DE2502472C2

DE2502472C2 - Kühlkörper für Thyristoren

Info

Publication number: DE2502472C2
Application number: DE2502472A
Authority: DE
Inventors: Werner Hangs; Heribert Rüger; Friedrich 8520 Erlangen Scherbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1975-01-22
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE2502472A1; SE7600215L; JPS5199226A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Thyristoren nach dem Oberbegrifi des Patentanspruchs 1.

Ein Kühlkörper mit einer Grundplatte ist aus der deutschen Patentanmeldung G 14 014 VIIIc/21g bekannt. Bei der Beschreibung dieses aus Kupfer oder Aluminium bestehenden Kühlkörpers ist über die Befestigung der Kühlrippen in den Nuten der Grundplatte nichts ausgesagt. Bei im Handel erhältlichen Kühlkörpern dieser Art sind die Kühlrippen in die Nuten eingelötet.

Derartige Kühlkörper können auch im Strangpreßverfahren hergestellt werden. Aus Aluminium im Strangpreßverfahren hergestellte Kühlkörper sind für die Serienfertigung geeignet Bei diesem Herstellungsverfahren bleibt jedoch aus fertigungstechnischen Gründen der Abstand zwischen den Kühlrippen relativ groß. Benötigt man beispielsweise für Thyristoren hoher Leistung zur Wärmeabfuhr eine große Wärmeübergangsfläche, d.h. eine möglichst große Zahl von

ίο Kühlrippen, so läßt sich diese große Wärmeübergangsfläche bei im Strangpreßverfahren hergestellten Kühlkörpern nur mit einer großen räumlichen Abmessung des Kühlkörpers erhalten, was zu unwirtschaftlich großen Geräten führt. Lötverbindungen zwischen Kühlrippen und Kühlplatten, mit denen man relativ geringe Abstände zwischen den Kühlrippen erhalten könnte, sind nur mit großem wirtschaftlichen Aufwand möglich und daher für die Serienfertigung nicht geeignet.

Aus der DE-OS 19 59 094 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes bekannt. Das Halbleiterbauelement besteht aus einem Halbleiterkörper, der in gutem thermischen Kontakt mit einem Träger steht. Der Träger führt die entstehende Wärme an ein topfartiges Gehäuse ab, das den Träger und den Halbleiterkörper umschließt. Bei solchen Halbleiterbauelementen kann es zur Verunreinigung des Halbleiterkörpers kommen, wenn der Halbleiterkörper erst auf den Träger aufgelötet wird, nachdem dieser in das Gehäuse eingesetzt ist. Bei einer anderen Bauform sind hohe Anforderungen an die Toleranzen bei der Herstellung der Trägerscheiben und von Bohrungen im Kern zu stellen. Zur Vermeidung dieser Nachteile wird als Träger eine am Rand geränderte Kupferscheibe benutzt, die nach Auflöten des Halbleiterkörpers und anschließender Reinigung in das topfartige Gehäuse mit Übermaß eingepreßt wird. Dabei wird das seitliche Rändel des Trägers teilweise plastisch verformt, wobei Bemessungsangaben für die Teilung der Rändelung und

das Übermaß angegeben sind, mit denen beim Einpressen nur eine plastische Verformung des Rändeis auftreten soll, um eine Beschädigung des Halbleiterkörpers auszuschließen. Schließlich ist zur Zentrierung beim Einpressen vorgesehen, die Kupferscheibe und/ oder die innere Gehäusewand mit einer Abschrägung zu versehen.

Aus der DE-OS 21 32 139 ist ferner ein Verfahren zum Kaltverschweißen von Werkzeugteilen bekannt, bei dem das eine Werkzeugteil in eine Nut des anderen Werkzeugteiles eingepreßt wird, wobei die Nut Untermaß bezüglich des eingepreßten Werkzeugteiles besitzt und das eingepreßte Werkzeugteil auf wenigstens einer Seite mit langgestreckten, parallel zueinander und geradlinig verlaufenden dreieckförmigen oder schneidenartigen Kanten besitzenden Rippen versehen ist, die etwa parallel zur Einpreßrichtung liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er auch bei kleinen Kühlrippenabständen zur Massenfertigung geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Herstellung eines entsprechend dem Anspruch 1 ausgebildeten Kühlkörper verformen sich beim Einpressen die vielen, dicht beieinanderliegenden Ausformungen der Kühlrippen und die entsprechenden Bereiche der Nutenseitenwände plastisch und man

