DE4421025C2 - Heatsink with at least one cooling channel - Google Patents
Heatsink with at least one cooling channelInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper mit mindestens einem Kühlkanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und kann z. B. bei flüssigkeits- oder gasgekühlten Stromrichtern in der Verkehrstechnik eingesetzt werden.The invention relates to a heat sink with at least a cooling duct according to the preamble of claim 1 and can e.g. B. in liquid or gas-cooled converters in the Traffic engineering can be used.
Ein solcher Kühlkörper mit mindestens einem Kühlkanal ist aus der DE 86 10 387 U1 bekannt. Im bekannten Fall handelt es sich um einen luftgekühlten Kühlkörper für Stromrichtermodulen mit quaderförmigem Körper und mehreren längsseitig geschlossenen und an den Stirnseiten offenen Kühlkörperkammern in Längsrichtung des Kühlkörpers. Es ist sowohl Luftselbstkühlung als auch for cierte Belüftung mittels Lüfter möglich.Such a heat sink with at least one cooling channel is off known from DE 86 10 387 U1. In the known case it is an air-cooled heat sink for converter modules with cuboid body and several longitudinally closed and Heat sink chambers open on the front sides in the longitudinal direction of the heat sink. It is both air self-cooling and for ced ventilation possible by fan.
Ein flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper für Leistungshalbleiterbau elemente ist aus der DE 26 40 000 C2 bekannt. Dort sind im Strö mungsweg der Kühlflüssigkeit senkrecht zu den Kühlkörperböden orientierte, von Boden zu Boden reichende Zapfen mit jeweils quadratischem Querschnitt angeordnet. Durch die spezielle Anord nung der Zapfen-Diagonale quer zur Strömungsrichtung des Kühl mittels treten Verwirbelungen auf, die den Wärmeübergangswert anheben. Die Anordnung der Zapfen führt weiterhin zu relativ großen wärmeabgebenden Flächen. Die Herstellung dieser "Wasser kühlflächen", d. h. die Bearbeitung der Kühlkörper zur Bildung der Zapfung ist jedoch relativ aufwendig. A liquid-cooled heat sink for power semiconductor construction elements is known from DE 26 40 000 C2. There are in the river path of the coolant perpendicular to the heat sink bottoms oriented, floor-to-floor cones with each square cross section. Due to the special arrangement the pin diagonal transverse to the flow direction of the cooling by means of turbulence, the heat transfer value lift. The arrangement of the pins continues to lead to relative large areas giving off heat. The production of this "water cooling surfaces ", i.e. machining the heat sinks to form them however, the tap is relatively complex.
In der DE 43 01 865 A1 wird eine Kühldose zum Kühlen von Hochleistungshalbleitern vorgeschlagen. Zur Verbesserung der Kühlwirkung sind in mehrere parallele Kühlkanäle, die in einen einstückig ausgebildeten Kühlkörper aus Aluminium gebohrt sind, spindelförmige, schneckenförmige oder schraubenförmige Verwirbelungskörper aus Kunststoff unbeweglich eingebracht.DE 43 01 865 A1 describes a cooling box for cooling high-performance semiconductors suggested. To improve the cooling effect are in several parallel cooling channels are drilled in a one-piece aluminum heat sink, spindle-shaped, helical or screw-shaped swirling bodies Plastic introduced immovably.
Ferner ist in der DE 88 04 742 U1 ein Kühlkörper für elektrische Bauelemente mit einem eingesetzten Verwirbelungskörper beschrieben. Der Verwirbelungskörper ist hierbei als eine wendelförmige Spirale gestaltet.Furthermore, in DE 88 04 742 U1 there is a heat sink for electrical components described a swirl body used. The vortex body is here designed as a helical spiral.
