DE3411523A1 - Fluessigkeitskuehlkoerper zum kuehlen von leistungs-halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

• Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von
• Leistungs-Halbleiterbauelementen Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen, der aus einer von der Eingangs- zur Ausgangsöffnung mit einem Kühlmedium durchflossenen Kammer besteht, wobei beide Öffnungen in einer Ebene liegen und gegenseitig einen beliebigen Winkel einschließen und die Kühlkörperkammer mit mindestens einer wärmeaustauschenden Fläche des wärmeerzeugenden Bauelementes in Kontakt ist.
• Flüssigkeitskühlkörper sind heute bereits zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen bekannt. Die Steigerung der Parameter von Halbleiterbauelementen ist von der Erzeugung einer höheren Verlustwärme begleitet, und deshalb wachsen die Anforderungen an die Abmessungen und Masse von Luftkühlkörpern, wobei in manchen Fällen schon die Grenzmöglichkeiten der Luftkühlung erreicht werden.
• Eine unerläßliche logische Folge ist die Notwendigkeit, eine andere effektivere Kühlart, und zwar die Flüssigkeitskühlung anzuwenden. Flüssigkeitskühlkörper bieten allgemein eine größere Kühlleistungsreserve und halten leichter den Stoß- und Übergangszuständen deshalb stand, weil ihre Wärmeträgheit es ermöglicht, kurze Wärmeimpulse mit einem nur geringfügigen Temperaturanstieg auszugleichen. Ein weiterer Vorteil des Flüs-sigkeitskühlkörpers ist die Begrenzung und in einigen Fällen die Ausschaltung der Geräuschintensität, welche bei der Luftkühlung von den anmontierten Lüftern hervorgerufen wird. Dagegen ist es notwendig, darauf aufmerksam zu machen, daß die Flüssigkeitskühlung etwas komplizierter und anspruchsvoller in bezug auf die Wartung ist. Die Kühlkörper sind in vielen Fällen als zylinder- oder quaderförmige Körper mit Zuleitungs- und Ableitungsstutzen konstruiert. Im Inneren des Körpers ist ein System von entweder parallelen oder anders miteinander verbundenen Kanälen ausgebildet. Manchmal sind solche Kanäle direkt in den Stromgurtplatten ausgebildet, und in einigen Fällen wird die Verteilung der Kühlflüssigkeit mit Hilfe von ausgebildeten Trennwänden durchgeführt, oder es werden dem Flüssigkeitsstrom verschiedene Aufstellungen von Stiften in den Weg gestellt. Alle diese Anordnungen dienen zur Vergrößerung der Kontaktfläche, die die Wärme an die Kühlflüssigkeit abgibt. Es existieren auch Lösungen, die eine leere gespülte Kühlkammer enthalten.
• Alle diese Konzeptionen und Konstruktionen zeichnen sich durch ein gemeinsames Merkmal aus, und zwar die Notwendigkeit, bei der Herstellung Maschinenbearbeitung anzuwenden, was die Herstellungskosten steigert. Viele Konstruktionen von Flüssigkeitskühlkörpern sind sehr kompliziert aus einigen Teilen zusammengesetzt, und eine vollkommene Abdichtung ist unumgänglich. Dieses Problem ist, wie gut bekannt, bei Einhaltung der Forderung einer langen Lebensdauer anspruchsvoll und kann unvermutete Störungen mit weitläufigen Folgen verursachen. Ein Nachteil anderer Lösungen ist das Vorhandensein von mit der Kühlflüssigkeit ungenügend bespülten Bereichen, wo eine niedrigere Kühlwirkung mit einem allgemein herabgesetzten Kühleffekt erzielt wird. Ein weiterer Nachteil ist die Unmöglichkeit einer beliebigen Einstellung des Winkels zwischen Eingangs- und Ausgangsstutzen der Kühlflüssigkeit gemäß der Notwendigkeit der Anpassung an die anderen Zusatzeinrichtungen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitskühlkörper der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er einfacher herstellbar ist und eine vollkommenere Verteilung sowie Richtungsanpassung der Kühlflüssigkeit ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammer aus mindestens zwei Kappen und mindestens einer spiralförmigen Trennwand besteht, welche zusammen mit den Kappen einen Kanal für das Kühlmedium bildet.
