DE2902771A1 - Kuehlvorrichtung fuer halbleiterbauelemente - Google Patents

Kuehlvorrichtung fuer halbleiterbauelemente

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DE2902771A1 DE19792902771 DE2902771A DE2902771A1 DE 2902771 A1 DE2902771 A1 DE 2902771A1 DE 19792902771 DE19792902771 DE 19792902771 DE 2902771 A DE2902771 A DE 2902771A DE 2902771 A1 DE2902771 A1 DE 2902771A1
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Description

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Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 9·
Beim Betrieb von Halbleiterbauelementen, wie zum Beispiel Hochstromdioden und Thyristoren, treten elektrische Verlustleistungen auf, die zu Temperaturerhöhungen der Halbleiterkörper führen. Mit steigender Leistung je Halbleiterbauelement und mit zunehmender Frequenz steigt die in Wärme umgewandelte elektrische Verlustleistung. Sie beträgt grössenordnungsmässig 1 % der übertragenem, elektrischen Leistung. Bei seltenen üeberlasten sind von Halbleiterherstellern z.B. Sperrschicht-Temperaturen bis 250 0C für Siliziumventile zugelassen. Vor der Zerstörung verlieren diese bei etwa l60- 0C die Sperrfähigkeit in Leitrichtung. Aus Sicherheitsgründen soll die Temperatur etwa 125 °C nicht überschreiten. Die Erhitzung im Halbleiter ist abhängig vom zeitlichen Verlauf der Verlustleistung und vom Wärmeableit- und Wärmespeichervermögen des Halbleiterbauelements und des Kühlers.
Für Stromstärken über 100 A werden Kühlmittel verwendet. Sowohl Luft- als auch Kühlflüssigkeitskühlungen sind üblich. Flüssigkeitskühlungen werden wegen Korrosionsgefahr in geschlossenem Kreislauf mit Rückkühlung durch Rohwasser ■ oder Luft ausgeführt. Dabei stehen die Halbleiterkörper mit Kühlrippen aufweisenden Kühlkörpern aus Aluminium, Aluminiumlegierung, Kupfer oder Kupferlegierung oder einem anderen Metall, das einen geringen Wärmewiderstand aufweist, in wärmeleitender Verbindung.
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Kühlvorrichtungen für Halbleiterbauelemente werden insbesondere in Hochleistungsstromrichtern auf dem Gebiet der Energieerzeugung, der Energieverteilungs der Industrie und auf Fahrzeugen verwendet. Dabei kommen Thyristoren mit einem Dauergrenzstrom von>700 A und einer Spitzensperrspannung von>3200 V zum Einsatz. Die Weiterentwicklung der Stromrichteranlagen führt zu immer leistungsstärkeren und zugleich raumsparenderen Stromrichtergruppen, wobei Leistungen über 50 MW erreicht werden. Dies erfordert eine gute Wärmeableitung auf engem Raum.
Luftkühlung ist die einfachste Kühlungsart im Hinblick auf die Bereitstellung und Ueberwachung des Kühlmediums und die Zugänglichkeit zu den Halbleiterbauelementen. Sie erfordert häufig Luftfilter, die in periodischen Revisionszeiten ausgebaut, gereinigt, getrocknet und wieder eingebaut werden müssen. Für Stromrichter mit Leistungen von mehr als 2 MW und für den Betrieb von Halbleiterbauelementen z.B. in Stromrichtersätzen auf Bahnfahrzeugen, die einen besonderen Schutz gegen Verschmutzung durch metallischen Bremsstaub usw. sowie gegen Feuchtigkeit von Nebel, Regen und Schnee erfordern, können Flüssigkeitskühlungen geeigneter als Luftkühlungen sein.
Da Flüssigkeiten gegenüber Luft viel kleinere Wärmeübergangswerte aufweisen, kann man bei Flüssigkeitskühlern mit viel kleineren wärmeabgebenden Flächen auskommen. Wasser weist günstigere Wärmeübergangswerte als z.B.-OeI auf. Wegen Frostgefahr und elektrischer Leitfähigkeit des Wassers wird ein elektrisch isolierendes Kühlmittel, wie z.B. Transformatorenöl, bevorzugt verwendet.
