DE2341097A1

DE2341097A1 - Kuehlanordnung fuer flache halbleiterbauelemente, insbesondere fuer scheibenzellen-thyristoren

Info

Publication number: DE2341097A1
Application number: DE19732341097
Authority: DE
Inventors: Paul Dr Rer Nat Fries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-08-14
Filing date: 1973-08-14
Publication date: 1975-02-27
Also published as: FR2241145A1; AT326765B; CA1005894A; ATA661974A; JPS5073575A; SE7410313L; FR2241145B3; US3942586A; JPS5426438B2; GB1457642A; CH573175A5

Description

Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente, insbesondere für Scheibenzellen-Thyristoren

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente, insbesondere für Scheibenzellen-Thyristoren, bestehend aus zwei Kühlkörpern aus gut wärmeleitendem Material, zwischen denen ein Halbleiterbauelement wärmekontaktschlüssig eingespannt ist, und aus jeweils in einigem Abstand parallel zueinander angeordneten Kühlblechen, welche mit einem der beiden Kühlkörper in thermischer Verbindung stehen, wobei jeder Kühlkörper mit mindestens einer länglichen Ausnehmung versehen ist, wobei in die Ausnehmung ein Teil eines beidseitig geschlossenen, innen mit einem Docht ausgekleideten und teilweise mit einem verdampfbaren Arbeitsfluid gefüllten Wärmerohres wärmekontaktschlüssig eingeführt ist und wobei die Kühlbleche auf dem herausragenden Teil des Wärmerohres quer zu dessen Achse wärmekontaktschlüssig befestigt sind. Eine solche Kühlanordnung wird in der deutschen Patentanmeldung P 22 04 589.2-33 vorgeschlagen.

Das Wärmerohr kann dabei endseitig in die Ausnehmung in den Kühlkörper eingeführt sein. Die Anordnung kann auch so getroffen sein, daß die Ausnehmung im Kühlkörper durchgehend geführt ist, daß das Wärmerohr durch die Ausnehmung hindurchgeführt oder dort mittig eingepaßt ist, und daß die Kühlbleche beidseitig des Kühlkörpers auf das Wärmerohr aufgeschoben oder aufgesetzt sind. Das Wärmerohr wird in die Ausnehmung vorzugsweise eingelötet, eingeschrumpft oder eingeschraubt. Die Ausnehmung kann insbesondere eine Bohrung sein, welche parallel zu der sich zwischen Halbleiterbauelement und Kühlkörper be-

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findlichen Kontaktfläche eingelassen ist. Das Wärmerohr ist vorzugsweiee gerade geführt.

Bei dieser vorgeschlagenen Kühlanordnung wird die vom Halbleiterbauelement entwickelte und an die Kühlkörper abgegebene Verlustwärme im wesentlichen über das Arbeitsfluid und zu einem geringen Anteil auch über die· Wand des Wärmerohres an die Kühlbleche weitergegeben, und von dort durch Konvektion oder mit Hilfe eines Gebläses mittels eines Kühlmittels abgeführt. Die Kühlanordnung erfordert gegenüber anderen bekannten Einrichtungen zur Kühlung von Halbleiterbauelementen einen geringeren Materialaufwand für die beiden Kühlkörper, die z. B. aus Kupfer oder Aluminium bestehen können. Sie kann daher bei gleicher Kühlleistung leichter und kostengünstiger hergestellt werden.

In der Praxis, z. B. bei Antrieben großer Leistung oder bei der Hoch-Grleichstrom-Übertragung (HGrU"), werden häufig solche flachen Halbleiterbauelemente elektrisch hintereinander- oder parallelgeschaltet und dabei zu einem sogenannten Ventil zusammengefaßt. Dabei ist es üblich, die einzelnen Halbleiterbauelemente auch räumlich eng benachbart anzuordnen, insbesondere übereinanderzustapein. Aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 564 694 ist es beispielsweise bekannt, mehrere Scheibenzellen-Halbleitergleichrichter jeweils abwechselnd mit einem Kühlkörper zu einer säulenförmigen Kühlstapelanordnung zusammenzufassen. Die einzelnen Kühlkörper sind dabei von einer Kühlflüssigkeit durchströmt. Eine Einspannvorrichtung für mindestens zwei solcher Kühlstapelanordnungen ist z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1 614 640 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bereits vorgeschlagene Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente mit einer weiteren Anzahl solcher Kühlanordnungen zu einer säulenförmigen Kühlstapelanordnung zusammenzufassen und gleichzeitig für eine ausreichende Kühlung der aus den Kühlkörpern herausragenden Teile der Wärmerohre zu sorgen. Insbesondere sollen bei

