DK176137B1

DK176137B1 - Flowfordelingsenhed og köleenhed med bypassflow

Info

Publication number: DK176137B1
Application number: DK200301576A
Authority: DK
Inventors: Klaus Kristen Olesen
Original assignee: Danfoss Silicon Power Gmbh
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-10-27
Publication date: 2006-09-25
Also published as: DE602004007031T2; EP1683404A2; DK200301576A; US20070119574A1; DE602004007031D1; US7360582B2; WO2005041627A3; ATE364988T1; WO2005041627A2; EP1683404B1

Description

/ /_ll__χ / Οχ / ' ο I Π 15 / / / 7 / % 7 - i - DK 176137 B1

Flowfordelinqsenhed og køleenhed med bypassflow

Opfindelsen angår en flowfordelingsenhed, som kan anvendes 5 til en række køleanvendelser, især til væskekøling af effekthalvledere. Opfindelsen angår også en køleenhed, der anvender en sådan flowfordelingsenhed.

Halvlederapparater udvikler varme under drift, og denne 10 varme forårsager som regel en forringelse af halvlederap-paratets drift. Det er nødvendigt for effekthalvlederappa-rater at blive kølet under drift for at opretholde en acceptabel driftsydelse, og til højeffekthalvledere anvendes der ofte væskekøling.

15 US 5,841,634 viser et væskekølet halvlederapparat. Halvlederne er her anbragt i et hus på en plade, som skal køles. Apparatet har et væskeindløb og et væskeudløb, og en ledeplade i et kammer indeni huset. Ledepladen omfatter en 20 væg, der deler kammeret i en topsektion og en bundsektion, og vægge, som inddeler hver sektion i felter. Et antal huller i væggen mellem topsektionen og bundsektionen sørger for væskeflow mellem sektionerne. Væske føres fra indløbet til et første bundfelt, og derefter gennem huller 25 til et første topfelt. I topfeltet føres væsken langs den plade, som skal køles, og gennem huller til et andet bundfelt. Fra det andet bundfelt føres væsken gennem huller ' til et andet topfelt, hvor den køler et andet område af den plade, som skal køles. Efter passage af tre topfelter 30 ledes væsken til væskeudløbet og ud af apparatet. Appara-tets kølesektioner er således serieforbundet.

DK 176137 B1 - 2 -

Idet væsken passerer det første topfelt, optager den varme fra den plade, som skal køles, og forlader derfor det første topfelt med en højere temperatur end indløbstemperaturen. Når væsken når det andet topfelt, sker der en yderli-5 gere opvarmning af væsken, og dette fører til en temperaturforskel på den kølede plade fra indløbsenden til udløbsenden. Dette er ødelæggende for et sådant effekthalv-lederapparats levetid, da højeffekthalvledere er meget følsomme overfor temperaturforskelle og også følsomme 10 overfor det generelle temperaturniveau.

Yderligere fører serieforbindelsen af flere kølefelter til en stor flowmodstand, hvilket giver et stort trykfald eller en lav flowhastighed på væsken gennem køleapparatet. ‘ 15

Det er opfindelsens formål at angive en flowfordelingsen-hed, og en køleenhed, som anvender en sådan flowforde-lingsenhed, som medfører mindre variation i temperaturen ‘ på den kølede overflade end tidligere kendte enheder.

20 I overensstemmelse med krav 1, opnås dette og andre formål med en fordeler til fordeling af et væskeflow over en overflade, der skal køles, som omfatter et indløbsforgreningsrør, et udløbsforgreningsrør og mindst en flowcelle 25 forbundet mellem forgreningsrørene. Flowcellen omfatter et celleindløb i væskeforbindelse med indløbsforgreningsrø-♦ ret, et celleudløb i væskeforbindelse med udløbsforgre- i ningsrøret, og en hovedflowkanal udført som en mæanderfor- k met sekvens af kanalsegmenter til at lede et hovedflow af 30 væske fra celleindløbet hen over overfladen til celleudløbet med et stort antal retningsskift på hovedflowet. Yderligere omfatter flowcellen en bypassflowkanal, der tillader et bypassflow af væske fra celleindløbet til celleud- DK 176137 B1 - 3 - løbet, og konfigurationen er sådan, at bypassflowkanalen forbinder kanalsegmenterne i hovedflowkanalen.

