SE455242B - Kylkropp for gaskylning av hogeffekthalvledarkomponenter - Google Patents

Description

455 242 2 Den västtyska patentskriften 2 502 472 beskriver ett förslag att minska flänsavståndet hos en av strängpressade profiler framställd kylkropp för gaskylning av halvledarelement. Kylkroppen består av en eller två bas- plattor, vilka är försedda med spår för kylflansar. Basplattorna och kyl- flänsarna är var för sig framställda genom strängpressning. Kylflänsarna pressas därefter in i spåren i.basplattorna.

Denna kylkropp kan utföras med mindre flänsavstånd än i ett stycke sträng- pressade kylkroppar. Den behöver dock ett omständligt och därför kostsamt monteringsförfarande. Det har vidare visat sig att värmeövergângsmotstån- det mellan basplattorna och kylflänsarna blir väsentligt sämre än vid en i ett stycke framställd kylkropp. Detta torde bero på att en fullgod kontakt metall-mot-metall erhålles endast i enstaka punkter eller små delområden av den teoretiskt möjliga kontaktytan mellan en basplatta och en kylfläns.

Den ökning av kylflänsarnas antal och därmed deras yta som erhålles vid den nu beskrivna kända kylkroppen motverkas därför i hög grad av det ökade värmeövergångsmotståndet mellan basplattor och kylflänsar.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN Uppfinningen avser att åstadkomma en kylkropp av inledningsvis angivet slag, vilken på ett enkelt och ekonomiskt sätt kan framställas av sträng- pressade profiler, vilken möjliggör en halvering av flänsavståndet, vilken uppvisar ett lågt övergångsmotstånd för det till kylflänsarna strömmande värmeflödet och vilken är lämpad för inbyggnad i en stapel med ett flertal halvledarelement med mellanliggande kylkroppar.

Vad som kännetecknar en kylkropp enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1-7.

Figur 1 visar profilen hos en i kylkroppen enligt uppfinningen ingående änddel.

Figur 2 visar en kylkropp, som är sammansatt av två änddelar enligt figur 1. ' 'n 'nu nu 3 455 242 Figur 3 och figur 4 visar två olika utformningar av kylflänsarnas spets- partier.

Figur 5 visar profilen hos en i en kylkropp ingående mellandel.

Figur 6 visar en kylkropp enligt uppfinningen, vilken är sammansatt av två änddelar och en mellandel.

Figur 7a och 7b visar två olika vyer av en ventilstapel med kylkroppar enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL En kylkropp enligt uppfinningen framställes företrädesvis av strängpres- sade lättmetallprofiler, exempelvis utförda i en lämplig aluminiumlege- ring. De strängpressade profilerna erhålles i form av långa skenor, vilka efter pressningen kapas till lämpliga längder. Härefter hopfogas de i kyl- kroppen ingående delarna, exempelvis genom sammanpressning med högt tryck.

En kylkropp enligt det här beskrivna utföringsexemplet innehåller två s k änddelar, avsedda att anordnas ytterst i kylkroppen, dvs närmast det eller de halvledarelement som skall kylas med hjälp av kylkroppen. Figur 1 visar profilen hos en sådan änddel 1. Den har ett basparti 2, vars i figuren undre yta är plan och avsedd att anordnas i kontakt med ett halvledar- element för kylning av detta. Vid sin i figuren övre yta är baspartiet 2 försett med ett antal ekvidistanta och parallella kylflänsar 3-8. Mellan varje par av kylflänsar är baspartiet 2 försett med urtagningar 9-lä av- sedda att uppta spetsarna hos kylflänsarna hos en annan och till delen 1 angränsande kylkroppsdel. För att öka värmeöverföringsytan mellan kyl- flänsarna och en kylgas, företrädesvis luft, är kylflänsarna N-8 på båda sidor försedda med rillor 15, medan kylflänsen 3 är försedd med rillor 15 endast på sin insida.

