DE4131739C2 - Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für elektri­ sche Bauelemente, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der DE 39 08 996 A1 ist ein flüssigkeitsdurchströmter Kühlkör­ per für Halbleiterbauelemente bekannt, der Kühlkanäle enthält, die sich mäanderförmig von einem Zulaufanschluß zu einem Ablaufan­ schluß erstrecken. Der Kühlkörper hat die Form eines Quaders und besteht aus Kunststoff oder Keramik. Trotz des mäanderförmigen Verlaufs der Kühlkanäle ist die von der Kühlflüssigkeit berührte Oberfläche begrenzt und auch die vorgeschlagenen Werkstoffe (Kunststoff oder Keramik) ermöglichen lediglich eine begrenzte Wärmeabfuhr.

Aus der DE 39 37 130 A1 ist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von elektrischen Bauelementen bekannt, bei der eine innere Kühldose aus Metall mit einer Vielzahl paralleler Fluidkanäle versehen ist, die sich zwischen einem Kühlmittelzulauf und einem Kühlmittelab­ lauf erstrecken. Die innere Kühldose befindet sich unter Zwischen­ fügung eines Isoliermantels in einer äußeren Dose, auf deren Ober­ fläche die elektrischen Bauelemente zwecks Wärmeabgabe zur Anlage gebracht werden. Bei der bekannten Kühldose ist zwar die vom Kühl­ fluid beaufschlagte Oberfläche größer als bei den mäanderförmigen Kanälen; dieser Vorteil wird jedoch durch die Isolierschicht zwi­ schen innerer und äußerer Kühldose zumindest teilweise kompen­ siert. Aus herstellungstechnischen Gründen müssen die Rippen zwi­ schen den Kanälen eine bestimmte Dicke besitzen und außerdem nimmt bei zunehmender Rippenzahl die Querschnittsfläche für den Kühlwas­ serdurchfluß ab, was eine Erhöhung des Druckabfalls zur Folge hat.

In der DE 31 33 485 A1 ist eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente beschrieben, mit zumindest einem flüssigkeitsdurchströmten flachen Hohlraum sowie Zulauf- und Ablaufanschlüssen. Der Hohlraum ist zwischen zwei im wesentlichen plattenförmigen Bauteilen gebildet, die aus Metall bestehen. Dabei sind die Kühlkanäle zwischen Längsrippen gebildet, die sich nahezu über die gesamte Länge des Hohlraumes erstrecken. Die Kühlkanäle zwischen den Längsrippen können in Form von eingefrästen Nuten ausgeführt sein oder in Form von profilgewälzten Blechen.

In dem DE 88 04 742 U1 ist ein von einer Flüssigkeit durchströmtes Rohr beschrieben, in dem ein Füllstück angeordnet ist. Dieses Füllstück kann als Federstück ausgeführt sein, das eine Wellenform besitzt, wobei mehrere dieser Federstücke hintereinander und um einen Umdrehungswinkel versetzt angeordnet sind.