Durch die DE-OS 2 6M0 000 ist es bekannt, innen^gekühlte Wärmeübergangselemente, sogenannte Kühldosen, mit einer Oelumlaufkühlung zur Wärmeableitung zu verwenden, bei denen
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im Strömungsweg der Kühlflüssigkeit senkrecht zu den Dosenböden orientierte und mit diesen stoffschlüssig verbundene Zapfen angeordnet sind. Diese Zapfen weisen einen quadratischen Querschnitt auf und stehen mit einer Diogonale quer zur Strömungsrichtung. Durch diese Anordnung der Zapfen-Diagonalen quer zur Strömungsrichtung treten Verwirbelungen auf, die einen verbesserten Uebergang der abzuführenden Wärme vom Dosenboden in die Flüssigkeit bewirken. Derartige Kühldosen erfordern jedoch einen relativ hohen Druck für die Flüssigkeitsumwälzung, da die Flüssigkeitsein- und -austrittsöffnungen kleine Querschnitte haben. Insbesondere durch die Schlauchverbindungen für die Flüssigkeitszu-und - ableitung ergebai sich Dichtigkeitsprobleme.
Durch die DE-OS 2 160 997 ist es weiterhin bekannt, aussengekühlte, grossflächige Wärmeübergangselemente zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen.in wärmeleitender Verbindung anzuordnen und in einem mit OeI gefüllten Flüssigkeitsbehälter unterzubringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik anzugeben, die sich durch einen einfachen, herstellungsgünstigen Aufbau auszeichnet und eine gegenüber den bekannten Kühlvorrichtungen verbesserte Wärmeableitung ermöglicht.
Die Aufgabe wird gemäss dem kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemässen Kühlvorrichtung liegt darin, dass die Anordnung der Baugruppen mit Kühl- und Halbleiterbauelementen in Strömungskanälen sowohl für flüssige als auch gasförmige Kühlmedien zu hohen Kühleistungen führt. Mit dieser Kühlvorrichtung sind bei
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Flüssigkeitskühlung vergleichsweise kleine Wärmewiderstände von weniger als 0,03 K/W mit Aluminiumkühlelementen und von weniger als 0,02 K/W mit Kupferkühlelementen erreichbar und bei Luftkühlung von weniger als 0,05 K/W mit AIuminxumkühlelementen und von weniger als 0,04 K/W mit Kupferkühlelementen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in einem Strömungskanal eine verbesserte Wärmeableitung von den Kühlelementen an das Kühlfluid erfolgt.
Ein Vorteil der verwendeten Kühlelemente, die in ihrem Aufbau den bekannten Kühldosen ähnlich sind, besteht darin, dass sie keine besondere . Kühlelementkapselung erfordern. Sie sind somit leichter und einfacher herstellbar als diese Kühldosen. Die Ein™ und Austrittsöffnungen für das Kühlfluid in dem Kühlelement können grosser gehalten sein als bei Kühldosen, so dass der Druckabfall je Kühlelement geringer ist. Infolgedessen können der Fluiddruck und die aufzubringende Leistung der Umwälzpumpe bzw. eines Ventilators geringer sein. Dichtigkeitsprobleme an den Kühlelementen treten nicht auf, da diese in das Fluid eingetaucht bzw. von diesem umgeben sind. Durch kurze Leitungswege für die abzuführende Wärme innerhalb der Kühlelemente wird eine hohe Kühlleistung auf engem Raum erreicht. Ein besonderer Vorteil der Kühlelemente besteht darin, dass sie auch aufeinander stapelbar sind. Die Kühlvorrichtung erfordert keine besondere 'Wartung und gewährleistet bei geringem Platzbedarf der Baugruppen deren leichte Austauschbarkeit und hohe Lebensdauer .
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
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Pig. 1 eine Kühlvorrichtung mit mehreren Baugruppen mit Halbleiterbauelementen und Kühlelementen innerhalb eines Kühlfluidbehälters in einem Vertikalschnitt j
Pig. 2 das Prinzip eines Einspannsystems mit zwei
Baugruppen in einem Horizontalschnitt gemäss Linie H-II in Pig. I,
Fig. 3 ein geschottetes Kühlelement mit quadratischen
Wärmeableitungselementen in einem Horizontalschnitt gemäss Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 ein Kühlelement im Schnitt gemäss Linie IV-IV in Fig. 3,
Pig. 5 Bodenansicht eines Kühlelemetes gemäss Fig. 3 und 4,
Fig. 6 ein Kühlelement mit rhombischen Wärmeableitungselementen im schematischen Horizontalschnitt,
Fig. 7 ein Kühlelement gemäss Linie VII-VII in Fig. 6,
Pig. 8 und 9 Kühlelemente mit plattenförmigen Wärmeableitungselementen im schematischen Horizontalschnitt und
Fig. 10 ein Kühlelement mit zickzackförmigen Wärmeableitungselementen im schematischen Horizontalschnitt .