För att fà'sà stor kylyta som möjligt görs lämpligen avstànden mellan på varandra följande kylflänsar så små som möjligt och kylflänsarna så höga som möjligt med hänsyn till pressverktygets och kylkroppmaterialets håll- fasthet. 455 242 “ Figur 2 visar en komplett kylkropp sammansatt av två änddelar la och lb, var och en med den i figur 1 visade profilen. Vid monteringen läggs de båda kylkroppsdelarna ihop med kylflänsarna vända mot varandra på det i figuren visade sättet. Därvid kommer spetsarna hos änddelens la kylflänsar att passa in i urtagningarna i baspartiet hos änddelen lb och vice versa.

Kylkroppen placeras därefter i en press som applicerar en hög kraft F vinkelrätt mot änddelarnas plana ytor. Härvid pressas kylflänsarnas spet- sar ner i baspartiernas urtagningar och deformeras. varvid genom material- flytning, s k kallsvetsning, en förbindning mellan de båda delarna erhål- les. vilken har god mekanisk hållfasthet.

Alternativt kan större längder av de båda profilerna pressas samman och uppkapningen av den sålunda sammanpressade skenan till för kylkropparna lämpliga längder göras först efter sammanpressningen.

Som framgår av figur 2 bildas mellan kylflänsarna ett antal i figuren streckade kylkanaler 20-30. Genom dessa kanaler får en kylgas, företrädes- vis luft, strömma. eventuellt med självcirkulation men företrädesvis med hjälp av forcerad kylning, t ex med hjälp av en kylfläkt.

Som framgår av figur 2 är kylflänsarna i den färdiga kylkroppen placerade dubbelt så tätt som vid profilen enligt figur 1. dvs den effektiva kylytan blir vid en kylkropp enligt uppfinningen dubbelt då stor som vad som hit- tills av tillverkningstekniska skäl har varit möjligt.

Kylkroppens i figuren övre plana yta 31 är avsedd att anordnas i termisk kontakt med ett halvledarelement. Ett andra halvledarelement kan anordnas i termisk kontakt med kylkroppens motstående och i figuren icke visade plana yta. Som framgår av figur 2 är varannan av kylkroppens kylflänsar utförd i ett stycke med den övre änddelens lb basparti. varigenom värme- flödet från ett i kontakt med kylkroppens övre yta 31 anordnat halvledar- element möter minsta möjliga termiska motstånd på sin väg ut i dessa kyl- flänsar. Kylkroppens övriga kylflänsar är utförda i ett stycke med bas- partiet hos kylkroppens undre änddel la och på motsvarande sätt erhålles minsta möjliga termiska motstånd för ett värmeflöde från en i kontakt med kylkroppens undre yta anordnat halvledarelement till dessa kylflänsar.

Kylningen av i kontakt med kylkroppen anordnade halvledarelement blir därför mycket effektiv och relativt oberoende av de mera osäkra och . j.- wf-iuøaønmnnfllwazfl :~,:.:"=:l.u.':.'1=. 51-9 ~_-.-; .i < ' ".' __, 5 455 242 varierande övergångsmotstånd som erhålles mellan kylflänsarnas spetsar och urtagningarna i motstånde änddels basparti.

Som framgår av figur 2 krävs för den där visade kylkroppens framställning endast en enda metallprofil, vilket är en väsentlig tillverkningsteknisk fördel.

På det sätt som antyds i figur 1 kan lämpligen spetspartiet hos varje kyl- fläns förses med längsgående rillor. Figur 3 visar i större skala utform- ningen av spetspartiet hos en godtycklig kylfläns 8b. Spetsen är försedd med längsgående rillor 33 och 34. Rillorna deformeras vid sammanpress- ningen av kylkroppen och härigenom reduceras den för sammanpressningen erforderliga kraften och en säkrare förbindelse erhålles mellan de båda kylkroppsdelarna. Alternativt eller som komplement till den i figur 3 visade utformningen kan urtagningarna i baspartiet förses med deformerbara rillor.

Figur N visar en alternativ utformning av spetspartiet hos kylflänsarna.

