WO2014206617A1 - Kühlvorrichtung mit einem kühlkörper - Google Patents

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WO2014206617A1
WO2014206617A1 PCT/EP2014/059340 EP2014059340W WO2014206617A1 WO 2014206617 A1 WO2014206617 A1 WO 2014206617A1 EP 2014059340 W EP2014059340 W EP 2014059340W WO 2014206617 A1 WO2014206617 A1 WO 2014206617A1
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Julian SEIDEL
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to a cooling device for removing heat from a heat source via at least one cooling ⁇ body to a cooling medium, wherein the cooling body has a thermally coupled to the heat source base plate and a remote from the heat source first surface on which a plurality of cooling rods is arranged ,
  • heat sources such as components of the power electronics, computer processors or LEDs are cooled by the thermal coupling to a heat sink, the heat sink typically emits the heat to a cooling medium such as air or water.
  • the heat sink may have a thermally coupled to the heat source base plate on which a plurality of cooling rods is arranged so that the heat from the heat ⁇ source first on the base plate, from this to the cooling ⁇ rods and from the cooling rods to the liquid or gaseous cooling medium is discharged.
  • cooling fins instead of cooling rods.
  • rod-shaped attachments are particularly well suited when the cooling body is actively flowed around by a liquid or gaseous cooling medium.
  • An alternative to active flow around is the formation of thermal convection flow around the cooling rods without an external flow source.
  • cooling rods of the heat sink are arranged within the coolant channel through which flows that the cooling rods are lapped by the fluid pressure and can continuously transfer heat to the coolant. But it can also be streamed air for example by a Venti ⁇ lator to the cooling rods over, so that a heat transfer to the air stream.
  • the object of the invention is therefore to provide a cooling device with a heat sink, through which a more efficient cooling of a heat source can be achieved.
  • the cooling device according to the invention is Wenig ⁇ least adapted for removal of heat from a heat source via a heat sink to a cooling medium. They environmentally summarizes at least one cooling body comprising a thermally coupled to the sources of heat ⁇ le base plate and a surface facing away from the heat source ⁇ first surface on which is disposed a plurality of cooling rods.
  • the cooling rods each have a non-rotationally symmetrical cylindrical shape with a streamlined cross section.
  • the cylindrical shape is to be understood, according to the general geometric definition, to be the shape of a body which is produced by displacement of a flat base along a straight line. It can be straight or oblique cylinder shapes.
  • the cooling bars are not ro ⁇ tationssymmetrisch, so it is not according to the invention to a circular cylinder. Instead, the base of the cylinder is streamlined. This has the advantage that with a lateral flow around the cooling rods with a fluid cooling medium, a lower flow resistance acts as in the use of circular cylindrical cooling rods.
  • the streamline shape of the cross section of the cooling rods is a particularly preferred lateral flow direction pre ⁇ give, along which each cooling rod has a particularly low flow resistance.
  • a flow of the cooling medium at each cooling rod has a high directional component along this preferred lateral flow direction.
  • the cooling device is particularly efficient, since in the presence of an active Strö ⁇ tion source either a lower flow pressure can be used, or it can at the same coolant pressure, a higher flow and thus a higher heat transfer from the heat source be reached to the coolant.
  • ⁇ natively can be formed by thermal convection, a higher local flow of the cooling medium to the cooling rods and thus the efficiency of heat transfer can be increased without an external flow source is present. In any case, the heat transfer is improved and / or reduces the cost of generating a coolant flow.
  • the cooling device may additionally have the following features:
  • the cross section of the cooling rods may each have a rounded shape on a first side and have a pointed shape on a side facing away from the first side.
  • the cooling bars may each have a teardrop-shaped cross-section.
  • a drop-shaped cross-section is particularly advantageous in order to achieve at mallli ⁇ cher inflow of the cooling bars to the rounded side as low as possible flow resistance.
  • the exact shape of the drops can either be uniform for the majority of the cooling rods, or it can also vary from cooling rod to cooling rod.
  • the teardrop-shaped cross-section may be either more rounded drop shapes or even more elongate shapes.
  • the limiting curve can entwe ⁇ straight or concave or convex tapered or have a change between different curvatures.
  • the base of the cylindrical cooling rods may each have a length which is at least l 5 times, its width be transmits ⁇ .
  • the length of the teardrop-shaped cross section is at least 1.5 times as large as the width.
  • it can also be provided much longer drawn cross sections in order to achieve a particularly favorable Anpas ⁇ solution to the flow conditions.
  • the different cooling rods can also be designed with different size ratios between the length and width of their cross sections in order to be better adapted to local flow conditions.
  • the flow resistance of the cooling rods with respect to a flow with the cooling medium parallel to the base plate can be reduced by at least 10% compared with a circular cross section by the streamlined cross section. Particularly advantageously, the flow resistance in such a direction can be reduced by at least 14%. Simula ⁇ tion calculations have shown that a reduction of the flow resistance by 14% with a simple drop-shaped cross-section is easily possible. A reduction in the flow resistance ⁇ by a certain factor also causes a corresponding reduction of the Druckverslusts in a Strömungska ⁇ nal with an active flow source. The reduction of the flow resistance results in the same end face by a change in the cross-sectional ⁇ shape caused change in the coefficient of resistance.
  • the cooling device can be provided with a flow source, which causes an inflow of the cooling rods with fluiddemedi ⁇ order, wherein formed in the region of the cooling rods überge ⁇ ordered flow direction, which has at least one Rich ⁇ tion component parallel to the base plate.
  • a flow source which causes an inflow of the cooling rods with fluiddemedi ⁇ order, wherein formed in the region of the cooling rods überge ⁇ ordered flow direction, which has at least one Rich ⁇ tion component parallel to the base plate.
