DE4017749A1 - Fluessigkeitskuehlkoerper aus elektrisch isolierendem material - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Flüssigkeitskühl­ körper zur Kühlung eines elektrischen Bauelementes, ins­ besondere eines Halbleiterbauelementes, das den Kühlkör­ per thermisch gut leitend kontaktiert, wobei der Kühl­ körper mindestens einen mit Anschlußstutzen versehenen Kühlkanal aufweist, und wobei der Kühlkörper aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Werkstoff in massiver Weise aufgebaut ist.

Ein solcher Flüssigkeitskühlkörper aus elektrisch iso­ lierendem Material wird in der Hauptanmeldung P 39 08 996.7 vorgeschlagen.

Bei dem in der Hauptanmeldung vorgeschlagenen Flüssig­ keitskühlkörper kann vorteilhaft nichtentionisiertes Wasser zur Kühlung von Bauteilen der Leistungselektronik verwendet werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei diesem Flüssigkeitskühlkörper ein relativ hoher Druckverlust auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssig­ keitskühlkörper aus elektrisch isolierendem Material der eingangs genannten Art anzugeben, der einen geringen Strömungswiderstand bei gleichzeitig hohem Wärmeübertra­ gungsvermögen aufweist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Innenraum des Kühlkörpers senkrecht zu beiden Böden orientierte, von Boden zu Boden reichende, mit jeweils mindestens einem Boden stoffschlüssig verbundene, im Strömungsweg des Kühlmittels befindliche Zapfen angeord­ net sind.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß beim vorgeschlagenen Flüssigkeits­ kühlkörper nur ein geringer Druckverlust auftritt. Die wärmeübertragende innere Oberfläche des Flüssigkeits­ kühlkörpers ist - zumindestens bei quadratischer oder rautenförmiger Ausbildung der Zapfen - nach Art eines Waffelmusters ausgebildet, was an sich bei Kühldosen aus Metall bereits bekannt ist (DE 26 40 000 C2). Die be­ kannte Kühldose benötigt jedoch ein isolierendes Kühl­ mittel, vorzugsweise Transformatorenöl, während beim vorgeschlagenen Kühlkörper vorzugsweise nichtentioni­ siertes Wasser als Kühlmittel verwendet wird. Die für die elektrische Isolation erforderlichen Luft- und Kriechstrecken zwischen dem zu kühlenden potentialbehaf­ teten Halbleiterbauelement und den metallischen, exter­ nen Kühlmittelanschlüssen werden durch entsprechend lang ausgebildete thermische Anschlußstutzen des Kühlkörpers gewährleistet, welche ebenfalls aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff bestehen und stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbunden sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Kühlkörper,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Kühlkörpers,

Fig. 3, 4 Varianten bei der Ausbildung der Zapfen,

Fig. 5, 6 Varianten bei der Ausbildung der Kühlkörper­ hälften.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Kühlkörper darge­ stellt. Es handelt sich um einen Kühlkörper 1 aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Werkstoff, vorzugsweise aus einem elektrisch isolieren­ den und thermisch gut leitenden keramischen Werkstoff, beispielsweise aus Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid. Alternativ kann der Kühlkörper 1 auch aus einem elek­ trisch isolierenden und thermisch gut leitenden Kunst­ stoff bestehen. Die Kühlkanäle 2 im Inneren des massi­ ven, in Form einer Kühldose ausgebildeten Kühlkörpers 1 weisen eine waffelmusterförmige Struktur auf, was den Strömungswiderstand erheblich reduziert und gleichzeitig ein sehr gutes Wärmeübertragungsverhalten gewährleistet.

Dabei sind eine Vielzahl parallel zueinander verlaufen­ der und aufeinander senkrecht stehender oder sich mit stumpfem oder spitzem Winkel schneidender Kühlkanäle 2 vorgesehen, die jeweils durch massive, mit mindestens einem Boden des Kühlkörpers verbundene Zapfen voneinan­ der getrennt werden. Diese Zapfen sind senkrecht zu bei­ den Böden des Kühlkörpers orientiert, reichen von Boden zu Boden und sind beispielsweise im Querschnitt quadra­ tisch (wie in Fig. 1 gezeigt: Ziffer 15) oder rauten­ förmig (wie in Fig. 3 gezeigt: Ziffer 16) oder kreis­ rund (siehe Fig. 4: Ziffer 17) oder oval und vergrößern die wärmeübertragende Oberfläche im Innenraum des Kühl­ körpers beträchtlich.