En kylfläns Bb har efter strängpressningen den i figuren visade profilen med två vingpartier 35 och 36. Vid sammanpressningen av kylkroppen viks dessa partier utåt till kontakt med de nedre hörnen 37 och 38 hos urtag- ningen 9 i baspartiet hos änddelen la. Vid lämplig dimensionering erhålles även med en måttlig sammanpressningskraft en mycket stor utåtriktad kraft som trycker vingarnas spetsar mot hörnen 37 och 38 i urtagningen 9. Här- igenom säkerställes en god mekanisk och termisk förbindelse mellan kyl- flänsen öb och änddelen la. Lämpligen utformas botten hos urtagningen 9 med en bågformad (som i figur 4) eller V-formad flack försänkning 39. Vid sammanpressningen böjs därvid vingarna 35 och 36 isär till en vinkel på något mer än 1800. Kylflänsens 8b spets gör kontakt med botten av för- djupningen 39 och det erfordras en stor mekanisk kraft för att dra isär de båda delarna ur detta mekaniskt stabila läge. Utformningen enligt figur Ä ger alltså en både ur termisk och mekanisk synpunkt mycket effektiv för- bindning, vilken kan erhållas även med måttliga sammanpressningskrafter.

Den totala kylflänsytan hos en kylkropp enligt uppfinningen kan utökas genom att kylkroppen förses med en eller flera mellandelar enligt figur 5.

Den där visade mellandelen 50 har en profil anpassad till de i figur 1 visade änddelsprofilerna och är på samma sätt som änddelarna framställd genom strängpressning. Mellandelen har ett centralt basparti 51. På ena .a-.zanuadx-u. 455 242 6 sidan om detta är kylkroppar 52-57 och urtagningar 6Ä-68 anordnade. På motsatta sidan av baspartiet är kylflänsar 58-63 och urtagningar 69-73 anordnade. Flänsarna och urtagningarna på ena sidan är förskjutna en halv kylflänsdelning i sidled relativt flänsarna och urtagningarna på motstå- ende sida av baspartiet. De triangelformade urtagningarna 7Ä och 75 är avsedda att upptaga spetsarna hos de yttersta kylflänsarna hos angränsande kylkroppsdelar, exempelvis kylflänsen 3 hos en änddel 1 enligt figur 1.

Figur 6 visar en kylkropp som är sammansatt av två änddelar la och lb samt en mellandel 50. Hopfogningen av kylkroppen utföres på samma sätt som beskrivits i anslutning till figur 2, dvs med hjälp av en presskraft som anbringas vinkelrätt mot kylkroppens plana ytor. Kylkroppen enligt figur 6 får dubbelt så många kylkanaler 76-97 som den i figur 2 visade kylkroppen och därför en väsentligt ökad kylförmåga. Kylkroppens i figur 6 övre plana yta 98 är avsedd att anordnas i termisk kontakt med ett halvledarelement, och kylkroppens i figuren undre, icke visade yta kan anordnas i termisk kontakt med ett annat halvledarelement.

Om så önskas kan en kylkropp utformas på det i figur 6 visade sättet men med fler än ett mellanstycke. Kylkroppens totala yta kan därvid ytterli- gare ökas i godtycklig grad, men de förlängda värmetransportvägarna i kylkroppsgodset sätter en övre gräns för vad som därvid är praktiskt lämpligt.

Figur 7 visar ett exempel på hur en ventilstapel kan uppbyggas av kylkrop- par enligt uppfinningen. Figur 7a är en vy av en sådan ventilstapel med tre halvledarelement IOH, 105, 106, sedd i kylkanalernas längdriktning.

Figur 7b är en vy av samma ventilstapel sedd vinkelrätt mot kylkanalernas längdriktning. Vid ändarna av ventilstapeln är kylkroppar 100 och 103 enligt figur 2 anordnade och mellan halvledarelementen 10U och 105 respek- tive 105 och 106 är kylkroppar 101 och 102 enligt figur 6 anordnade. Här- igenom erhålles en likformig kylning av de i ventilstapeln ingående halv- ledarelementen. vilka kan utgöras av effektdioder eller tyristorer. Ven- tilstapeln_hàlls samman av två dragbultar 107 och 108, fjädrande ok 109 och 110 samt muttrarna 111-llfl. Kylkanalerna (streckade i figur 7a) är för enkelhets skull endast visade schematiskt.

