CH651994A5

CH651994A5 - Fluessigkeitsgekuehlte elektrische baugruppe sowie verfahren zu deren herstellung.

Info

Publication number: CH651994A5
Application number: CH1616/81A
Authority: CH
Inventors: Conrad Beriger; Guenther Berthold; Guenther Spittaler
Original assignee: Injecta Ag
Priority date: 1981-03-10
Filing date: 1981-03-10
Publication date: 1985-10-15
Also published as: SE8201466L; SE458652B; DE3114556A1

Description

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 geschaffen 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, durchflössen wird. Handelsübliche Kühlelemente weisen oft eine grosse Bauhöhe auf und vermögen 5 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 eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich neben ihrem 10 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 Kühlele-15 ment 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. 20 Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgeformte Doppelspirale in einer Kokille mittels eines innern ausstossbaren Kerns positioniert und unter Druck eingegossen wird.

Dieses Verfahren erlaubt ein genaues Einbringen der 25 Kühlmittel-Leitung und ergibt den Vorteil von Kühlelementen mit reproduzierbarer Kühlleistung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Der Einbau einer Kühlmittel-Leitung gemäss Anspruch 2 30 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. 35 Eine bevorzugte Materialauswahl, in bezug auf die Wärmeleitfähigkeit, die Möglichkeit einer wirtschaftlichen Herstellung und die lange Lebensdauer ist in Anspruch 5 angegeben.

Eine besonders zweckmässige Ausgestaltung nach 40 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.

45 Durch das Verfahren nach Anspruch 9 kann die Kühlmittel-Leitung, zur verbesserten Wärmeabführ, 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 Massenfer-50 tigung geeignet.

Nachfolgend werden anhand von schematischen Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 drei Kühlelemente in einem Halbleiter-Spannver-55 band,

Fig. 2 ein Kühlelement mit Sicht auf dessen eine scheibenförmige Oberfläche, während des Giessvorganges in einer symbolisch dargestellten Kokille,

Fig. 3 das Kühlelement Fig. 2 um 90° gedreht, wiederum 60 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 65 Fig. 5a ein charakteristisches Diagramm, welches den hydraulischen Druck in Funktion der Durchflussmenge bei vorgegebenen Abmessungen eines Kühlelementes Fig. 5b darstellt.

In Figur 1 ist eine Grundplatte mit 1 bezeichnet. Darauf angeordnet sind zwei Supporte 2, in welchen eine Thyristor-Baugruppe axial gelagert ist. In der rechten Hälfte der Figur 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-Zufuhrleitungen 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 H2O. Die notwendigen Stromzuführungen erfolgen über Kontaktflansche 10 und Anschlüsse 11 mit Schweissverbindungen 12.

Ein Kühlelement 7 ist in Figur 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 Figur 3 ist das Kühlelement 7, Figur 2, um 90° 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

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zum dahinterliegenden Rohrstutzen 9 mit seinem Anschlussnippel 13".

Die Kühlelemente 7 werden mit Vorteil in einer - symbolisch darstellten - Kokille 17 in einem Druckgrussverfahren 5 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, Figur 2. In den inneren 10 Seitenflächen 27,28 der Kokille 17 befinden sich je drei, den Schiebern 16a-16c gegenüberliegende Abstützungen (Stege)

15.

Zweckmässigerweise wird die Doppelspirale 20,21 kalot-tenförmig vorgeformt, derart, dass nach Einführen des Kerns 15 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, so lange die Gussmasse noch flüssig ist, ein Herausziehen der Schieber 16a-16c aus dem 20 Formteil der Kokille.

In praxi wird dieser Vorgang vorteilhafterweise durch Hydraulikzylinder 18, Figur 2, mit einer ringförmigen Hydraulikleitung 19 und einem Öldruck p gesteuert.

Aus der Darstellung in Figur 3 ist ferner ersichtlich, wie 25 die Kühlmittel-Leitung 20-24 allseitig vom Gusskörper 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. 3o Im Diagramm von Figur 3 sind in der Ordinate der Wärmewiderstand Rth in K/kW (° Kelvin/kW) und in der Abszisse die Durchflussgeschwindigkeit v des Kühlwassers in m/s sowie die entsprechende Durchflussmenge Q in 1/min aufgezeichnet. Die resultierende Kurvenschar ist mit 75, 80 35 bis 95 bezeichnet und bedeutet den jeweiligen Durchmesser 0 in Millimeter der Thyristor-Auflagefläche.

Der Wärmewiderstand ist dabei wie folgt definiert:

ç, _ 1 /^ j.. 9~ Ì

2 Kbntaktflachen 2 \ Wasser (Aus) Kasser (Ein)/

Rth =

/ Verlustleistung

Im Diagramm Figur 5 ist in der Ordinate die Druckdifferenz A p in bar und in der Abszisse wiederum die Durchflussmenge Q in l/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 Kühlmittel-Zufuhrleitung 13 von einer Länge A1 von 100 mm.

Selbstverständlich ist der Erfindungsgegenstand nicht auf die dargestellten Formen und Anwendungen beschränkt; ein weiteres Anwendungsgebiet könnte beispielsweise dessen 5o 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 55 (Freon) Kupferrohre.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe mit einer Vorrichtung zum Kühlen mindestens eines stromdurchflosse-nen elektrischen Bauelementes (8), bei der Kühlflüssigkeit (H2O) durch einen Flüssigkeitseintritt (13; 22) in ein Kühlelement (7) mit scheibenförmigem Körper (7') strömt und erwärmte Kühlflüssigkeit (H2O) durch einen Flüssigkeitsaustritt (23) aus dem Kühlelement (7) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (7) wenigstens im Bereich einer Oberfläche eine spiralförmige Kühlmittel-Lei-tung (20-24) aufweist.

2. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel-Leitung (20-24) von dem Körper (7') des Kühlelements (7) formschlüssig umgeben ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühl-mittel-Leitung (20-24) die Form einer Doppelspirale (20,21) aufweist.

4. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7') des Kühlelements (7) aus Metall besteht.

5. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7') des Kühlelements (7) aus einer Aluminiumlegierung und die Kühlmittel-Leitung (20-24) aus einem nichtrostenden Stahl bestehen.

6. Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittel-Leitung (20-24) auf einer Stirnseite des Kühlelements (7) achsparallel aus dessen Körper (T) herausgeführt ist und dass auf der gegenüberliegenden Seite eine Befestigungslasche (14) vorgesehen ist.

7. Verfahren zur Herstellung einer flüssigkeitsgekühlten Baugruppe nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgeformte Doppelspirale (20,21) in einer Kokille (17) mittels eines inneren, ausstossbaren Kerns positioniert und unter Druck eingegossen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelspirale (20, 21) während des Giessvorgangs an ihren äusseren Lagen parallel in einem Abstand von den Seitenflächen (27, 28) der Kokille (17) abgestützt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelspirale (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.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der innere ausstossbare Kern aus mindestens drei in radialer Richtung angeordneten Schiebern (16a-16c) besteht, welche während des Giessvorganges, nach erfolgtem Druckabbau, aus der Gussmasse (7') herausgezogen werden.