DE4402918A1 - Heat-sink for power semiconductor devices, e.g. converters in test equipment - Google Patents

Abstract

The heat-sink includes a liquid coolant which partially fills a hermetically sealed hollow cavity. The heat sink body is made of an efficient heat-conducting material and has contact surfaces for the positioning of semiconductor structures. The cavity is specifically formed from one or more hollow bodies (3). Each body has a bottom hermetic seal as a heat conducting device (5), and a top hermetic seal as a cover (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper mit Flüssigkeitsfüllung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie die Anwendung dieses Kühlkörpers.The invention relates to a heat sink with liquid filling according to the preamble of claim 1, and the application this heat sink.

Überall dort, wo durch den Betrieb elektrisch oder in irgendeiner anderen Weise angetriebene Anlagen, Geräte, Anordnungen oder Ausrüstungen Verlustleistungen auftreten, führen diese zu einer Wärmeentwicklung.Wherever electrical or in operation any other way powered equipment, devices, Arrangements or equipment power losses occur lead to heat development.

Zur Verhinderung einer Überhitzung und der damit unter Umständen verbundenen Zerstörung der Geräte, Anlagen oder Ausrüstungen werden in bekannter Weise Kühlungen installiert.To prevent overheating and possibly under certain circumstances associated destruction of devices, systems or equipment cooling systems are installed in a known manner.

Auch bei den Geräten mit Stromrichter- Schaltungsanordnungen stellt das Ableiten der Wärme einen entscheidenden Faktor bei dem Dimensionieren und der erreichbaren Packungsdichte dar.This also applies to devices with converter circuit arrangements dissipates heat a crucial factor the dimensioning and the achievable packing density.

Wo immer es möglich ist, wird die Kühlung durch flüssige Medien, also flüssigkeitsgekühlte Einrichtungen übernommen. Die Handhabung des flüssigen Mediums beinhaltet einen großen Vorleistungsaufwand für ein Umwälz- und Kühlsystem, es sind jedoch sehr vorteilhaft hohe Packungsdichten realisierbar. Der Wartungsaufwand und die Störanfälligkeit sind beachtlich.Wherever possible, cooling is by liquid media, So liquid-cooled facilities taken over. The Handling the liquid medium involves a large one Advance effort for a circulation and cooling system, there are however, very advantageous high packing densities can be achieved. Of the Maintenance effort and the susceptibility to failure are remarkable.

Bei luftgekühlten Systemen macht die relativ geringere Wärmeübergangszahl der Luft in den überwiegend meisten Anwendungen eine Zwangsbelüftung erforderlich, was einen separaten Lüfter mit entsprechendem System voraussetzt, dieses System erfordert seinerseits Antriebsenergie.With air-cooled systems, this makes the relatively smaller Heat transfer number of the air in the vast majority  Applications require forced ventilation, which is a separate fan with appropriate system requires this The system in turn requires drive energy.

Neben dem erheblichen schaltungstechnischen Aufwand zum Betreiben der Lüfter für die Zwangsbelüftung ist hier an den Stellen der Energiegewinnung gleichzeitig ein Verbraucher und gleichfalls eine zusätzliche Störstelle integriert, was die Zuverlässigkeit herabsetzt und einen Wartungsaufwand erfordert.In addition to the considerable circuit complexity for Operation of the fans for forced ventilation is here to the Make energy production a consumer and at the same time also integrated an additional fault point, which the Reliability is reduced and maintenance is required.

Eine weitere Art der Kühlung besteht in der sinnvollen Nutzung der Verdampfungs- und/oder Kondensationsenergie von Flüssigkeiten in dafür installierten geschlossenen Systemen. Durch Einstellen des Arbeitsdruckes und durch Wahl der geeigneten Kühlflüssigkeiten ist bei einem begrenzten Vorleistungsaufwand ein deutlicher Vorteil gegenüber den beiden erstgenannten Kühlsystemen (Flüssigkeits- und Luftkühlung) gegeben.Another type of cooling is sensible use the evaporation and / or condensation energy of Liquids in closed systems installed for this. By setting the working pressure and by choosing the suitable coolant is limited Advance effort is a clear advantage over the two first mentioned cooling systems (liquid and air cooling) given.

Während die Luftkühlung durch das erforderliche Temperaturgefälle im Kühlkörper in der Größendimensionierung begrenzt wird, besitzen die Kühlkörpersysteme mit Flüssigkeitskühlung bei Vergrößerung der Dimensionierung einen wachsenden Wartungs- und Entstörungsaufwand. Verdampfungs­ kühlungen besitzen in der Anwendbarkeit besonders in der Temperatur-Bandbreite und der Robustheit eine Begrenzung. Durch Kombination mehrerer Wärmerohre mit unterschiedlichen Füllmedien ist jedoch die Einsatz-Bandbreite erweiterbar, wenn auch dadurch die Komplexität sehr stark zunimmt.While the air cooling through the required Temperature differences in the heat sink in the size dimension is limited, have the heat sink systems with Liquid cooling when increasing the dimensioning growing maintenance and troubleshooting. Evaporation In terms of applicability, cooling systems are particularly useful in Temperature range and robustness are a limitation. By Combination of several heat pipes with different filling media however, the bandwidth of use is expandable, though this increases the complexity very much.

