SE443475B

SE443475B - SEMICONDUCTOR COOLING ELEMENT AND USE THEREOF

Info

Publication number: SE443475B
Application number: SE7906190A
Authority: SE
Inventors: P Knapp; X Vogel
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1978-07-21
Filing date: 1979-07-18
Publication date: 1986-02-24
Also published as: DE2902771A1; NL7905603A; CA1138562A; SE7906190L; BR7904617A; FR2431769A1; ATA428579A; FR2431769B1; GB2026238A; AT383228B

Description

7906190-9 För strömstyrkor över 100 A används kylmedel. Både luft- och kylvätska- kylningar är vanliga. Vätskekylningar utförs på grund av korrosions- risken i slutet kretslopp med återkylning genom råvatten eller luft. 7906190-9 Refrigerants are used for currents above 100 A. Both air and coolant cooling are common. Liquid cooling is performed due to the risk of corrosion in the closed cycle with cooling through raw water or air.

Därvid står halvledarkropparna i värmeledande förbindelse med kylfläns- försedda kylkroppar av aluminium, aluminiumlegering, koppar eller kop- parlegering eller någon annan metall, som uppvisar ett ringa värmemot- stånd.In this case, the semiconductor bodies are in a heat-conducting connection with heat-insulated heat sinks made of aluminum, aluminum alloy, copper or copper alloy or any other metal which has a low heat resistance.

Kylanordningar för halvledarkomponenter används särskilt högeffekt- strömriktare inomr omrâdet för energialstring, energiditribution, indu- stri och på fordon. Därvid används tyristorer med en varaktig gränsström av över 700 A och en togmgärnﬂiüuung av över 3 200 V. Vidareutvecklingen av strömriktaranläggningar leder till allt effektstarkare och samtidigt utrymmesbesparande strömriktargrupper, varvid effekter över 50 MW upp- nås. Detta kräver god värmeavledning inom trångt utrymme.Cooling devices for semiconductor components are used in particular high-power inverters in the fields of energy generation, energy distribution, industry and vehicles. Thyristors are used with a permanent limit current of more than 700 A and a toggle current of more than 3,200 V. The further development of converter systems leads to increasingly powerful and at the same time space-saving converter groups, whereby powers of more than 50 MW are achieved. This requires good heat dissipation within a confined space.

Luftkylning är den enklaste kylningstypen med hänsyn till färdigställ- ning och övervakning av kylmediet och tillgängligheten till halvledarkom- ponenterna. Den kräver ofta luftfilter, som vid periodiska revisions- tider måste demonteras, rengöras, torkas, och åter monteras. För ström- riktare med effekter av mer än ZMW och för drift av halvledarkomponenter- exempelvis i strömriktarsatser på rälsfordon, vilka kräver ett särskilt skydd mot nersmutsning genom metalliskt bromsstoft, etc, ävensom mot fuktighet från dimma, regn och snö, kan vätskekylningar vara lämpligare än luftkylningar.Air cooling is the simplest type of cooling with regard to the completion and monitoring of the coolant and the availability of the semiconductor components. It often requires air filters, which must be disassembled, cleaned, dried, and reassembled during periodic inspection times. For converters with effects of more than ZMW and for operation of semiconductor components - for example in converter kits on rail vehicles, which require special protection against fouling by metallic brake dust, etc., as well as against moisture from fog, rain and snow, liquid cooling may be more suitable than air cooling.

Emedan vätskor i förhållande till luft har mycket mindre värmeövergångs- tal, kan man vid vätskekylare använda väsentligt mindre värmeavgivande ytor. Vatten uppvisar gynnsammare värmeövergângsvärden än exempelvis olja. Pâ grund av frostrisk och elektrisk ledningsförmâga hos vattnet föredras ett elektriskt isolerande kylmedium, såsom exempelvis transfor- matorolja.Because liquids in relation to air have a much smaller heat transfer number, considerably less heat-emitting surfaces can be used with liquid coolers. Water has more favorable heat transfer values than, for example, oil. Due to the risk of frost and electrical conductivity of the water, an electrically insulating cooling medium, such as transformer oil, is preferred.

