DE602004010422T2

DE602004010422T2 - Strömungsverteilungseinheit und kühleinheit

Info

Publication number: DE602004010422T2
Application number: DE602004010422T
Authority: DE
Inventors: Klaus Kristen Olesen
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: ES2395209T3; DK1804014T3; US8066057B2; WO2005040709A1; EP1804014B1; EP1804014A2; EP1682841B1; DK1682841T3; EP1682841A1; DK200301577A; CN1875238A; DE602004010422D1; EP1804014A3; CN1875238B; US20070062673A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Durchflussverteilungseinheit, die zur Anwendung in einer Vielzahl von Kühlanwendungen geeignet ist, und insbesondere zur Kühlung von Leistungshalbleitern. Die Erfindung betrifft auch eine Kühleinheit, die eine solche Durchflussverteilungseinheit verwendet.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Halbleitergeräte erzeugen im Betrieb Wärme, und diese Wärme verringert normalerweise die Leistung des Halbleitergerätes. Leistungshalbleitergeräte müssen im Betrieb gekühlt werden, um eine akzeptable Geräteleistung aufrecht zu erhalten, und für Hochleistungshalbleiter wird oft Flüssigkeits-Kühlung verwendet.
US 5,841,634 offenbart ein flüssigkeitsgekühltes Halbleitergerät. Die Halbleiter sind hier in einem Gehäuse auf einer zu kühlenden Platte angeordnet. Das Gerät hat einen Flüssigkeitseinlassanschluss, einen Flüssigkeits auslassanschluss und eine Ablenkplatte, die in einer Kammer im Gehäuse angeordnet sind. Die Ablenkplatte weist eine Wand auf, die die Kammer in einen oberen Teil und einen unteren Teil unterteilt, und Wände, die jeden Teil in Räume unterteilen. Eine Anzahl von Löchern in der Wand zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil sichert eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den Teilen. Flüssigkeit wird vom Einlassanschluss zu einem ersten unteren Raum geführt und dann durch Löcher zu einem ersten oberen Raum. In dem oberen Raum wird die Flüssigkeit entlang der zu kühlenden Platte und durch Löcher zu einem zweiten unteren Raum geführt. Von dem zweiten unteren Raum wird die Flüssigkeit zu einem zweiten oberen Raum geführt, wo sie einen anderen Bereich der zu kühlenden Platte kühlt. Wenn die Flüssigkeit durch alle drei oberen Räume geflossen ist, wird sie zum Flüssigkeitsauslassanschluss und aus dem Gerät hinaus geführt. Die Kühlräume des Gerätes sind also in Reihe miteinander verbunden.
Wenn die Flüssigkeit den ersten oberen Raum durchfließt, nimmt sie Wärme von der zu kühlenden Platte auf und die Temperatur beim Verlassen des ersten oberen Raums ist somit höher als die Temperatur beim Eintreten in den oberen Raum. Wenn die Flüssigkeit dann den zweiten oberen Raum erreicht, wird sie weiter aufgewärmt, was zu einem Temperaturunterschied an der zu kühlenden Platte zwischen dem Flüssigkeitseinlassanschluss und dem Flüssigkeitsauslassanschluss führt. Dies ist ungünstig für die Lebensdauer eines solchen Leistungshalbleitergerätes, da Hochleistungshalbleiter gegenüber Temperaturschwankungen sehr empfindlich sind und auch gegenüber dem generellen Temperaturniveau empfindlich sind.
Die Reihenverbindung von mehreren Kühlräumen wird auch einen großen Durchflusswiderstand bewirken, was zu einem hohen Druckabfall oder einer niedrigen Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch das Kühlgerät führt.
WO 02/055942 offenbart einen Normaldurchfluss-Wärmetauscher, der einen Kern mit einer Wärmeübertragungsoberfläche aufweist. Eine Einlasskammer ist in Längsrichtung an einem Ende des Kerns angeordnet und eine Auslasskammer ist in Längsrichtung am gegenüberliegenden Ende des Kerns angeordnet. Eine Vielzahl von Einlassverteilern erstreckt sich auf der Länge des Kerns und eine Vielzahl von Auslassverteilern erstrecken sich auf der Länge des Kerns und sind abwechselnd mit den Einlassverteilern über die Breite des Kerns angeordnet. Jeweils eine von einer Vielzahl von Verbindungskanälen ist in Flüssigkeitsverbindung mit einem entsprechenden Einlassverteiler und den beiden diesem Einlassverteiler unmittelbar benachbarten Auslassverteilern. Um die Verteiler und ihre verbindenden Kanäle vorsehen zu können, ist es notwendig den Wärmetauscher mit vielen Platten herzustellen, die nachfolgend zusammengebaut werden, um eine einheitliche Struktur auszubilden. Um eine dichte Passung zwischen den einzelnen Platten zu erzielen, ist es notwendig jede Platte sehr genau zu fertigen. Dies ist ein Nachteil, weil es schwierig und teuer ist eine ausreichende Genauigkeit zu erzielen. Folglich wird der Stückpreis der Wärmetauscher verhältnismäßig hoch.
DE 202 08 106 U1 offenbart ein Kühlgerät, insbesondere für Flüssigkeitskühlung von Halbleitergeräten. Das Kühlgerät weist ein Gehäuse und eine separate Ablenkplatte auf, die im Gehäuse angeordnet ist und eine Vielzahl von Durchflusszellen aufweist. Jede Durchflusszelle bildet eine Flüssigkeitsverbindung zwischen einem Einlassverteiler und einem Auslassverteiler. DE 202 08 106 U1 offenbart nicht, dass das Gehäuse, die Verteiler und die Durchflusszellen einstückig ausgebildet sind.
