DE19911205A1 - Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente - Google Patents

Abstract

Eine Kühlvorrichtung (1) für elektronische Bauelemente wird aus zwei flachen Bauteilen (2, 3) gebildet, die zwischen sich einen von einem flüssigen Kühlmittel durchströmbaren flachen Hohlraum (7, 7') einschließen. Es ist ein Zulaufanschluß (13) und ein Rücklaufanschluß (14) für das Kühlmittel vorgesehen. Das erste Bauteil (2) besteht aus gut wärmeleitendem Material und dient zur Aufnahme der elektronischen Bauelemente. Zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche ist in dem Hohlraum (7, 7') eine Einlage aus gewelltem Blech vorgesehen, die als Kühlrippe (8) dient und in wärmeleitender Verbindung mit dem ersten Bauteil (2) steht. Das zweite Bauteil (3) ist als flacher Kunststoffkasten (5) ausgebildet und zwischen diesem und der Kühlrippe (8) ist ein elastisches Element (9) vorgesehen, das die Kühlrippe (8) unter Vorspannung gegen das erste Bauteil (2) preßt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für elektro­ nische Bauelemente der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ gebenen Gattung.

Die ständige zunehmende Miniaturisierung elektronischer Bauteile führt zu sehr hohen Leistungs- und Verlust­ leistungsdichten. Die zulässige Sperrschichttemperatur von Halbleitern bleibt dagegen konstant, so daß hohe Anforde­ rungen an Kühlkörper für die elektronischen Bauteile ge­ stellt werden. Im Automobilbereich erreicht die Leistungs­ elektronik inzwischen mehrere Kilowatt, wobei die Verlust­ leistungen üblicherweise zwischen 0,4 kW bis 2 kW für eine Baueinheit liegen.

Zur Kühlung von Leistungshalbleitern werden häufig Alu­ miniumstrangpreßprofile eingesetzt. Diese sind in ihrem Querschnitt entsprechend konfiguriert und mit mehreren in unterschiedliche Richtungen ragenden Rippen versehen. Darüber hinaus sind Aluminiumträgerplatten bekannt, die zur Oberflächenvergrößerung mit angelöteten Kühlrippen aus dünnen Aluminiumbändern versehen sind. Die Leistungsdichte bezogen auf die nutzbare Kühlfläche ist für viele Anwen­ dungen nicht ausreichend, was teilweise auch an den zu ge­ ringen Luftleistungen kühlluftseitig liegt. Auch die Maß­ nahmen zur Oberflächenvergrößerung durch aufgelötete Rippen erfordert einen kostenintensiven Lötprozeß mit der Gefahr der Unebenheit durch Verzug. Dadurch wird die Oberflächen­ qualität der Kühleinrichtung beeinträchtigt, was wiederum den Wärmefluß behindert.

Zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung wurde bereits in der DE 41 31 739 A1 eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente vorgeschlagen, bei der zwischen zwei flachen Bauelementen ein flüssigkeitsdurchströmter flacher Hohlraum mit Zulauf- und Ablaufanschlüssen vorgesehen ist. In dem Hohlraum ist eine Einlage zur Erhöhung der Wärmeüber­ tragungsfläche vorgesehen, wobei die Einlage die Form eines gewellten Bandes aufweist. Dabei verläuft die Wellung des Bandes quer zur Durchstömungsrichtung. Die Einlage ist mit dem als Kühlkörper für die elektronischen Bauteile dienen­ den Bauteil stoffschlüssig verbunden. Auch bei dieser be­ kannten Anordnung ist der Lötprozeß ein kostenintensiver Herstellungsschritt und durch die Temperatureinwirkung kann die Oberflächenqualität beeinträchtigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, die eine hohe Kühlleistung aufweist und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst.

Mit der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung wird eine hohe Kühlleistung auf kleiner Grundfläche erreicht. Dadurch ist auch eine ausreichende Wärmeabfuhr möglich bei lediglich geringer Temperaturdifferenz zwischen Kühlfläche und Kühl­ mittel. Die Kühlrippen werden lediglich mechanisch ange­ preßt und dabei ständig in guter Anlage gehalten, die einen Wärmeübergang von der Metallplatte in die Kühlrippen ge­ währleistet.

Das elastische Element kann unterschiedlich gestaltet sein, sowohl bezüglich des Materials als auch in der Form. Als besonders geeignet wird eine Gummischicht angesehen, die sich mindestens annähernd über die gesamte Fläche eines Bodens im Kunststoffkasten erstreckt. Dabei kann die Gummi­ schicht am Boden eingelegt oder in den Kunststoffkasten eingespritzt sein. Alternativ zur Gummischicht kann das elastische Element aus einem quellfähigen Material bestehen oder als Federband aus Kunststoff oder Metall vorgesehen sein.