In einigen Anwendungsfällen lassen sich die hier skizzierten Nachteile der angedeuteten Kühlkörper durch die erfinderischen Maßnahmen beseitigen.In some applications, the ones outlined here can be Disadvantages of the indicated heat sink due to the inventive Eliminate measures.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kühlkörper darzustellen, der ohne Zwangsbelüftung luftgekühlt wird, für die Wärmeabfuhr bei Leistungshalbleiter- Schaltungsanordnungen hoher Packungsdichte bei wechselnden Windrichtungen geeignet ist und der ohne Energie- und Wartungsaufwand eine unbegrenzte Lebensdauer besitzt, wobei eine große Temperatureinsatzbreite in der Anwendung bei extremen Umweltbedingungen möglich ist.The invention has for its object a heat sink to represent, which is air-cooled without forced ventilation, for the Heat dissipation in power semiconductor circuit arrangements is high Packing density is suitable in changing wind directions and an unlimited one without energy and maintenance Has a long service life, with a large temperature range in use in extreme environmental conditions is possible.

Diese Aufgabe wird bei Kühlkörpern der genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 16 gekennzeichnet.This task is performed by the heatsinks of the type mentioned Features of the characterizing part of claim 1 solved. Preferred developments are in claims 2 to 16 featured.

Die Forderung nach umweltschonenden Formen der Energiegewinnung und ein umweltverträgliches Gestalten von Ausrüstungen und Geräten, einschließlich der Energiegewinnung und -umformung, haben zu der erfinderischen Aufgabenstellung geführt.The demand for environmentally friendly forms of energy generation and environmentally friendly design of equipment and Equipment, including energy generation and conversion, have led to the inventive task.

Bei der einen zukunftsorientierten Form der Energiegewinnung, der Nutzung der natürlichen Luftströmung auf der Erdoberfläche besonders an windbegünstigten Orten werden Rotoren in Bewegung gesetzt, die ihrerseits Generatoren betreiben. Diese Generatoren liefern eine von der Windkraft abhängige Elektrizität, die für eine Netzeinspeisung formiert werden muß. Diese Umrichter entwickeln wegen der in den elektronischen Schaltungsanordnungen auftretenden Verlustleistungen Wärme.With one future-oriented form of energy generation, the use of natural air flow on the surface of the earth rotors are in motion, especially in windy locations set, which in turn operate generators. These generators provide electricity dependent on wind power that is needed for a grid feed must be formed. This converter develop because of that in the electronic circuitry heat losses.

Das Abführen dieser auftretenden Verlustwärme geschieht am zweckmäßigsten durch erfindungsgemäße Kühlkörper, da sie völlig wartungsfrei bei entsprechend berechneter Dimensionierung die Verlustwärme der Schaltungsanordnung an die Umgebung der Umrichter übertragen. The dissipation of this heat loss occurs on most expedient by heat sink according to the invention, since they are completely maintenance-free with dimensioning calculated accordingly Heat loss of the circuit arrangement to the environment Transfer inverter.  

Bei starker Luftströmung wird viel Strom durch den Generator erzeugt, demzufolge entsteht beim Umformen eine große Verlustleistung und damit eine adäquate Wärmebildung. Genau zu solchen Spitzenzeiten steht aber auch Wind in gleicher Relation für eine vorzügliche Kühlung der luftgekühlten erfindungsgemäßen Kühlkörper zur Verfügung.When there is a strong air flow, there is a lot of current through the generator generated, consequently a large one arises during the forming Power loss and therefore adequate heat generation. Exactly to At such peak times, wind is also in the same relation for excellent cooling of the air-cooled invention Heatsink available.

Zur Erklärung des Wirkprinzips der erfinderischen Lösung des vorgeschlagenen Kühlkörpers wird ein luftgekühlter Kühlkörper als Stand der Technik diskutiert. In solch einem Kühlkörper wird die Wärme sich über eine gewisse Zeit und bei Beibehaltung eines Temperaturgefälles in dem Kühlkörpermaterial von dem Ausgangspunkt, also der Verlustleistungsquelle, in den gesamten Kühlkörper aufbauen. Dabei hat die Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpermateriales das entscheidende Gewicht.To explain the principle of action of the inventive solution of proposed heat sink is an air-cooled heat sink discussed as prior art. In such a heat sink the heat stays on for a period of time while maintaining one Temperature gradient in the heat sink material from that Starting point, i.e. the power loss source, in the whole Install the heat sink. The thermal conductivity of the Heat sink material the crucial weight.

Die größte Wärmemenge ist in unmittelbarer Nähe der wärmeeinprägenden Stellen von der Umgebungsluft zu übernehmen, hier sind jedoch sehr ungünstige Windverwirbelungen vorhanden, die einen maximalen Wärmeabtransport negativ beeinflussen, es kommt an diesen Kühlkörperbezirken zu Wärmestaus.The greatest amount of heat is in the immediate vicinity of the to take over heat-impressing points from the ambient air, however, there are very unfavorable wind turbulences here, that negatively affect maximum heat dissipation, it heat build-up occurs in these heat sink areas.

Der erfinderische Kühlkörper besteht im Prinzip aus zwei Röhren, ein inneres, die Wärme schlecht leitendes sowie ein äußeres, die Wärme gut leitendes Rohr. Das äußere Rohr ist hermetisch gegen die Umgebung abgeschlossen und beinhaltet eine teilweise Füllung, die aus einer Flüssigkeit besteht. Bei Temperaturanstieg an dem unteren Rohrverschluß wird die Flüssigkeit durch Übernahme der Wärme leichter und steigt infolge der natürlichen Auftriebskräfte nach oben, das geschieht bei der Formgebung des unteren Rohrverschlusses (5) im inneren Rohr (4). Die schlechte Wärmeleitfähigkeit des inneren Rohres verhindert eine Abkühlung der Flüssigkeit im Inneren des beidseitig offenen Rohres (4) während des Aufströmens vom unteren zum oberen Rohrende. The inventive heat sink basically consists of two tubes, an inner tube that conducts heat poorly and an outer tube that conducts heat well. The outer tube is hermetically sealed from the environment and contains a partial filling that consists of a liquid. When the temperature at the lower tube closure increases, the liquid becomes lighter by taking over the heat and rises due to the natural buoyancy forces, which occurs when the lower tube closure ( 5 ) is shaped in the inner tube ( 4 ). The poor thermal conductivity of the inner tube prevents the liquid in the interior of the tube ( 4 ), which is open on both sides, from cooling during the flow from the lower to the upper tube end.

