DE102021119213B4 - Helix-Kanal-Kühler-Einheit - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung aufweisend einen Kühlerkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente, wobei der Kühlerkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlerkörpers befinden und ein Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt, wobei auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist; die Helix-Kanalform zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist und durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung aufweisend einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente, wobei der Kühlkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden und ein Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt.
  • Unter einem Medium, im Sinne der Erfindung, wird ein Fluid im physikalischen Sinne verstanden.
  • Unter einer dreidimensionalen helikalen Strömung eines Mediums im Raum, im Sinne der Erfindung, wird eine durch eine dreidimensionale Kanalgeometrie erzwungene helikale Turbulenz als spiralförmige Sekundärströmung, die im Kanal einer Hauptströmungsrichtung überlagert ist, verstanden.
  • Aus dem Stand der Technik sind allgemein zweidimensionale Strömungsschikanen, wie ShowerPower, 3D-ShowerPower der Firma Danfoss Silicon Power bekannt.
  • Der bekannte Stand der Technik in der Flüssigkühlung zeigt eine zweidimensionale Führung des flüssigen Mediums in mäandrierender Form, die durch periodischen Richtungswechsel (Mäanderkanal) in einer Ebene eine Rotation der ansonsten laminaren Stromfäden (Strömung) erzeugt. Die Wirkung der flüssigen Kühlung besteht in der angestrebten Verringerung der im Wesentlichen ruhenden Grenzschicht der Kühlflüssigkeit an der zu kühlenden Berandungsfläche. Parallel zu den Strömungsfäden ist meist einseitig die Wärmezuführung an der Berandungsfläche, beispielsweise einem Leistungshalbleitersubstrat, angeordnet Die Druckschrift DE 10 2005 058 780 A1 offenbart einen Mikrowärmeübertrager sowie die Verwendung desselben als Fluidkühler für elektronische Bauteile mit einer ebenen kammartigen oder rillenartigen Struktur.
  • Die Druckschrift WO 2018/ 134 031 A1 zeigt ein Leistungselektroniksystem und Verfahren zu dessen Herstellung. Dabei ist die Leistungselektronik auf einer ersten Seite einer Grundplatte angeordnet und eine Kühlstruktur einseitig auf der zweiten Seite der Grundplatte angeordnet.
  • Die Druckschrift WO 01/ 63 667 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Abführen von Wärme von erhitzten Elementen, wobei die Vorrichtung umfasst einen Block aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, auf dem die Elemente in thermischem Kontakt angeordnet sind und wobei in dem Block Kanäle vorgesehen sind und eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, gezwungen wird, durch die Kanäle zu fließen. Die Kanäle bestehen aus Rohren mit dünnen Wänden und aus einem Material, das gegenüber der strömenden Flüssigkeit nicht korrosiv ist.
  • Weiter ist aus der Druckschrift US 2016 / 0 313 390 A1 eine thermische Steuereinheit bekannt, die zur Aufrechterhaltung einer Solltemperatur an einer zu prüfenden integrierten Schaltung verwendet wird. Diese verfügt über mindestens eine Kühlplatte, die so konfiguriert ist, dass sie das Testen von integrierten Schaltungen erleichtert, wenn die zu prüfende Vorrichtung eine effiziente Kühlung erfordert.
  • Die Druckschrift WO 2020/ 209 390 A1 offenbart eine Anordnung, die es ermöglicht, die Konzentration von Wärmespannungen in der Nähe eines strömungsbegrenzten Bereichs eines Plattenwärmetauschers zu verringern und Ermüdungsversagen aufgrund dieser Konzentration zu verhindern. Der strömungsvolumenbegrenzte Bereich ist mit Öffnungen versehen, die denen eines Strömungskanals ähneln, um einen Steifigkeitsunterschied zu Strömungskanalbereichen zu verringern.
  • Die Probleme im Stand der Technik sind im Wesentlichen, dass bei der Flüssigkühlung durch eine zweidimensionale Führung des flüssigen Mediums mit einer erzwungenen Richtungsänderung an den in einer Fläche liegenden Mäanderkurven eine Drallströmung erzeugt wird, die aus einer Hauptrichtung und einer Querströmung entsteht. Diese laminaren Stromfäden besitzen eine nur mäßige Eigenschaft der Grenzflächenminimierung für den Wärmeübergang der Berandungsfläche zum flüssigen Medium, da dort keine Komponente in Wandrichtung, zur Zerstörung der Grenzschicht, existiert.