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der Kühlstapelanordnung alle Wärmerohre mit Kühlmittel, z. B. Kühlluft, im wesentlichen gleicher Temperatur beströmt werden können.

Würde man zur Lösung des ersten Teils dieser Aufgabe analog zu der bekannten Stapelanordnung vorgehen wollen, so würde man zu einem Reihenstapel-Aufbau gelangen, bei dem die aus den einzelnen Kühlkörpern herausragenden Wärmerohre parallel zueinander angeordnet sind. In Richtung der Stapelachse gesehen würden die einzelnen Wärmerohre also genau hintereinander liegen. Bei Kühlung durch Konvektion oder mittels eines" Gebläses, die zweckmäßigerweise in Richtung der Stapelachse z. B. mit Luft als Kühlmittel erfolgt, würden die in Strömungsrichtung gesehen letzten Wärmerohre mit dem durch die Verlustwärme aller vorhergehenden Kühlanordnungen der Kühlstapelanordnung vorgewärmten Kühlmittel beströmt werden. Die Belastbarkeit des letzten Halbleiterbauelements wäre dadurch ganz erheblich herabgesetzt, insbesondere wenn in der Kühlstapelanordnung als Halbleiterbauelemente Scheibenzellen-Thyristoren hoher Verlustwärme eingesetzt werden. Der zweite Teil der genannten Aufgabe ließe sich also somit nicht lösen.

Ausgehend von dieser Überlegung wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kühlanordnung mit einer Anzahl weiterer solcher Kühlanordnungen zu einer säulenförmigen Kühlstapelanordnung zusammengefaßt ist, bei der die einzelnen Halbleiterbauelemente axial zueinander ausgerichtet sind, und daß die Achsen der Wärmerohre von übereinander liegenden Kühlkörpern bezüglich der Stapelachse gegeneinander drehversetzt angeordnet sind. Die Versetzung sollte dabei gleichmäßig sein, d. h. die Wärmerohre der einen Kühlanordnung sollten gegenüber den Wärmerohren der anderen Kühlanordnungen in Richtung der Stapelachse gleichmäßig oder ungleichmäßig fortschreitend um denselben Winkelbetrag gedreht angeordnet sein.

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Bei freier Konvektion des Kühlmittels, insbesondere aber bei Verwendung eines Gebläses zur Zwangskühlung der Wärmerohre, ist es zweckmäßig, wenn die Kühlstapelanordnung innerhalb eines Hohlkörpers mit zylindrischer Innenfläche angeordnet ist. Die zylindrische Innenfläche ist als Leitfläche für das an den Wärmerohren vorbeistreichende Kühlmittel anzusehen. Sie sorgt dabei dafür, daß das einströmende Kühlmittel zwangsweise die Kühlbleche der Wärmerohre beströmen muß, also nicht seitwärts abströmen kann.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß am Eingang oder Ausgang des Hohlkörpers mindestens ein Lüfter vorgesehen ist. Lüfter und Hohlkörper können dabei in einer Baueinheit vereinigt sein. Als Lüfter kann insbesondere ein Radiallüfter vorgesehen sein. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn im freien Raum zwischen den Wärmerohren Strömungsblenden angeordnet sind. Sind die einzelnen Wärmerohre zusammen mit den Strömungsblenden wendelförmig in der Kühlstapelanordnung angeordnet, so sollte man im Interesse eines erhöhten Wärmeaustausches darauf achten, daß der Drehsinn eines axial zur Stapelachse ausgerichteten Lüfters umgekehrt zum Drehsinn der Wendelanordnung - in Strömungsrichtung gesehen - gewählt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine erfindungsgemäße, schematisch dargestellte Kühlstapelanordnung mit zwei Wärmerohren pro Kühlkörper im Blick von oben, und

Figur 2 die Kühlstapelanordnung gemäß Figur 1 im Blick von der Seite.