Die bekannten Verwirbelungskörper sind jedoch vergleichsweise kompliziert ausgebildet, so daß deren Herstellung relativ aufwendig ist.However, the known swirling bodies are comparatively complicated trained so that their production is relatively expensive.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper mit mindestens einem Kühlkanal vorzusehen, bei dem mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine turbulente Kühlmittelströmung im Kühlkanal und ein sehr guter Wärmeübergang zwischen einem Kühlmittel und dem Kühlkörper erzielbar ist.The invention is therefore based on the object of at least one heat sink to provide a cooling channel in which a simple and inexpensive means turbulent coolant flow in the cooling channel and very good heat transfer can be achieved between a coolant and the heat sink.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbe griffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is combined with the characteristics of the Oberbe Handle according to the invention by the characterizing part of claim 1 specified features solved.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein sehr gutes Verhältnis zwischen der zur Montage des elektrischen Bauelements auf dem Kühlkörper und zur Wärme übertragung erforderlichen äußeren Fläche (Aufspannfläche) und der mit dem Kühlmittel in Kontakt tretenden inneren Kühlfläche erzielt wird, was eine hohe thermische Ausnutzung des Kühlkör pers auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmit tels zur Folge hat. Bei Kühlkörpern mit mehreren parallelen Kühlkanälen kann das Gegenstromprinzip vorteilhaft eingesetzt werden, bei dem das Kühlmittel innerhalb benachbarter Kühlkanäle mit jeweils entgegengesetzter Richtung strömt. Die Verwirbe lungsdrähte innerhalb der Kühlkanäle bewirken eine turbulente Kühlmittelströmung, ohne daß dabei teuere Kühlkanalprofile er forderlich sind. Das Temperaturgefälle vom wärmeproduzierenden elektrischen Bauelement bis zum Kühlmittel erlaubt kleine Kühl mittel-Strömungsgeschwindigkeiten, was vorteilhaft geringe Durchflußmengen und damit geringe Reibungs- und Energieverluste (beispielsweise durch Pumpen oder elektrische Lüfter) zur Folge hat. Mit anderen Worten wird hierdurch der Eigenbedarf des Kühl mittelkreislaufs minimiert. Dabei kann sowohl ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere auch Brauchwasser, als auch ein gasför miges Kühlmittel, insbesondere auch Luft, eingesetzt werden. Aufgrund der sehr hohen thermischen Ausnutzung kann der Kühlkör per doppelseitig - d. h. an seinen beiden Hauptoberflächen - mit elektrischen Bauelementen, vorzugsweise mit Leistungshalblei tern, bestückt sein.The advantages that can be achieved with the invention are in particular in the fact that there is a very good relationship between the assembly of the electrical component on the heat sink and for heat transmission required outer surface (clamping surface) and the inner cooling surface coming into contact with the coolant What is achieved is a high thermal utilization of the heat sink pers even at low coolant flow rates result. For heat sinks with several parallel ones The countercurrent principle can advantageously be used for cooling channels in which the coolant within adjacent cooling channels flows in opposite directions. The swirls wires within the cooling channels create a turbulent Coolant flow without he expensive cooling channel profiles are required. The temperature gradient from the heat producing electrical component to the coolant allows small cooling medium flow rates, which is advantageously low Flow rates and thus low friction and energy losses (for example by pumps or electric fans) Has. In other words, this is the cooling's own requirement medium circuit minimized. Both a liquid Coolant, especially process water, as well as gas coolant, especially air. Due to the very high thermal utilization, the heat sink by double-sided - d. H. on its two main surfaces - with electrical components, preferably with power semiconductors tern, be equipped.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dar gestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: The invention is illustrated below with reference to the drawing presented embodiments explained. Show it:
Fig. 1 eine Sicht auf die Stirnseite eines Kühlkörpers, Fig. 1 is a view of the end face of a cooling body,
Fig. 2 einen stirnseitigen Schnitt durch einen Kühlkanal, Fig. 2 is a frontal section through a cooling channel,
Fig. 3 eine Sicht auf die Stirnseite eines Kühlkörpers mit in den Kühlkanälen eingeschobenen Verwirbelungs drähten, Shows a view wires. 3 on the end face of a cooling body with inserted in the cooling ducts swirl,
Fig. 4 einen seitlichen Schnitt durch einen Kühlkörper, Fig. 4 is a side sectional view of a heat sink,
Fig. 5 eine Sicht auf einen aufgeschnittenen Kühlkörper von einer Hauptoberfläche aus, Fig. 5 is a view of a cut heatsink from a main surface,
Fig. 6 einen stirnseitigen Schnitt durch einen bestückten Kühlkörper, Fig. 6 is a frontal section through an assembled heat sink,
Fig. 7, 8 einen seitlichen Schnitt durch einen Kühlkörper mit alternativ ausgebildeten Verwirbelungskörpern. Fig. 7, 8 is a side sectional view of a heat sink having alternatively designed Verwirbelungskörpern.