  • Die flächige Mäanderführung der Kanäle führt zwar zur Rotation der Stromfäden, als eine Art helikale Strömung, diese ist jedoch ausschließlich nahezu parallel zu den Kanalwandungen gerichtet. Damit weisen diese Stromfäden die klassischen Strömungsprofile nach Bernoulli auf, die eine ausgeprägte und stabile Grenzschicht an den Rändern/Berandungen aufweisen. Diese Grenzschichten sind strömungsarm bis ruhend und vermindern oder verhindern die Wechselwirkung der Kühlflüssigkeit mit der Wandung.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die nachteiligen, nahezu ruhenden Grenzschichten durch eine weitere erzwungene Richtungsänderung durch weitere Drallströmungen zu vermindern und durch Prallströmungen abzubauen. Die abgebauten Grenzschichten ermöglichen einen deutlich verbesserten Wärmeübergang von der Berandungsfläche in das Medium (die Kühlflüssigkeit). Dazu wird erfindungsgemäß der zweidimensionalen Mäandrierung durch eine x-y-Kanalführung eine weitere Richtungsänderung in z-Richtung aufgezwungen. So entsteht eine weitere Querströmung durch Richtungsänderungen des Mediums und damit eine dreidimensionale echte helikale Strömung im Raum. Diese weitere Strömungskomponente wirkt zusammen mit den zusätzlichen Prallflächen der Strömungsführung reduzierend auf die Grenzflächendicke und Grenzflächenerstreckung und wirkt damit steigernd auf den Wärmeübergang. So wird dann beispielsweise eine verbesserte Kühlung für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen möglich.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einer erfindungsgemäßen Helix-Kanal-Kühler-Einheit.
  • Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung weist auf: einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform (50), zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente,
    wobei
    • - der Kühlkörper (10) die Helix-Kanalform (50) beinhaltet und sich Medienzugang (30) und Medienabgang (31) auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden; und
    • - das Medium über den Medienzugang (30) in die Helix-Kanalform (50) gelangt und diese über den Medienabgang (31) wieder verlässt;
    • - auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers (10) mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist; und
    • - durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird;

    und ist dadurch gekennzeichnet, dass
    die Helix-Kanalform (50) zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist.
    Weiter kann der Kühlkörper quaderförmig ausgebildet sein.
  • Der Kühlkörper kann einteilig oder zweiteilig mit einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale ausgebildet sein.
  • Die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers können unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt werden.
  • Die Verlustleistung erzeugende Komponenten können Halbleiter-Komponenten und / oder Kondensatoren umfassen.
  • Der Kühlkörper kann aus einem Metall, einer Metalllegierung und / oder keramischen Werkstoffen, bevorzugt Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirconiumdioxid, Nickel, Edelstähle, ausgebildet sein.
  • Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die erste Halbschale und die zweite Halbschale funktionell zu einer ersten Kühlkörperhalbschale und einer zweiten Kühlkörperhalbschale erweiterbar ausgebildet sein.
  • Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die Helix-Kanalform durch Ausbildung von Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen der Halbschalen erhalten werden, wobei die Halbschalen die Kanalabschnitte auf verschiedenen Ebenen zwischen den Koordinatenachsen im kartesischen Koordinatensystem aufweisen und die Kanalabschnitte überlappen, so dass ein helikaler Verlauf ausgebildet wird.
  • Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit ist insbesondere für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung konstruiert. Sie weist einen Kühlkörper, einen Medienzugang, einen Medienabgang, eine Helix-Kanalform und zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente auf, wobei der Kühlkörper die Helix-Kanalform beinhaltet und sich Medienzugang und Medienabgang auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden und das Medium über den Medienzugang in die Helix-Kanalform gelangt und diese über den Medienabgang wieder verlässt, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist, die Helix-Kanalform zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist und durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird.
