DE4421025C2

DE4421025C2 - Kühlkörper mit mindestens einem Kühlkanal

Info

Publication number: DE4421025C2
Application number: DE19944421025
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Kraemer
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1999-09-09
Anticipated expiration: 2014-06-17
Also published as: DE4421025A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper mit mindestens einem Kühlkanal gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und kann z. B. bei flüssigkeits- oder gasgekühlten Stromrichtern in der Verkehrstechnik eingesetzt werden.

Ein solcher Kühlkörper mit mindestens einem Kühlkanal ist aus der DE 86 10 387 U1 bekannt. Im bekannten Fall handelt es sich um einen luftgekühlten Kühlkörper für Stromrichtermodulen mit quaderförmigem Körper und mehreren längsseitig geschlossenen und an den Stirnseiten offenen Kühlkörperkammern in Längsrichtung des Kühlkörpers. Es ist sowohl Luftselbstkühlung als auch for cierte Belüftung mittels Lüfter möglich.

Ein flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper für Leistungshalbleiterbau elemente ist aus der DE 26 40 000 C2 bekannt. Dort sind im Strö mungsweg der Kühlflüssigkeit senkrecht zu den Kühlkörperböden orientierte, von Boden zu Boden reichende Zapfen mit jeweils quadratischem Querschnitt angeordnet. Durch die spezielle Anord nung der Zapfen-Diagonale quer zur Strömungsrichtung des Kühl mittels treten Verwirbelungen auf, die den Wärmeübergangswert anheben. Die Anordnung der Zapfen führt weiterhin zu relativ großen wärmeabgebenden Flächen. Die Herstellung dieser "Wasser kühlflächen", d. h. die Bearbeitung der Kühlkörper zur Bildung der Zapfung ist jedoch relativ aufwendig.

In der DE 43 01 865 A1 wird eine Kühldose zum Kühlen von Hochleistungshalbleitern vorgeschlagen. Zur Verbesserung der Kühlwirkung sind in mehrere parallele Kühlkanäle, die in einen einstückig ausgebildeten Kühlkörper aus Aluminium gebohrt sind, spindelförmige, schneckenförmige oder schraubenförmige Verwirbelungskörper aus Kunststoff unbeweglich eingebracht.

Ferner ist in der DE 88 04 742 U1 ein Kühlkörper für elektrische Bauelemente mit einem eingesetzten Verwirbelungskörper beschrieben. Der Verwirbelungskörper ist hierbei als eine wendelförmige Spirale gestaltet.

Die bekannten Verwirbelungskörper sind jedoch vergleichsweise kompliziert ausgebildet, so daß deren Herstellung relativ aufwendig ist.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper mit mindestens einem Kühlkanal vorzusehen, bei dem mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine turbulente Kühlmittelströmung im Kühlkanal und ein sehr guter Wärmeübergang zwischen einem Kühlmittel und dem Kühlkörper erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbe griffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein sehr gutes Verhältnis zwischen der zur Montage des elektrischen Bauelements auf dem Kühlkörper und zur Wärme übertragung erforderlichen äußeren Fläche (Aufspannfläche) und der mit dem Kühlmittel in Kontakt tretenden inneren Kühlfläche erzielt wird, was eine hohe thermische Ausnutzung des Kühlkör pers auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmit tels zur Folge hat. Bei Kühlkörpern mit mehreren parallelen Kühlkanälen kann das Gegenstromprinzip vorteilhaft eingesetzt werden, bei dem das Kühlmittel innerhalb benachbarter Kühlkanäle mit jeweils entgegengesetzter Richtung strömt. Die Verwirbe lungsdrähte innerhalb der Kühlkanäle bewirken eine turbulente Kühlmittelströmung, ohne daß dabei teuere Kühlkanalprofile er forderlich sind. Das Temperaturgefälle vom wärmeproduzierenden elektrischen Bauelement bis zum Kühlmittel erlaubt kleine Kühl mittel-Strömungsgeschwindigkeiten, was vorteilhaft geringe Durchflußmengen und damit geringe Reibungs- und Energieverluste (beispielsweise durch Pumpen oder elektrische Lüfter) zur Folge hat. Mit anderen Worten wird hierdurch der Eigenbedarf des Kühl mittelkreislaufs minimiert. Dabei kann sowohl ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere auch Brauchwasser, als auch ein gasför miges Kühlmittel, insbesondere auch Luft, eingesetzt werden. Aufgrund der sehr hohen thermischen Ausnutzung kann der Kühlkör per doppelseitig - d. h. an seinen beiden Hauptoberflächen - mit elektrischen Bauelementen, vorzugsweise mit Leistungshalblei tern, bestückt sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dar gestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Sicht auf die Stirnseite eines Kühlkörpers,

Fig. 2 einen stirnseitigen Schnitt durch einen Kühlkanal,

Fig. 3 eine Sicht auf die Stirnseite eines Kühlkörpers mit in den Kühlkanälen eingeschobenen Verwirbelungs drähten,

Fig. 4 einen seitlichen Schnitt durch einen Kühlkörper,

Fig. 5 eine Sicht auf einen aufgeschnittenen Kühlkörper von einer Hauptoberfläche aus,

Fig. 6 einen stirnseitigen Schnitt durch einen bestückten Kühlkörper,

Fig. 7, 8 einen seitlichen Schnitt durch einen Kühlkörper mit alternativ ausgebildeten Verwirbelungskörpern.

