DE2836710A1

DE2836710A1 - Siedekuehlkoerper

Info

Publication number: DE2836710A1
Application number: DE19782836710
Authority: DE
Inventors: Peter Ing Grad Heinemeyer; Detlef Dipl Ing Knuth; Monika Steinweg
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1978-08-19
Filing date: 1978-08-19
Publication date: 1980-02-28
Also published as: IT7925031A0; ES483430A1; DK345079A; IT1122461B

Description

Siedekühlkörper
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper zum Ableiten der Verlustwärme eines Leistungshalbleiters in Scheibenbauform, der zusammen mit dem Leistungshalbleiter in eine elektrisch nicht leitende, niedrig siedende Kühlflüssigkeit (Siedekühlflüssigkeit) getaucht ist.
Bei der Anwendung von Bauelementen der Leistungselektronik entsteht Verlustleistung (Durchlaß-, Sperr- und Steuerverlustleistungen in Halbleiterbauelementen, Verlustleistung in Beschaltung und Sicherung). Die in Wärme umgesetzte Verlustleistung (hauptsächlich die Durchlaß-Verlustleistung) muß abgeführt werden, um sichere Funktion und volle Leistungsfähigkeit der Bauelemente zu gewährleisten.
Die Bauelemente der Leistungselektronik mit großen Durchlaß-Verlustleistungen sind Thyristor, Diode und Triac. Da die den Leistungshalbleiter-Bauelementen in Scheibenb au form vorgegebene Oberfläche zu klein ist, um die bei maximaler Leistungsfähigkeit auftretenden Verluste in Form von Wärme an die Umgebung (Kühlmedium) abzugeben, wird ihnen mit Kühlkörpern, die die wärmeabgebende Fläche der Bauelemente vergrößern, die Wärme entzogen und an gasförmige oder flüssige Kühlmittel weitergegeben. A@s Kühlkörper können Rippenkühlkörper bei Luftkühlung und Kühldosen bei Öl- und Wasserkühlung verwendet werden.
Die Siedekühlung ist ein nuartiges Kühlverfahren für Leistunghalbleiter. Unter Sledekühlung versteht man jene Art von Flüssigkeitskühlung, bei der die Wärmeabgabe nicht nur @er eine einphasige Konvektion verläuft, sondern unter Ein@ezug eines Siedevorganges auch als @ärmetransport in einer zweiten dampfförmigen Phase in Form latenter (Verdampfungs-) Wärme.
Die hiermit errechbaren Wärmeübergangskoeffizienten sind um mehr als eine Zehnerpotenz höher als bei einphasiger Kühlung mit freier Konvektion. Diese Verbesserung des @ärmetransport ist jedoch nicht nur darauf zurückzuführen, daß die (erdampfun mehr Wärme benötigt als das Aufheizen (also auf den Energieinhalt der Dampfblasen selbst), sonde-n in hohem j'aße auch auf die durch das Aufsteigen der Blasen verursachte Rührwirkung und damit auf verstärkte Konvektion Willkürlicher Steigerung der heizflächenbelastung sind jedoch Grenzen gesetzt, da bei entsprechend hoher Generationsrate von Dampfblasen nicht mehr genügend Flüssigkeit die Heizfläche erreichen kann, womit der Vorgang instabil wird Jenseits dieser kritischen Heizflächenbelastung wird bei steigender Temperatur infolge der zunehmenden Oberflächenbedeckung mit Dampf der Wärmeübergang schlechter, bis schließlich die Heizfläche vollständig mit Dampf überzogen ist und hierdurch die Konvektion unterbunden wird.
Wenn man die Art der Rückkühlung nicht betrachtet, kann man grundsätzlich von zwei unterschiedlichen Siedekühlsystemen sprechen: a) Direkte Siedekühlung (mmersion-type); b) indirekte Siedekühlung (non-immersion-type).
Bei der direkten Siedakühlung bef@ncen sich alle Bauelemente des halbleiterschalters (Leistungshalbleiter, beschaltung und Steuerung) innerhalb eines geschl@ssenen vak@@mdichten Gehäuses in der Siedekühlflüssigkeit und werden somit bei gleicher Temperatur gekühlt. Außerdem ist der gesamte Halblaiterschalter vor Verschmutzung geschützt.