  • Wenn der Kühlkörper quaderförmig ausgebildet ist, so sind insgesamt sechs Flächen vorhanden, welche Funktionen erhalten können. Bis zu zwei Flächen besitzen dabei je einen Flüssigkeitszugang bzw. einen Medienzugang und einen Flüssigkeitsabgang bzw. Medienabgang. Die quaderförmige Ausbildung des Kühlkörpers ist die bevorzugte Variante. Der Kühlkörper kann jedoch auch andere Geometrien aufweisen.
  • Der Kühlkörper kann einteilig oder zweiteilig mit einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale ausgebildet sein. Die einteilige Ausführung weist innenliegende helikale Kanäle auf, wie sie aktuell nur durch einteilige, additive Fertigung hergestellt werden können. Bei dieser Ausführung können an den größeren, gegenüberliegenden Planflächen die Verlustleistung erzeugenden Komponenten aufgebaut werden. Eine zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanalform aufweisend Prallflächen kann beispielsweise durch eine Kanalgeometrie, die durch einfach zu produzierende Senken in Platten hergestellt wird und durch paarweises Aufeinanderlegen den vollständigen Mediumskanal ergeben, ausgebildet werden. Die beiden Platten ergänzen sich kanalseitig zu dem Kühlerkanal und bieten zusätzlich auf ihren beiden Rückseiten eine Fläche für die Montage von den Verlustleistung erzeugenden Komponenten wie beispielsweise leistungselektronischen Komponenten. Die Kanalgestaltung in den beiden Platten kann durch vielfältige Herstellverfahren, wie spanende Bearbeitung, Prägen, Tiefziehen oder additive Metallfertigung vorgenommen werden.
  • Ein Vorteil der einteiligen Variante gegenüber der zweiteiligen ist die Möglichkeit des Ausgleichs von unterschiedlichen Wärmeflüssen bei unterschiedlicher Belastung der Verlustleistung (Wärme) erzeugenden Komponenten.
  • Dementgegen ist die zweiteilige Variante einfacher und kostengünstiger herzustellen. Diese Variante beinhaltet ein neues Verfahren zur Produktion von Flüssigkühlern mit einer Kanalführung im Inneren, da die beiden Halbschalen getrennt voneinander produziert werden und erst nachfolgend zur Ausbildung des Helix-Kühlerkanals aufeinander montiert werden. Der Kühlkörper kann einfach und beidseitig unabhängig mit elektronischen Baugruppen bestückt werden.
  • Die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers können wenigstens teilweise oder vollständig und unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt sein.
  • Dadurch, dass die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt werden können, ist die Helix-Kanal-Kühler-Einheit variabel ausgestaltbar. So ist das System zudem servicefreundlich und Änderungen können relativ einfach vorgenommen werden ohne dass ein Komplettumbau der gesamten Einheit notwendig wird.
  • Die Verlustleistung erzeugenden Komponenten können bevorzugt elektronische Baugruppen, insbesondere Halbleiterkomponenten und / oder Kondensatoren, umfassen.
  • Der Kühlkörper kann vorzugsweise aus einem Metall, einer Metalllegierung und / oder keramischen Werkstoffen, bevorzugt Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirconiumdioxid, Nickel, Edelstähle, ausgebildet sein, so dass eine gute Wärmeleitung gegeben ist und gegebenenfalls korrosionshemmende Werkstoffe zugesetzt sind. Es ist auch eine vorteilhafte Variante, wenn der Bereich der Kanalausprägung aus Aluminium besteht und stofflich verbunden eine wärmespreizende Kupferschicht zwischen dem Aluminiumteil und den Verlustleistung erzeugenden Komponenten eingefügt ist.
  • Dadurch, dass bei einer zweiteiligen Ausführung die erste Halbschale und die zweite Halbschale funktionell zu einer ersten Kühlkörperhalbschale und einer zweiten Kühlkörperhalbschale erweiterbar sind, werden am Kühlkörper zusätzliche Wärmekontaktflächen für weitere Verlustleistung erzeugenden Komponenten geschaffen. So können neben beispielsweise Halbleiterkomponenten auf Grund- und Deckfläche auf zwei Seitenflächen Kondensatoren oder auch andere Bauteile montiert werden.
  • Bei einer zweiteiligen Ausführung kann die Helix-Kanalform durch Ausbildung von Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen der Halbschalen erhalten werden, wobei die Halbschalen die Kanalabschnitte auf verschiedenen Ebenen zwischen den Koordinatenachsen im kartesischen Koordinatensystem aufweisen und die Kanalabschnitte überlappen, so dass ein helikaler Verlauf ausgebildet wird.
