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Kühlkörper, insbesondere Flüssigkeitskühlkörper für
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Hochlei-stungs-Halbleiterelemente Die Erfindung bezieht sich auf einen
Kühlkörper, insbesondere einen Flüssigkeitskühlkörper für Hochleistungs-Halbleiterelemente
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein Flüssigkeitskühlkörper der vorgenannten Art ist bekannt aus Siemens-Zeitschrift
52 (1978), Heft 1, Seiten 45 und 46a Hier sind innerhalb eines blockförmigen Wärmeleitkörpers
zueinander parallel angeordnete Kühlkanäle vorgesehen, die entweder nach Umlenkung
mit Hilfe entsprechender Verbindungs-Kanäle in Reihenschaltung oder aber in Parallelschaltung
zwischen Eintritts- und Auslassleitung von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden.
Die wärmeabgebenden Halbleiterelemente werden in flächenhafter Anlage mit den Stirnseiten
eines solchen Kühlkörpers verbunden, so dass die Wärme über grosse Querschnitte
des Wärmeleitkörpers zu den ab führenden Kühlkanälen geleitet wird. Der Wärmeübergang
zwischen dem Kühlkörper und dem die Kühlkanäle durchströmenden Medium ist bei einer
solchen Ausführung jedoch vergleichsweise gering, weil sich in den im wesentlichen
geradlinigen Kühlkanälen eine mehr oder weniger laminare Strömung ausbildet, während
für einen optimalen Wärmeübergang bekanntlich eine intensiv turbulente Strömung
erforderlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Kühlkörpers, der
sich bei einfacher Konstruktion und ohne Korrosionsgefahr infolge Stromfluss über
Trennstellen und metallische Berührungsflächen innerhalb des Kühlmittelsystems durch
guten Wärmeübergang zum Kühlmittel auszeichnet. Die erfindungsgemässe Lösung dieser
Aufgabe ist bestimmt durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale. Das danach
vorgesehene System von im Winkel zueinander angeordneten und sich durchdringenden
Kühlkanälen ergibt eine entsprechende Vielzahl von sich überlagernden und gegenseitig
verwirbelnden Teilströmungen und damit eine äussert intensive Turbulenz der gesamten
im Kühlkörper befindlichen Kühlmittelmasse. Die sich durchdringenden Kühlkanäle
ermöglichen ferner innerhalb eines vorgegebenen Kühlkörpervolumens eine vergleichsweise
grosse Wärmeübergangsfläche zwischen Kühlmittel und Kühlkörper. Die Herstellung
eines solchen Kühlkörpers gestaltet sich insbesondere bei zylindrischen Kühlkanälen
vergleichsweise einfach, weil jeweils eine grössere Anzahl von Kühlkanälen zueinander
parallel angeordnet sein können und daher durch Bohren mit Mehrspindelwerkzeugen
herstellbar sind.
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Vorzugsweise werden die Achsen der sich durchdringenden Scharen von
ersten und zweiten Kühlkanälen bezüglich der Achse eines Kühlmittel-Eintrittskanals
bzw.#bezüglich der Richtung eines Kühlmittel-Eintrittstromes gegensinnig symmetrisch
geneigt angeordnet. Dadurch ergibt sich eine im wesentlichen gleichmässige Verteilung
des Kühlmittelstromes auf die ersten und zweiten Kühikanäle, insgesamt also eine
gleichmässige Durchströmung und optimale Ausnutzung des
Wärmeleitkörpers.
Dazu wird zweckmässig ein mit einer Mehrzahl von ersten und zweiten Kühlkanälen
verbundener Eintrittverteiler und gegebenenfalls ein ebensolcher Anlassamler vorgesehen.
Dies begünstigt die Einstellung einer gleichmässigen Druckverteilung über die Kühlkanäle
an deren Eintritt- und Auslasseite, d.h. nicht zu stark differierende Differenz-
drücke
über den verschiedenen Teilen des Kanalsystems.
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Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung sind die sich gegenseitig
durchdringenden Kühlkanäle in mindestens zwei wenigstens annähernd parallelen Ebenen
innerhalb eines Kühlkörpers angeordnet, wobei zweckmässig für die Kühlkanäle der
verschiedenen Ebenen ein gemeinsamer Eintrittverteiler bzw.