Ein anderes System ist die indirekte Siedekühlung. Sie zeichnet sich besonders dadurch aus, daß die Leistungshalbleiter leicht auszuwechseln sind, da sich die Siedekühlflüssigkeit in den Kühldosen befindet. Gegen Verschmutzung ist dieses System nicht geschützt, und wärmeerzeugende Bauteile der Beschaltung und Steuerung werden von der Siedekühlflüssigkeit nicht gekühlt.
Die Wärmeübergangskoeffizienten der für die direkte Siedekühlung in Frage kommenden siedekühlflüssigkeiten liegen deutlich über den Wärmeübergangskoeffizienten der bisher in der Leistungselektronik verwendeten Kühlmittel.
Mit siedendem Wasser lassen sich zwar wesentlich bessere Wär@@-übergangskoeffizienten erreichen, bei der direkten Siedekühlung von Halbleiterschaltern scheidet Wasser jedoch wegen seiner zu hohen elektrischen Leitfähigkeit aus.
Die Siedekühlflüssigkeiten müssen grundsätzlich Eingenschaften aufweisen, die den Betrieb elektrischer Anlagen unter ihrer einwirkung zulassen. Darum werden an die primären Kühlflüssigkeiten für den flüssigen und dampfförmigen Zustand folgence Bedingungen gestellt: a) Siedetemperatur @@ zwischen 355 C und 65° C (zum Teil abhängig vom Kühlmedium); b) hoher spezifischer Durchgangswiderstand @@ (geringe Neigung zu Glimm- und Gleitentladung); c) Inertes Verhalten gegenüber allen in der Leistungselektron@@ eingesetzten Werkstoffen; d) nicht oder nur schwer entflammbar, ungiftig.
Zum Kühlen von Leistungshalbleitern eignen sich Siedekühlflüssigkeiten mit Siedetemperaturen @@ s, die bei den Nennbedingungen der jeweiligen Anlagen unter den zulässigen Gehäusetemperaturen @@c c liegen. Da aber die Siedekühlflüssigkeit am Siedekühlkörper die Wärme aufnimmt und auch ein Temperaturgefälle zwischen Kählkörper und Flüssigkeit notwendig ist, müssen die Siedetemperaturen @@ s der Flüssigkeiten unterhalb der oberflächentemperatur @sk der Siedekühlkörper (@ 65° C) liegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die wärmeabgebende Fläche eines Leistungshalbleiters durch einen Kühlkörper für direkte Siedekühlung, d.h. einer Anordnung, in der sich die gesamte Baugruppe einschließlich Leistungshalbleiter, Steuerung, Beschaltung und Sicherung in der SiedeküXlslüssigkeit befindet, zu vergrößern, der in der Lage ist, die Verlustwärme des leistungshalbleiters in Scheibenform optimal an die Siedekühlflüssigkeit abzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine in Kennzeichen des Patentanspruchs l angegebene Oberflächenbeschaffenheit des Kühlkörpers gelöst.
Eine weitere, der Lösung obengenannter Aufgabe dienende geometrische Konfiguration des Kühlkörpers, die die Strömung der Blasen und der nachfließenden Kühl flüssigkeit begünstigt, ist den Kennzeichen der Patentansprüche 2 und 3 zu entnehmen.
Gegenüber bekannten Anordnungen direkter und indirekter Siedekühlung von Leistungshalbleitern lassen sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Kühlkörper folgende Vorteile erreichen: Kühlkörpern für a) Verringerung des thermischen Widerstandes von Leistungshalbleiter-Bauelemente und eine direkt damit verbundene höhere Ausnutzung des Leistungshalbleiters.
b) Kompakte Konstruktion der gesamten Baueinheit durch kleine Kühlkörper.
c) Die Baueinheit ist frei von UraweltU7rLlussenO d) Kühlkörper und Leistungshalbleiter können leicht ineinander integriert werden.
Anhand zweier, in der Zeichnung dargestellter Ausführungs beispiele soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden.
