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

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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 
 



  Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Kühlkörper zur Flüssigkeitskühlung von elektrischen Bauelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. 


 Stand der Technik 
 



  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. 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. Um bei den verschiedenen elektrischen Potentialen der zu kühlenden Halbleiterbauelemente Leckströme und Elektrolyseerscheinungen zu vermeiden, muss eine nichtleitende Flüssigkeit, wie z.B. \l, als Kühlmittel verwendet werden. 


 Darstellung der Erfindung 
 



  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. 



  Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Leitungswasser ohne aufwendige Entionisierung zur Kühlung verwendet werden kann. Lange Wasserleitungen zwischen den verschiedenen Potentialen sind nicht erforderlich. Da das Kühlwasser durch einen Isolierschlauch geführt wird, entfallen Leckströme bzw. der Elektrolyseeffekt, der ansonsten bei nicht entionisiertem Wasser auftritt. 



  Die oft geforderte Spannungsfreiheit der Kühlkörper im Luftkanal bei Luft- und Freonkühlung entfällt. Das Bauvolumen des Stromrichters kann kleiner gehalten werden. Luftkanäle vom und zum Stromrichter entfallen. Der Rücklauf und eine Rückkühlungsanlage für die Kühlflüssigkeit können im Fahrzeug freizüigig angeordnet werden. 



  Der Kühlkörper eignet sich besonders gut für Stromrichter im Nahverkehr, d.h. für Strassen-, Untergrund- und Stadtbahnen. 


 Kurze Beschreibung der Zeichnungen 
 



  Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen: 
 
   Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Bauelementauflagefläche eines Kühlkörpers mit einem meanderförmigen Kühlkanal, 
   Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1, 
   Fig. 3 eine Stirnansicht eines scheibenförmigen Kühlkörpers mit zwei an den Bauelementauflageflächen des Kühlkörpers anliegenden Leistungshalbleiterbauelementen, 
   Fig. 4 einen Kühlkörper im Querschnitt mit einem Leistungshalbleiterbauelement und einer elektrischen Anschlussplatte, 
   Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Bauelementauflagefläche eines Kühlkörpers mit einem spiralförmigen Kühlkanal und einer zentralen Kühlkörper-Aussparung und 
   Fig. 6 einen Abschnitt eines Querschnittes durch den Kühlkörper gemäss Fig. 5 im Bereich der Kühlkörper-Aussparung. 
 


 Wege zur Ausführung der Erfindung 
 



  In Fig. 1 ist mit 1 ein metallischer, scheibenförmiger Kühlkörper mit einem Zentrierloch 12 zur Zentrierung eines in Fig. 2 dargestellten Leistungshalbleiterbauelementes 7, z.B. eines Thyristors, bezeichnet. Im Bereich einer oberen Bauelementauflagefläche 2 des Kühlkörpers 1, vgl. 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. Der Kühlkanal 4 ist zur Bauelementauflagefläche 2 hin offen. 



  Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Kühlkörper 1 längs der Linie A-A 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. Die beiden Enden des Isolierschlauches 6 münden in einem Anschlussteil, das die zu- bzw. wegführenden Wasserschläuche 15 trägt, vgl. Fig. 1. Der Isolierschlauch 6 hat einen Durchmesser im Bereich von 2 mm-4 mm, vorzugsweise im Bereich von 2,5 mm-3 mm. 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. Im Isolierschlauch 6 befindet sich als Kühlflüssigkeit 13 Leitungswasser, das vorzugsweise mit Gly santin und/oder Glykol als Frostschutzmittel versehen ist. Das Leitungswasser 13 braucht nicht entionisiert zu sein.

  Der Isolierschlauch 6 wird durch den Wasserdruck einerseits an die Wandungen des Kühlkanals 4 und andererseits an die anliegende Fläche des Leistungshalbleiterbauelementes 7 angepresst. Dadurch entsteht ein guter Wärmefluss vom Leistungshalbleiterbauelement 7 zum Wasser 13 im Isolierschlauch 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. Der Flüssigkeitsauslass 11 befindet sich hinter dem Flüssigkeitseinlass 10; er ist daher in Fig. 3 nicht zu sehen. 