US 6,101,715 offenbart ein Mikrokühlgerät mit einer Kanalstruktur, durch die eine Kühlflüssigkeit fließen kann. Das in 1 gezeigte Gerät weist einen Einlassverteiler, einen Auslassverteiler und eine Vielzahl von Durchflusskanälen auf, die einstückig ausgebildet sind.
Die Durchflusskanäle sind zwischen den Verteilern entlang einer Richtung parallel verbunden, und zwar in eine Richtung quer zur Durchflussrichtung. Sie sind aber in jede andere Richtung nicht parallel angeordnet.
EP 0 447 835 , das eine kalte Platte und ein integriertes Kühlmodul, das einen Durchflussverteilungsplan nach kreuzschraffierter Art realisiert, betrifft, offenbart ein Stand-der-Technik Kühlmodul in 3. Dieses Stand-der-Technik Kühlmodul umfasst einen Einlass und einen Auslass und einen mäanderförmigen Durchflusskanal, der eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Ein lass und dem Auslass bildet. Der Durchflusskanal ist mit Finnen versehen, die eine Turbulenz in der Kühlflüssigkeit bewirken sollen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Flüssigkeitsverteilungseinheit vorzusehen, die kostengünstiger in der Herstellung ist als Verteilungseinheiten nach dem Stand der Technik.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Flüssigkeitsverteilungseinheit vorzusehen, die vom Design her für eine Massenherstellung geeignet ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kühleinheit vorzusehen, die kostengünstiger in der Herstellung ist als Verteilungseinheiten nach dem Stand der Technik und die vom Design her für eine Massenherstellung geeignet ist.
Mit der vorliegenden Erfindung werden diese und andere Aufgaben gelöst mit einem Verteiler zur Verteilung eines Durchflusses über mindestens eine zu kühlende Oberfläche nach Anspruch 1.
Der Verteiler ist angepasst an die Verteilung eines Flüssigkeitsdurchflusses über mindestens eine zu kühlende Oberfläche. Er kann somit so ausgebildet sein, dass er neben nur einer zu kühlenden Oberfläche angeordnet werden kann. Alternativ kann er so ausgebildet sein, dass er neben zwei, drei, vier oder sogar mehr zu kühlenden Oberflächen angeordnet werden kann. Dies sollte so verstanden werden, dass der Verteiler, auch wenn er so ausgebildet ist, dass er neben zwei oder mehr zu kühlenden Oberflächen angeordnet werden kann, auch noch für Anwendungen mit weniger Oberflächen, z. B. einer Oberfläche, die zu kühlen sind, anwendbar ist.
Das Gehäuse ist einstückig ausgebildet. Dies muss so verstanden werden, dass zumindest das Gehäuse, der Einlassverteiler, der Auslassverteiler und die Vielzahl von Durchflusszellen eine Einheit bilden, die nicht aus zwei oder mehreren Teilen zusammengebaut werden muss. Mit anderen Worten, eine innere Wandstruktur des Gehäuses definiert mindestens den Einlassverteiler, den Auslassverteiler und die Vielzahl von Durchflusszellen.
Dies ist ein großer Vorteil, da die einstückige Ausbildung des Gehäuses die Herstellung der Verteilereinheit sehr einfach und kostengünstig macht, weil es nicht mehr notwendig ist mehrere Teile herzustellen und zusammenzubauen, um das Gehäuse, die Verteiler und die Durchflusszellen vorzusehen. Außer der reduzierten Anzahl von Herstellungsstufen, d. h. separate Herstellung von jedem Teil und Zusammenbauen der einzelnen Teile, ermöglicht dies die Massenherstellung der Verteilereinheit, z. B. mit Hilfe von Spritzgießen, z. B. aus einem thermoplastischen Material, oder einem Metall. Alternativ kann das Gehäuse als Teil eines zu kühlenden Gerätes hergestellt werden. Es kann somit z. B. in einen Stator oder ein Gehäuse (typischerweise hergestellt aus einem Metall, wie z. B. Aluminium) eines elektrischen Motors eingebracht werden, der zur Regelung eines Fre quenzumformers vorgesehen ist, der wiederum ein Leistungsmodul aufweist, das gekühlt werden muss. Die Kühleinheit ist somit direkt als ein Teil des Gerätes vorgesehen, wodurch noch weitere Herstellungsstufen gespart werden.
Zusätzlich werden die Forderungen in bezug auf die Herstellungsgenauigkeit erheblich reduziert, da es nicht mehr eine Vielzahl von Teilen gibt, die zusammenpassen müssen. Damit ist eine Verteilereinheit vorgesehen, deren Herstellung kostengünstig ist und die für Massenherstellung geeignet ist.
Der Einlassverteiler ist typischerweise ein Teil der Verteilereinheit, der Kühlflüssigkeit von einem Einlass erhält und auf die Vielzahl von Durchflusszellen verteilt.
Entsprechend ist der Auslassverteiler typischerweise ein Teil der Verteilereinheit, der Kühlflüssigkeit von der Vielzahl von Durchflusszellen erhält und zu einem Auslass führt. Die Durchflusszellen verbinden den Einlassverteiler und den Auslassverteiler.