Genom DE-OS 2 640 000 är det tidigare känt att använda invändigt kylda värmeövergångselement, s k kyldosor, med oljecirkulationskylning för värmeavledning, vid vilka i kylvätskans strömningsväg är anordnade vin- kelﬁﬁtmot dosbottnarna orienterade och med dessa material fast förbundna tappar. Dessa tappar uppvisar en kvadratisk tvärsektion och står med en \Föreliggande uppfinning har till ändamål at 7906190-9 diagonal vinkelrätt mot strömningsriktningen. Genom denna anordning av tappdiagonalerna tvärs ﬁn-strömningsriktningen uppträder virvel- vilka medför en förbättrad övergång av det värme som skall bildningar, Dylika kyldosor kräver emellertid avledas från dosbotten in i vätskan. relativt högt tryck för vätskecirkulationen, na för vätskan har små tvärsektioner. Särskilt genom och avledning av vätska uppkommer tät- emedan in- och utström- ningsöppningar slangförbindelserna för till- ningsproblem.From DE-OS 2 640 000 it is previously known to use internally cooled heat transfer elements, so-called cooling boxes, with oil circulation cooling for heat dissipation, at which in the coolant flow path are arranged angles mot towards the dose bases oriented and with these materials firmly connected pins. These pins have a square cross section and stand with a object of the present invention having the object diagonally perpendicular to the direction of flow. Through this arrangement of the pin diagonals across the ﬁ n flow direction, vortices appear which result in an improved transfer of the heat to be formed. However, such cooling cans require to be diverted from the dose bottom into the liquid. relatively high pressure for the liquid circulation, na for the liquid has small cross sections. Especially through and diversion of liquid, the hose connections for connection problems arise frequently because inflow and outflow openings.

Genom DE-OS 2 160 997 är det vidare känt att anordna utvändigt kylda, med stora ytor försedda värmeövergångselement mellan angränsande halv- ledarkomponenter i värmeledande förbindelse och att anbringa dessa i en med olja fylld vätskebehållare. t anvisa ett kylelement för inom kraftelektroniken, som utmärker sig genom en- halvledarelement _ kel, produktionsvänlig uppbyggnad och möjliggör en i förhållande till de kända kylelementen förbättrad värmeavledning ; de i pauankravetsl kännebaﬂounﬁh del angivnaldhuwmeck- umàmknæmm ipaﬂankravetlü an- tetta ädamålxqmnås genun nen.Vﬂüueuuæxklngaraw14pfnuﬁngaxbe§oﬁvsi ges en använüﬂng av kjhsnenuﬁzi en kyhærmding förluﬂvledarhumqrwaner inun knïehàmronüæm. rskilda fördelen med kylelêmentet enligt uppfinningen ligger i h halvledarkomponenter i Den sä att anordningen av byggrupperna, med kyl- oc strömmningskananler både för flytande och gasformiga kylmedier leder till höga kyleffekter. Med denna kylanordning uppnås vid vätske- lativt små värmemotstând av mindre än 0,03 K/W med aluminium- /W med kopparkylelement samt vid luft- aluminiumkylelement och mindre än 0,04 liggare fördel med uppfinningen ligger kylning re kylelement och mindre än 0,02 K kylning mindre än 0,05 K/W med K/W med kopparkylelement. En ytter i att i en strömningskanal förbättrad värmeavledning sker från kylele- menten till kylfluiden.It is further known from DE-OS 2 160 997 to arrange externally cooled, large-surface heat transfer elements between adjacent semiconductor components in a heat-conducting connection and to place these in a liquid container filled with oil. to provide a cooling element for in the power electronics, which is characterized by a semiconductor element - simple, production-friendly construction and enables an improved heat dissipation in relation to the known cooling elements; de i pauankravetsl kärneba ﬂ oun ﬁ h del angnaldhuwmeck- umàmknæmm ipa ﬂ ankravetlü an- tetta ädamålxqmnås genun nen.V ﬂ üueuuæxklngaraw14pfnu ﬁ ngaxbe§o ﬁ vsi ges en använü lunu knu q nh avn ﬂ knu. The distinct advantage of the cooling element according to the invention lies in the semiconductor components in It so that the arrangement of the building groups, with cooling and flow channels for both liquid and gaseous cooling media, leads to high cooling effects. With this cooling device, at liquid-relatively low heat resistances of less than 0.03 K / W with aluminum / W with copper cooling elements and with air-aluminum cooling elements and less than 0.04, the advantage of the invention is cooling cooling elements and less than 0. 02 K cooling less than 0.05 K / W with K / W with copper cooling element. An exterior in that in a flow channel improved heat dissipation takes place from the cooling elements to the cooling fluid.

