DE19831282A1 - Halbleiterkühlkörper-System und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Abstract

s wird ein Halbleiterkühlkörper-System mit einem eine Vielzahl paralleler Kühlkanäle (4, 4') aufweisenden Halbleiterkühlkörper (1, 1') vorgeschlagen, mit welchem eine Anschluß- und Verteilarmatur (2, 2') verbunden ist. Die Anschluß- und Verteilarmatur (2, 2') weist sowohl einen Kühlmittelzulauf (5, 5') als auch einen Kühlmittelablauf (6, 6') auf, wobei der Kühlmittelzulauf (5, 5') in einen Kühlmittelverteilkanal (7, 7') mündet, welcher über mindestens zwei eigene Zulaufstutzen (10, 10') mit mindestens zwei Kühlkanälen verbunden ist. Ein Kühlmittelsammelkanal (8, 8') mündet in den Kühlmittelablauf (6, 6'), wobei mindestens zwei Kühlkanäle mit mindestens zwei eigenen Ablaufstutzen (11, 11') verbunden sind, welche im Kühlmittelsammelkanal (8, 8') münden. Die Anzahl der Ablaufstutzen (11, 11') entspricht der Anzahl der Zulaufstutzen (10, 10').

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterkühlkörper-System gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 sowie auf ein Verfahren zur Herstellung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 6. Die Erfindung kann beispielsweise bei Stromrichtern für elek­ trische Schienenfahrzeuge verwendet werden.

Aus der DE 44 21 025 A1 ist ein flacher Halbleiterkühlkörper mit einer Vielzahl paral­ lel nebeneinander liegender, an zwei gegenüberliegenden Stirnseiten offener Kühl­ kanäle bekannt, wobei die beiden Stirnseiten des Halbleiterkühlkörper mittels angelö­ teter Deckel kühlmitteldicht verschlossen sind und an jeder Stirnseite ein Sammelka­ nal quer zu den Kühlkanälen ausgebildet ist, der eine Kühlmittelströmung von einem Zufuhrstutzen zu den Kühlkanälen an der einen Stirnseite bzw. von den Kühlkanälen zu einem Abfuhrstutzen an der anderen Stirnseite ermöglicht.

Aus der DE 44 07 397 A1 ist ein Kühlflüssigkeitsverteilsystem für einen Spannver­ band mit Leistungshalbleitern und Kühldosen bekannt, bei dem eine hydraulische Gruppenschaltung von Kühldosen vorgesehen ist. Zwischen einer Einspeisung und einem Rückfluß sind zwei parallele Gruppen von mehreren in Reihe liegenden Kühl­ dosen vorgesehen. Durch in die Hauptkanäle des Kühlflüssigkeitsverteilsystems für die Einspeisung und den Rückfluß einschiebbare Hauptkanaleinschubprofile kann ein- und dieselbe Kühlflüssigkeitsverteilleitung sowohl für Reihen- als auch für Paral­ lelschaltung der einzelnen Kühldosen verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterkühlkörper-System der ein­ gangs genannten Art anzugeben, bei dem in einfecher und preisgünstiger Art eine kombinierte Reihen-/Parallelschaltung der einzelnen Kühlkanäle realisierbar ist. Des weiteren soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterkühlkörper- Systems angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Halbleiterkühlkörper-Systems in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zur Herstellung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des An­ spruchs 6 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß alle für die gewünschte kombinierte Reihen-/Parallelschaltung der Kühlkanäle erforderlichen Funktionen durch ein einziges Bauteil - die an der einen Stirnseite oder an der Hauptoberfläche montierte Anschluß-und-Verteil-Armatur - realisiert werden. Durch die stirnseitig montierbare Umlenkarmatur oder die verkürzten Trennwände zwischen den Kühlkanälen in Verbindung mit einem stirnseitigen Verschluß wird sichergestellt, daß das Kühlmittel unmittelbar benachbarte Kühlkanäle mit jeweils unterschiedlicher Richtung durchströmt. Dieses Gegenstromprinzip trägt in Verbindung mit der kombi­ nierten Reihen-/Parallelschaltung der Kühlkanäle dazu bei, den Wärmetransport von den Halbleitern zum Kühlmittel zu vergleichmäßigen, d. h. es wird auch bei relativ großflächigen Halbleiterkühlkörpern vermieden, daß sich Zonen mit unterschiedli­ chen Temperaturen längs des Halbleiterkühlkörpers einstellen und die thermische Ausnutzung des Halbleiterkühlkörpers wird insgesamt optimiert. Sowohl die An­ schluß-und-Verteil-Armatur als auch die Umlenkarmatur sind sehr kompakt ausge­ bildet, so daß sich beim Halbleiterkühlkörper-System ein günstiges Verhältnis zwi­ schen dem erforderlichen Flächen- und Raumbedarf und der nutzbaren Kühlfläche ergibt.