  • Es wird über die Möglichkeit des Aufbaus über zwei Halbschalen ein einfaches, servicefreundliches, sicheres und relativ kostengünstig herstellbares Flüssigkühlersystem, nämlich die erfindungsgemäße Helix-Kanal-Kühler-Einheit, bereitgestellt, mit dem auch eine unabhängige Montage von elektronischen Baugruppen auf Kühlkörpern vorgenommen werden kann.
  • Durch die in der Helix-Kanal-Kühler-Einheit vorliegende Helix-Kanalform wird das Medium in helikaler Form, also als rotierende, wandernde Stromfäden, dreidimensional durch den Kanal geführt, wobei durch multiple Wandkontakte turbulente Wärmeübergänge ermöglicht werden, was einen deutlich verbesserten Wärmeübergang von der Berandungsfläche in die Kühlflüssigkeit bewirkt. Die nachteiligen, nahezu ruhenden Grenzschichten werden hierbei durch die dreidimensionalen erzwungenen Richtungsänderungen durch weitere Drallströmungen vermindert und durch Prallströmungen abgebaut. Dazu wird erfindungsgemäß der zweidimensionalen Mäandrierung durch x-y-Kanalführung eine weitere Richtungsänderung in z-Richtung aufgezwungen. Dadurch entsteht eine weitere Querströmung durch Richtungsänderung und damit eine dreidimensionale echte helikale Strömung. Diese weitere Strömungskomponente wirkt zusammen mit den zusätzlichen Prallflächen der Strömungsführung reduzierend auf die Grenzflächendicke und Grenzflächenerstreckung und damit steigernd auf den Wärmeübergang.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht zwingend beschränkend zu werten sind:
  • Es zeigen:
    • beispielhaft eine zweiteilige Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen in perspektivischer Darstellung;
    • beispielhaft eine zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen aus in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild);
    • beispielhaft eine zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit aus in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild), wobei die Strömungsvektoren der Helix dargestellt sind;
    • beispielhaft einen Kanalbereich der Strömungsvektoren aus mit perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild) ohne Helix-Kanalform;
    • beispielhafte Kanalgestaltung einer zerlegten, zweiteiligen Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen sowie resultierende mittlere Strömungsvektoren in Durchsicht-Darstellung;
    • beispielhafte gruppierte und verbundene Kanalanordnung einer zerlegten, zweiteiligen Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen sowie resultierende Strömungsvektoren in Durchsicht-Darstellung;
    • eine beispielhafte zweiteilige Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen mit beidseitigem Aufbau der leistungselektronischen Halbleiter-Baugruppen auf dem Kühlkörper, in Schnittdarstellung;
    • eine beispielhafte zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen nach , wobei die Halbschalen zu funktionell erweiterten Kühlkörper-Halbschalen ausgebildet sind, in Schnittdarstellung.
  • zeigt beispielhaft eine zweiteilige Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen in perspektivischer Darstellung. Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 besteht aus einem metallischen Kühlkörper 10 aufgebaut aus aufeinanderliegend einer ersten Halbschale 11 und einer zweiten Halbschale 12 sowie oberhalb der ersten Halbschale 11 Halbleitkomponenten 40 mit Leistungshalbleitern 20. Das Medium wird der Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 durch einen Medienzugang 30 in der zweiten Halbschale 12 des Kühlkörpers 10 zugeführt und verlässt die Helix-Kanal-Kühler-Einheit über einen Medienabgang 31 in der zweiten Halbschale 12. Der metallische Kühlkörper 10 besteht aus einem vorzugsweise gut wärmeleitenden Material. Die Halbschalen sind plattenförmig ausgebildet. Die Verlustleistung erzeugende Komponente (Wärmequelle), hier die Leistungshalbleiter 20, sind in diesem Beispiel einseitig aufgebaut.