En förde] med de använda kylelementen, som till sin uppbyggnad är lik- kända kyldosorna, består i att de icke kräver någon sär- e är sålunda lättare och enklare att fran- artade med de skild kylelementkapsling. D ställa än dessa kyldosor. In- ochxmlqxsögmünqæmﬁ för kylfluiden 1 ky)- POOR QUALITY 7906190-9 4 elementet kan hållas större än vid kyldosorna, så att tryckfallet Till följd härav kan fluidtrycket och per kylelement blir mindre. cirkulationspumpen eller en fläkt den effekt som måste tillföras hållas lägre. Täthetsproblem vid kylelementen uppträder icke, emedan dessa är nedsänkta i fluiden resp. omgivna av denna. Genom korta led- banor för det värme som skall avledas inom kylelementen uppnås hög kyleffekt inom ringa utrymme. En särskild fördel hos kylelementen ligger i att de kan staplas på varandra.Kylelementet kräver ingen särskild övervakning och åstadkommer vid ringa platsbehov för byg- grupperna lätt utbytbarhet och lång livslängd. nings Uppfinningen beskrivs i det följande i anslutning till utföringsexem- pel. Pâ bifogade ritningar visar fig. 1 en kylanordning med ett fler- tal byggrupper med halvledarkomponenter och kylelement inuti en kyl- fluidbehållare i en vertikalsektion, fig. 2 principen för ett inspän- d två byggrupper i en horisontalsektion enligt linjen II-II i fig. 1, fig. 3 ett rutigt kylelement med kvadratiska värme- ledningselement i horisontalsektion enligt linjen III-III i fig. 2, fig. 4 ett kylelement i sektion längs linjen IV-IVi.fig.3, fig. 5 en bild underifrån av ett kylelement enligt fig. 3 och 4, fig. 6 ett kyl- element med rombiska värmeavledningselement i schematiskt horisontal- sektion, fig. 7 ett kylelement enligt linjen VII-VII i fig. 6, fig. 8 och 9 kylelement med plattformiga värmeavledningselement i schematisk nt med zickzackformiga ningsystem me horisontalsektion, och fig. JO ett kyleleme värmeavledningselement i schematisk horisontalsektion. l visade kylanordningen omfattar en med en kylfluid 14, Den i fig. gas, luft eller en väte-luftblandning exempelvis transformatorolja, SF6 fylld behållare 13 , i vilken ett flertal byggrupper 6, som skall kylas, är anordnade bredvid och över varandra. Dessa byggrupper befinner sig i strömningskanaler 23, som begränsas av vertikala längdskott 20 och är förbundna med horisontella tvärskott 21. De, bättre i fig. 2 visade, byggrupperna 6 skall tillsammans med sin inspänningsanordning i fig. 1 tänkas vara anordnade vinkelrätt bakåt i förhållande till ritningsplanet. Kylfluiden l4 strömmar i strömningsriktningeh A nedifrân och uppåt genom.dessa strömningskanaler 23. Mellan över varandra anbrag- ta längdskott 20 kan finnas tätningselement 26 av ett elastiskt, exem- pelvis kautschukartat, material, som åstadkommer en strömming av kyl- fluiden väsentligen i strömningsriktningen A mellan över varandra an- 7906190-9 ordnade rader av byggrupper. Kylfluiden kan medelst en pump 17 vid fly- tande fluid resp. en fläkt vid gasformig fluid via en yttre värmeväx- lare 18, en fluidinloppskanal 15, ett fluidfilter 27, via strömnings- kanalerna 23 i behållaren 13 och en fluidutloppskanal 16 hållas i tvån- gscirkulation. Via ej visade, elektriska ledningar är byggrupperna 6 förbundna med anslutningskontakter 19 vid behållarens 13 ovansida.One advantage of the cooling elements used, which are similar in construction to the cooling boxes, is that they do not require any special means and are thus lighter and easier to use with the separate cooling element enclosures. D set than these coolers. In- ochxmlqxsögmünqæm ﬁ for the cooling fluid 1 ky) - POOR QUALITY 7906190-9 4 the element can be kept larger than at the cooling boxes, so that the pressure drop As a result, the fluid pressure and per cooling element can be smaller. the circulation pump or a fan the power that must be supplied is kept lower. Leakage problems at the cooling elements do not occur, because these are immersed in the fluid resp. surrounded by this. Through short-circuit paths for the heat to be dissipated within the cooling elements, a high cooling effect is achieved within a small space. A special advantage of the cooling elements is that they can be stacked on top of each other. The cooling element does not require special monitoring and provides easy interchangeability and long service life with little space requirements for the building groups. The invention is described in the following in connection with exemplary embodiments. In the accompanying drawings, Fig. 1 shows a cooling device with a plurality of building groups with semiconductor components and cooling elements inside a cooling fluid container in a vertical section, Fig. 2 shows the principle of clamping two building groups in a horizontal section according to the line II-II in fig. Fig. 3 shows a checkered cooling element with square heating conductor elements in horizontal section along the line III-III in Fig. 2, Fig. 4 a cooling element in section along the line IV-IVi. Fig. 3, Fig. 5 a bottom view of a cooling element according to Figs. 3 and 4, Fig. 6 a cooling element with rhombic heat dissipation elements in schematic horizontal section, Fig. 7 a cooling element according to the line VII-VII in Fig. 6, Figs. 8 and 9 cooling elements with flat heat dissipation elements in schematic nt with zigzag-shaped ning systems with horizontal section, and fig. JO a cooling element heat dissipation element in schematic horizontal section. In the cooling device shown comprises a container 13 filled with a cooling fluid 14, The container 13, in Figs. gas, air or a hydrogen-air mixture, for example transformer oil, in which a plurality of building groups 6 to be cooled are arranged next to and above each other. These building groups are located in flow channels 23, which are delimited by vertical longitudinal bulkheads 20 and are connected by horizontal transverse bulkheads 21. The building groups 6, better shown in Fig. 2, together with their clamping device in Fig. 1 are thought to be arranged perpendicularly backwards relative to the drawing plane. The cooling fluid 14 flows in the flow direction A from below and upwards through these flow channels 23. Between longitudinally arranged longitudinal projections 20 there may be sealing elements 26 of an elastic, for example rubber-like, material which causes a flow of the cooling fluid substantially in the flow direction A between rows of building groups arranged on top of each other 7906190-9. The cooling fluid can by means of a pump 17 at liquid fluid resp. a fan of gaseous fluid via an external heat exchanger 18, a fluid inlet channel 15, a fluid filter 27, via the flow channels 23 in the container 13 and a fluid outlet channel 16 are kept in forced circulation. Via electrical wires (not shown), the building groups 6 are connected to connection contacts 19 at the top of the container 13.