  • a gaseous coolant to be flowed laterally around the cooling rods by means of overpressure or by a fan.
  • the lateral flow of the cooling ⁇ rods with the cooling medium is advantageous because it allows a particularly ⁇ efficient heat transfer from the cooling plate on the cooling rods to the cooling medium can be achieved. In particular, so is always new, cold cooling medium to absorb heat available.
  • a lateral flow of the cooling rods ⁇ can be provided with the coolant by thermal convection flow. Then there are the analogous advantages of better heat transfer into the flowing medium without the need for an active flow source at all. Also in this case, the streamlined cross-section of the cooling rods facilitates the formation of the convection flow and improves the heat transfer.
  • the superimposed flow direction in the region of the plurality of cooling rods may be substantially uniform, and the streamlined cooling rods may be oriented so that the flow resistance along this uniform flow direction is substantially minimized.
  • This embodiment is particularly advantageous in the presence of a coolant ⁇ channel, in which the coolant is pumped along a vor ⁇ given direction through the channel. Then they are Cooling rods expedient all aligned the same, so that is minimized by their streamlined cross-section of the flow resistance for this predetermined flow direction substantially.
  • the cooling medium can form very different flow directions in the region of the individual cooling bars, and each cooling bar may be oriented so that the Strö ⁇ flow resistance along the prevailing local direction of flow is substantially minimized.
  • Such an embodiment may be advantageous, for example, when an active flow source flows in the liquid or gaseous cooling medium in an inner region of the plurality of cooling rods.
  • a liquid coolant through a coolant inlet in the center of the cooling rods are fed ⁇ and then transported from there about radially outward. Then, it is expedient the streamlines ⁇ shaped cooling bars align all with their rounded sides for this coolant inflow, so that the flow resistance is minimized for the radial flow.
  • a fan in the case of a gaseous cooling medium, can be arranged in an inner region of the cooling body, which, for example, constantly flows air outward from there. Also, an orientation of the respective cooling rods to this fan is expedient in which the air ⁇ resistance is minimized for the local flow direction.
  • At least a portion of the cooling rods may be in the form of parallel, straight cylinders and disposed perpendicular to the plane of the base plate. This embodiment is particularly favorable when the superordinate flow Rich ⁇ tion of the cooling medium is substantially parallel to the base plate. Then it is particularly advantageous if the cooling rods lie with their longitudinal extent perpendicular to this flow direction, so that a high heat transfer to the cooling medium can be achieved.
  • at least a portion of the cooling rods may have the shape slate cylinder and / or arranged angled to each other. Such an arrangement can be advantageous when the direction of flow of the coolant is not parallel to the base plate and / or when the cooling bars located on the surface of the base plate to extend from side to side ⁇ , to allow heat dissipation in a larger area
  • the heat source may comprise at least one power electronic component.
  • a plurality of such components may be thermally connected in a relatively close arrangement with the heat sink.
  • a power-electronic component is to be understood here as a component in which one or more semiconductor components are used for converting electrical energy in the power range from about one watt to several gigawatts.
  • the electrical voltages used are typically above 5 V, and the electrical currents are typically above 500 mA. Examples of such components are Wech ⁇ selrichter, choppers and circuit breakers. Frequently used therein semiconductor devices are Bipolartransis ⁇ gates with insulated gate electrode (IGBTs).
  • IGBTs Bipolartransis ⁇ gates with insulated gate electrode
  • heat sources can be cooled by the cooling device, such as Computerpro ⁇ zessoren, LEDs, lasers or other light sources.
  • a liquid in particular water, glycol and / or oil can be used as the cooling medium.
  • a mixture can also be various liquids are used.
  • a gaseous cooling medium in particular air
  • air can also be used.
  • the advantage of this lies in a simpler apparatus implementation. So protection against corrosion and / or electrical flashovers with air cooling is easier to achieve than with the use of liquids.
  • the base plate and / or the cooling bars of the heat sink may be a material having a thermal conductivity of at least
  • Base plate and the cooling rods of the heat sink can be made of the same material.
  • the heat sink can be made in this case in one piece, for example via a casting process. Or it can alternatively be made by milling recesses from a starting body.
  • the cooling bars may be disposed on the base plate of the heat sink in a two-dimensional regular pattern. Particularly advantageous here is a hexagonal pattern. However, also other regular arrangements, example ⁇ be present with rectangular, square or even schiefwinkli- gen basic forms or radial, centrosymmetric Anord ⁇ calculations.
  • the cooling rods can have a geometric filling factor between 15% and 35%, particularly advantageously between 20% and 30%.
  • This spatial fill factor is at a vertical arrangement of the cooling bars to the base plate at the same time the area-chenyoglltex in a sectional plane parallel to the Grundplat ⁇ te.
  • the heat transfer is less efficient.
  • the fill factor in the cooling device according to the invention can be selected to be similar or slightly higher than in a comparable cooling device with circular-cylindrical cooling rods.
  • the inventive design, heat transfer at ei ⁇ nem similar or slightly higher fill factor is improved.
  • FIG. 1 shows a schematic lateral cross section of a cooling device according to the first embodiment
  • Fig. 2 is a schematic plan view of the heat sink of in
  • Fig. 1 illustrated cooling device shows
  • Fig. 3 shows a schematic plan view of the heat sink of a cooling device according to the second embodiment.
  • a cooling device 1 according to a first embodiment of the invention is shown as a schematic lateral cross-section.
  • a heat sink 3 which comprises a base plate 5 and a plurality of cooling rods 7 arranged thereon.
  • the base plate 5 has a rectangular basic shape in this example, but other shapes such as circular basic shapes are possible.
