DE10203239A1

DE10203239A1 - Kühlbaustein

Info

Publication number: DE10203239A1
Application number: DE2002103239
Authority: DE
Inventors: Hermann Ebert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2002-01-28
Publication date: 2003-06-05

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlbaustein. Erfindungsgemäß weist der Kühlbaustein eine Kühlplatte (2) mit mehreren nebeneinander verlaufenden Kühlmittelkanälen (10, 12), eine alle Kühlmittelkanäle (10, 12) verbindende Einrichtung (4) und zwei Anschlussmittel (6, 8) für einen Kühlmittelzu- und -abfluss auf, wobei diese Kühlmittelkanäle (10, 12) abwechselnd in zwei beabstandeten Ebenen der Kühlplatte (2) angeordnet sind, wobei die Kühlmittelkanäle (10 bzw. 12) jeweils einer Ebene mittels eines Querkanals untereinander verbunden sind und wobei jeweils ein Anschlussmittel (6, 8) mit einem Querkanal verbunden ist. Somit erhält man einen Kühlbaustein, dessen Kühlplatte (2) eine annähernd gleiche Kühlmitteltemperatur aufweist, so dass alle zu kühlenden Bauelemente dieser Kühlplatte (2) unabhängig von seiner Platzierung gleich gekühlt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlbaustein.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 75 39 365 ist ein Kühlbaustein bekannt, mit dem zwei Halbleiterbauelemente gekühlt werden. Dieser Kühlbaustein weist einen plattenförmigen Körper aus thermisch gut leitendem Material auf. Im Innern dieses plattenförmigen Körpers sind mehrere Kühlmittelkanäle nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Diese Kühlmittelkanäle durchsetzen in einem ersten Endabschnitt einen ersten querverlaufenden Kühlmittelkanal und münden an ihrem anderen Ende in einen weiteren, ebenfalls querverlaufenden Kühlmittelkanal. Außerdem ist je ein Anschlussmittel, beispielsweise ein Anschlussstutzen, an einer Außenseite des Kühlbausteins so angeordnet, dass er jeweils die Öffnung eines querverlaufenden Kühlmittelkanals für den Zu- bzw. Abfluss eines Kühlmittels bildet. Diese Anschlussmittel können auf einer Flachseite oder auf einer Schmalseite des plattenförmigen Körpers des Kühlbausteins angebracht sein. Die Kühlmittelkanäle können kreisförmig oder anderen Querschnitt aufweisen. Dieser Querschnitt bestimmt im wesentlichen die Dicke des Kühlbausteins.

Bei diesem Kühlbaustein werden die zu kühlenden Halbleiterbauelemente nacheinander unterströmt, so dass das in Strömungsrichtung letzte Halbleiterbauelement mit vorerwärmter Flüssigkeit gekühlt wird. Damit bei diesem bekannten Kühlbaustein die zu kühlenden Elemente möglichst gleiche Kühlbedingungen erhalten, wird im allgemeinen der Kühlmittelstrom hoch gewählt, weil so die Kühlmittelerwärmung gering bleibt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen bekannten Kühlbaustein derart weiterzubilden, dass ohne Erhöhung des Kühlmittelstromes für alle zu kühlenden Elemente die gleichen Kühlbedingungen gelten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass alle nebeneinander verlaufende Kühlmittelkanäle mittels einer Einrichtung miteinander verbunden werden, und diese Kühlmittelkanäle abwechselnd in zwei beabstandeten Ebenen der Kühlplatte angeordnet sind, bilden jeweils zwei benachbarte Kühlmittelkanäle einen Hin- und Rückführkanal für das Kühlmittel. Durch diese höhenversetzte Anordnung der Kühlmittelkanäle werden jeweils alle Kühlmittelkanäle einer Ebene der Kühlplatte mittels eines Querkanals strömungsmäßig miteinander verbunden. Diese beiden Kühlkanäle bilden somit einen Kühlmittelverteiler und einen Kühlmittelsammler. Durch diese abwechselnde Anordnung von Hin- und Rückführkanälen fließt frisches und erwärmtes Kühlmittel in engen thermischen Kontakt antiparallel unter den zu kühlenden Bauelementen. Dadurch "sehen" alle zu kühlenden Bauelemente annähernd die gleiche Kühlmitteltemperatur. Somit werden die zu kühlenden Bauelemente ortsunabhängig vom Kühlbaustein gekühlt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Kühlbausteins ist eine zweite alle Kühlmittelkanäle verbindende Einrichtung vorgesehen und sind die beiden Querkanäle mittensyrnmetrisch zur Kühlplatte angeordnet. Dadurch kann bei gleichem Kühlmitteldruck und doppeltem Volumenstrom eine Kühlplatte mit doppelter Fläche bei einheitlich gleichmäßig verteilten Kühlbedingungen realisiert werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Kühlbausteins bilden die Kühlplatte und die alle Kühlmittelkanäle verbindende Einrichtung eine Baueinheit. Dadurch vereinfacht sich der Aufbau des Kühlbausteins wesentlich.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Kühlbausteins ist der Abstand zweier nebeneinander verlaufenden Kühlmittelkanälen sehr viel kleiner als die Tiefe eines Kühlmittelkanals. Dadurch verbessert sich die thermische Kopplung jeweils zwischen zwei benachbarten Kühlmittelkanälen erheblich, so dass sich über die gesamte Kühlplatte eine konstante mittlere Kühlmitteltemperatur einstellt.