Aus den vorstehend erläuterten Merkmalen resultieren insgesamt sehr niedrige thermische Widerstände und ein optimaler thermischer Wirkungsgrad.

Sowohl der Halbleiterkühlkörper selbst als auch die Anschluß-und-Verteil-Armatur und die Umlenkarmatur sind mit Hilfe kostengünstiger Herstellverfahren fertigbar.

Eine im Unteranspruch gekennzeichnete Ausbildung, nach der die Anschluß-und- Verteil-Armatur mit einem zwischen Kühlmittelverteilkanal und Kühlmittelsammelka­ nal angeordneten Überströmventil versehen ist, hat den Vorteil, daß die Kühlung von mindestens zwei hydraulisch in Reihe liegenden Wärmeerzeugern mit sehr unter­ schiedlicher Wärmeenergieproduktion (beispielsweise kühlmitteltechnische Reihen­ schaltung von Elektro- oder Verbrennungsmotoren mit Stromrichtern bei Schienen­ fahrzeugen) mit optimaler Kühlmittelgeschwindigkeit und niedrigem hydraulischem Widerstand möglich ist. Die hydraulische Reihenschaltung von Wärmeerzeugern hat gegenüber der Parallelschaltung ganz allgemein den Vorteil eines reduzierten Rohr­ leitungsbedarfs.

Das Verfahren zur Herstellung des Halbleiterkühlkörper-Systems zeichnet sich ins­ besondere dadurch aus, daß es sehr preiswert realisierbar ist und zu einem sehr hochwertigen Produkt führt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des Halbleiterkühlkörper-Systems,

Fig. 2 ein Überströmventil,

Fig. 3 ein alternatives Halbleiterkühlkörper-System.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des Halbleiterkühlkörper-Systems dargestellt. Das Halbleiterkühlkörper-System dient vorzugsweise zur Ableitung der Wärmeenergie, die von den Halbleitern eines für den drehzahlgeregelten Betrieb eines Antriebsmo­ tors dienenden Stromrichters produziert wird und besteht aus einem Halbleiterkühl­ körper 1, einer an der ersten Stirnseite des Halbleiterkühlkörper montierten An­ schluß-und-Verteil-Armatur 2 für das Kühlmittel und einer an der zweiten Stirnseite des Halbleiterkühlkörper montierten Umlenkarmatur 3 für das Kühlmittel. Der vor­ zugsweise in Aluminium-Druckgußtechnik gefertigte einteilige Halbleiterkühlkörper 1 ist als flache Platte ausgebildet und weist eine Vielzahl paralleler Kühlkanäle 4 auf, welche an den beiden vorstehend erwähnten gegenüberliegenden Stirnseiten offen sind. Die Kühlkanäle 4 weisen vorzugsweise Innenrippen auf, welche die für den Wärmeübergang zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößern und einen tempe­ raturausgleichenden Wärmequerfluß zwischen den einzelnen Kühlkanälen ermögli­ chen.

