DE602004007031T2

DE602004007031T2 - Strömungsverteilungseinheit und kühleinheit mit bypass-strömung

Info

Publication number: DE602004007031T2
Application number: DE602004007031T
Authority: DE
Inventors: Klaus Kristen Olesen
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2004-10-26
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2024-10-27
Also published as: WO2005041627A3; EP1683404B1; DK200301576A; ATE364988T1; US7360582B2; EP1683404A2; US20070119574A1; DE602004007031D1; DK176137B1; WO2005041627A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Durchflussverteilungseinheit, die für eine Reihe von Kühlanwendungen geeignet ist, und insbesondere für die Kühlung von Leistungshalbleitern. Die Erfindung betrifft auch eine Kühleinheit, die eine solche Durchflussverteilungseinheit verwendet.
Im Betrieb erzeugen Halbleitergeräte Wärme, die üblicherweise dazu beiträgt den Betrieb der Halbleiter zu verschlechtern. Für Leistungshalbleiter ist es notwendig, im Betrieb gekühlt zu werden um eine akzeptable Leistung aufrechtzuerhalten, und für Hochleistungshalbleiter wird oft eine Flüssigkeitskühlung angewandt.
US 5,841,634 betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Halbleiteranordnung. Die Halbleiter sind hier in einem Gehäuse auf einer Platte angebracht, die zu kühlen ist. Die Anordnung hat einen Flüssigkeitseinlass und einen Flüssigkeitsauslass, sowie eine in einer Kammer im Gehäuse angebrachte Trennplatte. Die Trennplatte umfasst eine Wand, die die Kammer in einen oberen Teil und einen unteren Teil trennt, und Wände die jeden Teil in Fächer aufteilt. Eine Anzahl von Löchern in der Wand zwischen dem oberen Teil und dem unteren Teil ermöglicht eine Flüssigkeitsverbindung zwischen den Teilen. Flüssigkeit wird vom Einlass zu einem ersten unteren Fach geleitet, und dann durch Löcher zu einem ersten oberen Fach. In dem oberen Fach wird die Flüssigkeit entlang der zu kühlenden Platte, und durch Löcher zu einem zweiten unteren Fach geleitet. Von dem zweiten unteren Fach wird die Flüssigkeit zu einem zweiten oberen Fach geleitet, wo ein anderer Bereich der zu kühlenden Platte gekühlt wird. Nach Durchlaufen von drei oberen Fächern wird die Flüssigkeit zum Auslass und aus der Anordnung heraus geleitet. Die Kühlfächer der Anordnung sind somit in Serie verbunden.
Während die Flüssigkeit das erste obere Fach durchläuft, nimmt sie Wärme von der zu kühlenden Platte auf, und verlässt somit das erste obere Fach mit einer höheren Auslass-Temperatur als die Einlauftemperatur. Wenn die Flüssigkeit das zweite obere Fach erreicht, wird eine weitere Erwärmung der Flüssigkeit stattfinden, und diese wird zu einem Temperaturunterschied der gekühlten Platte, vom Flüssigkeitseinlassende zum Flüssigkeitsauslassende, führen. Dies reduziert die Lebensdauer solcher Leistungshalbleiteranordnungen, da Hochleistungshalbleiter gegenüber Temperaturschwankungen und auch gegenüber dem generellen Temperaturniveau sehr empfindlich sind.
Auch die Serienverbindung mehrerer Kühlfächer wird einen erheblichen Durchflusswiderstand zum Ergebnis haben, was zu einem hohen Druckabfall oder einer niedri gen Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Kühlanordnung führt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Durchflussverteilungseinheit und eine Kühleinheit, die eine solche Durchflussverteilungseinheit verwendet, anzugeben, die zu weniger Temperaturschwankungen entlang der gekühlten Fläche führt als bisher bekannte Einheiten.
Nach Anspruch 1 wird diese und andere Aufgaben mit einem Verteiler zur Verteilung eines Durchflusses von Flüssigkeit über eine zu kühlende Oberfläche, der einen Einlassverteiler, einen Auslassverteiler und mindestens eine zwischen den Verteilern verbundene Durchflusszelle aufweist, gelöst. Die Durchflusszelle hat einen Zelleneinlass in Flüssigkeitsverbindung mit dem Einlassverteiler, einen Zellenauslass in Flüssigkeitsverbindung mit dem Auslassverteiler, und einen Hauptdurchflusskanal gebildet als eine mäandernde Sequenz eines Kanalsegments, das einen Hauptdurchfluss von Flüssigkeit vom Zelleneinlass entlang der Oberfläche zum Zellenauslass mit einer Vielzahl von Änderungen der Richtung des Hauptdurchflusses leitet. Zusätzlich weist die Durchflusszelle einen Bypass-Durchflusskanal auf, der einen Bypass-Durchfluss von Flüssigkeit vom Zelleneinlass zum Zellenauslass erlaubt, und die Gestaltung ist so, dass der Bypass-Durchflusskanal die Kanalsegmente des Hauptdurchflusskanals mit einander verbindet.
