DD231680A1 - COOLING DEVICE FOR POWER SEMICONDUCTOR COMPONENTS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung beschreibt eine Kuehleinrichtung zur Abfuehrung der Verlustleistung bei Leistungshalbleiter-Bauelementen. Dazu wird an die zu kuehlenden Bauelemente ein Hohlkoerper angebracht, der einen Verdampfungsabschnitt aufweist. Der Verdampfungsabschnitt ist an den thermisch belasteten Flaechen mit einer kapillar-poroesen Schicht ausgekleidet und mit Kuehlfluessigkeit getraenkt. Ueber eine Dampfleitung und eine Kondensatleitung ist der Verdampfungsabschnitt mit einem ausserhalb der Bauelementegruppe angeordneten Waermetauscher verbunden.The invention describes a cooling device for dissipating the power loss in power semiconductor components. For this purpose, a hollow body is attached to the components to be cooled, which has an evaporation section. The evaporation section is lined on the thermally loaded surfaces with a capillary-porous layer and cooled with Kuehlfluessigkeit. Via a vapor line and a condensate line, the evaporation section is connected to a heat exchanger arranged outside the component group.
Description
Die Erfindung ist anwendbar in der Leistungshalbleitertechnik zur Abführung der bei Halbleiterbauelementen entstehenden Verlustwärme.The invention can be used in power semiconductor technology for dissipating the heat loss arising in semiconductor devices.
Bei der Anwendung von Bauelementen der Leistungselektronik entsteht Verlustleistung, die in Wärme umgesetzt wird undThe application of power electronics components results in power loss, which is converted into heat and
abgeführt werden muß, damit eine sichere Funktion und die volle Leistungsfähigkeit der Bauelemente erhalten bleibt.must be removed so that a safe function and the full performance of the components is maintained.
Die Abgabe der Wärme an die Umgebung ist aufgrund der geringen Oberfläche der Bauelemente nicht ausreichend, so daßThe release of heat to the environment is not sufficient due to the small surface area of the components, so that
Kuh !einrichtungen entwickelt wurden, die die wärmeabgebende Fläche der Bauelemente vergrößern und die entzogene Wärme:Kuh !, devices that increase the heat-emitting surface of the components and the extracted heat:
an gasförmige oder flüssige Kühlmittel oder sogenannte Kältemittel weitergeben.to pass on gaseous or liquid coolant or so-called refrigerant.
Die bekannten Kühleinrichtungen arbeiten dabei nach dem Siedekühl- oder Wärmerohrprinzip.The known cooling devices work according to the Siedekühl- or heat pipe principle.
Bei der direkten Siedekühlung befinden sich alle zu kühlenden Leistungshalbleiter-Bauelemente innerhalb eines geschlossenen vakuumdichten Gehäuses und tauchen in die Siedekühifiüssigkeit ein (DE-OS 2319274) und werden somit bei gleicherIn direct Siedekühlung are all to be cooled power semiconductor devices within a closed vacuum-tight housing and immerse in the Siedekühifiüssigkeit (DE-OS 2319274) and are thus at the same
Temperatur gekühlt.Temperature cooled.
Der durch die Verlustwärme entstehende Dampf steigt auf und kondensiert an dem vom sekundären KühlmediumThe resulting from the heat loss steam rises and condenses on that of the secondary cooling medium
durchflossenem Wärmetauscher.flowed through heat exchanger.
Von Nachteil ist bei der Anwendung des Siedekühlprinzips die erforderliche gasdichte Ausführung unter dem Aspekt desThe disadvantage of the application of the Siedekühlprinzips the required gas-tight design under the aspect of
erforderlichen Montageraumes der integrierten Kühlvorrichtung von Verdampfer- und Kondensatorbaueinheit. Außerdem wird das Austauschen oder Auswechseln defekter Bauelemente wesentlich erschwert.required mounting space of the integrated cooling device of evaporator and condenser unit. In addition, the replacement or replacement of defective components is much more difficult.
Bekannt sind auch Kühleinrichtungen, die zum Kühlen von Leistungshalbleiter-Bauelementen ein oder mehrere WärmerohreCooling devices are also known which have one or more heat pipes for cooling power semiconductor components
benutzen.use.
Nach der DE-OS 2107010 wird je ein Leistungshalbleiter-Bauelement an die beiden Stirnflächen eines Wärmerohres angebracht.According to DE-OS 2107010 a power semiconductor device is attached to each of the two end faces of a heat pipe.