Die Anschluß-und-Verteil-Armatur 2 weist sowohl einen Kühlmittelzulauf 5 als auch einen Kühlmittelablauf 6 auf. Der Kühlmittelzulauf 5 mündet in einen Kühlmittelver­ teilkanal 7, von welchem sich mehrere - im Ausführungsbeispiel drei - Zulaufstutzen 10 abzweigen. In ähnlicher Art und Weise mündet der Kühlmittelablauf 6 in einen Kühlmittelsammelkanal 8, von dem sich mehrere - im Ausführungsbeispiel drei - Ab­ laufstutzen 11 abzweigen. Die Anzahl der Zulaufstutzen 10 entspricht dabei stets der Anzahl der Ablaufstutzen 11.

Das Halbleiterkühlkörper-System weist einen sehr niedrigen hydraulischen Wider­ stand auf. Dies gilt sowohl für die Kühlkanäle 4, als auch für die einzelnen Kanäle der Anschluß-und-Verteil-Armatur 2 und der Umlenkarmatur 3. Dies hat den Vorteil, daß nur eine relativ geringe Energie aufzuwenden ist, um die Strömung des Kühlmit­ teis mit der vorgegebenen Fließgeschwindigkeit aufrecht zu erhalten. Dies reduziert die Anforderungen an die einzusetzenden Kühlmittelpumpe und den Energiever­ brauch dieser Pumpe.

Zwischen Kühlmittelverteilkanal 7 und Kühlmittelsammelkanal 8 befindet sich ein druckgesteuertes Überströmventil 9, dessen Wirkungsweise und Vorteile nachste­ hend noch im einzelnen erläutert werden.

Die Anschluß-und-Verteil-Armatur 2 kann in unterschiedlichen Varianten ausgebildet sein. Bei einer ersten, nicht dargestellten Variante führen zu den nebeneinander an­ geordneten Kühlkanälen 4 abwechselnd Zulaufstutzen 10 und Ablaufstutzen 11. Bei einer zweiten, in Fig. 1 gezeigten Variante ist jedem vierten Kühlkanal 4 ein Zulauf­ stutzen 10 und jedem vierten Kühlkanal 4 ein Ablaufstutzen 11 zugeordnet. Die je­ weils zwischen einem Zulaufstutzen 10 und einem Ablaufstutzen 11 angeordneten beiden Kühlkanäle 4 sind über einen Umlenkkanal 12 der Anschluß-und-Verteil- Armatur 2 miteinander verbunden. Bei einer dritten, nicht dargestellten Variante ist jedem sechsten Kühlkanal 4 ein Zulaufstutzen 10 und jedem sechsten Kühlkanal 4 ein Ablaufstutzen 11 zugeordnet. Die zwischen einem Zulaufstutzen 10 und einem Ablaufstutzen 11 angeordneten vier Kühlkanäle 4 sind über zwei benachbarte Um­ lenkkanäle der Anschluß-und-Verteil-Armatur 2 miteinander verbunden. In der glei­ chen Art und Weise sind weitere Varianten realisierbar.

Die Umlenkarmatur 3 weist eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Umlenkkanä­ le 13 auf, welche jeweils zwei benachbarte Kühlkanäle 4 des Halbleiterkühlkörpers 1 miteinander verbinden. Zwei benachbarte Kühlkanäle werden hierdurch jeweils im Gegenstrom vom Kühlmittel durchströmt. Es ist selbstverständlich, daß die An­ schlüsse zwischen den Umlenkkanälen 12, 13 und den Kühlkanälen 4, die An­ schlüsse zwischen den Zulaufstutzen 10 und den Kühlkanälen 4 sowie die An­ schlüsse zwischen den Ablaufstutzen 11 und den Kühlkanälen 4 in geeigneter Weise gegen das Austreten von Kühlmittel abgedichtet sind, beispielsweise über elastische Dichtringe, die in Ringnuten eingelegt sind.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Variante ergibt sich eine hydraulische Reihenschaltung von jeweils vier benachbarten Kühlkanälen sowie kombiniert hiermit eine hydrauli­ sche Parallelschaltung der drei derart gebildeten hydraulischen Reihenschaltungen. Bei der vorstehend erwähnten ersten Variante liegt eine hydraulische Reihenschal­ tung von jeweils zwei benachbarten Kühlkanälen sowie kombiniert hiermit eine hy­ draulische Parallelschaltung der derart gebildeten hydraulischen Reihenschaltungen vor. Dementsprechend handelt es sich bei der vorstehend erwähnten dritten Variante um die hydraulische Reihenschaltung von jeweils sechs benachbarten Kühlkanälen sowie kombiniert hiermit um eine hydraulische Parallelschaltung der derart gebilde­ ten hydraulischen Reihenschaltungen.

