DE9201158U1

DE9201158U1 - Flüssigkeitskühldose aus zwei Keramikdosenhälften

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Publication number: DE9201158U1
Application number: DE9201158U
Authority: DE
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1992-03-26
Anticipated expiration: 2002-02-01

Description

ABB Patent GmbH

Mannheim 30. Januar 1992

Mp.-Nr. 92/516 PAT 2-Pn/Bt

Flüssiqkeitskühldose aus zwei Keramikdosenhälften

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitskühldose zur Kühlung eines elektrischen Bauelements, insbesondere eines Halbleiterbauelementes, das die Flüssigkeitskühldose über Wärmekontaktflächen thermisch gut leitend kontaktiert, wobei die Flüssigkeitskühldose aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden keramischen Werkstoff besteht und aus zwei spiegelsymmetrisch aufgebauten und zusammengesetzten Keramikdosenhälften gebildet ist, eine Eintrittsöffnung sowie eine Austrittsöffnung für das elektrisch leitfähige Kühlmittel aufweist und in ihrem Innenraum Kühlmittelpfade zur Durchströmung des Kühlmittels ausgebildet sind.

Eine derartige Flüssigkeitskühldose aus zwei Keramikdosenhälften ist aus der DE 39 08 996 Al bekannt. Dort wird vorgeschlagen, den Flüssigkeitskühlkörper in massiver Weise aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden keramischen Werkstoff (Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid) aufzubauen. Dieser Flüssigkeitskühlkörper weist bereits den Vorteil auf, daß eine elektrisch leitfähige

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Flüssigkeit, insbesondere Brauchwasser mit zugesetztem Frostschutzmittel, als Kühlmittel eingesetzt werden kann.

Dabei sind jedoch insbesondere die zur Fertigung relativ großer Flüssigkeitskühldosen gemäß dem Sinterverfahren notwendigen Preßkräfte sehr hoch, so daß kostenaufwendige Preßvorrichtungen erforderlich sind.

Alternativ ist es möglich, die Flüssigkeitskühldosen unter Einsatz spanabhebender Fertigungsmethoden herzustellen, was jedoch sehr zeitintensiv ist. Sowohl die Fertigung mittels Preßvorrichtung, als auch die Fertigung mittels spanabhebender Formgebung sind bezüglich relativ großer Kühldosen sehr kostenintensive Herstellverfahren, d.h. die derart gefertigten Flüssigkeitskühldosen sind relativ teuer.

Aus der DE 26 40 000 C2 ist eine zylindrische Kühldose mit gegenüberliegenden Ein- und Ausflußöffnungen für flüssigkeitsgekühlte Leistungshalbleiterbauelemente bekannt, bei der von Dosenboden zu Dosenboden reichende Zapfen im kühlmitteldurchströmten Innenraum vorgesehen sind. Die Kühldosen bestehen jedoch aus Metall, so daß ein elektrisch isolierendes Kühlmittel, z.B. Transformatorenöl, verwendet werden muß. Dies ist jedoch beispielsweise bei Elektroschienenfahrzeugen aus Gründen des Brandschutzes nicht erwünscht .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Kühlung von Leistungsbauelementen geeignete Flüssigkeitskühldose aus einem elektrisch isolierenden keramischen Werkstoff anzugeben, die in wirtschaftlicher Weise herstellbar ist.

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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede der beiden Keramikdosenhälften aus mindestens zwei, vorzugsweise vier, Keramiksegmenten zusammengesetzt ist, wobei die Keramiksegmente miteinander verklebt sind.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß aufgrund der Zusammenfügung jeder Keramikdosenhälfte aus mindestens zwei, vorzugsweise vier Keramiksegmenten die Herstellung dieser relativ kleinen Keramiksegmente im Preßverfahren möglich ist, wodurch sich entscheidende Kostenvorteile im Vergleich zur spanabhebenden Formgebung ergeben. Die zur Herstellung der Keramiksegmente benötigte Zeitspanne ist kurz und die zur Fertigung notwendigen Vorrichtungen, wie Preßwerkzeuge und Preßformen, sind relativ einfach und preiswert.

Dabei weisen alle zur Bildung einer Keramikdosenhälfte notwendigen Keramiksegmente vorzugsweise die gleiche Form und Dimensionierung auf, was die Herstellung und Montage der Keramiksegmente erleichtert. Die Anzahl der pro Keramikdosenhälfte notwendigen Keramiksegmente richtet sich vorteilhaft nach der Größe der Flüssigkeitskühldose, d.h. bei einer relativ kleinen Flüssigkeitskühldose sind zwei Keramiksegmente pro Keramikdosenhälfte ausreichend, während bei relativ großen Flüssigkeitskühldosen vier, sechs oder mehr Keramiksegmente eine Keramikdosenhälfte bilden.