Die in Pig» I dargestellte Kühlvorrichtung umfasst einen mit einem Kühlfluid 14, z.B. mit Transformatorenöl, SFg-Gas, Luft oder einem Wasserstoff-Luftgemisch gefüllten Behälter 13, in dem mehrere zu kühlende Baugruppen 6
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nebeneinander und übereinander angeordnet sind. Diese Baugruppen befinden sich in Strömungskanälen 23 3 die von vertikalen Längsschotten 20 begrenzt werden und mit horizontalen Querschotten 21 verbunden.sind. Die besser aus . .
Fig. 2 ersichtlichen Baugruppen 6 sind zusammen mit ihrer Einspannvorrichtung in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene nach hinten angeordnet zu denken» Das Kühlfluid 14 strömt . in Strömungsrichtung A von unten nach oben durch diese Strömungskanäle 23. Zwischen übereinander angeordneten Längsschotten 20 können Dichtungselemente 26 aus einem elastischens z.B. kautschukartigen Werkstoff vorgesehen seina die eine Strömung des Kühlfluids im wesentlichen in der Strömungsrichtung A zwischen übereinander angeordneten Reihen von Baugruppen gewährleisten. Das Kühlfluid kann mittels einer Pumpe 17 bei flüssigem bzw. eines Ventilators bei gasförmigem Fluid über einen äusseren Wärmetauscher 18 einen Fluideinlasskanal 15„ ein Fluidfilter 27 a über die Strömungskanäle 23 im Behälter 13 und einen Fluidauslasskanal l6 in Zx^angsumlauf gehalten werden- Ueber nicht dargestellte elektrische Leitungen sind die Baugruppen 6 mit Anschlusskontakten 19 an der Oberseite des Behälters 13 verbunden.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen ists können die Baugruppen 6 mehrere hintereinander angeordnete Halbleiterbauelemente 4S Strömungsleitbleche 5 und Kühlelemente 1 aufweisen, die in einer statisch definierten Einspannvorrichtung mit ihren Pressflächen gegeneinander gepresst sind» Die Einspannvorrichtung besteht im wesentlichen aus den beiden Traversen 10 j den beiden Zugbolzen 12 s den beiden Druckkalotten S9 der Feder 9 und der Verspannschraube 11. In einer derartigen Einspannvorrichtung kann eine Baugruppe über Traversen 10 mittels Verspannschrauben 11 mit vorgebbarer Spannung eingespannt sein. Die Federkraft der Feder 9 ist so dimensioniert;, dass der Anpressdruck auf die Elemente der
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Baugruppe auch bei den grösstmöglichen TemperaturSchwankungen innerhalb zulässiger Grenzwerte bleibt. Diese sind abhängig vom Aktivteildurchmesser der Halbleiterbauelement e.
Die Halbleiterbauelemente 4 in Scheibenform werden beidseitig durch gut wärmeleitende, metallische Kühlelemente 1 gekühlt. Bei kleinen Halbleiterbauelementen kann eine einseitige Kühlung' ausreichen. Die Scheibenflächen dieser Halbleiterbauelemente 4 stehen mit entsprechenden Kontaktflächen 24j vgl. Fig. 5, des Kühlelementbodens 2 der Kühlelemente 1 in elektrischer und wärmeleitender Verbindung. Zur Verbesserung des Wärmeübergangs können zwischen den Scheibenflächen der Halbleiterbauelemente 4 und den Kühlelementboden 2 nicht dargestellte, gut wärmeleitende, dünne Metallschichten, z.B. aus Blei, Nickel, Aluminium, Gold, Silber oder Legierungen unter Verwendung eines oder mehrerer dieser Metalle, angeordnet sein. Derartige Metallschichten können auch z.B. durch elektrolytische Abscheidung, Aufdampfung oder Kathodenzerstäubung auf die kontaktierende Halbleiterscheibe aufgebraucht sein.