Die Vielzahl von Durchflusszellen ist zwischen den Verteilern parallel verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Kühlflüssigkeit mit annähernd der gleichen Einlasstemperatur in alle Durchflusszellen hinein fließen wird. Dies verbessert die Temperaturgleichmäßigkeit entlang der zu kühlenden Oberfläche(n). In einer typischen Anwendung, wo die zu kühlende(n) Oberflächen) mit Leistungshalbleiterschaltungen in Verbindung ist/sind, verbessert dies die Lebensdauer der Schaltung. Außerdem leistet der Verteiler weniger Durchflusswiderstand als bekannte Einheiten, weil Flüssigkeit auf ihren Weg durch die Einheit nur eine Zelle passiert und viele Zellen zwischen Einlassverteiler und Auslassverteiler parallel verbunden sind.
Vorteilhafterweise ist die Flüssigkeit z. B. Wasser oder eine Mischung aus Äthylenglykol und Wasser für Fahrzeug-Anwendungen, wo Temperaturen unter 0°C vorkommen können. Alternativ kann die Flüssigkeit eine zweiphasige Kühlflüssigkeit sein, wie z. B. R134a, die in Kühlanlagen und Gefrieranlagen allgemein verwendet wird.
Jeder Durchflusskanal kann so ausgebildet sein, dass er eine Vielzahl von Änderungen in der Durchflussrichtung des Flüssigkeitsstromes entlang der/den Oberfläche(n) bewirkt. Dies ist vorteilhaft, weil es Turbulenzen und Änderungen des Durchflussmusters der Flüssigkeit in den Durchflusszellen bewirkt. Flüssigkeit, die durch die Passage nahe der/den zu kühlenden Oberfläche(n) aufgewärmt worden ist, wird effektiv mit der kälteren Flüssigkeit vermischt, die die zu kühlende(n) Oberflächen) nicht passiert hat. Dadurch wird gesichert, dass die gesamte Wärmeaufnahmekapazität der Flüssigkeit im Kühlprozess ausgenutzt wird.
Das Gehäuse weist mindestens eine Hauptöffnung auf, die dafür ausgebildet ist, in einer im Wesentlichen flüssigkeitsdichten Weise von einer zu kühlenden Oberfläche geschlossen zu werden. In dieser Ausführung bilden die zu kühlende(n) Oberfläche(n) zusammen mit dem Gehäuse einen im Wesentlichen flüssigkeitsdichten Raum, in dem die Kühlflüssigkeit enthalten ist, wenn die Hauptöffnung(en) von der/den zu kühlenden Oberfläche(n) geschlossen ist.
Das Gehäuse kann mindestens zwei Hauptöffnungen, wie oben beschrieben, aufweisen. In diesem Fall können das Gehäuse und jede der zu kühlenden Oberflächen einen im Wesentlichen flüssigkeitsdichten Raum bilden. Alternativ kann nur die Kombination des Gehäuses und zwei oder mehr der Oberflächen, z. B. alle Oberflächen, einen im Wesentlichen flüssigkeitsdichten Raum bilden. In dieser Ausführung ist es möglich die Verteilereinheit neben zwei oder mehr zu kühlenden Oberflächen anzuordnen. Dadurch kann die Verteilereinheit zur Kühlung von zwei oder mehr Oberflächen gleichzeitig verwendet werden. Außerdem kann eine oder mehrere der Oberflächen als Heizkörper wirken, d. h. sie kann/können dafür vorgesehen sein Wärme, die von einer oder mehreren Oberfläche(n) stammt, von der Verteilereinheit wegzuleiten. In einer sehr einfachen Ausführung weist das Gehäuse zwei Hauptöffnungen auf. Es ist dann möglich die zu kühlende Oberfläche an einer Hauptöffnung und die als Heizkörper wirkende Oberfläche an der anderen Hauptöffnung anzuordnen. Dadurch ergibt sich eine Verteilereinheit, die Wärme von der mit der Kühlflüssigkeit zu kühlenden Oberfläche entfernt, diese Wärme auf die andere Oberfläche überträgt, die dann die Wärme von der Verteilereinheit ableitet. Es ist klar, dass eine ähnliche Verteilereinheit mit zwei oder mehr zu kühlenden Oberflächen und/oder zwei oder mehr als Heizkörper wirkenden Oberflächen gebildet werden kann.
Wenn das Gehäuse mindestens zwei Hauptöffnungen, wie oben beschrieben aufweist, können mindestens zwei der Hauptöffnungen in der gleichen Ebene oder in im Wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet sein. Die Öffnungen können somit Seite an Seite in der im Wesentlichen gleichen Ebene angeordnet werden, oder sie können in im Wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet werden, z. B. so, dass sie sich gegenüberliegen.
Wenn das Gehäuse zwei Hauptöffnungen aufweist, können diese in im Wesentlichen parallelen Ebenen unter Zwischenlage der inneren Wandstruktur einander gegenüber angeordnet sein. Die Oberflächen können somit jeweils auf einer Seite der Verteilereinheit angeordnet sein, wobei jede Oberfläche neben den Verteilern und den Durchflusszellen angeordnet ist. Dies stellt sicher, dass beide Oberflächen während der Kühlung in thermischer Verbindung mit der Kühlflüssigkeit sind, wobei beide Oberflächen effektiv gekühlt werden.