In Fig. 1 ist eine Sicht auf die Stirnseite eines Kühlkörpers dargestellt, wobei Kühlmittelarmaturen noch nicht montiert und die Verwirbelungsdrähte noch nicht eingebracht sind. Der Kühlkörper 1 ist als Strangpreßpro fil vorzugsweise aus Aluminium (alternativ aus Kupfer) ausge bildet und weist mehrere parallele Kühlkanäle 2 - im Ausfüh rungsbeispiel zwölf Kühlkanäle - auf, deren Wände mit Rippen 3 versehen sind. Der Kühlkörper 1 kann vorteilhaft zusätzlich mit mehreren Befestigungskanälen 4 versehen sein. Diese Befesti gungskanäle 4 können mit Gewinden versehen sein, um eine Schraubbefestigung von stirnseitigen Kühlmittelarmaturen zu er möglichen. Des weiteren können die Befestigungskanäle 4 von senkrecht hierzu angeordneten Bohrungen durchstoßen werden, wel che zur Befestigung von Leistungshalbleitern auf dem Kühlkörper dienen.

Der Kühlkörper 1 weist eine quaderförmige Struktur von relativ geringer Höhe auf, wobei eine oder beide Hauptoberflächen mit Leistungshalbleitern bestückt sind.

In Fig. 2 ist ein stirnseitiger Schnitt durch einen Kühlkanal 2 dargestellt. Die zur Vergrößerung der zur Wärmeübertragung heranziehbaren Oberfläche dienenden Rippen 3 sind zu erkennen. Wesentliche Bauelemente des Kühlkörpers sind in die Kühlkanäle 2 wellenförmig, insbesondere sinusförmig eingebrachte Verwirbe lungsdrähte 7. Die vorzugsweise aus einem federnden Metall, ins besondere Edelstahl gebogenen Verwirbelungsdrähte 7 können bei spielsweise diagonal (bezüglich des Querschnittes) innerhalb der rechteckförmigen Kühlkanäle verlaufen, wobei sie mit einer Vor spannung gegen die Wandung der Kühlkanäle pressen und durch die Rippen 3 zusätzlich seitlich fixiert werden.

In Fig. 3 ist eine Sieht auf die Stirnseite eines Kühlkörpers 1 mit in den Kühlkanälen 2 eingebrachten Verwirbelungsdrähten 7 gezeigt. Im übrigen entspricht diese Figur der Anordnung gemäß Fig. 1.

In Fig. 4 ist ein seitlicher Schnitt durch einen Kühlkörper 1 dargestellt. Es ist der wellenförmige (sinusförmige) Verlauf des Verwirbelungsdrahtes 7 innerhalb des Kühlkanals 2 zu erkennen. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels innerhalb des Kanals 2 ist durch Pfeile angedeutet. Aus Fig. 4 in Verbindung mit Fig. 2 geht hervor, daß durch den Verwirbelungsdraht 7 eine laminare Strömung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkanals 2 verhindert wird. Der laminare, ohne Wirbel geordnet, schichtweise nebenein ander ausgebildete Strömungsverlauf des Kühlmittels mit heißeren Schichten längs der Wandung und kälteren Schichte Kanalzen trum wird infolge des Einsatzes der Verwirbelungsdrähte durch einen turbulenten, ungeordneten Strömungsverlauf mit starker Wirbelbildung ersetzt. Hierdurch ergibt sich eine wesentlich verbesserte thermische Ausnutzung des Kühlkörpers und des Kühl mittels. Die Ausbildung kälterer Schichten innerhalb des Kühl mittels im Kanalzentrum wird unterbunden und es stellt sich in folge der Verwirbelung eine im wesentlichen gleichmäßige Misch temperatur des Kühlmittels über den gesamten Kühlkanalquer schnitt ein.

Insbesondere ist die Temperatur des Kühlmittels längs der Wan dung bei gleichem Kühlmitteldurchsatz wesentlich geringer als beim allgemein bekannten Fall mit Kühlkanälen ohne Verwirbe lungsdrähte, so daß sich aufgrund des höheren Wärmegefälles ein verbesserter Wärmeübergang zwischen Kühlkörperwandung und Kühl kanal und folglich ein verbesserter Wärmeabfluß vom elektrischen Bauelement über den Kühlkörper zum Kühlmittel ergibt.