Die Kühlkanäle 2 münden zumindest teilweise in zwei sich gegenüberliegenden Enden 3 bzw. 4, die mit Anschlußstut­ zen 5 bzw. 6 für die externe Kühlmittelzu- und -abfuhr versehen sind. Dabei erfolgt die Kühlmittelzu- und -ab­ fuhr von bzw. nach derselben Seite bezüglich des Kühl­ körpers, d. h. nach oben oder unten oder nach der rechten oder linken Seite, so daß die drei anderen Seiten eines mindestens einen Kühlkörper und ein Halbleiterbauelement enthaltenden Spannverbandes für elektrische Anschlüsse an die mit dem Kühlkörper thermisch zu kontaktierenden Halbleiterbauelemente zur Verfügung stehen.

Diese spezielle Anschlußkonfiguration wird erzielt, in­ dem beide Anschlußstutzen 5, 6 jeweils rechtwinklig abge­ bogen sind, so daß ihre dem Kühlkörper abgewandten, zum externen Anschluß geeigneten Endstücke parallel verlau­ fen und zur gleichen Seite weisen. Diese Endstücke der Anschlußstutzen 5 bzw. 6 sind über angeklebte oder ange­ lötete Metallbälge oder metallische Wellrohre 7 bzw. 8 mit einer metallischen Montageplatte 11 verbunden, die ihrerseits an eine externe Kühlmittelversorgung an­ schließbar ist. Die ringförmig um die Endstücke der An­ schlußstutzen 5 bzw. 6 verlaufenden Löt- oder Klebestel­ len sind mit Ziffer 9 bzw. 10 bezeichnet.

Die Wellrohre 7, 8 sind vorzugsweise mit der Montage­ platte 11 verlötet und gewährleisten vorteilhaft einer­ seits den Ausgleich von Fertigungstoleranzen und ande­ rerseits eine Beweglichkeit bei der Montage von mehreren Kühlkörpern und Halbleiterbauelementen in einem Spann­ verband. Zur Verbindung zwischen Montageplatte 11 und externer Kühlmittelversorgung sind Montagebohrungen 12 in der Montageplatte 11 vorgesehen (Schraubverbindun­ gen). Nuten 13 in der Montageplatten 11 dienen zur Auf­ nahme von O-Ringen aus Gummi oder geeigneten Kunststof­ fen, die eine Abdichtung zwischen der Montageplatte und der externen Kühlmittelversorgung gewährleistet.

Als Kühlmittel gelangt vorzugsweise nichtentionisiertes Wasser zur Anwendung. Die Länge der ebenfalls aus einem elektrisch gut isolierenden Werkstoff bestehenden und stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbundenen Anschluß­ stutzen 5, 6 ist so bemessen, daß die für die elektri­ sche Isolation erforderlichen Luft- und Kriechstrecken zwischen dem zu kühlenden Halbleiterbauelement und den metallischen Wellrohren 7, 8 eingehalten werden. Das gegen den Kühlkörper 1 mit vorgebbarer Kraft zu pressen­ de Halbleiterbauelement ist gestrichelt angedeutet.

In Fig. 2 ist eine Seitenansicht des Kühlkörpers darge­ stellt. Insbesondere ist der Anschlußstutzen 5 des Kühl­ körpers 1 zu erkennen. Der Metallbalg 7 ist einerseits an der Löt- oder Klebstelle 9 mit dem Endstück des An­ schlußstutzens 5 und andererseits mit der metallischen Montageplatte 11 verbunden. Gegen beide Böden des Kühl­ körpers 1 sind gestrichelt angedeutete Halbleiterbauele­ mente 14, 14′ eines Spannverbandes gepreßt.

In den Fig. 3 und 4 sind Varianten bei der Ausbildung der Zapfen dargestellt. In Fig. 3 sind im Querschnitt rautenförmige Zapfen 16 gezeigt, deren eine Diagonale ihres Querschnitts parallel zur durch Kühlmittelzu- und -abfuhr vorgegebenen Strömungsrichtung verläuft. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Gleiches gilt auch für die quadratischen Zapfen 15 gemäß Fig. 1. In Fig. 4 sind im Querschnitt kreisrunde Zapfen 17 vorgesehen, wobei die Zapfen be­ nachbarter Zapfenreihen jeweils versetzt angeordnet sind, d. h. bezüglich der Strömungsrichtung des Kühlmit­ tels folgt auf einen Zapfen eine Lacke zwischen zwei Zapfen. Letzteres gilt auch für die Zapfenreihen der Fig. 1 und 3. Als Abwandlung der kreisrunden Zapfen 17 ist auch eine im Querschnitt ovale Ausbildung der Zapfen möglich.