Das Wärmerohr weist längs seines Mantels radial angeordnete Luftkühlbleche auf. Die Innenseite des Wärmerohrs ist an seiner Mantelfläche und den beiden Stirnflächen mit einer Kapillarstruktur ausgekleidet, die mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist. Die an die Leistungshalbleiter-Bauelemente angrenzenden Stirnflächen (Verdampfungszonen) werden durch die erzeugtenThe heat pipe has radially arranged air cooling plates along its jacket. The inside of the heat pipe is lined on its lateral surface and the two end faces with a capillary structure, which is filled with a working fluid. The adjacent to the power semiconductor devices faces (evaporation zones) are generated by the
Verlustwärmemengen aufgeheizt, wodurch die Arbeitsflüssigkeit aus der Kapillarstruktur verdampft. Der Dampf durchströmt das Wärmerohr und kondensiert am Wärmerohrmantel, wo er die beim Verdampfen aufgenommene Wärme alsLoss heat quantities heated, whereby the working fluid evaporates from the capillary structure. The steam flows through the heat pipe and condenses on the heat pipe jacket, where it absorbs the heat absorbed during evaporation as
Kondensationswärme an die Kühlrippen abgibt. Das entstehende Kondensat strömt wegen der Kapillarwirkung zur geheizten Stirnfläche zurück, wo es den Kreislauf erneut beginnt.Gives off condensation heat to the cooling fins. The resulting condensate flows back to the heated end face because of the capillary action, where it starts the cycle again.
Es ist weiterhin bekannt (DE-OS 2417031) eine Kühleinrichtung mittels Wärmerohren aufzubauen, bei der die Kühlkörper und der Kühlmittelkreislauf elektrisch voneinander getrennt sind. Die zu kühlenden Leistungshalbleiter-Bauelemente liegen beidseitig an je einem Kühlkörper an, der mit einem seitlich abstehenden Wärmerohr ausgerüstet ist. Jedes Wärmerohr ist an seinem freien Ende mit einer Membran an einer Kühlmittelleitung befestigt und weist ein Zwischenstück aus elektrisch isolierendem Material und ein Rohrstück aus elastischem Material auf. Alle Teile zum Wärmetausch sind im Thyrjstorschrank installiert. EineIt is also known (DE-OS 2417031) to construct a cooling device by means of heat pipes, in which the heat sink and the coolant circuit are electrically separated from each other. The power semiconductor components to be cooled are applied on both sides to a respective heat sink, which is equipped with a laterally projecting heat pipe. Each heat pipe is attached at its free end with a membrane to a coolant line and has an intermediate piece of electrically insulating material and a tube piece of elastic material. All parts for heat exchange are installed in the Thyrjstor cabinet. A
Platzeinsparung gegenüber einer Luftkühlung ist fraglich.Space savings compared to air cooling is questionable.
Von großem Nachteil ist außerdem die relativ große Flüssigkeitsmenge, die zeitlich zur Kühlung in und aus dem Thyristorschrank geführt werden muß und die bei Rohrleitungsdefekten eine Gefahrenquelle bildet.Of great disadvantage is also the relatively large amount of liquid that must be conducted in time for cooling in and out of the thyristor and that forms a source of danger in pipe defects.
Es ist das Ziel der Erfindung, eine Kühleinrichtung für Leistungshalbleiter-Bauelemente anzugeben," die eine hohe Verlustwärmeableitung erreicht bei Einsparung von Montageraum und Reduzierung von Gefahrenquellen.It is the object of the invention to provide a cooling device for power semiconductor devices, which achieves a high loss heat dissipation while saving mounting space and reducing sources of danger.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in Leistungshalbleiter-Bauelementen entstehende Verlustwärme effektiv mittels einer Kühleinrichtung abzuführen, wobei der Verdampfungsabschnitt mit einer kapillar porösen Schicht ausgekleidet ist undThe invention has for its object to effectively dissipate the resulting heat in power semiconductor devices heat loss by means of a cooling device, wherein the evaporation section is lined with a capillary porous layer and
keine bauliche Einheit mit dem Kondensationsabschnitt darstellt.does not constitute a structural unit with the condensation section.
Vorteilhafterweise befindet sich bei der Kühleinrichtung nach der Erfindung nur der Hohlkörper mit dem Verdampfungsabschnitt baulich vereinigt in der Baugruppe des zu kühlenden Bauelementes.Advantageously, in the cooling device according to the invention, only the hollow body with the evaporation section structurally combined in the assembly of the component to be cooled.
