DE9212752U1

DE9212752U1 - Flüssigkeitskühlkörper

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Publication number: DE9212752U1
Application number: DE9212752U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-22
Filing date: 1992-09-22
Publication date: 1993-03-04
Anticipated expiration: 2002-09-23
Also published as: EP0662246A1; CA2145081A1; WO1994007265A1; US5539617A; CA2145081C

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Flüssigkeitskühlkörper
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von wärmeerzeugenden scheibenförmigen Bauelementen.

Flüssigkeitskühlkörper sind heute bereits zum Kühlen von Leistungs-Halbleiterbauelementen bekannt. Die Steigerung der Schaltleistung von Halbleiterbauelementen ist mit der Erzeugung einer höheren Verlustwärme gekoppelt. Flüssigkeitskühlkörper haben allgemein eine größere Kühlleistung und halten leichter den Stoß- und Übergangszuständen Stand, weil ihre Wärmeträgheit es ermöglicht, kurze Wärmeimpulse mit einem nur geringfügigen Temperaturanstieg auszugleichen. Die Kühlkörper sind in vielen Fällen als zylinder- oder quaderförmige Körper mit Zuleitungs- und Ableitungsstutzen konstruiert. Im Inneren des Kühlkörpers ist ein System von entweder parallelen oder anders miteinander verbundenen Kanälen ausgebildet. In einigen Fällen wird die Verteilung der Kühlflüssigkeit mit Hilfe von ausgebildeten Trennwänden durchgeführt oder es werden dem Flüssigkeitsstrom verschiedene Aufstellungen von Stiften in den Weg gestellt. Alle diese Anordnungen dienen zur Vergrößerung der Kontaktfläche, die die Wärme an die Kühlflüssigkeit abgibt.

Aus der DE-OS-16 39 047 ist eine Kühlkörperanordnung für Halbleiterbauelemente bekannt, die aus einem Kühlkörper, einem Umkehrstück und einem Endstück besteht. Der Kühlkörper und das Umkehrstuck sind mit Kanälen versehen. Diese Kühl- und Umkehrkanäle haben vorzugsweise die gleiche Form und Abmessungen und sind so gegeneinander versetzt, daß

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mindesten zwei benachbart liegende Kühlkanäle durch einen Umkehrkanal miteinander in Verbindung stehen. Dieses Umkehrstück kann aus Metall oder auch aus Kunststoff bestehen. Es enthält außer den Umkehrkanälen an der Peripherie gelegene Abflußkanäle und einen zentral liegenden Zuflußkanal. Dieses Umkehrstuck ist eingeschlossen in das Endstück und mit diesen an der von dem Halbleiterkörper abgewandten Fläche des Kühlkörpers befestigt. Das Endstück enthält einen kreisringförmigen Sammelkanal, der so angeordnet ist, daß alle Abflußkanäle des Umkehrstücks darin münden.

Außerdem ist dieser Sammelkanal mit einem Auslaß verbunden. Ein Einlaß im Endstück liegt gegenüber der Öffnung des Zuflußkanals des Umkehrstücks. Das Kühlmittel verläuft zwischen Einlaß und Auslaß unter der zu kühlenden Fläche des Halbleiterkörpers durch diese Ausgestaltung der Kühlkörperanordnung in Serpentinen. Das Umkehrstuck und das Endstück kann auch eine Baueinheit bilden.

Wenn die Kühlkörperanordnung aus mehreren Teilen besteht, müssen die Berührungsflächen zwischen diesen Teilen so bearbeitet sein, daß sich ein dichter Abschluß ergibt, oder es müssen entsprechende Dichtungen dazwischen gelegt werden. Außerdem ist der Aufwand zur Herstellung dieser Kühlkörperanordnung sehr groß, da die Kühlkanäle im Kühlkörper und die Umkehrkanäle im Umkehrstück sehr genau erstellt werden müssen, damit die Öffnung jedes Umkehrkanals Teile der Öffnug von mindestens zwei Kühlkanälen unmittelbar im zusammengebauten Zustand gegenüber liegen.

