DE2107011A1 - Einrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen in elektrischen Triebfahrzeugen - Google Patents

Einrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen in elektrischen Triebfahrzeugen

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DE2107011A1
DE2107011A1 DE19712107011 DE2107011A DE2107011A1 DE 2107011 A1 DE2107011 A1 DE 2107011A1 DE 19712107011 DE19712107011 DE 19712107011 DE 2107011 A DE2107011 A DE 2107011A DE 2107011 A1 DE2107011 A1 DE 2107011A1
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cooling
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heat pipe
heating zone
evaporator
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DE19712107011
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Erwin Dipl.-Ing. 6805 Heddesheim; Matthaei Wolfram Dipl.-Ing.; Wegener Paul Dipl.-Ing.; 6800 Mannheim; Gammel Gregor DipL-Phys. 6901 Nußloch; Müller Elmar Dipl.-Ing. 6508 Alzey; Pivit Werner Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Klein
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BBC Brown Boveri France SA
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BBC Brown Boveri France SA
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    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
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    • HELECTRICITY
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Description

  • 11Einrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen in elektriaschen Triebfahrzeügen" Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen in elektrischen Triebfahrzeugen.
  • Die zunehemende Verkehrsdichte und der Wunsch nach Veriüirzung der Fahrzeiten stellen die Hersteller von elektrischen Triebfahrzeugen vor das Problem, immer höhere Motorleistungen in räumlich und gewichtsmäßig unveränderten Triebfahrzeugen zu installieren. Insbesondere für die mit Halbleiterbauelementen ausgerüsteten Steuersätze der Falirmotoren zeigen sich bei der Verwirklichung höherer Motorleistungen zwei Schwierigkeiten.
  • Dies ist zum einen die rasche und vollständige Abfuhr der erhöhten thermischen Haibleiterverluste und zum anderen die außerordentlich hohe Spannungsbelastung der lsolationsstrecken der auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden Halbleiterbauelemente.
  • Für die Kühlung der Halbleiterbauelemente werden in Triebfahrbeugen mit herkömmlichen Motorleistungen Gebläse verwendet, die die Kühlluft von der Fahrzeugaußenseite her ansaugen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Installation höherer Motor leistungen dieses Kühlungsverfahren erhebliche Nachteile aufweist. Und zwar bildet sich auf Grund des vergrößerten Luftumwälzvolumens und der höheren Isolationsspannung eine zunehmende elektrostatische Ablagerung von in der Kühlluft mitge führten Schmutzteilchen auf den Isolationsstrecken, wodurch deren Krieohfertigkeit vermindert und damit die Durchschlagsge fahr erhöht wird.
  • Man ist daher gezwungen, die Isolationsstrecken in regelmäßigen zeitlichen Abständen zu reinigen, was jedoch lästig und unwirtschaftlich ist, da eine solche Wartung eine Stillsetzung des betreffenden Triebfahrzeuges erfordert.
  • Man hat zwar versucht, durch Einbau von Luftfiltern in die Ansaugöffnungen der Gebläse die Wartungsperiode zu verlängern.
  • Dadurch werden jedoch die geschilderten Nachteile nur gemildert aber nicht beseitigt, abgesehen davon, daß durch eine-solche Maßnahme eine höhere Gebläseleistung erforderlich ist.
