DE9315558U1 - Heatsink - Google Patents

Heatsink

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Description

109304/PAL151109304/PAL151

BeschreibungDescription

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für Halbleiter-Bauelemente gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie die Anwendung dieses Kühlkörpers.The invention relates to a heat sink for semiconductor components according to the preamble of claim 1, as well as the use of this heat sink.

Überall dort, wo durch den Betrieb elektrisch oder in irgendeiner anderen Weise angetriebene Anlagen, Geräte, Anordnungen oder Ausrüstungen Verlustleistungen auftreten, führen diese zu einer Wärmeentwicklung.Wherever power losses occur during operation of electrically or otherwise powered systems, devices, arrangements or equipment, these lead to the development of heat.

Zur Verhinderung einer Überhitzung und der damit unter Umständen verbundenen Zerstörung der Geräte, Anlagen oder Ausrüstungen werden in bekannter Weise Kühlungen installiert.To prevent overheating and the possible destruction of devices, systems or equipment that this could cause, cooling systems are installed in the usual way.

Auch bei den Geräten mit Stromrichter- Schaltungsanordnungen stellt das Ableiten der durch Verlustleistung auftretenden Wärme einen entscheidenden Faktor bei dem Dimensionieren und der erreichbaren Packungsdichte dar.Even in devices with converter circuit arrangements, the dissipation of heat generated by power loss is a decisive factor in the dimensioning and the achievable packing density.

Wo immer es möglich ist, wird die Kühlung durch flüssige Medien, flussigkeitsgekuhlte Anordnungen, übernommen. Die Handhabung des flüssigen Mediums beinhaltet einen großen Vorleistungsaufwand für ein Umwälzen- und Kühlsystem, es sind jedoch andererseits hohe Packungsdichten erreichbar.Wherever possible, cooling is provided by liquid media, liquid-cooled arrangements. Handling the liquid medium involves a large upfront outlay for a circulation and cooling system, but on the other hand, high packing densities can be achieved.

Die relativ geringere Wärmeübergangszahl der Luft macht bei luftgekühlten Systemen in den überwiegend meisten Anwendungen eine Zwangsbelüftung erforderlich, was einen separaten Lüfter mit entsprechendem System voraussetzt, dieses System erfordert seinerseits Antriebsenergie. Alle Kühlkörper für den Einsatz in Zwangsbelüftungen haben eine durch den Luftstrom bedingte Kühlrippenausrichtung parallel zur Strömungsrichtung derThe relatively lower heat transfer coefficient of air means that in most applications, air-cooled systems require forced ventilation, which requires a separate fan with a corresponding system, and this system in turn requires drive energy. All heat sinks for use in forced ventilation have a cooling fin alignment due to the air flow, parallel to the flow direction of the

zwangsgeführten Luft, teilweise auch mit Vorrichtungen für die Verwirbelung des Luftstromes. Einen diesbezüglich umfangreichen Überblick bietet der Katalog von SEMIKRON International Dr. Fritz Martin GmbH & Co. KG (Katalog 92/93, Abschnitt B 13).forced air, sometimes also with devices for swirling the air flow. The SEMIKRON International Dr. Fritz Martin GmbH & Co. KG catalog (catalog 92/93, section B 13) provides a comprehensive overview of this.

In allen hier summarisch aufgeführten Fällen der sehr großen Kühlkörpervielfalt sind die zur Unterstützung der Kühlwirkung des Kühlkörpers integrierten Kühlrippen richtungsorientiert.In all cases of the very large variety of heat sinks listed here, the cooling fins integrated to support the cooling effect of the heat sink are directionally oriented.

Neben dem erheblichen schaltungstechnischen Aufwand zum Betreiben der Lüfter für die Zwangsbelüftung ist hier an den Stellen der Energiegewinnung ein Verbraucher und gleichfalls eine zusätzliche Störstelle integriert.In addition to the considerable circuitry effort required to operate the fans for forced ventilation, a consumer and an additional fault point are integrated at the energy generation points.

So wird bei der Gewinnung von elektrischer Energie, beispielhaft durch Wind, ein gewisser Anteil der Energie wieder transformiert für den Antrieb von Lüftern zur Zwangsbelüftung der Kühlkörper der Hochleistungs-Schaltungsanordnung zum Umrichten der durch Generatoren gewonnenen elektrischen Energie verbraucht.When electrical energy is generated, for example through wind, a certain proportion of the energy is transformed again to drive fans for forced ventilation of the heat sinks of the high-performance circuit arrangement for converting the electrical energy generated by generators.