Aus der DE-OS-19 14 790 ist eine Kühldose bekannt, die aus einer im wesentlichen rechteckförmigen Anschlußplatte und zwei um diese angeordneten Kühltöpfen zusammengesetzt ist. Die Kühltöpfe weisen verhältnismäßig breite und dicke Bünde am Umfang auf, die zur Schraubverbindung mit der Anlschlußplatte dienen. Der über die Kühltöpfe vorspringende Teil

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der Anschlußplatte ist als Stromanschluß mitbenutzt. Die Kühltöpfe enthalten im Inneren einen Flüssigkeitsverteiler in Form mehrerer Stege, die mit einem mittigen Durchlaß und einem außermittigen Durchlaß in Verbindung stehen, so daß im Inneren der Kühltopfe eine unsymmetrische Flüssigkeitsströmung mit verhältnismäßig großem Druckabfall herrscht. Durch diese Minderung des Druckabfalls entsteht ein relativ großer Wärmewiderstand. Dieser Wärmewiderstand sagt aus, wie viel Wärme von der scheibenförmigen Halbleiterzelle an das Kühlmittel abgeführt werden kann. Bedingt durch die konstruktive Form der Kühltopfe ist außerdem die Wärmeaustauschfläche begrenzt. Unter Wärmeaustauschfläche wird der Teil der Oberfläche der Kühltöpfe verstanden, der unmittelbar von der Kühlflüssigkeit überstrichten wird.

Aus der DE-AS-21 60 302 ist eine Kühldose bekannt, bestehend aus zwei mit ihren flachen Wärmeübergangsflächen an den Scheibenzellen anliegenden runden Kühltöpfen und einem zwischen ihnen liegenden, mit ihnen dicht verbundenen plattenförmigen Anschlußstück für Kühlflüssigkeits- und Stromanschlüsse, wobei das Anschlußstück vom Rand nach Innen gerichtete Ein- und Auslaßkanäle aufweist, die je in eine annähernd im rechten Winkel zu ihnen stehende, das Anschlußstück durchdringende Durchlaßöffnung münden. Die Kühlflüssigkeit gelangt über Einlaßkanal, erste Durchlaßöffnung, Kühltöpfe und zweite Durchlaßöffnung zum Ausgangskanal. Das Anschlußstück ist eine kreisförmige Platte mit radial ausgerichteten, gegenseitig fluchtenden Ein- und Auslaßkanälen und symmetrisch zum Zentrum des Anschlußstückes angeordneten Durchlaßbohrungen. Die Kühltopfe weisen auf ihrer dem Anschlußteil zugewandten Seite ununterbrochene, konzentrische Ringkanäle auf, deren Trennwände bis an die Stirnseiten des Anschlußstückes reichen und von denen jeder mit den Durchlaßbohrungen in strömungsmäßiger Verbindung steht.

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Diese Konstruktion der Kühltopfe erlaubt eine einfache Herstellung dieser Teile als Drehteile in Drehautomaten, d.h. in automatischen Drehmaschinen. Durch die Verwendung konzentrischer und unterbrochener Ringkanäle zur Führung der Kühlflüssigkeit, wobei alle zueinander parallelen Ringkanäle gleichzeitig über die Durchlaßbohrung von dem Einlaßkanal mit Kühlflüssigkeit gespeist werden, wird ein sehr niedriger Wärmewiderstand der Kühldose erreicht. Darüber hinaus ermöglicht die Kühlmittelführung in zueinander konzentrischen Ringkanälen die Ausnutzung der gesamten Fläche der Kühldose als Wärmeaustauschfläche.

Müssen mehr als zwei scheibenförmige Bauelemente gekühlt werden, so werden weitere Kühldosen benötigt, die zusammen mit diesen scheibenförmigen Bauelementen zu einem Spannverband verknüpft werden. Dadurch sind zusätzliche Flüssigkeitsanschlüsse erforderlich. Außerdem können jeweils nur scheibenförmige Bauelemente mit gleichem Durchmesser in einem gemeinsamen Spannverband angeordnet werden. Ferner benötigt ein derartiger Spannverband einen ausreichenden Platz, wobei keine hohe Packungsdichte erreicht wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von wärmeerzeugenden scheibenförmigen Bauelementen anzugeben, der es erlaubt, mehrere derartige Leistungshalbleiter-Bauelemente mit beliebigen Durchmessern bei hoher Packungsdichte, zu kühlen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Flüssigkeitskühlkörper aus einem Grundkörper besteht, der mit wenigstens einer Kühlplatte versehen ist, die einen bifilar geführten Kühlkanal aufweist, dessen Enden jeweils in einer Sammelkammer münden, wobei dieser Grundkörper wenigstens einen Ein- und Auslaßkanal aufweist, die jeweils

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in einer Durchlaßbohrung münden, die jeweils in strömungsmäßiger Verbindung mit einer Samme1kammer wenigstens einer Kühlplatte stehen.

