DE3905875A1 - Anordnung zur kuehlung von leistungshalbleitern ueber waermerohre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von Leistungshalbleitern, bei der die Wärmeabfuhr durch ein isoliertes, wassergekühltes Wärmerohr erfolgt.

Eine derartige Anordnung ist z.B. aus der Euro-Patentanmeldung 02 33 103 bekannt. Bei dieser Anordnung besteht das Wärmerohr aus einem metallischen Verdampfer an der Wärmequelle, dem eine Röhre aus wärmeleitender Al-Keramik über ein elastisches Verbindungsstück angesetzt ist, wobei diese Kondensa­ tionsseite von Kühlwasser umspült wird.

Gegenüber herkömmlicher Luftkühlung mit freier oder erzwungener Konvektion unter Verwendung von Rippenkühlkörpern stellen andere Kühlarten wie Wasser­ kühlung, Siedekühlung oder Heat-Pipe-Kühlung bereits effektivere Kühl­ systeme dar, die auch größere Verlustleistungen bewältigen können. Nach­ teilig ist bei vielen Anordnungen jedoch die Notwendigkeit der Isolation zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, die den Kühlwirkungsgrad wieder ver­ schlechtert. Die bekanntgewordene vorerwähnte Kombination von Heat-Pipe- Kühlung mit Wasserkühlung hebt diesen Nachteil wieder zum Teil auf, jedoch ohne die Kühlleistung normaler Heat-Pipes zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeübergang isolierter Wärmerohre an der Kondensationsseite und damit den Kühlwirkungsgrad weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Ein für diese Zwecke gut einsetzbares Wärmerohr ist z.B. durch die DE 37 09 006 C1 bekanntgeworden.

Die Figuren der Zeichnung skizzieren die Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Wärmerohr mit einem äußeren metallischen Rohrteil 1, z.B. aus Al oder Cu, das an der Wärmequelle, z.B. einem Halbleiter, zu­ geordnet wird. Ein weiterer metallischer Rohrteil 2 ist für die Wärme­ senke vorgesehen. Bisher wurde dort z.B. ein aus vielen Platten be­ stehender Luftkühler aufgesteckt. Dazwischen befindet sich ein mit 3 be­ zeichneter rohrförmiger Isolierkörper als in das Wärmerohr verlegte Isolierstrecke. Der Isolierkörper 3 - er ist nur schematisch so lang dargestellt - ist auf die Metallrohrteile 1 und 2 aufgepaßt und an den innen metallisierten Steckstellen 4 und 5 vakuumdicht verbunden (z.B. verklebt, verlötet oder verschweißt). Der Wärmeträger, eine isolierende Flüssigkeit, z.B. Frigen, ist mit 6 bezeichnet und mit 7 ist ein nach der Füllung des Wärmerohres abgequetschtes und verschweißtes Füllrohr dargestellt. Das isolierte Wärmerohr ist ersichtlich innen gleichmäßig mit einem Rippenprofil oder mit einer Kapillarstruktur versehen, wodurch der thermodynamische Wärmetransport nicht behindert und der Rücktrans­ port des Kondensators gefördert wird. Mit dem metallischen Rohrteil 2 für die Wärmesenke ist im vorliegenden Fall ein metallischer Kühlkörper 8 mit Bohrungen 9 für einen Kühlwasserdurchfluß gut wärmeleitend verbunden. Das Wärmerohr kann horizontal - wie dargestellt - aber auch vertikal oder winklig betrieben werden. Das Rohrteil 1 kann eine Aufnahmefläche für die zu kühlenden Halbleiter z.B. entsprechend Fig. 2 aufweisen.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführung, bei der der metallische Rohrteil 1 des Wärmerohres in einen metallischen Grundkörper 10 eingelassen ist, der auf einer mit 11 gestrichelt angedeuteten Wärmequelle aufliegt (z.B. einem Scheibenhalbleiter). Mit 3 ist wieder der keramische Isolator für die elektrische Längsisolierung bezeichnet. Ihm schließt sich der metallische Rohrteil 2 des Kondensationsbereiches an, der über ein formschlüssig auf­ gesetztes Bauelement 12 direkt vom Kühlwasser umströmt wird. Der Wärme­ übergang ist hier besonders gut. Das Bauelement 12 ist an den Stellen 13 gegenüber am Rohrteil 2 abgedichtet.

Das Wasserkühlsystem kann auch einfach aus mehreren metallischen Rohrwin­ dungen bestehen, die die Rohrstruktur der Wärmesenke eng anIiegend um­ schließen. Dabei sollte der Flächenkontakt möglichst groß sein. Mehrere, auch verschiedene Wasserkühlsysteme verschiedener Wärmerohre können an denselben Wasserkreislauf angeschlossen werden und sie können auf dem Potential der Fahrzeugmasse liegen, d.h., sie können direkt an einen Kühlkreislauf des Fahrzeugs angeschlossen werden. Die Montagelage der­ artiger Heat-Pipes ist unter Berücksichtigung der Kondensatrückführung wählbar. Die geschilderte Anordnung ist insbesondere für hoch beanspruchte Halbleiter konzipiert. Weniger stark beanspruchte Halbleiter werden - wie bekannt - über Isolierscheiben, die zwischen Halbleiter und Wasser­ kühldosen liegen, gekühlt. Letztere können im selben Wasserkühlkreislauf liegen, wie die Heat-Pipes. Durch die Erfindung bietet sich die Möglich­ keit einer Verkürzung der Wärmerohre. Die Länge hängt nur noch von der erforderlichen Kondensationsfläche ab. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind folgendermaßen zusammenzufassen:

• 1. kleinerer Gesamt-Wärmewiderstand
• 2. keine Notwendigkeit einer Entionisierung des Kühlwassers, da Konden­ sationsteil gegenüber eigentlichem Wärmerohr potentialfrei
• 3. Rückkühlung des sekundären Wärmeträgers (Wasser) an beliebiger Stelle
• 4. leichte Herstellbarkeit der Wasserkühlungselemente.

Claims (6)

1. Anordnung zur Kühlung von Leistungshalbleitern, bei der die Wärmeab­ fuhr durch ein isoliertes, wassergekühltes Wärmerohr erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß ein mehrteiliges, in Längsrichtung elektrisch isolierendes Wärme­ rohr mit endseitigen, an Wärmequelle und Wärmesenke befindlichen metallischen Rohrstrukturen (1, 2), die durch einen rohrartigen Iso­ lierkörper (3) voneinander elektrisch isoliert sind, Verwendung findet,
und daß ein Wasserkühlsystem die Wärme direkt von der metallischen Rohr­ struktur (2) der Wärmesenke abführt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Brauchwasser Verwendung findet und das Wasserkühlsystem an Fahrzeugmasse liegt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserkühlsystem aus mehreren metallischen Rohrwindungen be­ steht, die mit möglichst großer Fläche die Rohrstruktur (2) der Wärme­ senke eng umschließen und vom Kühlwasser durchströmt werden.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserkühlsystem aus einem formschlüssig auf die Rohrstruktur (2) der Wärmesenke aufgesetzten metallischen Bauelement (8) besteht, das mit Bohrungen (9) für den Kühlwasserdurchtritt versehen ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgesetzte Bauelement (12) so ausgebildet ist, daß ein direk­ tes Umströmen der Rohrstruktur (2) der Wärmesenke durch das Kühl­ wasser erfolgt.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wasserkühlsysteme für mehrere Wärmerohre an denselben Wasserkreislauf anschließbar sind.