erhält eine Kaltverschweißung zwischen den Seitenwänden der Nuten und den Kühlrippen, insbesondere dann, wenn Kühlrippen und Grundplatte aus Aluminium gefertigt sind. Der Abstand zwischen den Kühlrippen ist dabei durch die Breite des Materialstreifens zwischen zwei benachbarten Nuten der Grundplatte gegeben und muß so gewählt sein, daß ein Abknicken oder Verbiegen dieser Materialstreifen beim Einpressen nicht erfolgt. Es lassen sich damit Kühlrippenabstande von ungefähr 2 mm realisieren, was eine erhebliche räumliche ic Verkleinerung gegenüber stranggepreßien Kühlkörpern gleich großer Wärmeübergangsfläche bedeutet. Die Fertigung des Kühlkörpers ist sehr einfach. Die einzelnen Bauteile lassen sich im Strangpreßverfahren als Profilmateriai billig herstellen. Anschließend werden die Kühlrippen in die Nuten der Grundplatte in einem einzigen Arbeitsgang eingepreßt, wobei die Kühlrippen in einer Schablone gehalten werden können. Damit ist der Kühlkörper in Serienfertigung ohne besonderen Aufwand an Werkzeug herzustellen. Be^;m Einpressen werden durch die Ausformungen der Kühlrippen Fremdschichten, Oxydschichten und Material der Seitenwände der Nuten abgeschabt, was die Kaltverschweißung begünstigt. Am Boden bzw. der Sohle der Nuten fehlt die Verschweißung zwischen der Grundplatte und den Kühlrippen. Es sammeln sich in diesem Bereich die von den Seitenwänden der Nuten abgeschabten Materialien an, was die Ausbildung von Luftspalten zwischen den Kühlrippen und der Grundplatte in diesen Bereichen bewirkt. Eine wärmeleitende Verbindung ist daher nur in den Seitenflächen der Nuten zwischen der Grundplatte und den Kühlrippen vorhanden und fehlt im Bereich der Sohlen der Nuten. Es ist überraschend, daß durch die Vielzahl der Luftspalte, die im Bereich der Nutensohlen zwischen Kühlrippen und Grundplatte auftreten und die den Wärmewidersland der Grundplatte wesentlich erhöhen, keine wesentliche Erniedrigung der Kühlleistung ausgelöst wird, wie Messungen ergaben.

Auf die freien Enden der auf wenigstens einer Seite mit vielen Ausformungen versehenen Kühlrippen kann eine zweite Grundplatte aufgepreßt sein, die mit je einer Nut für jede Kühlrippe versehen ist, wobei die Nuten Untermaß gegenüber der Dicke der zugehörigen Kühlrippen besitzen. Solche Kühlkörper können in luftgekühlten Thyristorsäulen eingesetzt werden, in denen Scheibenthyristoren aufeinandergestapelt und federnd gehalten sind, wobei an jeder Seite jedes Scheibenthyristors ein Kühlkörper eingefügt ist. > Im folgenden wird die Erfindung anhand der F i g. 1 bis 5 näher erläutert. In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele gezeigt, dabei sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die F i g. 1 zeigt die Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkörpers. Der Kühlkörper 1 ist aus Kühlrippen 2 und einer Grundplatte 3 aufgebaut. Kühlrippen 2 und Grundplatte 3 sind aus Aluminium gefertigt. Die Kühlrippen 2 sind in der bereits erläuterten Weise in Nuten 4 eingepreßt, wobei eine Kaltverschweißung in den Seitenwänden 4a der Nuten 4 zwischen den Kühlrippen 2 und der Grundplatte 3 erfolgt und im Bereich der Nutensohlen 4b Luftspalte zwischen den Stoßkanten der Kühlrippen 2 und der Grundplatte 4 verbleiben. In der Fig. 1 ist auf der Seitenfläche 5 der Grundplatte 3, die von den Kühlrippen 2 abgewandt ist, ein Thyristor 6 angedeutet, der mit der Befestigungsfläche 5 wärmeleitend verbunden ist Im Ausführungsbeispiel ist ein Scheibenthyristor schematisch dargestelb. Von diesem Scheibenthyristor 6 geht im Betriebszustand ein Wärmestroni aus, der längs der Pfeile 7 durch die Grundplatte 3 zu den Kühlrippen 2 verläuft. Im Wege dieses Wärmestromes liegen die Luftspalte bzw. schlechten oder unterbrochenen Wärmeübergänge im Bereich der Nutcnsohlen 4b, durch die der für die Wärmeleitung zur Verfugung stehende Querschnitt der Grundplatte 3 auf die Dicke der Materialstreifen 3a zwischen den Nuten 4 eingeengt wird. Es ist überraschend, daß durch diese Querschnittsverkleinerung und die damit verbundene Vergrößerung des Wärmewiderstandes im Wärmestromweg die Kühlleistung des Kühlkörpers 1 nicht wesentlich verringert wird. Es wird sogar für hochbelastete Thyristoren durch den kleinen Abstand zwischen den Kühlrippen 2, der sich mit der Dicke der Materialstege 3j· zwischen den Nuten 4 einstellen läßt, die Wärmeübergangsfläche zum Kühlmedium bei zwangsbelüfteten Kühlkörpern so stark vergrößert, daß sich auch Kühlkörper mit kleinen räumlichen Abmessungen für hohe Kühlleistungen realisieren lassen. Hierzu muß selbstverständlich das gasförmige Kühlmedium, das beispielsweise Luft sein kann, mit einem entsprechenden Druck durcp die schmalen Zwischenräume zwischen den Kühlrippen 2 geführt werden.