Dadurch, dass die nebeneinander verlaufenden Kühlmittelkanälen höhenversetzt innerhalb der Kühlplatte des Kühlbausteins angeordnet sind, können die beiden Querkanäle auf sehr einfache Weise erzeugt werden. Jeweils mittels eines Sackloches wird jeweils jeder zweite Kühlmittelkanal, d. h., jeweils die Kühlmittelkanäle einer Ebene, geöffnet. Sind diese Querkanäle Sacklöcher, so befinden sich die zugehörigen Anschlussmittel jeweils auf einer Schmalseite der Kühlplatte des Kühlbausteins. Anstelle von Sacklöchern als Querkanäle, können auch Ausnehmungen vorgesehen sein. Dadurch wandern die zugehörigen Anschlussmittel jeweils auf eine Flachseite der Kühlplatte des Kühlbausteins.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Ansprüchen 7 bis 13 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kühlbausteins schematisch veranschaulicht sind.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlbausteins, die
Fig. 2 zeigt einen Schnitt entlang der beiden Querkanäle eines Kühlbausteins nach der Erfindung, in der
Fig. 3 ist vereinfacht der Kühlmittelverlauf einer weiteren Ausführungsform des Kühlbausteins nach der Erfindung dargestellt, wogegen die
Fig. 4 den Kühlmittelverlauf einer vorteilhaften Ausführungsform des Kühlbausteins nach der Erfindung schematisch veranschaulicht, und die
Fig. 5 bis 7 zeigen jeweils einen Schnitt durch entlang der beiden Querkanäle eines Kühlbausteins nach der Erfindung.
Der Kühlbaustein nach Fig. 1 weist eine Kühlplatte 2, eine Einrichtung 4 und zwei Anschlussmittel 6 und 8 auf. Die Kühlplatte 2 weist in seinem Innern mehrere nebeneinander verlaufende Kühlmittelkanäle 10 und 12 auf, die höhenversetzt angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform verlaufen diese Kühlmittelkanäle 10 und 12 durch die gesamte Kühlplatte 2. Stirnseitig weist die Kühlplatte 2 einerseits die Einrichtung 4 und andererseits eine Abschlussplatte 14 auf. Mittels dieser Abschlussplatte 14 werden die Kühlmittelkanäle 10 und 12 einseitig verschlossen. Mittels der Einrichtung 4 werden alle Kühlmittelkanäle 10 und 12 strömungsmäßig miteinander verbunden. Dazu weist diese Einrichtung 4 einen einzigen Querkanal auf, der die stirnseitigen Öffnungen der höhenversetzt angeordneten Kühlmittelkanäle 10 und 12 umfasst. Der Verlauf des Kühlmittels ist hier mittels einer unterbrochenen Linie dargestellt.
In den beiden Flachseiten 16 und 18 der Kühlplatte 2 sind in einem Stirnbereich jeweils eine Ausnehmung 20 bzw. 22 derart angeordnet, dass die Kühlmittelkanäle 10 bzw. 12 einer Ebene der Kühlplatte 2 geöffnet sind. Jede Ausnehmung 20 bzw. 22 wird mittels des Anschlussmittels 6 bzw. 8 abgedeckt. Die Anschlussmittel 6 und 8 sind jeweils als Deckel ausgebildet, der einen Anschlussstutzen 24 bzw. 26 aufweist. Am Anschlussstutzen 24 wird ein Kühlmittel-Zuflussschlauch und am Anschlussstutzen 26 ein Kühlmittel-Abflussschlauch angeschlossen. Dadurch, dass das Anschlussmittel 6 bzw. 8 als Deckel ausgebildet ist, bildet das Anschlussmittel 6 bzw. 8 mit der korrespondierenden Ausnehmung 20 bzw. 22 einen Kühlmittelverteiler bzw. einen Kühlmittelsammler.
Anstelle der Ausnehmungen 20 und 22 können die Kühlmittelkanäle 10 bzw. 12 einer Ebene der Kühlplatte 2 auch mittels eines Sackloches 28 bzw. 30 geöffnet werden (Fig. 2). Dadurch werden die Anschlussmittel 6 und 8 nun an den Schmalseiten der Kühlplatte 2 angebracht. Diese beiden Sacklöcher 28 und 30 bilden wieder einen Kühlmittelverteiler und einen Kühlmittelsammler.
In der Fig. 3 ist der Verlauf des Kühlmittels bei einem Kühlbaustein nach Fig. 2 näher dargestellt. Diese Darstellung zeigt, dass jeweils jeder zweite Kühlmittelkanal kühlflüssigkeitsmäßig mit dem Kühlmittelverteiler bzw. mit dem Kühlmittelsammler verbunden sind. Alle Kühlmittelkanäle sind auf der gegenüberliegenden Seite mittels eines Querkanals der Einrichtung 4 strömungsmäßig miteinander verbunden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Kühlbausteins nach der Erfindung, die in der Fig. 3 näher dargestellt ist, sind die Querkanäle für den Kühlmittelverteiler bzw. für den Kühlmittelsammler mittensyrnmetrisch zur Kühlplatte 2 angeordnet. Dadurch sind die gegenüberliegenden Öffnungen der Kühlmittelkanäle jeweils mittels eines Querkanals strömungsmäßig miteinander verbunden. D. h., die Kühlplatte 2 des Kühlbausteins weist an jeder Stirnseite eine Einrichtung 4 auf. Durch diese Ausgestaltung kann bei gleichem Druck und doppeltem Volumenstrom eine Kühlplatte 2 mit doppelter Fläche bei einheitlich gleichmäßig verteilten Kühlmittelbedingungen realisiert werden.
Unabhängig von der höhenversetzten Anordnung der Kühlmittelkanäle 10 und 12 können diese unterschiedliche Querschnitte aufweisen. In der Fig. 2 weisen die Kühlmittelkanäle 10 und 12 jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt auf. In der Fig. 5 sind Kühlmittelkanäle 10 und 12 jeweils mit trapezförmigen Querschnitten dargestellt, wogegen die Querschnitte in der Fig. 6 dreieckförmig und in der Fig. 7 kreisförmig ausgebildet sind. Welche Querschnittsfläche verwendet wird, richtet sich nach den thermischen und hydraulischen Anforderungen. Außerdem richtet sich die Form der Querschnittsfläche danach, ob die Kühlplatte 2 möglichst viele Kühlmittelkanäle 10 und 12 aufweisen soll, oder ob die thermische Kopplung zwischen den Kühlmittelkanälen 10 und 12 möglichst hoch sein soll. Je geringer der Abstand zwischen zwei benachbarten Kühlmittelkanälen 10 und 12 ist, um so besser ist die thermische Kopplung, wodurch eine mittlere Kühlmitteltemperatur konstant über die gesamte Kühlplatte 2 verteilt ist.

