DE3114556A1 - Fluessigkeitsgekuehlte elektrische baugruppe sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Description

• Plüss igkeitsgekühlte elektrische Baugruppe sowie Verfahren zu deren Herstellung.
• Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe nach den Ansprüchen 7 bis 10.
• Derartige Baugruppen sind schon seit langem zum Stand der Technik zu zählen. Insbesondere mit dem Aufkommen steuerbarer Leistungs-Halbleiter mussten Kühlvorrichtungen ge-schaffen werden, welche der thermischen Belastbarkeit des Halbleiters angepasste Kühlkörper aufweisen. Dabei muss die im Siliziumkristall des Halbleiter-Bauelements erzeugte Verlustwärme bei grösseren Leistungen zumindest teilweise an ein flüssiges Kühlmedium abgegeben werden. Zu diesem Zweck wird die Halbleiterzelle in gutem thermischen Kontakt auf einem Kühler befestigt, welcher durch ein Kühlmittel, meist Reinwasser, durchflossen wird. Handelsübliche Kühlelemente weisen oft eine grosse Bauhöhe auf und vermögen von ihrer Oberfläche aufgrund relativ langer Wärmeleitungswege zum Kühlmittel nur beschränkt den thermischen Anforderungen zu genügen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Baugruppe der eingangsgenannten Art zu schaffen, welche sich neben ihrem einfachen Aufbau und ihrer grossen Betriebssicherheit vor allem dadurch auszeichnet, dass sie gegenüber bekannten Baugruppen eine höhere Kühlleistung und damit eine entsprechend grössere Strombelastbarkeit aufweist.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Kühlelement wenigstens im Bereich einer Oberfläche eine spiralförmige Kühlmittel-Leitung aufweist.
• Mittels einer spiralförmigen Kühlmittel-Leitung im Bereich der Oberfläche wird ein hohes Temperaturgefälle im Kühlelement erzielt, woraus eine hohe Kühlleistung resultiert.
• Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgeformte Doppel-Spirale in einer Kokille mittels eines innern ausstossbaren Kerns positioniert und unter Druck eingegossen wird.
• Dieses Verfahren erlaubt ein genaues Einbringen der Kühlmittel-Leitung und ergibt den Vorteil von Kühlelementen mit reproduzierbarer Kühlleistung.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen beschrieben.
• Der Einbau einer Kühlmittel-Leitung gemäss Anspruch 2 ergibt eine gute Wärmeabfuhr zum Kühlmedium.
• Die Ausgestaltung einer Kühlmittel-Leitung nach Anspruch 3 erlaubt eine Steigerung des Kühleffektes.
• Besonders vorteilhaft erweist sich ein Körper aus Metall gemäss Anspruch 4 aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit.
• Eine bevorzugte Materialauswahl, in Bezug auf die Wärmeleit- fähigkeit, die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Herstellung und die lange Lebensdauer ist in Anspruch 5 angegeben.
• Eine besonders zweckmässige Ausgestaltung nach Anspruch 6 erlaubt eine einfache Montage.
• Das Verfahren nach Anspruch 8 erlaubt ein nachträgliches, beispielsweise spanabhebendes bearbeiten der Oberfläche des Kühlelementes, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung der Kühlmittel-Leitung entsteht.
• Durch das Verfahren nach Anspruch 9 kann die Kühlmittel-beitung, zur verbesserten Wärmeabfuhr, noch näher an die Oberfläche des Kühlelementes gebracht werden.
• Der Vorteil eines Verfahrens nach Anspruch 10 besteht in seiner Wirtschaftlichkeit; es ist besonders für eine Massenfertigung geeignet.
• Nachfolgend werden anhand von schematischen Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
• Es zeigt Fig. 1 drei Kühielmente in einem Halbleiter-Spannverband, Fig. 2 ein Kühlelement mit Sicht auf dessen eine scheibenförmige Oberfläche, während des Giessvorgangs in einer symbolisch dargestellten Kokille, Fig. 3 das Kühlelement Fig. 2 um 900 gedreht, wiederum in der Kokille gezeichnet, Fig. 4 ein charakteristisches Diagramm des thermischen Verhaltens eines Kühlelementes: der Wärmewiderstand in Funktion der Durchflussmenge bzw. Durchflussgeschwindigkeit für verschiedene Thyristor-Auflageflächen und Fig. 5a ein charakteristisches Diagramm, welches den hydraulischen Druck in Funktion der Durchflussmenge bei vorgegebenen Abmessungen eines Kühlelementes Fig. 5b darstellt.
• In Fig. 1 ist eine Grundplatte mit 1 bezeichnet. Darauf angeordnet sind zwei Support 2, in welchen eine Thyristor-Baugruppe axial gelagert ist. In der rechten Hälfte der Fig. 1 ist die -Baugruppe nach ihrer Montage lose zusammengefügt und in der linken. Hälfte im gespannten Zustand gezeichnet. Ein Führungszapfen 3 befindet sich im oberen Support 2 axial verschiebbar angeordnet. Auf diesem Führungszapfen 3 sind sieben Blattfedern 5 zentriert. Daran schliesst ein Isolator 6 an. Zwischen einem weiteren Isolator 6 befinden sich drei Kühlelemente 7, zwischen welche zwei Thyristoren 8 gespannt sind. Die notwendige Vorspannung und damit das Einfedern der Blattfedern 5 wird durch Eindrehen eines Gewindezapfens 4 erzielt.