  • the heat source 11 to be warmed up is in this example a component of the power electronics which is mounted on a ceramic board 9.
  • the ceramic plate 9 is in turn connected flat to one side of the base plate 5.
  • the ceramic board 9 may alternatively be equipped with a plurality of individual components that generate all heat.
  • cooling rods are arranged ⁇ 7, which are also connected to the base plate 5 thermally verbun ⁇ .
  • base plate 5 and cooling rods 3 are made of the same material, namely copper.
  • the heat sink 3 is produced here as a whole by milling the free interspaces from a common starting workpiece.
  • the number of cooling rods 7 shown in FIG. 1 is only to be understood as an example here.
  • a heat sink 3 may comprise a significantly larger number of cooling bars 7, for example 5 to 500 cooling bars 7.
  • the cooling device 1 is designed to effect a removal of heat from the heat source 11 via the heat sink 3 to a cooling medium flowing around the cooling rods 7.
  • Thedeme ⁇ dium is water in the example shown, which is pumped by a pump, not shown here as an active flow source through a coolant channel 17 which is penetrated by the cooling rods 7.
  • the coolant channel 17 is further limited by the base plate 5 of the heat sink 3 and by further Be ⁇ delimiting walls 15.
  • the cooling rods 7 can either extend to the opposite boundary wall 15 or, as shown in FIG. 1, a small intermediate space can remain between the cooling rods 7 and the upper boundary wall 15.
  • the cooling medium in this case the cooling water, flows around the cooling rods 7 along the superimposed flow direction 13, which is predetermined by the pressure difference across the flow channel 17 generated by the pump.
  • the cooling rods 7 are all arranged perpendicular to the base plate 5 of the heat sink 3.
  • 2 shows a schematic plan view of the heat sink 3 of the cooling device 1 shown in FIG. 1.
  • the rectangular base plate 5 of the heat sink 3 and the cooling bars 7 arranged thereon are shown.
  • FIG. play have all the cooling rods 7 the same drop-shaped cross-section. They have the form of straight cylinder with the ⁇ ser unified, streamlined basic shape and are in a regular pattern with hexagonal symmetry angeord- net.
  • the cross section of the cooling rods has a rounded shape on the side facing the impinging flow 13 and a tapering shape on the side facing away from this side.
  • the tapered side has straight boundary lines.
  • the length 19 of the cross-sectional shape of the cooling rods 7 is ge ⁇ example shown, such as the l, 5 times the width 21.
  • ge ⁇ example shown such as the l, 5 times the width 21.
  • this ratio is even greater and also has a low flow resistance cause Kgs ⁇ NEN.
  • a reduction of the pressure loss on the cooling channel of 14% was ⁇ be included in simulations.
  • the size of the base of the heat sink 3 may advantageously be in the range between 10 and 500 cm 2 .
  • the height of the cooling rods 7 can advantageously be between 5 and 15 mm, with egg ⁇ ner advantageous thickness of the base plate 5 between 1 and 5 mm.
  • the lateral dimensions of the cooling rods 7 in the plane parallel to the base plate 5 may advantageously be between 0.5 mm and 15 mm.
  • Fig. 3 shows a schematic plan view of a respective cooling body 3 according to a second exemplary embodiment of the ⁇ invention.
  • the cooling rods 7 of the heat sink 3 are flowed around by air as a cooling medium.
  • an elevated air pressure is present in an inner region 23 of the heat sink 3 by means of an air supply arranged there.
  • the cooling rods 7 are aligned so that their rounded side faces the inner region 23, so that the air flowing away there along the respective local flow direction 14 experiences a reduced flow resistance in this arrangement. Also in this example, the streamlined configuration of the cross section of the cooling ⁇ rods 7 leads to improved flow of the coolant through the heat sink 1 and thus overall to a better heat transfer.

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Abstract

Es wird eine Kühlvorrichtung zum Abtransport von Wärme von einer Wärmequelle über wenigstens einen Kühlkörper an ein Kühlmedium angegeben. Der Kühlkörper weist eine an die Wärme quelle thermisch angekoppelte Grundplatte und eine von der Wärmequelle abgewandte erste Oberfläche auf, auf der eine Mehrzahl von Kühlstäben angeordnet ist. Die Kühlstäbe weisen jeweils eine nicht rotationssymmetrische zylindrische Form mit einem stromlinienförmigen Querschnitt auf.

Description

Beschreibung
Kühlvorrichtung mit einem Kühlkörper
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Abtransport von Wärme von einer Wärmequelle über wenigstens einen Kühl¬ körper an ein Kühlmedium, wobei der Kühlkörper eine an die Wärmequelle thermisch angekoppelte Grundplatte und eine von der Wärmequelle abgewandte erste Oberfläche aufweist, auf der eine Mehrzahl von Kühlstäben angeordnet ist.
Bei bekannten Kühlvorrichtungen werden Wärmequellen wie beispielsweise Komponenten der Leistungselektronik, Computerprozessoren oder Leuchtdioden durch die thermische Ankopplung an einen Kühlkörper entwärmt, wobei der Kühlkörper typischerweise die Wärme an ein Kühlmedium wie Luft oder Wasser abgibt. Der Kühlkörper kann dabei eine an die Wärmequelle thermisch angekoppelte Grundplatte aufweisen, auf der eine Mehrzahl von Kühlstäben angeordnet ist, so dass die Wärme von der Wärme¬ quelle zunächst auf die Grundplatte, von dieser auf die Kühl¬ stäbe und von den Kühlstäben an das flüssige oder gasförmige Kühlmedium abgegeben wird. Es sind auch Ausführungen mit Kühlrippen anstelle von Kühlstäben bekannt. Stäbchenförmige Aufsätze eignen sich jedoch besonders gut, wenn der Kühlkörper aktiv von einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium umströmt wird. Eine Alternative zur aktiven Umströmung ist die Ausbildung von thermischer Konvektionsströmung um die Kühlstäbe ohne eine äußere Strömungsquelle. In beiden Fällen fin¬ det eine seitliche Anströmung der Kühlstäbe statt, die zumin¬ dest eine Richtungskomponente parallel zu der Richtung der Grundplatte aufweist.
