DE4437971C2 - Kühleinrichtung für elektrische Baugruppen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für elektrische Baugruppen zur Montage auf einem Träger.

Die Entwicklung immer leistungsfähigerer elektronischer Bau­ gruppen stellt auch hohe Anforderungen an die Kühltechnik. Neben der optimalen Entwärmung wird dabei auch eine Vielzahl anderer Anforderungen gestellt:
Der Aufbau soll modular und flexibel sein, das heißt, es sol­ len auch andere als die ursprünglich vorgesehenen Baugruppen montiert werden können. Bei steigender Verlustleistung, die sich z. B. aufgrund höherer Leistungsdaten ergibt, soll die Kühleinheit ohne aufwendige Änderungen an die neuen Anforde­ rungen anpaßbar sein. Dabei sind auch Veränderungen mechani­ scher Art (z. B. Gehäuseabmessungen, Befestigungsmöglichkeit) zu berücksichtigen.

Die Handhabung bei der Montage und Demontage soll einfach sein, beispielsweise beim Austausch von Baugruppen im Rahmen einer Reparatur.

Mit einfachen Mitteln soll eine elektrische Isolation zwi­ schen den Baugruppen und dem Kühlsystem möglich sein.

Probleme mit der elektrochemischen Verträglichkeit der durch­ strömten Materialien sollen vermieden werden.

Schließlich soll das Kühlsystem geringe Kosten aufweisen.

Konventionelle Flüssigkeitskühler erfüllen in der Praxis die genannten Anforderungen nur unzureichend. Üblich ist eine Integration von Kühlkanälen in die Baugruppen selbst. Dies ist jedoch aufwendig und bei der Montage bzw. Demontage der Baugruppen problematisch. Bei der Demontage von Baugruppen müssen die Kühlwasserverbindungen getrennt werden, wobei ins­ besondere sorgfältig darauf zu achten ist, daß Kühlwasser nicht mit spannungsführenden Teilen in Berührung kommen kann. Dadurch sind besondere Vorsichtsmaßnahmen zu treffen, was den Zeit- und Kostenaufwand erhöht und die Handhabung erschwert. Mit Schnellverschlüssen für die Wasserführung läßt sich die­ ses Problem nur unzureichend lösen, da solche Schnellver­ schlüsse im Hinblick auf Totraumvolumen, Dichtigkeit, Druck­ verlust und Kosten erhebliche Nachteile aufweisen.

Aus der DE-OS 14 39 308 ist eine Kühlanordnung bekannt, bei der ein Transistor auf einen Kühlkörper geschraubt wird, der auf einen Träger montiert ist. Durch den Kühlkörper verlaufen luftdurchströmte Kühlkanäle. Auf der dem Kühlkörper gegen­ überliegenden Seite des Transistor ist eine Leiterplatte vor­ gesehen.

Aus der DE 35 31 729 C2 ist eine Kühleinrichtung bekannt, bei der elektronische Bauelemente auf einer Keramikplatte ange­ ordnet sind. Zur Wärmeabfuhr ist die Keramikplatte auf der der Bestückungsseite abgewandten Seite mit Stiften versehen, über die die Wärme an die vorbeifließende Umgebungsluft abge­ geben wird. Da die Keramikplatte Wärme gut verteilt, ist die Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Stiften gering und die Wärmeabfuhr in die Luft effizient.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung so auszu­ gestalten, daß der Austausch von Baugruppen vereinfacht wird und daß die Bauelemente auf weitgehend einheitlichem Tempera­ turniveau gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 8 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 den Aufbau einer Kühleinrichtung mit Rechteckrohren in Schnittdarstellung,

Fig. 2 dieselbe Kühleinrichtung in Draufsicht,

Fig. 3 den Aufbau einer Kühleinrichtung mit Platten,

Fig. 4 dieselbe Kühleinrichtung in Draufsicht,

Fig. 5 den Aufbau einer Kühleinrichtung mit variierendem Querschnitt in Schnittdarstellung,

Fig. 6 dieselbe Kühleinrichtung in Draufsicht,

Fig. 7 eine Kühleinrichtung, bei der von zwei Seiten Bau­ gruppen montiert sind, in Schnittdarstellung,

Fig. 8 dieselbe Kühleinrichtung in Draufsicht.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 4 ein Träger bezeichnet, der beispielsweise eine Einbauwand oder auch eine Schrankwand sein kann. Auf diesem Träger 4 sind Kühlkanäle 1a in Form von rechteckförmigen Rohren montiert. Unter Zwischenlage einer Folie 2 wird auf die Kühlkanäle 1a eine zu kühlende elektri­ sche Baugruppe 3 aufgepreßt. Dies erfolgt über Schraubverbin­ dungen 5, die in Fig. 1 als strichpunktierte Linien, in der Draufsicht in der Fig. 2 als Kreuze dargestellt sind.