Die externe hydraulische Beschaltung des Halbleiterkühlkörper-Systems 1/2/3 ist wie folgt: Der Kühlmittelzulauf 5 ist mit einer Kühlmittelpumpe 15 verbunden, welche das in einem Rückkühler 14 abgekühlte Kühlmittel in den Halbleiterkühlkörper 1 fördert. Das durch den Kühlmittelablauf 6 der Anschluß-und-Verteil-Armatur 2 strömende Kühlmittel wird dem Kühler eines Antriebsmotors 16 eines Schienenfahrzeuges zu­ geleitet und tritt danach in den Rückkühler 14 ein.

Die vom Antriebsmotor 16 (oder von mehreren Antriebmotoren) während des Betrie­ bes produzierte Wärmeenergie ist üblicherweise ein Vielfaches der durch die Halblei­ ter des Stromrichters erzeugten Wärmeenergie. Deshalb ist es bei Systemen ohne erfindungsgemäßes Überströmventil erforderlich, mehrere derartiger Stromrichter mit jeweils eigenen Halbleiterkühlkörper-Systemen hydraulisch parallel zu schalten, um ein und denselben Kühlmittelstrom zunächst durch die hydraulische Stromrichter- Parallelschaltung und anschließend durch den Antriebsmotor oder die Antriebsmoto­ ren leiten zu können. Dies erfordert jedoch ein relativ aufwendiges und damit teures hydraulisches Verbindungssystem zur Führung des Kühlmittels. Beim erfindungsge­ mäßen Halbleiterkühlkörper-System mit Überströmventil ist es möglich, die Halblei­ terkühlkörper der einzelnen Stromrichter sowie den Antriebsmotor oder die An­ triebsmotoren in Reihe zu schalten, was das erforderliche hydraulische Verbin­ dungssystem zur Führung des Kühlmittels vereinfacht und damit verbilligt. Jedem der in Reihe legenden Halbleiterkühlkörper wird lediglich eine Teilmenge des gesamten Kühlmittelstromes zugeführt, während der restliche Kühlmittelstrom vom Kühlmittel­ verteilkanal 7 über das Überströmventil 9 direkt in den Kühlmittelsammelkanal 8 und damit zu den weiteren Komponenten der hydraulischen Reihenschaltung gelangt.

In Fig. 2 ist der Aufbau eines derartigen Überströmventils 9 beispielhaft dargestellt. Das Überströmventil 9 weist einen Ventilkörper 17 auf, welcher eine in den Kühlmit­ telverteilkanal 7 mündende Zuströmöffnung 18 und eine im Kühlmittelsammelkanal 8 mündende Ablaufseite 19 aufweist. Bis zu einem vorgebbaren, durch eine nachste­ hend mit Ziffer 22 bezeichnete Feder bestimmten hydraulischen Druck im Kühlmittel ergibt sich keine für das Kühlmittel offene Verbindung zwischen Zuströmöffnung 18 und Abtaufseite 19, da ein innerhalb des Ventilkörpers 17 befindlicher Ventilkegel 20 gegen einen Dichtsitz 23 des Ventilkörpers preßt. Der Ventilkegel 20 stützt sich über eine Führung/Lagerung 21 gegen den Ventilkörper ab und wird mittels der Feder 22 gegen den Dichtsitz 23 gedrückt.

