CH659736A5 - Cooling unit for forced oil circulation cooling of electronic components - Google Patents

Description

  
 

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

 



   PATENTANSPRÜCHE
1. Kühleinheit für Zwangsölumlaufkühlung elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiter bestehend aus einzelnen, zum Teil voneinander elektrisch isolierten Kühlkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlkörper (1) aus einem Metallblock (2) besteht in welchen in Längsrichtung parallele, schmale und tiefe Nuten (3) mittels eines Kreissägeblattes eingesägt sind, und dass an den beiden Enden der Nuten (3) entweder im Querschnitt runde oder ovale Ausnehmungen (4), die normal zur Längsrichtung der Nuten (3) verlaufen und diese untereinander verbinden und an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des Kühlkörpers (1) zur Verwendung als Vor- (5) und Rücklaufrohr (6) ausgebildet sind oder Vertiefungen (41) vorgesehen sind, und dass die Nuten (3) und die Vertiefungen (41) mit einem Verschlussmittel verschlossen sind.



   2. Kühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4) in einem vorbestimmten Abstand vorgesehen sind, um bei langen Kühlkörpern (1) zu verhindern, dass sich in den Nuten (3) eine laminare Strömung einstellt.



   3. Kühleinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmittel eine Abdeckplatte (8) ist.



   4. Kühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (41) oval, vorzugsweise mittels eines Fingerfräsers hergestellt sind und normal zur Längsrichtung der Nuten (3) vorgesehen sind und diese untereinander verbinden, und dass die Vertiefungen (41) an den beiden gegenüberliegenden Stirnflächen mit ihrer Längsseite bis an den Rand des Me   tallblockes    (2) ragen, und dass an diesen Längsseiten je ein Flansch (7) angeordnet ist, und dass die ovalen Vertiefungen (41) bei langen Kühlkörpern (1) auch in Abständen entlang der Nuten (3) vorgesehen sind, und dass als Verschlussmittel ein zweiter Kühlkörper vorgesehen ist, und die beiden Kühlkörper (1) spiegelsymmetrisch miteinander verbunden sind.



   5. Kühleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (1) zur voneinander elektrisch isolierten Verbindung im Vor- (5) und Rücklaufrohr (6) oder Flansch (7) angesenkt sind und mittels eines isolierenden Kunststoff-Koppelrohres (81) verbunden sind, dessen Aussendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser der im Vor- (5) und Rücklaufrohr (6) oder Flansch (7) des Kühlkörpers (1) angeordneten Senkung (51, 61) ist, und dass in der Nähe der beiden Enden des Kunststoff-Koppelrohres (81) aussen je eine Ringnut angeordnet ist, in welche ein elastischer O-Ring (14) eingelegt ist, und dass zwei Kühlkörper (1) mittels einer Isolierplatte (12) und isolierenden Bolzen (13) distanziert sind.



   Die Erfindung betrifft eine Kühleinheit für Zwangsölum   laufkühlung    elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiter bestehend aus einzelnen, zum Teil voneinander elektrisch isolierten Kühlkörpern.



   Durch die laufende Erhöhung des Betriebsstromes der Halbleiterelemente müssen in der Leistungselektronik immer höhere Verlustleistungen pro Halbleiter abgeführt werden. Dabei ist mit forcierter Luftkühlung kein kompakter Aufbau mehr erzielbar, wodurch Flüssigkeiten zum Wärmeabtransport verwendet werden müssen.



   Stand der Technik sind Wasserkühlkörper, von denen bereits eine Vielzahl von Varianten bekannt sind. Muss die Anlage für Freiluftbetrieb ausgelegt werden, ist mit Temperaturen bis   zu¯30 C    zu rechnen. Durch die Gefahr der Dissoziierung des Kühlwassers durch das elektrische Potentialfeld einzelner Bauelemente bzw. Kühlkörper sind aufwendige Massnahmen zur Reinhaltung und Entionisierung des Wassers notwendig und eine Beimischung von Gefrierschutzmittel erforderlich. Ein weiteres Problem bilden jene Kühlkörper, welche komplizierte Anordnungen zur Potentialsteuerung wie z.B. Opferkathoden aufweisen.



   Ein weiteres Problem bekannter Kühleinheiten ist, dass die einzelnen Kühlkörper über komplizierte Schlauchverbindungen miteinander verbunden werden müssen.