Um die Verklebung der einzelnen Keramiksegmente kühlmitteldicht und robust auszuführen, sind die Verbindungskanten der Keramiksegmente vorteilhaft derart gestuft, daß sich gestufte Klebeflächen ergeben. Durch die Stufen vergrößert sich die für die Verklebung nutzbare Oberfläche und es er-

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gibt sich insgesamt eine die mechanische Stabilität gewährleistende "Verzahnung" aller Keramiksegmente untereinander.

Als Material für die Keramiksegmente dient vorteilhaft Aluminiumnitrid, da es sehr gute elektrische Isolationseigenschaften und gleichzeitig eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Aufsicht auf eine Keramikdosenhälfte, Figur 2 eine Seitenansicht einer Keramikdosenhälfte, Figur 3 einen Schnitt durch zwei miteinander zu verklebende Keramiksegmente,

Figur 4 eine Aufsicht auf eine komplette Flüssigkeitskühldose,

Figur 5 einen seitlichen Schnitt durch eine Flüssigkeitskühldose ,

Figur 6 eine Innenansicht einer aufgeschnittenen Flüssigkeitskühldose ,
Figur 7, 8 Vorder- und Rückseite eines Keramiksegments.

In Figur 1 ist eine Aufsicht auf eine Keramikdosenhälfte dargestellt, bei der die dem Kühldoseninnenraum zugewandte Vorderseite zu erkennen ist. Die Keramikdosenhälfte 1 ist aus vier einzelnen Keramiksegmenten 2, 3, 4, 5 zusammengesetzt, wobei die Keramiksegmente aus Aluminiumnitrid (AlN) bestehen und jeweils gleiche Form und Abmessungen aufweisen. Der aus zwei gleichen zusammengesetzten Kühldosenhälf-

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ten bestehende Aktivteil einer Flüssigkeitskühldose wird demgemäß aus ingesamt acht Keramiksegmenten gebildet.

Die Keramiksegmente sind nicht stumpf zusammengefügt, sondern besitzen abgestufte Verbindungskanten 6, so daß sich zum Zusammenfügen der Keramiksegmente neben den Stirnkanten zusätzlich gestufte Klebeflächen 7 ergeben, wodurch eine dauerhaft kühlmitteldichte Verbindung der Keramiksegmente sichergestellt wird. Die Keramikdosenhälfte 1 weist einen mit zahlreichen Zapfen 9 versehenen kreisscheibenförmigen Dosenboden 8 auf, wodurch zahlreiche Kühlmittelpfade 15 gebildet und die zur Wärmeübertragung geeignete Oberfläche insgesamt vergrößert wird. Die randseitige Kante 10 der Keramikdosenhälfte 1 ist abgestuft, wodurch eine vergrößerte Dichtfläche zwischen dem Aktivteil und einem Gehäuse (siehe Ziffer 12 gemäß Figur 5) gebildet wird.

In Figur 2 ist eine Seitenansicht einer Keramikdosenhälfte dargestellt, wobei die zwei zusammengesetzten Keramiksegmente 3 und 4 zu erkennen sind. Die Verbindungskante 6 und die Klebefläche 7 sind angedeutet. Der Dosenboden 8 mit zahlreichen Zapfen 9 und die hierdurch gebildeten Kühlmittelpfade 15 sind gezeigt. Ferner ist die randseitige, abgestufte Kante 10 der Keramikdosenhälfte 1 zu erkennen. Die den Zapfen 9 abgewandte Seite der Keramikdosenhälfte 1 dient als Wärmekontaktfläche 20 zur Kontaktierung mit einem wärmeproduzierenden Halbleiterbauelement.

In Figur 3 ist ein Schnitt durch zwei miteinander zu verklebende Keramiksegmente dargestellt. Es ist zu erkennen, daß beispielsweise die beiden Keramiksegmente 3 und 4 jeweils gestufte Verbindungskanten 6 aufweisen, wodurch neben den Stirnkanten zusätzlich einander gegenüberliegende KIe-

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beflachen 7 gebildet werden, was insgesamt die zur Verklebung der Keramiksegmente zur Verfügung stehende Fläche erheblich vergrößert. In Figur 3 ist ferner der Dosenboden 8 mit Zapfen 9 gezeigt.