Der Ventilkegel 20 wird vom Dichtsitz 23 abgehoben, sobald der hydraulische Druck im Kühlmittel den durch die Feder 22 erzeugten Gegendruck überschreitet, so daß sich eine für das Kühlmittel offene Verbindung zwischen Kühlmittelverteilkanal 7 und Kühlmittelsammelkanal 8 ergibt. Diese offene Verbindung wird durch einen sich zwi­ schen Außenmantelfläche des Ventilkegels 20 und Innenmantelfläche des Ventilkör­ pers 17 befindlichen Ringspalt 24 auf einen vorgegebenen maximalen Querschnitt begrenzt. Dies hat den Vorteil, daß selbst bei einem Bruch der Feder 22 und damit permanenter Öffnung zwischen Zuströmöffnung 18 und Ablaufseite 19 lediglich die­ ser vorgegebene maximale Querschnitt für das überströmende Kühlmittel zur Verfü­ gung steht und gewährleistet ist, daß auf jeden Fall eine vorgegebene Mindest- Teilmenge des Kühlmittels durch den Halbleiterkühlkörper 1 selbst geführt wird und diesen ausreichend kühlt.

In Fig. 3 ist ein alternatives Halbleiterkühlkörper-System dargestellt. Bei diesem Halbleiterkühlkörper-System sind die Trennwände zwischen den Kühlkanälen 4' an beiden Stirnseiten des Halbleiterkühlkörpers 1' zum Teil verkürzt, um hierdurch Um­ lenkkanäle 12', 13' zu bilden. Eine eigene Umlenkarmatur entfällt vorteilhaft, die Stirnseiten des Halbleiterkühlkörpers 1' werden lediglich mittels Stopfen 25 ver­ schlossen. Da eine Anschluß- und Verteilarmatur 2' nicht an einer Stirnseite, son­ dern im Randbereich einer Hauptoberfläche des Halbleiterkühlkörpers 1' vorgesehen ist, gilt dies für beide Stirnseiten des Halbleiterkühlkörpers.

Die Anschluß- und Verteilarmatur 2' weist für den Anschluß an einen externen Kühl­ kreislauf mit Kühlmittelpumpe und Rückkühler einen äußeren Kühlmittelzulauf 5' sowie einen äußeren Kühlmittelablauf 6' auf. Der Kühlmittelzulauf 5' mündet in einen Kühlmittelverteilkanal 7', der über einzelne Zulaufstutzen 10' die Verbindung zu den Kühlkanälen 4' herstellt. Der Rücklauf des Kühlmittels aus den Kühlkanälen 4' er­ folgt über einzelne Ablaufstutzen 11' in einen Kühlmittelsammelkanal 8' und von dort in den Kühlmittelablauf 6'.

Die Herstellung des alternativen Halbleiterkühlkörper-Systems erfolgt in folgender Art und Weise: In einem ersten Schritt werden die Randbereiche der Trennwände zwi­ schen den Kühlkanälen 4' an beiden Stirnseiten des Halbleiterkühlkörpers 1' abge­ fräst, um hierdurch Umlenkkanäle 12', 13' zu bilden. Im gleichen Schritt werden auch Fügestellen in die Stirnseiten des Halbleiterkühlkörpers 1' eingefräst, um das in einem zweiten Schritt durchgeführte Einschweißen der Stopfen 25 zu ermöglichen. In einem dritten Schritt werden die Zulaufstutzen 10' und Ablaufstutzen 11' durch die Wandung des Halbleiterkühlkörpers 1' bis zu den Kühlkanälen 4' gefräst. Im glei­ chen Schritt werden auch Vertiefungen in die Wandung des Halbleiterkühlkörpers 1' gefräst, um das in einem vierten Schritt durchgeführte Einschweißen der Anschluß- und Verteilarmatur 2' zu ermöglichen.

