NO129650B - - Google Patents

Description

Halvlederanordning.

^Foreliggende oppfinnelse vedrører en halvlederanordning

som omfatter et for dobbeltsidig kjøling bestemt halvlederelement,

såsom en diode eller en tyristor, to varmerør som står i termisk kon-

takt med motstående overflater på halvlederelementet for å føre bort tapsvarme fra dette og på en sådan måte at den ene ende av hvert varmerør er anordnet i termisk kontakt med en overflate av halvleder-

elementet, og den del av røret som befinner seg ved den motsatte ende,

er anordnet i termisk kontakt med ett av to kjølelegémer som inngår i anordningen <p>g som er innrettet til å overføre varme til et kjølernes dium.

Halvlederanordninger av denne art er velkjente, f.eks. fra

svensk patent 215 115, hvis fig. 1 viser to med flenser forsynte kjø-

lelegémer (13, 14) i direkte elektrisk og termisk kontakt med motstå-

ende flater på et halvlederelement (1 - 11). Som det fremgår av figuren er avstanden mellom deler med adskilt elektrisk potensial relativt liten, både direkte mellom kjølelegsmene og langs isole-ringenes 6, 7 flater. Dette gjør at sterk nedsmussing eller fuktighet kan medføre overslag. Halvlederelementene med kjølelegemer er vanligvis anbragt i kjøleluftsjakter eller -kanaler. Ved normal renhet av kjøleluften opptrer der i alminnelighet ingen problemer, men ved visse typer av utstyr, særlig sådanne for kjøretøydrift, har det vist seg at kjøleluften ofte inneholder så meget støv, jernpar-tikler fra bremsebakker, kullpartikler fra strømavtagere etc., at der kan oppstå driftsforstyrrelser. Særlig aksentuert er problemene om vinteren da under visse forhold store mengder snø medfølger kjøle-luf ten. i

Da det er av stor betydning at temperaturfallet i kjøle-legemet mellom halvlederelementet og kjøleluften er så lite som mulig, har det vist seg praktisk umulig i nevneverdig grad å øke krypestrekninger og isolasjonsavstander ved f.eks. å gjøre delene 17, 18 av kjølelegemene i ovennevnte patent vesetnlig høyere.

Svensk patent-profylax nr. 7/69 viser på fig. 1 et element som kjø-les på den ene side ved hjelp av et varmerør. Belastningsevnen for et ensidig kjøleelement er imidlertid meget lavere enn for et dobbelsidig kjøleelement, og det er derfor ved høyere effekter, bl.a. av økonomiske grunner, nødvendig å anvende dobbelsidig kjøling.

Som det fremgår av fig. 1 i profylaxen er det forholdsvis enkelt ved ensidig kjøling å anordne elementet i et rom som er adskilt fra kjølemediet-og derved unngå bl.a. problemer med nedsmussing, fuktighet etc. som ellers ofte forårsaker alvorlige driftsforstyrrelser. Disse problemer er særlig store ved utstyr for trans-portmidler, f.eks. elektriske lokomotiver.

Ved dobbelsidige kjøleelementer som i forbindelse med var-merør er kjent fra profylaxens fig. 2, har det hittil vært umulig . uten kompliserte og kostbare anordninger for luftsjakt, tetning etc., å oppnå denne adskillelse mellom elementrommet og kjølemiddelrommet.

Det har heller ikke vært mulig på enkel måte å anbringe dobbelsidige kjøleelementer i en plan vegg (f.eks. tak eller gulv i et elektrisk kjøretøy) på en sådan måte at kjølelegemener på den ene side (utsiden) av veggen og elementene på den annen side (innsiden) derved er beskyttet mot smuss, fuktighet o.l.

Resultatet av oppfinnelsen er en anordning, ved hvilken de nevnte ulemper unngåes helt uten at halvlederelementenes kjøling og dermed belastbarhet nedsettes, og det særegne ved anordningen ifølge oppfinnelsen er at de deler av varmerørene som befinner seg nærmest halvlederelementet, er i det vesentlige innbyrdes parallelle, at de to varmerør.i avstand fra halvlederelementet er bøyet i samme retning på en sådan måte at de to kjølelegemer befinner seg inntil hinannen, og at den enhet som dannes av halvlederelementet, varme-rørene og kjølelegemene, omfatter organer som danner minst en del av en vegg som er innrettet til å adskille et rom for halvlederelementet fra et rom for kjølelegemene og kjølemediet.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i tilslutning til tegningene, på hvilke fig. 1 viser en anordning med to varmerør og to kjølelegemer pr. halvlederelement og fig. 2 viser en utførelse med for et eller flere halvlederelementer felles kjølelegeme og med et varmerør pr. halvlederelement.