   Es ist daher oft notwendig, Ölkühlung anzuwenden um auch bei tiefen Temperaturen eine ausreichende Betriebssicherheit zu erzielen.



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und einfache, billig herzustellende Kühlkörper zur   Ölkühlung    zu schaffen.



   Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlkörper aus einem Metallblock besteht in welchen in Längsrichtung parallele, schmale und tiefe Nuten mittels eines Kreissägeblattes   eingesägt    sind, und dass an den beiden Enden der Nuten entweder im Querschnitt runde oder ovale Ausnehmungen, die normal zur Längsrichtung der Nuten verlaufen und diese untereinander verbinden und an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des Kühlkörpers zur Verwendung als Vor- und Rücklaufrohr ausgebildet sind oder Vertiefungen vorgesehen sind, und dass die Nuten und die Vertiefungen mit einem Verschlussmittel verschlossen sind.



   Durch die einfache Herstellung des Kühlkörpers mittels einer Kreissäge aus z.B. einem Aluminiumblock, fallen nur sehr geringe Investitionskosten im Vergleich zu stranggepressten Profilen bzw. gesenkgeschmiedeten Kupferteilen an. Ausserdem können erstmals leichtere und billigere Kühlkörper hergestellt werden.



   Von Vorteil ist, dass die Ausnehmungen bei langen Kühlkörpern in einem Abstand vorgesehen sind, bei dem sich in den Nuten noch keine laminare Strömung einstellt.



   Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verschlussmittel eine Abdeckplatte ist.



   Eine Ausgestaltung der Erfindung ist, dass die Vertiefungen oval, vorzugsweise mittels eines Fingerfräsers hergestellt sind und normal zur Längsrichtung der Nuten vorgesehen sind und diese untereinander verbinden, und dass die Vertiefungen an den beiden gegenüberliegenden Stirnflächen mit ihrer Längsseite bis an den Rand des Metallblockes ragen, und dass an diesen Längsseiten je ein Flansch angeordnet ist, und dass die ovalen Vertiefungen bei langen Kühlkörpern auch in Abständen entlang der Nuten vorgesehen sind, und dass als Verschlussmittel ein zweiter Kühlkörper vorgesehen ist und die beiden Kühlkörper spiegelsymmetrisch miteinander verbunden sind.

  Bei langen Kühlkörpern zur Kühlung mehrerer Halbleiter ist die Anordnung von Vertiefungen innerhalb der Nuten, deshalb von Vorteil, da dadurch eine Verwirbelung der Ölströmung entsteht, wodurch sich in jedem Nutenabschnitt ein turbulenter Einlauf einer laminaren Strömung mit besonders gutem Wärmeübergang bei minimaler Pumpenleistung einstellt. Da die Vertiefungen mit einem Fingerfräser hergestellt werden, können sie in jeder Form und auch mit beliebiger Tiefe ausgeführt werden.



   Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kühlkörper zur voneinander elektrisch isolierten Verbindung im Vorund Rücklaufrohr oder Flansch angesenkt und mittels eines isolierenden Kunststoff-Koppelrohres verbunden, dessen Aussendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser der im Vor- und Rücklaufrohr oder Flansch des Kühlkörpers angeordneten Senkung ist, und in der Nähe der beiden Enden des Kunststoff-Koppelrohres ist aussen je eine Ringnut angeordnet, in welche ein elastischer O-Ring eingelegt ist, und zwei Kühlkörper sind mittels einer Isolierplatte und isolierenden Bolzen distanziert.



   Diese Verbindungsart erlaubt eine einfache und betriebssichere potentialtrennende Zusammenschaltung einzelner Kühlkörper ohne Schlauchverbindungen, welche viel Platz einnehmen würden, brüchig werden könnten und eine zusätzliche Pumpenleistung erfordern würden. Die O-Ringe dichten auch  



  durch den Öldruck selbst ab und arbeiten unabhängig von der mechanischen Verspannung der einzelnen Kühlelemente zueinander, wodurch auch die Montagetoleranzen erhöht werden können.



   Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der Figurenbeschreibung, bei der Fig. 1 einen Einzelkühlkörper, Fig. 2 einen einseitig wirkenden Doppelkühlkörper, Fig. 3 einen beidseitig wirkenden Kühlkörper mit insgesamt sechs Halbleitern, Fig. 4 den beidseitig wirkenden Kühlkörper im Schnitt mit den Nuten und Vertiefungen und Fig. 5 die isolierte Verbindung zweier Kühlkörper zeigt.