Durch diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörpers können bei einem würfelförmigen Grundkörper (kleinste Baueinheit) maximal sechs scheibenförmige Leistungshalbleiter-Bauelemente mit unterschiedlichen Durchmessern gekühlt werden. Ein derartiger Flüssigkeitskühlkörper benötigt gegenüber einem Spannverband mit sechs scheibenförmigen Leistungshalbleiter-Bauelementen viel weniger Platz. Außerdem können weitere Beschaltungsbauelemente der Leistungshalbleiter-Bauelemente unmittelbar um den Flüssigkeitskühlkörper herum angeordnet werden. Somit erhält man einen kompakten Aufbau beispielsweise eines Stromrichterventils eines Hochleistungsstromrichters. Die Packungsdichte, die durch den erfindungsgemäßen Flüssigkeit skühlkörper erreicht wird, ist sehr hoch.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Flüssigkeitskühlkörpers sind die Kühlplatten jeweils in einer korrespondierenden Ausnehmung des Grundkörpers angeordnet. Dadurch wird nur noch eine Zentriervorrichtung benötigt wodurch sich die Montage sehr vereinfacht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Flüssigkeitskühlkörpers sind die Kühlkanäle der Kühlplatten strömungsmäßig in Reihe und/oder parallel geschaltet. Dadurch reduziert sich die Anzahl der Flüssigkeitsan-Schlüsse erheblich.

Weitere Ausgestaltungsmerkmale sind den Unteransprüchen bis 8 zu entnehmen.

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Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörpers schematisch veranschaulicht sind.
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FlG l zeigt einen Querschnitt durch eine erste

Ausführungsform des Flüssigkeitskuhlkorpers und die FlG 2 zeigt eine zugehörige Draufsicht auf den Flüssigkeitskühlkörper nach FIG l, in FlG 3 ist eine zweite Ausführungsform des Flüssigkeitskühlkörpers dargestellt und in

FiG 4 ist eine dritte Ausführungsform des Flüssigkeitskühlkörpers veranschaulicht.

Die Figur l veranschaulicht einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von wärmeerzeugenden scheibenförmigen Bauelementen. Dieser Flüssigkeitskühlkörper besteht aus einem Grundkörper 2 und wenigstens einer Kühlplatte 4.

Der Grundkörper 2 ist in dieser Ausführungsform würfelförmit und ist mit zwei Befestigungsflanschen 6 und 8 versehen. Als Material für diesen Grundkörper 2 kann Metall oder Kunststoff vorgesehen sein. Der Grundkörpers 2 weist für jede Kühlplatte 4 eine korrespondierende Ausnehmung zur Aufnahme der Kühlplatte 4 auf. Der Grundkörper 2 enthält ferner einen Ein- und Auslaßkanal 12 und 14, von denen in dieser Darstellung nur der Auslaßkanal 14 zu sehen ist, und Durchlaßbohrungen 16. Die Durchlaßbohrungen 16 sind derartig im Grundkörper 2 angeordnet, daß sie den Ein- bzw. Auslaßkanal 12 bzw. 14 mit einer Sammelkammer 18 bzw. der Kühlplatte 4 (FIG 2) strömungsmäßig verbindet. Außerdem weist der Grundkörper 2 noch zusätzliche Gewindebohrungen 22 auf, die zu Befestigungszwecken dienen. Der

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Ein- bzw. Auslaßkanal 12 bzw. 14, der in eine Durchlaßbohrung 16 mündet, ist mit einem Innengewinde versehen, damit ein Anschluß eines Kühlmittelschlauches mit dem Ein- bzw. Auslaßkanal 12 bzw. 14 lösbar verbunden werden kann. Der Ein- bzw. Auslaßkanal 12 bzw. 14 und die zugehörige Durchlaßbohrung 16 sind annähernd rechtwinklig im Grundkörper zueinander angeordnet.