In einer anderen Ausführung weist das Gehäuse mindestens drei Hauptöffnungen auf, die im Verhältnis zu einander so angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein Hohlraum ausgebildet wird, in dem die innere Wandstruktur angeordnet ist. Wenn es also drei Hauptöffnungen gibt, können diese die Form eines Dreiecks umreißen, vier Hauptöffnungen können die Form eines Vierecks umreißen, u. s. w. Dadurch wird sichergestellt, dass alle drei oder mehr Oberflächen während der Kühlung in thermischer Verbindung mit der Kühlflüssigkeit sind, wobei, wie oben beschrieben, eine effektive Kühlung aller Oberflächen gewährleistet ist.
Das Gehäuse kann eine Einlassöffnung zum Einlassen von Flüssigkeit in einen inneren Teil des Gehäuses und eine Auslassöffnung zum Auslassen von Flüssigkeit aus dem inneren Teil des Gehäuses aufweisen, wobei die Einlassöffnung in Flüssigkeitsverbindung mit dem Einlassverteiler und die Auslassöffnung in Flüssigkeitsverbindung mit dem Auslassverteiler sind. Die Einlassöffnung ist vorzugsweise in Flüssigkeitsverbindung mit einer Kühlflüssigkeitsquelle, und die Auslassöffnung ist vorzugsweise in Flüssigkeitsverbindung mit einem Tank für die Aufnahme der Kühlflüssigkeit, die den Verteiler verlässt. Der Einlass und der Auslass können Teile eines Umlaufsystems für die Kühlflüssigkeit sein. In diesem Fall ist die Auslassöffnung auch mit der Kühlflüssigkeitsquelle verbunden, und zwar über eine Wärmeabgabevorrichtung, die sicherstellt, dass die umlaufende Kühlflüssigkeit eine gewünschte, niedrigere Temperatur erreicht, bevor sie wieder zur Einlassöffnung geleitet wird.
Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung können an einer äußeren Oberfläche des Gehäuses ausgebildet sein. In diesem Fall muss das Gehäuse eine im Wesentlichen ebene Oberfläche aufweisen, in der die Einlassöffnung und die Auslassöffnung ausgebildet sind, und auf deren einer Seite die innere Wandstruktur ausgebildet ist. Dies ist sehr vorteilhaft, weil sich dadurch eine sehr einfache Struktur der Verteilereinheit ergibt, die für Massenherstellung besonders geeignet ist.
Die innere Wandstruktur begrenzt mindestens eine innere Durchflusszelle zur Verteilung von Flüssigkeit auf einen zentralen Teil der zu kühlenden Oberfläche(n) und eine äußere Durchflusszelle zur Verteilung von Flüssigkeit auf den Umfangsteil der zu kühlenden Oberfläche(n). Die Durchflusszellen sind im Verhältnis zu einander so angeordnet, dass einige Durchflusszellen allein für die Kühlung von zentralen Teilen der zu kühlenden Oberfläche(n) verwendet werden, und andere Durchflusszellen allein für die Kühlung von Umfangsteilen der Oberflächen) verwendet werden. Dies ist ein Vorteil, weil die Kühlleistung jeder Durchflusszelle in diesem Fall durch eine lokale Justierung der Kanalgeometrie nach Maß angefertigt werden kann, um spezifischen Ansprüchen zu genügen. Damit kann die Kühlung an Stellen oder Positionen konzentriert werden, wo sie besondersgebraucht wird, z. B. an heißen Stellen des wärmeerzeugenden Gerätes. Außerdem können Temperaturgradienten über die Oberfläche(n) wie gewünscht geregelt werden. Sie können z. B. eliminiert oder erheblich reduziert werden, oder sie können auf Wunsch erhöht werden.
Die innere Wandstruktur kann einen mäanderförmigen Durchflusspfad entlang der Oberfläche/den Oberflächen jeder Durchflusszelle begrenzen. Dies stellt sicher, dass die Kühlflüssigkeit gezwungen wird mehrmals die Richtung zu wechseln, wenn sie entlang einer zu kühlenden Oberfläche läuft, wobei sichergestellt wird, dass die gesamte Wärmeaufnahmekapazität der Flüssigkeit im Kühlprozess wie oben beschrieben voll genutzt wird.
Der Verteiler der vorliegenden Erfindung kann vorteilhafterweise Teil einer flüssigkeitsgekühlten Einheit zur Entfernung von Wärme von einer Wärmequelle sein. Die flüssigkeitsgekühlte Einheit weist somit vorteilhafterweise eine Platte auf, die von der Wärmequelle aufgewärmt wird, und einen Verteiler nach der Erfindung zur Verteilung eines Durchflusses von kühlender Flüssigkeit über eine Oberfläche der Platte.
Die Einheit kann zwei Platten aufweisen, die von einer Wärmequelle aufgewärmt werden, und in diesem Fall ist der Verteiler zum Verteilen eines Durchflusses von kühlender Flüssigkeit über eine Oberfläche von jeder der Platten vorgesehen.