Zwischen benachbarten Halbleiterbauelementen 4 einer Baugruppe 6 sind zwei Kühlelemente 1 angeordnet, deren Böden 2 jeweils mit den Scheibenflächen der Halbleiterbauelemente 4 und deren Wärmeableitungszapfen bzw. Wärmeableitungeelemente 3 miteinander in Druckkontakt stehen. Zwischen diesen beiden Kühlelementen und zwischen den Kühlelementen an den beiden Enden der Baugruppe 6 und den Druckkalotten 8 können Strömungsleitbleche 5 angeordnet sein, die gleichzeitig als elektrische Kontakte verwendbar sind. Dabei ragen die Stromzuführungslaschen dieser Strömungsleitbleche 5 aus der seitlichen tBegrenzung der Kühlelemente 1 vor, wie aus Fig. 3. zu ersehen ist. Durch Einbau derartiger Strömungsleitbleche können andere elektrische Anschlusselemente entfallen. Bei
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der in Pig. 2 dargestellten Baugruppe 6 sind die Halbleiterbauelemente in einer Graetz-Brückenschaltung angeordnet; sie können für einen anderen Verwendungszweck z.B. auch in Serie geschaltet sein.
Quer zum Strömungskanal 23 sinds wie im linken Teil von Fig. 2 ersichtlich, Schotten 22 angeordnet und mit den Querschotten 20, die längs der Baugruppe 6 und im geringen Abstand zu dieser zwischen den Traversen 10 der Einspannvorrichtung angeordnet sind, verbunden. Die Querschotten 22 gewährleisten, dass eine Fluidzirkulation durch den Strömungskanal 23 im wesentlichen nur durch die Aussparungen zwischen den Wärmeableitungszapfen bzw. -.elementen 3 in den Kühlelementen 1 erfolgt. Sie verhindern im Strömungskanal 23 im wesentlichen eine Strömung um die Halbleiterbauelemente 4 und um die Druckkalotten 8 der Einspannvorrichtung. Die Schotten 20, 21, 22 bestehen aus einem SPg- bzw. öl- und druckbeständigen elektrischen Isolator, vorzugsweise aus Plaste,.
Die Kühlelemente 1 weisen, wie in den Figuren 3 bis 10 dargestellt, eine quaderförmige Gestalt auf und bestehen im wesentlichen aus einem Kühlelementboden 2 und senkrecht zur Ebene der Kontaktfläche 24 des Kühlelementbodens 2 orientierten, stabförmigen Wärmeableitungszapfen 3 mit quadratischem oder rhombischem Querschnitt bzw. mit platten- oder wellenförmig ausgebildeten Wärmeableitungselementen 3· Am Kühlelementboden 2 können ausserhalb dessen Kontaktfläche 24 Verwirbelungsstifte 7 angeordnet sein, welche die Wärmeableitung vom Kühlelement 1 an das Kühlfluid 14 verbessern. Sie eignen sich vorzugsweise bei Flüssigkeitskühlung. Die Wärmeableitungselemente 3 sind stoffschlüssig mit dem Kühlelementboden verbunden. Ihr Querschnitt kann sich mit zunehmendem Abstand vom Kühlelementboden verringern. Er muss mindestens so gross sein,
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dass über diese Warmeableitungselemente eine einwandfreie Kraftübertragung durch die Einspannvorrichtung gewährleistet ist. Zapfenförmige VJärmeableitungselemente 3 haben eine Diagonale quer zur Strömungsrichtung A des Kühlfluids 14.
Bei rhombischen Wärmeableitungszapfen ist die kürzere Diagonale quer zur Strömungsrichtung A ausgerichtet. Die Wärmeableitungszapfen sind zweckmässig in gleichem Abstand von-
einander angeordnet. Pro cm Fläche senkrecht zur Längsrichtung dieser Zapfen kommt beispielsweise ein Wärmeableitungszapfen 3· Der Ansatz der Wärmeableitungszapfen 3 am Kühlelementboden 2 ist vorzugsweise spitzbogenförmig oder spitz zulaufend geformt. Durch diese Formgebung wird ein guter Wärmeübergang vom Kühlelementboden in die Wärmeableitungszapfen 3 erreicht.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, kann der Kühlelementboden 2 ungleichmässig in der Wandstärke sein. Vorzugsweise weisen der periphere oder, wie gestrichelt angedeutet, der zentrale und der periphere Bereich des Kühlelementbodens eine geringere Wandstärke als der dazwischen liegende Bereich auf. Dadurch wird eine weitere Verbesserung der Wärmeableitung erzielt. Die Länge 1 der Wärmeableitungselemente beträgt das Zweibis Achtfache, vorzugsweise das Vier- bis sechsfache der maximalen Dicke d des Kühlelementbodens 2.