Die Flüssigkeit überragt das obere Rohrende des inneren Rohres, so daß die erwärmte Flüssigkeit über das äußere die Wärme gut leitende Rohr (3) abgekühlt wird und durch die dabei entstehende größere Dichte bedingt wieder zur Wärmequelle abfällt.The liquid protrudes above the upper pipe end of the inner pipe, so that the heated liquid is cooled via the outer pipe ( 3 ), which is a good conductor of heat, and drops again to the heat source due to the resulting greater density.

Beispielhaft sollen im folgenden anhand von nicht maßstabsgerechten Skizzen Aufbau und Wirkungsweise von erfindungsgemäßen Kühlkörpern näher beschrieben werden.In the following, examples are not to be based on Scale sketches Structure and mode of operation of heat sinks according to the invention are described in more detail.

Fig. 1 zeigt einen erfinderischen Kühlkörper im Querschnitt. Fig. 1 shows an inventive heat sink in cross section.

Fig. 2 bildet ein Beispiel der Anwendung der erfinderischen Kühlkörper in einer Leistungshalbleiterschaltung in der Draufsicht ab. Fig. 2 shows an example of the application of the inventive heat sink in a power semiconductor circuit in plan view represents.

Fig. 3 stellt eine Ausführungsvariante im Querschnitt dar. Fig. 3 shows an embodiment variant in cross section.

Fig. 1 stellt alle wesentlichen Einzelheiten des erfinderischen Gedankens dar. Die Leistungshalbleiterbauelemente (17) sind als entsprechende Schaltungsanordnung mit der wärmeeinprägenden Isolierkeramik (16) angedeutet. Die zu kühlende Verlustwärme wird zunächst auf die vorteilhaft aus Aluminium hergestellte Wärmeleiteinrichtung (5) übertragen. Auf dieser Wärmeleiteinrichtung (5) wird der eigentliche Kühlkörper in Form einer äußeren Röhre (3) wasserdicht und druckbeständig in Position (6) aufgebaut. Diese Röhre (3) kann aus Aluminium hergestellt sein, da dieses Metall sehr gut wärmeleitfähig ist, auch andere Materialien mit guten Wärmeleiteigenschaften sind einsetzbar. Mittels Deckel (1) wird die Röhre (3) am oberen Ende druck- und wasserdicht verschlossen. Zum Befüllen befindet sich in dem Deckel (1) eine Öffnung (11) und es sind elektrische Einrichtungen zur elektronischen Überwachung der Kühlkörper- Parameter, wie Druck, Temperatur, Füllstand usw. mit der Verschlußarmatur (12) kombinierbar. Fig. 1 shows all the essential details of the inventive concept. The power semiconductor components ( 17 ) are indicated as a corresponding circuit arrangement with the heat-insulating ceramic ( 16 ). The heat loss to be cooled is first transferred to the heat-conducting device ( 5 ), which is advantageously made of aluminum. The actual heat sink in the form of an outer tube ( 3 ) is built watertight and pressure-resistant in position ( 6 ) on this heat-conducting device ( 5 ). This tube ( 3 ) can be made of aluminum, since this metal is very good thermal conductivity, other materials with good thermal conductivity properties can also be used. The tube ( 3 ) is closed at the upper end in a pressure-tight and watertight manner by means of a lid ( 1 ). There is an opening ( 11 ) in the lid ( 1 ) for filling and electrical devices for electronically monitoring the heat sink parameters, such as pressure, temperature, fill level, etc., can be combined with the closure fitting ( 12 ).

Der Deckel (1) kann Ausformungen (9) zur Wärmeübernahme aus der Kühlflüssigkeit und zum Temperaturfühlen aufweisen. Weiterhin ist es möglich, den Deckel (1) zusätzlich mit tellerförmigen Kühlrippen (10) auszugestalten. Tellerförmige Kühlrippen (8) sind gleichfalls an der Röhre (3) stoffbündig, insbesondere am oberen Ende, recht vorteilhaft zur zusätzliche Übertragung von Wärme an die Umgebungsluft installierbar.The cover ( 1 ) can have formations ( 9 ) for heat transfer from the cooling liquid and for temperature sensing. It is also possible to additionally design the cover ( 1 ) with plate-shaped cooling fins ( 10 ). Plate-shaped cooling fins ( 8 ) can also be installed flush with the tube ( 3 ), particularly at the upper end, for the additional transfer of heat to the ambient air.

In der äußeren Röhre (3) befindet sich ein inneres Rohr (4), das zur Stabilisierung seiner Lage mittels Abstandhalter (15) mehrfach an der äußeren Röhre (3) fixiert ist. Das innere Rohr (4) ist oben kürzer als die äußere Röhre (3). Im unteren Bereich (7) des inneren Rohres (4) strömt die Konvektionsflüssigkeit (13 zu 14) aus dem Bereich zwischen den beiden Rohren (13) in das innere Rohr (4). Bei dieser Richtungsänderung der Kühlflüssigkeit wird die Wärme von der Wärmeleiteinrichtung (5) auf die Kühlflüssigkeit übertragen.In the outer tube ( 3 ) there is an inner tube ( 4 ) which is fixed several times to the outer tube ( 3 ) by means of spacers ( 15 ) in order to stabilize its position. The inner tube ( 4 ) is shorter at the top than the outer tube ( 3 ). In the lower area ( 7 ) of the inner tube ( 4 ), the convection liquid ( 13 to 14 ) flows from the area between the two tubes ( 13 ) into the inner tube ( 4 ). With this change in direction of the coolant, the heat is transferred from the heat-conducting device ( 5 ) to the coolant.