Die oben beschriebene, flüssigkeitsgekühlte Einheit kann vorzugsweise zum Entfernen von Wärme aus einer elektronischen Einheit, wie z. B. einem Hochleistungsmodul eines Frequenzumformers oder eines Motorantriebs, oder einer zentrale Rechnereinheit verwendet werden. Bei einem großen Leistungsmodul ist es wichtig Temperaturgradienten über das Modul zu eliminieren oder zumindest erheblich zu reduzieren. Insbesondere wenn mehrere individuelle Leistungshalbleiter parallel betrieben werden, ist es wichtig im Wesentlichen die gleiche Temperatur für alle Komponenten zu erhalten, um die Gefahr eines thermischen Durchgehens zu reduzieren oder eliminieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine flüssigkeitsgekühlte elektronische Einheit, die eine in einem Schaltungsmodul mit einer äußeren Oberfläche aufgenom mene elektronische Schaltung, und einen Verteiler wie oben beschrieben zur Verteilung eines Durchflusses an Kühlflüssigkeit über die Oberfläche aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben, worin
1 zeigt eine Explosionsdarstellung einer Kühleinheit nach dem Stand der Technik, wie aus DE 202 08 106 U1 bekannt,
2 zeigt eine perspektivische Draufsicht einer Verteilerplatte nach dem Stand der Technik,
3 zeigt eine Draufsicht der Verteilerplatte nach dem Stand der Technik,
4 zeigt eine perspektivische Bodenansicht der Verteilerplatte nach dem Stand der Technik,
5 zeigt eine Explosionsdraufsicht einer Kühleinheit nach dem Stand der Technik für Klemmenmontage,
6 zeigt eine Explosionsbodenansicht einer Kühleinheit nach dem Stand der Technik für Klemmenmontage,
7 zeigt eine perspektivische Bodenansicht einer Durchflussverteilerplatte der Kühleinheit nach dem Stand der Technik für Klemmenmontage,
8 zeigt eine perspektivische Draufsicht der Verteilerplatte der Kühleinheit nach dem Stand der Technik für Klemmenmontage,
9 zeigt eine Explosionsansicht eines einstückig ausgebildeten Durchflussverteilers für Kühlzwecke, gezeigt vor der zu kühlenden Platte,
10 zeigt eine perspektivische Rückansicht des einstückig ausgebildeten Durchflussverteilers,
11 zeigt eine Explosionsansicht eines einstückig ausgebildeten Durchflussverteilers nach dem Stand der Technik mit zwei Kühlplatten,
12 zeigt einen Durchflussverteiler nach dem Stand der Technik mit einer kreisrunden Form und mit zehn zu kühlenden Platten angeordnet auf einer inneren Peripherie,
13, 14 zeigt Explosionsdarstellungen eines Durchflussverteilers nach dem Stand der Technik mit daran angeordneten Kühlplatte und Heizkörper.
NÄHERE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Kühleinheit 1 mit einem Gehäuse 13 in der Form einer Kapsel mit einer flachen Rückseitenplatte 11 und Seitenwänden 20, die sich von der Rückseite in Richtung einer Hauptöffnung an der Vorderseite der Kapsel erstrecken. Das Gehäuse 13 hat eine Einlassöffnung 15 und eine Auslassöffnung 14 für Flüssigkeitsverbindungen aus einem Rohrsystem oder desgleichen.
Eine Ablenkplatte 4 ist an den inneren Oberflächen der Seitenwände 20 des Gehäuses 13 angeordnet. Wenn die Ablenkplatte 4 im Gehäuse 13 angeordnet ist, wird das Gehäuse in einen oberen Raum und einen unteren Raum unterteilt. Der untere Raum ist zwischen der Rückseitenplatte 11 und der Ablenkplatte 4 gebildet und ist zusätzlich in zwei Kammern oder Verteiler aufgeteilt, wie unten beschrieben. Die Öffnungen 14 und 15 sind in Flüssigkeitsverbindung mit den unteren Räumen.
Eine Oberseitenplatte 3, deren untere Oberfläche zu kühlen ist, schließt den oberen Raum, wenn sie unter Zwischenlage eines Dichtringes 16 auf die Hauptöffnung des Gehäuses 13 montiert wird. Der Dichtring 16 passt in eine Nut 17 des Gehäuses 13 und dichtet zwischen den Seitenwänden 20 und der Oberseitenplatte 3 ab. Die Oberseitenplatte 3 ist mit Schrauben (nicht gezeigt in der Zeichnung) am Gehäuse 13 befestigt. Die Schrauben werden in Löcher 18 des Gehäuses 13 durch Löcher 19 in der Obeseitenplatte 3 geschraubt. Die Oberseitenplatte 3 wird auch die gekühlte Platte genannt, da diese Plat te von Flüssigkeit gekühlt wird, die durch die Kühleinheit geleitet wird. Wenn die Kühleinheit zur Kühlung von Leistungshalbleiterschaltungen verwendet wird, kann die Schaltung auf der gekühlten Platte 3 in einer solchen Weise angeordnet werden, die für den Experten einleuchtend ist. Die Kühleinheit kann selbstverständlich zur Kühlung von anderen Wärmequellen verwendet werden, z. B. heißem Gas oder heißer Flüssigkeit, die an der freiliegenden Oberfläche der gekühlten Platte 3 entlang fließen.
2 zeigt die Ablenkplatte 4, in einer perspektivischen Ansicht, die ein wenig mehr angewinkelt ist als die Ansicht in 1. Sichtbar in dieser Ansicht sind Einlässe 5 und Auslässe 6, deren Anordnung in 1 mit den gleichen Nummern bezeichnet war. Die Draufsicht der Ablenkplatte 4 in 3 zeigt die Einlässe 5 und die Auslässe 6 noch deutlicher. Flüssigkeit fließt vom unteren Raum zum oberen Raum durch die Einlässe 5. Angekommen im oberen Raum, wird der Durchfluss an Flüssigkeit entlang der gekühlten Oberfläche (die untere Oberfläche) der Oberseitenplatte 3 geführt, und zwar mit Hilfe von führenden Wandsektionen 21, die sich von der Mittelebene der Ablenkplatte 4 aufwärts erstrecken, wie angegeben mit Pfeilen in 3. Der Durchfluss läuft dann vom oberen Raum zurück zum unteren Raum durch die Auslässe 6.