  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. Eine derartige Kühlkörper-Halbleiter-Anordnung kann z.B. am Ende eines gekühlten Leistungshalbleiterbauelemente-Stapels vorgesehen sein. 



  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. 



   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. auch 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. 



  Wichtig ist, dass der mit Kühlflüssigkeit 13 gefüllte Isolierschlauch 6 in einem grossflächigen Kontakt mit dem Külhlkörper 1 steht. 



  Statt meander- oder spiralförmig können die Kühlkanäle 4 und 5 auch radial oder schleifenförmig von innen nach aussen geführt sein. Diesbezüglich wird auch auf die eingangs genannte EP-B1 0 144 579 verwiesen. 



  
 


 Technical field
 



  The invention is based on a heat sink for liquid cooling of electrical components according to the preamble of patent claim 1.


 State of the art
 



  With the preamble of claim 1, the invention relates to a prior art as described in EP-B1 0 144 579. There, in the case of a disk-shaped heat sink, which has radial or serpentine-shaped or involute-shaped or spiral-shaped cooling slots with a rectangular or triangular or semicircular or trapezoidal cross-section in the semiconductor contact surface, coolant is pressed through a cooling channel into a trough surrounding the heat sink from a collecting channel leading into the center of the heat sink. In order to avoid leakage currents and electrolysis phenomena with the different electrical potentials of the semiconductor components to be cooled, a non-conductive liquid, e.g. \ l, can be used as a coolant.


 Presentation of the invention
 



  The invention, as defined in claim 1, solves the problem of further developing a heat sink of the type mentioned at the outset such that deionizing water treatment can be avoided with water cooling.



  An advantage of the invention is that tap water can be used for cooling without complex deionization. Long water pipes between the different potentials are not necessary. Since the cooling water is led through an insulating hose, there is no leakage current or the electrolysis effect, which otherwise occurs with non-deionized water.



  The often required absence of voltage from the heat sink in the air duct for air and freon cooling is eliminated. The construction volume of the converter can be kept smaller. Air channels to and from the converter are eliminated. The return and a cooling system for the coolant can be freely arranged in the vehicle.



  The heat sink is particularly well suited for converters in local traffic, i.e. for street, underground and light rail.


 Brief description of the drawings
 



  The invention is explained below using exemplary embodiments. Show it:
 
   1 is a plan view of a component contact surface of a heat sink with a meandering cooling channel,
   2 shows a section along the line A-A in FIG. 1,
   3 shows an end view of a disk-shaped heat sink with two power semiconductor components resting on the component contact surfaces of the heat sink,
   4 shows a heat sink in cross section with a power semiconductor component and an electrical connection plate,
   Fig. 5 is a plan view of a component support surface of a heat sink with a spiral cooling channel and a central heat sink recess and
   FIG. 6 shows a section of a cross section through the heat sink according to FIG. 5 in the area of the heat sink recess.
 


 Ways of Carrying Out the Invention
 



  In Fig. 1, 1 is a metallic, disc-shaped heat sink with a centering hole 12 for centering a power semiconductor component 7 shown in Fig. 2, e.g. of a thyristor. In the area of an upper component contact surface 2 of the heat sink 1, cf. 2, a meandering cooling channel 4, which is U-shaped in cross section, is provided in the heat sink, which is connected on the one hand to a liquid inlet 10 and on the other hand to a liquid outlet 11. The cooling channel 4 is open to the component support surface 2.



  FIG. 2 shows a cross section through the heat sink 1 along the line A-A of FIG. The two ends of the insulating tube 6 open into a connecting part which carries the water hoses 15 leading in and out, cf. Fig. 1. The insulating tube 6 has a diameter in the range of 2 mm-4 mm, preferably in the range of 2.5 mm-3 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. In the insulating tube 6 there is 13 tap water as the cooling liquid, which is preferably provided with Gly santin and / or glycol as an antifreeze. The tap water 13 need not be deionized.

  The insulating tube 6 is pressed by the water pressure on the one hand against the walls of the cooling channel 4 and on the other hand against the adjacent surface of the power semiconductor component 7. This creates a good heat flow from the power semiconductor component 7 to the water 13 in the insulating tube 6.



