DE2145736B2

DE2145736B2 - Cooling device for cooling highly stressed electronic semiconductor elements with a liquid coolant

Info

Publication number: DE2145736B2
Application number: DE19712145736
Authority: DE
Inventors: Hans Graef; Kornelius Dipl.-Ing. Sotiriu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-09-13
Filing date: 1971-09-13
Publication date: 1978-08-03
Also published as: FR2152755A1; GB1355930A; BE788765A; LU66046A1; DE2145736C3; DE2145736A1; IT967256B; NL7212360A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von hochbelasteten elektrischen Halbleiterelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a cooling device for cooling highly stressed electrical semiconductor elements according to the preamble of claim 1.

Die in elektrischen Bauelementen entstehende Verlustwärme muß abgeführt werden, um ihre Funktionsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Vielfach genügt hierzu die natürliche Abstrahlung und die Wärmeabgabe an die umgebende Luft. Sehr häufig werden aber zur Ausnutzung der an sich vorhandenen Leistungsfähigkeit zusätzliche Kühlmaßnahmen erforderlich. Das gilt besonders für hochbelastete Transistoren, Gleichrichterdioden, Thyristoren u.a. in Einrichtungen zur Stromversorgung großer elektrischer Anlagen. Es ist bekannt, solche Halbleiterbauelemente mit Kühlrippen zu versehen oder sie auf große Metallplatten, auf Metallblöcke mit Kühlrippen oder auf sternförmige metallische Gebilde zu setzen, mit dem Ziel, die für die Wärmeabgabe wirksame Oberfläche zu vergrößern. Zur Verbesserung der Wirksamkeit werden gelegentlich zusätzliche Kühlgebläse vorgesehen.The heat lost in electrical components must be dissipated in order to function properly to maintain. In many cases, the natural radiation and heat dissipation are sufficient for this to the surrounding air. Very often, however, they are used to utilize the existing capabilities additional cooling measures required. This is especially true for heavily loaded transistors, rectifier diodes, Thyristors, among other things, in devices for supplying power to large electrical systems. It is known to provide such semiconductor components with cooling fins or to place them on large metal plates To put metal blocks with cooling fins or on star-shaped metallic structures, with the aim of being used for the To increase the effective surface area. To improve effectiveness are used occasionally additional cooling fan provided.

Durch die Unterlagen des DE-GM 17 86 108 ist es auch bekannt, die Verlustwärme von Halbleiterelementen durch Flüssigkeitskühlung abzuführen. Die hierzuBy the documents of DE-GM 17 86 108 it is also known to dissipate the heat loss from semiconductor elements by means of liquid cooling. The for this

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65 eingesetzte Kühlvorrichtung besteht aus einem topfförmigen Hohlzylinder mit Boden, der in der Nähe des Bodens und in der Nähe des offenen Endes je einen Schlauchanschlußstutzen für den Zufluß bzw. Abfluß eines Kühlmittels besitzt, und einem im Inneren des Hohlzylinders konzentrisch angeordneten, durchgehenden metallischen Zylinder, der an dem einen Ende eine den Hohlzylinder abschließende Scheibe aufweist Der Innenzylinder, dessen Außendurchmesser wesentlich kleiner als der Innendurchmesser des Hohlzylinders ist, trägt auf seiner Mantelfläche eine schraubenförmige Wendel, die radial zur Zylinderachse sich erstreckende Stauflächen bildet, welche die Innenwand des Hohlzylinders wenigstens nahezu berühren. Durch die Stauflächen wird dem Kühlmittel ein ebenfalls schraubenförmiger Strömungsweg zwischen der Eintrittsstelle und der Austrittsstelle aufgeprägt 65 used cooling device consists of a pot-shaped hollow cylinder with a bottom, which has a hose connection piece for the inflow and outflow of a coolant near the bottom and near the open end, and a continuous metallic cylinder arranged concentrically inside the hollow cylinder, The inner cylinder, the outer diameter of which is significantly smaller than the inner diameter of the hollow cylinder, has a helical helix on its outer surface, which forms damming surfaces extending radially to the cylinder axis, which at least almost touch the inner wall of the hollow cylinder . A likewise helical flow path between the entry point and the exit point is impressed on the coolant through the storage surfaces

Die Herstellung des Innenzylinders mit den schraubenförmig angeordneten Stauflächen erfordert einen großen Arbeitsaufwand. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung der eingangs angegebenen Art so zu gestalten, daß ihre Anfertigung wesentlich vereinfacht wird. Erfindungsgemäß weist eine solche Kühlvorrichtung die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale auf.The production of the inner cylinder with the helically arranged storage surfaces requires a great deal of work. The invention is therefore based on the object of designing a cooling device of the type specified at the outset in such a way that its manufacture is significantly simplified. According to the invention, such a cooling device has the features listed in the characterizing part of claim 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with the aid of an exemplary embodiment shown in the drawing explained. It shows

F i g. 1 die Außenansicht der Kühlvorrichtung mit eingebautem Halbleiterelement undF i g. 1 shows the external view of the cooling device with built-in semiconductor element and

F i g. 2 die Kühlvorrichtung ohne Außenmantel.F i g. 2 the cooling device without an outer jacket.