• Alternativ wird der Kanal für das Kühlmedium von einer bifilar gewickelten spiralförmigen Trennwand mit Überlauföffnungen und den mindestens zwei Kappen gebildet.
• Eine weitere Alternative ist ein aus zwei selbständigen, identischen und ineinandergelegten spiralförmigen Trennwänden und den mindestens zwei Kappen gebildeter Kanal für das Kühlmedium.
• Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der mindestens eine der Kappen mit der spiralförmigen Trennwand eine integrierte Gruppe bildet.
• Die Wandinnenfläche des Kanals für das Kühlmedium ist z. B. durch Aufrauhen und Wellenformung vergrößert.
• Der erfindungsgemäße Flüssigkeitskühlkörper zeichnet sich durch Einfachheit der Konzeption und den geringen Umfang der nötigen mechanischen und maschinellen Fertigungsarbeit aus. Weiter ist die Umströmung der ganzen wärmeaustauschenden Fläche mit dem Kühlmedium vollkommen. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Möglichkeit der beliebigen Einstellung des Winkels zwischen Eingangs- und Ausgangsstutzen.
• In der beiliegenden Zeichnung ist der erfindungsgemäße Flüssigkeitskühlkörper in einigen Ausführungen dargestellt; darin zeigen: Fig. 1 den Flüssigkeitskühlkörper in Querschnitt; Fig. 2 den Flüssigkeitskühlkörper in Ansicht in Ausführung mit bifilar gewickelter spiralförmiger Trennwand; Fig. 3 eine einfache spiralförmige Trennwand; Fig. 4 den von zwei selbständigen, identischen und ineinandergelegten spiralförmigen Trennwänden gebildeten Kühlkanal; und Fig. 5 den Kühlkanal in gleicher Ausführung, wo die Seitenwände der Kammer direkt von einer der spiralförmigen Trennwände gebildet werden.
• Der Flüssigkeitskühlkörper in Fig. 1 und 2 besteht aus einer Kammer 1, welche zwei Kappen 2, 3, eine Seitenwand 4 und eine spiralförmige Trennwand 5 enthält.
• Die sprialförmige Trennwand 5 bildet zusammen mit den Kappen 2, 3 den Kühlkanal 6. Die untere Kappe 3, die Seitenwand 4 und die spiralförmige Trennwand 5 bilden in dieser Ausführung eine Gruppe.
• Die Kammer 1 ist mit je einer Eingangs- und Ausgangsöffnung 7 und 8 mit Stutzen für die Zu- und Ableitung des Kühlmediums versehen, welche sich in einer Ebene befinden. Die spiralförmige Trennwand 5 ist bifilar gewickelt, so daß es in diesem Falle notwendig ist, den Durchfluß der Kühlflüssigkeit durch Uberflußöffnungen 9 im Mittelbereich der spiralförmigen Trennwand 5 zu sichern. Die Durchflußrichtung der Kühlflüssigkeit ist in Fig. 2 durch Pfeile gekennzeichnet.
• Im Falle der Anwendung einer einfachen spiralförmigen Trennwand 5 ist einer der Stutzen verlängert (Fig. 3), führt durch alle Windungen der Trennwand (5) und mündet im mittleren Ende der Trennwand. Der Durchflußraum um den verlängerten Stutzen herum ist so zu wählen, daß er die Strömung der Kühlflüssigkeit nicht begrenzt.
• Fig. 4 zeigt einen Flüssigkeitskühlkörper, dessen Kanal 6 für das Kühlmedium von zwei selbständigen, in Form und Abmessungen identischen spiralförmigen Trennwänden 5 und 10 gebildet wird, die so angeordnet sind, daß ihre Enden die Seitenwände 4 der Kammer 1 bei der Eingangsöffnung 7 und Ausgangsöffnung 8 berühren.