In Fig. 1 ist eine Sicht auf die Stirnseite eines Kühlkörpers dargestellt, wobei Kühlmittelarmaturen noch nicht montiert und die Verwirbelungsdrähte noch nicht eingebracht sind. Der Kühlkörper 1 ist als Strangpreßpro fil vorzugsweise aus Aluminium (alternativ aus Kupfer) ausge bildet und weist mehrere parallele Kühlkanäle 2 - im Ausfüh rungsbeispiel zwölf Kühlkanäle - auf, deren Wände mit Rippen 3 versehen sind. Der Kühlkörper 1 kann vorteilhaft zusätzlich mit mehreren Befestigungskanälen 4 versehen sein. Diese Befesti gungskanäle 4 können mit Gewinden versehen sein, um eine Schraubbefestigung von stirnseitigen Kühlmittelarmaturen zu er möglichen. Des weiteren können die Befestigungskanäle 4 von senkrecht hierzu angeordneten Bohrungen durchstoßen werden, wel che zur Befestigung von Leistungshalbleitern auf dem Kühlkörper dienen.In Fig. 1 a view is shown on the face of a heat sink, said coolant fittings not yet mounted and the Verwirbelungsdrähte are not yet introduced. The heat sink 1 is formed as an extruded profile preferably made of aluminum (alternatively made of copper) and has a plurality of parallel cooling channels 2 - in the exemplary embodiment twelve cooling channels - the walls of which are provided with ribs 3 . The heat sink 1 can advantageously also be provided with a plurality of fastening channels 4 . This fastening supply channels 4 can be provided with threads in order to enable screw fastening of front-side coolant fittings. Furthermore, the mounting channels 4 can be pierced by holes arranged perpendicular thereto, which are used for mounting power semiconductors on the heat sink.
Der Kühlkörper 1 weist eine quaderförmige Struktur von relativ geringer Höhe auf, wobei eine oder beide Hauptoberflächen mit Leistungshalbleitern bestückt sind.The heat sink 1 has a cuboid structure of relatively low height, one or both main surfaces being equipped with power semiconductors.
In Fig. 2 ist ein stirnseitiger Schnitt durch einen Kühlkanal 2 dargestellt. Die zur Vergrößerung der zur Wärmeübertragung heranziehbaren Oberfläche dienenden Rippen 3 sind zu erkennen. Wesentliche Bauelemente des Kühlkörpers sind in die Kühlkanäle 2 wellenförmig, insbesondere sinusförmig eingebrachte Verwirbe lungsdrähte 7. Die vorzugsweise aus einem federnden Metall, ins besondere Edelstahl gebogenen Verwirbelungsdrähte 7 können bei spielsweise diagonal (bezüglich des Querschnittes) innerhalb der rechteckförmigen Kühlkanäle verlaufen, wobei sie mit einer Vor spannung gegen die Wandung der Kühlkanäle pressen und durch die Rippen 3 zusätzlich seitlich fixiert werden.In Fig. 2 is a frontal section through a cooling channel 2. The ribs 3 serving to enlarge the surface that can be used for heat transfer can be seen. Essential components of the heat sink are in the cooling channels 2 wavy, in particular sinusoidally introduced interweaving wires 7th The vortexing wires 7 , which are preferably made of a resilient metal, in particular stainless steel, can run diagonally (with respect to the cross section) within the rectangular cooling channels, for example, pressing them against the wall of the cooling channels with a voltage and additionally being fixed laterally by the ribs 3 .
In Fig. 3 ist eine Sieht auf die Stirnseite eines Kühlkörpers 1 mit in den Kühlkanälen 2 eingebrachten Verwirbelungsdrähten 7 gezeigt. Im übrigen entspricht diese Figur der Anordnung gemäß Fig. 1.In Fig. 3 one looks at the front side of a heat sink 1 with inserted in the cooling channels 2 Verwirbelungsdrähten 7 is shown. Otherwise, this figure corresponds to the arrangement according to FIG. 1.