Die Kondensation erfolgt elektrisch und räumlich getrennt außerhalb der Schaltschränke, in denen sich die zu kühlendenThe condensation takes place electrically and spatially separated outside the control cabinets, in which the to be cooled
Leistungshalbleiter-Bauelemente befinden. Dadurch ist die Art des Wärmetausches nicht festgelegt und kann leicht an dasPower semiconductor devices are located. As a result, the type of heat exchange is not fixed and can easily to the
speziell zu lösende Problem angepaßt werden. Es kann z. B. für alle Verdampfungsabschnitte ein zentraler Wärmetauscherbe specially adapted problem to be solved. It can, for. B. for all evaporation sections a central heat exchanger
genutzt werden, dereine Nutzung der anfallenden Wärme ökonomisch vertretbar macht. Wird der zentrale Wärmetauscher für natürliche Luftkühlung ausgelegt, so erhält man ein Kühlsystem, welches bei kleinstem Raumbedarf in der Schaltanlage einebe used, which makes use of the heat generated economically justifiable. If the central heat exchanger is designed for natural air cooling, then you get a cooling system, which with the smallest space requirement in the switchgear a
äußerst effektive Kühlung gewährleistet, die keine Hilfsenergie benötigt.ensures extremely effective cooling, which requires no auxiliary power.
Nach der Erfindung ist das zu kühlende Bauelement beidseitig mit dem Verdampfungsabschnitt der Kühleinrichtung elektrisch und thermisch leitend verbunden. Der Verdampfungsabschnitt befindet sich in einem elektrisch leitenden Hohlkörper, derauf der Innenwand der thermisch belasteten Flächen mit einer kapillar porösen Schicht oder einem Docht versehen, der mit einerAccording to the invention, the component to be cooled is electrically and thermally conductively connected on both sides with the evaporation section of the cooling device. The evaporation section is located in an electrically conductive hollow body, which on the inner wall of the thermally loaded surfaces with a capillary porous layer or a wick provided with a
Kühlmittelflüssigkeit getränkt ist.Coolant liquid is soaked.
Der Hohlkörper kann außerdem als Stromanschluß für das Leistungshalbleiter-Bauelement benutzt werden.The hollow body can also be used as a power connection for the power semiconductor device.
Über eine Kühlmitteldampfleitung ist der Verdampfungsabschnitt mit einem Kondensator verbunden, von dem das Kondensat über eine Kondensatleitung zu den thermisch belasteten Flächen zurückströmt.Via a coolant vapor line, the evaporation section is connected to a condenser, from which the condensate flows back via a condensate line to the thermally loaded surfaces.
Werden die an den Leistungshalbleiter-Bauelement angrenzenden Flächen des Hohlkörpers durch die Verlustwärmemengen aufgeheizt, verdampft die Kühlmittelflüssigkeit und der Dampf strömt in den Kondensator, wo die freiwerdende Verlustwärme über Wärmetauscher abgeführt wird. Das kondensierte Kühlmittel fließt dem Hohlkörper wieder zu, wo der Kreislauf von vorn beginnt.If the areas of the hollow body adjoining the power semiconductor component are heated by the amounts of heat lost, the coolant liquid evaporates and the steam flows into the condenser, where the dissipated waste heat is dissipated via heat exchangers. The condensed coolant flows back to the hollow body where the cycle begins again.
Die äußere Form der Kühleinrichtung ist so gestaltet, daß sie anwendbar ist sowohl für Einzel-Leistungshalbleiter-Bauelemente als auch für aufgereihte Leistungshalbleiter-Bauelemente in beliebiger elektrischer Verschaltung. Dazu befinden sich am Hohlkörper die elektrischen Anschlußelemente. Sie sind mit Einlaßöffnungen für das kondensierte und Auslaßöffnungen für das verdampfte Kühlmittel versehen.The outer shape of the cooling device is designed so that it is applicable to both single-power semiconductor devices as well as strung power semiconductor devices in any electrical interconnection. These are located on the hollow body, the electrical connection elements. They are provided with inlet openings for the condensed and outlet openings for the vaporized coolant.
Die Einrichtung zur Kondensation des Kühlmitteldampfes und dem Wärmetausch mit anderen Kühlmitteln besteht aus bekannten Bauteilen und Vorrichtungen, die durch Rohrleitungen mit der Kühleinrichtung verbunden sind.The device for condensing the refrigerant vapor and exchanging heat with other refrigerants consists of known components and devices which are connected by pipes to the cooling device.
Eine mögliche Anwendung der Erfindung ist das in Fig. 1, 2 und 3 dargestellte Ausführungsbeispiel, das nachfolgend erläutertOne possible application of the invention is the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 1, 2 and 3, which is explained below
Ausgangspunkt der Betrachtung ist eine Halbleiter-Kaskade nach Fig. 1, die aus vier Scheibendioden 1 aufgebaut ist. Die Scheibendioden 1 werden doppelseitig von dem Hohlkörper 2 der Kühleinrichtung eingebettet und verspannt, so daß ein guter elektrischer und thermischer Kontakt entsteht. Durch die Stromanschlüsse 3 kann eine wahlweise Zusammenschaltung der Dioden 1 ausgeführt werden. Das kondensierte Kühlmittel vom Kondensator fließt durch die Kondensatleitung 4 und den Anschlüssen 5 dem Hohlkörper 2 zu. Das kondensierte Kühlmittel wird die Verlustleistung, die in den Scheibendioden 1 entsteht und durch eine Temperaturdifferenz zwischen den Scheibendioden 1 und den Hohlkörper 2 einen Wärmestrom in diesen erzeugt, verdampft.The starting point for consideration is a semiconductor cascade according to FIG. 1, which is constructed from four disk diodes 1. The disc diodes 1 are embedded on both sides of the hollow body 2 of the cooling device and clamped, so that a good electrical and thermal contact is formed. Through the power connections 3, an optional interconnection of the diodes 1 can be performed. The condensed coolant from the condenser flows through the condensate line 4 and the connections 5 to the hollow body 2. The condensed coolant is the power loss, which is produced in the disc diodes 1 and generated by a temperature difference between the disc diodes 1 and the hollow body 2, a heat flow in these evaporates.