Der Kunststoffkasten ist vorzugsweise ein Spritzgußteil, das auf der Außenseite mit Versteifungsrippen versehen ist. Damit kann der Kunststoffkasten Bestandteil eines Kühlmittelwärmetauschers in einem Kraftfahrzeug sein.

Das erste Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Aluminium­ legierung, wobei dieses Bauteil im Strangpreß- oder Extru­ dierverfahren hergestellt sein kann. Da das erste Bauteil im Randbereich wegen der Befestigungsmittel und auch aus Gründen der größeren Steifigkeit eine bestimmte Dicke auf­ weisen sollte, aber andererseits aus Gewichtsgründen das erste Bauteil lediglich die für die Funktion erforderliche Dicke aufweisen sollte, ist es zweckmäßig, daß das erste Bauteil auf der dem Hohlraum abgewandten Seite eine in Längsrichtung verlaufende Vertiefung aufweist. Das erste und das zweite Bauteil sind vorzugsweise durch Spannmittel mechanisch miteinander verbunden, wobei insbesondere Schrauben vorgesehen sind. Hierzu sind in dem ersten Bau­ teil Gewindebohrungen vorgesehen und in dem zweiten Bauteil befinden sich Durchgangsbohrungen.

Die Kühlrippe ist vorzugsweise als gegeneinander versetzte Stegrippe ausgebildet, die in Strömungsrichtung gesehen eine Trapezform mit steilen Seitenkanten aufweist. Bei einer solchen Stegrippe erstreckt sich die quer zum Durch­ fluß verlaufende Wellenform in Durchflußrichtung des Kühl­ mittels lediglich über eine Länge von 4 mm bis 20 mm, woran sich die nächste Reihe einer solchen Welle anschließt, die gegenüber der vorhergehenden Reihe seitlich versetzt ange­ ordnet ist. Die Dicke des elastischen Elementes ist wesent­ lich geringer als die Höhe der Stegrippe, wobei vorzugs­ weise die Dicke des elastischen Elementes zwischen 1/20 bis 1/4 der Höhe der Stegrippe beträgt. Die Kühleinrichtung be­ sitzt zweckmäßigerweise eine im wesentlichen rechteckige Form, wobei der Zulaufanschluß und der Ablaufanschluß auf derselben Seite angeordnet sind und auf der entgegensetzten Seite ein Umlenkbereich als Verbindung zwischen zwei durch einen internen Steg getrennte Hohlräume vorgesehen ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend an­ hand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch die Kühl­ vorrichtung,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1 (teilweise aufgebrochen),

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Aus­ schnitts der Kühlrippe.

Die in Fig. 1 gezeigte Kühlvorrichtung 1 besteht aus zwei im wesentlichen flachen Bauteilen 2 und 3, wobei das erste Bauteil 2 als Metallplatte 4 und das Bauteil 3 als Kunst­ stoffkasten 5 ausgebildet sind. Die Metallplatte 4 besteht vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung und kann bei­ spielsweise im Strangpreß- oder Extrudierverfahren herge­ stellt werden.

Der Kunststoffkasten 5 ist auf seiner der Metallplatte 4 zugewandten Seite mit einer Vertiefung 6 versehen, durch die zwischen der Metallplatte 4 und dem Kunststoffkasten 5 ein flacher Hohlraum 7 gebildet ist. Im Kunststoffkasten 5 ist ein mittlerer Steg 15 ausgebildet, der an der Metall­ platte 4 anliegt, so daß zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem zweiten Bauteil 3 zwei Hohlräume 7 und 7' gebildet wer­ den, welche durch den mittleren Steg 15 voneinander ge­ trennt sind. An der zur Anlage an der Metallplatte 4 dienenden Seite ist der Steg 15 mit einer Rille 16 ver­ sehen. Der Steg 15 hat mehrere Funktionen, denn er dient einerseits zur Aussteifung des Kunststoffkastens 5 und ver­ leiht diesem große Formsteifigkeit und andererseits als Isolierung der beiden Kühlmittelströme in den Hohlräumen 7 und 7'. Die Rille 16 führt zu einer Massenreduzierung, durch die ein Verzug des Kunststoffmaterials verhindert wird, und außerdem ist das notwendige Dichtpressen des Steges 15 gegen die Metallplatte 4 erleichtert.