Aus der DE 35 04 207 A1 ist ein Luft/Luft/Wärmetauscher für Elek­ tronikschränke bekannt, bei dem zur Erzeugung einer möglichst großen Wärmeübertragungsfläche ein Faltflächenprofil vorgesehen ist, das von dem Kühlluftstrom beaufschlagt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente der im Oberbegriff des Anspruchs 1 an­ gegebenen Art zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und eine große Wärmeübertragungsleistung gestattet. Diese Aufgabe wird bei einer Kühleinrichtung der genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die wesentlichen Vorteile der er­ findungsgemäßen Kühleinrichtung sind insbesondere darin zu sehen, daß diese aus einfach gestalteten und leicht herstellbaren Teilen besteht, und daß bei einer großen Wärmeübertragungsfläche ein äu­ ßerst geringer Druckverlust in der Kühleinrichtung auftritt. Dadurch, daß die Einlage quer zur Durchströmungsrichtung eine Vielzahl von Wellen aufweist, die sich in Durchströmungsrichtung lediglich über eine Teilstrecke der Länge des Hohlraums erstrecken, und mehrere Reihen solcher Wellen hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei jeweils nachfolgende Reihen gegenüber der vorhergehenden Reihe seitlich versetzt angeordnet sind, wird, ohne zusätzlichen Materialeinsatz und bei Aufrechterhaltung des freien Durchtrittsquerschnitts für die Kühlflüssigkeit, eine intensive Verwirbelung der Kühlflüssigkeit erzeugt. Diese Turbulenzen verhindern laminare Strömungen und gewährleisten so einen effizienten Wärmeübergang von dem metallischen Bauteil auf die Kühlflüssigkeit. Die geringe Länge der Teilstrecken, nämlich im Bereich von etwa 2 mm bis 5 mm, führt zu einer Vielzahl von Verwirbelungsstellen zur Turbulenzerzeugung.

Um den Wärmefluß von dem metallischen Bauteil auf die Einlage zu erhöhen ist es zweckmäßig, daß die Wellen etwa rechteckförmig oder trapezförmig ausgebildet sind. Dadurch wird die Anlagefläche der Einlage an dem metallischen Bauteil vergrößert. Zur optimalen Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche in dem Hohlraum sind die Reihen der Wellen unmittelbar aufeinanderfolgend ohne Abstand angeordnet.

Es ist außerdem von Vorteil, daß die Einlage einstückig ist und aus einem Aluminiumblech besteht, das in guter wärmeleitender Ver­ bindung mit dem metallischen Bauteil steht. Das Aluminiumblech be­ sitzt vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,15 mm. Diese Maßnahme gewährleistet, daß der Druckabfall äußerst gering gehalten wird. Zur guten Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Hohlraums sollte die Einlage sich über mehr als 90% der Fläche des Hohlraums erstrecken. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante ist der Hohlraum durch eine Aussparung in einem der Bauteile ge­ bildet und das andere Bauteil ist als ebene Platte ausgeführt, welche die Aussparung abdeckt. Zur Standardisierung der Bauteile besteht eine zweite Ausführungsvariante darin, daß beide Bauteile etwa gleich dick sind und jedes dieser Bauteile eine Aussparung besitzt, die gemeinsam den Hohlraum bilden. Die Tiefe beider Aus­ sparungen zusammen entspricht dann der Höhe der Einlage. Der Zu­ sammenbau bzw. die Verbindung der Teile kann auf verschiedene Ar­ ten erfolgen. Dabei wird als vorteilhaft angesehen, daß beide Bau­ teile aus dem gleichen Material bestehen und an ihren Rändern so­ wie mit der Einlage stoffschlüssig verbunden sind. Für Kühlein­ richtungen bei denen das zweite Bauteil nicht aus Metall sein muß oder aus irgendwelchen Gründen ein metallischer Werkstoff unge­ eignet ist, wird als zweckmäßig angesehen, daß zwischen den Bau­ teilen, entlang des den Hohlraum umgebenden Randes, eine Dichtung angeordnet ist und die beiden Bauteile mechanisch miteinander ver­ bunden sind.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert:

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine mechanisch verbundene Kühleinrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine Ausführungsvariante zu Fig. 1 mit stoffschlüssiger Verbindung der Bauteile; und