In Fig. 4 ist ein seitlicher Schnitt durch einen Kühlkörper 1 dargestellt. Es ist der wellenförmige (sinusförmige) Verlauf des Verwirbelungsdrahtes 7 innerhalb des Kühlkanals 2 zu erkennen. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels innerhalb des Kanals 2 ist durch Pfeile angedeutet. Aus Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 2 geht hervor, daß durch den Verwirbelungsdraht 7 eine laminare Strömung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals 2 verhindert wird. Der laminare, ohne Wirbel geordnet, schichtweise nebenein ander ausgebildete Strömungsverlauf des Kühlmittels mit heißeren Schichten längs der Wandung und kälteren Schichte Kanalzen trum wird infolge des Einsatzes der Verwirbelungsdrähte durch einen turbulenten, ungeordneten Strömungsverlauf mit starker Wirbelbildung ersetzt. Hierdurch ergibt sich eine wesentlich verbesserte thermische Ausnutzung des Kühlkörpers und des Kühl mittels. Die Ausbildung kälterer Schichten innerhalb des Kühl mittels im Kanalzentrum wird unterbunden und es stellt sich in folge der Verwirbelung eine im wesentlichen gleichmäßige Misch temperatur des Kühlmittels über den gesamten Kühlkanalquer schnitt ein.In FIG. 4 is a side section through a heat sink 1. The undulating (sinusoidal) course of the swirl wire 7 within the cooling channel 2 can be seen. The direction of flow of the coolant within the channel 2 is indicated by arrows. From FIG. 4 in connection with FIG. 2 it can be seen that a laminar flow of the coolant within the cooling channel 2 is prevented by the swirl wire 7 . The laminar, ordered without swirls, layer by layer, alongside one another, developed flow course of the coolant with hotter layers along the wall and colder layers of the channel center is replaced by a turbulent, unordered flow course with strong vortex formation due to the use of the vortex wires. This results in a significantly improved thermal utilization of the heat sink and the coolant. The formation of colder layers within the coolant in the channel center is prevented and, as a result of the turbulence, a substantially uniform mixing temperature of the coolant is cut across the entire coolant channel cross section.
Insbesondere ist die Temperatur des Kühlmittels längs der Wan dung bei gleichem Kühlmitteldurchsatz wesentlich geringer als beim allgemein bekannten Fall mit Kühlkanälen ohne Verwirbe lungsdrähte, so daß sich aufgrund des höheren Wärmegefälles ein verbesserter Wärmeübergang zwischen Kühlkörperwandung und Kühl kanal und folglich ein verbesserter Wärmeabfluß vom elektrischen Bauelement über den Kühlkörper zum Kühlmittel ergibt. In particular, the temperature of the coolant is along the tub with the same coolant throughput is significantly less than in the generally known case with cooling channels without swirls lungswires, so that due to the higher heat gradient improved heat transfer between the heat sink wall and cooling channel and consequently an improved heat flow from the electrical Component via the heat sink to the coolant results.
In Fig. 5 ist eine Sicht auf einen aufgeschnittenen Kühlkörper von einer Hauptoberfläche aus dargestellt, wobei die Verwirbe lungsdrähte jedoch noch nicht eingebracht sind. Der im Beispiel gezeigte Kühlkörper 1 ist relativ kurz und im Sinne einer zur Montage eines einzigen Leistungshalbleiters geeigneten Kühl platte oder Kühldose ausgebildet. Andere nicht dargestellte Va rianten des Kühlkörpers sind langgestreckt und im Sinne einer zur Montage von mehreren Leistungshalbleitern nebeneinander geeigneten Kühlschiene ausgebildet.In Fig. 5 is a view of a cut heat sink from a main surface is shown, but the intermingling wires are not yet introduced. The heat sink 1 shown in the example is relatively short and designed in the sense of a cooling plate or cooling box suitable for mounting a single power semiconductor. Other variants of the heat sink, not shown, are elongated and designed in the sense of a cooling rail suitable for mounting multiple power semiconductors next to one another.
