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Kühlvorrichtung für Leistungshalbleiterbauelemente Die Erfindung betrifft
eine Kühlvorrichtung für Beistungshalbleiterbauelemente mit einem mit dem Halbleiterkörper
in Wärmekontakt stehenden Kühlkörper und mit einem Verdampfer-Hohlraum, der eine
elektrisch nicht-leitende, beim Betrieb des Bauelementes verdampfende K~uhlflüssigkeit
enthält, sowie mit einem vom Verdainpfer-Hohlraum räumlich getrennten Kondensator,
der mit dem Verdampfer-Hohlraum einen Kühlmittelkreislauf bildet, wobei der Kondensator
mit dem Verdampfer-Nohiraum über Rohrleitungen derart verbunden ist, daß der im
Veriampfer-Hohlraum entstehende Dampf dem Eingangsrohr des Kondensators zugeleitet
wird, und daß das im Kondensator gebildete Kondensat in den Verdampfer-Hohlraum
zurückgeführt wird, wobei der Verdampfer-Hohlraum als Blasenpumpe ausgebildet ist.
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Die Hauptanmeldung betrifft u.a. eine Kühivorrichtung der eingangs
genannten Gattung, die in der Regel nur zur Kühlung eines einzeigen scheibenförmigen
Haibleiterelementes dient. Die beiden llauptoberflächen des Halbleiterbauelementes
sind dabei planparallel. Jeder Kühlkörper enthält einen Verdampfer-Hohlraum, der
als Blasenpumpe ausgebildet ist, die gewöhnlich aus einem sich erweiternden Kanal
besteht, in den zusätzlich eine Vielzahl von Rippen hineinragen können. Die Hauptlage
dieser Anordnung ist waagrecht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kühlvorrichtung
der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der die Anwendung des Prinzips der
Blaserpumpe einen optimalen Wärmetransport ermöglicht; insbesondere soll eine Kühlvorrichtung
geschaffen werden, die innerhalb einer Kette von in Reihe geschalteten Iialbleiterbauelementen
verwendbar ist, wobei diese vorzugsweise senkrecht nebeneinander angeordnet sind.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß der Kühlkörper
eine Vielzahl von durchgehenden Bohrungen aufweist, die parallel oder mit geringer
Neigung zu mindenstens einer ebenen Kühlfläche des Kühlkörpers verlaufen, wobei
die Bohrungen Blasenpumpen sind. Dabei können die Enden der Bohrungen in vorteilhafter
Weise in eine Zulaufkammer bzw. Abströmkammer münden, die eine Zu- bzw. Abströmöffnung
aufweist.
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Der erfindungsgemäße Kühlkörper besitzt den hervorstechenden Vorteil,
daß er einen optimalen Wärmeübergang vom Metall auf das Kühlmedium gewährleistet.
Der Wärmestrom durch den Kühlkörper und der Kühlmittelstrom durch denselben stehen
ungefähr senkrecht aufeinander, so daß dadurch der Kühlkörper mit zwei planparallelen
Kühlflächen versehen werden kann, wodurch sich der Kühlkörper in hervorragender
Weise zum Aufbau von Ketten von in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen eignet.
In vorteilhafter Weise können die Kühlkörper in einen gemeinsamen Kühlkreislauf
geschaltet sein.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Halbleiterbauelemente
und die Kühlkörper senkrecht und somit die Kette, bestehend aus den Kühlkörpern
und den Halbleiterbauelementen, waagrecht angeordnet, wobei unterhalb der Kette
ein gemeinsamer, unterer Sammelbehälter und oberhalb der Kette ein gemeinsamer,
oberer Sammelbehälter angeordnet sind. Diese Anordnung eignet sich in hervorragender
Weise zum Einbau in Elektro-Kraftfahrzuge, deren Verbrauch an elektronischen Bauelementen
sprunghaft steigt und weiter steigen wird.
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In vorteilhafter Weise sind die Sammelbehälter zylindrische Rohre
und der obere Sammelbehälter besitzt ein größeres Volumen als der untere. Dadurch
ist gewährleistet, daß eine einwandfre.#e Trennung des Dampfes von der flüssigen
Phase des Kühlmediums stattfinden kann.
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Die Zulaufkammern sind über Verbindungsrohre mit dem unteren, die
Ablaufka,nmern über Verbindungsrohre mit dem oberen Sammelbehälter verbunden, wobei
der obere Sammelbehälter über eine Dampfleitung mit einem Kondensator verbunden
ist, der mit dem unteren Sammelbehälter in Verbindung steht.
