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PATENTANSPRÜCHE
1. Kühlvorrichtung (1) zur Flüssigkeitskühlung von Leistungshalbleiterbauelementen (2) mit ¯einem metallischen Kühlkörper, in dem sich eine Kühilei- tung (14) für eine Kühlflüssigkeit befindet, und ¯einem Eintrittsnippel (3) und einem Austrittsnippel (4), die flüssigkeitsdicht mit den Enden der Kühileitung (14) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ¯der Eintrittsnippel (3) und Austrittsnippel (4) je ein Röhrchen (15) umschliessen, des aus einem gegen Elektrolyseprodukte der Kühlflüssigkeit korrosionsbeständigen Material besteht.
2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen (15) eingegossen sind.
3. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühileitung (14) an den Enden Ausweitungen besitzt, und die Länge der Röhrchen (15) grösser ist als die der Ein- und Austrittsnippel (3, 4), so dass die Röhrchen einerseits über die Nippel (3, 4) hinausragen und andererseits in die Ausweitungen der Kühlleitung (14) enden.
4. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Teile der Nippel (3, 4) tannenbaumförmig ausgebildet sind.
5. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleitung (14) mäanderförmig ausgebildet ist.
6. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper aus Aluminium besteht, und die Röhrchen (15) aus rostfreiem Stahl.
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper sowie die Ein- und Austrittsnippel (3, 4) einstückig ausgebildet sind.
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Flüssigkeitsgekühlte Kühlvorrichtungen werden vielfach benötigt für Baugruppen mit mehreren übereinander angeordneten Leistungshalbleiterbauelementen, wie z.B. Thyristoren, um die entstehende Verlustwärme ausreichend abführen zu können.
Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der DE-A-3 114 556 bekannt. Das dort beschriebene Kühlelement ist in einer Baugruppe aus einer Reihenschaltung von drei Kühlelementen und zwei Thyristoren eingesetzt. Das scheibenförmige Kühlelement enthält eine Kühlmittelleitung aus rostfreiem Stahl, die zwei übereinanderliegende, ebene Spiralen bildet. An den Enden der Leitung sind Anschlussnippel für die Zu- und Abflussleitungen von entionisiertem Wasser als Kühlmittel vorgesehen. Auf den Kühlelementen befinden sich Befestigungslaschen, die unter anderem als elektrische Anschlüsse für die Thyristoren dienen.
Die Kühlelemente werden in einem Druckgussverfahren aus einer üblichen Aluminiumlegierung hergestellt. Dabei werden die beiden Spiralen mit Schiebern in einer Kokille richtig positioniert. Die Schieber werden nach dem Druckabbau aus der noch flüssigen Gussmasse herausgezogen.
Zwischen den Kühlelementen existieren während des Betriebes Spannungsdifferenzen von mehreren kV. Die Verwendung von entionisiertem Kühlwasser ist jedoch teuer.
Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Kühlvorrichtung der obengenannten Art anzugeben, die beständig ist gegen die Elektrolyse bei Verwendung unreinen Kühlwassers und auf einfachere und wirtschaftlichere Art herzustellen ist als die herkömmlichen Kühlelemente.
Die Erfindung hat unter anderem den Vorteil, dass eine teure Kühlmittelleitung aus rostfreiem Stahl entfällt, und eine aufwendige Entionisierung des Kühlwassers überflüssig geworden ist. Dadurch können bei der Kühlung von Leistungshalbleiterbauelementen erhebliche Kosten gespart werden. Dies ist vor allem für kleinere Baugruppen von Bedeutung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem anhand der Zeichnungen näher erläuterten Beispiel. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Baugruppe mit zwei Thyristoren und drei erfindungsgemässen Kühlvorrichtungen in Vorderansicht,
Fig. 2 dieselbe Baugruppe in Seitenansicht in Richtung A der Fig. 1,
Fig. 3 dieselbe Baugruppe in Draufsicht in Richtung B der Fig. 1 und
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Kühlvorrichtung gemäss der Linie C-C in Fig. 1.
In Fig. list eine Baugruppe mit einer Reihenschaltung von drei erfindungsgemässen Kühlvorrichtungen 1 und zwei Thyristoren 2 dargestellt, wobei sich jeder Thyristor 2 zwischen zwei Kühlvorrichtungen 1 befindet. Die Kühlvorrichtung 1 weist ein viereckiges Gehäuseteil, sowie anschliessend ein kürzeres und längeres Flanschteil auf, derart, dass sie den Gehäuseteil einschliessen. Am Gehäuseteil sind ein Eintrittsnippel 3 und ein Austrittsnippel 4 für die Kühlflüssigkeit vorgesehen. In die beiden Flanschteile sind Führungslöcher 5 gebohrt. Im längeren Flanschteil ist noch ein Kontaktierungsloch 6 für den elektrischen Anschluss vorgesehen. Angrenzend an die äusseren Kühlvorrichtungen 1 sind lsolationskörper 7 und 8 angeordnet. Dieser Aufbau ist zwischen einer Blattfeder 9 und einem Spann Joch 10 mittels Bolzenschrauben 11 und Muttern 12 eingespannt.
