CH677293A5 - Power semiconductor heat sink - has meandering flow path containing insulating hose filled with cooling fluid - Google Patents

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Xaver Vogel
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Abstract

The heat sink is connected in a liquid cooling circuit via an inlet and outlet connection at opposite ends of a meandering flow path (4) through the metal heat sink (1). The flow path (4) contains an insulating hose (6) which is filled with the cooling fluid, the fluid press maintaining the hose (6) in contact with the walls of the flow path (4) and with the surface of the power semiconductor (7) extending across the surface of the heat sink (1) incorporating the meandering flow path (4). Pref. the hose (6) has a dia. of between 2mm and 4mm with a wall thickness of between 0.05mm and 0.2mm. USE - For power thyristors in current regulator.

Description


  
 


  Technisches Gebiet technical field 
 



   Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung von elektrischen Bauelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. In the invention, it is assumed that a heat sink for liquid cooling of electrical components according to the preamble of claim 1. 


  Stand der Technik State of the art 
 



   Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der EP-B1 0 144 579 beschrieben ist. With the preamble of patent claim 1, the invention refers to a prior art, as described in EP-B1 0144579.  Dort wird bei einem scheibenförmigen Kühlkörper, welcher in der Halbleiterauflagefläche radiale oder serpentinförmige oder evolventenförmige oder spiralförmige Kühlschlitze mit rechteckigem oder dreieckförmigem oder halbrundem oder trapezförmigem Querschnitt aufweist, von einem ins Zentrum des Kühlkörpers führenden Sammelkanal Kühlflüssigkeit durch die Kühlschlitze in eine den Kühlkörper umgebende Wanne gedrückt. Here, in a disc-shaped heat sink, which in the semiconductor supporting surface radial or serpentine or involute-shaped or spiral cooling slots having a rectangular or triangular or semi-circular or trapezoidal cross-section which is pressed by a leading into the center of the heat sink collecting channel cooling fluid through the cooling slits in a heat sink surrounding tub.  Um bei den verschiedenen elektrischen Potentialen der zu kühlenden Halbleiterbauelemente Leckströme und Elektrolyseerscheinungen zu vermeiden, muss eine nichtleitende Flüssigkeit, wie zB \l, als Kühlmittel verwendet werden. In order to avoid the different electrical potentials to be cooled semiconductor devices, leakage currents and electrolysis phenomena, must be a non-conductive liquid, such as \ l, is used as coolant. 


  Darstellung der Erfindung Summary of the Invention 
 



   Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, einen Kühlkörper der eingangs genannten Art der art weiterzuentwickeln, dass bei einer Wasserkühlung eine entionisierende Wasseraufbereitung vermieden werden kann. The invention as defined in claim 1, solves the problem of the art to develop a heat sink of the type mentioned that, for a water cooling a deionizing water treatment can be avoided. 



   Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Leitungswasser ohne aufwendige Entionisierung zur Kühlung verwendet werden kann. An advantage of the invention is that tap water can be used without expensive deionization for cooling.  Lange Wasserleitungen zwischen den verschiedenen Potentialen sind nicht erforderlich. Long water lines between the different potentials are not required.  Da das Kühlwasser durch einen Isolierschlauch geführt wird, entfallen Leckströme bzw. der Elektrolyseeffekt, der ansonsten bei nicht entionisiertem Wasser auftritt. Since the cooling water is passed through an insulating tube, accounting for leakage currents or the electrolytic effect which would otherwise occur at not deionized water. 



   Die oft geforderte Spannungsfreiheit der Kühlkörper im Luftkanal bei Luft- und Freonkühlung entfällt. The often required from supply of the heat sink in the air duct at air and freon cooling is not necessary.  Das Bauvolumen des Stromrichters kann kleiner gehalten werden. The overall volume of the power converter can be made smaller.  Luftkanäle vom und zum Stromrichter entfallen. Air ducts and attributable to the converter from.  Der Rücklauf und eine Rückkühlungsanlage für die Kühlflüssigkeit können im Fahrzeug freizüigig angeordnet werden. The return and re-cooling system for the cooling liquid may be arranged freizüigig in the vehicle. 