Die Kühlvorrichtung nach F i g. 1 besitzt eine zylindrische Form. Der Außenmantel 1 wird durch einen Hohlzylinder gebildet der oben durch eine Scheibe 2 wasserdicht abgeschlossen ist Der ebenfalls wasserdichte untere Abschluß ist in der F i g. 1 nicht sichtbar. In der Nähe der beiden Enden des Hohlzylinders 1 sind Schlauchanschlußstutzen 3 und 4 angesetzt die mit ensprechenden Bohrungen durch die Wand des Hohlzylindei s in Verbindung stehen und für den Zufluß und Abfluß des Kühlmittels, z. B. Wasser, dienen. Auf den Anschlußstutzen 3 ist andeutungsweise ein Schlauch 5 aufgesteckt. An der Kühlvorrichtung ist ein Halbleiterelement 6, beispielsweise eine Silizium-Gleichrichterdiode für hohe Ströme, befestigt Halbleiterelemente der hier in Betracht kommenden Art tragen im allgemeinen einen massiven Gewindebolzen, der in eine entsprechende Bohrung mit Innengewinde eingeschraubt wird. Das Kabel 7 dient zum elektrischen Anschluß des Halbleiterelements 6. Der zweite elektrische Anschluß erfolgt gegebenenfalls über die Kühlvorrichtung selbst oder über eine zusätzliche, nicht gezeichnete Anschlußklemme.The cooling device according to FIG. 1 has a cylindrical shape. The outer jacket 1 is through a Hollow cylinder formed which is sealed watertight at the top by a disc 2 which is also watertight The lower end is shown in FIG. 1 not visible. In the vicinity of the two ends of the hollow cylinder 1 are Hose connector 3 and 4 attached with the corresponding holes through the wall of the Hohlzylindei s are in communication and for the inflow and outflow of the coolant, z. B. water, serve. on the connection piece 3 is hinted at a hose 5 attached. A semiconductor element is attached to the cooling device 6, for example a silicon rectifying diode for high currents, attaches semiconductor elements of the type under consideration here generally carry a solid threaded bolt that is inserted into a corresponding hole with internal thread is screwed in. The cable 7 is used for electrical Connection of the semiconductor element 6. The second electrical connection is optionally made via the cooling device itself or via an additional, not shown connection terminal.

Die Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den inneren Aufbau der Kühlvorrichtung bei abgenommenem Außenmantel. Der Kühlkörper 8 besteht aus einem metallischen Innenzylinder 9, der an beiden Enden durch kreisförmige, konzentrische Scheiben 2 und 10 abgeschlossen ist. Der Durchmesser der Scheibe 10 ist etwas geringer als der Durchmesser der Scheibe 2, die vorher schon erwähnt wurde. Der Durchmesser des Innenzylinders 9 ist wiederum kleiner als der Durchmesser der unteren Scheibe 10. Beispielsweise beträgt der Durchmesser des Innenzylinders 9 36 mm und der Durchmesser der Scheibe 10 50 mm.FIG. 2 shows an exemplary embodiment for the internal structure of the cooling device when it is removed Outer jacket. The heat sink 8 consists of a metallic inner cylinder 9, which passes through at both ends circular, concentric disks 2 and 10 is complete. The diameter of the disk 10 is somewhat smaller than the diameter of the disc 2, which was mentioned earlier. The diameter of the inner cylinder 9 is again smaller than the diameter of the lower disk 10. For example, the diameter is of the inner cylinder 9 36 mm and the diameter of the disc 10 50 mm.

Auf seiner Mantelfläche trägt der Innenzylinder 9 mehrere nicht geschlossene, flache Ringe 13, die untereinander und von den beiden Scheiben 2 und 10On its outer surface, the inner cylinder 9 carries a plurality of non-closed, flat rings 13 which between each other and from the two disks 2 and 10