Die zu kühlende Baugruppe 3 weist eine Grundplatte 3a in Form eines Blocks mit hoher Wärmespeicherfähigkeit auf. Mit dieser Grundplatte 3a stehen zu kühlende Bauelemente 3c in gut wär­ meleitender Verbindung. In dieser Grundplatte 3a wird die von den Bauelementen 3c abgegebene Wärmeenergie schnell aufgenom­ men und dann an die Kühleinrichtung 1 weitergegeben. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn in den Bauelementen 3c Wärmemengen periodisch auftreten, die nicht schnell genug ab­ geführt werden können. Diese werden kurzfristig von der Grundplatte 3a übernommen und dann an das Kühlmittel abgege­ ben. Vorteilhafterweise besteht die Platte 3a aus einer Alu­ miniumplatte ausreichender Dicke, auf die die Bauelemente 3c unter Zuhilfenahme von Wärmeleitpaste aufgeschraubt werden. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit der Grundplatte 3a werden auch eventuelle Temperaturunterschiede zwischen den Bauele­ menten 3c ausgeglichen. Dies ist in vielen Anwendungsfällen von besonderer Bedeutung, da sich Temperaturunterschiede auf die elektrischen Daten der Bauelemente 3c auswirken.

Die Grundplatte 3a wird an ihrer Rückseite auf die Rechteck­ rohre 1a aufgeklemmt. Die angedeuteten Schraubverbindungen 5 werden dazu mit definiertem Drehmoment angezogen. Die Recht­ eckrohre 1a sind vorteilhafter Weise aus Kupfer-Rechteckroh­ ren gefertigt. Sie sind so ausgelegt, daß sie weich genug sind, grobe Oberflächentoleranzen, z. B. Welligkeit auszuglei­ chen. Zum Ausgleich feiner Oberflächentoleranzen, z. B. Rau­ higkeit, ist nach den Fig. 1 und 2 zwischen der Grundplat­ te 3a und den Rechteckrohren 1a ferner eine duktile Wärme­ leitfolie 2 eingelegt. Diese kann z. B. aus Zinn, Blei oder Indium bestehen.

Die Rechteckrohre 1a werden zweckmäßigerweise entsprechend der Energiedichte in der Baugruppe 3 angebracht. Die Recht­ eckrohre 1a liegen bevorzugt im Bereich der wärmeabgebenden Bauelemente 3c. Bei hoher thermischer Last liegen sie direkt unter den Wärmequellen im Bauelement, das z. B. ein IGBT-Modul, ein Transistor oder eine Diode sein kann. Allgemeiner gesagt variiert die Dichte der Kühlkanäle in Abhängigkeit von der örtlich unterschiedlichen Wärmeentwicklung der Baugruppen 3. Damit verläuft der Hauptwärmestrom auf dem direktesten Weg in das Kühlmittel.

Die Kühlkanäle 1a werden so mit Wasser durchströmt, daß sich eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung über die Baugruppe 3 ergibt. Wie in Fig. 2 sichtbar, strömt das Kühl­ mittel zum Beispiel in den ersten Kühlkanal ein und wird mit jeweils wechselnder Richtung über den dritten, den zweiten und den vierten Kühlkanal wieder abgeleitet. Ferner ist eine Kühlmittelzuführung für den sechsten Kanal vorgesehen, wobei das Kühlmittel über den fünften Kanal wieder zurückfließt. Damit wird erreicht, daß abwechselnd Kühlkanäle mit "fri­ schem" Kühlmittel und bereits erwärmtem Kühlmittel aufeinan­ derfolgen, so daß sich unter Berücksichtigung des durch den Block 3a gegebenen Temperaturausgleichs ein relativ gleich­ förmiges Temperaturprofil einstellt.

Die dargestellte Anordnung eignet sich besonders für modulare Systeme. Dadurch können unterschiedliche Baugruppen, z. B. bei wechselnden Kundenwünschen oder Produktwechsel problemlos eingesetzt werden. Der Ein- und Ausbau der Baugruppen 3 ist problemlos möglich.

Bisher war die Montage bzw. Demontage von gekühlten elektri­ schen Baugruppen stets problematisch, da der Kühlwasserkreis­ lauf dabei aufgetrennt werden mußte. Bei der hier vorgeschla­ genen Lösung bleiben jedoch die Kühlkanäle 1a fest mit dem Träger 4 verbunden und beim Ein- und Ausbau der Baugruppen 3 bleibt der gesamte Kühlwasserkreislauf unangetastet, so daß kein Leckwasser entsteht. Die Austauschzeit für eine Baugrup­ pe wird kurz, da lediglich die Schraubverbindungen 5 zu lösen bzw. mit einem vorgegebenen Drehmoment wieder anzuziehen sind. Die dargestellte Kühleinrichtung läßt sich auch dann vorteilhaft anwenden, wenn die elektrischen Bauelemente 3c auf hohem Betriebsspannungspotential liegen. Zur Isolierung können beispielsweise die Kühlkanäle 1a mit Isolierbeschich­ tung versehen werden oder es kann eine thermisch leitende und elektrisch isolierende Folie in den Raum zwischen dem Block 3a und den Kühlkanälen 1a eingefügt werden.