Die Gestaltung der Oberfläche (5b) der Wärmeleiteinrichtung (5) zwischen der äußeren Röhre (3) und dem inneren Rohr (4) unterstützt die Wärmeeinprägung in die Kühlflüssigkeit. So kann der Querschnitt in dieser Position (7) herabgesetzt werden, das erhöht die Durchströmgeschwindigkeit an der Wärmeübergangsstelle von der Wärmeleitvorrichtung (5) zu der Kühlflüssigkeit.The design of the surface ( 5 b) of the heat-conducting device ( 5 ) between the outer tube ( 3 ) and the inner tube ( 4 ) supports the heat impression in the cooling liquid. The cross-section can be reduced in this position ( 7 ), which increases the flow rate at the heat transfer point from the heat-conducting device ( 5 ) to the cooling liquid.

Das innere Rohr (4) endet am oberen Ende deutlich unterhalb der Oberfläche der kalten Kühlflüssigkeit, so daß eine ungehinderte Strömung der Kühlflüssigkeit aus der Position (14a) in die Position (13a) möglich ist. Oberhalb der Kühlflüssigkeit ist ein genügend großes Ausdehnungsvolumen (2) zum Druckausgleich in dem Innenraum der hermetisch abgeschlossenen äußeren Röhre (3), das ist deshalb erforderlich, um die verschiedenen Druckverhältnisse, die sich durch alle denkbaren Betriebszustände (Kälte, Hitze, Vollast und Ruhebetrieb) des Kühlsystems ergeben, auszugleichen. The inner tube ( 4 ) ends at the upper end clearly below the surface of the cold cooling liquid, so that an unimpeded flow of the cooling liquid from position ( 14 a) into position ( 13 a) is possible. Above the coolant there is a sufficiently large expansion volume ( 2 ) to equalize the pressure in the interior of the hermetically sealed outer tube ( 3 ), which is therefore necessary to take into account the various pressure conditions that can be caused by all conceivable operating conditions (cold, heat, full load and idle mode) of the cooling system.

Von großer Bedeutung ist die Gestaltung der wärmeeinprägenden Wärmeleiteinrichtung (5). In dem Bereich unter dem inneren Rohr (4) muß diese deutlich größer als in dem Bereich des äußeren Rohres sein. Das kann erreicht werden durch die Formgestaltung, so ist es beispielhaft möglich, eine kegelförmige Auswulstung (5a) in der Lage mittig zum inneren Rohr (4) zu gestalten.The design of the heat-impressing heat-conducting device ( 5 ) is of great importance. In the area under the inner tube ( 4 ) this must be significantly larger than in the area of the outer tube. This can be achieved through the shape design, for example it is possible to design a conical bulge ( 5 a) in the position centered on the inner tube ( 4 ).

Weiterhin kann die vergrößerte Fläche mit in Strömungsrichtung liegenden Lamellen (5c) versehen werden. Diese Lamellen (5c) können bereits in der Position (5b) beginnen und sich bis zum Ende der Kegelspitze fortsetzen. Dadurch wird die Oberfläche der Wärmeleiteinrichtung (5) mit einer großen Wärmeübergabefläche ausgestattet und die Konvektion kommt bei Inbetriebsetzen der Leistungshalbleiterschaltung sehr gut und schnell in Gang.Furthermore, the enlarged area can be provided with fins ( 5 c) lying in the direction of flow. These fins ( 5 c) can already begin in position ( 5 b) and continue to the end of the cone tip. As a result, the surface of the heat-conducting device ( 5 ) is equipped with a large heat transfer surface and the convection starts very quickly and efficiently when the power semiconductor circuit is started up.

Das innere Rohr (4) soll erfindungsgemäß sehr schlecht wärmeleitend sein, so daß kaum ein Wärmeübergang von der Kühlflüssigkeit im Bereich des unteren Teiles des inneren Rohres (4) zu dem unteren Bereich der äußeren Röhre (3) stattfindet. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Kreislaufes der Kühlflüssigkeit (13, 14) erhöht.According to the invention, the inner tube ( 4 ) is said to be very poorly heat-conducting, so that there is hardly any heat transfer from the cooling liquid in the region of the lower part of the inner tube ( 4 ) to the lower region of the outer tube ( 3 ). This increases the speed of the cooling liquid circuit ( 13 , 14 ).

Eine weitere Maßnahme, das Auskleiden der Innen- und/oder Außenseite des inneren Rohres (4) durch elastisches und kompressibles und mit geschlossenen Poren versehenes Material, beispielhaft Schaumstoff, sorgt für eine verschlechterte Wärmeleitung in Querrichtung des Rohres (4). Die in Fig. 1 nicht dargestellte spezielle Schaumstoffbeschichtung besitzt noch einen weiteren Zweck, wenn der Schaumstoff in sich abgeschlossene Gaseinschlüsse beinhaltet. Dieser Schaumstoff gleicht in dem Falle der Verwendung von Wasser oder wasserhaltiger Medien bei Änderung des Aggregatzustandes von flüssig zu fest und der dabei auftretenden positiven Änderung des Volumens der Kühlflüssigkeit die sich dabei bildenden Druckkräfte des erfinderischen Kühlkörpers aus. Another measure, the lining of the inside and / or outside of the inner tube ( 4 ) by elastic and compressible material with closed pores, for example foam, ensures a deteriorated heat conduction in the transverse direction of the tube ( 4 ). The special foam coating, not shown in FIG. 1, has another purpose if the foam contains self-contained gas inclusions. In the case of the use of water or water-containing media, when changing the state of matter from liquid to solid and the resulting positive change in the volume of the cooling liquid, this foam compensates for the compressive forces of the inventive heat sink.