Bei der Kühlung mit einem flüssigen Kühlmedium wird oft eine aktive Strömungsquelle verwendet, wobei beispielsweise eine Pumpe eingesetzt wird, um Wasser oder ein anderes flüssiges Kühlmittel über einen seitlichen Einlass in einen Kühlmittel¬ kanal einzuströmen. Dabei sind die Kühlstäbe des Kühlkörpers innerhalb des durchströmten Kühlmittelkanals angeordnet, so dass die Kühlstäbe durch den Flüssigkeitsdruck umspült werden und kontinuierlich Wärme an die Kühlflüssigkeit abgeben können. Es kann aber auch Luft beispielsweise durch einen Venti¬ lator an den Kühlstäben vorbei geströmt werden, so dass eine Wärmeabgabe an den Luftstrom erfolgt.
Vor allem bei der Kühlung von Bauteilen der Leistungselektronik müssen immer größere Wärmemengen von immer dichter angeordneten elektronischen Komponenten möglichst schnell und effizient abgeführt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung mit einem Kühlkörper anzugeben, durch den eine effizientere Kühlung einer Wärmequelle erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene Kühl¬ vorrichtung gelöst. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung ist zum Abtransport von Wärme von einer Wärmequelle über wenigs¬ tens einen Kühlkörper an ein Kühlmedium ausgebildet. Sie um- fasst wenigstens einen Kühlkörper, der eine an die Wärmequel¬ le thermisch angekoppelte Grundplatte und eine von der Wärme¬ quelle abgewandte erste Oberfläche aufweist, auf der eine Mehrzahl von Kühlstäben angeordnet ist. Die Kühlstäbe weisen jeweils eine nicht rotationssymmetrische zylindrische Form mit einem stromlinienförmigen Querschnitt auf.
Unter der zylindrischen Form soll hierbei nach der allgemeinen geometrischen Definition die Form eines Körpers verstanden werden, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer Geraden entsteht. Es kann sich um gerade oder schiefe Zylinderformen handeln. Die Kühlstäbe sind nicht ro¬ tationssymmetrisch, es handelt sich also erfindungsgemäß nicht um Kreiszylinder. Stattdessen ist die Grundfläche der Zylinder stromlinienförmig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass bei einer seitlichen Umströmung der Kühlstäbe mit einem fluiden Kühlmedium ein niedrigerer Strömungswiderstand wirkt als bei der Verwendung von kreiszylindrischen Kühlstäben. Durch die Stromlinienform des Querschnitts der Kühlstäbe ist eine besonders bevorzugte seitliche Strömungsrichtung vorge¬ geben, entlang der jeder Kühlstab einen besonders niedrigen Strömungswiderstand aufweist. Zweckmäßig weist eine Strömung des Kühlmediums bei jedem Kühlstab eine hohe Richtungskompo- nente entlang dieser bevorzugten seitlichen Strömungsrichtung auf. Durch die Verringerung des Strömungswiderstands entlang einer bevorzugten Strömungsrichtung wird die Kühlvorrichtung besonders effizient, da bei Vorliegen einer aktiven Strö¬ mungsquelle entweder ein niedrigerer Strömungsdruck einge- setzt werden kann, oder es kann bei gleichem Kühlmitteldruck eine höhere Strömung und somit eine höhere Wärmeübertragung von der Wärmequelle an das Kühlmittel erreicht werden. Alter¬ nativ kann sich auch durch thermische Konvektion eine höhere lokale Strömung des Kühlmediums um die Kühlstäbe ausbilden und so die Effizienz der Wärmeübertragung erhöht werden, ohne dass eine äußere Strömungsquelle vorliegt. In jedem Fall wird die Wärmeübertragung verbessert und/oder der Aufwand für die Erzeugung einer Kühlmittelströmung verringert. Durch die effizientere Wärmeabfuhr von der Wärmequelle können beispiels- weise elektronische Bauteile bei höheren Leistungen betrieben werden und/oder es können mehrere Komponenten dichter gepackt in einem Modul angeordnet werden. Es können also durch eine höhere Leistungsdichte von Bauteilen Kosten und Platz einge¬ spart werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Demgemäß kann die Kühlvorrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Der Querschnitt der Kühlstäbe kann jeweils auf einer ersten Seite eine abgerundete Form aufweisen und auf einer von der ersten Seite abgewandten Seite eine spitz zulaufende Form aufweisen. Mit anderen Worten können die Kühlstäbe jeweils einen tropfenförmigen Querschnitt aufweisen. Ein tropfenförmiger Querschnitt ist besonders vorteilhaft, um bei seitli¬ cher Anströmung der Kühlstäbe auf der abgerundeten Seite einen möglichst niedrigen Strömungswiderstand zu erreichen. Die genaue Form der Tropfen kann dabei entweder für die Mehrzahl der Kühlstäbe einheitlich sein, oder sie kann auch von Kühlstab zu Kühlstab variieren. Bei dem tropfenförmigen Querschnitt kann es sich beispielsweise entweder um rundlichere Tropfenformen oder auch um länglichere Formen handeln. Auf der spitz zulaufenden Seite kann die Begrenzungskurve entwe¬ der gerade oder auch konkav oder konvex zulaufend sein oder einen Wechsel zwischen verschiedenen Krümmungen aufweisen.