In Figur 4 ist eine Aufsicht auf eine komplette Flüssigkeitskühldose 11 dargestellt. Es ist die Wärmekontaktfläche 20 der aus den vier Keramiksegmenten 2 bis 5 zusammengesetzten Keramikdosenhälfte 1 zu erkennen. Die gestuften
Verbindungskanten 6, die hierdurch gebildeten Klebeflächen 7 sowie die randseitige abgestufte Kante 10 sind angedeutet. Das aus zwei Keramikdosenhälften bestehende Aktivteil wird an seiner zylinderförmigen Mantelfläche von einem Gehäuse 12 aus Kunststoff umhüllt. Dabei ist es für die korrekte thermische Kontaktierung wichtig, daß keine Teile des Gehäuses 12 über die beiden Wärmekontaktflächen 20 des Aktivteils ragen. Das Gehäuse 12 besteht beispielsweise aus
einer Gießharzmasse oder Araldit oder ABS oder Polyester
oder Polyamid oder allgemein aus einem thermoplastischen
Material und ist mit einer Eintrittsöffnung 13 für das
Kühlmittel - vorzugsweise Brauchwasser mit Zusatz eines
Frostschutzmittels - und einer Austrittsöffnung 14 versehen.

In Figur 5 ist ein seitlicher Schnitt durch eine Flüssigkeitskühldose dargestellt. Es ist das aus den beiden Keramikdosenhälften 1 und 17 bestehende Aktivteil der Flüssigkeitskühldose 11 zu erkennen, das in seinem Innenraum mit
zahlreichen, zwischen den Zapfen 9 und den Dosenböden 8 angeordneten Kühlmittelpfaden 15 versehen ist. Dabei drücken die Zapfen beider Keramikdosenhälften gegeneinander und die Zapfenaußenflächen 16 sind miteinander verklebt.

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Das Gehäuse 12 umschließt die Zylindermantelfläche des Aktivteils derart, daß beide Wärmekontaktflächen 20 geringfügig überstehen, und ist an seinen mit den gestuften Kanten 10 kontaktierten Kanten vorzugsweise mit dem Aktivteil selbst verklebt, um einen kühlmitteldichten Kühldoseninnenraum sicherzustellen. Desweiteren ist die mit dem Kühldoseninnenraum in Verbindung stehende Austrittsöffnung 14 zu erkennen.

In Figur 6 ist eine Innenansicht einer aufgeschnittenen Flüssigkeitskühldose 11 dargestellt. Es ist zu erkennen, daß das Kühlmittel über die Eintrittsöffnung 13 und einen Kühlmittelverteilungskanal 18 in die zahlreichen Kühlmittelpfade 15 des Aktivteils eintreten kann. Die einzelnen Keramiksegmente 2 bis 5 der Keramikdosenhälfte 1, die Verbindungskanten 6 zwischen den Keramiksegmenten, der Dosenboden 8 und die Zapfen 9 sind gezeigt. Das den Kühldoseninnenraum durchströmende Kühlmittel gelangt aus den Kühlmittelpfaden 15 in einen Kühlmittelsammelkanal 19 und von diesem zur Austrittsöffnung 14. Der Kühlmittelverlauf ist mit Pfeilen dargestellt. Eintrittsöffnung 13 und Austrittsöffnung 14 sind dabei integrale Bestandteil des das Aktivteil umschließenden Gehäuses 12.

In Figur 7 ist die nach außen gerichtete Rückseite eines Keramiksegments 2 dargestellt. Es sind die gestuften Verbindungskanten 6, die hierdurch gebildeten Klebeflächen I₁ die randseitige Kante 10 und die Wärmekontaktfläche 20 zur Kontaktierung mit einem Leistungsbauelement zu erkennen.

In Figur 8 ist die zum Kühldoseninnenraum gerichtete Vorderseite eines Keramiksegmentes 2 dargestellt. Es sind die gestuften Verbindungskanten 6, die hierdurch gebildeten

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Klebeflächen 7, die randseitige Kante 10, der Dosenboden und die Zapfen 9 zu erkennen.

Die Herstellung der Keramiksegmente erfolgt unter Einsatz von geeigneten Preßvorrichtungen und Preßformen im Sinterverfahren. Die feinkörnige, pulverförmige Substanz AlN wird unter sehr hoher Druckeinwirkung verpreßt und auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des AlN erhitzt.

Zeitintensive und damit teuere spanabhebende Fertigungsmethoden, wie Bohren oder Fräsen, sind nicht erforderlich.