Ein wie eben dargestellter erfindungsgemäßer Kühlkörper kann auch bei sehr niedrigen Temperaturen, beispielhaft minus 40°C, eingesetzt werden, wenngleich bei solchen Temperaturen wohl im Ruhezustand der Schaltungsanordnung die beispielhaft oben genannte Kühlflüssigkeit erstarrt ist. Durch übliches allmähliches Anfahren bis hin zur Vollast führt die Wärmeeinprägung in den erfindungsgemäßen Kühlkörper zunächst zur Verflüssigung des Kühlmediums, danach setzt dann in vorzüglicher Weise die selbsttätige Umwälzung der Kühlflüssigkeit ein.A heat sink according to the invention as just described can even at very low temperatures, for example minus 40 ° C, are used, although at such temperatures probably in Idle state of the circuit arrangement the example above called coolant is solidified. By usual gradual starting up to full load leads to Imprinting heat into the heat sink according to the invention first Liquefaction of the cooling medium, then sets in excellent Show the automatic circulation of the coolant.

Vorteilhaft ist für Kühlkörper mit Einsatzorten mit möglichen sehr tiefen Temperaturen, die zum Erstarren der Kühlflüssigkeit führen können, wenn der Kegeleinsatz (5a) einen stabförmigen Fortsatz in der Lage der gezeichneten Mittellinie der Fig. 1 aus einem sehr gut wärmeleitenden Material bis hin über die Oberfläche des Kühlmedium besitzt, da in dem Falle des Verflüssigens des Kühlmediums beim Anfahren einer unterkühlten Anlage eine rasche Entspannung für die auftretenden Kräfte eintritt und die Kreislaufbewegung des Kühlmediums zu einem sehr frühen Auftauzeitpunkt beginnt.It is advantageous for heat sinks with locations with possible very low temperatures, which can lead to solidification of the coolant if the cone insert ( 5 a) has a rod-shaped extension in the position of the center line shown in FIG. 1 made of a very good heat-conducting material up to Has surface of the cooling medium, since in the case of liquefaction of the cooling medium when starting a supercooled system, a rapid relaxation occurs for the forces occurring and the circulation movement of the cooling medium begins at a very early thawing point.

Im isolierten inneren Rohr (4) steigt die erwärmte Kühlflüssigkeit ohne nennenswerten Energieverlust nach oben in den Bereich 14a, hier wird sie in den Bereich 13a umgelenkt und an der Wandung der Röhre (3) abgekühlt.In the insulated inner tube ( 4 ), the heated cooling liquid rises up to region 14 a without any noteworthy loss of energy, here it is deflected into region 13 a and cooled on the wall of the tube ( 3 ).

Auch bei hohen Umgebungstemperaturen, etwa plus 40°C ist der erfindungsgemäße Kühlkörper einsetzbar. Bei entsprechender Berechnung der Dimension der Kühleinrichtung zu der Menge der abzuführenden Verlustwärme kann bei Verwendung von Wasser oder wasserhaltiger Kühlflüssigkeiten der Hohlraum (2) einen verminderten Druck ausweisen, wodurch hauptsächlich der Dampf des Kühlmediums den Hohlraum (2) ausfüllt. In solchen Einsatzgebieten ist das Anbringen von Kühlrippen innen in der Röhre (3) in Strömungsrichtung sehr sinnvoll, um die Wärme bei höheren Temperaturen des Kühlmediums sehr wirkungsvoll an die Umgebungsluft bei möglichst geringer Temperaturdifferenz zwischen Umgebungsluft und Kühlmedium abzuführen, dabei sind gleichzeitig Kühlrippen (8) über die gesamte Länge der Außenhaut der Röhre (3) in waagerechter Anordnung sehr vorteilhaft.The heat sink according to the invention can also be used at high ambient temperatures, approximately plus 40 ° C. With appropriate calculation of the dimension of the cooling device to the amount of heat loss to be dissipated, the cavity ( 2 ) can have a reduced pressure when using water or water-containing cooling liquids, as a result of which mainly the vapor of the cooling medium fills the cavity ( 2 ). In such areas, the installation of cooling fins inside the tube ( 3 ) in the direction of flow is very useful in order to dissipate the heat at higher temperatures of the cooling medium very effectively to the ambient air with the smallest possible temperature difference between the ambient air and the cooling medium, while at the same time cooling fins ( 8 ) Very advantageous over the entire length of the outer skin of the tube ( 3 ) in a horizontal arrangement.

Die wirtschaftlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Kühlkörpers ergeben sich aus der großen Spannweite des Einsatzbereiches. Der durch Umwälzung der Kühlflüssigkeit von der wärmeeinprägenden Stelle der Schaltungsanordnung zu entfernteren Stellen geleitete Hauptpunkt der Wärmeabfuhr vom Kühlkörper zu der Umgebungsluft besitzt einen großen Vorteil, denn an entfernteren Stellen ist das Vorbeistreichen der Luft von Windschatten ungestörter, so daß ein Wärmestau unwahrscheinlicher als in der Nähe der wärmeeinprägenden Schaltungsanordnung in der Umgebungsluft entsteht.The economic advantages of the heat sink according to the invention result from the wide range of applications. Of the by circulating the coolant from the heat-impressing Location of the circuit arrangement directed to more distant locations The main point of heat dissipation from the heat sink to the ambient air has a big advantage because it is in more distant places the passing of the air from slipstream undisturbed, so that heat buildup is less likely than near the heat-impressing circuit arrangement in the ambient air arises.