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Die Verwendung der erfindungsgemäßen Külilvorrichtung ist nicht nur
auf den Kraftfahrzeugsektor begrenzt. Die Erfindung besitzt einen weiten Anwendungsbereich,
so z.B. in großen Leistungsverstärkern für die Endstufen, da insbesondere der Kühlkreislauf
ohne zusätzliche Pumpe auskommt. Desweiteren kann die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
in Dioden- oder Tyristorenketten verwendet werden; z.B. in der Galvano- oder Schmelztechnik
oder für Stromversorgungsgeräte für die Elektrolyse.
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Ein Beispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und anschließend
beschrieben. Dabei zeigt: Fig. 1 ein prinzipielles Schema eines Blasenpumpen-Kühlkreislaufes,
Fig.
2a + b eine Draufsicht und eine um 9o gedrehte Ansicht eines Kühlkörpers, Fig. 3
einen Schnitt durch einen Kühlkörper parallel zu dessen planparallelen Kühlflächen,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Kühlkörper senkrecht zu dessen Kühlflächen, Fig.
5 einen Aufriß der gesamten Kühlvorrichtung, bestehend aus einer Kühlkette aus Halbleiterbauelementen
mit Kühlkörpern ohne Kondensator, Fig. 6 einen teilweise abgebrochene#Schnitt nach
der Linie I-I in Fig. 5, Fig. 7 eine Ansicht der Kühlvorrichtung von vorn nach Fig.
5, Fig. 8 den oberen Sammel- und Abscheidebehälter, sowie den unteren Sammelbehälter
im Aufriß, Fig. 9 eine Ansicht der Kühlvorrichtung gemäß Fig. 8 um 90° nach links
gedreht, Fig. lo den oberen Sammel- und Abscheidebehälter in der Draufsicht teilweise
abgebrochen, Fig. 11 schematisch eine Seitenansicht eines Kondensators, und Fig.
12 schematisch einen Kondensator im Aufriß.
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In Fig. 1 ist zum besseren Verständnis der Erfindung das Prinzip einer
Blasenpumpe, die in einen Kühlkreislauf eingefügt ist, erläutert. Einem geschlossenen
Behälter 1 wird von außen Wärme Q zugeführt, was durch die Pfeile angedeutet ist.
Dadurch verdampft ein innerhalb des Behälters befindliches Kühlmedium und tritt
in Form von Dampfblasen 2 in eine Abströmleitung 3 ein.
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Die Dampfblasen 2 reißen nun aufgrund ihrer Strömungsenergie Flüssigkeitspfröpfchen
4 mit sich, so daß die einzelnen Dampfblasen durch Flüssigkeitspfröpfchen voneinander
getrennt sind.
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Es wird also die Expansionsenergie verdampfender Flüssigkeiten zur
Förderung der Flüssigkeit selbst benützt. Die Abströmleitung teilt sich in einem
Sammelbehälter 5. Im unteren Teil-Ast sammelt sich die Flüssigkeit, durch den oberen
Ast wird nur
noch Dampf abgeleitet, der in einem Kondensator 6 kondensiert
und in die Blasenpumpe 1 zurückläuft. Der Sammelbehälter ist durch eine Leitung
7 mit dem Behälter 1 verbunden.
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In Fig. 2a + b ist eine Draufsicht und eine um 9o° gedrehte Ansicht
eines erfindungsgemäßen Kühlkörpers 8 gezeigt. Der Kühlkörper 8 besteht aus einem
gut wärmeleitenden Block, z.B. Aluminium oder Kupfer oder einer Legierung, und besitzt
zwei planparallele Kühlflächen 9 und lo. Der flache Kühlkörper ist besonders dazu
geeignet, mit dazwischen angeordneten Halbleiterelementen in Reihe zu einer Kette
geschaltet zu werden. Dazu dienen zwei Durcllgangslöcher 11 und 12, was unten noch
genauer beschrieben wird.
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In Fig. 3 und 4 ist je ein Querschnitt und ein Längsschnitt durch
den Kühlkörper gezeigt. Der liülllkörper 8 ist von einer Vielzahl von parallelen,
durchgehenden Bohrungen 13 durchzogen, welche Blasenpumpen sind. Wie in Fig. 4 dargestellt,
verlaufen die zylindrischen Bohrungen untereinander parallel und parallel zu den
planparallelen Kühlflächen. Die zylindrischen Bohrungen 13 können jedoch auch zu
den Kühlflächen geneigt sein. Die zylindrischen Bohrungen sind reihenweise versetzt
angeordnet, so daß n ein Wärmestronifaden, der an einer der Kiwhlflächen seim Ausgang
nimmt, sich nicht senkrecht durch den Kühlkörper fortsetzen kann, sondern dabei
immer auf mindestens eine Bohrung trifft. Bs ist natürlich auch möglich, bei kleineren
Leistungen nur eine einzige Reihe von zylindrischen Bohrungen vorzusehen.