An den Kühlelementen können Längsschotten 20 angebracht, z.B. angegossen sein, wie in den Figuren 6 bis 10 dargestellt. Dabei unterstützen diese Längsschotten die Wärmeableitung an das Kühlfluid.
Die Kühlelemente können auch rechteck- bzw. plattenförmig gestaltet sein, wobei die längere Rechteckseite drei- bis zwanzigmal so lang wie die kürzere Rechteckseite ist. Dabei kann die kürzere Rechteckseite bzw. die Schmalseite der Platte im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung A des
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Kühlfluids orientiert sein, wie in Fig. 8 dargestellt 3 oder von dieser Richtung um einen Winkel von vorzugsweise weniger als 45° abweichen3 wie Fig. 9 zeigt.
Die Wärmeableitungselemente 3 sind reihenweise parallel zueinander angeordnet. Wärmeableitungselemente benachbarter Reihen sind relativ zueinander versetzt 3 d.h. in Strömungsrichtung A des Kühlfluids auf die Lücke benachbarter Wärme-. . ableitungselemente innerhalb der vorangehenden oder nachfolgenden Reihe ausgerichtet. Zapfenförmige Wärmeableitungselemente einer Reihe können teilweise in den Zwischenräumen von Wärmeableitungselementen einer benachbarten Reihe ange*- ordnet seins siehe Fig. 6.
Gemäss einer anderen Ausführung können die Wärmeableitungselemente im wesentlichen in Strömungsrichtung A des Kühl-1^ fluids orientiert 3 flächenhaft in Wellen- oder Zickzackform ausgeführt sein3 wie in Fig. 10 dargestellt.
Wichtig für die verschiedenen Formen der Wärmeableitungselemente ist ein geringer Strömungswiderstand.für das Kühlfluid bei relativ starker Verwirbelung desselben. Zur Erzielung einer hohen Kühlleistung sind gleichzeitig die Wärmeaustauschflächen relativ gross, deren Querschnitt gering und die Transportwege der abzuführenden Wärme innerhalb des Kühlelements möglichst kurz gehalten. Möglichst viel Kühlfläche ist möglichst nahe der Wärmequelle vorgesehen.
Die Wirkungsweise der Erfindung sei anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Mittels der Umwälzpumpe bzw. des Ventilators 17 wird ein Kühlfluid 14 durch die Strömungskanäle 23 gefördert. Dabei werden die in den Strömungskanälen 23 angeordneten Baugruppen 6 umströmt und die in den Halbleiterbauelementen 4
^0 als Wärme freiwerdende elektrische Verlustleistung von dem Kühlfluid 14 aufgenommen, abgeführt und an einem äusseren
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Wärmeaustauscher 18 an die Umgebung abgegeben. Bedingt durch die quer zur Strömung in den Strömungskanälen 23 angeordneten Schotten 22 strömt das Kühlfluid im wesentlichen durch die Kühlelemente 1 bzw. durch Verbundkühlelemente 25, die aus zwei gleichen Kühlelementen 1, gegebenenfalls mit einem dazwischen angeordneten Strömungsleitblech 53 aufgebaut sind. Die Kühlelemente stehen dabei über ihre Wärmeableitungselemente 3 miteinander in wärmeleitender und elektrischer Verbindung. Die abzuführende Wärme wird vorwiegend von den Wärmeableitungszapfen bzw. -Elementen 3 auf das sie turbulent umströmende Kühlfluid übertragen, wobei die Strömung im wesentlichen senkrecht zur Orientierung der Wärmeableitungselemente gerichtet ist.