Der Kunststoffkasten 5 ist auf seiner Außenseite mit einer Vielzahl von Rippen 12 versehen, die dem Kunststoffkasten 5 eine ausreichende Formsteifigkeit verleihen. Dadurch werden Verformungen infolge thermischer und/oder mechanischer Ein­ wirkungen vermieden, so daß die Form des Hohlraums 7 nicht verändert wird, insbesondere nicht der Abstand eines Bodens 11 der Vertiefung 6 bezogen auf die den Hohlraum 7 be­ grenzende Fläche der Metallplatte 4. Im Randbereich der Metallplatte 4 sind Gewindebohrungen 17 vorgesehen und in dem Kunststoffkasten sind am seitlichen Rand Durchgangsboh­ rungen 18 angeordnet, so daß die Bauteile 2 und 3 mittels Schrauben mechanisch miteinander verbindbar sind.

In dem Hohlraum 7 befindet sich eine Kühlrippe 8 in Form einer Einlage aus gewelltem Blech. Dabei wird vorzugsweise das gewellte Blech als Stegrippe ausgebildet, wobei sich ein seitlicher Versatz von hintereinander angeordneten Reihen trapezförmiger Wellen ergibt. Zwischen der Kühlrippe 8 und dem Boden 11 am Kunststoffkasten 5 befindet sich ein elastisches Element 9, das sich großflächig mindestens an­ nähernd über den gesamten Boden 9 erstreckt. Durch dieses elastische Element 9 wird die Kühlrippe 8 gleichmäßig gegen die Metallplatte 4 gepreßt, wobei Unebenheiten in der Metallplatte 4 der Kühlrippe 8 oder des Kunststoffkastens 5 ausgeglichen werden. Damit ist ein guter Wärmeübergang ge­ währleistet.

Auf der dem Hohlraum 7 abgewandten Seite weist die Metall­ platte 4 eine Vertiefung 10 auf, in der die elektronischen Bauelemente aufgenommen werden. Die Metallplatte 4 muß wegen der randseitigen Verbindung entlang ihres äußeren Randes eine bestimmte Dicke aufweisen, dagegen ist es in dem Bereich, in dem die elektronischen Bauelemente aufge­ nommen werden zweckmäßiger, die Wärme, möglichst auf kurzen Wegen dem Kühlmittel zuzuführen. Durch die Ausbildung der Metallplatte 4 mit einer geringeren Dicke in ihrem mittle­ ren Bereich wird die Kühlvorrichtung 1 auch bezüglich ihres Gewichts optimiert.

Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht auf die Kühlvorrichtung 1 in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1 bzw. einen Schnitt durch die Hohlräume 7, 7' mit Darstellung der Kühlrippen 8. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daß in dem Kunststoff­ kasten 5 zwei Hohlräume 7 und 7' ausgebildet sind, zwischen denen sich der in Längsrichtung erstreckende Steg 15 mit der daran ausgebildeten Rille 16 befindet. Am in Fig. 2 unteren Rand des Kunststoffkastens 5 ist eine Zulaufstutzen 13 sowie ein Rücklaufstutzen 14 vorgesehen, wobei das Kühl­ mittel durch den Zulaufstutzen 13 in den Hohlraum 7 ein­ tritt und an dem Ende in der Kühlvorrichtung 1, das dem An­ schlußstutzen 13, 14 entgegengesetzt ist in den Hohlraum 7' umgelenkt wird. Nach Durchströmen des Hohlraums 7' wird dann das Kühlmittel durch den Rücklaufanschluß 14 fortge­ leitet. In dem nicht aufgebrochenen Bereich der Fig. 2 ist ersichtlich, daß eine Vielzahl von Rippen 12 sich auf der Außenseite des Kunststoffkastens 5 in Längsrichtung und in Querrichtung erstrecken, so daß die notwendige Formstabili­ tät gewährleistet ist.

Die elastische Zwischenschicht 9 gemäß Fig. 1 kann bei­ spielsweise eine Gummischicht sein, wobei diese Gummi­ schicht als Einlegeteil in die Vertiefung 6 eingebracht oder als Gummischicht auf den Boden 9 gespritzt wird. Alternativ zu der Gummischicht kann auch ein quellfähiges Material vorgesehen sein, das als elastisches Element dient und die notwendige Vorspannung für den Anpreßdruck der Kühlrippe 8 an der Metallplatte 4 erzeugt. Die Dicke h des elastischen Elementes 9 ist wesentlich geringer als die Höhe H der Kühlrippe 8, wobei es als zweckmäßig angesehen wird, daß die Dicke h des elastischen Elementes 9 etwa 1/20 bis 1/4 der Höhe H der Kühlrippe 8 beträgt. Je nach Kühl­ rippenhöhe beträgt damit die Dicke h des elastischen Elementes 9 etwa 0,5 mm bis 2 mm.