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An den ebenen seitlichen Begrenzungsflächen des Kühlkörpers 8 sind
nach Fig. 2a eine Zulauf- und eine Abströmkammer 14 bzw.
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15 angeordnet, wobei diese beispielsweise gasdicht mit dem Iiühlkörper
verschweißt sind. Die Zulauf- und Abströrnkammer 14, 15 dienen zur Zusammenfassung
der Enden der zylindrischen Bohrungen
13; an die Zulaufkammer 14
ist ein Zulaufrohr 16, an die Abströmkammer 15 ein Abströmrohr 17 angeschweißt.
Der Kühlkörper 8, die Zulaufkammer 14 mit ihrem Zulaufrohr 16 und die Abströmkammer
mit ihrem Abströmrohr 17 bilden zusammen ein fertiges Kühlelement.
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In Fig. 5 ist ein Aufriß einer kompletten Kühlvorrichtung (ohne Kondensator)
gezeigt. Kühlelemente 18 sind abwechselnd mit Halbleiterbauelementen 19 in Reihe
zu einer Kette zusammengeschaltet. Die Halbleiterbauelemente können beispielsweise
Tyristoren oder Dioden sein. Das Kühlelement# 18 ist gemäß der Beschreibung der
Figuren 2, 3 und 4 aufgebaut. Die Kühlkörper mitsamt den dazwischen angeordneten
iLilbieiterkauelementen werden mittels eines Zugankers 20, Tellerfedern 21 und Sechskantmuttern
22 zusammegepreßt. Die Zuganker sind dabei durch die Bohrungen 11, 12 gemäß Fig.
2a oder Fig. 3 gesteckt. Die Halbleiterbauelemente werden in der Regel nur durch
den Druck der Tellerfedern 21 und der Sechskantmuttern 22 gehaltert. In Fig. 6 ist
ein Schnitt entlang der Linie I-I gezeigt, der den Zusammenbau der Kühlelemente
und der Halbleiterbauelemente zu einer Kette nochmals verdeutlicht. Damit die Druckkräfte
gleichmäßig auf beide Zuganker übertragen werden und somit keinerlei Verkanten auftritt,
sind an den Enden der Kette Spannscheiben 23 vorgesehen. Die Tellerfedern sitzen
auf ilülsen 24, die durch einen abgewinkelten Halter 25 begrenzt werden. Die Halter
25 dienen zur ortsfesten Befestigung der gesamten Kette".
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Die "Kette" ist nun an einen oberen Sammel- und Abscheidebehälter
26 und an einen unteren Samnielbehälter 27 angeschlossen, wobei die gesamte Kühlvorrichtung
waagrecht angeordnet ist. Beide Sammelbehälter 26, 27 bestehen aus zylindrischen
Rohren und sind an ihren Enden durch Böden gasdicht verschlossen. Der untere Sammelbehälter
dient über eine Zuleitung 28 zum Zuführen des
Kühlmediums in die
Kühlkörper, der obere Sammel- und Abscheidebehälter dient zum Sammeln des durch
die Kühlkörper durchgeflossenen ~erhitzten Kühlmediums und zum (teilweise) Abscheiden
des verdampften Kühlmediums. Der obere Teil des oberen Sammel-und Abscheidebehälters
26, in dem sich die verdampfte Khlflüssigkeit befindet, ist mit dem unteren Teil
des oberen Sammelbehälters über eine Verbindungsleitung 29 zum Druckausgleich verbunden.
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In Fig. 7 ist eine um 90° nach rechts gezeigte Ansicht der Fig. 5
gezeigt. Es ist zu erkennen, daß der Querschnitt des oberen Sammel- und Abscheidebehälters
26 um ein Vielfaches größer ist als der Querschnitt des unteren Sammelbehälters
27.
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Der untere Sammelbehälter 27 ist über einen Verbinder 30 mit dem Zuflußrohr
16 und der Zuflußkar,lmer 14 des Kühlelementes verbunden. Das Abströmrohr 17 ist
über einen weiteren Verbinder 31 mit dem oberen Sammel- und Abscheidebehälter 26
verbunden.
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Die Verbindungsstücke 30, 31 sind mit Schlauchklemmen 32 auf den jeweiligen
Rohrstücken gehaltert.