  • In wird in einer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild) gezeigt. Nach Medienzufuhr durch den Medienzugang 30 durchfließt das Medium eine Helix-Kanalform 50 bestehend aus mehreren Kanalabschnitten, welche in Kombination eine Helix ausbilden, bevor es durch den Medienabgang 31 wieder austritt. Durch diese Helix-Kanalform 50 wird eine optimierte 3-dimensionale Medienführung bewirkt. In der Abbildung ist die Helix-Kanalform 50 mit Prallflächen für das Medium ausgestaltet. Die Helix-Kanalform 50 wird in der Abbildung beispielsweise durch einfach zu produzierende Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen erhalten. Die erste Halbschale 11 trägt die Kanalabschnitte in z-x-Richtung und die zweite Halbschale 12 die Kanalabschnitte in z-y-Richtung. Ein z-x-Abschnitt ist überlappend mit einem z-y-Abschnitt. Durch die fortgesetzte und abwechselnde Überlappung ist ein helikaler Verlauf für den Flüssigkeitstransport gewährleistet. Die beiden Halbschalen ergänzen sich kanalseitig zu der Helix-Kanalform 50 und bieten zusätzlich auf ihren beiden Rückseiten eine Fläche für die Montage von wärmeabgebenden Komponenten, wie Leistungshalbleitern 20, die gemäß der Abbildung einseitig montiert sind, oder auch anderen leistungselektronischen Komponenten wie Kondensatoren.
  • Die Überlappung ist derart gewählt, dass im Beispiel ein zur zentralen Strömungsrichtung senkrechter Kanalquerschnitt stets konstant bleibt (beispielsweise 6 mm2). Weiter sind hier auch Querschnitte von 1 mm2 bis mehr als 100 mm2 denkbar; dies ist von der Kühlaufgabe und dem erlaubten Druckabfall in den Kanälen abhängig und wird kann aufgabenspezifisch angepasst werden. An der Seite der Verlustleistung erzeugenden Komponente ist die Wandstärke des Kühlers bis zu der Kanalinnenoberfläche (Wärmeübergangszone) in dem Beispiel nicht dicker (stärker) als 5 mm.
  • Diese geometrischen Varianten lassen sich auf weitere mehrteilige Kühlkörper mit demselben Grundprinzip anwenden.
  • zeigt die extrahierten, mittleren Strömungsvektoren der zweiteiligen Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit aus in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild), wobei die Strömungsvektoren 60 der Helix dargestellt sind.
  • In wird ein Kanalbereich der extrahierten, mittleren Strömungsvektoren 60 aus ohne gezeichnete Helix-Kanalform dargestellt.
  • zeigt beispielhaft eine mögliche Gestaltung einer Helix-Kanalform 50 in einem Kühlkörper 10. In der Abbildung befinden sich links eine Draufsicht der Kanalabschnitte in z-x-Richtung 70 der zweiten Halbschale 12 mit Medienzugang 30 und Medienabgang 31 und in der Mitte eine Draufsicht der Kanalabschnitte in z-y-Richtung 71 der ersten Halbschale 11. Rechts sind die resultierenden (symbolischen) mittleren Strömungsvektoren 60 in der Helix-Kanalform 50 im Kühlkörper 10 bestehend aus den beiden Halbschalen in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild) dargestellt. Die erzeugte Kanaltiefe beträgt in diesem Beispiel mindestens die Kanalbreite.
  • Die Kanalabschnitte können durch vielfältige, auch kombinierte Herstellungsverfahren erfolgen, wie spanende Bearbeitung, Prägen, Tiefziehen oder additive Metallfertigung.
  • Der Kühlkörper 10 besteht aus mindestens einem, vorzugsweise gut wärmeleitenden Metall, wie Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen oder dergleichen. Korrosionshemmende Werkstoffe wieder Edelstahl sind dabei vorteilhaft für den Einsatz in einem Medien-/Flüssigkühler. Eine weitere vorteilhafte Variante besteht in einer Kanalausprägung aus Aluminium und einer stofflich verbunden wärmespreizenden Einfügung einer Kupferschicht zwischen dem Aluminiumteil und den Verlustleistung erzeugenden Komponenten.
  • Zusätzlich besteht die Möglichkeit an den schmalen Seiten der Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 beziehungsweise seiner Halbschalen Wärmekontaktflächen für weitere Verlustleistung erzeugende Komponenten vorzusehen.