Die Bolzenschrauben 11 sind dazu durch die Führungslöcher 5 der Kühlkörper 1 und durch entsprechende Löcher in der Blattfeder 9 und im Spannioch 10 geführt.
In Fig. 2 ist der gesamte Aufbau in Seitenansicht in die Richtung A der Fig. 1 ersichtlich. Die Bezeichnung der Elemente ist dieselbe wie in Fig. 1. Auf den oberen Eintritts nippel 3 ist ein Schlauch 13 für die Kühlflüssigkeit aufgeschoben. Die Eintritts- und Austrittsnippel 3 und 4 sind tannenbaumförmig ausgebildet, um eine einwandfreie Dichtung zwischen Nippel und Schlauch zu gewährleisten.
Fig. 3 zeigt eine Obenansicht in die Richtung B der Fig. 1.
Die Bezeichnung der Elemente ist wiederum dieselbe wie in Fig.
1.
Fig. 4 stellt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Kühlvorrichtung 1 gemäss der Linie C-C in Fig. 1 dar. Der viereckige Gehäuseteil 1 und die Flanschteile der Kühlvorrichtung 1 bestehen aus einer Aluminiumlegierung. Sie sind im Kokillenguss-Verfahren hergestellt. Im Gehäuseteil ist eine mäanderförmige Rohrleitung als Kühlleitung 14 vorgesehen, deren Enden ausgeweitet sind. Daran anschliessend befinden sich die Eintritts- und Austrittsnippel 3 und 4, die passend um ein Röhrchen 15 aus rostfreiem Stahl gegossen sind, so dass ein sicherer elektrischer Kontakt besteht. Die Röhrchen 15 sind von einer solchen Länge, dass sie einerseits über die Nippel 3 und 4 hinausragen und andererseits in die Ausweitungen der Kühlleitung 14 enden.
Die Röhrchen 15 und die Kühlleitung 14 haben zweckmässigerweise den gleichen Querschnitt um einen möglichst geringen Druckabfall zu erreichen. Im Gegensatz zu den üblichen, geschraubten Anschlussnippeln benötigen die erfindungsgemässen Nippel 3 und 4 keine zusätzlichen Abdichtungen.
Zwischen den Kühlvorrichtungen 1 gemäss dem Aufbau nach Fig. 1 bestehen nun während des Betriebes Spannungsdifferenzen von mehreren kV. Je nach Leitfähigkeit des Kühiwas- sers fliessen dadurch grössere Ströme durch den Eintrittsnippel 3 und den Austrittsnippel 4 der verschiedenen Kühlvorrichtungen 1. Da der elektrische Widerstand zwischen dem Kühlwasser und rostfreiem Stahl viel geringer ist als zwischen dem Kühl
wasser und Aluminium, wird der Stromübertritt fast auschliesslich an den Röhrchen 15 stattfinden. Die Röhrchen 15 dienen deshalb als Elektroden und weil sie aus einem bezüglich Elektrolyseprodukte der Kühlflüssigkeit korrosionsbeständigen Material bestehen, wird eine wesentliche Elektrolyse und somit ein Materialabtrag kaum noch auftreten. Durch die grössere Länge des Röhrchens 15 als die des Ein- oder Austrittsnippels 3 oder 4 und durch die Ausweitungen an den Enden der Kühlleitung 14 wird gewährleistet, dass auch in der unmittelbaren Nähe des Röhrchens kein Aluminium durch Elektrolyse abgetragen wird.
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PATENT CLAIMS
1. Cooling device (1) for liquid cooling of power semiconductor components (2) with ¯ a metallic heat sink, in which there is a cooling line (14) for a cooling liquid, and ¯ an inlet nipple (3) and an outlet nipple (4), which are liquid-tight are connected to the ends of the cooling line (14), characterized in that the inlet nipple (3) and outlet nipple (4) each enclose a tube (15) which consists of a material which is corrosion-resistant to the electrolysis products of the cooling liquid.
2. Cooling device (1) according to claim 1, characterized in that the tubes (15) are cast in.
3. Cooling device (1) according to claim 2, characterized in that the cooling line (14) has extensions at the ends, and the length of the tubes (15) is greater than that of the inlet and outlet nipples (3, 4), so that on the one hand the tubes protrude beyond the nipples (3, 4) and on the other hand they end in the extensions of the cooling line (14).
4. Cooling device (1) according to claim 3, characterized in that the outer parts of the nipples (3, 4) are fir tree-shaped.
5. Cooling device (1) according to claim 4, characterized in that the cooling line (14) is meandering.
6. Cooling device (1) according to claim 5, characterized in that the cooling body consists of aluminum, and the tubes (15) made of stainless steel.