  • -Ein-grundsätzlich anderer Weg zur Kühlung der Halbleiterbauelemenge in Triebfahrzeugen wurde angesichts der Unzulänglichkeiten der Luftkühlung damit beschritten, daß die Stromrichtersätze e mit den Halbleiterbauelementen in einen von einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit durchströmten Behälter getaucht wurden. Die Kühlflüssigkeit wird bei diesem Kühlverfahren in einen gesonderten Kühler rückkühlt, der in einer räumlichen Entfernung von dem Kühlflüssigkeitsbehälter angeordnet ist. Nachteilig bei dieser Ausführung ist indessen, daß bei einem Defekt eines Halbleiterbauelementes der gesamte unter Öl befindliche Stromrichterteil aus dem Triebfahrzeug ausgebaut werden muß, wodurch der Austausch des beschädigten Halbleiterbauelementes langwierig ist und unverhältmäßig große Aufwendungen erfordert.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kühleinrichtung für den genannten Zweck anzugeben, die bei einer hohen EUhlleistung, einem niedrigen Platzbedarf und einer leichten Zugänglichkeit und Austauschbarkeit der Halbleiterbauelemente eine vollständige Wartungsfreiheit der Isolierstrecken ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Wärmerohr vorgesehen ist, an dessen Heizzone die Halbleiterbauelemente elektrisch isoliert aufgesetzt sind und dessen Kühlzone mittels eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs gekühlt wird.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizzone des Wärmerohrs kastenförmig ausgebildet und die Kühlzone besteht aus Steigrohren für die verdampfte Arbeitaflüssigkeit.
  • Ein weiterer Vorschlag geht dahin, daß bei Ausbildung des geschlossenen Eühlmittel-Kreislaufs als Verdampferkühlung die Steigr#ohre des Wärmerohrs in einen Verdampfer hineinragen.
  • Sine weitere Möglichkeit besteht darin, daß bei Ausbildung des geschlossenen Kühlmittelkreislaufs als Flüssigkeitskühlung die Steigrohre des Wärmerohrs in einen Wärmetauscher hineinragen In vorteilháfter Weise ist zur elektrisch isolierten Anbringung der Halbleiterbauelemente an der Heizzone des Wärmerohrs eine klebbare Isolierstoffzwisohenlage vorgesehen.
  • In zweckmäßiger Weise ist als Isolierstoffzwischenlage eine Kunststoffolie mit niedriger Oberflächenspannung verwendet.
  • Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, eine elektrostatisch bedingte Verschmutzung der Isolationsstrekken der Halbleiterbauelemente zu vermeiden, sowie die außerordentlich hohen thermischen Haibleiterverluste vollständig über das Kühlmittel abzuführen, wodurch ein Wärmestau und damit eine Überhitzung d-er Halbleiterbauelemente vermieden wird.
  • Ferner ist durch die erfindungsgemäße Verwendung eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs die Möglichkeit einer besonders günstigen Raumausnutzung des Triebfahrzeuges geschaffen, da die Verlustwärme der Halbleiterbauelemente von dem nicht beliebig wählbaren Einbauort an eine geeignete Stelle des Triebfahrzeuges transportiert wird, und dort an die Umgebungsluft über einen Kondensator abgegeben werden kann.
  • Die Eriindung wlrd mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen anhand des in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 ein Gesamtbild der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Wärmerohrs nacn der Erfindung Fig. 3 einen Querschnitt durch die Befestigung eines Halbleiterbauelementes an der erfindungsgemäßen Küheinrichtung Die auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden Halbleiterbauelemente (Pig. 1) sind isoliert auf der Heizzone 2 eines Wärmerohrs 3 (Fig. 2) aufgesetzt. Das Wärmerohr 3 ist mit der Heizzone 2 an der Unterseite eines Wärmetauschers bzw. Verdampfers 4 in der Weise befestigt, daß die durch Steigrohre 5 gebildete Kühlzone des Wärmerohrs 3 in den Wärmetauscher bzw.
  • Verdampfer hineinragt.