Die Grundfläche der zylindrischen Kühlstäbe kann jeweils eine Länge aufweisen, die wenigstens das l,5fache ihrer Breite be¬ trägt. Mit anderen Worten, die Länge des tropfenförmigen Querschnitts ist mindestens 1,5 mal so groß wie die Breite. Es können jedoch auch noch wesentlich länger gezogene Querschnitte vorgesehen sein, um eine besonders günstige Anpas¬ sung an die Strömungsverhältnisse zu erreichen. Insbesondere können die verschiedenen Kühlstäbe auch mit unterschiedlichen Größenverhältnissen zwischen Länge und Breite ihrer Querschnitte ausgebildet sein, um lokalen Strömungsverhältnissen noch besser angepasst zu sein.
Der Strömungswiderstand der Kühlstäbe gegenüber einer An- strömung mit dem Kühlmedium parallel zur Grundplatte kann durch den stromlinienförmigen Querschnitt gegenüber einem kreisförmigen Querschnitt um wenigstens 10% verringert sein. Besonders vorteilhaft kann der Strömungswiderstand in einer solchen Richtung um wenigstens 14% verringert sein. Simula¬ tionsrechnungen haben gezeigt, dass eine Reduktion des Strömungswiderstands um 14% mit einem einfachen tropfenförmigen Querschnitt leicht möglich ist. Eine Reduktion des Strömungs¬ widerstands um einen bestimmten Faktor bewirkt auch eine entsprechende Reduktion des Druckverslusts in einem Strömungska¬ nal mit einer aktiven Strömungsquelle. Die Verringerung des Strömungswiderstandes ergibt sich dabei bei gleichbleibender Stirnfläche durch eine durch die Änderung der Querschnitts¬ form bewirkte Änderung des Widerstandsbeiwertes. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit insgesamt erhöht und/oder die Wärmeübertragung an ein fluides Kühlmedium verbessert werden. Die Kühlvorrichtung kann mit einer Strömungsquelle versehen sein, die eine Anströmung der Kühlstäbe mit fluidem Kühlmedi¬ um bewirkt, wobei sich im Bereich der Kühlstäbe eine überge¬ ordnete Strömungsrichtung ausbildet, die zumindest eine Rich¬ tungskomponente parallel zur Grundplatte aufweist. Mit ande¬ ren Worten, es kann eine aktiv erzeugte seitliche Anströmung der Kühlstäbe vorgesehen sein. Bei Vorliegen eines flüssigen Kühlmediums kann dies beispielsweise eine Pumpe sein, die die Flüssigkeit durch einen Kühlkanal pumpt, in dem die Kühlstäbe angeordnet sind. Es kann aber auch ein gasförmiges Kühlmittel mittels Überdruck oder durch einen Ventilator seitlich um die Kühlstäbe geströmt werden. Die seitliche Anströmung der Kühl¬ stäbe mit dem Kühlmedium ist vorteilhaft, da sich so eine be¬ sonders effiziente Wärmeübertragung von der Kühlplatte über die Kühlstäbe an das Kühlmedium erreichen lässt. Insbesondere steht so immer wieder neues, kaltes Kühlmedium zur Aufnahme von Wärme zur Verfügung.
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit aktiver Strömungsquelle kann auch eine seitliche Anströmung der Kühl¬ stäbe mit dem Kühlmittel durch thermische Konvektionsströmung vorgesehen sein. Dann ergeben sich die analogen Vorteile des besseren Wärmeübertrags in das strömende Medium, ohne dass eine aktive Strömungsquelle überhaupt benötigt wird. Auch für diesen Fall erleichtert der stromlinienförmige Querschnitt der Kühlstäbe die Ausbildung der Konvektionsströmung und verbessert die Wärmeübertragung.
Bei der Ausführungsform mit einer aktiven Strömungsquelle kann die übergeordnete Strömungsrichtung im Bereich der Mehrzahl von Kühlstäben im Wesentlichen einheitlich sein, und die stromlinienförmigen Kühlstäbe können so ausgerichtet sein, dass der Strömungswiderstand entlang dieser einheitlichen Strömungsrichtung im Wesentlichen minimiert ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei Vorliegen eines Kühlmittel¬ kanals vorteilhaft, bei dem das Kühlmittel entlang einer vor¬ gegeben Richtung durch den Kanal gepumpt wird. Dann sind die Kühlstäbe zweckmäßig alle gleich ausgerichtet, so dass durch ihren stromlinienförmigen Querschnitt der Strömungswiderstand für diese vorgegebene Strömungsrichtung im Wesentlichen minimiert wird.
Alternativ zu einer exakt gleichen Ausrichtung der Kühlstäbe können aber auch lokale Anpassungen der Ausrichtung vorgesehen sein, um lokale Abweichungen von der Hauptströmungsrichtung, etwa durch Verwirbelungen, zu berücksichtigen.
Das Kühlmedium kann aber auch im Bereich der einzelnen Kühlstäbe ganz unterschiedliche Strömungsrichtungen ausbilden, und jeder Kühlstab kann so ausgerichtet sein, dass der Strö¬ mungswiderstand entlang der dort vorherrschenden lokalen Strömungsrichtung im Wesentlichen minimiert ist. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn eine aktive Strömungsquelle das flüssige oder gasförmige Kühlmedium in einem inneren Bereich der Mehrzahl der Kühlstäbe einströmt. Zum Beispiel kann ein flüssiges Kühlmedium durch einen Kühlmittelzulauf im Zentrum der Kühlstäbe einge¬ speist werden und dann von dort aus etwa radial nach außen transportiert werden. Dann ist es zweckmäßig die stromlinien¬ förmigen Kühlstäbe alle mit ihren abgerundeten Seiten zu diesem Kühlmittelzulauf auszurichten, so dass der Strömungswi- derstand für die radial verlaufende Strömung minimiert wird. Ähnlich kann bei einem gasförmigen Kühlmedium in einem inneren Bereich des Kühlkörpers ein Ventilator angeordnet sein, der beispielsweise Luft von dort aus beständig nach außen strömt. Auch dann ist eine Ausrichtung der jeweiligen Kühl- Stäbe zu diesem Ventilator hin zweckmäßig, bei der der Luft¬ widerstand für die lokale Strömungsrichtung minimiert wird.