Figur 1 zeigt den Blick auf eine Kühlstapelanordnung 2, die im folgenden als Wendelstapelanordnung bezeichnet werden soll. Diese umfaßt insgesamt n=3 einzelne Kühlanordnungen a, b und c, die schraubenförmig, also gleichmäßig als Wendel gestapelt

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ist. Die Zahl η kann auch wesentlich größer als 3 sein. Jede dieser drei Kühlanordnungen a, b und c besitzt zwei massive, rechteckige Kühlkörper aus gut wärmeleitendem Material, z. B. Kupfer, ein dazwischen angeordnetes flaches Halbleiterbauelement, insbesondere einen Scheibenzellen-Thyristor, und vier durchgehend geführte, insbesondere langgestreckte Wärmerohre. Ein solches Wärmerohr besteht bekanntlich (vergl. z. B. USA-Patentschrift 2 350 34-8) aus einem beidseitig geschlossenen, auf seiner Innenwand mit einem Docht kapillarer Struktur ausgekleideten und teilweise mit einem verdampfbaren Arbeitsfluid gefüllten Rohr. Als Rohrmaterial kann z. B. ebenfalls Kupfer verwendet werden. Die zu ein und derselben Kühlanordnung a, b, c gehörenden Bauteile sind durch den Zusatz des entsprechenden Buchstabens a, b, c kenntlich gemacht.

Der obere Kühlkörper der oberen Kühlanordnung a trägt in Figur 1 das Bezugszeichen 3a. Der zugehörige untere Kühlkörper 4a ist aus Figur 2 ersichtlich. Die weiteren Kühlkörper 3b, 4b und 3c, 4c sind ebenfalls aus Figur 2 ersichtlich. Zwischen den konischen Absätzen der Kühlkörper 3a, 4a ist das Halbleiterbauelement 5a wärmekontaktschlüssig angeordnet. Entsprechend ist das Halbleiterbauelement 5b zwischen den Kühlkörpern 3b, 4b und das Halbleiterbauelement 5c zwischen den Kühlkörpern 3c, 4c angeordnet. Die Halbleiterbauelemente 5a, 5b und 5c sind z. B. Bestandteile eines Stromrichters.

Die beiden in dem oberen Kühlkörper 3a" der oberen Kühlanord-^ nung a wärmekontaktschlüssig eingelassenen, parallel zueinander und parallel zur Kontaktfläche angeordneten Wärmerohre sind mit dem Bezugszeichen 6a versehen. Die entsprechenden Wärmerohre, die parallel dazu in den unteren Kühlkörper 4a der oberen Kühlanordnung a eingelassen sind (vergl. Figur 2), sind mit dem Bezugszeichen 7a versehen. Sie sind beim Aufblick auf die Wendelstapelanordnung 2 durch die Wärmerohre 6a verdeckt und daher in Figur 1 nicht sichtbar. Auf den herausragenden Teilen der beiden Wärmerohre 6a sind Kühlbleche 8a quer zu

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deren Achse wärmekontaktsohlüssig befestigt. Entsprechend sind auch auf den Wärmerohren 7b Kühlbleche 9a angeordnet. Die Kühlanordnungen b und c sind entsprechend ausgestaltet.

Jede Kühlanordnung a, b und c ist gegenüber der im Stapel vorausgehenden um einen Winkel'von (180°/n), im vorliegenden Fall also um 60°, gedreht. Die Stapelanordnung kann jedoch bei η größer als 3 auch .so getroffen sein, daß die einzelnen Kühlanordnungen ungleichmäßig um denselben Winkelbetrag gedreht sind, daß also benachbarte Kühlanordnungen um ein ganzzahlig Vielfaches des Winkels (180°/n) gegeneinander gedreht sind.