Claims

1. Kühlbaustein mit einer mehrere nebeneinander verlaufende Kühlmittelkanälen (10,12) aufweisenden Kühlplatte (2), mit einer alle Kühlmittelkanälen (10, 12) verbindenden Einrichtung (4) und mit zwei Anschlussmittel (6, 8) für einen Kühlmittelzu- und -ablauf, wobei diese nebeneinander verlaufenden Kühlmittelkanälen (10,12) abwechselnd in zwei beabstandeten Ebenen der Kühlplatte (2) angeordnet sind, wobei die Kühlmittelkanäle (10 bzw. 12) jeweils einer Ebene mittels eines Querkanals untereinander verbunden sind, und wobei jeweils ein Anschlussmittel (6, 8) mit einem Querkanal verbunden ist.

2. Kühlbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite alle Kühlmittelkanälen (10,12) verbindende Einrichtung (4) vorgesehen ist und dass die beiden Querkanäle (4) mittensymmetrisch zur Kühlplatte (2) angeordnet sind.

3. Kühlbaustein nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (2) und die alle Kühlmittelkanäle (10,12) verbindende Einrichtung (4) eine Baueinheit bilden.

4. Kühlbaustein nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweier nebeneinander verlaufenden Kühlmittelkanäle (10, 12) sehr viel kleiner ist als die Tiefe eines Kühlmittelkanals (10, 12).

5. Kühlbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkanäle jeweils ein Sackloch (28, 30) ist.

6. Kühlbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkanäle jeweils eine Ausnehmung (20, 22) ist.

7. Kühlbaustein nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche eines jeden Kühlmittelkanals (10, 12) rechteckförmig ist.

8. Kühlbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche eines jeden Kühlmittelkanals (10, 12) trapezförmig ist.

9. Kühlbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche eines jeden Kühlmittelkanals (10, 12) dreieckförmig ist.

10. Kühlbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche eines jeden Kühlmittelkanals (10, 12) kreisförmig ist.

11. Kühlbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (2) und die Einrichtung (4) jeweils ein Strangpressprofil ist.

12. Kühlbaustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit ein Strangpressprofil ist.

13. Kühlbaustein nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangpressprofil aus thermisch gut leitendem Material ist.