungen 14 mit abge rundeten Ecken umfassen. Fig. 4 weist Oberflächen-Mikrostrukturen 11 auf, die im wesentli chen eine in Kühlfluidströmungsrichtung 7 verlaufende gezackte Rippenstruktur 13 umfas sen. Fig. 2a, 2b, 3 und 4 zeigen, dass die Oberflächen-Mikrostrukturen 11 vorteilhaft auf der gegenüber zur Aussparung 6 liegenden Wandoberfläche 9a, 10b angebracht sind, wobei die Wandoberfläche 9a in Fig. 2a als Kühlplatte und die Wandoberfläche 10b in Fig. 2b als Teil eines elektronischen Bauteils ausgeführt ist. Dadurch wird zusätzlich zur erzeugten turbulen ten Strömung eine für die Wärmeabfuhr vorteilhafte Oberflächenvergrösserung der Wandoberfläche 9a, 10b erreicht. In Fig. 2a und 2b ist gezeigt, dass die Höhe h' der Oberflä chen-Mikrostrukturen 11 kleiner als die Kühlungsspalthöhe h zu dimensionieren ist. Das Kühlfluid gelangt nach dem Durchströmen des Kühlungsspaltes 8 in eine Kühlfluidsam melvorrichtung 3 und anschliessend über eine Kühlfluidaustrittsöffnung 5 in ein nicht einge zeichnetes Kühlfluidausgleichsgefäss, von wo es mit Hilfe einer ebenfalls nicht eingezeich neten Pumpe über die Kühlfluideintrittsöffnung 4 erneut in die Kühlervorrichtung strömt, so dass ein Kühlfluidkreislauf entsteht.

Bezugszeichenliste

1

Kühlergrundkörper

2

Kühlfluidverteilvorrichtung

3

Kühlfluidsammelvorrichtung

4

Kühlfluideintrittsöffnung

5

Kühlfluidaustrittsöffnung

6

Aussparung

7

Kühlfluidströmungsrichtung

8

Kühlungsspalt

9

Wandoberfläche ausgeführt als Kühlplatte

9

a Wandoberfläche ausgeführt als strukturierte Kühlplatte

10

Wandoberfläche ausgeführt als Teil des elektronischen Bauelements

10

a elektronisches Bauteil

10

b Wandoberfläche ausgeführt als strukturierter Teil des elektronischen Bauelements

11

Oberflächen-Mikrostrukturen

12

Oberflächen-Mikrostrukturen ausgeführt als rechteckförmige Rippenstruktur

13

Oberflächen-Mikrostrukturen ausgeführt als gezackte Rippenstruktur

14

Oberflächen-Mikrostrukturen ausgeführt als Mikroerhebungen, polygonförmig mit abgerundeten Ecken

Claims

1. Kühlervorrichtung zur Fluidkühlung wenigstens eines elektronischen Bauteils, umfassend

(a) einen Kühlergrundkörper (1) mit einer Kühlfluidverteilvorrichtung (2), einer Kühl fluidsammelvorrichtung (3), einer Kühlfluideintrittsöffnung (4) und einer Kühlflui daustrittsöffnung (5), wobei
(b) der Kühlergrundkörper (1) eine Aussparung (6) aufweist, die
(c) zusammen mit einer zweiten Wandoberfläche (9, 10) einen vom einem Kühlfluid durchströmten, kanalartigen Kühlungsspalt (8) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass
(d) der Kühlungsspalt (8) eine Höhe h aufweist, die zwischen 0,1 mm und 1 mm ist und der Kühlungsspalt (8) eine geometrische Länge s_g aufweist, die zwischen der 20-fachen und der 200-fachen Höhe h des Kühlungsspaltes (8) ist.

2. Kühlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h des Küh lungsspaltes (8) zwischen 0,2 mm und 0,6 mm ist.

3. Kühlervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geometri sche Länge s_g des Kühlungsspaltes (8) kleiner als die 100-fache Höhe h des Kühlungs spaltes (8) ist.

4. Kühlervorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wandoberfläche eine Kühlplatte (9) und/oder mindestens ein elektronisches Bauteil (10) umfasst.

5. Kühlervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der zweiten Wandoberfläche (9a, 10b) mit Oberflächen-Mikrostrukturen (11) versehen ist.

6. Kühlervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h' der Ober flächen-Mikrostrukturen (11) kleiner als die Höhe h des Kühlungsspaltes (8) ist.

7. Kühlervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen-Mikro strukturen (11) vorzugsweise als Rippenstruktur (12, 13) ausgebildet sind.

8. Kühlervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen-Mikro strukturen (11) in der Vorderansicht als rechteckförmige Rippenstruktur (12) ausge bildet sind und vorzugsweise senkrecht zur Kühlfluidströmungsrichtung (7) orientiert sind.

9. Kühlervorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen-Mikro strukturen (11) als gezackte Rippenstruktur (13) ausgebildet sind und vorzugsweise im wesentlichen in Kühlfluidströmungsrichtung (7) verlaufen.

10. Kühlervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen-Mikro strukturen (11) eine Vielzahl von vorzugsweise rasterförmig angeordneten Mikroer hebungen (14) umfassen, die in der Draufsicht eine Polygonform mit abgerundeten Kanten haben.

11. Kühlervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid eine ki nematische Viskosität ν zwischen 0,5 mm²/s und 30 mm²/s aufweist.

12. Kühlervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid Wasser beinhaltet und vorzugsweise Frostschutzmittel aufweist.

13. Kühlervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid zwi schen 80 und 40 Volumenanteile Wasser und zwischen 20 und 60 Volumenanteile Glykol aufweist.