Såsom framgår av fig. 2, kan byggrupperna 6 uppvisa ett flertal bakom varandra anordnade halvledarkomponenter 4, strömningsledplåtar 5 och kylelement 1, vilka i en statiskt definierad inspänningsanordning är gressadexnot varandra med sina pressytor. Inspänningsanordningen består väsentligen av tvâ tvärbalkar 10, de båda dragbultarna 12, de båda tryc- kkalotterna 8, fjädern 9 och spännskruven ll. I en dylik inspännings- anordning kan en dylik grupp inspännas via tvärbalkar 10 medelst spänn- skruvar ll med förbestämbar spänning. Fjäderns 9 fjäderkraft är dimen- sionerad så att presstrycket på byggruppens element även vid de största möjliga temperaturvariationerna förblir inom tillåtna gränsvärden. Detta är beroende av den aktiva deldiametern hos halvledarkomponenterna.As can be seen from Fig. 2, the building groups 6 can have a plurality of semiconductor components 4, which are arranged one behind the other, flow guide plates 5 and cooling elements 1, which in a statically defined clamping device are grassy notes with each other with their pressing surfaces. The clamping device essentially consists of two cross beams 10, the two tension bolts 12, the two pressure caps 8, the spring 9 and the clamping screw 11. In such a clamping device such a group can be clamped via crossbeams 10 by means of clamping screws 11 with predeterminable voltage. The spring force of the spring 9 is dimensioned so that the press pressure on the elements of the construction group remains within the permitted limit values even at the largest possible temperature variations. This depends on the active part diameter of the semiconductor components.

Halvledarkomponenterna 4 i skivform kyls vid båda sidor genom väl värme- ledande, metalliska kylelement. Vid små halvledarkomponenter kan ensidig kylning vara tillräcklig. Skivytorna hos dessa halvledarkomponenter 4 står red notsvarande kontaktytor 24,se fig.5,hos kylelementbotten 2 hos kylelementen li elektrisk och värmeledande förbindelse. För förbättring av värmeöver- gången kan mellan skivytorna hos halvledarelementen 4 och kylelementbot- tnarna 2 vara anordnade ej visade, väl värmeledande, tunna metallskikt, exempelvis av bly, nickel, aluminium, guld, silver eller legeringar med användning av en eller flera av dessa metal1er.Dylika metallskikt kan även pâföras genom exempelvis elektrolytisk utfällning, förângning eller katodförstoftning på halvledarskivans kontaktyta.The semiconductor components 4 in disk form are cooled on both sides by well-conducting, metallic cooling elements. For small semiconductor components, unilateral cooling may be sufficient. The disk surfaces of these semiconductor components 4 are covered by contact surfaces 24, see Fig. 5, of the cooling element bottom 2 of the cooling elements 1 in electrical and heat-conducting connection. To improve the heat transfer, between the disk surfaces of the semiconductor elements 4 and the cooling element bottoms 2, well-conducting, well-conducting, thin metal layers can be arranged, for example of lead, nickel, aluminum, gold, silver or alloys using one or more of these metals. Such metal layers can also be applied by, for example, electrolytic precipitation, evaporation or sputtering on the contact surface of the semiconductor wafer.