Bei Verwendung von Wasserstoff oder einem Wasserstoff-Luftgemisch als Kühlfluid sind zur Vermeidung des Durchtritts von Wasserstoffionen besondere Stähle oder Ueberzüge für Gehäuse und Leitungen zu verwenden. Bei Verwendung von Luft als Kühlfluid erübrigt sich ein geschlossener Fluidkreislauf mit Wärmeaustauscher insbesondere dann, wenn keine besondere Gefahr bezüglich Feuchtigkeit und Frost besteht. Um eine Verschmutzung der Halbleiterbauelemente vorzubeugen, ist dann ein Luftfilter 27 zur Reinigung der Zuluft notwendig. Luftgeschwindigkeiten von 4 m/s bis 12 m/s sind üblich. Der. Druckabfall innerhalh eines Wärmeableitungselementes ist abhängig von der Fluiddurchsatzrate und von der Beweglichkeit der Fluidmoleküle* d.h. von der Temperatur.
Der Erfindungsgegenstand ist auf das in der Zeichnung Dargestellte selbstverständlich nicht beschränkt. So könnte z.B. der Behälter 13 für das Kühlfluid 14 mit Kühlrippen versehen sein, durch welche die Wärme an die Umgebung oder an den Fahrtwind abgeführt werden kann, wobei der Fluidkreislauf innerhalb dieses Behälters vorgesehen ist. Die Wärmeableitungselemente 3 der Kühlelemente 1 können auch
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z.B. rundj oval* sternförmig oder parallelepipedisch sein. Ihre Achsen können zur Ebene der Kontaktfläche 24 des Kühlelementbodens 2 einen von 90 verschiedenen Winkel aufwei-
sen. Die Anzahl der Wärmeableitungszapfen je cm Kühlelementbodenfläche kann grosser oder kleiner eins sein. Der Kühlelementboden kann eine gleichmässige Wandstärke aufweisen. Die Schotten 20, 21 der Strömungskanale 23 können in einem von 90 verschiedenen Winkel zu den Behälterwandungen angeordnet sein. Andere als die genannten Kühlmittel sind anwendbar.
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Bezeichnunesliste
1 = Kühlelement
2. = Kühlelementboden
3 = Wärmeableitungszapfen bzw. -element
4 = Halbleiterbauelement
VJl = Strömungsleitblech
6 = Baugruppe
7 = Verwirbelungsstifte
8 = Druckkalotte
9 = Feder
10 = Traverse
11 = Verspannschraube
12 = Zugbolzen
13 = Behälter
14 = Kühlfluid
15 = Fluideinlasskanal
16 = Fluidauslasskanal
17 = Pumpe bzw. Ventilator
18 = Wärmetauscher
19 = Kontakte
20 = seitliche Längsschotten bzw.
Sperrwände der Baugruppe 6
21 = Querschotten zwischen den Baugruppen
22 = Schotten quer zum Strömungskanal
23 = Strömungskanal
24 = Kontaktfläche
25 = Verbundkühlelement
26 = Dichtungselement
27 = Fluidfilter
A = Strömungsrichtung
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Leerseite

Claims (1)

  1. BBC Aktiengesellschaft
    Brown, Boveri & Cie.
    Baden (Schweiz)
    Patentansprüche
    Kühlvorrichtung für Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik bei der
    mindestens eine Baugruppe (6) mit mindestens einem Halbleiterbauelement (4) und mindestens einem Kühlelement (1),
    welche Elemente in gegenseitigem, wärmeleitendem und elektrischem Druckkontakt miteinander in Verbindung stehen,
    von einem wärmeaufnehmenden Kühlfluid (14) umgeben ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass diese Baugruppe (6) innerhalb des wäremaufnehmenden Kühlfluids (14) in einem Strömungskanal (23) angeordnet und
    4.1 von Wandungen bzw. Längsschotten (20) des Strömungskanals flächenhaft umgeben ist.
    2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Baugruppen (6) in einem mit Kühlfluid (14) gefüllten Behälter (13) im gegenseitigem Abstand
    nebeneinander und/oder
    5.1 etagenweise übereinander angeordnet sind, dass zwischen nebeneinander angeordneten Strömungskanälen (23) und zwischen Wänden des Behälters
    (13) und diesen Strömungskanälen Querschotten
    (21) vorgesehen sind, dass
    die Längsschotten (20) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (A) des Kühlfluides (14) längs dieser Baugruppen (6) angeordnet und
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    7.1 mit den Querschotten (21) verbunden sind und dass
    im Strömungskanal (23) im'wesentlichen quer zur Strömungsrichtung (A) des Kühlfluids (14) und quer zu den Längsschotten (20) Schotten (22)
    vorgesehen sind, welche in Strömungsrichtung (A) innerhalb des Strömungskanals (23) im wesentlichen alle Kanalbereiche absperren, ausser solchen, in denen Kühlelemente (1) bzw. Verbundkühlelemente (25) vorgesehen sind.