Fig. 5 und Fig. 6 verschiedene Wellenformen der Einlage.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Kühleinrichtung 10, die als flacher Quader gestaltet ist und im wesentlichen aus zwei plattenförmigen Bauteilen 11 und 12 besteht. Sowohl das erste Bau­ teil 11 als auch das zweite Bauteil 12 bestehen aus metallischen Werkstoffen. Das erste Bauteil 11 ist mit einer Aussparung 18 ver­ sehen, durch die zwischen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12 - welches als ebene Platte gestaltet ist - ein Hohlraum 14 begrenzt wird, in dem eine Einlage 13 aus einem metallischen gewellten Band angeordnet ist. Die Einlage 13 ist an dem ersten Bauteil 11 angelötet. Entlang des Randes des Hohlraums 14 ist zwi­ schen dem ersten Bauteil 11 und dem zweiten Bauteil 12 eine Dichtung 15 vorgesehen, so daß der flüssigkeitsdurchströmte Hohlraum 14 gegen die Außenseite abgedichtet ist. Das erste Bauteil 11 ist mit Gewindebohrungen 16 versehen, die zur Aufnahme von Schrauben 17 dienen, mit deren Hilfe das zweite Bauteil 12 an dem ersten Bauteil 11 mechanisch befestigt wird. Mit den Pfeilen Q ist die Wärmeeinwirkung auf die Kühleinrichtung 10 bezeichnet, wobei diese Wärme von auf der Oberfläche der Kühleinrichtung 10 montierten elektrischen Bauteilen erzeugt wird.

In Fig. 2 ist die flächenmäßige Ausdehnung der Aussparung 18 im ersten Bauteil 11 der Kühleinrichtung 10 erkennbar, wobei an den jeweiligen Schmalseiten des ersten Bauteiles 11 die Anschlüsse für eine Kühlmittelleitung angeordnet sind. Mit dem Bezugszeichen 22 ist ein Zulaufanschluß und mit dem Bezugszeichen 23 ein Ablaufan­ schluß bezeichnet. In dem durch die Aussparung 18 gebildeten Hohl­ raum befindet sich die Einlage 13, die aus einem gewellten Metall­ blech 25 besteht. Die Wellen verlaufen dabei quer zur Durchströ­ mungsrichtung des Kühlfluids, wobei - in Strömungsrichtung gesehen - diese Wellenanordnung lediglich über eine Teilstrecke s der Ge­ samtlänge l des Hohlraums 14 reicht. Weil die Teilstrecke s pro Reihe 20, 21 relativ klein gegenüber der Länge l ist, umfaßt das gewellte Metallblech 25 eine Vielzahl von Reihen 20, 21, wobei je­ doch jeweils aufeinanderfolgende Reihen seitlich gegeneinander versetzt sind. Die Einlage 13 weist zu den stirnseitigen Rändern der Aussparung 18 jeweils einen Abstand a auf, was einer günstigen Verteilung der Kühlflüssigkeit über die gesamte Breite der Ausspa­ rung 18 dient.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2. Es wird daraus deutlich, daß die in der Aussparung 18 des ersten Bau­ teils 11 befindliche Einlage 13 eine quer zur Durchströmungsrich­ tung verlaufende Wellung aufweist, wobei diese Wellung rechteck­ förmig ist.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Kühleinrichtung 30 gezeigt, die aus einem ersten Bauteil 31, das eine sich annä­ hernd über die gesamte Länge erstreckende Aussparung 33 besitzt und einer ebenen Platte 32 als zweites Bauteil besteht. Die Aus­ sparung 33 bildet zwischen dem ersten Bauteil 31 und der ebenen Platte 32 einen Hohlraum 34 in dem sich die Einlage 13 befindet, die nahezu über die gesamte Länge des Hohlraums 34 reicht. In den Hohlraum 34 mündet auf einer Seite des ersten Bauteils 31 ein Zu­ laufanschluß 35 und am anderen Ende des Hohlraums 34 befindet sich in dem ersten Bauteil 31 ein Ablaufanschluß 36. Die Bauteile 31 und 32 sowie die Einlage 13 bestehen aus Aluminium und sind an ih­ ren Anlageflächen jeweils miteinander verlötet.