In Fig. 5 ist eine Sicht auf einen aufgeschnittenen Kühlkörper von einer Hauptoberfläche aus dargestellt, wobei die Verwirbe lungsdrähte jedoch noch nicht eingebracht sind. Der im Beispiel gezeigte Kühlkörper 1 ist relativ kurz und im Sinne einer zur Montage eines einzigen Leistungshalbleiters geeigneten Kühl platte oder Kühldose ausgebildet. Andere nicht dargestellte Va rianten des Kühlkörpers sind langgestreckt und im Sinne einer zur Montage von mehreren Leistungshalbleitern nebeneinander geeigneten Kühlschiene ausgebildet.

Fig. 5 zeigt insbesondere die montierten Kühlmittelarmaturen und die durch Pfeile gekennzeichnete Kühlmittelströmung. Die beiden Stirnseiten des Kühlkörpers 1 sind mittels angelöteter Deckel 15 kühlmitteldicht verschlossen, wobei an jeder Stirnseite ein Sam melkanal 10 bzw. 11 quer zu den Kühlkanälen 2 ausgebildet ist, der eine Kühlmittelströmung von einem Zufuhrstutzen 12 zu den Kühlkanälen (Kühlmittelverteilung) bzw. von den Kühlkanälen zu einem Abfuhrstutzen 13 (Kühlmittelsammlung) ermöglicht. Das Kühlmittel gelangt von einem Kühlmittel-Zufuhrkanal 8 in den Zu fuhrstutzen 12 und vom Abfuhrstutzen 13 in einen Kühlmittel-Ab fuhrkanal 9. Für die Befestigung eines Leistungshalbleiters auf dem Kühlkörper 1 dienen Befestigungsbohrungen 14, die in Befe stigungskanälen 4 münden. Die weiteren aus Fig. 1 ersichtlichen Befestigungskanäle können beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ebenfalls zur Kühlmittelführung herangezogen werden.

In Fig. 6 ist ein stirnseitiger Schnitt durch einen bestückten Kühlkörper dargestellt, wobei die Verwirbelungsdrähte jedoch nicht eingezeichnet sind. Es ist ein auf einer Hauptoberfläche des Kühlkörpers 1 montierter Leistungshalbleiter 16 zu erkennen, wobei die Befestigungsschrauben für die Leistungshalbleiter durch die Befestigungsbohrungen 14 im Kühlkörper greifen. Ein und dieselben Befestigungsbohrungen 14 können auch zur Montage der Kühlmittelarmaturen, wie des Kühlmittel-Zufuhrkanals 8 und des Kühlmittel-Abfuhrkanals 9 herangezogen werden. Die Abdich tung des Zufuhrstutzens 12 bzw. Abfuhrstutzens 13 erfolgt durch O-Ringe 17 aus elastischem Material. Die Sammelkanäle 10 bzw. 11 sind abschnittsweise skizziert.

Die Ausführungsvariante gemäß Fig. 5, 6 ist lediglich beispiel haft für einen Kühlkörper mit Kühlkanälen, wobei insbesondere festzuhalten ist, daß die Verwirbelungsdrähte 7 vorteilhaft in vielfältigen Variationen verwendbar sind. Selbst eine nachträgliche Bestückung von Kühlkörpern mit Verwirbelungs drähten zum Zwecke der verbesserten thermischen Ausnutzung ist möglich.

Neben der vorstehend erwähnten wellenförmigen, insbesondere sinusförmigen Ausbildung der Verwirbelungsdrähte ist auch eine dreieckförmige oder säge zahnförmige Ausbildung möglich. In Fig. 7 bzw. 8 ist ein derar tiger dreieckförmig gebogener Verwirbelungsdraht 7' bzw. ein sä gezahnförmig gebogener Verwirbelungsdraht 7" dargestellt.

Claims

1. Kühlkörper mit mindestens einem Kühlkanal zum Abführen der von einem elektrischen Bauelement, insbesondere einem Leistungshalbleiter produzierten Wärmeenergie an ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel, wobei in den Kühlkanal ein Verwirbelungskörper eingeschoben ist, der eine turbulente Kühlmittelströmung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem als Strangpreßprofil ausgebildeten Kühlkörper mit mindestens einem länglich ausgebildeten Kühlkanal ein Verwirbelungsdraht (7, 7', 7") aus einem federnden Metall als Verwirbelungskörper dient, welcher mit Vorspannung gegen die Wandung des Kühlkanals preßt und wellenförmig innerhalb des Kühlkanals (2) verläuft, wobei der Kühlkanal mit Rippen (3) versehen ist, durch die der Verwirbelungsdraht zusätzlich seitlich fixiert wird.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine sinusförmige Ausbildung des Verwirbelungsdrahts (7, 7', 7").

3. Kühlkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dreieckförmige oder sägezahnförmige Ausbildung des Verwirbelungsdrahtes (7, 7', 7").

4. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verwirbelungsdraht aus einem Edelstahl besteht.