    3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    Längsschotten (2Q) am Kühlelement (1) angeordnet sind.
    4. Kühlvorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch^gekennzeichnet, dass
    zwischen in Strömungsrichtung (A) des Kühlfluids (14) hintereinander angeordneten Längsschotten (20) Dichtungselemente (2 6) angeordnet sind.
    5· Kühlvorrichtung nach '¥eni^sVens"~einem~der~^Vnsprü"che^ "T"bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
    zwei gleiche Kühlelemente (1) über ihre Wärmeableitungselemente (3) miteinander in wärmeleitender und elektrischer Verbindung stehen und ein Verbundkühlelement (25) bilden und dass zwischen den Kühlelementen (1) eines Verbundkühlelementes (25) ein elektrisch leitendes Strömungsleitblech (5) angeordnet ist.
    6. Kühlvorrichtung nach wenigstens'eimern "der Ansprüche bis 5j dadurch gekennzeichnet, dass
    13 das Kühlfluid (14) unter einem Ueberdruck steht.
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    7. Kühlvorrichtung nach Anspruch 6S dadurch gekennzeichnet, dass
    14 das Kühlfluid (14) eine elektrisch isolierende Kühlflüssigkeit;, insbesondere OeI ist.
    8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 65 dadurch gekennzeichnet, dass
    15 das Kühlfluid (1.4) gas- bzw. dampfförmig ist, insbesondere dass es
    15.I SFg-Gas oder
    15.2 ein Wasserstoff-Luftgemich ist.
    9. Kühlelement für Halbleiterbauelemente der Leistungselektronik mit
    16 einem Kühlelementboden (2) und
    17 im wesentlichen senkrecht zum Kühlelementboden orientierten und mit diesem stoffschlüssig
    verbundenen Wärmeableitungselementen (3), insbesondere für eine Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet x dass
    18 der Ansatz der Wärmeableitungselemente (3) am
    Kühlelementboden (2) spitzbogenförmig oder spitz
    zulaufend gestaltet ist.
    10. Kühlelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, __ dass
    19 die Wärmeableitungselemente (3) zapfen- bzw. stabförmig sind, dass sie
    20 einen rhombischen oder
    21 quadratischen Querschnitt besitzen und
    22 mit einer Diagonale quer zur Strömungsrichtung (A) des Kühlfluids (14) ausgerichtet sind.
    11. Kühlelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
    909865/OSOi
    BBC Baden 168/78
    die Wärmeableitungselemente (3) platten- bzw. flächenförmige Gestalt haben und dass die Schmalseite dieser Platten im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung (A) des Kühlfluids orientiert ist.
    12. Kühlelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet dass
    die Wärmeableitungselemente (3) im wesentlichen in Strömungsrichtung (A) wellen- oder zickzackförmige Gestalt aufweisen.
    13. Kühlelement nach jjjg^gg^n^ einem"der" 'Ansprüche bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitungselemente (3) reihenweise parallel zueinander angeordnet sind und dass sich
    die Querschnittsfläche der Wärmeableitungselemente (3) mit dem Abstand vom Kühlelementboden (2) verringert.
    14. Kühlelement nach . Anspruch 10", dad~ur*ch gekennzeiichnet;A dass
    die Wärmeableitungselemente (3) benachbarter Reihen versetzt zueinander angeordnet sind.
    15. Kühlelement nach wenigstens einem der Ansprüche
    bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass -* 29 die Wandstärke des Kühlelementbodens (2) zum peripheren Bereichen hin abnimmt, insbesondere dass
    der ■ Kühlelementboden (2) in seinem zentralen
    und · peripheren Bereich eine geringere Wandstärke als in dem dazwischenliegenden Bereich
    BBC Baden ' 168/78
    16. Kühlelement nach wenigstens einem der.Ansprüche .9 bis 15j dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von maximaler Länge (1) der
    Wärmeableitungselemente (3) zu maximaler Dicke (d) des Kühlelementbodens (2) im Be
    reich von 2 bis 8, insbesondere, dass es
    31.1 im Bereich von 4 bis 6 liegt.