Es hat sich herausgestellt, dass die Kurzschlusswirkung des Bypass-Durchflusskanals zu erhöhter Turbulenz führt und die Kühlflüssigkeit auf ihren Weg durch den Hauptdurchflusskanal mischt. Dies geschieht vermutlich, weil die Flüssigkeit, die im Bypass-Durchfluss fließt, generell unter solchen Winkeln in die Kanalsegmente des Hauptdurchflusskanals hineinfließt, die quer zur Richtung des Hauptdurchflusses sind.
Dies verursacht Turbulenzen und Änderungen im Durchflussmuster der Flüssigkeit in den Zellen. Flüssigkeit, die dadurch erwärmt worden ist, dass sie dicht an der gekühlten Oberfläche entlang geflossen ist, wird effektiv mit kälterer Flüssigkeit vermischt, die nicht an der gekühlten Oberfläche entlang geflossen ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die gesamte Wärmekapazität der Flüssigkeit im Kühlprozess genutzt wird.
Nach dieser generellen Beschreibung der Erfindung werden bevorzugte Ausführungen der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben, die zeigen:
1 Eine Explosionsdarstellung einer Kühleinheit
2 Eine perspektivische Draufsicht einer Durchfluss-Verteiler-Trennplatte
3 Eine Draufsicht der Verteiler-Trennplatte
4 Eine perspektivische Unteransicht der Verteiler-Trennplatte
5 Eine vereinfachte Teilansicht der Kühleinheit, die einen eingebauten Bypass-Durchflusskanal veranschaulicht
1 zeigt eine Kühleinheit 1 mit einem Gehäuse 13, das als Kasten ausgebildet ist, mit einer flachen Rückplatte 11 und Seitenwänden 20, die sich von der Rückseite in Richtung der Hauptöffnung an der Vorderseite des Kastens erstrecken. Das Gehäuse 13 hat eine Einlassöffnung 15 und eine Auslassöffnung 14 zur Flüssigkeitsverbindungen aus einem Rohrsystem oder dergleichen.
Eine Trennplatte 4 passt zu den Innenflächen der Seitenwände 20 des Gehäuses 13. Wenn die Trennplatte 4 im Gehäuse 13 angebracht wird, teilt sie dieses in einen oberen Teil und einen unteren Teil. Der untere Teil ist zwischen der Rückplatte 11 und der Trennplatte 4 gebildet und zusätzlich in zwei Fächer oder Verteiler aufgeteilt, was später beschrieben wird. Die Öffnungen 14 und 15 sind in Flüssigkeitsverbindung mit den unteren Fächern.
Eine obere Platte 3, deren untere Fläche zu kühlen ist, schließt den oberen Teil, wenn sie auf der Hauptöffnung des Gehäuses 13 unter Zwischenlage eines Dichtrings 16 montiert wird. Dieser Dichtring 16 passt in eine Nut 17 des Gehäuses 13 und dichtet ab zwischen den Seitenwänden 20 und der oberen Platte 3. Die obere Platte 3 wird mit Hilfe von Schrauben (nicht gezeigt in der Zeichnung), die in Löcher 18 im Gehäuse 13 durch Löcher 19 in der oberen Platte 3 eingeschraubt werden, an dem Gehäuse 13 befestigt. Die obere Platte 3 wird im Folgenden die gekühlte Platte genannt, da diese Platte von Flüssigkeit gekühlt wird, die durch die Kühleinheit geleitet wird. Wenn die Kühleinheit zur Kühlung von Leis tungshalbleiterschaltkreisen angewandt wird, können die Schaltkreise auf der Oberseite der gekühlten Platte 3 in einer Weise angebracht werden, die für einen Experten einleuchtend ist. Selbstverständlich kann die Kühleinheit zur Kühlung von verschiedenen anderen Quellen von Wärme angewandt werden, wie z.B. heißem Gas oder heißer Flüssigkeit, das entlang der freien Oberfläche der gekühlten Platte 3 fließt.
2 zeigt die Trennplatte 4 in einer perspektivischen Ansicht, die ein wenig mehr gewinkelt ist als die Ansicht in 1. Sichtbar in dieser Ansicht sind Einlässe 5 und Auslässe 6, deren Anordnung in 1 mit den gleichen Bezugszeichen angedeutet ist. Die Draufsicht der Trennplatte 4 in 3 zeigt die Einlässe 5 und die Auslässe 6 noch deutlicher. Flüssigkeit fließt vom unteren Fach zum oberen Fach durch die Einlässe 5. Im oberen Fach angekommen wird die Flüssigkeit entlang der gekühlten Oberfläche (die untere Fläche) der oberen Platte 3 durch führende Wandabschnitte 21 geleitet, die sich von der Zentralebene oder Basis 25 der Trennplatte 4 aufwärts erstrecken, wie angegeben durch Pfeile in 3. Der Durchfluss kommt dann durch die Auslässe 6 vom oberen Fach zum unteren Fach zurück.