  3 shows the arrangement of two power semiconductor components 7 and 8 on an upper or lower component support surface 2 or 3 of a disk-shaped heat sink 1, in which an upper cooling duct 4 adjoins the upper component support surface 2 and a second cooling duct 5 adjoins the lower component contact surface 3 runs. The liquid outlet 11 is located behind the liquid inlet 10; it cannot therefore be seen in FIG. 3.



  In the cross section shown in FIG. 4 through a heat sink 1, instead of the lower power semiconductor component 8 according to FIG. 3, a metallic connection plate 9 is provided for making electrical contact with the power semiconductor component 7. Such a heat sink semiconductor arrangement can e.g. be provided at the end of a cooled power semiconductor component stack.



  In the central area of the heat sink 1, a heat sink recess 14 is provided, into which the insulating tube 6 is guided from the upper cooling channel 4 to the lower cooling channel 5 or vice versa.



   5 shows a heat sink 1 with a spiral-shaped cooling channel 4 and a heat sink recess 14 through which the insulating tube 6 is guided from the upper to the lower cooling channel 4 and 7, cf. also Fig. 6.



  It goes without saying that instead of a U-shaped profile for the cooling channels 4 and 5, a semicircular or triangular or trapezoidal etc. profile can also be provided.



  It is important that the insulating tube 6 filled with cooling liquid 13 is in extensive contact with the cooling body 1.



  Instead of meandering or spiraling, the cooling channels 4 and 5 can also be guided radially or in a loop from the inside to the outside. In this regard, reference is also made to EP-B1 0 144 579 mentioned at the beginning.

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 liquid outlet (11) for a cooling liquid (13),    b) which are connected to at least one cooling duct (4, 5),    c) which is formed in the area of at least one flat component support surface (2, 3) of the heat sink (1), characterized in that    d) that an insulating tube (6) is inserted into the cooling channel (4, 5).   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. Heat sink according to claim 1, characterized in    a) that the insulating tube (6) has 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. 3rd 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.  Heatsink according to claim 1 or 2, characterized in that      a) that the insulating tube (6) has a diameter in the range of 2 mm-4 mm,    b) in 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. 4. Heat sink according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling channel (4, 5) is U-shaped in cross section. 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. 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. 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. 3. 5. Heat sink according to one of claims 1-4, characterized in      a) that the cooling element (1) is disc-shaped,    b) that the cooling channel (4, 5) is formed spirally in both opposite component support surfaces (2, 3) and    c) that the insulating tube (6) is guided in a heat sink recess (14) of the heat sink (1) from a semiconductor support surface (2) to the opposite semiconductor support surface (3),    d) in particular that the heat sink recess (14) is arranged in the central region of the heat sink.         1. heat sink for liquid cooling of electrical components (7, 8)      a) with at least one liquid inlet (10) and at least one liquid outlet (11) for a cooling liquid (13),    b) which are connected to at least one cooling duct (4, 5),    c) which is formed in the area of at least one flat component support surface (2, 3) of the heat sink (1), characterized in that    d) that an insulating tube (6) is inserted into the cooling channel (4, 5).   2. Heat sink according to claim 1, characterized in    a) that the insulating tube (6) has 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. 3rd 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. 4. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (4, 5) im Querschnitt U-förmig ausgebildet ist. 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.  Heatsink according to claim 1 or 2, characterized in that      a) that the insulating tube (6) has a diameter in the range of 2 mm-4 mm,    b) in particular in the range of 2.5 mm-3 mm.   4. Heat sink according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cooling channel (4, 5) is U-shaped in cross section. 5. Heat sink according to one of claims 1-4, characterized in      a) that the cooling element (1) is disc-shaped,    b) that the cooling channel (4, 5) is formed spirally in both opposite component support surfaces (2, 3) and    c) that the insulating tube (6) is guided in a heat sink recess (14) of the heat sink (1) from a semiconductor support surface (2) to the opposite semiconductor support surface (3),    d) in particular that the heat sink recess (14) is arranged in the central region of the heat sink.    
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