    17. Kühlelement nach wenigstens einem der Ansprüche
    bi's 16, dadurch gekennzeichnet, dass 32 aus dem peripheren Bereich des Kühlelement-
    bodens (2) auf der dem Wärmeableitungszapfen (3) gegenüberliegenden Seite dieses Kühlelementbodens Verwxrbelungsstifte (7) herausragen .
    §09885/05§i
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3433213A1 (de) * 1983-09-09 1985-03-28 Fuji Electric Co., Ltd., Kawasaki, Kanagawa Kuehlrohr-waermeableiter fuer halbleitervorrichtungen
DE102014102262A1 (de) * 2014-02-21 2015-08-27 Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh Schalteinrichtung

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4131739C2 (de) * 1991-09-24 1996-12-19 Behr Industrietech Gmbh & Co Kühleinrichtung für elektrische Bauelemente
JPH0637219A (ja) * 1992-07-16 1994-02-10 Fuji Electric Co Ltd パワー半導体装置の冷却装置
DE4301865A1 (de) * 1993-01-25 1994-07-28 Abb Management Ag Kühldose
DE19600166A1 (de) * 1996-01-04 1997-07-17 Daimler Benz Ag Kühlkörper mit verbessertem Strömungswiderstand
EP0835524A1 (de) * 1996-01-04 1998-04-15 Daimler-Benz Aktiengesellschaft Kühlkörper mit zapfen
DE19727912C1 (de) * 1997-07-01 1998-10-29 Daimler Benz Ag Kühlkörper für Leistungsbauelemente
DE10102621B4 (de) * 2001-01-20 2006-05-24 Conti Temic Microelectronic Gmbh Leistungsmodul
ITTO20040517A1 (it) * 2004-07-23 2004-10-23 Johnson Electric Moncalieri Srl Struttura dissipatrice del calore per dispositivi elettronici e simili
CN116855892B (zh) * 2023-09-05 2023-12-08 上海陛通半导体能源科技股份有限公司 一种高产能AlSi或AlSiCu薄膜的沉积方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2008800A1 (de) * 1970-02-21 1971-09-16 Licentia Gmbh Stromrichterschrank oder gestell
FR2087762A5 (de) * 1970-05-29 1971-12-31 Comp Generale Electricite
DE1439022B2 (de) * 1960-05-03 1974-03-21 Siemens Ag, 1000 Berlin U. 8000 Muenchen Kühlkörper für ein Halbleiterbauelement
CA1026013A (en) * 1975-03-17 1978-02-07 Everett C. Elgar Heat sink
DE2640000A1 (de) * 1976-09-04 1978-03-09 Bbc Brown Boveri & Cie Kuehldose fuer fluessigkeitsgekuehlte leistungshalbleiterbauelemente und verfahren zur herstellung derselben

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1439022B2 (de) * 1960-05-03 1974-03-21 Siemens Ag, 1000 Berlin U. 8000 Muenchen Kühlkörper für ein Halbleiterbauelement
DE2008800A1 (de) * 1970-02-21 1971-09-16 Licentia Gmbh Stromrichterschrank oder gestell
FR2087762A5 (de) * 1970-05-29 1971-12-31 Comp Generale Electricite
CA1026013A (en) * 1975-03-17 1978-02-07 Everett C. Elgar Heat sink
DE2640000A1 (de) * 1976-09-04 1978-03-09 Bbc Brown Boveri & Cie Kuehldose fuer fluessigkeitsgekuehlte leistungshalbleiterbauelemente und verfahren zur herstellung derselben

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3433213A1 (de) * 1983-09-09 1985-03-28 Fuji Electric Co., Ltd., Kawasaki, Kanagawa Kuehlrohr-waermeableiter fuer halbleitervorrichtungen
DE3433213C2 (de) * 1983-09-09 1990-04-12 The Furukawa Electric Co., Ltd., Tokio/Tokyo, Jp
DE102014102262A1 (de) * 2014-02-21 2015-08-27 Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh Schalteinrichtung
EP3108491B1 (de) * 2014-02-21 2020-07-01 Maschinenfabrik Reinhausen GmbH Schalteinrichtung

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GB2026238A (en) 1980-01-30

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