• Die Kühlelemente 7 sind scheibenförmig ausgestaltet und weisen beidseitig kreiszylinderische Auflageflächen auf, welche den Durchmessern von Anode- und Kathodekontakten der Thyristoren 8 entsprechen.
• An den Kühlelementen 7 sind einseitig Rohrstutzen 9 angeordnet, auf welchen Kühlmittel-ZuEuhrleitungen 13 über Anschlussnippel 13' flüssigkeitsdicht verbunden sind. Auf der den Anschlüssen 13' gegenüberliegenden Seite befinden sich Befestigungslaschen 14, welche der Montage und entsprechenden galvanischen Verbindungen dienen.
• Als Kühlmittel dient entionisiertes H20. Die notwendigen Stromzuführungen erfolgen über Kontaktflansche 10 und Anschlüsse 11 mit Schweissverbindungen 12.
• Ein Kühlelement 7 ist in Fig. 2 näher ersichtlich. Ein später zur Kühlmittelzufuhr notwendiger Zufluss im Anschlussnippel 13' ist hier mit 22 bezeichnet. Der entsprechende Abfluss 23 befindet sich in einem Anschlussnippel 13". Auf der den Anschlüssen 13',13" gegenüberliegenden Seite sind wiederum Befestigungslaschen 14 ersichtlich; darin befinden sich vier Befestigungslöcher 14'.
• In Fig. 3 ist das Kühlelement 7, Fig. 2, um 900 gedreht im Schnitt dargestellt. Der Zufluss 22 ist Bestandteil einer dem Einlauf des Wassers dienenden Spirale 20, welche über eine Querverbindung 24 mit einer weiteren, dem Wasseraustritt dienenden Spirale 21, verbunden ist. Der Abfluss 23 führt zum dahinterliegenden Rohrstutzen 9 mit seinem Anschlussnippel 13".
• Die Kühlelemente 7 werden mit Vorteil in einer - symbolisch dargestellten - Kokille 17 in einem Druckgussverfahren aus einer handelsüblichen Aluminiumlegierung hergestellt. Dabei muss die aus einem nichtrostenden Stahlrohr als Doppelspirale ausgebildete Kühlmittel-Leitung 20-24, in der Kokille 17 positioniert werden. Hierzu dient ein durch Schieber 16a, 16b, 16c realisierter Kern, Fig. 2. In den inneren Seiten- flächen 27, 28 der Kokille 17 befinden sich je drei, den Schiebern 16a-16c gegenüberliegende Abstützungen (Stege) 15.
• Zweckmässigerweise wird die-Doppel-Spirale 20, 21 kalottenförmig vorgeformt, derart, dass nach Einführen des Kerns sämtliche Windungen jeweils in einer Ebene parallel zu den Seitenflächen 27, 28 der Kokille 17 verlaufen. Während des in notorisch bekannter Weise ablaufenden Giessvorgangs erfolgt nach dem Druckabbau, solange die Gussmasse noch flüssig ist, ein Herausziehen der Schieber 16a-16c aus dem Formteil der Kokille.
• In praxi wird dieser Vorgang vorteilhafterweise durch Hydraulikzylinder 18, Fig. 2, mit einer ringförmigen Bydraulikleitung 19 und einem Oeldruck p gesteuert.
• Aus der Darstellung Fig. 3 ist ferner ersichtlich, wie die Kühlmittel-Leitung 20-24 allseitig vom Guss-Körper 7' umgeben ist, was aufgrund der hohen Leitungsdichte zu einem hervorragenden Kühlvermögen führt.
• Im übrigen ist die Kokille 17 in an sich bekannter Weise mit einer Trennstelle 17 versehen, zweiteilig ausgeführt.
• Im Diagramm Fig. 3 sind in der Ordinate der Wärmewiderstand Rth in K/kW (OKelvin/k) und in der Abszisse die Durchflussgeschwindigkeit v des Kühlwassers in m/s sowie die entsprechende Durchflussmenge Q in 1/min aufgezeichnet. Die resul-#tierende Kurvenschar ist mit 75, 80 bis 95 bezeichnet und bedeutet den jeweiligen Durchmesser 0 in Millimeter der Thyristor-Auflagefläche.
• Der Wärmewiderstand ist dabei wie folgt definiert: Im Diagramm Fig. 5 ist in der Ordinate die Druckdifferenz A p in bar und in der Abszisse wiederum die Durchflussmenge Q in 1/min aufgezeigt. Die dargestellte Kurve ist für eine Kühlmittel-Temperatur von 500 C repräsentativ. Die geometrischen Abmessungen, wiederum für Durchmesser der Thyristor-Auflagefläche von 75-95 mm gelten. für eine sühlmittel-zufuhrleitung 13 von einer Länge al 1 von 100 mm.
• Selbstverständlich ist der Erfindungsgegenstand nicht auf die dargestellten Formen und Anwendungen beschränkt; ein weiteres Anwendungsgebiet könnte beispielsweise dessen Einsatz in Verbindung mit Leistungswiderständen oder auch anderen passiven oder aktiven Bauelementen sein. Für andere Kühlmedien als Wasser ist insbesondere für die Kühlmittel-Leitung eine entsprechende Materialauswahl zu treffen; beispielsweise eignen sich für Halogenderivate des Methans (Freon) Kupferrohr.
• Bezeichnungsliste 1 = Grundplatte 2 = Support 3 = Führungszapfen 4 = Gewindezapfen Plattfeder 6 = Isolator 7 - Kühlelement 7' = Körper (Aluminiumguss) 8 = Thyristor 9 = Rohrstutzen 10 = Kontaktflansch 11 = Anschluss 12 = Schweissverbindung 13 = Kühlmittel-Leitung 13' = Anschlussnippel 14 = Befestigungslasche mit Befestigungslöchern 14' 15 P Abstützungen 16 - Kern 16a-16c - Schieber 17 P Kokille 17' = Trennstelle von 17 18 = Hydraulikzylinder 19 = Hydraulikleitung 20 = Spirale (Einlauf) 21 = Spirale (Austritt) 22 = Zufluss 23 = Abfluss 24 = Querverbindung 20-24 = Kühlmittel-Leitung 25,26 = Oberfläche 27,28 = Seitenflächen von 17 p = Oeldruck H20 = entionisiertes Wasser (Reinwasser) A p = Druckdifferenz H20 # 1 = Länge der Kühlmittel-Zufuhrleitung 13 @# = Temperatur in Grad Kelvin Rth = Wärmewiderstand L e e r s e i t e