   Fig. 1 stellt den Aufbau eines Einzelkühlkörpers dar. In einen Metallblock, vorzugsweise Aluminium, werden zuerst zwei Löcher - 4 - gebohrt, welche gleichzeitig als Vor- und Rücklaufrohr - 5, 6 - dienen. Nachher werden mittels eines strichliert gezeichneten   Kreissägeblattes - 9 - die      Nuten¯3¯    zwischen den   Bohrungen¯4    ausgesägt. Zum Schluss wird eine   Abdeckplatte - 8 - entweder    unter Beilage eines O-Ringes aufgeschraubt oder mittels einer Schweissnaht öldicht mit dem   Metallblock - 2 - verbunden.    Der zu kühlende Gegenstand, z.B. hier ein   Halbleiter - 10 - ist    strichliert dargestellt und wird auf der glatten Seite des   Metaliblockes - 2 - angepresst.   



   Fig. 2 zeigt als Ausführungsbeispiel einen einseitig wirkenden Doppelkühlkörper. Die mittlere Bohrung muss am Ende geeignet verschlossen werden oder wird als breite ovale Vertiefung - 41 - mittels eines Fingerfräsers hergestellt. Die Ölströmung wird durch die senkrechte Umlenkung aus dem Vorlaufrohr - 5 - in die Nuten - 3 - kräftig verwirbelt und damit stark turbulent. Eine turbulente Strömung weist im Gegensatz zur laminaren Strömung eine sehr hohe Wärmeübergangszahl auf. In den Nuten - 3 - sinkt der turbulente Anteil langsam ab und die Strömung wird bei sehr lange#n Nuten - 3 - laminar. Durch die mittlere   Vertiefung - 41 - wird    dies verhindert, da es beim Aus- und Einlauf zu einer turbulenten Verwirbelung kommt.

  Bei langen   Kühikörpern - 1 - bzw.    für mehrere   Bauelemente - 10 - werden    daher analog mehrere Vertiefungen - 41 - angeordnet.



   Fig. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel eines beidseitig kühlenden   Doppelkühlkörpers - 1 - für    insgesamt sechs strichliert gezeichnete   Halbleiter¯10¯.    An die beiden symmetrischen Halbelementkühlkörper - 11 - sind an die beiderseitigen Enden   Flansche - 7 - angeschweisst.    Beim   gezeichne-    ten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine   Drehstroman    wendung, wobei auf jedem   Doppelkühlkörper - 1 - sechs      Halbleiter - 10 - angeordnet    sind.



   Die einzelnen Doppelkühlkörper - 1 werden an den   Flanschen -7 - über      Isolierplatten - 12 - aus    Hartholz distanziert und elektrisch isoliert. Die isolierten   Schrauben¯13    - dienen der mechanischen Verspannung. Fig. 4 zeigt das Detail der Verbindung zweier   Halbelementkühlkörper - 11 -.   



  Die beiden Halbelementkühlkörper - 11 - werden aus einem Metallblock, vorzugsweise Aluminium durch Sägen der Nuten - 3 - in Längsrichtung entlang der gesamten   Halbelementlän-    ge und anschliessendes Ausfräsen der   Vertiefungen¯41¯    senkrecht zur Längsrichtung hergestellt. An zwei Enden werden die   Vertiefungen - 41 - bis    zum Rand freigefräst und dienen in Verbindung mit den Flanschen - 7 gleichzeitig als Vor - 5 - und   Rücklauf¯6¯.    Anschliessend werden die beiden   Halbelementkühlkörper - 11 aussen    mit den   Flanschen¯7      3      verschweisst.   



   Fig. 5 zeigt das Detail der elektrisch isolierten Verbindung zweier Doppelkühlkörper, welche an ihren Enden Flanschverbindungen aufweisen. Das   Kunststoffkoppelrohr - 81 - weist    in der Nähe beider Enden zwei Nuten auf, in welche elastische   5 O-Ringe - 14 - eingelegt    sind. In den beiderseitigen Flanschen - 7 - sind für den Vor- und Rücklauf   -      5,   6 zwei Senkbohrungen¯51,   61¯vorgesehen,    welche einen etwas grösseren Durchmesser als das Kunststoffkoppelrohr aufweisen.