In Fig. 3 ist in vergrößerter Darstellung ein Ausschnitt der Kühlrippe 8 gezeigt. Daraus ist ersichtlich, daß die Welle der Kühlrippe im wesentlichen trapezförmig ist, wobei die Seitenkanten 20 steil ausgebildet sind. Die abgeflach­ ten Oberseiten der Trapezform bilden eine Anlagefläche 19, die zum großflächigen Kontakt der Kühlrippe 8 an der Metallplatte dient und damit einen guten Wärmeübergang von der Metallplatte in die Kühlrippe 8 gewährleistet. Die An­ zahl, Höhe, Dicke und der Abstand der Rippen zueinander sind so gewählt, daß der gewünschten Kühlleistung und dem Druckabfall Rechnung getragen wird.

Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung eignet sich insbeson­ dere zur Integration mit einem Kühlmittelwärmetauscher in einem Kraftfahrzeug. Dabei wird das die Hohlräume 7 und 7' durchströmende Kühlmittel dem Kühlmittelkühler entnommen und in diesen wieder zurückgeführt. Auf diese Weise bilden der Deckel der Kühlvorrichtung für die elektronischen Bau­ elemente und der Wassertasten des Kühlmittelkühlers für die Brennkraftmaschine ein Kunststoffbauteil ohne zusätzliche Anschlüsse und Befestigungselemente.

Claims (17)

1. Kühlvorrichtung für elektronische Bauelemente mit zu­ mindest einem zwischen zwei flachen Bauteilen (2, 3) gebildeten und von einem flüssigen Kühlmittel durch­ strömbaren flachen Hohlraum (7, 7') mit Zu- und Rück- Iaufanschlüssen (13, 14) für das Kühlmittel, wobei ein erstes Bauteil (2) aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Metall besteht und zur Aufnahme der elek­ tronischen Bauelemente vorgesehen ist und mit einer als Kühlrippe (8) dienenden Einlage aus gewelltem Blech, die in dem flachen Hohlraum (7, 7') angeordnet ist, und mit dem ersten Bauteil (2) in wärmeleitender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil (3) als flacher Kunststoffkasten (5) ausgebildet und zwischen diesem und der Kühlrippe (8) ein elastisches Element (9) vorgesehen ist, das die Kühlrippe (8) unter Vor­ spannung gegen das erste Bauteil (2) preßt.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (9) eine Gummischicht ist, die sich mindestens annähernd über die gesamte Fläche eines Bodens (11) erstreckt.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gummischicht am Boden (12) des Kunststoffkastens (5) eingelegt ist.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gummischicht in den Kunststoffkasten (5) eingespritzt ist.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (9) aus einem quellfähigen Material besteht.

6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elastisches Element (9) ein Federwellband vorgesehen ist.

7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkasten (5) ein Spritzgußteil ist.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkasten (5) auf der Außenseite mit Versteifungsrippen (12) versehen ist.

9. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkasten (5) Bestandteil eines Kühlmittelwärmetauschers in einem Kraftfahrzeug ist.

10. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (2) aus einer Aluminiumlegierung besteht.

11. Kühlvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (2) im Strangpreß- oder Extrudierverfahren hergestellt ist.

12. Kühlvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bauteil (2) auf der dem Hohlraum (7, 7') abgewandten Seite eine in Längsrichtung verlaufende Vertiefung (10) aufweist.

13. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Bau­ teil (2, 3) durch Sgannmittel mechanisch miteinander verbunden sind.

14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Bauteil (2) Gewindebohrungen vorgesehen sind, in die durch das zweite Bauteil (3) ragende Schrauben gedreht sind.

15. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippe (8) als Stegrippe ausgebildet ist, die in Strömungsrichtung ge­ sehen eine Trapezform mit steilen Seitenkanten (20) aufweist.

16. Kühlvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (h) des elastischen Elementes (9) wesentlich geringer ist als die Höhe (H) der Stegrippe (8), wobei vorzugsweise die Dicke (h) des elastischen Elements (9) zwischen 1/20 bis 1/4 Höhe (H) der Stegrippe (8) beträgt.

17. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung (1) eine im wesentlichen rechteckige Form besitzt und der Zulaufanschluß (13) und der Rücklaufanschluß (14) auf derselben Seite angeordnet sind und auf der entgegenge­ setzten Seite ein Umlenkbereich zwischen zwei durch einen internen Steg (25) getrennten Hohlräumen (7, 7') vorgesehen sind.