Wenigstens ein Teil der Kühlstäbe kann die Form zueinander paralleler, gerader Zylinder aufweisen und senkrecht zu der Ebene der Grundplatte angeordnet sein. Diese Ausführungsform ist besonders günstig, wenn die übergeordnete Strömungsrich¬ tung des Kühlmediums im Wesentlichen parallel zur Grundplatte ist. Dann ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kühlstäbe mit ihrer Längsausdehnung senkrecht zu dieser Strömungsrichtung liegen, so dass eine hohe Wärmeübertragung an das Kühlmedium erreicht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Teil der Kühlstäbe die Form schiefer Zylinder aufweisen und/oder zueinander gewinkelt angeordnet sein. Eine solche Anordnung kann vorteilhaft sein, wenn die Strömungsrichtung des Kühlmittels nicht parallel zu der Grundplatte verläuft und/oder wenn die Kühlstäbe sich seitlich über die Fläche der Grundplatte hin¬ aus erstrecken sollen, um eine Wärmeabgabe in einen größeren Bereich zu ermöglichen
Die Wärmequelle kann wenigstens ein leistungselektronisches Bauteil umfassen. Insbesondere kann eine Mehrzahl solcher Bauteile in relativ dichter Anordnung mit dem Kühlkörper thermisch verbunden sein. Unter einem leistungselektronischen Bauteil soll hierbei ein Bauteil verstanden werden, bei dem ein oder mehrere Halbleiterbauelemente zur Umwandlung von elektrischer Energie im Leistungsbereich von etwa einem Watt bis zu einigen Gigawatt eingesetzt werden. Die eingesetzten elektrischen Spannungen liegen dabei typischerweise oberhalb von 5V, und die elektrischen Ströme liegen typischerweise oberhalb von 500 mA. Beispiele für solche Bauteile sind Wech¬ selrichter, Gleichstromsteller und Leistungsschalter. Häufig darin eingesetzte Halbleiterbauelemente sind Bipolartransis¬ toren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs). Die einzelnen Bauelemente können dabei auf einer Leiterplatte angeordnet sein, die wiederum an die Grundplatte des Kühlkörpers ther¬ misch angekoppelt ist.
Alternativ können jedoch auch andere Wärmequellen durch die Kühlvorrichtung gekühlt werden, wie zum Beispiel Computerpro¬ zessoren, Leuchtdioden, Laser oder andere Lichtquellen.
Bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung kann als Kühlmedium eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, Glykol und/oder Öl verwendet werden. Beispielsweise kann auch eine Mischung ver- schiedener Flüssigkeiten eingesetzt werden. Bei der aktiven Anströmung der Kühlstäbe mit einem flüssigen Kühlmedium ist die Wärmeübertragung besonders effektiv, da Flüssigkeiten typischerweise hohe Wärmekapazitäten und große Wärmeübergangs- koeffizienten aufweisen.
Alternativ kann auch ein gasförmiges Kühlmedium, insbesondere Luft, verwendet werden. Der Vorteil hierbei liegt in einer einfacheren apparativen Umsetzung. So ist auch ein Schutz vor Korrosion und/oder elektrischen Überschlägen mit einer Luftkühlung leichter zu erreichen ist als bei einem Einsatz von Flüssigkeiten.
Die Grundplatte und/oder die Kühlstäbe des Kühlkörpers können ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens
15 W/ (m'K) , besonders vorteilhaft wenigstens 60 W/ (m'K) um¬ fassen. Besonders vorteilhafte Materialien sind Metalle wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer. Grundplatte und die Kühlstäbe des Kühlkörpers können aus dem gleichen Material gefertigt sein. Der Kühlkörper kann in diesem Fall in einem Stück beispielsweise über ein Gussverfahren hergestellt werden. Oder er kann alternativ durch Fräsen von Ausnehmungen aus einem Ausgangskörper hergestellt werden. Die Kühlstäbe können auf der Grundplatte des Kühlkörpers in einem zweidimensionalen regelmäßigen Muster angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist hierbei ein hexagonales Muster. Es können aber auch andere regelmäßige Anordnungen, beispiels¬ weise mit rechteckigen, quadratischen oder auch schiefwinkli- gen Grundformen oder auch radiale, zentrosymmetrische Anord¬ nungen vorliegen.