Det har vist sig, at kortslutningsvirkningen af bypass-5 flowkanalen fører til øget turbulens og blanding af kølevæsken, medens den passerer igennem hovedflowkanalen. Det menes at ske, fordi væsken, der løber i bypassflow, generelt vil løbe ind i hovedflowkanalens kanalsegmenter under vinkler, der er på tværs af hovedflowets retning.

10

Dette forårsager turbulens og ændringer i væskens flow-mønster indeni cellerne. Væsken, der er blevet opvarmet ved at passere tæt forbi den kølede overflade, vil blive effektivt blandet med koldere væske, der ikke har passeret 15 forbi den kølede overflade. Dette sikrer, at hele væskens varmekapacitet anvendes i kølingsprocessen.

Efter denne beskrivelse af opfindelsen i generelle vendinger, vil foretrukne udførelser af opfindelsen blive be-20 skrevet nærmere på baggrund af tegningerne, som viser:

Fig. 1 En sprængt tegning af en køleenhed

Fig. 2 En flowfordelingsplade set ovenfra i perspektiv 25

Fig. 3 En flowfordelingsplade set ovenfra

Fig. 4 En flowfordelingsplade set nedenfra i perspektiv 30 Fig. 5 Et forenklet tværsnit af køleenheden, som viser tilstedeværelsen af en bypassflowkanal.

DK 176137 B1 - 4 -

Fig. 1 viser en køleenhed 1 med et hus 13, der er lavet som en kasse med en flad bagplade 11 og sideplader 20, der strækker sig fra bagsiden i retning af en hovedåbning på kassens forside. Huset 13 har en indløbsåbning 15 og en 5 udløbsåbning 14 til væskeforbindelse fra et rørsystem eller lignende.

En plade 4 passer med de indvendige overflader på sidevæggene 20 i huset 13. Når pladen 4 er anbragt i huset 13 op-10 deler den dette i en topsektion og en bundsektion. Bundsektionen er dannet mellem bagpladen 11 og pladen 4, og opdeles yderligere i to kamre eller forgreninger, som vil blive beskrevet senere. Åbningerne 14 og 15 er i væskeforbindelse med bundsektionerne.

15

En topplade 3, hvis underside skal køles, lukker topsektionen, når den monteres på husets 13 hovedåbning ved mellemkomst af en pakningsring 16. Denne pakningsring passer ind i en rille 17 i huset 23 og tætner mellem sidevæggene 20 20 og toppladen 3. Toppladen 3 er fastgjort på huset 13 ved hjælp af skruer (ikke vist på tegningerne) , som skrues, ind i huller 18 i huset 13 gennem huller 19 i toppladen 3. Toppladen 3 vil blive kaldt den kølede plade, da denne plade køles af væske, der ledes gennem køleenheden. Hvis 25 køleenheden anvendes til at køle effekthalvlederkredsløb, kan kredsløbene anbringes ovenpå den kølede plade 3 på en måde, der vil være indlysende for eksperter. Selvfølgelig kan køleenheden anvendes til at køle forskellige andre varmekilder, som for eksempel en varm gas eller væske, der 30 løber langs den fritliggende overflade på den kølede plade 3.

DK 176137 B1 - 5 -

Fig. 2 viser pladen 4 i et perspektiv, der er en smule mere vinklet end i Fig. 1. Synlig i denne visning er indløb 5 og udløb 6, hvis anbringelse var antydet i Fig. 1 med samme referencenumre. Visningen ovenfra af pladen 4 i Fig.