Wie es aus 3 klar hervorgeht, bilden die leitenden Wandabschnitte 21 einen mäandernden Durchflussweg für die Flüssigkeit, mit Hilfe einer offenen Passage an einem Ende von jedem Wandabschnitt. Andere Wandabschnitte gehen jedoch den ganzen Weg durch die Struktur, wie z.B. die Wandabschnitte 22 und 23. Diese durchgehenden Wände teilen die oberen Fächer in Zellen auf, jede Zelle mit einem Einlass 5 und einem Auslass 6.
Wie früher erwähnt ist das untere Fach in zwei Kammern oder Verteiler aufgeteilt. 4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Trennplatte von der Unterseite. Ein Wandabschnitt 10, der in einem schlangenähnlichen Muster entlang der unteren Seite verläuft, wird in fast flüssigkeitsdichter Auflage auf der Bodenplatte 11 des Gehäuses 13 aufliegen. Das untere Fach der Trennplatte 4 wird dadurch in einem Einlassfach oder Verteiler 8 und einem Auslassfach oder Verteiler 9 geteilt, wenn die Trennplatte im Gehäuse angebracht wird. Alle Zelleneinlässe 5 sind in Verbindung mit dem Einlassverteiler 8, und alle Zellenauslässe 6 sind in Verbindung mit dem Auslassverteiler 9. Die Zellen des oberen Fachs, 2 und 3, sind somit zwischen dem Einlassverteiler 8 und dem Auslassverteiler 9 parallel verbunden, und damit auch parallel zwischen dem Einlass und dem Auslass, Positionen 15 und 14 in 1.
Die Einlässe 5 und die Auslässe 6 sind so angebracht, dass der Auslass einer Zelle einem Einlass einer anderen Zelle benachbart ist. Dies hat die Wirkung, dass aufgewärmte Flüssigkeit, die gerade eine Zelle verlässt, nahe einer nicht aufgewärmten Flüssigkeit ist, die gerade in eine benachbarte Zelle eingeflossen ist. Dies dient der Minimierung des Wärmegradienten entlang der gekühlten Platte 3. Der Wärmegradient entlang der gekühlten Platte wird zusätzlich durch Variieren der Größen der Bereiche, die die Zellen bedecken, minimiert. Entlang den Kanten 12 ist der Bereich von jeder Zelle größer als an der übrigen Oberfläche, wobei die Kühlung in diesem Bereich weniger effektiv als im restlichen Bereich. Dies widerspiegelt eine Situation, in der die Dichte der wärmeerzeugenden Elemente entlang den Kanten einer Halbleiteranordnung niedriger ist als auf der übrigen Anordnung. Eine Reduzierung der Kühlwirkung entlang den Kanten der Kühleinheit wird die Temperaturgleichmäßigkeit über der gekühlten Platte verbessern.
In der Ausführung der Erfindung wie gezeigt in den 1 bis 4 soll ein Substrat mit Halbleitern auf der Oberseite der gekühlten Platte 3 angebracht werden, und zwar in einer Weise, die einem Fachmann bekannt ist. Die gekühlte Platte könnte aber auch das Substrat selbst sein, das als Deckel direkt auf der Kühleinheit angeordnet wird. Dies ist eine Folge des minimierten Wärmegradienten entlang der gekühlten Platte, die die herkömmliche wärmeverteilende Platte, gezeigt in 1 als die gekühlte Platte 3, in einigen Anwendungen überflüssig macht.
5 zeigt eine vereinfachte Teilansicht einer montierten Kühleinheit, geschnitten entlang der Linie V-V wie angegeben in 3. Der Einfachheit halber sind Dichtungseinzelheiten zwischen den Seitenwänden 20 und der gekühlten Platte 3 weggelassen worden. Wie gezeigt in 5, bewirkt der mäandernde Durchflusskanal 50 in jeder Durchflusszelle eine Folge von Änderungen der Durchflussrichtung wie angegeben mit den Pfeilen 51, 52. Der mäandernde Durchflusskanal kann als eine Folge von Kanalabschnitten 64, 63, 62, 61 gesehen werden, entlang denen der Durchfluss auf dem Weg vom Zelleneinlass 5 zum Zellenauslass 6 passiert. Diese Kanalsegmente sind von den leitenden Wandabschnitten 21 der Trenn platte 4 und von der gekühlten Fläche der gekühlten Platte 3 abgegrenzt.
