DE2145736C3 - Kuhlvorrichtung zur Kühlung von hochbelasteten elektronischen Halbleiterelementen mit einem flüssigen Kühlmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung zur Kühlung von hochbelasteten elektrischen Halbleiterelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die in elektrischen Bauelementen entstehende Verlustwärme muß abgeführt werden, um ihre Funktionsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Vielfach genügt hierzu die natürliche Abstrahlung und die Wärmeabgabe an die umgebende Luft Sehr häufig werden aber zur Ausnutzung der an sich vorhandenen Leistungsfähigkeit Zusätzliche Kühlmaßnahmen erforderlich. Das gilt besonders für hochbelastete Transistoren, Gleichtichtcrdioden. Thyristoren u.a. in Einrichtungen zur Stromversorgung großer elektrischer Anlagen. Es ist bekannt, solche Halbleiterbauelemente mit Kühlrippen tu versehen oder sie auf große Metallplatten, auf Metallblöcke mit Kühlrippen oder auf sternförmige metallische Gebilde zu setzen, mit dem Ziel, die für die Wärmeabgabe wirksame Oberfläche zu vergrößern. Zur Verbesserung der Wirksamkeit werden gelegentlich zusätzliche Kühlgebläse vorgesehen.

Durch die Unterlagen des DE-GM 17 86 108 ist es auch bekannt, die Verlustwärme von Halbleiterelementen durch Flüssigkeitskühlung abzuführen. Die hierzu eingesetzte Kühlvorrichtung besteht aus einem topfförmigen Hohlzylinder mit Boden, der in der Nähe des Bodens und in der Nähe des offenen Endes je einen Schlauchanschlußstutzen für den Zufluß bzw. Abfluß eines Kühlmittels besitzt, und einem im Inneren des Hohlzyiinders konzentrisch angeordneten, durchgehenden metallischen Zylinder, der an dem einen Ende eine den Hohlzylinder abschließende Scheibe aufweist Der Innenzylinder, dessen Außendurchmesser wesentlich

ίο kleiner als der Innendurchmesser des Hohlzyiinders ist, trägt auf seiner Mantelfläche eine schraubenförmige Wendel, die radial zur Zylinderachse sich erstreckende Stauflächen bildet, welche die Innenwand des Hohlzylinders wenigstens nahezu berühren. Durch die Stauflächen wird dem Kühlmittel ein ebenfalls schraubenförmiger Strömungsweg zwischen der Eintrittsstelle und der Austrittsstelle aufgeprägt

Die Herstellung des Innenzylinders mit den schraubenförmig angeordneten Stauflächen erfordert einen großen Arbeitsaufwand. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung der eingangs angegebenen Art so zu gestalten, daß ihre Anfertigung wesentlich vereinfacht wird. Erfindungsgemäß weist eine solche Kühlvorrichtung die im kennzeichnenden

Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale auf.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 die Außenansicht der Kühlvorrichtung mit eingebautem Halbleiterelement und

F i g. 2 die Kühlvorrichtung ohne Außenmantel.
Die Kühlvorrichtung nach F i g. 1 besitzt eine zylindrische Form. Der Außenmantel 1 wird durch einen Hohlzylinder gebildet der oben durch eine Scheibe 2 wasserdicht abgeschlossen ist Der ebenfalls wasserdichte untere Abschluß ist in der F i g. 1 nicht sichtbar. In der Nähe der beiden Enden des Hohlzylinders 1 sind Schlauchanschlußstutzen 3 und 4 angesetzt die mit ensprechenden Bohrungen durch die Wand des Hohlzylinders in Verbindung stehen aid für den Zufluß und Abfluß des Kühlmittels, z. B. Wasser, dienen. Auf den Anschlußstutzen 3 ist andeutungsweise ein Schlauch 5 aufgesteckt An der Kühlvorrichtung ist ein Halbleiterelement 6, beispielsweise eine Silizium-GIeichrichterdiode für hohe Ströme, befestigt Halbleiterelemente der hier in Betracht kommenden Art tragen im allgemeinen einen massiven Gewindebolzen, der in eine entsprechende Bohrung mit Innengewinde eingeschraubt wird. Das Kabel 7 dient zum elektrischen

so Anschluß des Halbleiterelements 6. Der zweite elektrische Anschluß erfolgt gegebenenfalls über die Kühlvorrichtung selbst oder über eine zusätzliche, nicht gezeichnete Anschlußklemme.
Die Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den inneren Aufbau der Kühlvorrichtung bei abgenommenem Außenmantel. Der Kühlkörper 8 besteht aus einem metallischen Innenzylinder 9, der an beiden Enden durch kreisförmige, konzentrische Scheiben 2 und 10 abgeschlossen ist Der Durchmesser der Scheibe 10 ist etwas geringer als der Durchmesser der Scheibe 2, die vorher schon erwähnt wurde. Der Durchmesser des Innenzylinders 9 ist wiederum kleiner als der Durchmesser der unteren Scheibe 10. Beispielsweise beträgt der Durchmesser des Innenzylinders 9 36 mm und der Durchmesser der Scheibe 10 50 mm.