In den Fig. 5 und 6 sind Varianten bei der Ausbildung der Kühlkörperhälften dargestellt. Gemäß Fig. 5 besteht der Kühlkörper 1 aus zwei bezüglich der parallel zu den Böden verlaufenden Ebene spiegelsymmetrisch aufgebauten Kühlkörperhälften 18 und 19. Die mit der Kühlkörperhälf­ te 18 stoffschlüssig verbundenen Zapfen 15a stützen sich gegen die mit der Kühlkörperhälfte 19 stoffschlüssig verbundenen Zapfen 15b ab. Die zwischen den Zapfen ver­ laufenden Kühlkanäle 2 sind zu erkennen.

Gemäß Fig. 6 besteht der Kühlkörper aus zwei bezüglich der parallel zu den Böden verlaufenden Spiegelebene un­ symmetrisch aufgebauten Kühlkörperhälften 20 und 21. Die mit dem Boden der Kühlkörperhälfte 20 stoffschlüssig verbundenen Zapfen 15c stützen sich gegen den Boden der weiteren Kühlkörperhälfte 21 ab.

Allgemein ist zur Herstellung des Flüssigkeitskühlkör­ pers zu bemerken, daß in einem ersten Schritt die beiden Kühlkörperhälften zusammen mit den Anschlußstutzenhälf­ ten hergestellt werden und daß diese beiden Hälften bei Verwendung von keramischen Werkstoffen in einem zweiten Schritt im Grünzustand zusammengesetzt und anschließend gesintert werden.

Claims (11)

1. Flüssigkeitskühlkörper zur Kühlung eines elek­ trischen Bauelementes, insbesondere eines Halbleiterbau­ elementes, das den Kühlkörper thermisch gut leitend kon­ taktiert, wobei der Kühlkörper mindestens einen mit An­ schlußstutzen versehenen Kühlkanal aufweist, und wobei der Kühlkörper aus einem elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Werkstoff in massiver Weise auf­ gebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Kühlkörpers (1) senkrecht zu beiden Böden orientierte, von Boden zu Boden reichende, mit jeweils mindestens ei­ nem Boden stoffschlüssig verbundene, im Strömungsweg des Kühlmittels befindliche Zapfen (15, 16, 17, 15a, 15b, 15c) angeordnet sind.

2. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (15) im Querschnitt qua­ dratisch ausgebildet sind, wobei eine Diagonale ihres Querschnitts parallel zur Strömungsrichtung des Kühlmit­ tels verläuft.

3. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (16) im Querschnitt rau­ tenförmig ausgebildet sind, wobei eine Diagonale ihres Querschnitts parallel zur Strömungsrichtung des Kühlmit­ tels verläuft.

4. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen (17) im Querschnitt kreisrund ausgebildet sind.

5. Flüssigkeitskühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zapfen im Querschnitt oval aus­ gebildet sind.

6. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) aus zwei bezüglich der parallel zu den Böden verlaufen­ den Ebene spiegelsymmetrisch aufgebauten Kühlkörperhälf­ ten (18, 19) besteht, wobei die Zapfen (15a, 15b) sich aufeinander abstützen.

7. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) aus zwei bezüglich der parallel zu den Böden verlaufen­ den Spiegelebene unsymmetrisch aufgebauten Kühlkörper­ hälften (20, 21) besteht, wobei jeweils ein Zapfen (15c) stoffschlüssig mit dem Boden der einen Kühlkörperhälfte (20) verbunden ist und sich gegen den Boden der weiteren Kühlkörperhälfte abstützt.

8. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1) zwei sich gegenüberliegende, stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbundene Anschlußstutzen (5, 6) für Kühlmit­ telzu- und -abfuhr aufweist, deren zum externen Anschluß geeignete Endstücke derart rechtwinklig abgebogen sind, daß sie parallel verlaufen und zur gleichen Seite wei­ sen.

9. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus Aluminiumnitrid besteht.

10. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus Berylliumoxid besteht.

11. Flüssigkeitskühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus Kunststoff besteht.