Mit anderen Worten, bei n=4 Kühlanordnungen kann z. B. die zweite Kühlanordnung um 45°, die dritte Kühlanordnung um 135° und die vierte Kühlanordnung um 90° gegenüber der ersten Kühlanordnung gedreht sein.

Die Wendelstapelanordnung 2 wird mittels einer bekannten, nicht gezeigten Einspannungsvorrichtung in Richtung der Pfeile 10 (vergl. Figur 2), also in Richtung der Stapelachse, zusammengepreßt.

Die Wendelstapelanordnung 2 wird entgegen der Blickrichtung in Figur 1, also in Figur 2 von unten in Richtung der Pfeile 20, mittels eines (nicht dargestellten)Lüfters oder Gebläses mit Kühlluft als Kühlmittel beströmt. Damit die Kühlluft nicht radial zur Stapelachse nach außen abströmen kann, ist ein Hohlkörper 11 (nur in Figur 1 gezeigt) mit zylindrischer Innenfläche 12 vorgesehen, der z. B. aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und die Wendelstapelanordnung 2 eng und zentrisch umgibt. Als Material kann auch ein durchsichtiger Kunststoff gewählt werden. Durch den Hohlkörper 11 ist die in seine untere öffnung einströmende Kühlluft gezwungen, im wesentlichen axial nach oben zu strömen. Dem Kühlluftstrom bietet sich dabei nacheinander der Querschnitt der sechs Wärmerohre 7c, 7b und 7a dar. Jedes dieser Wärmerohre 7c, 7b und 7a wird- im wesentlichen mit Kühlluft derselben Temperatur be-

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strömt. Die - in Strömungsrichtung der Kühlluft gesehen - dahinter angeordneten Wärmerohre 6a, 6b und 6c erhalten bereits etwas vorgewärmte Kühlluft. Um dies zu vermeiden, kann vorgesehen sein, daß die Wärmerohre 6a, 6b, 6c eines oberen Kühlköpers 3a, 3b bzw. 3c gegenüber den Wärmerohren 7a, 7b, 7o des zμgehörigen unteren Kühlkörpers 4a, 4b, 4c ebenfalls bezüglich der Stapelachse gedreht angeordnet sind,z. B. um 180°.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Wendelstapelanordnung 2 ist konstruktiv besonders gut mit einem Radiallüfter in einer Baueinheit zusammenzufassen. Der Radiallüfter ist dabei am unteren Eingang oder oberen Ausgang des als Kühlkanal wirkenden Hohlkörpers 11 anzuordnen. Der Durchmesser des Radiallüfters sollte etwa gleich dem Innendurchmesser des Hohlkörpers 11 sein. Der Flügelbereich des Radiallüfters deckt sich dann mit dem Kühlblechbereich der Wendelstapelanordnung und sein Nabenbereich mit den zentralen Kühlkörpern 3, 4 der Wendelstapelanordnung 2.

Damit die Kühlluft nicht ungenutzt zwischen jeweils versetzt aufeinanderfolgenden Kühlanordnungen a, b, c hindurchströmt, können nach Figur 1 die sechs Zwischenräume zwischen den einzelnen Wärmerohren durch dünne, sektorförmige Strömungsblenden 13 in Strömungsrichtung abgedeckt sein. Die Strömungsblenden 13, die bevorzugt schräg im Hohlkörper 11 angeordnet sind, können z. B. aus Isoliermaterial bestehen und an der Leitfläche 12 des Hohlkörpers 11 befestigt sein. Der Hohlkörper 11 übernimmt dann außer der Funktion eines Führungskanals für Kühlluft diejenige eines Trägers für die Strömungsblenden 13, gegebenenfalls auch für den Lüfter. Im übrigen kann man die Strömungsblenden 13 ebenfalls wendelförmig innerhalb des Hohlkörpers 11 anordnen. Im freien Stapelraum können auch noch weitere Bauelemente, insbesondere Verlustwärme erzeugende Bauelemente wie z. B. Transformatoren, Widerstände und Transistoren, angeordnet sein. Die Abluft aus der Wendelsta-

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pelanordnung kann, falls die Halbleiterbauelemente in einem Schrank angeordnet sind, zu einem Wärmeaustauscher geführt werden.