Claims (2)

1. Patentansprüche 1. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe mit einer Vorrichtung zum Kühlen mindestens eines stromdurchflossenen elektrischen Bauelementes (8), bei der Kühlflüssigkeit (H20) durch einen Flüssigkeitseintritt (13) in ein Kühlelement (7) mit scheibenförmigem Körper strömt und erwärmte Kühlflüssigkeit (H20) durch einen Flüssigkeitsaustritt (13') aus dem Kühlelement (7) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (7) wenigstens im Bereich einer Oberflache (25,26) eine spiralförmige Kühlmittel-Leituno (20-24) aufweist. (Fig. 1, Fig. 3) 2. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch.gekennzeichnet, dass die Kühlmittel-Leitung (20-24) vom Körper (7') formschlüssig umgeben ist.

   (Fig. 2, Fig. 3) 3. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kuhlmittel-Leitung (20-24) eine Form einer Doppel-Spirale (20,21) aufweist. (Fig. 3) 4. Flüssigkeitsge,sürslte elektrische Baugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7') aus Metall besteht. (Fig. 3) 5. Flüssieitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7') aus einer Aluminiumlegierung und die Kuhimittel-Leitung (20-24) aus einem nichtrostenden Stahl bestehen. (Fig. 3) 6. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel-Leitung (20-24) auf einer Stirnseite des Kühlelements (7) achsparallel aus dem Körper (7') herausgeführt ist und auf der gegenüberliegenden Seite eine Befestigungslasche (14) vorgesehen ist. (Fig. 1 - 3) 7. Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Baugruppe nach einem der Ansprüche 3 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgeformte Doppel-Spirale (20,21) in einer Kokille (17) mittels eines innern ausstossbaren Kerns (16) positioniert und unter Druck eingegossen wird. (Fig.
2. 2, Fig. 3) 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppel-Spirale (20,21) während des Giessvorgangs an ihren äusseren Lagen parallel in einem Abstand zu den Seitenflächen der Kokille (27,28) abgestützt wird.

   (Fig. 3) 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppel-Spirale (20,21) vor dem Einbringen in die Kokille (17) kalottenartig vorgeformt wird, derart, dass ihre äusseren Lagen in der Kokille (17) auf Abstützungen (15) aufliegen. (Fig. 2) 10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere ausstossbare Kern (16) aus mindestens drei in radialer Richtung angeordneten Schiebern (16a-16c) besteht, welche während des Giessvorgangs, nach erfolgtem Druckabbau, aus der Gussmasse (7') herausgezogen werden.

   (Fig. 2, Fig. 3)