Die besondere Leistungsfähigkeit eines erfinderischen Kühlkörpers ergibt sich aus den konstruktiv bedingten räumlichen Verhältnissen der relativ kleinen wärmeeinprägenden Fläche (5a) zu den notwendigen wärmeabgebenden Rohraußenwandungen (3). Luftgekühlte Kühlkörper nach dem Stand der Technik versagen bei solchen Anforderungen, wie sie von den erfinderischen Kühlkörpern bewältigt werden.The special performance of an inventive heat sink results from the design-related spatial conditions of the relatively small heat-impressing surface ( 5 a) to the necessary heat-emitting pipe outer walls ( 3 ). Air-cooled heat sinks according to the prior art fail with such requirements as are mastered by the inventive heat sinks.

Die Kühlflüssigkeit als Wärmeträger bewirkt ein Überwinden des Temperaturgefälles, wie es bei einem dem Stand der Technik entsprechenden luftgekühlten Kühler vorhanden ist. Diese Verringerung des Temperaturgradienten ermöglicht die Anwendung des erfinderischen Kühlkörperprinzips bei Schaltungsanordnungen mit größerer Konzentration der Wärmeeinprägung aufrelativ kleinen Flächen. The coolant as a heat transfer medium overcomes the Temperature gradient, as in a prior art appropriate air-cooled cooler is available. These Reduction of the temperature gradient enables the application of the inventive heat sink principle in circuit arrangements with a greater concentration of heat imprint relative small areas.  

Fig. 2 zeigt in Skizzenform die Draufsicht auf einen Teil einer Schaltungsanordnung mit symbolisch als Kreise dargestellten erfindungsgemäßen Kühlkörpern. Unter der Wärmeleiteinrichtung (5) sind zwölf Leistungshalbleiterbauelemente (17) auf drei Isolierkeramiken (16) angedeutet. Die Lage von fünf diesem Schaltungsteil zugehörigen Kühlkörper mit der äußeren Röhre (3), dem Innenrohr (4) und der Kegelgrundfläche (5b) sind sichtbar. Befestigungen (18) anderer Schaltungsteile sind angedeutet. Fig. 2 shows in sketch form a plan view of a part of a circuit arrangement with symbolically illustrated as circles heat sinks according to the invention. Under the heat-conducting device ( 5 ), twelve power semiconductor components ( 17 ) on three insulating ceramics ( 16 ) are indicated. The position of five heat sinks belonging to this circuit part with the outer tube ( 3 ), the inner tube ( 4 ) and the cone base ( 5 b) are visible. Fastenings ( 18 ) of other circuit parts are indicated.

Die Lage der gesamten Schaltungsanordnung zu einer Himmels- oder Windrichtung ist nicht vorgeschrieben, obwohl es sehr vorteilhaft möglich ist, bei definierter Windrichtung über Windleitbleche für eine erhöhte Windgeschwindigkeit an der Außenhaut der Röhre (3) Sorge zu tragen. Auch sind durch Hauptwindrichtungen bevorzugte Gestaltungen von Kühlrippen (8, 10) von Vorteil.The position of the entire circuit arrangement in relation to a sky or wind direction is not prescribed, although it is very advantageously possible to provide an increased wind speed on the outer skin of the tube ( 3 ) in the case of a defined wind direction via wind deflectors. Preferred designs of cooling fins ( 8 , 10 ) due to main wind directions are also advantageous.

Fig. 3 skizziert schließlich eine Ausführungsvariante eines Ausschnittes einer Schaltungsanordnung mit zwei erfinderischen Kühlkörpern. Die äußere Röhre (3) und das innere Rohr (4) sind nur im unteren Bereich dargestellt. Fig. 3, finally, a variant of a detail sketch of a circuit arrangement comprising two inventive heat sinks. The outer tube ( 3 ) and the inner tube ( 4 ) are only shown in the lower area.

Die Leistungshalbleiterbauelemente (17) sind wiederum auf einer Isolierkeramik (16) befestigt. Diese Keramik (16) wurde in diesem Ausführungsbeispiel mit der in anderer Weise aufgebauten Wärmeleiteinrichtung (5) thermisch gut leitend verbunden.The power semiconductor components ( 17 ) are in turn attached to an insulating ceramic ( 16 ). In this exemplary embodiment, this ceramic ( 16 ) was connected to the heat-conducting device ( 5 ), which is constructed in a different way, with good thermal conductivity.

Die Wärmeleiteinrichtung (5) besteht aus einem Behälter, der zur teilweisen Aufnahme der Kühlflüssigkeit (13, 14) geeignet ist. Im Betriebseinsatzzustand wird durch starke Turbulenzen der Kühlflüssigkeit die gesamte wärmeeinprägende Oberfläche (5b) gekühlt. Dabei wird die Turbulenz der Kühlflüssigkeit durch die Oberflächengestaltung (5b) der Wärmeleiteinrichtung unterstützt. The heat conduction device ( 5 ) consists of a container which is suitable for the partial absorption of the cooling liquid ( 13 , 14 ). In operation, the entire heat-impressing surface ( 5 b) is cooled by strong turbulence of the cooling liquid. The turbulence of the cooling liquid is supported by the surface design ( 5 b) of the heat conducting device.