   Es ist auch möglich, z.B. beim Ausführungsbeispiel des einseitig kühlenden   Kühlkörpers - 1 in    Fig. 1, die Vor- und Rücklaufbohrung etwas grösser als   Senkung - 51, 61 auszu-    führen. Das   Kunststoffkoppelrohr - 81 - kann    mechanische Spannungen und Montagetoleranzen der   Kühlkörper - 1 -    ausgleichen. Die beiden   0-Ringe   - 14 - werden durch den Öl druck an die metallischen Wände der Senkungen   -   51, 61 gedrückt und erlauben einen zuverlässigen Betrieb unabhängig von den mechanischen Vorspannungskräften zwischen den   Doppelkühlkörpern. Die Isolierpiatte - 12 - wird ausreichend    gross ausgebohrt und dient zur mechanischen Distanzierung von zwei Doppelkühlkörpern. 

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE 1. Kühleinheit für Zwangsölumlaufkühlung elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiter bestehend aus einzelnen, zum Teil voneinander elektrisch isolierten Kühlkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlkörper (1) aus einem Metallblock (2) besteht in welchen in Längsrichtung parallele, schmale und tiefe Nuten (3) mittels eines Kreissägeblattes eingesägt sind, und dass an den beiden Enden der Nuten (3) entweder im Querschnitt runde oder ovale Ausnehmungen (4), die normal zur Längsrichtung der Nuten (3) verlaufen und diese untereinander verbinden und an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des Kühlkörpers (1) zur Verwendung als Vor- (5) und Rücklaufrohr (6) ausgebildet sind oder Vertiefungen (41) vorgesehen sind, und dass die Nuten (3) und die Vertiefungen (41) mit einem Verschlussmittel verschlossen sind.
2. 2. Kühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (4) in einem vorbestimmten Abstand vorgesehen sind, um bei langen Kühlkörpern (1) zu verhindern, dass sich in den Nuten (3) eine laminare Strömung einstellt.
3. 3. Kühleinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlussmittel eine Abdeckplatte (8) ist.
4. 4. Kühleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (41) oval, vorzugsweise mittels eines Fingerfräsers hergestellt sind und normal zur Längsrichtung der Nuten (3) vorgesehen sind und diese untereinander verbinden, und dass die Vertiefungen (41) an den beiden gegenüberliegenden Stirnflächen mit ihrer Längsseite bis an den Rand des Me tallblockes (2) ragen, und dass an diesen Längsseiten je ein Flansch (7) angeordnet ist, und dass die ovalen Vertiefungen (41) bei langen Kühlkörpern (1) auch in Abständen entlang der Nuten (3) vorgesehen sind, und dass als Verschlussmittel ein zweiter Kühlkörper vorgesehen ist, und die beiden Kühlkörper (1) spiegelsymmetrisch miteinander verbunden sind.
5. 5. Kühleinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkörper (1) zur voneinander elektrisch isolierten Verbindung im Vor- (5) und Rücklaufrohr (6) oder Flansch (7) angesenkt sind und mittels eines isolierenden Kunststoff-Koppelrohres (81) verbunden sind, dessen Aussendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser der im Vor- (5) und Rücklaufrohr (6) oder Flansch (7) des Kühlkörpers (1) angeordneten Senkung (51, 61) ist, und dass in der Nähe der beiden Enden des Kunststoff-Koppelrohres (81) aussen je eine Ringnut angeordnet ist, in welche ein elastischer O-Ring (14) eingelegt ist, und dass zwei Kühlkörper (1) mittels einer Isolierplatte (12) und isolierenden Bolzen (13) distanziert sind.

   Die Erfindung betrifft eine Kühleinheit für Zwangsölum laufkühlung elektronischer Bauelemente, insbesondere Halbleiter bestehend aus einzelnen, zum Teil voneinander elektrisch isolierten Kühlkörpern.

   Durch die laufende Erhöhung des Betriebsstromes der Halbleiterelemente müssen in der Leistungselektronik immer höhere Verlustleistungen pro Halbleiter abgeführt werden. Dabei ist mit forcierter Luftkühlung kein kompakter Aufbau mehr erzielbar, wodurch Flüssigkeiten zum Wärmeabtransport verwendet werden müssen.