Spezielle Gestaltungsformen für Einzelanwendungen sind Grundlage des betrieblichen Wissens und erfordern so einen Schutz, wie das auch aus G 92 08 541.5 oder aus G 89 09 971.0 hervorgeht.Special designs for individual applications are the basis of operational knowledge and therefore require protection, as is also clear from G 92 08 541.5 or G 89 09 971.0.

In sehr vielen anderen Anwendungsbeispielen genügt die Konvektion und Wärmeabstrahlung, um die Verlustwärme von Geräten oder Schaltungsanordnungen abzuführen, hier sind dann die Kühlrippen der Kühlkörper oder auch Kühleinrichtungen nach der Konvektionsrichtung der Luftströmung orientiert, um beide hier genannte Effekte wirkungsvoll zu unterstützen.In many other application examples, convection and heat radiation are sufficient to dissipate the waste heat from devices or circuit arrangements; in these cases, the cooling fins of the heat sinks or cooling devices are oriented according to the convection direction of the air flow in order to effectively support both of the effects mentioned here.

Eine spezielle Kühlproblematik tritt bei der Gewinnung von elektrischer Energie aus Wind auf. Das umrichten desA special cooling problem occurs when generating electrical energy from wind. The conversion of the

Generatorstromes in Netzstrom erfordert einen auf diesen Einsatzzweck zugeschnittenen Kühlkörper. Bei starkem Wind wird viel Energie der Generatoren durch die Leistungshalbleiter-Schaltungsanordnung für das Stromnetz umzurichten sein, dann aber steht auch zeitgleich eine große Luftmenge durch die dann vorhandene starke Luftbewegung kostenfrei für die Kühlung der Schaltungsanordnung zur Verfügung.The conversion of generator current into mains current requires a heat sink tailored to this purpose. In strong winds, a lot of the generators' energy will have to be converted to the power grid by the power semiconductor circuitry, but at the same time a large amount of air will be available free of charge for cooling the circuitry due to the strong air movement that then exists.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper darzustellen, der ohne Zwangsbelüftung luftgekühlt wird und für die Wärmeabfuhr bei Leistungshalbleiter- Schaltungsanordnungen hoher Packungsdichte bei wechselnden Windrichtungen geeignet ist.The invention is based on the object of providing a heat sink which is air-cooled without forced ventilation and is suitable for the heat dissipation of power semiconductor circuit arrangements with high packing density in changing wind directions.

Diese Aufgabe wird bei Kühlkörpern der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 7 und bevorzugte Anwendungen der erfindungsgemäßen Kühlkörper sind in den Ansprüchen 8 und 9 gekennzeichnet.This object is achieved in heat sinks of the type mentioned at the outset by the features of the characterizing part of claim 1. Preferred further developments are characterized in claims 2 to 7 and preferred applications of the heat sinks according to the invention are characterized in claims 8 and 9.

Die radiale Anordnung der Kühlrippen um einen Kern und die spezielle Ausfertigung der Kühlrippen sorgen für den erforderlichen Wärmeabfluß von der mindestens einen Stirnfläche des Kühlkörpers, die mit der Leistungshalbleiter-Schaltungsanordnung im Wärmekontakt steht.The radial arrangement of the cooling fins around a core and the special design of the cooling fins ensure the necessary heat dissipation from at least one end face of the heat sink that is in thermal contact with the power semiconductor circuit arrangement.

Durch die erfindungsgemäße Form des Kühlkörpers ergibt sich nicht nur der Vorteil des Wegfalles eines Lüfters für die Ableitung der erwärmten Luft, sondern außerdem auch der Vorteil einer leistungsangepaßte Kühlwirkung bei wechselnden Windrichtungen, da der für den Antrieb der Generatoren erforderliche Wind aus verschiedenen Richtungen wehen kann, die Umrichter- Schaltungsanordnung jedoch am Standort fest in der Wind- Vorzugsrichtung installiert ist.The inventive shape of the heat sink not only provides the advantage of eliminating the need for a fan to dissipate the heated air, but also the advantage of a performance-adjusted cooling effect in changing wind directions, since the wind required to drive the generators can blow from different directions, but the converter circuit arrangement is permanently installed at the location in the preferred wind direction.