• Fig. 5 zeigt einen Flüssigkeitskühlkörper, der sich von der eben beschriebenen Lösung nur dadurch unterscheidet, daß die Seitenwand 4 der Kammer 1 direkt von einer der spiralförmigen Trennwände 5 und 10 gebildet wird und die Stutzen bei der Eingangsöffnung 7 und Ausgangsöffnung 8 tangential zur Seitenwand 4 der Kammer 1 angeordnet sind.
• Im Bedarfsfall kann die Kammer 1 des Flüssigkeitskühlkörpers Quaderform haben. Die Dicke der spiralförmigen Trennwand 5 bzw. 10 ist so gewählt, daß die notwendige mechanische Festigkeit und Steifheit bei der Verbindung mit dem Leistungs-F[albleiterbauelement gewährleistet sind. Die gewählte Dicke muß auch vom Standpunkt der Wärmeverteilung vom Kammerboden genügend sein. Durch die Spiralform des Kanals für das Kühlmedium wird die ganze wärmeaustauschende Fläche der Kammer bedeckt. Insbesondere vorteilhaft ist eine Zusammenstellung von zwei Spiralen, wo die Kühlflüssigkeit auf einer Seite durch die Eingangsöffnung in das gebildete Labyrinth und vom Kühlkörperrand in die Mitte.strömt und dann gegenströmend von der Mitte zurückströmt. Dadurch wird eine gleichmäßige und äußerst vollkommene Spülung der ganzen wärmeaustauschenden Oberfläche durch die Kühlflüssigkeit erzielt. Die Gewindeanzahl ist so gewählt, daß der Kanal des Labyrinths den gleichen Querschnitt wie die Eingangs- und die AusgangsöfFnung für die Kühlflüssigkeit hat. So entsteht keine unnötige Störung des Stroms des Kühlmittels und keine Senkung oder Steigerung des Kühlflüssigkeitsdruckes. Es existieren jedoch spezielle Fälle, wo es sinnvoll ist, die Kanalabmessungen zum Nachteil der Steigerung des Druckes des strömenden Kühlmittels zu senken. Zur Steigerung der Kühlwirkung können die Innenwände des Kanals über die ganze Länge und Fläche verschieden aufgerauht oder gewellt werden, um deren Oberfläche und die Kontaktfläche mit der Basis zu ver#größern sowie um den Kühlmittel strom zu verändern und dadurch eine turbulente Strömung zu erzielen.
• Der Flüssigkeitskühlkörper der beschriebenen Konstruktion zeichnet sich durch eine sehr gute Kühlwirkung bei einer verhältnismäßig niedrigen Durchflußgeschwindigkeit der Kühlkörperflüssigkeit, einen kleinen Materialverbrauch und niedrige Herstellungskosten aus.
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Claims (5)

1. Patentansprüche Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen, der aus einer von der Eingangszur Ausgangsöffnung mit einem Kühlmedium durchflossenen Kammer besteht, wobei beide Öffnungen in einer Ebene liegen und gegenseitig einen beliebigen Winkel einschließen und die Kühlkörperkammer mit mindestens einer wärmeaustauschenden Fläche des wäremeerzeugenden Bauelementes in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (1) aus mindestens zwei Kappen (2, 3) und mindestens einer spiralförmigen Trennwand (5) besteht, welche zusammen mit den Kappen (2, 3) einen Kanal (6) für das Kühlmedium bildet.
2. 2. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (6) für das Kühlmedium von einer bifilar gewickelten spiralförmigen Trennwand (5) mit Überlauföffnungen (9) und den mindestens zwei Kappen (2, 3) gebildet wird.
3. 3. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (6) für das Kühlmedium von zwei selbständigen, identischen und ineinandergelegten spiralförmigen Trennwänden (5, 10) und den mindestens zwei Kappen (2, 3) gebildet wird.
4. 4. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kappen (3) mit der spiralförmigen Trennwand (5) eine integrierte Gruppe bildet.
5. 5. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche der Wand (4) des Kanals (6) für das Kühlmedium z. B. durch Aufrauhen oder Wellenbildung vergrößert ist.