  • Die wahlweise Verwendung eines Verdampfers oder eines Wärmetauschers ist durch die beiden Möglichkeiten bedingt, eine Verdampfungskühlung oder eine Flüssigkeitskühlung des Wärmerohrs vorzusehen. In beiden Fällen sind senkrecht zu den Steigrohren 5 Kühlbleche 16 angeordnet. Das Kühlmittel wird in den Wärmetauscher bzw. Verdampfer 4 an einem Einlaßstutzen 6 eingeleitet, und strömt bei einer Flüssigkeitskühlung an der Außenfläche der Kühlbleche 16 vorbei. Wird eine Verdampferkühlung vorgesehen, so durchströ#nt das Kühlmittel die in diesem Falle als Hölkörper ausgebildeten Kühlbleche 16 und erwärmt sich dabei soweit, daß die Kühlmitteltemperatur unmittelbar vor Austritt des Kühlrnittels aus dem Verdampfer 4 den Verdampfungspunkt überschreitet.
  • Als Kühlmittel für die Flüssigkeitskühlung wird vorzugsweise Transforrnatoröl vorgesehen, während für eine Verdampfungskühlung FRIGEN verwendet werden kann. Nach Durchströmen des Kühlers 4 wird das Kühlmittel an einem Auslaßstutzen 7 aus dem Wärmetauscher bzw. Verdampfer 4 wieder herausgeleitet und einem geschlosl senen Kühlmittelkreislauf zugeführt.
  • Der geschlossene Kühlmittelkreislauf 8 weist bei einer Verdampferkühlung einen dem Auslaßstutzen 7 nachgeschalteten Verdichter auf, der das verdampfte Kühlmittel komprimiert sowie eine hohe Durchsatzgeschwindigkeit des Kühlmittels innerhalb des Verdampfes 4 gewährleistet. Das verdichtete Fühlmittel wird anschließend einem Kondensator 10 zugeführt, der zweckmäßigerweise in dem Triebfahrzeug so angeordnet ist, daß seine gesamte Oberfläche zur Wärmeabstrahlung an die äußere Umgebungsluft ausnutzbar ist. Zur Unterstützung der Wärmeübertragung an die Umgebungsluft kann, namentlich bei Stillstand oder Langsamfahrt des Triebfahrzeuges, ein Gebläse ii eingeschaltet werden, das vom Fahrzeugdach her die erforderliche Küblluftmenge ansaugt. Nach Abgabe der in dem Verdampfer 4 aufgenommenen Wärmemenge verflüssigt sich das Kühlmittel am Boden des Kondensators 4 und wird in einen Kühlmittelbehälter 12 geleitet. Von dort strömt flüssiges Kühlmittel zurück in den Verdampfer 4. Bei Verwendung einer FlüssigkeitsIcu.#hlung wird an Stelle des Verdichters 9 eine Kühlmittelpumpe, und an Stelle des Kondensators 10 ein Rückkühler eingesetzt. Der Sammelbehälter 12 wird durch ein Ausdehnungsgefäß ersetzt.
  • Durch die Verwendung eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs 8 ist es möglich, mit äusserst geringen Kühlmittelverlusten auszukommen, sowie die hohen Sicherheitrforderungen hinsichtlich Explosions- und Korrosionssicherheit in Triebfahrzeugen zufrieden stellend zu erfüllen.
  • Der Aufbau und die Wirkungsweise des Wärmerohrs 3 ist in Fig.2 näher erläutert. Die Heizzone 2 des Wärmerohrs 3 besteht aus einem kastenförmigen Hohlkörper, der an seinen Innenseiten vollständig mit einer metallischen Kapillarstruktur -13 ausgekleidet ist. Die Kapillarstruktur 14 ist mit einer Arbeitsflüssigkeit angefüllt, deren Verdampfungspunkt innerhalb eines Temperaturbereichs von 700 c bis 1300 c festgelegt werden kann. In die obere Deckplatte der Heizzone 2 sind eine Reihe von senkrecht angeordneten Steigrohren 5 eingelassen, die mit einer glatten Innenwandung versehen sind. Die von der Verlustwärme der Halbleiterbauelemente aufgeheizte Arbeitsflüssigkeit verdampft, wenn ein bestimmter Verlustwärmebetrag überschritten wird.
  • Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit steigt in den Steigrohren 5 hoch und gibt über die glatte Wandung der Steigrohre 5 einen Teil der Wärmeenergie an das umgebende Kühlmittel ab.