Fig. 5 zeigt insbesondere die montierten Kühlmittelarmaturen und die durch Pfeile gekennzeichnete Kühlmittelströmung. Die beiden Stirnseiten des Kühlkörpers 1 sind mittels angelöteter Deckel 15 kühlmitteldicht verschlossen, wobei an jeder Stirnseite ein Sam melkanal 10 bzw. 11 quer zu den Kühlkanälen 2 ausgebildet ist, der eine Kühlmittelströmung von einem Zufuhrstutzen 12 zu den Kühlkanälen (Kühlmittelverteilung) bzw. von den Kühlkanälen zu einem Abfuhrstutzen 13 (Kühlmittelsammlung) ermöglicht. Das Kühlmittel gelangt von einem Kühlmittel-Zufuhrkanal 8 in den Zu fuhrstutzen 12 und vom Abfuhrstutzen 13 in einen Kühlmittel-Ab fuhrkanal 9. Für die Befestigung eines Leistungshalbleiters auf dem Kühlkörper 1 dienen Befestigungsbohrungen 14, die in Befe stigungskanälen 4 münden. Die weiteren aus Fig. 1 ersichtlichen Befestigungskanäle können beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ebenfalls zur Kühlmittelführung herangezogen werden. Fig. 5 shows in particular the assembled coolant valves and the coolant flow indicated by arrows. The two end faces of the heat sink 1 are closed in a coolant-tight manner by means of soldered-on covers 15 , a Sam melkanal 10 and 11 being formed transversely to the cooling ducts 2 on each end face, which a coolant flow from a supply nozzle 12 to the cooling ducts (coolant distribution) or from the Cooling channels to a discharge nozzle 13 (coolant collection). The coolant passes from a coolant supply channel 8 into the supply pipe 12 and from the discharge pipe 13 into a coolant supply pipe 9 . For the attachment of a power semiconductor on the heat sink 1 serve mounting holes 14 , the stigungskanäle 4 open in BEFE. The further fastening channels shown in FIG. 1 can also be used to guide the coolant in the exemplary embodiment according to FIG. 5.
In Fig. 6 ist ein stirnseitiger Schnitt durch einen bestückten Kühlkörper dargestellt, wobei die Verwirbelungsdrähte jedoch nicht eingezeichnet sind. Es ist ein auf einer Hauptoberfläche des Kühlkörpers 1 montierter Leistungshalbleiter 16 zu erkennen, wobei die Befestigungsschrauben für die Leistungshalbleiter durch die Befestigungsbohrungen 14 im Kühlkörper greifen. Ein und dieselben Befestigungsbohrungen 14 können auch zur Montage der Kühlmittelarmaturen, wie des Kühlmittel-Zufuhrkanals 8 und des Kühlmittel-Abfuhrkanals 9 herangezogen werden. Die Abdich tung des Zufuhrstutzens 12 bzw. Abfuhrstutzens 13 erfolgt durch O-Ringe 17 aus elastischem Material. Die Sammelkanäle 10 bzw. 11 sind abschnittsweise skizziert. In Fig. 6 is a frontal section through an assembled heat sink, wherein the Verwirbelungsdrähte, however, are not shown. A power semiconductor 16 mounted on a main surface of the heat sink 1 can be seen, the fastening screws for the power semiconductors reaching through the fastening holes 14 in the heat sink. One and the same fastening bores 14 can also be used for mounting the coolant fittings, such as the coolant supply duct 8 and the coolant discharge duct 9 . The sealing device of the feed connector 12 or discharge connector 13 is carried out by O-rings 17 made of elastic material. The collecting channels 10 and 11 are outlined in sections.
Die Ausführungsvariante gemäß Fig. 5, 6 ist lediglich beispiel haft für einen Kühlkörper mit Kühlkanälen, wobei insbesondere festzuhalten ist, daß die Verwirbelungsdrähte 7 vorteilhaft in vielfältigen Variationen verwendbar sind. Selbst eine nachträgliche Bestückung von Kühlkörpern mit Verwirbelungs drähten zum Zwecke der verbesserten thermischen Ausnutzung ist möglich.The embodiment according to Fig. 5, 6 is usable merely exemplary of a cooling body with cooling channels, there being in particular be noted that the Verwirbelungsdrähte 7 advantageous in many variations. Even retrofitting of heat sinks with swirling wires for the purpose of improved thermal utilization is possible.
Neben der vorstehend erwähnten wellenförmigen, insbesondere sinusförmigen Ausbildung der Verwirbelungsdrähte ist auch eine dreieckförmige oder säge zahnförmige Ausbildung möglich. In Fig. 7 bzw. 8 ist ein derar tiger dreieckförmig gebogener Verwirbelungsdraht 7' bzw. ein sä gezahnförmig gebogener Verwirbelungsdraht 7" dargestellt.In addition to the above-mentioned wave-shaped, in particular sinusoidal, configuration of the swirling wires, a triangular or saw-toothed configuration is also possible. In Fig. 7 and 8, a derar term triangular-shaped swirl wire 7 'and a saw tooth-shaped swirl wire 7 "is shown.
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| DE4421025A1 (en) | 1995-12-21 |
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