Die Kühlplatte 4, die in der korrespondierenden Ausnehmung 10 des Grundkörpers 2 angeordnet ist, enthält gemäß FIG 2, die eine Draufsicht des Flüssigkeitskühlkörpers nach FIG l zeigt, wobei die Kühlplatte 4 aufgeschnitten ist, einen bifilar geführten Kühlkanal 24. Die Enden dieses bifilar geführten Kühlkanals 24 münden jeweils in einer Sammelkammer 18 bzw. 20, die strömungsmäßig jeweils mit einer Durchlaßbohrung 16 des Grundkörpers 2 verbunden sind. Als Material der Kühlplatte 4 ist gut wärmeleitendes Material, beispielsweise Aluminium oder Kupfer, vorgesehen. Der bifilar geführte Kühlkanal 24 kann in die Kühlplatte 4 beispielsweise gefräst sein. Damit jede Samme1kammer 18 und strömungsmäßig mit einer Durchlaßbohrung 16 verbunden ist, ist die Kühlplatte 4 mit einer Zentriervorrichtung 26 versehen. Diese Zentriervorrichtung 26 besteht aus jeweils einer Bohrung in der Kühlplatte 4 und im Grundkörper 2 und einem Stift 28 (FIG l), der je zur Hälfte in diesen Bohrungen steckt. Da die Kühlplatte 4 in einer korrespondierenden Ausnehmung 10 des Grundkörpers angeordnet ist, kann mittels eines Zentrierstiftes 28 die Kühlplatte 4 und der Grundkörper 2 einander eindeutig zugeordnet werden. Da die Kühlplatte 4 so einfach konstruiert ist, erlaubt diese Konstruktion eine einfache Herstellung als Drehteil in einem Drehautomaten, d.h. in automatischen Drehmaschinen. Eine Weiterverarbeitung findet in Bohrwerken statt, mittels denen auch der Grundkörper 2 hergestellt wird. Außerdem besteht die Möglichkeit die Kühlplatte 4 als Gußteil herzustellen.

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Die Kühlplatte 4 ist auf geeignete Weise mit dem Grundkörper 2 verbunden (Löten, Schweißen, Kleben, Kaltverformen) .

Der Verlauf des Kühlmittels ist durch Pfeile angedeutet. Dabei fließt das zugeführte Kühlmittel durch den Einlaßkanal 12 und der zugehörigen Durchlaßbohrung 16 durch den Grundkörper 2 zu einer ersten Samme1kammer 18 der Kühlplatte 4. von da fließt das Kühlmittel durch den bifilar geführten Kühlkanal 24 zur zweiten Sammelkammer 20, wodurch die Trennwände 3 0 dieses Kühlkanals 24 entgegengesetzt umströmt werden. Von der zweiten Sammelkammer 20 fließt die Kühlflüssigkeit durch die zugeordnete Durchlaßbohrung 16 und den Auslaßkanal 14 aus den Grundkörper 2 dieses Flüssigkeitskühlkörpers heraus.

Die Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörpers, der anstelle einer Kühlplatte 4 gemäß FIG l und 2, vier Kühlplatten 4 und 32 aufweist. Dabei ist der Durchmesser der Kühlplatte 32 wesentlich größer als der Durchmesser der Kühlplatte 4. Von den beiden Kühlplatten 4 und 32 sind jeweils zwei vorhanden, die auf gegenüberliegenden Seiten des Grundkörpers 2 in korrespondierenden Ausnehmungen 10 angeordnet sind. Bei dieser Darstellung wird auf den Flüssigkeitskühlkörper gesehen, wobei die Kühlplatte 32 aufgeschnitten ist. Bei dieser Ausführungsform sind jeweils die bifilar geführten Kühlkanäle 24 zweier Kühlplatten 4 und 32 strömungsmäßig in Reihe geschaltet. Dazu ist ein erster Einlaßkanal 12 über eine Durchlaßbohrung 16 mit einer Sammelkammer 18 bzw. 20 der einen Kühlplatte 4 strömungsmäßig verbunden. Die zweite Sammelkammer 20 bzw. 18 dieser Kühlplatte 4 ist über zwei weitere Durchlaßbohrungen 16 mit einer Sammelkammer 18 bzw. 20 der einen Kühlplatte 32 strömungsmäßig verbunden, wobei