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Auslassammler vorgesehen ist. Eine solche Konstruktion ermöglicht
einen hohen Ausnutzungsgrad auch von Wärmeleitkörpern mit vergleichsweise grosser
Bauhöhe, die beispielsweise bei der Verwendung solcher Kühlkörper in abwechselnder
Aufeinanderfolge mit Leistungs-Halbleiterelementen innerhalb einer säulenartigen
Ventil-Baueinheit aus konstruktiven Gründen vorgegeben sein kann. Insbesondere ermöglicht
ein solches Kühlsystem mit Kanälen in mehreren Ebenen eine intensive Wärmeabfuhr
von beiden Stirnseiten des Kühlkörpers, was ebenfalls für Säulenanordnungen der
vorgenannten Art wesentlich ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand des in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierin zeigt Fig. 1 einen
Radialschnitt eines zylindrischen Kühlkörpers, wobei die Schnittebene durch ein
System von sich quer durchdringenden Kühlkanälen geführt ist, Fig. 2 einen Axialschnitt
des Kühlkörpers gemäss Schnittebene II-II in Fig. 1 und Fig. 3 einen Axialschnitt
des Kühlkörpers gemäss Schnitt-
ebene III-III in Fig. 1.
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Der dargestellte Kühlkörper umfasst einen zylindrischen Wärmeleitkörper
WK mit quer zur Zylinderachse Z-Z in drei Ebenen Ea, Eb, Ec angeordneten Kühlkanälen
Kl und K2. Diese ersten und zweiten Kühlkanäle sind in Form je einer Parallelschar
mit ihren Achsen X-X bzw. Y-Y unter einem Winkel von 90 in jeder der genannten Ebenen
Ea bis Ec angeordnet. Demgemäss schneiden sich die Kanalachsen rechtwinklig, so
dass sich die zylindrischen Wandungsflächen der Kanäle gegenseitig durchdringen,
wie dies insbesondere anschaulich aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist. Es kommt nicht
auf eine genau schneidende Anordnung der Kanalachsen X-X und Y-Y in den betreffenden
Ebenen an, vielmehr können sich die Achsen der zueinander im Winkel angeordneten
Kanäle auch mit einem Abstand kreuzen, solange nur eine gegenseitige Durchdringung
der beiden Kanalscharen mit entsprechender Verwirbelung der Teilströmungen vorhanden
ist. Optimal ist allerdings die dargestellte Ausführung mit schneidender Anordnung
der Kanalachsen in jeweils einer Ebene.
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Das Kühlmittel, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit wie Oel oder hochreines,
elektrisch schwach leitendes Wasser, wird mit Strömungsrichtung gemäss Pfeil P1
über einen Eintrittstutzen S1 und eine nachgeschaltete Drossel D1 einem Eintrittverteiler
Rl zugeführt, der als segmentförmige Aussparung des Wärmeleitkörpers WK ausgebildet
ist. Infolge der Eintrittsdrossel D1 tritt bereits im Verteiler R1 eine Verwirbelung
sowie anschliessend eine gleichmässige Druckverteilung über die Einlasseiten der
Kühlkanäle Kl und K2 auf. Nach Durchströmen des Kanalsystems gelangt die auf-
geheizte
Kühlflüssigkeit über einen Auslassammler R2, der konstruktiv in gleicher Weise wie
der Eintrittverteiler R1 ausgebildet ist, sowie über eine nachgeschaltete Drossel
D2 in einen Auslassstutzen S2, in dem wieder eine laminare Strömung gemäss Pfeil
P2 herrschen kann. Durch den Rückstau infolge der Drossel D2 wird auch im Auslassammler
R2 eine annähernd gleichmässige Druckverteilung begünstigt, so dass sich die Strömung
nicht zu stark unterschiedlich auf die parallel geschalteten Kanäle des Kühlsystems
verteilt, Dies gilt insbesondere auch im Hinblick auf die Strömungsverteilung auf
die ebenfalls parallel geschalteten Kanalebenen Ea bis Ec. Weiterhin wird eine nicht
zu stark ungleichmässige Strömungsaufteilung durch die aus Fig. 1 ersichtliche,
gegensinnig symmetrisch geneigte Anordnung der Kühlkanalachsen X-X und Y-Y gegen
die Eintritt:Sbimungsrichtung P1 begünstigt.
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Die sich kreuzweise schneidenden Kühlkanäle treten an den - bezüglich
der allgemeinen Durchströmungsrichtung V-V -seitlichen Umfangsbereichen des Wärmeleitkörpers
WK frei aus.