Es sei noch hervorgehoben, daß eine Drehstapelung von Kühlanordnungen auch dann möglich ist, wenn jeder Kühlkörper nur ein einziges Wärmerohr besitzt. Auch in diesem Fall kann die Kühlanordnung ein wendeiförmiges Aussehen haben. Die Wärmerohre können auch hierbei bevorzugt senkrecht zur Stapelachse ausgerichtet sein. Besonders bei einer großen Anzahl von Kühlkörpern pro Kühlstapelanordnung, bei der zwei benachbarte Kühlkörper auch in einer massiven Kühlkörpereinheit zusammengefaßt sein können, ergibt sich eine platzsparende Kühlstapelanordnung, in der trotz des geringen Aufwandes alle Wärmerohre eine gleich gute Kühlung erfahren.

Abschließend sei erwähnt, daß bei der Drehversetzung darauf geachtet werden sollte, daß möglichst keines der einzelnen Wärmerohre - in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen hinter irgend einem vorangehenden Wärmerohr in Deckung angeordnet ist. Soll der Aufwand für den Lüfter ein erträgliches Maß nicht überschreiten, läßt es sich allenfalls vertreten, daß zwei Wärmerohre hintereinander angeordnet sind. Im allgemeinen Fall wird man nicht auf die erwähnten Strömungsblenden verzichten können, will man nicht eine erhebliche Einbuße an Belüftungswirkung hinnehmen. Die Strömungsblenden sind stets so anzuordnen, daß die Beströmung von in Strömungsrichtung nachgeordneten Wärmerohren nicht behindert wird.

2 Figuren

7 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

(1.j Kühlanordnung für flache Halbleiterbauelemente, insbesondere für Scheibenzellen-Thyristoren, bestehend aus zwei Kühlkörpern aus gut wärmeleitendem Material, zwischen denen ein Halbleiterbauelement wärmekontaktschlüssig eingespannt ist, und aus jeweils in einigem Abstand parallel zueinander angeordneten Kühlblechen, welche mit einem der beiden Kühlkörper in thermischer Verbindung stehen, wobei jeder Kühlkörper mit mindestens einer länglichen Ausnehmung versehen ist, wobei in die Ausnehmung ein Teil eines beidseitig geschlossenen, innen mit einem Docht ausgekleideten und teilweise mit einem verdampfbaren Arbeitsfluid gefüllten Wärmerohres wärmekontaktschlüssig eingeführt ist und wobei die Kühlbleche auf dem herausragenden Teil des Wärmerohres quer zu dessen Achse wärmekontaktschlüssig befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlanordnung (a) mit einer Anzahl weiterer solcher Kühlanordnungen (b, c) zu einer säulenförmigen KühlStapelanordnung (2) zusammengefaßt ist,.bei der die einzelnen Halbleiterbauelemente (5a, 5b, 5c) axial zueinander ausgerichtet sind, und daß die Achsen der Wärmerohre (6a, 7a; 6b, 7b; 6c, 7c) von übereinander liegenden Kühlkörpern (a, b, c) bezüglich der Stapelachse (10) gegeneinander drehversetzt angeordnet sind.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlstape!anordnung (2) innerhalb eines Hohlkörpers (11) mit zylindrischer Innenfläche (12) angeordnet ist.
3. Kühlanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang oder Ausgang des Hohlkörpers (11) mindestens ein Lüfter vorgesehen ist.

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4. Kühlanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lüfter ein Radiallüfter vorgesehen ist.
5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im freien Raum zwischen den Wärmerohren (6, 7) Strömungsblenden (13) angeordnet sind.
6. Kühlanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsblenden (13) kreissektorförmig ausgebildet und schräg innerhalb des zylindrischen Hohlkörpers (11) angeordnet sind.

7- Kühlanordnung nach Anspruch 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehsinn eines axial zur Stapelachse ausgerichteten Lüfters - in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen - umgekehrt zum Drehsinn einer wendeiförmigen Anordnung der Wärmerohre gewählt ist.

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