Die fertiggestellten Keramiksegmente einer Keramikdosenhälfte werden unter Verwendung einer geeigneten Form miteinander verklebt. Dabei ist es von Wichtigkeit, daß die in Kontakt mit dem Halbleiterbauelement tretende Wärmekontaktfläche 20 planeben ist, um einen guten Wärmeübergang sicherzustellen. Gegebenenfalls ist ein sich an den Klebevorgang anschließender SchleifVorgang vorzusehen, bei dem die Wärmekontaktflache 20 planeben geschliffen wird. Anschließend können zwei spiegelbildlich geformte Keramikdosenhälften über ihre Zapfenaußenflächen miteinander verklebt werden. Die derart gebildeten Aktivteile werden nachfolgend unter Einsatz von Gieß- oder Spritzmaschinen und geeigneten Werkzeugen (Gieß- oder Spritzformen) derart umgössen oder umspritzt, daß sich die kompletten Flüssigkeitskühldosen, bestehend aus Aktivteil und Gehäuse inklusive Eintritts- und Austrittsöffnung für das Kühlmittel ergeben. Alternativ hierzu können in einem separaten Prozeß gefertigte Gehäuse mit den Aktivteilen verklebt werden. Die gestuften randseitigen Kanten 10 dienen in allen Fällen zur Abdichtung, Zentrierung und Fixierung des Gehäuses 12.

Claims

Mp.-Nr. 92/516 1 30. Januar 1992 Ansprüche

1. Flüssigkeitskühldose zur Kühlung eines elektrischen Bauelementes, insbesondere eines Halbleiterbauelementes , das die Flüssigkeitskühldose über Wärmekontaktflächen thermisch gut leitend kontaktiert, wobei die Flüssigkeitskühldose aus einem elektrisch isolierenden und thermisch
gut leitenden keramischen Werkstoff besteht und aus zwei
spiegelsymmetrisch aufgebauten und zusammengesetzten Keramikdosenhälften gebildet ist, eine Eintrittsöffnung sowie
eine Austrittsöffnung für das elektrisch leitfähige Kühlmittel aufweist und in ihrem Innenraum Kühlmittelpfade zur Durchströmung des Kühlmittels ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet , daß jede der beiden Keramikdosenhälften
(1,17) aus mindestens zwei, vorzugsweise vier, Keramiksegmenten (2 bis 5) zusammengesetzt ist, wobei die Keramiksegmente miteinander verklebt sind.

2. Flüssigkeitskühldose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramiksegmente (2 bis 5) jeweils
gleiche Form und gleiche Abmessungen aufweisen.

3. Flüssigkeitskühldose nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanten (6) der
Keramiksegmente (2 bis 5) derart gestuft sind,-daß sich gestufte Klebeflächen (7) ergeben.

4. Flüssigkeitskühldose nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramiksegmente (2 bis 5) aus Aluminiumnitrid bestehen.

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5. Flüssigkeitskühldose nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzten Keramiksegmente (2 bis 5) einen Dosenboden (8) mit einer Vielzahl von Zapfen (9) bilden, wobei Kühlmittelpfade (15) zwischen den Zapfen (9) vorgesehen sind.

6. Flüssigkeitskühldose nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramiksegmente (2 bis 5) beider Keramikdosenhälften (1,17) über ihre Zapfenaußenflächen (16) miteinander verklebt sind.

7. Flüssigkeitskühldose nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zusammengefügten Keramikdosenhälften (1,17) von einem Gehäuse (12) aus Kunststoff ummantelt sind, wobei die Wärmekontaktflächen (20) zur thermischen Kontaktierung mit dem elektrischen Bauelement ausgespart sind.

8. Flüssigkeitskühldose nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Keramikdosenhälften (1,17) und das Gehäuse (12) miteinander verklebt sind.

9. Flüssigkeitskühldose nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Keramikdosenhälften (1,17) vom Gehäuse (12) umgössen sind.

10. Flüssigkeitskühldose nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Keramikdosenhälften (1,17) vom Gehäuse (12) umspritzt sind.

11. Flüssigkeitskühldose nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kera-

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mikdosenhälften (1,17) mit abgestuften Kanten (10) versehen sind, die eine Zentrierung, Abdichtung und Fixierung des Gehäuses (12) bewirken.

12. Flüssigkeitskühldose nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) mit der Eintrittsöffnung (13) und der Austrittsöffnung (14) für das Kühlmittel versehen ist.