I figur 7b är visat hur ventilstapeln lämpligen kan anordnas anliggande mot väggen 115 hos en kylluftkanal. I denna är en icke visad kylluftfläkt Ja

Claims (8)

L? 7 455 242 anordnad vilken suger in kylluft i pilarnas riktning genom kylkropparnas kylkanaler och öppningarna 116-121 i kanalväggen. Som framgår av figur 7 kan med hjälp av kylkropparna enligt uppfinningen en ventilstapel erhållas på ett mycket enkelt sätt även vid gaskylning av halvledarelementen. Den i figur 7 visade ventilstapeln innehåller tre halvledarelement, men antalet kan givetvis var såväl lägre som högre. Exempelvis kan på i och för sig känt sätt en ventilstapel uppbyggas av sex efter varandra anord- nade halvledarelement på sådant sätt att dessa bildar en komplett trefas- brygga. PATENTKRAV

1. Kylkropp för gaskylning av högeffekthalvledarelement, k ä n n e - t e c k n a d därav att den består av minst två separat framställda och vid varandra hopfogade delar (la, lb, 50), att varje kylkroppsdel utgörs av en i ett stycke genom strëngpressning framställd lättmetallprofil och har ett basparti (2) med ett flertal från detta utskjutande och sinsemellan i huvudsak parallella kylflänsar (3-8) och mellan varje par av kylflänsar en urtagning (9-13) för upptagande av spetsen hos en kylfläns hos en angränsande kylkroppsdel, samt att kylkroppsdelarna är hopfogade genom att spetsarna hos flänsarna hos en kylkroppsdel är inpressade i urtagningarna hos angränsande kyl- kroppsdelar på sådant sätt att mellan varje fläns hos en kylkroppsdel och en fläns hos en angränsande kylkroppsdel en i sidled sluten kanal (20-30) för ett kylgasflöde bildas.

2. Kylkropp enligt patentkravet 1 k ä n n e t e c k n a d därav att den innefattar två änddelar (la, lb), att varje änddel har kylflänsar (3-8) endast på den mot den andra änddelen vända sidan av sitt baspati (2), och att åtminstone den ena änddelens basparti har sin från den andra änddelen vända sida (31) utformad för anbringande i termisk kontakt med ett halvledarelement. aut-ß- - - « -nnuwuvßzu-raflwusul' Irn'1'.'r.!.'f.'“."';::\ ..'.'M'.'.'.vlJ-1 w. .zuflufifl *IJ- 455 242 8

3. Kylkropp enligt patentkravet 2 k ä n n e t e c k n a d därav att den innefattar en eller flera efter varandra mellan änddelarna anordnade mellandelar (50), att varje mellandel har ett basparti (51) med på båda sidor om detta utskjutande kylflänsar (52-63) och med en urtagning (GQ-73) mellan varje par av kylflënsar för upptagande av spetsen hos en kylfläns hos en angränsande kylkroppsdel.

4. H. Kylkropp enligt patentkravet 3 k ä n n e t e c k n a d därav att kylflänsarna (52-57) på en ena sidan av en mellandels basparti är för- skjutna en halv kylflänsdelning relativt kylflänsarna (58-63) på bas- partiets andra sida.

5. Kylkroppsdel enligt patentkravet 2 k ä n n e t e c k n a d därav att de bada änddelarna (la, lb) har samma profil.

6. Kylkropp enligt patentkravet 1 k ä n n e t e c k n a d därav att kylflänsspetsarna och urtagningarnas profiler är kilformade.

7. Kylkropp enligt något av patentkraven 1-6 k ä n n e t e c k n a d därav att åtminstone endera av kylflänsspetsen och urtagningen är försedd med vid sammanpressningen deformerbara partier (33. SÅ; 35, 36).

8. Kylkropp enligt något av patentkraven 1-7 k ä n n e t e c k n a d därav att kylflänsen vid sin spets är försedd med ett V-format parti, vars skänklar (35, 36) är anordnade att vid sammanpressningen böjas isär och pressas mot urtagningens (9) sidor (37, 38). .u