Funksjonen av et varmerør, ofte kalt "heat pipe", er be-skrevet i svensk patent 135 037, og det er kjent at et varmerør med lavt temperaturfall kan overføre en stor varmestrøm.

Ifølge fig. 1 utgjøres halvlederelementet av en halvleder-skive 1 og en av metallokk 2 og 3 og en keramikkring 4 dannet kap-sel. Mot hver side av elementet ligger skjematisk viste varmerørs 5 og 6 endeflater an. Trykkraften tilveiebringes ved hjelp av bolter 9 og 10 som er anbragt i hull i og trykker mo- flenser 7 og 8

på varmerørene. Da elementets driftspenning ligger mellom rørene 5 og 6, må anordningen være således utført at boltene ikke kort-slutter elementet. Dette kan på i og for seg kjent, men ikke vist måte oppnås f.eks. ved anvendelse av isolerende skiver.

Varmerørene 5 og 6 er bøyet 90°, og på deres fra elementet vendte'deler er kjølelegemer 11 og 12 anbragt, f.eks, krympet på rørene.. Hvert kjølelegeme er forsynt med et antall kjøleflenser og kan være utført av aluminium, en eller annen lettmetallegering eller av kobber. Kjølelegemene er forsynt med strømavtagere 13 og 14, til hvilke tilslutningsledninger for belastningsstrømmen kan festes. Mellom legemene 11 og 12 er der anbragt en skive 15 av isolerende materiale. For at man hos systemet kjølelegemer, varme-rør, halvlederelementer skal få god stivhet, er de ytterste kjøle-flenser formet med ører 16 og 17 for en bolt 18 som trykker kjøle-legemene mot skiven 15. For at bolten 18 ikke skal kortslutte ar-beidsspenningen, er den hensiktsmessig, i likhet med boltene 9 og 10, forsynt med isolerende skiver (ikke vist). En kjøleluftsjakt har tre vegger 19, fortrinnsvis utført av isolerende materiale. Veggene kan alternativt være utført av metall, men må da på inner-siden være forsynt med isolerende materiale eller med isolerende skinner etc. på sådan måte at legemene 11 og 12 ikke kommer i berør-ing med metallveggene, hvilket ellers ville medføre kortslutning av belastningsspenningen over sjaktens vegger.

Den ferdigmonterte enhet bestående av kjølelegemer, varme-rør, halvlederelement, er fra siden (ovenfra på fig. 1) ført inn i og festet i kjøleluftsjakten, hvis fjerde vegg dannes av kjøleflens-ene 11", 11" og 12", 12". Eventuelt kan tetningslister anordnes mellom flensene 11" og 12" og hos kjøleluftsjaktens vegger for å hindre at kjøleluft lekker ut fra sjakten og inn i det rom, hvor halvlederelementet er anbragt.

Ved behov kan kjøleluftsjakten gjøres langstrakt (i retning vinkelrett til papirets plan, fig. 1) og et vilkårlig antall halvlederelementer med tilhørende kjølelegemer og varmerør anbringes etter hvert iro i sjaktens lengderetning. En luftstrøm bringes til å strømme i sjakten, hensiktsmessig ved hjelp av en vifte. Når flere halvlederelementer er montert etter hverandre, kan luft hensiktsmessig bringes til å strømme i én retning i sjaktens ene halvdel (f.eks. forbi kjølelegemet 11) og tilbake gjennom den annen halvdel (forbi kjølelegemet 12). Derved oppnås at alle halvlederelementer når like god kjøling.

Selvsagt kan flere kjøleluftsjakter på egnet måte anbringes ved siden av hverandre, eller to eller flere halvlederelementer med kjølelegemer kan anordnes ved siden av hverandre i samme sjakt.

For at varmerørene bg kjølelegemene ikke skal stå under elektrisk spenning, kan elektrisk isolerende .plater av et materiale med god termisk, ledningsevne, f.eks. berylliumoksyd, anbringes mellom halvlederelementet og det ene eller begge varmerør, iéat diette da må forsynes med særskilte tilslutninger for arbeidsstrømmen. Ved denne utførelse behøver der ikke treffes forholdsregler for elektrisk å isolere varmerørene og kjølelegemene innbyrdes.