  • Infolge des Wärmeentzugs kondensierÜ-die Arbeitsflüssigkeit 3 fällt durch Schwerkraftwirkung in die Heizzone 2 zurück.
  • beschriebene Wärmeübertragung von den Halbleiterbauelemen-1 auf das Kühlmittel des Kühlmittelizreislaufs 8 wird beers dadurch günstig beeinflusst, daß eine möglichst große -thl von Steigrohren 5 und damit eine maximal wirksame, alärraeabgebende Steigrohrmantelflache vorgesehen ist.
  • Für die elektrisch isolierte Anbringung der auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden Halbleiterbauelemente 1 an der Heizzone 2 ist eine Klebeverbindung (Fig. 3) vorgesehen.
  • Zwischen dem Halbleiterbauelement 1 und der Stirnwand der elektrisch auf Nullpotential liegenden Heizzone 2 ist eine elektrisch hochisolierende, aber thermisch gut leitende Folie 15 angeordnet, die beidseitig mit einer geeigneten Klebmasse, bei spielsweise einem Zweikomponentenkleber auf Epoxydharz-Basis beschichtet ist. Zur Erzielung einer ausserordentlich hohen Haftfestigkeit ist es günstig, eine Folie mit einer geringen Oberflächenspannung zu verwenden, beispielsweise eine unter der Bezeichnung "NOMEX" im Handel erhältliche Kunststoffolie.
  • An Stelle der Verwendung einer beidseitig mit Klebemasse geschichteten Folie ist es auch möglich, eine dicke Schicht einer geeigneten Klebemasse zwischen das Halbleiterbauelement 1 und die Heizzone 2 aufzutragen.

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    9 Einrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen in elektrischen Triebfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmerohr (3) vorgesehen ist, an dessen Heizzone (2) die Halbleiterbaueleroente (1) elektrisch isoliert aufgesetzt sind und dessen Kühlzone (5) mittels eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs (8) gekühlt wird.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizzone (2) des Wärmerohrs (3) eine Kapillarstruktur besitzt und kastenrörig ausgebildet ist und daß die Kühlzone (5) aus Steigrohren für die verdampfte Arbeitsflüssigkeit des Wärmerohrs (3) besteht.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des geschlossenen Kühlmittelkreislaufs (8) als Verdampferkühlung die Steigrohre (5) in-einen Verdampfer (4) hineinragen.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des geschlossenen Kühlmittel--kreislaufs (8) als Flüssigkeitsku#hIung die Steigrohre (5) in eine Wärmetauscher (4) hineinragen.
  5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur elektrisch isolierten Anbringung der Halbleiterbauelemente (1) an der Heizzone (2) des Wärmerohrs (3) eine klebbare Isilierstoffzwischen-- lage (15) vorgesehen ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierstoffzwischenlage eine Kunststoffolie mit niedriger Oberflächenspannung verwendet ist.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3422039A1 (de) * 1984-06-14 1985-12-19 BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden, Aargau Siedekuehlung, insbesondere zur kuehlung von stromrichtern der leistungselektronik
DE102014001974B3 (de) * 2014-02-12 2015-04-09 Audi Ag Verfahren zur Kühlung einer Komponente eines Kraftfahrzeugs, Kühleinrichtung und Kraftfahrzeug
DE102018009310A1 (de) * 2018-11-27 2020-05-28 Diehl Defence Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Kühlen eines Geräts mit einem elektronischen System
DE102019133204A1 (de) * 2019-12-05 2021-06-10 Automotive Lighting Reutlingen Gmbh Verbund mehrerer elektronischer Steuergeräte und Verfahren zum Kühlen eines Verbunds mehrerer Steuergeräte

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DE102018009310B4 (de) 2018-11-27 2022-03-10 Diehl Defence Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Kühlen eines Geräts mit einem elektronischen System
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