Fig. 2 zeigt in perspektivischer Ansicht einen vergrößerten Ausschnitt eines Kühlkörpers nach Fig. 1. Dabei sind die Stege Za zwischen den Nuten 4 sehr breit gezeichnet, um die Übersichtlichkeit zu verbessern. In die Nuten 4 der Grundplatte 3 sind Kühlrippen 2 unter Druck eingepreßt, die im Ausführungsbeispiel mit dicht beieinanderliegenden, langgestreckten, parallel zueinander und'geradlinig verlaufenden Ausformungen bzw. Riefen 8 versehen sind, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte stehen. Es ist zu betonen, daß dies¹.· Ausformungen 8 in vielfältiger Form und in beliebiger Ausrichtung zur Oberfläche der Grundplatte 10 angeordnet sein können. Beispielsweise können die '\usformungen auch noppenarlijje Vorsprünge sein. Die im Ausführungsbeispiel gezeigten Riefen 8 sind fertigungstechnisch vorteilhaft, da sich Kühlrippen 2 mit solchen Riefen 8 im Strangpreßverfahren herstellen lassen. Vorzugsweise sind die Ausformungen 8 auf beiden Seitenflächen der Kühlrippen 2 angeordnet, um eine beidseitige Kaltverschweißung mit den Seitenwänden 4a der Nuten 4 zu erhalten. Die Breite der Nut 4 ist geringfügig kleiner als die Dicke der zugehörigen Kühlrippe 2. Beim Einpressen der Kühlrippen 2 werden daher Fremd- oder Oxydschichten an den Seitenwänden 4a der Nuten abgeschabt und es kommt zu einer plastischen Verformung sowohl der Ausformungen 8 als auch der Seitenwände 4a der Nuten 4. Mit dieser plastischen Verformung erreicht man eine Kaltverschweißung zwischen den Kühlrippen 2 und den Seitenwänden 4a der Nuten 4. Die Höhe der Ausformungen 8 ist so zu wählen, daß die über die Riefen gemittelte Dicke der Kühlrippen 2 in etwa der Nutenbreite entspricht. Vorzugsweise sind die Ausformungen bzw. Riefen 8 dreieckförmig ausgebildet und/oder mit scharfen Kanten versehen. Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht auf eine vergrößerte Kühlrippe 2. dreieckförmige Riefen 8a und stegartige bzw. trapezförmige Riefen 8b. In beiden Ausführungsformen sind die Kanten schneidenartig ausgebildet. Diese scharfkantige Ausbildung der Riefen 8 erleichtert das Durchotoßen von Fremd- bzw. Oxydschichten auf den Seitenwänden der Nuten 4 und verbessert damit die Kaltpreßverschweißung.

Das von den Seitenflächen 4;i der Nuten 4 abgeschabte Material der Oxyd- und Femdschichten sammelt sich an der Sohle 4b der Nuten 4 an. In F i g. 2 sind diese Rückstände vergrößert eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 9 versehen. Im Bereich der Sohle 4b der Nuten 4 kann es bei dem besprochenen Verbindungsverfahren nicht zu einer Kaltverschweißung zwischen der Grundplatte 3 und den Kühlrippen 2 kommen. Durch die abgeschabten Rückstände 9, die sich in den Ecken der Sohle 4b der Nuten 4 ansammeln, wird außerdem noch ein größerer Abstand zwischen den Stoßkanten der Kühlrippen 2 und den Sohlen 4b der Nuten 4 bewirkt. Wie Fig.2 zeigt, kommt es daher in diesem Bereich zur Ausbildung der schon erwähnten Luflspalte.