Mellan angränsande halvledarkomponenter 4 i en byggrupp 6 är två kylele- ment l anordnade, vilkas bottnar 2 vardera står i tryckkontakt med skiv- ytorna på halvledarkomponenterna 4 och vilkas värmeavledningstappar eller värmeavledningselement 3 står i tryckkontakt med varandra. Mellan dessa båda kylelement och mellan kylelementen vid båda ändar av byggruppen 6 och tryckkalotterna 8 kan strömningsledplâtar 5 vara anordnade, vilka samtidigt kan användas såsom elektriska kontakter. Därvid sträcker sig strömtillförselflikarna på dessa strömningsledplåtar 5 ut utanför kyl- POOR QUALITY 7906190-9 elementens 1 sidobegränsning, såsom framgår av fig. 3. Genom inbyggnad av dylika strömningsledplåtar kan andra elektriska anslutningselement undvaras. I den i fig. 2 visade byggruppen 6 är halvledarkomponenterna anordnade i en graetzbryggkoppling. De kan för ett annat användnings- ändamål även vara seriekopplade.Arranged between adjacent semiconductor components 4 in a building group 6 are two cooling elements 1, the bottoms 2 of which are each in pressure contact with the disk surfaces of the semiconductor components 4 and the heat dissipation pins or heat dissipation elements 3 of which are in pressure contact with each other. Between these two cooling elements and between the cooling elements at both ends of the building group 6 and the pressure caps 8, flow guide plates 5 can be arranged, which can be used simultaneously as electrical contacts. In this case, the current supply tabs on these flow guide plates 5 extend beyond the lateral boundary of the cooling elements 1, as can be seen from Fig. 3. By incorporating such flow guide plates, other electrical connection elements can be dispensed with. In the construction group 6 shown in Fig. 2, the semiconductor components are arranged in a graetz bridge coupling. They can also be connected in series for another purpose.

Tvärs över strömningskanalen 23 är, såsom visas i den vänstra delen av fig. 2, anordnade skott 22, förbundna med tvärskotten 20, som är an- bragta längs byggruppen 6 och på ringa avstånd från den mellan inspän- ningsanordningens tvärbalkar 10. Tvärskotten 22 åstadkommer att fluid- cirkulation genom strömningskanalen 23 sker väsentligen endast genom ursparingar mellan värmeavledningstapparna eller elementen 3 i kylelemen- ten l. De hindrar i strömningskanalen 23 väsentligen strömning kring halvledarkomponenterna 4 och kring inspänningsanordningens tryckkalotter 8. Skotten 20, 21, 22 består av en mot SF6 resp. olja och tryck hâllfast isolator, företrädesevis av plast.As shown in the left part of Fig. 2, bulkheads 22 are arranged across the flow channel 23, connected to the transverse bulkheads 20, which are arranged along the building group 6 and at a small distance from it between the crossbeams 10 of the clamping device. that fluid circulation through the flow channel 23 takes place essentially only by recesses between the heat dissipation pins or the elements 3 in the cooling elements 1. They substantially prevent flow in the flow channel 23 around the semiconductor components 4 and around the clamping device pressure caps 8. The bulkheads 20, 21, 22 consist of one towards SF6 resp. oil and pressure resistant insulator, preferably made of plastic.