7. Cooling device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heat sink and the inlet and outlet nipples (3, 4) are integrally formed.
The invention relates to a cooling device according to the preamble of patent claim 1.
Liquid-cooled cooling devices are often required for assemblies with several power semiconductor components arranged one above the other, e.g. Thyristors in order to be able to dissipate the resulting heat loss sufficiently.
Such a cooling device is known from DE-A-3 114 556. The cooling element described there is used in an assembly comprising a series connection of three cooling elements and two thyristors. The disc-shaped cooling element contains a coolant line made of stainless steel, which forms two superimposed, flat spirals. At the ends of the line there are connection nipples for the inlet and outlet lines of deionized water as a coolant. Fastening tabs are located on the cooling elements, which serve, among other things, as electrical connections for the thyristors.
The cooling elements are manufactured in a die-casting process from a common aluminum alloy. The two spirals with sliders are correctly positioned in a mold. After the pressure has been released, the slides are pulled out of the still liquid casting compound.
Voltage differences of several kV exist between the cooling elements during operation. However, the use of deionized cooling water is expensive.
The invention, as characterized in the claims, achieves the object of specifying a cooling device of the type mentioned above, which is resistant to electrolysis when using impure cooling water and can be produced in a simpler and more economical manner than the conventional cooling elements.
The invention has the advantage, among other things, that an expensive coolant line made of stainless steel is eliminated, and complex deionization of the cooling water has become superfluous. As a result, considerable costs can be saved in the cooling of power semiconductor components. This is particularly important for smaller assemblies. Further advantages of the invention result from the example explained in more detail with reference to the drawings. It shows:
1 is an assembly with two thyristors and three cooling devices according to the invention in front view,
2 the same assembly in side view in direction A of FIG. 1,
Fig. 3 shows the same assembly in plan view in direction B of Fig. 1 and
4 shows a cross section through a cooling device according to the invention along the line C-C in FIG. 1.
FIG. 1 shows an assembly with a series connection of three cooling devices 1 according to the invention and two thyristors 2, each thyristor 2 being located between two cooling devices 1. The cooling device 1 has a square housing part, and then a shorter and longer flange part, such that they enclose the housing part. An inlet nipple 3 and an outlet nipple 4 for the coolant are provided on the housing part. Guide holes 5 are drilled in the two flange parts. A contact hole 6 is also provided in the longer flange part for the electrical connection. Insulating bodies 7 and 8 are arranged adjacent to the outer cooling devices 1. This structure is clamped between a leaf spring 9 and a clamping yoke 10 by means of bolts 11 and nuts 12.
For this purpose, the stud bolts 11 are guided through the guide holes 5 of the heat sink 1 and through corresponding holes in the leaf spring 9 and in the clamping hole 10.
2 shows the entire structure in a side view in the direction A of FIG. 1. The designation of the elements is the same as in Fig. 1. On the upper inlet nipple 3, a hose 13 for the coolant is pushed. The inlet and outlet nipples 3 and 4 are fir tree-shaped to ensure a perfect seal between the nipple and hose.
FIG. 3 shows a top view in the direction B of FIG. 1.
The designation of the elements is again the same as in Fig.
1.
FIG. 4 shows a cross section through a cooling device 1 according to the invention along the line C-C in FIG. 1. The square housing part 1 and the flange parts of the cooling device 1 consist of an aluminum alloy. They are made using the mold casting process. In the housing part, a meandering pipeline is provided as the cooling line 14, the ends of which are widened. Adjacent to this are the inlet and outlet nipples 3 and 4, which are appropriately cast around a tube 15 made of stainless steel, so that there is a reliable electrical contact. The tubes 15 are of such a length that, on the one hand, they protrude beyond the nipples 3 and 4 and, on the other hand, they end in the extensions of the cooling line 14.
The tubes 15 and the cooling line 14 expediently have the same cross section in order to achieve the lowest possible pressure drop. In contrast to the usual screwed connection nipples, the nipples 3 and 4 according to the invention do not require any additional seals.
There are now voltage differences of several kV between the cooling devices 1 according to the structure in FIG. 1 during operation. Depending on the conductivity of the cooling water, larger currents flow through the inlet nipple 3 and the outlet nipple 4 of the various cooling devices 1. Since the electrical resistance between the cooling water and stainless steel is much lower than between the cooling devices
water and aluminum, the current transfer will take place almost exclusively on the tube 15. The tubes 15 therefore serve as electrodes and because they consist of a material that is corrosion-resistant with regard to the electrolysis products of the cooling liquid, substantial electrolysis and thus material removal will hardly occur. The larger length of the tube 15 than that of the inlet or outlet nipple 3 or 4 and the extensions at the ends of the cooling line 14 ensure that no aluminum is removed by electrolysis even in the immediate vicinity of the tube.