etwa gleiche Abstände haben (z. B. 8 mm). Die Außendurchmesser der Ringe 13 sind dem Durchmesser der Scheibe 10 etwa gleich und allenfalls nur wenig kleiner als der Innendurchmesser des Hohlzylinders 1 (Fig. 1). Die Ringe 13 weisen Unterbrechungen 14 auf, deren Begrenzungsflächen parallel sind oder in Richtung von Radiusvektoren verlaufen. Die Länge bzw. mittlere Länge der Unterbrechungen entspricht dem einfachen bis doppelten Ringabstand. Die Unterbrechungen 14 aufeinanderfolgender Ringe 13 sind jeweils um J 80° versetzt Zur Befestigung des zu kühlenden Halbleiterelements dient eine konzentrisch zur Zylinderachse angeordnete Bohrung mit Innengewinde. have approximately the same spacing (e.g. 8 mm). The outer diameters of the rings 13 are the diameter approximately the same as the disk 10 and at most only slightly smaller than the inner diameter of the hollow cylinder 1 (Fig. 1). The rings 13 have interruptions 14, whose boundary surfaces are parallel or run in the direction of radius vectors. The length or the average length of the interruptions corresponds to the single to double ring spacing. The interruptions 14 successive rings 13 are each offset by J 80 ° A bore with an internal thread, which is arranged concentrically to the cylinder axis, is used to cool the semiconductor element.

Der Innenzylinder 9, die Scheiben 2 und 10 und die '5 Ringe 13 können gemeinsam aus einem Stück gefertigt sein. In diesem Fall ist der den Außenmantel der Kühlvorrichtung bildende Hohlzylinder 1 ein Rohrabschnitt mit einem zum Durchmesser der Scheibe 10 und der Ringe 13 passenden Innendurchmesser. Seine Länge ist so bemessen, daß er auf der Scheibe 2 aufsitzt und etwa mit der Außenfläche der Scheibe 10 abschließt. Die Fugen zwischen dem Hohlzylinder 1 und den Scheiben 2 und 10 werden dicht verlötet oder verklebt Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Hohlzylinder 1 mit einem Boden zu versehen, und den Kühlkörper 8 ohne die Scheibe 10 herzustellen. In diesem Fall können auch die Scheiben 13 getrennt angefertigt werden. Sie werden dann nachträglich auf den Innenzylinder 9 aufgeschoben und mit diesem verlötet oder verklebtThe inner cylinder 9, the disks 2 and 10 and the '5 Rings 13 can be made together from one piece. In this case, the outer jacket is the Hollow cylinder 1 forming a cooling device is a pipe section with a diameter of the disk 10 and the rings 13 matching inner diameter. Its length is such that it rests on the disc 2 and approximately flush with the outer surface of the disc 10. The joints between the hollow cylinder 1 and the discs 2 and 10 are soldered or glued tightly. Another possibility is to use the hollow cylinder 1 with a To provide the bottom, and to manufacture the heat sink 8 without the disk 10. In this case, the Discs 13 are made separately. They are then pushed onto the inner cylinder 9 afterwards and soldered or glued to it

Die auf dem Innenzylinder 9 aufgesetzten Ringe wirken als Stauflächen für den Kühlmittelstrom. Der durch die Unterbrechung 14 eines Ringes tretende Kühlmittelstrom teilt sich in zwei wenigstens ungefähr gleiche Teile auf, die gegenseitig je eine Hälfte des Innenzylinders 9 umströmen, sich dann wieder vereinigen und durch die Unterbrechung 14 des nächsten Ringes 13 treten. Die beim Durchfluß des Kühlmittels durch die Unterbrechung 14 auftretenden Wirbel verbessern die Kühlung gegenüber einer rein laminaren Strömung.The rings placed on the inner cylinder 9 act as storage surfaces for the coolant flow. Of the The coolant flow passing through the interruption 14 of a ring is at least approximately divided into two the same parts, each of which flows around one half of the inner cylinder 9, then reunite and step through the interruption 14 of the next ring 13. The one when the coolant flows through Eddy currents occurring through the interruption 14 improve the cooling compared to a purely laminar one Flow.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Cooling device for cooling highly stressed electrical semiconductor elements, with a thin-walled hollow cylinder closed on both sides by circular disks, the one in the vicinity its two ends have openings or hose connection pieces for the inflow or outflow of a Has coolant, with a through-going one arranged concentrically inside the hollow cylinder metallic cylinder, the outer diameter of which is much smaller than the inner diameter of the hollow cylinder, the resulting between the inner cylinder and the outer hollow cylinder Cavity serves as a flow channel for the coolant and the coolant through on the jacket surface of the inner cylinder arranged, radially to the cylinder axis extending storage surfaces, which the Almost touching the inner wall of the hollow cylinder at least in places, imprinting a flow path is, characterized in that as storage areas on the outer surface of the inner cylinder (9) several non-closed, flat rings (13) are placed at regular intervals, which the inner cylinder (9) except for an interruption (14) with a single to double Ring spacing corresponding, medium length include that the interruptions (14) alternately are offset by 180 ° and that the cooling device is arranged concentrically to the cylinder axis, completely or partially continuous bore (12) with internal thread for fastening the to be cooled Has semiconductor element (6).

2. Cooling device according to claim 1, characterized in that the rings (13) are separated are made and soldered or glued to the inner cylinder (9).

3. Cooling device according to claim 1, characterized in that the inner cylinder (9) and the Rings (13) consist of a homogeneous piece. ^ o