  • In wird beispielhaft eine mögliche Gestaltung einer gruppierten und verbundenen Kanalanordnung einer Helix-Kanalform 50 eines Kühlkörpers 10 als Bestandteil einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 aufgezeigt. In der Abbildung befinden sich links eine Draufsicht der Kanalabschnitte in z-x-Richtung 70 der zweiten Halbschale 12 mit Medienzugang 30 und Medienabgang 31 und in der Mitte eine Draufsicht der Kanalabschnitte in z-y-Richtung 71 der ersten Halbschale 11. Im Unterschied zu sind hier die Kanalabschnitte jeweils in mehreren Kanalzügen aneinandergereiht. In der Mitte sind serielle Verbindungen der einzelnen Kanalzüge untereinander vorgesehen. Dies wird deutlich durch die zum Teil vergrößerten Kanalabschnitte in z-y-Richtung 71 der ersten Halbschale 11. Rechts sind die resultierenden (symbolischen) mittleren Strömungsvektoren 60 in der Helix-Kanalform 50 im Kühlkörper 10 bestehend aus den beiden Halbschalen in perspektivischer Durchsicht-Darstellung (Röntgenbild) dargestellt.
  • Die dargestellte Verkettung und Anreihung mehrerer Kanalzüge ist besonders geeignet, um eine flächige Anordnung von Wärme erzeugenden Komponenten gleichmäßig zu kühlen. Dabei ist eine serielle Verbindung der Kanalzüge wie beispielhaft dargestellt vorteilhaft ausführbar zur Verringerung von Temperaturgefällen. Eine weitere Möglichkeit bietet hier eine parallele Durchströmung einzelner Kanalzüge. In einer weiteren Variante ist auch die Platzierung des Medienzuganges 30 und die des Medienabganges 31 auf der gleichen Körperseite, statt auf unterschiedlichen oder gegenüberliegenden Seiten, möglich.
  • zeigt eine beispielhafte zweiteilige Ausführungsform einer Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen mit beidseitigem Aufbau der leistungselektronischen Halbleiter-Baugruppen auf dem Kühlkörper 10 in Schnittdarstellung. Die Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 besteht aus einem Kühlkörper 10 aufweisend eine erste Halbschale 11 und eine zweite Halbschale 12 angeordnet unterhalb der ersten Halbschale 11, wobei in der ersten Halbschale 11 der Medienzugang 30 und der Medienabgang 31 an den gegenüberliegenden Enden der Halbschale liegen. Medienzugang 30 und Medienabgang 31 sind durch eine Helix-Kanalform 50 miteinander verbunden. Auf den nach außen gerichteten Oberflächen der ersten Halbschale 11 und der zweiten Halbschale 12 sind jeweils Halbleiterkomponenten 40 mit Leistungshalbleitern 20 als Beispiel für Verlustleistung erzeugende Komponenten montiert. Diese Verlustleistung erzeugenden Komponenten sind dabei vorzugsweise stofflich an das Kühlermetall der Halbschalen angebunden, beispielsweise durch Löten oder Niedertemperatur-Sintern.
  • stellt beispielhafte zweiteilige Ausführungsform der Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 für leistungselektronische Halbleiter-Baugruppen nach in Schnittdarstellung dar, wobei die erste Halbschale 11 und die zweite Halbschale 12 zu der ersten Kühlkörper-Halbschale 90 und der zweiten Kühlkörper-Halbschale 91 funktionell erweitert werden.
  • In der Abbildung sind zusätzlich zu den Komponenten in zwei Kondensatoren, nämlich ein erster Kondensator 80 und ein zweiter Kondensator 81, abgebildet. Die beiden Kondensatoren sind jeweils neben dem Medienzugang 30 und dem Medienabgang 31 der Stirnflächen des Kühlkörpers 10 installiert. So steht die Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 in thermischen Kontakt mit in diesem Beispiel den Kondensatoren des leistungselektronischen Systems und die die erste Halbschale 11 und die zweite Halbschale 12 werden so zu der ersten Kühlkörper-Halbschale 90 und der zweiten Kühlkörper-Halbschale 91 funktionell erweitert. Gemäß Abbildung ist der erste Kondensator 80 dabei teilintegriert in die Kühlkörper-Halbschalen und der zweite Kondensator 81 ist exemplarisch voll-integriert in die Kühlkörper-Halbschalen. Prinzipiell ist eine derartige Kontaktierung von zu kühlenden Bauteilen nicht auf Halbleiter-Komponenten beschränkt.