Kylelementen l uppvisar, såsom framgår av fig. 3 - 10, fyrkantig form och består väsentligen av en kylelementbotten 2 samt vinkelrätt mot planet genom kylelementbottens 2 kontaktyta 24 orienterade, stavformiga värmeavledningstappar 3 med kvadratisk eller rombisk tvärsektion, eller med platt- eller vågformigt utbildade värmeavledningselement 3. Vid kyl- elementbotten 2 utanför dess kontaktyta 24 finnes virvelbildningsstift 7, vilka förbättrar värmeavledningen från kylelementet l till kylfluiden 14. De lämpar sig företrädesevis för vätskekylning. Värmeavledningsele- menten 3 är materialmässigt förbundna med kylelementbotten. Deras tvär- sektion kan minskas med ökande avstånd från kylelementbotten. Den måste vara åtminstone så stor att över dessa värmeavledningselement felfri kraftöverföring säkerställs genom inspänningsanordningen. De tappformiga värmeavledningselementen 3 har en diagonal vinkelrätt mot kylfluidens 14 strömningsriktning A. Vid rombiska värmeavledningstappar är den kortare diagonalen riktad vinkelrätt mot strömningsriktningen A. Värmeavlednings- tapparna är lämpligen anordnade på lika avstånd från varandra. Per cm yta, vinkelrätt mot dessa tappars längdriktning, kommer exempelvis en värmeavledningstapp 3. Värmeavledningstappens 3 ansats vid kylelement- botten är företrädesevis spetsbågformig eller spetsigt utlöpande. Genom denna formgivning uppnås en god vârmeövergång från kylelementbotten till värmeavledningstappen 3. 7906190-9 Såsom framgår av fig. 4, kan kylelementbotten ha olikformig väggtjock- lek. Företrädesevis uppvisar periferien, eller också, såsom visas med streckade linjer, uppvisar det centrala och det perifera området av kyl- elementbotten mindre väggtjocklek än det mellanliggande området. Däri- genom uppnås ytterliggare förbättring av värmeavledningen. Längden l av värmeavledningselementen uppgår till två till åtta gånger, företrädese- vis fyra till sex gånger, kylelementbottens 2 maximitjocklek d.The cooling elements 1 have, as shown in Figs. 3-10, a square shape and consist essentially of a cooling element bottom 2 and perpendicular to the plane through the contact surface 24 of the cooling element bottom 2 oriented, rod-shaped heat dissipation pins 3 with square or rhombic cross-section, or At the cooling element bottom 2 outside its contact surface 24 there are vortex forming pins 7, which improve the heat dissipation from the cooling element 1 to the cooling fluid 14. They are preferably suitable for liquid cooling. The heat dissipation elements 3 are materially connected to the cooling element bottom. Their cross section can be reduced with increasing distance from the cooling element bottom. It must be at least so large that faultless power transmission over these heat dissipation elements is ensured by the clamping device. The pin-shaped heat dissipation elements 3 have a diagonal perpendicular to the flow direction A of the cooling fluid 14. In the case of rhombic heat dissipation pins, the shorter diagonal is directed perpendicular to the flow direction A. The heat dissipation pins are suitably arranged at equal distances from each other. Per cm of surface, perpendicular to the longitudinal direction of these pins, there is, for example, a heat dissipation pin 3. The shoulder of the heat dissipation pin 3 at the base of the cooling element is preferably pointed arcuate or pointedly tapered. Due to this design, a good heat transfer is achieved from the cooling element bottom to the heat dissipation pin 3. As can be seen from Fig. 4, the cooling element bottom can have a non-uniform wall thickness. Preferably, the periphery, or also, as shown in broken lines, the central and peripheral areas of the cooling element bottom have less wall thickness than the intermediate area. As a result, further improvement of heat dissipation is achieved. The length 1 of the heat dissipation elements amounts to two to eight times, preferably four to six times, the maximum thickness d of the cooling element bottom 2.

Vid kylelementen kan längdskott 20 vara avbragta, exempelvis fastgjutna, såsom visas i fig. 6 - 10. Därvid understöder dessa längdskott värme- avledningen till kylfluiden.In the case of the cooling elements, longitudinal bulkheads 20 can be cut off, for example cast, as shown in Figs. 6-10.

Kylelementen kan även vara utformade rektangulära eller plattformiga, varvid den längre rektangelsidan är tre till tjugo gånger så lång som den kortare rektangelsidan. Därvid kan den kortare rektangelsidan eller plattans smalsida vara orienterad väsentligen vinkelrätt mot kylfluidens strömningsriktning A, såsom visas i fig. 8, eller avvika från denna rik- tning med en vinkel av företrädesevis mindre än 45°, såsom visas i fig. % Värmeavledningselementen 3 är anordnade radvis, parallellt med varandra.The cooling elements can also be designed rectangular or flat, the longer rectangle side being three to twenty times as long as the shorter rectangle side. In this case, the shorter rectangular side or the narrow side of the plate can be oriented substantially perpendicular to the flow direction A of the cooling fluid, as shown in Fig. 8, or deviate from this direction by an angle of preferably less than 45 °, as shown in Fig.%. arranged in rows, parallel to each other.

Värmeavledningselement i angränsande rader är förskjutna relativt varan- dra, d v s i kylfluidens strömningsriktning A till luckan mellan angräns- ande värmeavledningselement inom den föregående eller efeterföljande raden. Tappformiga värmeavledningselement i en rad kan vara anordnade delvis i mellanrummen mellan värmeavledningselement i en angränsande rad, se fig. 6.Heat dissipation elements in adjacent rows are offset relative to each other, i.e. in the flow direction A of the cooling fluid to the gap between adjacent heat dissipation elements within the preceding or following row. Pin-shaped heat dissipation elements in a row can be arranged partly in the spaces between heat dissipation elements in an adjacent row, see Fig. 6.