Wie aus 3 deutlich hervorgeht, bilden die führenden Wandsektionen 21 einen mäanderförmigen Durchflusspfad für die Flüssigkeit, und zwar mit Hilfe von offenen Passagen an einem Ende jeder Wandsektion. Andere Wandsektionen laufen aber durch die ganze Struktur, wie z. B. die Wandsektionen 22 und 23. Diese durchgehende Wände teilen den oberen Raum in Zellen auf, jede mit einem Einlass 5 und einen Auslass 6.
Wie oben erwähnt, ist der untere Raum in zwei Kammern oder Verteiler unterteilt. 4 ist eine perspektivische Ansicht der Ablenkplatte 4 von der unteren Seite. Eine Wandsektion 10, die in einem schlangenähnlichen Muster entlang der unteren Seite verläuft, wird in annähernd flüssigkeitsdichter Anlage auf der unteren Platte 11 des Gehäuses aufliegen. Der untere Raum der Ablenkplatte 4 wird dadurch in einen Einlassraum oder Verteiler 8 und einen Auslassraum oder Verteiler 9 unterteilt, wenn die Ablenkplatte 4 im Gehäuse angeordnet wird. Alle Zelleneinlässe 5 sind in Verbindung mit dem Einlassverteiler 8 und alle Zellenauslässe 6 sind in Verbindung mit dem Auslassverteiler 9. Die Zellen des oberen Raums, 2 und 3, sind somit alle parallel verbunden zwischen dem Einlassverteiler 8 und dem Auslassverteiler 9, und somit auch parallel zwischen Einlass- und Auslasspositionen 15 und 14 in 1.
Die Einlässe 5 und die Auslässe 6 sind so angeordnet, dass der Auslass einer Zelle einem Einlass einer anderen Zelle benachbart ist. Dies hat die Wirkung, dass erwärmte Flüssigkeit, die gerade eine Zelle verlässt, nahe einer unerwärmten Flüssigkeit ist, die gerade in eine Nachbarzelle eingeflossen ist. Dadurch wird der Wärmegradient entlang der gekühlten Platte 3 minimiert. Der Wärmegradient entlang der gekühlten Platte wird weiter dadurch minimiert, dass die Größen der Bereiche, die von den Zellen abgedeckt werden, variieren. Entlang den Kanten 12 ist der Bereich jeder Zelle grösser als am restlichen Oberfläche, wobei die Kühlung im Bereich entlang den Kanten 12 weniger effektiv ist als im restlichen Bereich. Dies spiegelt eine Situation wieder, in der die Dichte von wärmeerzeugenden Elementen entlang den Kanten eines Halbleitergerätes niedriger ist als im restlichen Gerät. Eine Senkung der Kühlwirkung entlang den Kanten der Kühleinheit wird die Temperaturübereinstimmung über die gekühlte Platte verbessern.
In der in 1 bis 4 gezeigten Kühleinheit ist es beabsichtigt, ein Substrat mit Halbleitern auf der Oberseite der gekühlten Platte 3 in einer Weise anzubringen, die den Experten bekannt ist. Die gekühlte Platte könnte aber das Substrat selbst sein, das als Deckel direkt auf der Kühleinheit angeordnet ist. Dies ist eine Folge des minimierten Wärmegradienten entlang der gekühlten Platte, und macht die traditionelle Wärmeverteilungsplatte, gezeigt in 1 als die gekühlte Platte 3, überflüssig in einigen Anwendungen.
5 bis 8 zeigen mehrere Ansichten einer ähnlichen Kühleinheit mit Dimensionen, die an die Kühlung eines Mikroprozessors, eines Videoanzeigeprozessors oder eines ähnlichen Prozessorschaltkreises mit hoher Komponentendichte, eines PCs, eines Server-Computers oder ähnlicher Ausrüstung, angepasst sind. Die Einheit ist dafür gedacht, oben an der zu kühlenden Schaltung aufgeklemmt zu werden. Elemente, die den in 1 bis 4 gezeigten Elementen entsprechen, haben die gleichen Bezugszeichen. Es sollte bemerkt werden, dass in den 5 bis 8 die Rückseitenplatte 11 abgetrennt von der Einheit gezeigt wird, wogegen in 1 bis 4 die gekühlte Platte 3 abgetrennt von der Einheit gezeigt wird.
9 ist eine Explosionsdarstellung eines einstückig ausgebildeten Durchflussverteilers 13 für Kühlzwecke vor einer zu kühlenden Platte 3. 10 zeigt die Rückseite des Durchflussverteilers.
Die in 9 und 10 gezeigte Einheit ist zur Herstellung mit Hilfe von Spritzgießen vorgesehen. Sie wird einstückig ohne die separate Ablenkplatte aus 1 bis 8 hergestellt.
In 10 erstreckt sich eine Seitenwand 20 an der Peripherie der Rückseitenplatte 11 von der Vorderseite der Rückseitenplatte 11 in Richtung der Hauptöffnung des Durchflussverteilers, der im Betrieb, wie gezeigt in 9, von der gekühlten Platte geschlossen wird. Außerdem trägt die Vorderseite der Rückseitenplatte 11 eine innere Wandstruktur. Die innere Wandstruktur besteht aus einer Anzahl von ersten Wandsektionen 22 und 23, die vier Durchflusszellen 26, 27, 28, 29 begrenzen. Zweite Wandsektionen 21 definieren einen mäanderförmigen Durchflusspfad in jeder Durchflusszelle.