Die Flüssigkeit muss auf ihrem Weg von einem Kanalabschnitt zum anderen um das Ende 53 des Wandabschnittes herum fließen, der jeweils zwei der Kanalsegmente 64, 63, 62, 61 von einander trennt. Es ist gefunden worden, dass dies ein kräftiges Mischen der Flüssigkeit auf ihrem Weg entlang dem Durchflusskanal verursacht, was für die Übertragung von Wärme von der gekühlten Platte auf die Flüssigkeit vorteilhaft ist.
Die Erfahrung zeigt aber, dass die Übertragung von Wärme weiter verbessert werden kann, wenn ein Bypass-Durchfluss von Kanalabschnitt zu Kanalabschnitt über die obere Kante der Wandabschnitte erlaubt wird. Dies wird in 5 mit 71–73 gezeigt. Jeder leitende Wandabschnitt 21 endet mit einem kleinen Abstand zur unteren Fläche der gekühlten Platte 3, wobei ein schmaler Spalt freigelassen wird, durch den ein Bypass-Durchfluss 71, 72, 73 von einem Kanalabschnitt zum nächsten fließen kann. Der Bypass-Durchfluss verläuft generell rechtwinklig zum Hauptdurchfluss in den Kanalabschnitten. Deshalb wird vermutet, dass der Bypass-Durchfluss eine erhöhte Turbulenz im Durchflussmuster nahe der Oberfläche der gekühlten Platte bewirkt. Versuche und Computer-Simulationen haben gezeigt, dass die Übertragung von Wärme von der gekühlten Platte auf die Flüssigkeit erheblich ansteigen wird, und dass der Durchflusswiderstand der Kühleinheit wesentlich reduziert wird, wenn ein solcher Bypass-Durchfluss durch einen Spalt zwischen der Oberkante der leitenden Wände 21 und der benachbarten Oberfläche der gekühlten Platte erlaubt wird. Die auf einander folgenden Spalten definieren in effektiver Weise einen Bypass-Durchflussweg innerhalb jeder Durchflusszelle, vom Zelleneinlass 5 zum Zellenauslass 6, der benachbarte Kanalabschnitte 61, 62, 63, 64 des mäandernden Hauptdurchflusskanals mit einander verbindet.

Claims

Ein Verteiler zur Verteilung eines Durchflusses einer Flüssigkeit über eine zu kühlende Oberfläche, wobei der Verteiler folgendes umfasst: – ein Einlaufverteiler (8, 25); – ein Auslaufverteiler (9, 24); und – mindestens eine Durchflusszelle (7) verbunden zwischen den Verteilern, wobei die Durchflusszelle folgendes umfasst: – ein Zelleneinlauf (5) in Flüssigkeitsverbindung mit den Einlaufverteiler; – ein Zellenauslauf (6) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Auslaufverteiler; – ein Hauptdurchflusskanal (50) gebildet von Wandsegmenten (21), die sich von einer Basis (25) bis zur zu kühlenden Fläche erstrecken und als Mäandersequenzen von Kanalsegmenten (64, 63, 62, 61) zur Führung eines Hauptdurchflusses vom Zelleneinlauf (5) entlang der Oberfläche zum Zellenauslauf (6) mit einer Vielzahl von Richtungswechseln (51, 52) des Hauptdurchflusses; und – ein Bypass-Durchflusskanal (71, 72, 73) gebildet durch Spalten zwischen den Wandsegmenten und der zu kühlenden Oberfläche, um ein Bypass-Durchfluss von Flüssigkeit vom Zelleneinlauf zum Zellenauslauf zu ermöglichen; wobei der Bypass-Durchflusskanal die Kanalsegmente des Hauptdurchflusskanals mit einander verbindet.
Ein Verteiler nach Anspruch 1, in dem eine Vielzahl von Durchflusszellen zwischen den Verteilern mit einander verbunden ist, und in dem jede der Durchflusszellen einen Bypass-Durchflusskanal enthält.
Eine flüssigkeitskühlbare Einheit zur Entfernung von Wärme einer Wärmequelle, wobei die Einheit eine von der Wärmequelle beheizbaren Platte und einen Verteiler nach jedem der vorhergehenden Ansprüche zur Verteilung eines Durchflusses von kühlender Flüssigkeit über eine Oberfläche der Platte aufweist.
Eine flüssigkeitskühlbare, elektronische Einheit, wobei die Einheit einen elektronischen Kreislauf gekapselt in einem Kreislaufmodul mit einer äußeren Oberfläche, und einen Verteiler nach Anspruch 1 oder 2 zur Verteilung eines Durchflusses von kühlender Flüssigkeit über die Oberfläche aufweist.