Der Kühlmitteldampf wird über die Anschlüsse 6 und die Dampfleitung 7 dem Kondensator 14 zugeführt, der sich außerhalb des Schaltschrankes befindet.The coolant vapor is fed via the connections 6 and the steam line 7 to the condenser 14, which is located outside the control cabinet.
In den Figuren 2 und 3 ist der Verdampfungsabschnitt des Hohlkörpers 2 im Längs-und Querschnitt dargestellt. Der Hohlraum 8 an der Innenwand der Kontaktfläche 9 ist mit je einer kapillar-porösen Schicht 10 belegt, die mit dem Kühlmittel getränkt ist.In Figures 2 and 3, the evaporation section of the hollow body 2 is shown in longitudinal and cross section. The cavity 8 on the inner wall of the contact surface 9 is each covered with a capillary-porous layer 10, which is impregnated with the coolant.
Hierzu wird der Flüssigkeitsspiegel 11 des Kühlmittels in dem Hohlkörper 2 konstant gehalten.For this purpose, the liquid level 11 of the coolant in the hollow body 2 is kept constant.
Zur statischen Aussteifung gegen die Druckbelastung an den Kontakflächen 9 ist ein Stehbolzen 12 und die massive Ausführung 13 zur Stromanschlußschiene 3 vorgesehen.For static reinforcement against the pressure load on the contact surfaces 9, a stud bolt 12 and the solid version 13 is provided to the power supply rail 3.
Claims (1)
elektrische Anschlüsse besitzt, und eines Kondensator, gekennzeichnet dadurch, daß der Hohlkörper (2) einen
Verdampfungsabschnitt aufweist, der an seiner am Leistungshalbleiter-Bauelement angrenzenden Innenwand mit einer kapillar porösen Schicht (10) belegt ist und über eine Dampfleitung (7) und eine Kondensatleitung (4) mit einem außerhalb der
Leistungshalbleiterbaugruppe befindlichen Kondensator (14) verbunden ist.Cooling device for power semiconductor devices using a hollow body provided with coolant, the
has electrical connections, and a capacitor, characterized in that the hollow body (2) has a
Evaporation section, which is occupied at its adjacent to the power semiconductor device inner wall with a capillary porous layer (10) and via a steam line (7) and a condensate line (4) with an outside the
Power semiconductor module located capacitor (14) is connected.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD27132284A DD231680A1 (en) | 1984-12-20 | 1984-12-20 | COOLING DEVICE FOR POWER SEMICONDUCTOR COMPONENTS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD27132284A DD231680A1 (en) | 1984-12-20 | 1984-12-20 | COOLING DEVICE FOR POWER SEMICONDUCTOR COMPONENTS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD231680A1 true DD231680A1 (en) | 1986-01-02 |
Family
ID=5563742
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DD27132284A DD231680A1 (en) | 1984-12-20 | 1984-12-20 | COOLING DEVICE FOR POWER SEMICONDUCTOR COMPONENTS |
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|---|---|
| DD (1) | DD231680A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE202018003992U1 (en) | 2018-08-26 | 2018-09-13 | Hochschule Mittweida (Fh) | Boehmekühlbares substrate with at least one microelectronic device and / or as a carrier of microelectronic units |
| DE102018006806B4 (en) | 2018-08-26 | 2023-01-19 | Hochschule Mittweida (Fh) | Use of at least one laser for structuring at least one area of a surface of a substrate with at least one microelectronic component and/or as a carrier for microelectronic units |
-
1984
- 1984-12-20 DD DD27132284A patent/DD231680A1/en unknown
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE202018003992U1 (en) | 2018-08-26 | 2018-09-13 | Hochschule Mittweida (Fh) | Boehmekühlbares substrate with at least one microelectronic device and / or as a carrier of microelectronic units |
| DE102018006806B4 (en) | 2018-08-26 | 2023-01-19 | Hochschule Mittweida (Fh) | Use of at least one laser for structuring at least one area of a surface of a substrate with at least one microelectronic component and/or as a carrier for microelectronic units |
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