Andererseits ist die Kühlleistung an die natürliche Luftbewegung gebunden, was auf das Hauptanwendungsgebiet hinweist.On the other hand, the cooling performance is tied to the natural air movement, which indicates the main area of application.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Kühlkörper der Figuren 1 bis 5. Gleiche Zahlen beziffern in allen Figuren gleiche Teile.Details, features and advantages emerge from the following description of the heat sinks according to the invention in Figures 1 to 5. The same numbers refer to the same parts in all figures.

Fig. 1, 2, 4 und 5 zeigen je einen nicht maßstabsgerechten Querschnitt erfindungsgemäßer Kühlkörper undFig. 1, 2, 4 and 5 each show a non-scale cross-section of heat sinks according to the invention and

Fig. 3 skizziert eine Anwendungsvariante eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers.Fig. 3 outlines an application variant of a heat sink according to the invention.

Der Kühlkörper wird aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt, vorzugsweise wird wegen der kostenkünstigen Herstellung Metall verwendet. Wegen der sehr guten Wärmeleiteigenschaften, des spezifischen Gewichtes und des guten Eigenkorrosionsschutzes hat sich allgemein der Einsatz von Aluminium durchgesetzt, zudem ist hier die Herstellung in einem Schritt, dem Kokillenguß, in den meisten der Ausführungsbeispiele möglich.The heat sink is made from a material that conducts heat well, preferably metal because of its low-cost production. Due to its very good heat conduction properties, specific weight and good inherent corrosion protection, the use of aluminum has generally prevailed, and in most of the examples it can be produced in one step, i.e. permanent mold casting.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlkörpers. Der Kühlkörper besteht aus einer Montagefläche (1) mit Kühlfortsatz (2), auf der sich ein zylindrischer, sich in von der Montagefläche (1) entfernender Richtung verjüngender Kern (4) aufbaut.Fig. 1 shows a cross section of an embodiment of the heat sink according to the invention. The heat sink consists of a mounting surface (1) with a cooling extension (2) on which a cylindrical core (4) is built that tapers in the direction away from the mounting surface (1).

Tafelförmig sind radial um den Kern (4) ebene und parallel zu der Montagefläche (1) verlaufende Kühlrippen (6) angeordnet. Der Abschluß des Kernes auf der der Montagefläche gegenüberliegenden Seite bildet ein Kugelabschnitt mit radial angeordneten Kühlfingern (8).Flat cooling fins (6) are arranged in a panel shape radially around the core (4) and run parallel to the mounting surface (1). The end of the core on the side opposite the mounting surface forms a spherical section with radially arranged cooling fingers (8).

Das Dimensionieren der Bestandteile (2 bis 6) des Kühlkörpers, wie auch die Anzahl der Kühlrippen (6) und Kühlfinger (8) , richtet sich nach der Menge der einseitig in die Montagefläche eingeprägten Verlustwärme. Den Darstellungen in den Figuren liegt keine Wärmebilanzrechnung in den relativen Maßen zugrunde.The dimensions of the components (2 to 6) of the heat sink, as well as the number of cooling fins (6) and cooling fingers (8), depend on the amount of heat loss impressed on one side of the mounting surface. The representations in the figures are not based on a heat balance calculation in relative dimensions.

In der Praxis haben sich einige Richtwerte ergeben, wie sie bei jeder Berechnung von Dimensionen der erforderlichen Kühlkörper herangezogen werden, wie z.B. das Verhältnis der "Wurzeldicke11 der Montagefläche (1) zu der eigentlichen Montagefläche selbst.In practice, some guide values have been established which are used in any calculation of the dimensions of the required heat sinks, such as the ratio of the "root thickness 11" of the mounting surface (1) to the actual mounting surface itself.

Die radial um den Kern in etwa gleichen Abständen angeordneten tellerförmigen Kühlrippen (6) können kreisförmig, elliptisch oder eckig in der äußeren Geometrie ausgebildet sein. Entscheidend ist hier der konkrete Anwendungsfall. Ist beispielhaft eine Windrichtung bevorzugt, so kann eine Vergrößerung quer zur Windrichtung vorsehen werden, das ist möglich durch elliptische Gestaltung oder durch rechteckige Form der Kühlrippen (6), wobei vorteilhaft die größere Ausdehnung quer zur Hauptwindrichtung festzulegen ist.The plate-shaped cooling fins (6) arranged radially around the core at approximately equal distances can have a circular, elliptical or square external geometry. The decisive factor here is the specific application. If, for example, a wind direction is preferred, an enlargement can be provided transversely to the wind direction. This is possible by an elliptical design or by a rectangular shape of the cooling fins (6), whereby the larger extension is advantageously defined transversely to the main wind direction.