5 3 viser indløbene 5 og udløbene 6 endnu mere klart. Væske løber fra bundsektionen til topsektionen gennem indløbene 5. Medens væsken befinder sig i topsektionen føres den langs den kølede overflade {bundfladen) på toppladen 3 af førende vægsektioner 21, der strækker sig opad fra pladens 10 4 centerplan eller basis 25, som vist med pilene i Fig. 3. Derefter returnerer flowet fra topsektionen til bundsektionen gennem udløbene 6.

Som det klart fremgår af Fig. 3, giver de førende vægsek-15 tioner 21 en mæanderformet flowvej for væsken, ved hjælp af en åben passage i den ene ende af hver vægsektion. Andre vægsektioner løber imidlertid hele vejen gennem strukturen, som for eksempel vægsektionerne 22 og 23. Disse gennemgående vægge opdeler topsektionen i celler, hver med 20 et indløb 5 og et udløb 6.

Som tidligere nævnt, er bundsektionen opdelt i to kamre eller forgreninger. Fig. 4 viser pladen nedefra i perspektiv. En vægsektion 10, der løber i et slangelignende møn-25 ster langs bundsiden, vil lægge an mod husets 13 bundflade 11 i et hovedsagelig væsketæt anslag. Pladens 4 bundsektion er herved opdelt i en indløbssektion eller -forgrening ; 8 og en udløbssektion eller -forgrening 9, når pladen er anbragt i huset. Alle celleindløb 5 er i forbindelse med 30 indløbsforgreningen 8, og alle celleudløb 6 er i forbindelse med udløbsforgreningen 9. Alle celler i topsektionen, Fig. 2 og 3, er således parallelforbundet mellem indløbsforgreningen 8 og udløbsforgreningen 9, og således pa- DK 176137 B1 - 6 - rallelt mellem indløb og udløb, positioner 15 og 14 i Fig.

1.

Indløbene 5 og udløbene 6 er anbragt sådan, at udløbet fra 5 en celle ligger ved siden af indløbet til en anden celle.

Det har den virkning, at opvarmet væske, der skal til at løbe ud fra en celle, er tæt på uopvarmet væske, der lige er løbet ind i en celle ved siden af. Det bidrager til at minimere varmegradienten langs den kølede plade 3. Varme-10 gradienten langs den kølede plade minimeres yderligere ved at variere størrelsen af det areal, som cellen dækker.

Langs kanterne 12 er arealet af hver celle større end på resten af overfladen, hvorved kølingen i området langs kanterne 12 er mindre effektiv end på resten af området.

15 Dette genspejler en situation, hvor tætheden af varmefrem-bringende elementer mindre langs kanterne på et halvleder-apparat end på resten af apparatet. En nedsættelse af kølevirkningen langs kanterne af køleenheden vil forbedre temperaturensartetheden over hele den kølede plade.

20 I den udførelse af opfindelsen, som vises i Fig. 1 til 4, er det hensigten, at et substrat med halvledere skal anbringes ovenpå den kølede plade 3, på en måde, der er kendt af eksperter. Den kølede plade kunne imidlertid være 25 substratet selv, anbragt direkte som låg på køleenheden.

Dette er en følge af den minimerede varmegradient langs den kølede plade, som gør den traditionelle varmespred-ningsplade, vist i Fig. 1 som den kølede plade 3, overflø- i dig i nogle anvendelser.

30

Fig. 5 viser et forenklet tværsnit af en samlet køleenhed, snittet langs linien V-V som angivet i Fig. 3. For enkelhedens skyld er tætningsdetaljer mellem sidevæggene 20 og DK 176137 B1 - 7 - den kølede plade 3 udeladt. Som vist i Fig. 5 forårsager den mæanderformede flowkanal 50 i hver flowcelle løbende ændringer i væskeflowretningen som angivet med pilene 51, 52. Den mæanderformede flowkanal kan tænkes realiseret som 5 en kanalsegmentsekvens 64, 63, 62, 61, som flowet passerer forbi på sin vej fra celleindløbet 5 til celleudløbet 6.