Die vorstehend erwähnten Schweißprozesse erfolgen vorzugsweise in Reibschweiß­ technik, es können jedoch auch Laserschweißen, Elektroschweißen oder Autogen­ schweißen eingesetzt werden.

Der Vorteil dieses alternativen Halbleiterkühlkörper-Systems besteht insbesondere darin, daß es vollkommen ohne Dichtungen gestaltet ist und hierdurch Probleme bei der Alterung von Dichtungsmaterialien vermieden werden.

Claims (7)

1. Halbleiterkühlkörper-System mit einem eine Vielzahl paralleler Kühlkanäle (4, 4') aufweisenden Halbleiterkühlkörper (1, 1'), dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Halbleiterkühlkörper (1, 1') eine Anschluß-und-Verteilarmatur (2, 2') verbunden ist, welche sowohl einen Kühlmittelzulauf (5, 5') als auch einen Kühlmittelablauf (6, 6') aufweist, wobei der Kühlmittelzulauf (5, 5') in einen Kühlmittelverteilkanal (7, 7') mündet, welcher über mindestens zwei eigene Zulaufstutzen (10, 10') mit minde­ stens zwei Kühlkanälen verbunden ist, daß ein Kühlmittelsammelkanal (8, 8') in den Kühlmittelablauf (6, 6') mündet, wobei mindestens zwei Kühlkanäle mit mindestens zwei eigenen Ablaufstutzen (11, 11') verbunden sind, welche im Kühlmittelsam­ melkanal (8, 8') münden und wobei die Anzahl der Ablaufstutzen (11, 11') der An­ zahl der Zulaufstutzen (10, 10') entspricht.

2. Halbleiterkühlkörper-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschluß-und-Verteil-Armatur (2, 2') mit einem zwischen Kühlmittelverteil­ kanal (7, 7') und Kühlmittelsammelkanal (8, 8') angeordneten Überströmventil (9) versehen ist.

3. Halbleiterkühlkörper-System nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an mindestens einer Stirnseite des Halbleiterkühlkörpers (1) eine Umlenkarmatur (3) befestigt ist, welche jeweils zwei benachbarte Kühlkanäle (4) über einen Umlenkkanal (13) miteinander verbindet.

4. Halbleiterkühlkörper-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschluß-und-Verteil-Armatur (2) Umlenkkanäle (12) auf­ weist, welche benachbarte Kühlkanäle (4) miteinander verbindet.

5. Halbleiterkühlkörper-System nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennwände zwischen den Kühlkanälen (4') an mindestens einer nach außen verschlossenen Stirnseite des Halbleiterkühlkörpers (1') zum Teil verkürzt sind, um hierdurch Umlenkkanäle (12', 13') zu bilden.

6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkühlkörper-Systems mit einem eine Vielzahl paralleler Kühlkanäle (4') aufweisenden Halbleiterkühlkörper (1'), da­ durch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt die Randbereiche einzelner Trennwände zwischen den Kühlkanälen (4') an beiden Stirnseiten des Halbleiter­ kühlkörpers (1') abgefräst werden, um hierdurch Umlenkkanäle (12', 13') zu bilden, daß im gleichen Schritt auch Fügestellen in die Stirnseiten des Halbleiterkühlkörpers (1') eingefräst werden, um ein in einem zweiten Schritt durchgeführtes Einschweißen von Stopfen (25) zu ermöglichen, daß in einem dritten Schritt Zulaufstutzen (10') und Ablaufstutzen (11') durch die Wandung des Halbleiterkühlkörpers (1') bis zu den Kühlkanälen (4') gefräst werden und daß im gleichen Schritt auch Vertiefungen in die Wandung des Halbleiterkühlkörpers (1') gefräst werden, um ein in einem vierten Schritt durchgeführtes Einschweißen einer Anschluß- und Verteilarmatur (2') zu er­ möglichen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweiß­ verbindungen mittels Reibschweißfräsen erfolgen.