Kühlrippen (6) und Kühlfinger (8) können vorzugsweise nach außen, entsprechend Verlustleistungsgefälle, verjüngt gestaltet werden das zwingt die durchströmende Luft zur Turbulenzbildung, was gleichfalls die Kühlleistung erhöht.Cooling fins (6) and cooling fingers (8) can preferably be tapered towards the outside, in accordance with the power loss gradient. This forces the air flowing through to form turbulence, which also increases the cooling performance.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Kühlkörper. Der Kern (4) ist an der Seite gegenüber der Montagefläche (1) eben gestaltet und für die formschlüssige Montage einer Luftleiteinrichtung (10) vorgesehen. Die Luftleiteinrichtung an sich ist ein eigenständiges Bauteil. Die skizzierte Tellerform mit gegenüber den Kühlrippen (6) vergrößerten Außenmaßen bewirkt eine Erhöhung der Kühlwirkung als Luftleiteinrichtung.Fig. 2 shows a second embodiment of a heat sink according to the invention. The core (4) is designed to be flat on the side opposite the mounting surface (1) and is intended for the form-fitting assembly of an air guiding device (10). The air guiding device itself is an independent component. The outlined plate shape with larger external dimensions compared to the cooling fins (6) increases the cooling effect as an air guiding device.

Zusätzlich oder anstelle der Luftleiteinrichtung (10) ist es vorteilhaft, an der Kernstirnfläche ein Trageelement (nicht gezeichnet) vorzusehen, um eine leichte Montage der gesamten Leistungshalbleiter-Schaltungsanordnung vornehmen zu können.In addition to or instead of the air guiding device (10), it is advantageous to provide a support element (not shown) on the core end face in order to be able to easily assemble the entire power semiconductor circuit arrangement.

Fig. 3 veranschaulicht schließlich das Zusammenwirken mehrerer Kühlkörper in einer Schaltungsanordnung. Dargestellt sind sechs versetzt angeordnete Kühlkörper mit rechteckigen Kühlrippen (6). In ihrer Lage sind die sechs Kühlkörper durch ein Rahmengestell (12) fixiert. Das Rahmengestell (12) hat die für die Kühlkörpermontage erforderlichen Durchführungen an den Stellen der Montageflächen (1). Formschlüssig sind hier die Umrichter in Form von Leistungshalbleiter-Schalter (14) angeordnet. Das Tragegestell bietet gleichfalls den Platz für die Befestigung der Kondensatoren und übrigen Elemente der Schaltungsansteuerung, wie auch stromführende Verbindungen (16, 18) über entsprechende Zwischenkreise·Finally, Fig. 3 illustrates the interaction of several heat sinks in a circuit arrangement. Shown are six offset heat sinks with rectangular cooling fins (6). The six heat sinks are fixed in position by a frame (12). The frame (12) has the necessary feedthroughs for heat sink assembly at the locations of the mounting surfaces (1). The converters in the form of power semiconductor switches (14) are arranged here in a form-fitting manner. The support frame also offers space for fastening the capacitors and other elements of the circuit control, as well as current-carrying connections (16, 18) via corresponding intermediate circuits.

Es ist auch in Umkehrung des Inhaltes der Fig. 3 möglich, auf der Montagefläche eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers vorteilhaft den Platz für mehrere Halbleiter-Schalter vorzusehen.It is also possible, in reverse of the content of Fig. 3, to advantageously provide space for several semiconductor switches on the mounting surface of a heat sink according to the invention.

Fig. 4 und 5 zeigen schließlich Varianten anderer Kühlfingeranordnungen (8), hier verlaufen die einzelnen Kühlfinger zueinander parallel. In Fig. 4 sind die einzelnen Finger unterschiedlich lang. Fig. 5 besitzt als Fühlfinger lamellenartige radial um die Mittelachse angeordnete Gebilde.Fig. 4 and 5 finally show variants of other cooling finger arrangements (8), here the individual cooling fingers run parallel to each other. In Fig. 4 the individual fingers are of different lengths. Fig. 5 has lamellar structures arranged radially around the central axis as sensing fingers.