Som det fremgår av figuren og beskrivelsen, er kjøleluft-strømmen fullstendig adskilt fra det rom, hvor halvlederelementet er anbragt. Kjøleluftens innhold av smusspartikler, snø, fuktighet etc. kan derfor ikke bevirke noen senkning av elementets overslagsfasthet. Den isolerende skive 15 hindrer overslag mellom kjøleleg-emene . Fig. 2 viser en utførelse, hvor halvlederelementet med tilstøtende deler av varmerørene 5 og 6 er anbragt i en kasse eller sjakt 20 som er utført av isolerende materiale eller forsynt med isolerende deler for unngåelse av kortslutning. Kjølelegemene befinner seg utenfor kassen og kjøles ved egenkonveksjon eller ved et kjøretøy av fartvinsien. Fig. 3 viser et lignende halvlederelement (1-4) som på fig. 1. På hver side av elementet ligger isolerende skiver 21 og 22 av berylliumoksyd og eventuelt mellom disse skiver og elementet ikke viste organer for tilslutning av ledninger for belastnings-strømmen. Et varmerør 5 med to 9 0°-bend ligger an mot skiven 22, og skiven 21 ligger an mot en kobberkloss 23. Varmerøret er forsynt med en flens 7. En metallkasse 25 har et lokk 24 som er festet ved hjelp av bolter 26. Bolter 10 er innrettet til over flen-sen 7 å trykke varmerøret mot lokket 24 med en sådan kraft at der oppnås god trykkontakt mellom de enheter som ligger mellom lokket og varmerøret. Den ende av varmerøret som ligger lengst fra halvlederelementet, har en flens 27 med gjennomgående bolter 28 for å trykke varmerøret mot lokket 24. Sistnevnte har kjøleribber for overføring av halvlederelementets tapsvarme til et kjølemedium.

I ferdig montert tilstand er kassen 25 helt lukket og tett Og kan anvendes ved meget vanskelige miljøforhold uten at halvlederelementets overslagsfasthet settes i fare. Den kan eksem-pelvis monteres under et elektrisk drevet skinnegående kjøretøy, hvilket ofte av vekt— og plassgrunner er en hensiktsmessig anbring-else uten fare for nedsatt driftsikkerhet til tross for de der fore-kommende store mengder smuss, snø, fuktighet etc.

Eventuelt kan lokket 24 anbringes i kontakt med en kjole-væske og i tilfelle utføres med lukkede kanaler for en kjølevæske-strøm.

Anordningen kan selvsagt anvendes for kjøling av såvel dioder som tyristorer og andre halvlederelementer.

Claims (4)

1. Halvlederanordning som omfatter et for dobbelsidig kjbling bestemt halvlederelement (1 -4), to varmeror (5, 6) som står i termisk kontakt med motstående overflater på halvlederelementet for å fore bort tapsvarme fra dette og på en sådan måte at den ene ende av hvert varmeror er anordnet i termisk kontakt med en overflate av halvlederelementet, og den del av roret som befinner seg ved den motsatte ende, er anordnet i termisk kontakt med ett av to kjble-legemer (11, 12) som inngår i anordningen og som er innrettet til å overfore varme til et kjblemedium, karakterisert ved at de deler av varmerbrene som befinner seg nærmest halvlederelementet, er i det vesentlige innbyrdes parallelle, at de to varmeror i avstand fra halvlederelementet er bbyet i samme retning på en sådan måte at de to kjSle legemer befinner seg inntil hinannen, og at den enhet som dannes av halvlederelementet, varmerbrene og kjble legeme ner , omfatter organer (11<1>, 12') som danner minst en del av en vegg som er innrettet til å adskille et rom for halvlederelementet fra et rom for kjble legemene og kjblemediet.

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at organene består av de deler av kjble legemene som befinner seg nærmest halvlederelementet.

3. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at hvert varmeror er bbyet i en i hovedsaken rett vinkel og at de deler av varmerbrene som befinner seg inntil kjble-legemene, i hovedsaken er innbyrdes parallelle.

4. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at kjble legeme ne er anordnet for å omslutte de deler av varmerbrene som ligger lengst fra halvlederelementet.