   Stand der Technik sind Wasserkühlkörper, von denen bereits eine Vielzahl von Varianten bekannt sind. Muss die Anlage für Freiluftbetrieb ausgelegt werden, ist mit Temperaturen bis zu¯30 C zu rechnen. Durch die Gefahr der Dissoziierung des Kühlwassers durch das elektrische Potentialfeld einzelner Bauelemente bzw. Kühlkörper sind aufwendige Massnahmen zur Reinhaltung und Entionisierung des Wassers notwendig und eine Beimischung von Gefrierschutzmittel erforderlich. Ein weiteres Problem bilden jene Kühlkörper, welche komplizierte Anordnungen zur Potentialsteuerung wie z.B. Opferkathoden aufweisen.

   Ein weiteres Problem bekannter Kühleinheiten ist, dass die einzelnen Kühlkörper über komplizierte Schlauchverbindungen miteinander verbunden werden müssen.

   Es ist daher oft notwendig, Ölkühlung anzuwenden um auch bei tiefen Temperaturen eine ausreichende Betriebssicherheit zu erzielen.

   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden und einfache, billig herzustellende Kühlkörper zur Ölkühlung zu schaffen.

   Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kühlkörper aus einem Metallblock besteht in welchen in Längsrichtung parallele, schmale und tiefe Nuten mittels eines Kreissägeblattes eingesägt sind, und dass an den beiden Enden der Nuten entweder im Querschnitt runde oder ovale Ausnehmungen, die normal zur Längsrichtung der Nuten verlaufen und diese untereinander verbinden und an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des Kühlkörpers zur Verwendung als Vor- und Rücklaufrohr ausgebildet sind oder Vertiefungen vorgesehen sind, und dass die Nuten und die Vertiefungen mit einem Verschlussmittel verschlossen sind.

   Durch die einfache Herstellung des Kühlkörpers mittels einer Kreissäge aus z.B. einem Aluminiumblock, fallen nur sehr geringe Investitionskosten im Vergleich zu stranggepressten Profilen bzw. gesenkgeschmiedeten Kupferteilen an. Ausserdem können erstmals leichtere und billigere Kühlkörper hergestellt werden.

   Von Vorteil ist, dass die Ausnehmungen bei langen Kühlkörpern in einem Abstand vorgesehen sind, bei dem sich in den Nuten noch keine laminare Strömung einstellt.

   Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verschlussmittel eine Abdeckplatte ist.

   Eine Ausgestaltung der Erfindung ist, dass die Vertiefungen oval, vorzugsweise mittels eines Fingerfräsers hergestellt sind und normal zur Längsrichtung der Nuten vorgesehen sind und diese untereinander verbinden, und dass die Vertiefungen an den beiden gegenüberliegenden Stirnflächen mit ihrer Längsseite bis an den Rand des Metallblockes ragen, und dass an diesen Längsseiten je ein Flansch angeordnet ist, und dass die ovalen Vertiefungen bei langen Kühlkörpern auch in Abständen entlang der Nuten vorgesehen sind, und dass als Verschlussmittel ein zweiter Kühlkörper vorgesehen ist und die beiden Kühlkörper spiegelsymmetrisch miteinander verbunden sind.

   Bei langen Kühlkörpern zur Kühlung mehrerer Halbleiter ist die Anordnung von Vertiefungen innerhalb der Nuten, deshalb von Vorteil, da dadurch eine Verwirbelung der Ölströmung entsteht, wodurch sich in jedem Nutenabschnitt ein turbulenter Einlauf einer laminaren Strömung mit besonders gutem Wärmeübergang bei minimaler Pumpenleistung einstellt. Da die Vertiefungen mit einem Fingerfräser hergestellt werden, können sie in jeder Form und auch mit beliebiger Tiefe ausgeführt werden.

   Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Kühlkörper zur voneinander elektrisch isolierten Verbindung im Vorund Rücklaufrohr oder Flansch angesenkt und mittels eines isolierenden Kunststoff-Koppelrohres verbunden, dessen Aussendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser der im Vor- und Rücklaufrohr oder Flansch des Kühlkörpers angeordneten Senkung ist, und in der Nähe der beiden Enden des Kunststoff-Koppelrohres ist aussen je eine Ringnut angeordnet, in welche ein elastischer O-Ring eingelegt ist, und zwei Kühlkörper sind mittels einer Isolierplatte und isolierenden Bolzen distanziert.

   Diese Verbindungsart erlaubt eine einfache und betriebssichere potentialtrennende Zusammenschaltung einzelner Kühlkörper ohne Schlauchverbindungen, welche viel Platz einnehmen würden, brüchig werden könnten und eine zusätzliche Pumpenleistung erfordern würden. Die O-Ringe dichten auch **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.