DE8915913U1 - Arrangement for cooling power semiconductors via heat pipes - Google Patents
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Description
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Anordnung zur Kühlung von Leistungshalbleitern über WärnierohreArrangement for cooling power semiconductors via heat pipes
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kühlung von Leistungshalbleitern, bei der die Wärmeabfuhr durch ein isoliertes, wassergekühltes Wärmerohr erfolgt.The invention relates to an arrangement for cooling power semiconductors, in which the heat is dissipated by an insulated, water-cooled heat pipe.
Eine derartige Anordnung ist z.B. aus der Euro-Patentanmeldung 0 233 103 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 Kondensationsseite von Kühlwasser umspült wird.Such an arrangement is known, for example, from European patent application 0 233 103. In this arrangement, the heat pipe consists of a metallic evaporator at the heat source, to which a tube made of heat-conducting aluminum ceramic is attached via an elastic connecting piece, with this condensation side being surrounded by cooling water.
Gegenüber herkömmlicher Luftkühlung mit freier oder erzwungener Konvektion unter Verwendung von Rippenkühlkörpern stellen andere Kühlarten wie Wasserkühlung, Siedekühlung oder Heat-Pipe-Kühlung bereits effektivere Kühlsysteme dar, die auch größere Verlustleistungen bewältigen können. Nachteilig ist bei vielen Anordnungen jedoch die Notwendigkeit der Isolation zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, die den Kühlwirkungsgrad wieder verschlechtert. 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.Compared to conventional air cooling with free or forced convection using finned heat sinks, other types of cooling such as water cooling, evaporative cooling or heat pipe cooling are more effective cooling systems that can also handle greater power losses. However, the disadvantage of many arrangements is the need for insulation between the heat source and heat sink, which in turn reduces the cooling efficiency. The previously mentioned combination of heat pipe cooling with water cooling partially eliminates this disadvantage, but without achieving the cooling performance of normal heat pipes.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeübergang isolierter Wärmerohre an der Kondensationsseite und damit den Kühlwirkungsgrad weiter zu verbessern und diese auch für den Einsatz auf Fahrzeugen nutzbar zu machen. Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.The object of the invention is to further improve the heat transfer of insulated heat pipes on the condensation side and thus the cooling efficiency and to make them usable for use on vehicles. This object is achieved according to the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments can be found in the subclaims.
,5 Ein für diese Zwecke gut einsetzbares Wärmerohr ist z.B. durch die, 5 A heat pipe that is well suited for this purpose is, for example, the
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- 2 - B 91/26- 2 - B91/26
DE 37 09 006 C1 bekanntgeworden.DE 37 09 006 C1 became known.
Die Figuren der Zeichnung skizzieren die Erfindung.The figures in the drawing outline the invention.
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, zugeordnet wird. Ein weiterer metallischer Rohrteil 2 ist für die Wärmesenke vorgesehen. Bisher wurde dort z.B. ein aus vielen Platten bestehender Luftkühler aufgesteckt. Dazwischen befindet sich ein mit 3 bezeichneter 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 Rücktransport des Kondensators gefördert wird. Mit dem metallischen Rohrteil 2 für die Wärmesenke ist im vorliegenden Fall ein metallischer Kühlkörper 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. 1 shows a heat pipe with an outer metal pipe part 1, e.g. made of Al or Cu, which is attached to the heat source, e.g. a semiconductor. Another metal pipe part 2 is provided for the heat sink. Up to now, an air cooler consisting of many plates has been attached there. In between there is a tubular insulating body, designated 3, as an insulating section laid in the heat pipe. The insulating body 3 - it is only shown schematically as being this long - is fitted onto the metal pipe parts 1 and 2 and connected in a vacuum-tight manner (e.g. glued, soldered or welded) at the internally metallized connection points 4 and 5. The heat transfer medium, an insulating liquid, e.g. Frigen, is designated 6 and 7 represents a filling pipe that has been squeezed off and welded after the heat pipe has been filled. The insulated heat pipe is clearly provided with a uniform ribbed profile or a capillary structure on the inside, whereby the thermodynamic heat transport is not hindered and the return transport of the capacitor is promoted. In this case, a metallic heat sink with holes 9 for a cooling water flow is connected in a good heat-conducting manner to the metallic pipe part 2 for the heat sink. The heat pipe can be operated horizontally - as shown - but also vertically or at an angle. The pipe part 1 can have a receiving surface for the semiconductors to be cooled, e.g. as shown in Fig. 2.
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 dieFig. 2 shows another design in which the metallic tube part 1 of the heat pipe is embedded in a metallic base body 10, which rests on a heat source indicated by dashed lines at 11 (e.g. a disk semiconductor). 3 again represents the ceramic insulator for the
elektrische Längsisolierung bezeichnet. Ihm schließt sich der metallische Rohrteil 2 des Kondensationsbereiches an, der über ein formschlüssig aufgesetztes Bauelement 12 direkt vom Kühlwasser umströmt wird. Der Wärmeübergang ist hier besonders gut. Das Bauelement 12 ist an den Stellen gegenüber am Rohrteil 2 abgedichtet.This is referred to as electrical longitudinal insulation. This is followed by the metal pipe section 2 of the condensation area, around which the cooling water flows directly via a form-fitting component 12. The heat transfer is particularly good here. The component 12 is sealed at the points opposite to the pipe section 2.
HW Mi WHW Wed W
- 3 - B 91/26- 3 - B91/26
Das Wasserkühl system kann auch einfach aus mehreren metallischen Rohrwindungen bestehen, die die Rohrstruktur der Wärmesenke eng anliegend umschließen. 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 derartiger 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 Wasserkühldosen liegen, gekühlt. Letztere können im selben Wasserkühlkreislauf liegen, wie die Heat-Pipes. Durch die Erfindung bietet sich die Möglichkeit einer Verkürzung der Wärmerohre. Die Länge hangt nur noch von der erforderlichen Kondensationsfläche ab. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind folgendermaßen zusammenzufassen:The water cooling system can also simply consist of several metal pipe windings that tightly enclose the pipe structure of the heat sink. The surface contact should be as large as possible. Several, even different water cooling systems with different heat pipes can be connected to the same water circuit and they can be at the potential of the vehicle mass, i.e. they can be connected directly to a cooling circuit of the vehicle. The mounting position of such heat pipes can be selected taking into account the condensate return. The arrangement described is designed in particular for highly stressed semiconductors. Semiconductors that are subject to less stress are cooled, as is known, via insulating disks that are located between the semiconductor and the water cooling boxes. The latter can be in the same water cooling circuit as the heat pipes. The invention offers the possibility of shortening the heat pipes. The length only depends on the required condensation surface. The advantages of the arrangement according to the invention can be summarized as follows:
1. kleinerer Gesamt-Wärmewiderstand1. smaller overall thermal resistance
2. keine Notwendigkeit einer Entionisierung des Kühlwassers,da Kondensationsteil gegenüber eigentlichem Wärmerohr potentialfrei2. No need for deionization of the cooling water, as the condensation part is potential-free compared to the actual heat pipe
3. Rückkühlung des sekundären Wärmeträgers (Wasser) an beliebiger Stelle3. Recooling of the secondary heat carrier (water) at any location
4. leichte Herstellbarkeit der Wasserkühlungselemente.4. easy manufacture of water cooling elements.
-.4 30 -.4 30
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