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In Fig. 8 sind nochmals der obere Sammel- und Abscheidebehälter und
der untere Sammelbehälter im Aufriß ohne den Kühlelementen und den Halbleiterbauelementen
gezeigt. Der obere Sammel- und Abscheidebehälter 26 ist mit dem unteren Sammelbehälter
27 über Ausgleichsleitungen 33 verbunden. Dadurch wird sichergestellt, daß erstens
immer genügend Kühlfflissigkeit im unteren Sammelbehälter vorhanden ist und zweitens,
daß das in der Blasenpumpe geförderte und teilweise verdampfte Kühlmittel nach Abscheidung
des Dampfes wieder dom unteren Sammelbehälter zufließen kann. Aus der Zeichnung
sind desweiteren die Einströmanschlüsse 34 des unteren Sammelbehälters für je einen
Kühlkörper und die Abströmansciilüsse 35 des oberen Sammel- und Abscheidebehrlters
zum Abströmen des Kühlmediums ersichtlich.
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Eine Abströmleitung 36 leitet das verdampfte Kühlmittel vom oberen
Sammel- und Abscheidebehälter 26 zu einem (in dieser
Figur nicht
gezeigten) Kondensator. Bin Sicherheitsdruckventil 37 dient zum Ableiten eines sich
im oberen Sammelbehälter aufbauenden zu hohen Druckes.
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Fig. 9 zeigt eine um 90° nach links geklappte Ansicht der Fig.
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8. Dabei sind nochmals die Eintrönianschlüsse 34 und die Abströmanschlüsse
35 am unteren Sammelbehälter 27 bzw. am oberen Summelbehälter und Abscheidebehälter
26 zu sehen. Fig. lo zeigt eine Draufsicht auf den oberen Sammel- und Abscheidebehälter
?6.
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In den Figuren 11 und 12 sind zwei schematische Ansichten des Kondensators
zur Rückgewinnung des Flüssigen Kühlmittels gezeigt. Die Dampfabströmleitung 36,
herkommend vom oberen Sammel-und Abscheidebehälter 27, führt in einen Kondensator
38, der durch einen Lüfter 39 gekühlt wird. Das dampfförmige Kühlmedium verflüssigt
sich wieder und wird durch die Zuströmleitung 28 wieder dem unteren Sammelbehälter
27 zugeführt. Der Kondensator ist in der Regel räumlich von dem Sammclbehälter getrennt;
es ist aber auch eine integrierte Bauweise möglich. Ebenso ist es möglich, die Kette,
bestehend aus Küjilkörporn und Halbleiterbauelementen, senkrecht anzuordnen, wobei
dann nur darauf zu achten ist, daß der obere Sammel- und Abscheidebehälter am höchsten
I>unlct sich befindet. Die Anordnung des unteren Sammelbehälters kann beliebig
gewählt werden; man wird ihn jedoch zweckmäßig am untersten Punkt der Kette anordnen.
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Im Betrieb wird das Kühlmedium durch die Expansionsenergie der verdampfenden
Kühlflüssigkeit aus dem unteren Sammelbehälter angesaugt und mit hoher Geschwindigkeit
durch die zylindrischen Bohrungen innerhalb des Kühlkörpers geleitet, wo ein Teil
des Kühlmediums verdampft und die Dampfblasen zusätzlich Flüssigkeitspföpfohen durch
die Bohrungen und die Abströmanschlüsse in den oberen Sammel- und Abscheidobehälter
mitreißen.
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Das dampfförmige Kühlmedium strömt weiter über das Dampfabströmrohr
36
in den Kondensator 38 und wird dort kondensiert. Das flüssige Kühlmedium strömt
nun über die Abströmöffnung 28 vom Kondensator über die Zuleitung 28 zurück in den
unteren Sammelbehälter 27. Die im oberen Sammel- und Abscheidebehälter 26 vom Dampf
getrennte Kühlflüssigkeit fließt über die Ausgleichsrohre 33 in den unteren Sammelbehälter
27 zurück. Auf diese Weise findet ein intensiver Flüssigkeitskreislauf zwischen
dem unteren Sammelbehälter, den zylindrischen Bohrungen innerhalb der Kühlkörper
und dem oberen Sammel- und Abscheidebehälter statt. Es sei hervorgehoben, daß durch
die Abscheidung der Flüssigkeit vom Dampf im oberen Sammel- und Abscheidebehälter
ein Zweiphasenstrom in der Dampfabströmleitung 36 zum Kondensator hin vermieden
wird, da ein solcher Zweiphasenstrom einen erheblich höheren Strömungswiderstand
als eine Einphasenströmung aufweist.
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Patentansprüche