Die Kühlstäbe können einen geometrischen Füllfaktor zwischen 15% und 35%, besonders vorteilhaft zwischen 20% und 30% auf- weisen. Dieser räumliche Füllfaktor ist bei einer senkrechten Anordnung der Kühlstäbe zur Grundplatte gleichzeitig der Flä- chenfüllfaktor in einer Schnittebene parallel zur Grundplat¬ te. Bei einem zu hohen Füllfaktor der Kühlstäbe ist die Durchströmung mit Kühlmittel erschwert, bei einem zu niedri¬ gen Füllfaktor ist dagegen die Wärmeübertragung weniger effizient. Es ergibt sich also abhängig von den übrigen Größenverhältnissen, dem Kühlmittel, dem Anströmungsdruck, der zu übertragenden Wärmemenge und der geometrischen Anordnung der Stäbe jeweils ein optimaler geometrischer Füllfaktor, der zu einer optimalen Wärmeübertragung führt. Der Füllfaktor bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung kann dabei ähnlich oder auch etwas höher gewählt werden als bei einer vergleichbaren Kühlvorrichtung mit kreiszylindrischen Kühlstäben. Durch die erfindungsgemäße Formgebung ist die Wärmeübertragung bei ei¬ nem ähnlichen oder etwas höheren Füllfaktor verbessert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier bevorzugter Aus- führungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeich¬ nungen beschrieben, von denen:
Fig. 1 einen schematischen seitlichen Querschnitt einer Kühlvorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 2 eine schematische Aufsicht des Kühlkörpers der in
Fig. 1 dargestellten Kühlvorrichtung zeigt und
Fig. 3 eine schematische Aufsicht des Kühlkörpers einer Kühl- Vorrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt .
In Fig. 1 ist eine Kühlvorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung als schematischer seitlicher Querschnitt dargestellt. Gezeigt ist ein Kühlkörper 3, der eine Grundplatte 5 und eine Mehrzahl darauf angeordneter Kühlstäbe 7 umfasst. Die Grundplatte 5 hat in diesem Beispiel eine rechteckige Grundform, es sind jedoch auch andere Formen wie beispielsweise kreisförmige Grundformen möglich. Die zu entwärmende Wärmequelle 11 ist in diesem Beispiel ein Bauteil der Leistungselektronik, das auf einer Keramikplatine 9 montiert ist. Die Keramikplatine 9 ist wiederum flächig mit einer Seite der Grundplatte 5 verbunden. Somit ist eine gute thermische Ankopplung des zu entwärmenden Bauteils an den Kühlkörper 3 gegeben. Die Keramikplatine 9 kann alternativ auch mit einer Mehrzahl an einzelnen Bauelementen bestückt sein, die alle Wärme erzeugen. Auf der der Wärmequelle 11 ab- gewandten Seite der Grundplatte 5 sind die Kühlstäbe 7 ange¬ ordnet, die ebenfalls mit der Grundplatte 5 thermisch verbun¬ den sind. In diesem Beispiel sind Grundplatte 5 und Kühlstäbe 3 aus demselben Material, nämlich Kupfer gefertigt. Der Kühlkörper 3 ist hier als Ganzes durch Fräsen der freien Zwi- schenräume aus einem gemeinsamen Ausgangswerkstück hergestellt. Die Anzahl der in Fig. 1 gezeigten Kühlstäbe 7 ist hier nur beispielhaft zu verstehen. Typischerweise kann ein Kühlkörper 3 eine wesentlich größere Anzahl an Kühlstäben 7 umfassen, beispielsweise 5 bis 500 Kühlstäbe 7.
Die Kühlvorrichtung 1 ist ausgelegt, einen Abtransport von Wärme von der Wärmequelle 11 über den Kühlkörper 3 an ein die Kühlstäbe 7 umströmendes Kühlmedium zu bewirken. Das Kühlme¬ dium ist im gezeigten Beispiel Wasser, was durch eine hier nicht gezeigte Pumpe als aktive Strömungsquelle durch einen Kühlmittelkanal 17 gepumpt wird, der von den Kühlstäben 7 durchsetzt ist. Der Kühlmittelkanal 17 ist weiterhin durch die Grundplatte 5 des Kühlkörpers 3 sowie durch weitere Be¬ grenzungswände 15 begrenzt. Die Kühlstäbe 7 können dabei ent- weder zur gegenüberliegenden Begrenzungswand 15 reichen oder es kann, wie in Fig. 1 gezeigt, ein kleiner Zwischenraum zwischen den Kühlstäben 7 und der oberen Begrenzungswand 15 verbleiben. Das Kühlmedium, also hier das Kühlwasser, umströmt die Kühlstäbe 7 entlang der übergeordneten Strömungsrichtung 13, die durch die von der Pumpe erzeugte Druckdifferenz über dem Strömungskanal 17 vorgegeben ist. Im gezeigten Beispiel sind die Kühlstäbe 7 alle senkrecht zur Grundplatte 5 des Kühlkörpers 3 angeordnet. Fig. 2 zeigt eine schematische Aufsicht des Kühlkörpers 3 der in Fig. 1 gezeigten Kühlvorrichtung 1. Dargestellt ist die rechteckige Grundplatte 5 des Kühlkörpers 3 sowie die darauf angeordneten Kühlstäbe 7. In diesem ersten Ausführungsbei- spiel weisen alle Kühlstäbe 7 den gleichen tropfenförmigen Querschnitt auf. Sie haben die Form gerader Zylinder mit die¬ ser einheitlichen, stromlinienförmigen Grundform und sind in einem regelmäßigen Muster mit hexagonaler Symmetrie angeord- net. Der Querschnitt der Kühlstäbe weist jeweils auf der der auftreffenden Strömung 13 zugewandten Seite eine abgerundete Form und auf der von dieser Seite abgewandten Seite eine spitz zulaufende Form auf. In diesem Beispiel weist die spitz zulaufende Seite gerade Begrenzungslinien auf. Es sind jedoch auch spitz zulaufende Formen mit gekrümmten Begrenzungslinien möglich, die sowohl konkav als auch konvex gekrümmte Bereiche aufweisen können. Durch die gezeigte einheitliche Ausrichtung der stromlinienförmigen Kühlstäbe 7 relativ zur vorherrschenden Strömungsrichtung 13 wird hier eine Verringerung des Strömungswiderstandes im Kühlmittelkanal 17 erreicht. Dadurch ist bei einem vorgegebenen Einlassdruck des Kühlwassers der Druckabfall im Kühlkanal 17 erniedrigt, und die Wärmeübertra¬ gung auf das Wasser wird bei gleichem angelegtem Druck verbessert .