Enligt en annan utföringsform kan värmeavledningselementen vara orien- terade väsentligen i kylfluidens strömningsriktning A, ytmässigt i våg- eller sicksackform. såsom visas i fig. 10.According to another embodiment, the heat dissipation elements can be oriented substantially in the flow direction A of the cooling fluid, superficially in wave or zigzag shape. as shown in Fig. 10.

Väsentligt för de olika formerna av värmeavledningselement är ett litet strömningsmotstând för kylfluiden vid stark virvelbildning hos denna.Essential for the various forms of heat dissipation elements is a small flow resistance for the cooling fluid during strong vortex formation thereof.

För uppnående av hög kyleffekt är samtidigt värmeutbytesytorna rätt stora, deras tvärsektion ringa och transportvägen för det värme som skall bortledas inom kylelementet så kort som möjligt. Så stor kylyta som möj- ligt bör anbringas så nära värmekällan som möjligt.At the same time, in order to achieve a high cooling effect, the heat exchange surfaces are quite large, their cross section is small and the transport path for the heat to be dissipated within the cooling element is as short as possible. As large a cooling surface as possible should be placed as close to the heat source as possible.

Poor QUALnrY 7906190-9 Verkningsättet hos uppfinningen förklaras i anslutning till fig. l och 2. Medelst cirkulationspumpen eller fläkten 17 transporteras en kylfluid 14 genom strömningskanalerna 23. Därvid kringströmmas de i strömningskanalerna 23 anordnade byggrupperna 6 och den i halvledar- komponenterna 4 såsom värme frigjorda, elektriska förlusteffekten upptas av kylfluiden 14, avleds och avges i en yttre värmeväxlare 18 till omgivningen. Beroende på de vinkelrätt mot strömningen i strömningkanalerna 23 anordnade skotten 22, strömmar kylfluiden väsent- ligen genom kylelementen l eller genom compoundkylelement 25, vilka är uppbyggda av tvâ lika kylelement l, eventuellt med en mellan dessa an- bragt strömningsledplåt 5. Kylelementen står därvid via sina värmeav- ledningselement 3 i värmeledande och elektrisk förbindelse med varandra.Poor QUALRY 7906190-9 The operation of the invention is explained in connection with Figs. 1 and 2. By means of the circulation pump or fan 17 a cooling fluid 14 is transported through the flow channels 23. The building groups 6 arranged in the flow channels 23 and the heat-releasing component 4 in the semiconductor components , the electrical loss power is absorbed by the cooling fluid 14, dissipated and delivered in an external heat exchanger 18 to the environment. Depending on the bulkheads 22 arranged perpendicular to the flow in the flow channels 23, the cooling fluid flows substantially through the cooling elements 1 or through compound cooling elements 25, which are built up of two equal cooling elements 1, possibly with a flow joint plate 5 arranged therebetween. their heat dissipation elements 3 in heat-conducting and electrical connection with each other.

Det värme som skall avledas överförs företrädesvis från värmeavledning- tapparna resp. -elementen 3 till den kylfluid som turbulent kringström- mar dessa, varvid strömningen är riktad väsentligen vinkelrätt mot vär- meavledningselementens orientering. vid användning av vätgas eller en vätgas-luftblandning såsom kylfluid bör för undvikande av genomträngning av vätejoner särskilda stål eller överdrag användas för kåpor och ledningar. Vid användning av luft såsom kylfluid blir ett slutet fluidkretslopp med värmeväxlare överflödigt, llt när ingen särskild risk med avseende på fuktighet och frost För att förebygga nedsmutsning av hahﬂedaﬂammomanxxna är ett Lufthastigheter av specie föreligger. luftfilter 27 för rening av tilluften nödvändigt. 4m/s - l2m/s är vanliga. Tryckfallet inom ett värmeavledningselement är beroende av fluidgenomloppshastigheten och fluidmolekylernas rörlighet, d v s av temperaturen.The heat to be dissipated is preferably transferred from the heat dissipation pins resp. the elements 3 of the cooling fluid which turbulently flows around them, the flow being directed substantially perpendicular to the orientation of the heat dissipation elements. When using hydrogen or a hydrogen-air mixture such as cooling fluid, special steels or coatings should be used for covers and pipes to avoid the penetration of hydrogen ions. When using air as a cooling fluid, a closed fluid circuit with a heat exchanger becomes superfluous, when there is no particular risk with regard to humidity and frost. To prevent contamination of the heat exchanger, an air velocity of specie is present. air filter 27 for purifying the supply air necessary. 4m / s - l2m / s are common. The pressure drop within a heat dissipation element is dependent on the fluid flow rate and the mobility of the fluid molecules, i.e. on the temperature.