Die in das innere Rohr (4) hineinragenden Kegel (5a), alternativ mit Kühlrippen ausgestattet, sorgen für das Umwälzen des Kühlmediums in dem bei der Beschreibung zu Fig. 1 genannten Sinne. Die Gestaltung der Kegel (5a) und der Enden (7) der inneren Rohre (4) wird so vorgenommen, daß dadurch die Umwälzung der Kühlflüssigkeit (13, 14) positiv beeinflußt wird.The cone ( 5 a) protruding into the inner tube ( 4 ), alternatively equipped with cooling fins, ensure the circulation of the cooling medium in the sense mentioned in the description of FIG. 1. The cone ( 5 a) and the ends ( 7 ) of the inner tubes ( 4 ) are designed in such a way that the circulation of the cooling liquid ( 13 , 14 ) is positively influenced.

Zur Verhinderung einer Schädigung durch Frosteinwirkung ist die hermetisch dichte Abdeckung der Flüssigkeit beinhaltenden Wärmeleiteinrichtung (5) innenliegend mit Schaumstoff (19) ausgekleidet, die Wirkung des Schaumstoffes (19) wurde bereits früher beschrieben. Die Enden der äußeren Röhren (3) können bündig mit der unteren Fläche des Schaumstoffen ausgeführt worden sein, während die Enden (7) der inneren Rohre (4) länger sind und in die Kühlflüssigkeit hineinragen, wobei die Enden (7) alternativ eine sich kegelförmig erweiternde Öffnung aufweisen können, um den Kegel (5a) gut zu umschließen. Die Gestaltung des Schaumstoffkörpers (19) in der Wärmeleiteinrichtung (19) kann trichterförmig nach unten geöffnet gestaltet sein, so daß sich auf die darüber angeordneten Kühlrohre (4) eine asymmetrische Zuführung der durch Wärmeeinprägung erhitzten Kühlflüssigkeit in aufsteigender Richtung entwickelt. Die jeweils vier äußeren Aufbauten von Kühlkörpern (vgl. Fig. 2), die durch ihre Lage in der Windströmung begünstigt sind, erhalten eine größere untere Kegelöffnung im Schaumstoff (19). In gleicher Weise ist es durch Formgestaltung des Schaumstoffes (19) möglich, die aus dem Kühlkörper in den Behälter der Wärmeleiteinrichtung (5) zurückströmenden Kühlflüssigkeiten bevorzugt an solche Stellen zu leiten, die strömungstechnisch das Umwälzen der Kühlflüssigkeit positiv beeinflussen.To prevent damage from frost, the hermetically sealed covering of the liquid-containing heat-conducting device ( 5 ) is lined with foam ( 19 ) on the inside; the effect of the foam ( 19 ) has already been described earlier. The ends of the outer tubes ( 3 ) may have been flush with the lower surface of the foam, while the ends ( 7 ) of the inner tubes ( 4 ) are longer and protrude into the cooling liquid, the ends ( 7 ) alternatively being conical can have widening opening to enclose the cone ( 5 a) well. The design of the foam body ( 19 ) in the heat-conducting device ( 19 ) can be designed in a funnel shape open downwards, so that an asymmetrical supply of the cooling liquid heated by thermal imprint develops in the ascending direction on the cooling pipes ( 4 ) arranged above it. The four outer superstructures of heat sinks (see Fig. 2), which are favored by their position in the wind flow, receive a larger lower cone opening in the foam ( 19 ). In the same way, the shape of the foam ( 19 ) makes it possible for the cooling liquids flowing back from the heat sink into the container of the heat-conducting device ( 5 ) to be directed preferably to those locations which have a positive fluidic effect on the circulation of the cooling liquid.

Bei einer Kühleinrichtung nach Fig. 3 werden Überhitzungen durch lokalen Wärmestau besser vermieden, als bei einer Wärmeleiteinrichtung (5), die aus einem gut wärmeleitenden massiven Material hergestellt worden ist.In the case of a cooling device according to FIG. 3, overheating due to local heat build-up is avoided better than in the case of a heat-conducting device ( 5 ) which has been produced from a solid material which is a good heat conductor.

Claims (16)