Auf ihrer Rückseite ist die Rückseitenplatte 11 mit einem Einlassrohr 25, das zu einer Einlassöffnung 15 fährt, und einem Auslassrohr 24, das zu einer Auslassöffnung 14 führt, ausgebildet. Die Bohrungen der beiden Rohre sind von Teilen 30 und 31 der ersten Wandsektionen, die rechtwinklig zu einander verlaufen, durch quert. Dadurch werden vier Zelleneinlässe 5 am inneren Ende des Einlassrohres 25 und vier Zellenauslässe 6 am inneren Ende des Auslassrohres 24 gebildet. Jeder Zelleneinlass 5 führt Flüssigkeit zu einer der Durchflusszellen 26 bis 29 von dem Einlassrohr 25, und jeder Zellenauslass führt Flüssigkeit aus einer der Durchflusszellen 26 bis 29 zum Auslassrohr 24. Mit anderen Worten, die kurzen Einlass- und Auslassrohre arbeiten mit den durchquerenden Teilen der inneren Wandstruktur zusammen, um als Einlass- und Auslassverteiler mit sehr niedrigem Volumen zu wirken.
Die Konfiguration der inneren Wandstruktur ist so, dass es zwei Durchflusszellen 27 und 29 gibt, die den zentralen Bereich der gekühlten Platte kühlen, und zwei Durchflusszellen 26 und 28, die die Peripherie der gekühlten Platte kühlen. In den zentralen Durchflusszellen 27, 29 ist der mäanderförmige Durchflusspfad enger und die Mäanderfrequenz ist höher als in den Peripheriedurchflusszellen 26, 28. Kanalgröße und Mäanderfrequenz beeinflussen die Kühlleistung, und die gezeigte Konfiguration wurde gewählt um die Kühlleistung dem Durchfluss an Wärme anzupassen, der in der Mitte und am Rand der gekühlten Platte erwartet wird.
Die generelle Konstruktion der Durchflussverteilereinheit der 9 und 10 ist so, dass sie einstückig hergestellt werden kann, wobei die Anwendung einer separaten Ablenkplatte vermieden wird.
11 ist eine Explosionsdarstellung einer Kühleinheit 1 mit einem Gehäuse 13, von dem eine Ablenkplatte 4 einen integrierten Teil ausmacht. Die Kühleinheit 1 ist vorgesehen für die Befestigung von zwei oberen Platten 3 am Gehäuse 13 mit Hilfe von Schrauben 32. Wenn die oberen Platten 3 an der Kühleinheit 1 befestigt sind, kann die Kühleinheit 1 beide oberen Platten 3 gleichzeitig mit Kühlung versorgen. Dabei kann die Kühlkapazität der Kühleinheit 1 effektiver genutzt werden als die Kühleinheit 1, an der nur eine obere Platte 3 montiert werden kann. Abgesehen von den zwei montierten oberen Platten 3 wirkt die Kühleinheit 1 der 11 wie oben beschrieben.
12 zeigt eine Kühleinheit 1 mit kreisrunder Form. Die Kühleinheit 1 ist für bis zu zehn zu kühlende Oberflächen 3 vorgesehen, die entlang einer inneren Peripherie der Kühleinheit 1 angeordnet sind. Die Kühleinheit 1 der 12 kann somit verwendet werden, um bis zu zehn Oberflächen 3 gleichzeitig zu versorgen. Dadurch kann die Kühlkapazität der Kühleinheit 1 noch effektiver genutzt werden.
Die 13 und 14 zeigen Explosionsdarstellungen aus gegenüberliegenden Richtungen einer Kühleinheit 1 mit einem Gehäuse 13, von dem eine Ablenkplatte 4 ein integrierter Teil ist. Die Kühleinheit 1 ist dafür vorgesehen, einen integrierten Schaltung 33 an einer Seite des Gehäuses 13, wobei die integrierte Schaltung 33 eine Oberfläche 3 hat, die zu kühlen ist, und ein Heizkörperteil 34 an einer anderen, gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 13 befestigt zu haben. Sie weist Außerdem eine Pumpeneinheit 35 auf, zur Lieferung der Kühlflüssigkeit an die Kühleinheit 1 und zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit aus der Kühleinheit 1, wenn diese durch die Durchflusszellen geflossen ist. Zusätzlich kann ein Tank vorgesehen sein. Die Pumpeneinheit 35 wird in den 13 und 14 als separater Teil gezeigt. Alternativ kann die Pumpeneinheit, oder zumindest deren Gehäuseteil als integrierter Teil des Gehäuses 13 hergestellt werden, wobei die Anzahl von notwendigen Herstellungsstufen für die Kühleinheit 1 weiter reduziert werden kann.