Disse kanalsegmenter begrænses af pladens 4 ledende vægsektion 21, og af den kølede overflade på den kølede plade 3.

10

Medens væsken løber fra et kanalsegment til det næste, skal den passere forbi enden 53 på vægsegmentet 21, som skiller kanalsegmenterne 64, 63, 62, 61 fra hinanden to og to. Dette har vist sig at forårsage en kraftig blanding af 15 væsken, medens den løber langs flowkanalen, hvilket er en fordel for overførslen af varme fra den kølede plade til væsken.

Erfaringen viser imidlertid, at overførslen kan forbedres 20 yderligere ved at tillade et bypassflow af væske fra kanalsegment til kanalsegment hen over toppen af vægsegmenterne. Dette vises i Fig. 5 med 71-73. Hver førende vægsektion 21 slutter i kort afstand fra bundfladen på den kølede plade 3, hvilket efterlader et snævert mellemrum, 25 hvor et bypassflow 71, 72, 73 kan passere fra et kanalsegment til det næste. Generelt løber bypassflowet vinkelret på hovedflowet i kanalsegmenterne. Derfor formodes bypassflowet at skabe øget turbulens i flowmønsteret nær overfladen på den kølede plade. Forsøg og computersimuleringer 30 har vist, at overførslen af varme fra den kølede plade til væsken vil stige væsentligt, og at køleenhedens flow-modstand vil blive væsentligt reduceret, når der indføres sådan et bypassflow gennem et mellemrum mellem toppene på DK 176137 B1 - 8 - de førende vægge 21 og den tilstødende overflade på den kølede plade 3. De på hinanden følgende mellemrum definerer effektivt en bypassflowvej i hver flowcelle, fra cel-leindløbet 5 til celleudløbet 6, som forbinder nabokanal-5 sektioner 61, 62, 63, 64 af den mæanderformende hovedflow-kanal.

Claims

1. En fordeler til fordeling af et væskeflow over en 5 overflade, som skal køles, hvorved fordeleren omfat ter : - en indløbsforgrening (8); - en udløbsforgrening (9); og - mindst en flowcelle (26-29) forbundet mellem forgre- 10 ningerne, hvorved flowcellen omfatter: - et celleindløb (5) i væskeforbindelse med indløbsforgreningen; - et celleudløb (6) i væskeforbindelse med udløbsforgreningen; 15. en hovedflowkanal (50) i form af en mæanderformet sekvens af kanalsegmenter (64, 63, 62, 61) til at føre et hovedvæskeflow fra celleindløbet (5) langs overfladen til celleudløbet (6) med et stort antal retningsændringer (51, 52) i hovedflowet; kendeteg- 20 net ved at en bypassflowkanal (71, 72, 73) tillader et bypassflow af væske fra celleindløbet til celleudløbet; hvorved bypassflowkanalen forbinder kanalsegmenterne på hovedflowkanalen.

2. En fordeler som i krav 1, hvori hovedflowkanalen dan nes af vægsegmenter (21) der udgår fra en basis (25) til den overflade, der skal køles, og hvori bypass-flowkanalen dannes af mellemrum mellem vægsegmenterne og den overflade, der skal køles. 30 ^-1__L· DK 176137 B1 - 10 -

3. En fordeler som i krav 1 eller 2, hvori et stort antal flowceller er forbundet mellem forgreningerne, og hvori hver af flowcellerne omfatter en bypassflowka-nal. 5

4. En enhed, som kan væskekøles, til bortledning af varme fra en varmekilde, hvorved enheden omfatter en plade, som opvarmes af varmekilden og en fordeler som i hvert af de foregående krav til fordeling af et flow af kø- 10 levæske over en overflade på pladen.

5. En elektronisk enhed, som kan væskekøles, hvorved enheden omfatter et elektronisk kredsløb indkapslet i et kredsløbsmodul med en ydre overflade, og en fordeler 15 som i hvert af kravene 1 til 3 til fordeling af et flow af kølevæske over overfladen.