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt der Einlage 13 - in Kühlmittelströ­ mungsrichtung gesehen - vergrößert dargestellt. Die Einlage be­ steht aus einem gewellten Metallblech 25, wobei die Wellung annä­ hernd senkrechte Flanken 26 und ebene Amplituden 27 umfaßt. Die mit Schraffur dargestellte Wellung entspricht der ersten Reihe 20 der Wellen, wobei die nachfolgende Reihe 21 der Wellen gegenüber der Reihe 20 seitlich versetzt angeordnet ist, was durch die in gleicher Weise gestalteten Flanken 26* und Amplituden 27* dargestellt ist.

Fig. 6 zeigt eine ähnlich gestaltete Einlage 13 wie Fig. 5, die ebenfalls aus einem Metallblech 25 besteht. Im Gegensatz zur Fig. 5 ist jedoch die Wellenform trapezförmig, d. h. zwischen eben ver­ laufenden Amplituden 27 befinden sich schräg verlaufende Flanken 26.

Bezugszeichenliste

10 Kühleinrichtung
11 erstes Bauteil
12 zweites Bauteil
13 Einlage
14 Hohlraum
16 Gewindebohrung
17 Schraube
18 Aussparung
Q Wärmebeaufschlagung
20 erste Reihe von Wellen
21 zweite Reihe von Wellen
22 Zulaufanschluß
23 Ablaufanschluß
a Abstand zwischen 13 und Stirnseite von 18
25 gewelltes Metallblech
26 Flanke
27 Amplitude
s Teilstrecke von 13
l Länge von 18
30 Kühleinrichtung
31 erstes Bauteil
32 ebene Platte (zweites Bauteil)
33 Aussparung
34 Hohlraum
35 Zulaufanschluß
36 Ablaufanschluß

Claims (9)

1. Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente mit zu­ mindest einem flüssigkeitsdurchströmten flachen Hohlraum sowie Zulauf- und Ablaufanschlüssen, wobei der Hohlraum zwischen zwei im wesentlichen plattenförmigen Bauteilen gebildet ist, von denen mindestens ein erstes Bauteil aus Metall besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (14, 34) eine etwa die Form eines gewellten Bandes aufweisende Einlage (13) angeordnet ist, wobei die Einlage (13) quer zur Durchströmungsrichtung eine Vielzahl von Wellen aufweist, die sich in Durchströmungsrichtung lediglich über eine Teilstrecke (s) der Länge (l) des Hohlraums (14, 34) erstrecken, und mehrere Reihen (20, 21) solcher Wellen unmittelbar aufeinanderfolgend und hintereinanderliegend angeordnet sind, wobei die jeweils nachfolgende Reihe (21) gegenüber der vorhergehenden Reihe (20) seitlich versetzt angeordnet ist und die Teilstrecke (s) etwa 2 mm bis 5 mm beträgt.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen etwa rechteckförmig oder trapezförmig sind.

3. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (13) einstückig ist und aus einem Aluminiumblech (25) besteht, das in guter wärmeleitender Verbindung mit dem metallischen Bauteil (11, 31) steht.

4. Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Aluminiumblech (25) eine Dicke von etwa 0,15 mm besitzt.

5. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlage (13) sich über mehr als 90% der Fläche des Hohlraums (14, 34) erstreckt.

6. Kühleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (14, 34) durch eine Aussparung (18, 33) in dem ersten Bauteil (11, 31) gebildet und das zweite Bauteil (12, 32) eine ebene Platte ist, welche die Aussparung (18, 33) abdeckt.

7. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bauteile etwa gleich dick sind und jedes dieser Bauteile eine Aussparung besitzt, die gemeinsam den Hohlraum bilden.

8. Kühleinrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Bauteile (31, 32) aus dem gleichen Material bestehen und an ihren Rändern sowie mit der Einlage (13) stoffschlüssig verbunden sind.

9. Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bauteilen (11, 12) entlang des den Hohlraum (14) umgebenden Randes eine Dichtung (15) angeordnet ist und die beiden Bauteile (11, 12) mechanisch miteinander verbunden sind.