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deren zweite Sammelkammer 20 bzw. 18 über eine weitere Durchlaßbohrung mit einem ersten Auslaßkanal 14 strömungsmäßig verbunden ist. Genauso sind die beiden anderen Kühlplatten 4 und 32 strömungsmäßig miteinander mit einem zweiten Ein- und Auslaßkanal verbunden. Durch die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörpers können mehrere Leistungshalbleiter-Bauelemente mit unterschiedlichen Durchmessern bei hoher Packungsdichte gekühlt werden, wobei dieser Flüssigkeitskühlkörper raumsparend ausgeführt ist.

Die Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flüssigkeitskühlkörpers. Diese Ausführungsform besteht aus einem Grundkörper 2 mit zwei großen Kühlplatten 4, die einander gegenüber angeordnet sind. Die bifilar geführten Kühlkanäle 24 dieser Kühlplatten 4 sind strömungsmäßig parallel geschaltet. Dazu mündet der Einlaßkanal 12 in eine Durchlaßbohrung 16, die jweils mit einer Sammelkammer 18 bzw. 20 der beiden Kühlplatten 4 strömungsmäßig verbunden ist. Ebenso mündet der Auslaßkanal 14 in eine Durchlaßbohrung 16, die jeweils mit einer Sammelkammer 20 bzw. 18 der beiden Kühlplatten 4 strömungsmäßig verbunden sind.

In Abhängigkeit der Kühlleistung, der Größe der Kontaktflächen der zu kühlenden scheibenförmigen Leistungshalbleiter-Bauelemente, wie Dioden, Transistoren, Tyristoren, abschaltbare Tytistoren,..., und der von diesen Bauelementen erzeugten Abwärme wird die Anzahl der Kühlplatten 4 bzw. 32 und deren strömungsmäßige Verschaltung ausgewählt. In Abhängigkeit der Anzahl der Kuhlplatten 4 und/oder 32 wird die räumliche Ausdehnung des Grundkörpers 2 ausgewählt, wobei ebenfalls die Verwendung dieses Flussigkeitskuhlkorpers betrachtet wird.

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Somit kann man mit diesem Flüssigkeitskühlkörper mehrere Leistungshalbleiter-Bauelemente mit unterschiedlichen Kontaktflächen bei einer hohen Packungsdichte kühlen, wobei die räumliche Abmessung eines solchen bepackten Flüssigkeit skühlkörpers gegenüber einem herkömmlichen Spannverband sehr kompakt ist.

Claims

92G 3 5 29 OE Schutzansprüche

1. Flüssigkeitskühlkörper zum Kühlen von wärmeerzeugenden scheibenförmigen Bauelementen, bestehend aus einem Grundkörper (2) der mit wenigstens einer Kühlplatte (4, 32) versehen ist, die einen bifilar geführten Kühlkanal (24) aufweist, dessen Enden jeweils in einer Sammelkammer (18, 20) münden, wobei dieser Grundkörper (2) wenigstens einen Ein- und Auslaßkanal (12, 14) aufweist, die jeweils in einer Durchlaßbohrung (16) münden, die jeweils in strömungsmäßiger Verbindung mit einer Sammelkammer (18, 20) wenigstens einer Kühlplatte (4, 32) stehen.

2. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß jede Kühlplatte (4, 32) jeweils in einer korrespondierenden Ausnehmung (10) des Grundkörpers (2) angeordnet sind.

3. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (24) der Kühlplatten (4, 32) strömungsmäßig in Reihe geschaltet sind.

4. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlkanäle (24) der Kühlplatten (4, 32) strömungsmäßig parallel geschaltet sind.

5. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlplatte (4, 32) mit dem bifilar geführten Kühlkanal (24) als Drehteil hergestellt und bearbeitet ist.

6. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühlplatte (4, 32) mit dem bifilar geführten Kühlkanal (24) als Gußteil herstellt und bearbeitet ist.

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7. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß der Ein- bzw. Auslaßkanal (12 bzw. 14) und die Durchlaßbohrung (16) annähernd rechtwinklig zueinander angeordnet sind.

8. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (4, 32) und der Grundkörper (2) mit einer Zentriervorrichtung (26) versehen ist.