Die Kühleinheit der 13 und 14 arbeitet vorzugsweise wie folgt. Wenn die integrierte Schaltung 33 arbeitet, wird Wärme erzeugt und beheizt die Oberfläche 3. Die Oberfläche 3 wird, wie oben beschrieben, von der Kühleinheit 1 gekühlt. Während dieses Prozesses wird Wärme von der Oberfläche 3 auf die Kühlflüssigkeit übertragen. Die Kühlflüssigkeit ist auch in Verbindung mit dem Heizkörperteil 34 und die Wärme, die von der Oberfläche 3 auf die Kühlflüssigkeit übertragen worden ist, wird nachfolgend auf den Heizkörperteil 34 übertragen. Der Heizkörperteil 34 ist dafür vorgesehen die empfangene Wärme von der Kühleinheit abzuleiten. Dies ist sehr vorteilhaft, da die Kühlung der integrierten Schaltung 33 effektiver ist, als bei der Anwendung einer Kühleinheit 1, die nicht mit einem Heizkörperteil versehen ist. Der Grund ist, dass der Heizkörperteil 34 die Temperatur der Kühlflüssigkeit verhältnismäßig niedrig hält, durch die Kühlflüssigkeit die Oberfläche 3 effektiver kühlen kann.

Claims

Verteiler zur Verteilung einer Flüssigkeit über mindestens eine zu kühlende Oberfläche, der ein Gehäuse, einen Einlassverteiler, einen Auslassverteiler und eine Vielzahl von Durchflusszellen (26, 27, 28, 29), die zwischen den Verteilern angeschlossen sind, aufweist, wobei jede Durchflusszelle (26, 27, 28, 29) einen Zelleneinlass (5) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Einlassverteiler, einen Zellenauslass (6) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Auslassverteiler und einen Durchflusskanal zur Führung eines Flüssigkeitsdurchflusses vom Zelleneinlass (5) entlang der (den) Oberfläche(n) zum Zellenauslass (6), aufweist, wobei die Vielzahl von Durchflusszellen (26, 27, 28, 29) zwischen den Verteilern parallel verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse einstückig hergestellt ist und der Einlassverteiler, der Auslassverteiler und die Vielzahl von Durchflusszellen (26, 27, 28, 29) darin ausgebildet sind, und dass eine innere Wandstruktur des Gehäuses den Einlassverteiler, den Auslassverteiler und die Vielzahl von Durchflusszellen (26, 27, 28, 29) definiert, und dass die innere Wandstruktur mindestens eine innere Durchflusszelle (27, 29) zur Verteilung von Flüssig keit über einen zentralen Teil der zu kühlenden Oberflächen) und mindestens eine äussere Durchflusszelle (26, 28) zur Verteilung von Flüssigkeit über einen peripherischen Teil der zu kühlenden Oberfläche(n) begrenzt.
Verteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Durchflusskanal dafür ausgebildet ist eine Vielzahl von Änderungen in der Richtung des Durchflusses entlang der Oberfläche(n) zu verursachen.
Verteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mindestens eine Hauptöffnung aufweist, die dafür ausgebildet ist in einer im wesentlichen flüssigkeitsdichten Weise von einer zu kühlenden Oberfläche geschlossen zu werden.
Verteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mindestens zwei Hauptöffnungen aufweist, die dafür ausgebildet sind in einer im Wesentlichen flüssigkeitsdichten Weise von einer zu kühlenden Oberfläche geschlossen zu werden.
Verteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Hauptöffnungen in der gleichen Ebene oder in im Wesentlichen parallelen Ebenen angebracht sind.
Verteiler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zwei Hauptöffnungen aufweist, die in im Wesentlichen parallelen Ebenen unter Zwischenlage der inneren Wandstruktur einander gegenüber angebracht sind.
Verteiler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mindestens drei Hauptöffnungen aufweist, die im Verhältnis zu einander so angebracht sind, dass zwischen ihnen ein Hohlraum ausgebildet wird, in dem die innere Wandstruktur angebracht ist.
Verteiler nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine Einlassöffnung (15) zum Einlassen von Flüssigkeit in einen inneren Teil des Gehäuses und eine Auslassöffnung (14) zum Auslassen von Flüssigkeit aus dem inneren Teil des Gehäuses aufweist, wobei die Einlassöffnung (15) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Einlassverteiler und die Auslassöffnung (14) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Auslassverteiler sind.
Verteiler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (15) und die Auslassöffnung (14) an einer äusseren Oberfläche des Gehäuses ausgebildet sind.
Verteiler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine im Wesentlichen ebene Oberfläche (11) aufweist, in der die Einlassöff nung (15) und die Auslassöffnung (14) ausgebildet sind, und an deren einer Seite die innere Wandstruktur ausgebildet ist.
Verteiler nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Wandstruktur einen mäanderförmigen Durchflusspfad entlang der Oberfläche/den Oberflächen jeder Durchflusszelle (26, 27, 28, 29) begrenzt.
Flüssigkeitsgekühlte Einheit zum Entfernen von Wärme aus einer Wärmequelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit eine Platte, die von der Wärmequelle erwärmt wird, und einen Verteiler nach jedem der vorhergehenden Ansprüche zur Verteilung eines Durchflusses an kühlender Flüssigkeit über eine Oberfläche der Platte aufweist.
Flüssigkeitsgekühlte Einheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit zwei Platten aufweist, die von einer Wärmequelle erwärmt werden, und dass der Verteiler zum Verteilen eines Durchflusses an kühlender Flüssigkeit über eine Oberfläche von jeder der Platten vorgesehen ist.
Anwendung einer Einheit nach Anspruch 12 oder 13 zum Entfernen von Wärme aus einer elektronischen Einheit.
Flüssigkeitsgekühlte elektronische Einheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit eine e lektronische Schaltung, die in einem Schaltungsmodul mit einer äußeren Oberfläche angeordnet ist, und einen Verteiler nach irgendeinem der Ansprüche 1–11 zum Verteilen eines Durchflusses an kühlende Flüssigkeit über die Oberfläche aufweist.