Bei Kühleinrichtungen ist sorgfältig auf die elektrochemi­ schen Gegebenheiten zu achten. Bei ungünstigen Materialpaa­ rungen kann es durch Stromfluß und Korrosion zu erheblichen Mängeln kommen. Bei der vorliegenden Anordnung werden die Kühlkanäle 1a vorteilhafterweise aus Kupfer bzw. Buntmetall gefertigt. Andererseits sollte wegen der besseren Handhabung, insbesondere des geringen Gewichts, und aus Wirtschaftlich­ keitsgründen die Grundplatte 3a aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden. Im Gegensatz zu Kühlsystemen, bei denen die einzelnen Baugruppen direkt von Wasser durchströmt sind, kann bei der hier gegebenen getrennten Anordnung die Mate­ rialpaarung nahezu frei gewählt werden.

Die beschriebene Kühleinrichtung läßt sich auch mit geringem Aufwand fertigen. Sie besteht in den wesentlichen Teilen (Kühlkanäle 1a) aus Halbzeugen, die nur in geringem Maße spanabhebend bearbeitet werden.

In den Fig. 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Hierbei sind lediglich zwei sehr breite Kühlkanäle 1a vorgesehen, so daß - wie in der Drauf­ sicht gemäß Fig. 4 ersichtlich - nur zwei Kühlmittelein- und Auslässe vorhanden sind. In den Kühlkanälen sind Verwirbe­ lungselemente 1d vorgesehen, die für einen besseren Wärme­ übergang zwischen Kühlmittel und Kühlkanal sorgen.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6 variiert die Breite der Kühlkanäle entsprechend der unterschiedlichen Wärmeabgabe der benachbarten elektrischen Bauelemente, so daß die Wärmeabfuhr an die Erfordernisse angepaßt werden kann.

Mit den Maßnahmen nach Fig. 3 bis 6, das heißt Optimierung der Strömungs- und Wärmeübertragungsverhältnisse wird bei minimalem Druckverlust eine maximale Entwärmung erzielt.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 und 8 sind schließlich beidseitig der Kühlkanäle 1a Baugruppen 3 vorge­ sehen, so daß die Kühleinrichtung für eine größere Anzahl von Baugruppen genutzt werden kann.

Claims (12)

1. Kühleinrichtung für elektrische Baugruppen (3) zur Mon­ tage auf einem Träger (4), wobei die Kühleinrichtung (1) fest mit dem Träger (4) verbindbar ist, wobei sie Kühlkanäle (1a) zur Führung eines Kühlmittelstromes aufweist, wobei sie we­ nigstens eine flache Seite (1b) zur gut wärmeleitenden Ver­ bindung mit wenigstens einer elektrischen Baugruppe (3) auf­ weist, wobei die Baugruppe (3) eine Grundplatte (3a) mit gu­ ter Wärmespeicher- und Wärmeleitfähigkeit umfaßt, auf der mehrere wärmeabgebende Bauelemente (3c) gut wärmeleitend an­ geordnet sind, und wobei Montagemittel (7) vorgesehen sind, mit denen die elektrische Baugruppe (3) lösbar an die flache Seite (1b) der Kühleinrichtung (1) anpreßbar ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur wärmeleitfähigen Verbindung vorgesehene Seite (1b) der Kühleinrichtung (1) verformbar ist.

3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die An­ pressung der Baugruppe (3) unter Zwischenlage einer gut wär­ meleitenden, leicht verformbaren Folie (2) erfolgt.

4. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ pressung der Baugruppe (3) unter Zwischenlage einer elek­ trisch isolierenden, gut wärmeleitenden Folie (2) erfolgt.

5. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Rechteck­ rohren (1a) aufweist, die von Kühlmittel durchströmt sind und deren Außenflächen (1b) zumindest auf einer Seite eine ebene Fläche für den Wärmekontakt mit der elektrischen Baugruppe (3) bilden.

6. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Platten (1c, 1d) zueinander parallele Wände angeordnet sind, die den Raum zwischen den Platten (1c, 1d) in einzelne Kühlkanäle unterteilen und daß wenigstens eine Platte (1d) für den Wärmekontakt mit der elektrischen Bau­ gruppe (3) ausgeführt ist.

7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten (1b) elektrisch isolierend beschichtet sind.

8. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (1a) mit Verwirbelungselementen (1e) versehen sind.

9. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kühlkanäle (1a) in Abhängigkeit von der ört­ lich unterschiedlichen Wärmeentwicklung der Baugruppe (3) variiert.

10. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Kühlkanäle (1a) in Abhängigkeit von der örtlich unterschiedlichen Wärmeentwicklung der Baugruppe (3) vari­ iert.

11. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom in benachbarten Kühlkanälen (1a) entgegen­ gesetzt verläuft.

12. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (1) mehrere Einspeisepunkte für das Kühl­ mittel aufweist, die so verteilt sind, daß sich eine mög­ lichst gleichmäßige Temperaturverteilung über die Kühlein­ richtung (1) ergibt.