Die Länge 19 der Querschnittsform der Kühlstäbe 7 ist im ge¬ zeigten Beispiel etwa das l,5fache der Breite 21. Es sind auch noch länglichere stromlinienförmige Querschnittsprofile denkbar, bei denen dieses Verhältnis noch größer ist und die ebenfalls einen niedrigen Strömungswiderstand bewirken kön¬ nen. Für die gezeigte geometrische Anordnung mit einem geo¬ metrischen Füllfaktor von 24% wurde in Simulationen eine Verringerung des Druckverlusts über den Kühlkanal von 14% be¬ rechnet .
Die Größe der Grundfläche des Kühlkörpers 3 kann vorteilhaft im Bereich zwischen 10 und 500 cm2 liegen. Die Höhe der Kühlstäbe 7 kann vorteilhaft zwischen 5 und 15 mm liegen, bei ei¬ ner vorteilhaften Dicke der Grundplatte 5 zwischen 1 und 5 mm. Die seitlichen Abmessungen der Kühlstäbe 7 in der Ebene parallel zur Grundplatte 5 können vorteilhaft zwischen 0,5 mm und 15 mm liegen. Fig. 3 zeigt eine schematische Aufsicht eines entsprechenden Kühlkörpers 3 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Er¬ findung. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Kühlstäbe 7 des Kühlkörpers 3 von Luft als Kühlmedium umströmt. Dabei ist in einem inneren Bereich 23 des Kühlkörpers 3 durch eine dort angeordnete Luftzufuhr ein erhöhter Luftdruck vorhanden. Es entsteht eine von diesem inneren Bereich 23 radial nach außen gerichtete Luftströmung. Dementsprechend sind die Kühlstäbe 7 in diesem Beispiel so ausgerichtet, dass ihre abgerundete Seite dem inneren Bereich 23 zugewandt ist, so dass die von dort entlang der jeweiligen lokalen Strömungsrichtung 14 weg strömende Luft an dieser Anordnung einen verminderten Strömungswiderstand erfährt. Auch in diesem Beispiel führt die stromlinienförmige Ausgestaltung des Querschnitts der Kühl¬ stäbe 7 zu einer verbesserten Strömung des Kühlmittels durch den Kühlkörper 1 und somit insgesamt zu einer besseren Wärmeübertragung .

Claims

Patentansprüche
1. Kühlvorrichtung (1) zum Abtransport von Wärme von einer Wärmequelle (11) über wenigstens einen Kühlkörper (3) an ein Kühlmedium, wobei der Kühlkörper (3) eine an die Wärmequelle (11) thermisch angekoppelte Grundplatte (5) und eine von der Wärmequelle (11) abgewandte erste Oberfläche aufweist, auf der eine Mehrzahl von Kühlstäben (7) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstäbe (7) jeweils eine nicht rotationssymmetrische zylindrische Form mit einem stromlinienförmigen Querschnitt aufweisen.
2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Kühlstäbe (7) jeweils auf einer ersten Seite eine abgerundete Form aufweist und auf einer von der ersten Seite abgewandten Seite eine spitz zulaufende Form aufweist .
3. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da- durch gekennzeichnet, dass die Grundfläche der zylindrischen
Kühlstäbe (7) jeweils eine Länge (19) aufweist, die wenigs¬ tens das l,5fache ihrer Breite (21) beträgt.
4. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungswiderstand der
Kühlstäbe (7) gegenüber einer Anströmung mit dem Kühlmedium parallel zur Grundplatte (5) durch den stromlinienförmigen Querschnitt gegenüber einem kreisförmigen Querschnitt um wenigstens 10% verringert ist.
5. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Strömungsquelle, die eine Anströmung der Kühl¬ stäbe (7) mit Kühlmedium bewirkt, wobei sich im Bereich der Kühlstäbe (7) eine übergeordnete Strömungsrichtung (13) aus- bildet, die zumindest eine Richtungskomponente parallel zur Grundplatte (5) aufweist.
6. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Strömungsrichtung (13) im Bereich der Mehrzahl von Kühlstäben (7) im Wesentlichen einheitlich ist, und dass die stromlinienförmigen Kühlstäbe (7) so ausge- richtet sind, dass der Strömungswiderstand entlang dieser einheitlichen Strömungsrichtung (13) im Wesentlichen minimiert ist.
7. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium im Bereich der einzelnen Kühlstäbe (7) unterschiedliche Strömungsrichtungen (14) ausbildet, und dass jeder Kühlstab (7) so ausgerichtet ist, dass der Strömungswiderstand entlang der dort vorherr¬ schenden lokalen Strömungsrichtung (14) im Wesentlichen mini- miert ist.
8. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Kühlstä¬ be (7) die Form zueinander paralleler, gerader Zylinder auf- weist und senkrecht zur Ebene der Grundplatte (5) angeordnet ist .
9. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Kühlstäbe (7) die Form schiefer Zylinder aufweist und/oder zueinander gewinkelt angeordnet ist.
10. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (11) we- nigstens ein leistungselektronisches Bauelement umfasst.
11. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (5) und/oder die Kühlstäbe (7) des Kühlkörpers (3) ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 15 W/ (m'K) um¬ fasst .
12. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstäbe (7) auf der Grundplatte (5) des Kühlkörpers (3) in einem zweidimensiona¬ len regelmäßigen Muster angeordnet sind.
13. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlstäbe (7) einen ge¬ ometrischen Füllfaktor zwischen 15% und 35% aufweisen.
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