Der in Figur l dargestellte Siedekühlkörper besteht aus einer zylindrischen Körper 1, in dem zahlreiche Bohrungen 2 senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel der Siedekühlflüssigkeit angeordnet sind. Mit Hilfe der Bohrungen wird nicht nur die wirksame Siedefläche gegenüber einem glatten zylindrischen Körper erheblich vergrößert, sondern es findet auch bei einem erheblich abgesenkten Flüssigkeitsspiegel eine ausreichende Versorgung mit Kühlmittel statt.
Bei diesem Kühlkörper ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, die Bauform des Leistungshalbleiters so geringfügig abzuändern, daß der kühlköper zur Vergrößerung der wärmeabgebenden Fläche sowie besseren Blasenbildung und -ablösung gleich im Boden des Leistungshalbleiters integriert ist, Dies hat eine nicht unerhebliche Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten zur Folge.
Der in Figur 2 dargestellte Siedekühlkörper besten aus einem Gußteil, das zwei parallele Scheiben 3 und 5 aufweist, die durch eine bestimmte Anzahl Stifte oder StL-be 4 verbunden sind, Diese Stifte oder Stäbe 4 befinden sich vorteilhafterweise parallel zum Flüssigkeitsspiegel. Da sich bei diesem Kühlkörper auch eine Übertragungsfläche dicht am wärmeabgebenden Element befindet, ist wegen der höheren @ Wärmestromdichten auch ein erheblich besserer Wärmeübergangskoeffizient zu erzielen. neben der Fertigungsmöglichkeit als Gußteil können die parallelen Scheiben 3 und 5 auch mittels harteingelöteten Stiften oder Stäbe 4 zu einem Kühlkörper mit gleicher Geometrie gefertigt werden.
Auch diese Bauform eignet sich dazu, im Boden des Leistungshalb leiters ähnlich wie bei der Ausführungsform nach Figur l integrzert zu werden.
Beide Ausführungsformen können sowohl mit einer glatten als auch einer die Blasenbildung und den Blasenabriß begünstigenden rauhen oder aufgerauhten Oberfläche versehen werden. Sie weisen neben den der direkten Siedekühlung eigenen Vorteilen besonders den Vorteil auf, daß die Siedekühlflüssigkeit dicht an den Leistungshalbleiterboden herangeführt wird, so daß der thermische Widerstand herabgesetzt und eine höhere Ausnutzung des Leistungshalbleiters ermöglicht wird.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Kühlkörper zum Ableiten der verlustwärme eines Leistungshalbleiters in Scheibenbauform, der zusemmen mit dem Leistungshalbleiter in eine elektrisch nicht leitende, niedrig siedende Kühlflüssigkeit (Siedekühlflüsssigkeit) getaucht ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine durch Rändeln, Sanden, Kordeln oder berflächenraubes Gießen entstandene rauhe Oberfläche, die die beim Siede: der Siedekühlflüssigkeit auftretende Gasbiasenbildung un den Blasenabriß begünstigt.
2. Kühlkörper zum Ableiten der Verlustwärme eines Leistungshalbleiters in Scheibenbauform, der zusammen mit dem Leistungshalbleiter in eine elektrisch nicht leitende, niedrig siedende Kühlflüssigkeit (Siedekühlflüssigkeit) getaucht ist, g e k e n n z e i c h n e t durch eine zylindrische oder würfelförmige Form mit einer bestimmten Anzahl senkrecter Bohrungen, die die Strömung der Biasen und der nachfließenden Siedekühlflüssig keit begünstigt.
3. Kühlkörper zum Ableiten der Verlustwärme eines Leistungs halbleiters in Scheibenbauform, der zusammen mit dem Leistungshalbleiter in eine elektrisch nicht leitende, niedrig siedende Kühlflüssigkeit (Siedekühlflüssigkeit) getaucht ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h die Verbindung zweier paralleler Scheiben über eine bestimmte Anzahl hart eingelöteter Stifte, bzw. einem aus einem Stück bestehenden Gußkörper gleicher Geometrie.