   Der Kühlkörper eignet sich besonders gut für Stromrichter im Nahverkehr, dh für Strassen-, Untergrund- und Stadtbahnen. The heat sink is particularly suitable for converters in transport, ie road, underground and urban railways. 


  Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief Description of Drawings 
 



   Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. The invention will be explained below by embodiments.  Es zeigen: Show it: 
 
    Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Bauelementauflagefläche eines Kühlkörpers mit einem meanderförmigen Kühlkanal, Fig. 1 is a plan view of a component supporting surface of a heat sink with a meandering cooling channel, 
    Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie AA in Fig. 1, Fig. 2 shows a section along the line AA in Fig. 1, 
    Fig. 3 eine Stirnansicht eines scheibenförmigen Kühlkörpers mit zwei an den Bauelementauflageflächen des Kühlkörpers anliegenden Leistungshalbleiterbauelementen, Fig. 3 is an end view of a disc-shaped heat sink with two of the component bearing surfaces of the heat sink adjacent power semiconductor components, 
    Fig. 4 einen Kühlkörper im Querschnitt mit einem Leistungshalbleiterbauelement und einer elektrischen Anschlussplatte, Fig. 4 shows a heat sink in cross-section with a power semiconductor device and an electric terminal plate, 
    Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Bauelementauflagefläche eines Kühlkörpers mit einem spiralförmigen Kühlkanal und einer zentralen Kühlkörper-Aussparung und Fig. 5 is a plan view of a component supporting surface of a cooling body having a helical cooling channel and a central heat sink recess and 
    Fig. 6 einen Abschnitt eines Querschnittes durch den Kühlkörper gemäss Fig. 5 im Bereich der Kühlkörper-Aussparung. Fig. 6 shows a portion of a cross section through the heat sink of FIG. 5 in the region of the cooling body recess. 
 


  Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of carrying out the invention 
 



   In Fig. 1 ist mit 1 ein metallischer, scheibenförmiger Kühlkörper mit einem Zentrierloch 12 zur Zentrierung eines in Fig. 2 dargestellten Leistungshalbleiterbauelementes 7, zB eines Thyristors, bezeichnet. In Fig. 1, is designated with a centering hole 12 for centering a power semiconductor device shown in Fig. 2 7, for example a thyristor having 1, a metallic disc-shaped heat sink.  Im Bereich einer oberen Bauelementauflagefläche 2 des Kühlkörpers 1, vgl. In the region of an upper component supporting surface 2 of the cooling element 1, see FIG.  Fig. 2, ist im Kühlkörper ein meanderförmiger und in seinem Querschnitt U-förmiger Kühlkanal 4 vorgesehen, der einerseits an einen Flüssigkeitseinlass 10 und andererseits an einen Flüssigkeitsauslass 11 angeschlossen ist. Fig. 2, a meander-shaped and U-shaped in its cross-section cooling passage 4 is provided in the heat sink, which is connected on the one hand to a liquid inlet 10 and secondly to a fluid outlet. 11  Der Kühlkanal 4 ist zur Bauelementauflagefläche 2 hin offen. The cooling passage 4 is open to the bearing surface component. 2 



   Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Kühlkörper 1 längs der Linie AA von Fig. 1. Dort ist mit 6 ein in den Kühlkanal 4 eingelegter Isolierschlauch bezeichnet, der elektrisch ausreichend isoliert und gleichzeitig relativ gut wärmeleitend ist. Fig. 2 shows a cross section through the cooling body 1 along the line AA of Fig. 1. There is a 6 inserted into the cooling passage 4 Insulating referred to, which is sufficiently electrically isolated and at the same relatively highly thermally conductive.  Die beiden Enden des Isolierschlauches 6 münden in einem Anschlussteil, das die zu- bzw. wegführenden Wasserschläuche 15 trägt, vgl. The two ends of the insulating tube 6 open into a connecting part which carries the supply and leading away water hoses 15, see FIG.  Fig. 1. Der Isolierschlauch 6 hat einen Durchmesser im Bereich von 2 mm-4 mm, vorzugsweise im Bereich von 2,5 mm-3 mm. Fig. 1. The insulation tube 6 has a diameter in the mm range of 2 mm-4 mm, preferably in the range of 2.5 mm-3.  Die Dicke des Isolierschlauches 6 liegt im Bereich von 0,05 mm-0,2 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,08 mm-0,12 mm. The thickness of the insulating tube 6 is in the range of 0.05 mm-0.2 mm, preferably in the range of 0.08 mm-0.12 mm.  Im Isolierschlauch 6 befindet sich als Kühlflüssigkeit 13 Leitungswasser, das vorzugsweise mit Gly santin und/oder Glykol als Frostschutzmittel versehen ist. In the insulating tube 6 is provided as the cooling liquid 13 tap water, preferably santin with Gly and / or glycol is provided as an antifreeze agent.  Das Leitungswasser 13 braucht nicht entionisiert zu sein. The tap water 13 need not be deionized.

   Der Isolierschlauch 6 wird durch den Wasserdruck einerseits an die Wandungen des Kühlkanals 4 und andererseits an die anliegende Fläche des Leistungshalbleiterbauelementes 7 angepresst. The insulating tube 6 is pressed by the water pressure on the one hand to the walls of the cooling channel 4, and the other hand on the adjacent surface of the power semiconductor component. 7  Dadurch entsteht ein guter Wärmefluss vom Leistungshalbleiterbauelement 7 zum Wasser 13 im Isolierschlauch 6. This creates a good heat flow from the power semiconductor device 7 to the water 13 in the insulating tube. 6 



   Fig. 3 zeigt die Anordnung zweier Leistungshalbleiterbauelemente 7 und 8 an einer oberen bzw. unteren Bauelementauflagefläche 2 bzw. 3 eines scheibenförmigen Kühlkörpers 1, bei dem ein oberer Kühlkanal 4 angrenzend an die obere Bauelementauflagefläche 2 und ein zweiter Kühlkanal 5 angrenzend an die untere Bauelementauflagefläche 3 verläuft. Fig. 3 shows the arrangement of two power semiconductor devices 7 and 8 on an upper or lower element supporting surface 2 and 3, a disc-shaped heat sink 1, wherein an upper cooling duct 4 adjacent to the upper component supporting surface 2 and a second cooling channel 5 adjacent to the lower component supporting surface 3 runs.  Der Flüssigkeitsauslass 11 befindet sich hinter dem Flüssigkeitseinlass 10; The liquid outlet 11 is located behind the liquid inlet 10;  er ist daher in Fig. 3 nicht zu sehen. He is therefore 3 not shown in Fig.. 



   In dem in Fig. 4 dargestellten Querschnitt durch einen Kühlkörper 1 ist anstelle des unteren Leistungshalbleiterbauelementes 8 gemäss Fig. 3 eine metallische Anschlussplatte 9 zur elektrischen Kontaktierung des Leistungshalbleiterbauelementes 7 vorgesehen. In the example shown in Fig. 4 the cross section of a cooling body 1, instead of the lower power semiconductor device 8 according to FIG. 3 is a metallic terminal plate 9 are provided for electrically contacting the power semiconductor component. 7  Eine derartige Kühlkörper-Halbleiter-Anordnung kann zB am Ende eines gekühlten Leistungshalbleiterbauelemente-Stapels vorgesehen sein. Such a heat sink semiconductor device can for example be provided at the end of a cooled power semiconductor elements stack. 