Auf seiner Mantelfläche trägt der Innenzylinder 9 mehrere nicht geschlossene, flache Ringe 13, die untereinander und von den beiden Scheiben 2 und 10

etwa gleiche Abstände haben (z. B. 8 mm). Die Außendiirchmesser der Ringe 13 sind dem Durchmesser der Scheibe 10 etwa gleich und allenfalls nur wenig kleiner als der Innendurchmesser des Hohlzylinders 1 (Fig. 1). Die Ringe 13 weisen Unterbrechungen 14 auf, deren Begrenzungsflächen parallel sind oder in Richtung von Radiusvektoren verlaufen. Die Länge bzw. mittlere Länge der Unterbrechungen entspricht dem einfachen bis doppelten Ringabstand. Die Unterbrechungen 14 aufeinanderfolgender Ringe i3 sind jeweils um 180° versetzt Zur Befestigung des zu kohlenden Halbleiterelements dient eine konzentrisch zur Zylinderachse angeordnete Bohrung mit Innengewinde.

Der Innenzylinder 9, die Scheiben 2 und 10 und die >⁵ Ringe 13 können gemeinsam aus einem Stück gefertigt sein. In diesem Fall ist der den Außenmantel der Kühlvorrichtung bildende Hohlzylinder 1 ein Rohrabschnitt mit einem zum Durchmesser der Scheibe 10 und der Ringe 13 passenden Innendurchmesser. Seine Länge ist so bemessen, daß er auf der Scheibe 2 aufsitzt und etwa mit der Außenfläche der Scheibe 10 abschließt. Die Fugen zwischen dem Hohlzylinder 1 und den Scheiben 2 und 10 werden dicht verlötet oder verklebt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Hohlzylinder 1 mit einem Boden zu versehen, und den Kühlkörper 8 ohne die Scheibe 10 herzustellen. In diesem Fall können auch die Scheiben 13 getrennt angefertigt werden. Sie werden dann nachträglich auf den Innenzylinder 9 aufgeschoben und mit diesem verlötet oder verklebt.

Die auf dem Innenzylinder 9 aufgesetzten Ringe wirken als Stauflächen für den K.ühlmittelstrom. Der durch die Unterbrechung 14 eines Ringes tretende Kühlmittelstrom teilt sich in zwei wenigstens ungefähr gleiche Teile auf, die gegenseitig je eine Hälfte des Innenzylinders 9 umströmen, sich dann wieder vereinigen und durch die Unterbrechung 14 des nächsten Ringes 13 treten. Die beim Durchfluß des Kühlmittels durch die Unterbrechung 14 auftretenden Wirbel verbessern die Kühlung gegenüber einer rein laminaren Strömung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung zur Kühlung von hochbelasteten elektrischen Halbleiterelementen, mit einem durch kreisförmige Scheiben beidseitig verschlossenen dünnwandigen Hohlzylinder, der in der Nähe seiner beiden Enden öffnungen bzw. Schlauchanschlußstutzen für den Zufluß bzw. Abfluß -eines Kühlmittels besitzt, mit einem im Innern des Hohlzylinders konzentrisch angeordneten, durchgehenden metallischen Zylinder, dessen Außendurchmesser wesentlich kleiner als der Innendurchmesser des Hohlzylinders ist, wobei der zwischen Innenzylinder und äußerem Hohlzylinder entstehende Hohlraum als Strömungskanal für das Kühlmittel dient und dem Kühlmittel durch auf der Mantelfläche des Innenzylinders angeordnete, sich radial zur Zylinderachse erstreckende Stauflächen, die die Innenwand des Hohlzylinders zumindest stellenweise nahezu berühren, ein Strömungsweg aufgeprägt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Stauflächen auf der Mantelfläche des Innenzylinders (9) in gleichmäßigen Abständen mehrere nicht geschlossene, flache Ringe (13) aufgesetzt sind, weiche den Innenzylinder (9) bis auf eine Unterbrechung (14) mit einer dem einfachen bis doppelten Ringabstand entsprechenden, mittleren Länge umfassen, daß die Unterbrechungen (14) abwechselnd um 180° versetzt sind und daß die Kühlvorrichtung eine konzentrisch zur Zylinderachse angeordnete, ganz oder teilweise durchgehende Bohrung (12) mit Innengewinde zur Befestigung des zu kühlenden Halbleiterelements (6) aufweist

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ctie Ringe (13) getrennt hergestellt und mit dem Innern, finder (9) verlötet oder verklebt sind.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Snnenzylinder (9) und die Ringe (13) aus einem homogenen Stück bestehen.