  • Das quaderförmige Volumen der zweiteiligen Helix-Kanal-Kühler-Einheit 1 besitzt insgesamt bis zu sechs Flächen, die Funktionen erhalten können: Bis zu zwei Flächen besitzen dabei je einen Medienzugang 30 und einen Medienabgang 31.
  • Neben der in den Abbildungen aufgezeigten zweiteiligen Ausführungsform ist auch eine einteilige Ausführungsform möglich. Die einteilige Ausführungsform weist innenliegende helikale Kanäle derartig auf, wie sie nur durch einteilige, additive Fertigung hergestellt werden können. Auch in dieser Ausführung können an den größeren, gegenüberliegenden Planflächen die Verlustleistung erzeugenden Komponente aufgebaut werden. Der zusätzliche Vorteil der einteiligen Variante gegenüber der zweiteiligen Variante ist die Möglichkeit des Ausgleichs von unterschiedlichen Wärmeflüssen bei unterschiedlicher Belastung der Wärme (Verlustleistung) erzeugenden Komponenten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Helix-Kanal-Kühler-Einheit
    10
    Kühlkörper
    11
    erste Halbschale
    12
    zweite Halbschale
    20
    Leistungshalbleiter
    30
    Medienzugang
    31
    Medienabgang
    40
    Halbleiterkomponenten
    50
    Helix-Kanalform
    60
    Strömungsvektoren
    70
    Kanalabschnitte in z-x-Richtung
    71
    Kanalabschnitte in z-y-Richtung
    80
    erster Kondensator
    81
    zweiter Kondensator
    90
    erste Kühlkörperhalbschale
    91
    zweite Kühlkörperhalbschale

Claims (8)

  1. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) für elektronische Baugruppen mit dreidimensionaler Kanalführung aufweisend - einen Kühlkörper (10); - einen Medienzugang (30); - einen Medienabgang (31); - eine Helix-Kanalform (50); - zumindest eine Verlustleistung erzeugende Komponente; wobei - der Kühlkörper (10) die Helix-Kanalform (50) beinhaltet und sich Medienzugang (30) und Medienabgang (31) auf der Oberfläche des Kühlkörpers befinden; und - ein Medium über den Medienzugang (30) in die Helix-Kanalform (50) gelangt und diese über den Medienabgang (31) wieder verlässt; - auf mindestens einer Oberfläche des Kühlkörpers (10) mindestens eine Verlustleistung erzeugende Komponente montiert ist; und - durch die dreidimensionale Kanalführung eine erzwungene helikale Strömungsbewegung des Mediums und somit ein besserer Wärmeübergang entlang der Kanalwände erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - die Helix-Kanalform (50) zu einer Helix kombinierte Kanalabschnitte aufweist.
  2. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) quaderförmig ausgebildet ist.
  3. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) - einteilig oder - zweiteilig mit einer ersten Halbschale (11) und einer zweiten Halbschale (12) ausgebildet ist.
  4. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Oberflächen des Kühlkörpers (10) wenigstens teilweise oder vollständig und unabhängig voneinander mit Verlustleistung erzeugenden Komponenten bestückt sind.
  5. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verlustleistung erzeugende Komponenten Halbleiter-Komponenten (40) und / oder Kondensatoren umfassen.
  6. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (10) aus einem Metall, einer Metalllegierung und / oder keramischen Werkstoffen, bevorzugt Kupfer-Legierungen, Aluminium-Legierungen, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Zirconiumdioxid, Nickel, Edelstähle, ausgebildet ist.
  7. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zweiteiligen Ausführung die erste Halbschale (11) und die zweite Halbschale (12) funktionell zu einer ersten Kühlkörperhalbschale (90) und einer zweiten Kühlkörperhalbschale (91) erweiterbar sind.
  8. Helix-Kanal-Kühler-Einheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zweiteiligen Ausführung die Helix-Kanalform (50) durch Ausbildung von Senken in den Halbschalen mit nachfolgendem paarweisem Aufeinanderlegen der Halbschalen erhalten wird, wobei die Halbschalen die Kanalabschnitte auf verschiedenen Ebenen zwischen den Koordinatenachsen im kartesischen Koordinatensystem aufweisen und die Kanalabschnitte überlappen, so dass ein helikaler Verlauf ausgebildet ist.
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