1. Kühlkörper mit Flüssigkeitsfüllung für Leistungshalbleiter- Schaltungsanordnungen, aus gut wärmeleitendem Material mit Kontaktflächen für die Positionierung der Halbleiter- Aufbauten, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus einem teilweise mit einer Kühlflüssigkeit gefüllten nach außen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum besteht.1. heat sink with liquid filling for power semiconductor circuit arrangements, made of good heat-conducting material with contact surfaces for the positioning of the semiconductor structures, characterized in that the heat sink consists of a partially filled with a coolant to the outside hermetically sealed cavity. 2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum aus einem oder mehreren Hohlkörpern (3) mit einer Wärmeleiteinrichtung (5) als unterem und einem Deckel (1) als oberem hermetischen Verschluß gebildet wird.2. Heat sink according to claim 1, characterized in that the cavity is formed from one or more hollow bodies ( 3 ) with a heat-conducting device ( 5 ) as the lower and a cover ( 1 ) as an upper hermetic seal. 3. Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleiteinrichtung (5) gut wärmeleitend ist und auf der unteren Seite stoffbündig Leistungshalbleiter- Schaltungsanordnungen wärmeeinprägend angeordnet sind. 3. Heatsink according to claim 2, characterized in that the heat-conducting device ( 5 ) is a good heat conductor and on the lower side of the power semiconductor circuit arrangements are arranged so as to impress heat. 4. Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (5b) der Wärmeleiteinrichtung (5) Aufbauten zur Förderung der Konvektion der Kühlflüssigkeit (13. 14) ausweist.4. Heat sink according to claim 2, characterized in that the surface ( 5 b) of the heat-conducting device ( 5 ) has structures for promoting the convection of the cooling liquid ( 13. 14 ). 5. Kühlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbauten aus einem zentrierten Kegel (5a) und/oder aus lamellenförmigen Erhebungen (5c) bestehen.5. Heat sink according to claim 4, characterized in that the structures consist of a centered cone ( 5 a) and / or of lamellar elevations ( 5 c). 6. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum Vorrichtungen eingebaut sind, die ein selbsttätiges Umwälzen der Kühlflüssigkeit fördern.6. Heatsink according to claim 1, characterized in that devices are installed in the cavity, which a Promote automatic circulation of the coolant. 7. Kühlkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Hohlraum eingebauten Vorrichtungen in der Hauptsache aus einem beidseitig offenen Rohr (4) besteht.7. A heat sink according to claim 6, characterized in that the devices installed in the cavity mainly consists of a tube ( 4 ) open on both sides. 8. Kühlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das beidseitig offene Rohr (4) aus die Wärme gut isolierendem Material besteht und/oder das Rohr (4) innen und/oder außen mit einem wärmeisolierenden elastischen und kompressiblen Material (19) beschichtet und mittels Abstandhalter (15) mit der Röhre (3) in der Lage fixiert ist.8. A heat sink according to claim 7, characterized in that the tube ( 4 ) which is open on both sides consists of the heat-insulating material and / or the tube ( 4 ) is coated on the inside and / or outside with a heat-insulating elastic and compressible material ( 19 ) and is fixed in position with the tube ( 3 ) by means of spacers ( 15 ). 9. Kühlkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierende elastische und kompressible Material (19) ein Schaumstoff mit geschlossenen Poren ist. 9. Heatsink according to claim 8, characterized in that the heat-insulating elastic and compressible material ( 19 ) is a foam with closed pores. 10. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (1) einen Ventilverschluß zum Befüllen und/oder evakuieren des Hohlraumes aufweist und vakuumdichte Durchführungen für elektronische Überwachungen des Betriebszustandes des Kühlkörpers installiert sind.10. Heatsink according to claim 1, characterized in that the cover ( 1 ) has a valve closure for filling and / or evacuating the cavity and vacuum-tight bushings for electronic monitoring of the operating state of the heat sink are installed. 11. Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (3) innen senkrecht angeordnete Erhebungen und/oder außen waagerecht angeordnete Kühlrippen (8) und/oder der Deckel (1) teller- und/oder fingerförmige Kühlrippen (10) ausweist.11. Heat sink according to claim 2, characterized in that the tube ( 3 ) inside vertically arranged elevations and / or horizontally arranged cooling fins ( 8 ) and / or the cover ( 1 ) identifies plate and / or finger-shaped cooling fins ( 10 ). 12. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeit (13, 14) aus Wasser oder einem wasserhaltigen Mehrstofflösung besteht.12. Heatsink according to claim 1, characterized in that the cooling liquid ( 13 , 14 ) consists of water or a water-containing multi-component solution. 13. Kühlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleiteinrichtung (5) aus einem mit Kühlflüssigkeit gefüllten Behälter besteht, der in der oberen Abdeckung stoffbündig und hermetisch gegen die Umgebung abgeschlossen Röhren (3) als Aufbauten trägt.13. A heat sink according to claim 2, characterized in that the heat-conducting device ( 5 ) consists of a container filled with coolant which carries tubes ( 3 ) as structures in the top cover which is flush with the material and hermetically sealed from the environment. 14. Kühlkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Abdeckung in dem Hohlraum der Wärmeleiteinrichtung mit einem wärmeisolierenden elastischen und kompressiblen Material (19) zum Beispiel mit Schaumstoff mit in sich abgeschlossenen Gaseinschlüssen beschichtet ist. 14. Heat sink according to claim 13, characterized in that the upper cover in the cavity of the heat-conducting device is coated with a heat-insulating elastic and compressible material ( 19 ), for example with foam with self-contained gas inclusions. 15. Kühlkörper nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierende elastischen und kompressible Material (19), speziell Schaumstoff mit in sich abgeschlossenen Gaseinschlüssen, für die Röhren (3) asymmetrisch verteilte und in der Geometrie ungleich geformte Öffnungen auf der unteren Schicht, der Grenzschicht zu der Kühlflüssigkeit, besitzt.15. Heatsink according to claim 14, characterized in that the heat-insulating elastic and compressible material ( 19 ), especially foam with self-contained gas inclusions, for the tubes ( 3 ) asymmetrically distributed and in the geometry unevenly shaped openings on the lower layer, the Boundary layer with the coolant. 16. Kühlkörper nach Anspruch 4 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Enden (7) der Rohre (4), und die im Hohlraum der Wärmeleiteinrichtung (Fig. 3, 5) befindliche wärmeisolierende Materialschicht (19) an der Unterseite, sich nach oben trichterförmig verjüngende Öffnungen besitzen, die so angeordnet sind, daß die durch die wärmeeinprägende Oberfläche (5b) erhitzte Kühlflüssigkeit entsprechend den äußeren Kühlbedingungen so auf die Rohre (4) aufgeteilt wird, daß in allen Kühlkörpern gleichtemperierte Rücklauftemperaturen des Kühlmediums gegeben sind.16. Heat sink according to claim 4 and 15, characterized in that the lower ends ( 7 ) of the tubes ( 4 ), and in the cavity of the heat-conducting device ( Fig. 3, 5) located heat-insulating material layer ( 19 ) on the underside, after have funnel-shaped openings at the top, which are arranged in such a way that the cooling liquid heated by the heat-impressing surface ( 5 b) is distributed to the tubes ( 4 ) in accordance with the external cooling conditions in such a way that the return medium of the cooling medium is at the same temperature in all heat sinks.