Uppfinningsföremålet är givetvis icke begränsat till de på ritningarna visade utföringsformerna. fluiden 14 vara försett med kylflänsar, genom vilka värmen kan avledas till omgivningen eller till fartvinden, varvid fluidkretsloppet är anor- dnat inom denna behållare. Kylelementens l värmeavledningselement 3 kan även vara exempelvis runda, ovala, stjärnformiga eller parallellepipe- diska. Deras axlar kan i förhållande till planet för kylelementbottens 2 kontaktyta 24 uppvisa en från 90°§dJdvimædAnﬁﬂetvärmeavledningstappar tbottenyta kan vara större eller mindre än ett. Kylele- 2l i ström- Sålunda kan exempelvis behållaren 13 för kyl- per cm2 kylelemen mentbotten kan uppvisa.likformig väggtjocklek. Skotten 20, 7906190-9 skild vinkel i för- ade i en från 900 na är även ningskanalerna 23 kan vara nordn Andra än de nämnda kylmedier hållande til] behållarväggarna. användbara.The object of the invention is of course not limited to the embodiments shown in the drawings. the fluid 14 be provided with cooling flanges, through which the heat can be dissipated to the surroundings or to the wind, the fluid circuit being arranged within this container. The heat dissipation elements 3 of the cooling elements 1 can also be, for example, round, oval, star-shaped or parallelepiped. In relation to the plane of the contact surface 24 of the cooling element bottom 2, their axes can have a bottom surface surface of 90 ° §dJdvimædAn ﬁﬂ a heat dissipation pins can be larger or smaller than one. Cooling element - 2l in current. Thus, for example, the container 13 for radiators per cm2 of cooling element bottom can have a uniform wall thickness. The bulkheads 20, 7906190-9 different angle in lined in a from 900 na are also the ning channels 23 may be north Other than the mentioned coolants holding to the container walls. useful.

PÛOR QUALITYFOR QUALITY

Claims

7906190-9 Patent claims

Cooling elements for semiconductor elements in power electronics with a cooling element base (2) and substantially perpendicular to the cooling element base oriented and with this materially connected heat dissipation element (3), characterized in that the heat dissipation elements (3) are formed at the cooling element base (2) pointed arcuate or pointed.

Cooling element according to claim 1, characterized in that the heat dissipation elements (3) are pin-shaped or rod-shaped and have a rhombic or square cross-section, intended to be aligned with a diagonal perpendicular to a flow direction (A) of a cooling fluid (14) through a flow channel (23) of a cooling device.

Cooling element according to claim 1, characterized in that the heat dissipation elements (3) have a plate or surface shape and are intended to be oriented with the narrow side of these plates substantially perpendicular to the flow direction (A) of a cooling fluid through a flow channel ( 23) of a cooling device.

Cooling element according to claim 3, characterized in that the heat dissipation elements (3) in said flow direction (A) have a substantially wave- or zigzag-shaped profile.

Cooling element according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the heat dissipation elements (3) are designed in a row parallel to each other, and in that the cross-sectional area of the heat dissipation elements (3) decreases with the distance from the cooling element bottom (2).

Cooling element according to claim 2, characterized in that the heat dissipation elements (3) are arranged offset relative to each other in adjacent rows.

Cooling element according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the wall thickness of the cooling element bottom (2) decreases in the direction of the peripheral areas, in particular that the cooling element bottom (2) has a smaller wall thickness in its central and peripheral area than in the intermediate area.

Cooling element according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the ratio between the maximum length (1) of the heat dissipation elements (3) and the maximum thickness (d) of the cooling element bottom (2) is in the range 2 to 8, especially in the range 4 to 6. .

Cooling element according to one of Claims 1 to 8, characterized in that vortex formation pins (7) project from the peripheral area of the cooling element base (2) on the side of the cooling element base opposite the heat dissipation pins (3). 7906190-9 11

Use of a cooling element according to claim 1 in a cooling device for semiconductor components in power electronics, in which device at least one building group (6) with at least one semiconductor component (4) and at least one cooling element (1) are connected to each other in mutual thermal conductivity. and electrical pressure contact, and are surrounded by a heat-absorbing cooling fluid (14), the semiconductor component (4) and the cooling element (1) being arranged inside the heat-absorbing cooling fluid (14) in a flow channel (23), and are superficially surrounded by walls or longitudinal bulkheads ( 20) of the flow channel. PQOR QUALITY