Die Herstellung dieser geometrischen Ausführungen ist gußtechnisch möglich und damit in definierten Einsatzgebieten mit serienmäßigen Stückzahlen kostengünstig.The production of these geometric designs is possible using casting technology and is therefore cost-effective in defined areas of application with series production quantities.

Claims (9)

109304/PAL152 -7- nsprüche109304/PAL152 -7- Claims 1. Kühlkörper für Halbleiterbauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter- Schaltungsanordnungen, aus gut wärmeleitendem Material mit Kühlrippen und Kontaktflächen für die Positionierung der Halbleiteraufbauten,1. Heat sinks for semiconductor components, in particular power semiconductor circuit arrangements, made of good heat-conducting material with cooling fins and contact surfaces for positioning the semiconductor structures, dadurch gekennzeichnet , daßcharacterized in that die Kühlrippen (6) radial um einen Kern (4) stoffschlüssig angeordnet sind und mindestens eine Stirnfläche des Kernes (4) als Kontaktfläche (1) für den Wärmekontakt von mindestens einem Halbleiteraufbau (16) ausgebildet ist.the cooling fins (6) are arranged radially around a core (4) in a material-locking manner and at least one end face of the core (4) is designed as a contact surface (1) for the thermal contact of at least one semiconductor structure (16). 2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (6) in der Außenkontur rund oder elliptisch gestaltet, symmetrisch und stoffschlüssig um den Kern (4) angeordnet sind.2. Cooling body according to claim 1, characterized in that the cooling fins (6) are round or elliptical in the outer contour, are arranged symmetrically and in a material-locking manner around the core (4). 3. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen (6) quadratisch oder rechteckig gestaltet, symmetrisch und stoffschlüssig um den Kern (4) angeordnet sind.3. Cooling body according to claim 1, characterized in that the cooling fins (6) are square or rectangular in shape, symmetrical and arranged in a material-locking manner around the core (4). 4. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (4) des Kühlkörpers auf der der Montagefläche gegenüberliegenden Seite durch einen Abschnitt mit angeordneten Kühlfingern (8) abgeschlossen wird.4. Cooling body according to claim 1, characterized in that the core (4) of the cooling body is closed on the side opposite the mounting surface by a section with arranged cooling fingers (8). 5. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (4) des Kühlkörpers auf der der Montagefläche gegenüberliegenden Seite flächig parallel zur Montagefläche ausgebildet ist und mit einem Windleitblech (10) versehen worden ist.5. Cooling body according to claim 1, characterized in that the core (4) of the cooling body on the side opposite the mounting surface is designed to be flat and parallel to the mounting surface and is provided with a wind deflector (10). 6. Kühlkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Windleitblech (10) eine tellerförmige Gestalt besitzt und auf den Kern (4) des Kühlkörpers so montiert ist, daß eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit beim Durchströmen der Luft durch den Kühlkörper eintritt.6. Cooling body according to claim 5, characterized in that the wind deflector (10) has a plate-shaped configuration and is mounted on the core (4) of the cooling body in such a way that an increase in the air speed occurs when the air flows through the cooling body. 7. Kühlkörper nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kern (4) des Kühlkörpers auf der der Montagefläche gegenüberliegenden Seite ein Trageelement für den Kühlkörper ausgebildet oder montiert ist.7. Heat sink according to claim 4 or 5, characterized in that a support element for the heat sink is formed or mounted on the core (4) of the heat sink on the side opposite the mounting surface. 8. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kühlkörper auf einem Rahmengestell montiert zur Kühlung der durch Verlustleistungen auftretenden Wärme von Anlagen, Geräten, Ausrüstungen und/oder elektrischen Anordnungen, in natürlicher Umgebung verwendet werden.8. Heat sink according to claim 1, characterized in that one or more heat sinks mounted on a frame are used to cool the heat generated by power losses of systems, devices, equipment and/or electrical arrangements in a natural environment. 9. Kühlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Kühlkörper auf einem Rahmengestell montiert zur Kühlung der durch Verlustleistungen auftretenden Wärme von Leistungshalbleiter-Schaltungsanordnungen in natürlicher Umgebung verwendet werden.9. Heat sink according to claim 8, characterized in that one or more heat sinks mounted on a frame are used to cool the heat generated by power losses in power semiconductor circuit arrangements in a natural environment.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0658934A2 (en) * 1993-12-15 1995-06-21 Siemens Aktiengesellschaft Heat sink

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