   Im mittleren Bereich des Kühlkörpers 1 ist eine Kühlkörper-Aussparung 14 vorgesehen, in welche der Isolierschlauch 6 vom oberen Kühlkanal 4 zum unteren Kühlkanal 5 geführt ist bzw. umgekehrt. In the middle region of the cooling body 1, a heat-sink recess 14 is provided, in which the insulating tube 6 is guided by the upper cooling channel 4 to the lower cooling duct 5, and vice versa. 



    Fig. 5 zeigt einen Kühlkörper 1 mit spiralförmigem Kühlkanal 4 und einer Kühlkörper-Aussparung 14, durch welche der Isolierschlauch 6 vom oberen zum unteren Kühlkanal 4 bzw. 7 geführt ist, vgl. Fig. 5 shows a heat sink 1 having a spiral cooling channel 4 and a cooling body recess 14 through which the insulating sleeve 6 is guided from the upper to lower cooling duct 4 and 7, see FIG.  auch Fig. 6. also Fig. 6. 



   Es versteht sich, dass anstelle eines U-förmigen Profils für die Külhlkanäle 4 und 5 auch ein halbrundes oder dreieckiges oder trapezförmiges usw. Profil vorgesehen werden kann. It is understood that instead of a U-shaped profile for the Külhlkanäle 4 and 5, a semi-circular or triangular or trapezoidal profile, etc. can be provided. 



   Wichtig ist, dass der mit Kühlflüssigkeit 13 gefüllte Isolierschlauch 6 in einem grossflächigen Kontakt mit dem Külhlkörper 1 steht. It is important that the filled with cooling liquid 13 insulating sleeve 6 is in a large-area contact with the Külhlkörper. 1 



   Statt meander- oder spiralförmig können die Kühlkanäle 4 und 5 auch radial oder schleifenförmig von innen nach aussen geführt sein. Instead Meander or helical the cooling channels can also be guided radially or looped outside from the inside 4 and 5. FIG.  Diesbezüglich wird auch auf die eingangs genannte EP-B1 0 144 579 verwiesen. Reference is also made to the aforementioned EP-B1 0144579. 

Claims (5)

1. Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung von elektrischen Bauelementen (7, 8) a) mit mindestens einem Flüssigkeitseinlass (10) und mindestens einem Flüssigkeitsaauslass (11) für eine Kühlflüssigkeit (13), b) welche mit mindestens einem Kühlkanal (4, 5) verbunden sind, c) der im Bereich mindestens einer ebenen Bauelementauflagefläche (2, 3) des Kühlkörpers (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, d) dass in den Kühlkanal (4, 5) ein Isolierschlauch (6) eingelegt ist. 1. Heat sink for liquid cooling of electrical components (7, 8) a) with at least one liquid inlet (10) and at least one Flüssigkeitsaauslass (11) for a cooling liquid (13), b) which are connected with at least one cooling duct (4, 5) , c) formed in the region of at least one flat component supporting surface (2, 3) of the cooling body (1), characterized in that d), 5) an insulating sleeve (6) is inserted into the cooling channel (. 4
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass der isolierschlauch (6) eine Schlauchdicke im Bereich von 0,05 mm-0,2 mm, b) insbesondere im Bereich von 0,08 mm-0,12 mm hat. 2. A heat sink according to claim 1, characterized in a) that the insulating sleeve (6) a tube thickness in the range of 0.05 mm-0.2 mm, b) in particular in the range of 0.08 mm-0.12 mm.
3. Third
Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Isolierschlauch (6) einen Durchmesser im Bereich von 2 mm-4 mm, b) insbesondere im Bereich von 2,5 mm-3 mm hat. Cooling body according to claim 1 or 2, characterized a) in that the insulating sleeve (6) mm a diameter in the range of 2 mm-4) b particular in the range of 2.5 mm-3 mm.
4. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (4, 5) im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist. In that the cooling channel is formed U-shaped in cross-section (4, 5) 4. A heat sink according to any one of claims 1 to 3, characterized.
5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Kühlement (1) scheibenförmig ist, b) dass der Kühlkanal (4, 5) spiralförmig in beiden gegenüberliegenden Bauelementauflageflächen (2, 3) ausgebildet ist und c) dass der Isolierschlauch (6) in einer Kühlkörper-Aussparung (14) des Kühlkörpers (1) von einer Halbleiterauflagefläche (2) zur gegenüberliegenden Halbleiterauflagefläche (3) geführt ist, d) insbesondere, dass die Kühlkörper-Aussparung (14) im zentralen Bereich des Kühlkörpers angeordnet ist. 5. The heatsink of any one of claims 1-4, characterized in a) that the cooling element (1) is disc-shaped, b) that the cooling passage (4, 5) formed spirally in two opposite component bearing surfaces (2 3) and c) that the insulating tube (6) of the cooling body (1) is guided from a semiconductor supporting surface (2) to the opposite semiconductor supporting surface (3) in a cooling body recess (14),) d, in particular, that the cooling body recess (14) in the central region of the the heat sink is arranged. 1. Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung von elektrischen Bauelementen (7, 8) a) mit mindestens einem Flüssigkeitseinlass (10) und mindestens einem Flüssigkeitsaauslass (11) für eine Kühlflüssigkeit (13), b) welche mit mindestens einem Kühlkanal (4, 5) verbunden sind, c) der im Bereich mindestens einer ebenen Bauelementauflagefläche (2, 3) des Kühlkörpers (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, d) dass in den Kühlkanal (4, 5) ein Isolierschlauch (6) eingelegt ist. 1. Heat sink for liquid cooling of electrical components (7, 8) a) with at least one liquid inlet (10) and at least one Flüssigkeitsaauslass (11) for a cooling liquid (13), b) which are connected with at least one cooling duct (4, 5) , c) formed in the region of at least one flat component supporting surface (2, 3) of the cooling body (1), characterized in that d), 5) an insulating sleeve (6) is inserted into the cooling channel (. 4 2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass der isolierschlauch (6) eine Schlauchdicke im Bereich von 0,05 mm-0,2 mm, b) insbesondere im Bereich von 0,08 mm-0,12 mm hat. 2. A heat sink according to claim 1, characterized in a) that the insulating sleeve (6) a tube thickness in the range of 0.05 mm-0.2 mm, b) in particular in the range of 0.08 mm-0.12 mm. 3. Third
Kühlkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Isolierschlauch (6) einen Durchmesser im Bereich von 2 mm-4 mm, b) insbesondere im Bereich von 2,5 mm-3 mm hat. Cooling body according to claim 1 or 2, characterized a) in that the insulating sleeve (6) mm a diameter in the range of 2 mm-4) b particular in the range of 2.5 mm-3 mm. 4. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (4, 5) im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist. In that the cooling channel is formed U-shaped in cross-section (4, 5) 4. A heat sink according to any one of claims 1 to 3, characterized. 5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Kühlement (1) scheibenförmig ist, b) dass der Kühlkanal (4, 5) spiralförmig in beiden gegenüberliegenden Bauelementauflageflächen (2, 3) ausgebildet ist und c) dass der Isolierschlauch (6) in einer Kühlkörper-Aussparung (14) des Kühlkörpers (1) von einer Halbleiterauflagefläche (2) zur gegenüberliegenden Halbleiterauflagefläche (3) geführt ist, d) insbesondere, dass die Kühlkörper-Aussparung (14) im zentralen Bereich des Kühlkörpers angeordnet ist. 5. The heatsink of any one of claims 1-4, characterized in a) that the cooling element (1) is disc-shaped, b) that the cooling passage (4, 5) formed spirally in two opposite component bearing surfaces (2 3) and c) that the insulating tube (6) of the cooling body (1) is guided from a semiconductor supporting surface (2) to the opposite semiconductor supporting surface (3) in a cooling body recess (14),) d, in particular, that the cooling body recess (14) in the central region of the the heat sink is arranged.
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