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Diese Austrittsstellen müssen ebenso wie der Eintrittverteiler R1
und der Auslassammler R2 umfangseitig verschlossen werden. Hierfür ist ein den zylindrischen
Wärmeleitkörper koaxial umgebender Mantelkörper M vorgesehen, an dem die Stutzen
S1 und S2 angeschweisst sind und der mit entsprechenden Bohrungen die Drosseln D1
und D2 bildet, Der Mantelkörper kann zweckmässig durch einen Schrumpf- oder Presssitz
auf dem Umfang des Wärmeleiterkörpers WK befestigt werden. Dieser Schrumpf- oder
Pressitz muss jedenfalls die axial äusseren Randbereiche der Umfangs fläche U des
Wärmeleitkörpers WK erfassen, um einen dichten Abschluss des
Kühlmittels
nach aussen hin zu erreichen. Gegebenenfalls kann der Umfang des Wärmeleitkörpers
in dem axial inneren Bereich mit einem leicht verminderten Durchmesser versehen
werden, um an den axial äusseren Randbereichen einen sicheren Schrumpf- oder Press-Sitz
zu erreichen. Gegebenenfalls kommt auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen
Wärmeleitkörper und Mantelkörper in Betracht, vorzugsweise durch Schweissung oder
auch durch Klebung, wenn besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Dichtheit gegeben
sind.
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Vorteilhaft einfach gestaltet sich die Herstellung des Kühlkörpers
in der aus Fig. 1 und 2 ersichtlichen Weise dadurch, dass der Eintrittverteiler
R1 und der Auslassammler R2 als segmentförmige Umfangsaussparungen des Wärmeleitkörpers
WK ausgebildet sind, und zwar mit einer Ausdehnung in Richtung der Zylinderachse
Z-Z, die einen beiderseitigen Abstand der segmentförmigen Aussparungen von den axialen
Stirnflächen 01 und 02 des Wärmeleitkörpers zur Folge hat. Durch diese Ausbildung
ergibt sich auf einfache Weise ein Abschluss der Räume R1 und R2 in Axialrichtung
sowie eine Konzentration der abdichtenden Schrumpf- oder Pressspannungen auf die
entsprechenden axialen Randbereiche der Umfangs fläche des Wärmeleitkörpers.
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Im Beispielsfall ist der Wärmeleitkörper WK als ganzes einstückig
ausgebildet. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass beim Einsatz in einer Ventilsäule
die Ströme der Halbleiterelemente zwischen den Stirnflächen 01 und 02 keine Oberflächen-Berührungsstellen
zu passieren brauchen. Damit werden elektrolytische Korrosionserscheinungen vermieden.
Ausserdem ergeben sich keine Kontaktierungsprobleme innerhalb
des
Wärmeleitkörpers und insbesondere im Bereich des KUhlmittels. Dies ist besonders
bei Verwendung von Wasser als Kühlmittel in Verbindung mit einem Wärmeleitkörper
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung von Bedeutung.
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Zusammenfassung Bei Kühlkörpern für Leistungs-Halbleiterelemente
besteht das Problem des möglichst intensiven Wärmeüberganges zwischen einem Wärmeleitkörper,
der einerseits mit den wärmeabgebenden Elementen in Berührung steht und andererseits
von einem Kühlmittel durchströmte Kühlkanäle aufweist, und dem Kühlmittel. Hierfür
ist eine starke Turbulenz des Kühlmittels in den Kühlkanälen erforderlich, ebenso
eine nicht zu stark unterschiedliche Strömungsverteilung auf die Kanäle, da sonst
die Wärmeabfuhr über die Oberflächen des Wärmeleitkörpers sehr stark ungleichmässig
verteilt ist und örtliche Ueberhitzungen auftreten können.
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Die Lösung sieht eine Mehrzahl von sich vorzugsweise rechtwinklig
durchdringenden Kühlkanälen (K1, K2) innerhalb eines vorzugsweise zylindrischen
Wärmeleitkörpers (WK) vor, der einstückig ausgebildet ist und keiner elektrolytischen
Korrosion unterliegt.
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Bezugszeichenliste D1, D2 Drossel Ea,Eb,Ec Kanalebene K1, K2 Kühlkanäle
M Mantelkörper Pl, P2 Pfeile R1 Eintrittverteiler R2 Auslasssamrnler S1 Eintrittsstutzen
S2 Auslassstutzen U Umfangsfläche des Wärmeleitkörpers WK V-V, X-X, Kanalachsen
Y-Y, Z-Z WK Wärmeleitkörper 01, 02 Stirnflächen
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