Für den Kaltpreß-Schweißvorgang würde es ausreichend sein, die Aüsforrnungcn bzw. Riefen 8 der Kühlrippen 2 in den Bereichen vorzusehen, die mit der Grundplatte 3 zu verschweißen sind. Aus fertigungstechnischen Gründen werden jedoch die Riefen 8 über die gesamte Länge der Kühlrippen geführt, was besonders dann erforderlich ist, wenn die Kühlrippen als Strangpreßmaterial hergestellt werden. Damit ist jedoch auch ein weiterer, kühltechnischer Vorteil verbunden, da mit den Riefen eine Wirbelbildung des zwischen den Kühlrippen 2 strömenden, gasförmigen Kühlmediums erreicht und damit die Wärmeabfuhr wesentlich verbessert wird.

F i g. 4 zeigt in einer vergrößerten, perspektivischen Teilansicht eine Nut 4 der Grundplatte 3. Dieser Teilansicht ist zu entnehmen, daß sich die Breite der Nut 4 von der Oberfläche der Grundplatte 3 her gesehen keilförmig verkleinert und die Nut 4 sich konisch verjüngt. Mit dieser Ausbildung der Nut wird die beim Einpressen der Kühlrippen 8 eintretende plastische Verformung und damit die Kaltverschweißung wesentlich verbessert. Ordnet man, wie Fig.4 zeigt, in den Seitenwänden 4a der Nut 4 Rillen 4c an, die parallel zur Oberfläche der Grundplatte 3 oder zur Sohle 4b der Nut 4 verlaufen, so wird der zum Einpressen nötige Druck erniedrigt, da überschüssiges Material sich in die Längsrillen 4c eindrückt. Diese Rillen 4c können beispielsweise dreieckförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt besitzen, wie die beiden Ausführungsfornien der Fig.4 zeigen. Mit diesen Rillen 4c wird die Kaltverschweißung zwischen den Kühlrippen 2 und der Grundplatte3 nicht verschlechtert.

Γ i g. 5 zeigt eine Atisführüngsform des Kühlkörpers mil zwei Grundplatten. Es ist auf die freien Enden der Kühlrippen 2 des Kühlkörpers nach Fi g. 1 eine weitere Grundplatte 3' in der besprochenen Weise aufgepreßt. Dadurch erhält man neben der Befestigungsfläche 5 eine weitere Befestigungsfläche 5', mit der ein zweiter Thyristor wärmeleitend verbunden werden kann.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß der Kühlkörper sich ohne besonderen Aufwand herstellen läßt und für eine billige Serienfertigung geeignet ist. Es läßt sich mit ihm insbesondere eine dichte Packung der Kühlrippen und damit bei geringem Raumbedarf des Kühlkörpers eine große Kühlfläche erreichen und insbesondere bei Zwangskühlung eine gute Kühlleistung erzielen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kühlkörper für Thyristoren mit einer oder zwei Grundplatten, bei dem von einer Grundplattenhauptfläche im wesentlichen parallel zueinander verlaufende, in Nuten befestigte Kühlrippen ausgehen und bei dem die andere Grundplattenhauptfläche zur wärmeleitenden Verbindung mit einem Thyristor dient, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kühlrippe (2) in die zugehörige mit Untermaß in bezug auf die Kühlrippe ausgebildete Nut (4 oder 4 und 4') der Grundplatte (3 oder 3 und 3') eingepreßt ist und daß jede Kühlrippe auf wenigs'ens einer Seite wenigstens in dem Bereich, der in die Mut eingepreßt ist, mit vielen Ausformungen (8) versehen ist.

2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformun^en (8) langgestreckt sind.

3. Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) parallel zueinander verlaufen.

4. Kühlkörper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) geradlinig verlaufen.

5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte (3,3') verlaufen.

6. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) dreieckförmigen Querschnitt (8a) besitzen.

7. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) mit scharfen Kanten versehen sind.

8. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Nut (4, 4') sich von der Oberfläche der Grundplatte (3, 3') her gesehen verkleinert.

9. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (4b) der Nuten (4) langgestreckte Rillen (4c) besitzen, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Grundplatte (3) verlaufen.

10. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, mit je einer Nut (4') für jede Kühlrippe (2) versehene Grundplatte (3') auf die freien Enden der Kühlrippen aufgepreßt ist, wobei die Nuten Untermaß bezüglich der Dicke der zugehörigen Kühlrippen besitzen und das freie Ende jeder Kühlrippe auf wenigstens einer Seite wenigstens in dem Bereich, der in die Nut eingepreßt ist, mit vielen Ausformungen (8) versehen ist.