DE2102254A1

DE2102254A1 - Kuehlvorrichtung fuer Leistungshalbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE2102254A1
Application number: DE19712102254
Authority: DE
Inventors: Hans-Ludwig Von Dipl Ing Dr Cube; Edmund Dr Wagner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1971-01-19
Filing date: 1971-01-19
Publication date: 1972-08-10
Also published as: FR2122413A1; SE386307B; GB1372641A; AT313423B; US3817321A; FR2122413B1; DE2102254B2; IT946683B

Description

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R. 134

Fb/ερ, 6.12.1970

Anlage zur
Patent—

ROH]RT BOSCH GHPH, Stuttgart (DeutrcLland)

Kühlvorrichtung für Lei c. tunrrsha IbI ei t erbau el em ent e

Die Ετ-firidang betrifft eine Kühlvorrichtung für Leisburj^öhalblcitox-baueleinonte mit oinem mit dem Halbleiterkörper in V/äriüekontakt ijtohenden, aIk Verdampfer dienenden Kühlkörper, der eine nichtleitende, beiTi Betrieb des Bauelementes verdampfende Kühl.nür.r,igl:eit; enthält.

Aav. vli.-n eincet.r-afc-rifin Ur: i.eri af^;:on de: doubschon Gebrauchn- :.vuöborr: 1. 7f'& -^]-^ij·?- if'-fc 1'0'¹C-LtG eine hühlvorrichbunn dieyer Art bakynn!:., bei :1er aor /IUhlkarpor cir.f..·;. geschloccenen Ko.si'.el

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bildet, dessen oberer Teil als Kondensator ausgebildet ist. Bei dieser Kühlvorrichtung kann der Halbleiterkörper nur eine begrenzte Wärmenenge an die verdampfende Kühlflüssigkeit abgeben, da bei höheren Belastungen Filmverdampfung mit erheblich verschlechtertem Wärmeübergang auftritt. Ferner hat diese Kühlvorrichtung den Nachteil, daß der Kessel innerhalb des elektrischen Schaltungsaufbaus, in, den das Halbleiterbauelement eingebaut ist, einen großen Raum einnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Kühlvorrichtungen der eingangs genanten Art zu beseitigen. Insbesondere besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine noch leistungsfähigere Kühlvorrichtung zu entwickeln, die für die Kühlung von Leistungshalbleiterbauelementen - hauptsächlich in Elektrofahrzeugen - geeignet ist.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Kühlkörper als Blasenpumpe ausgebildet ist, daß ein vom Kühlkörper räumlich getrennter Sammler-Abscheider und ein Kondensator vorgesehen sind, daß das Austrittsrohr der Blasenpumpe mit dem Eintrittsrohr des Sammler-Abscheiders verbunden ist, daß das Dampfaustrittsrohr des Sammler-Abscheiders mit dein Eingangsrohr des Kondensators verbunden ist und dsß die im Sammler-Abscheider und die ir: Kondensator abgeschiedene Kühlflüssigkeit in ein. Zuleitung ε rohr eingeleitet v»'ird, welches an das Eintrittsrohr der Blasonpurnpe angeschlossen ist.. Dadurch wird erreicht, daß die Kühlflüssigkeit sowohl verdampft und kondensiert als auch umläuft. Durch den Umlauf der Kühlflüssigkeit ν/Lj^--I die Ma sr, en stromdichte an den Kühlrippen des Kühlkörpers rf.sentll :h erhöht und damit eine; sehr viel höhere Warmes tiOrr.äichte und V/ü r ine Q> erlang π zn hl erzielt. Dabei kann das Austrlttnxohr dos Kondensators mit dom unteren Teil

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des Sammler-Abscheiders verbunden und das Flüssigkeitsaustrittsrohr des Sammler-Abscheiders direkt mit dem zur Blasenpumpe führenden Zuleitungsrohr verbunden sein. Statt dessen kann, um den Durchlauf der Kühlflüssigkeit durch den Kondensator zu verbessern, das Flüssigkeitsaustrittsrohr des Sammler-Abscheiders über einen Flüssigkeitsingektor mit dem zur Blasenpumpe führenden Zuleitungsrohr verbunden und das dritte Anschlußrohr des Flüssigkeitsinjektors mit dem Austrittsrohr des Kondensators verbunden sein. Zur Druckrückgewinnung im Sammler-Abscheider kann ferner das Eintrittsrohr des Sammler-Abscheiders an seinem oberen Ende als Dampfdiffusor ausgebildet sein. Dadurch wird eine weitere Verbesserung des Kühlmittelumlaufs erzielt.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine sch errat is ehe Darstellung eines ersten Ausführung sbeispiels einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung in der Seitenansicht, teilweise geschnitten;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispdel einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung in der Seitenansicht, teilweise geschnitten;

Fig. 3 den als Blasenpumpe ausgebildeten Kühlkörper nach Fig. 1 im Horizontalschnitt;

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV - IV der Fig. 3;

Fig. 5 den als Blasenpumpe ausgebildeten Kühlkörper nach den Fig. 2 und 7 im Horizontal schnitt";

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI - VI der Fig. ^rj\

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung nach der Erfindung, teilweise in der Seitenansicht, teilweise perspektivisch und im Schnitt;

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Fig. 8 den Sammler-Abscheider mit angebautem Flüssigkeitsinjektor nach Fig. 2 in stark vergrößerter Darstellung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein als Thyristor ausgebildetes Halbleiterbauelement mit angebauter erfindungsgemäßer Kühlvorrichtung. Der Halbleiterkörper 1 ist dabei mit seiner Bodenplatte 2 auf einen als Verdampfer dienenden Kühlkörper 3 elektrisch und thermisch gut leitend aufgesetzt. Der Kühlkörper 3 ist als Blasenpumpe ausgebildet und besitzt einen Verdampfer-Hohlraum 4, in welchen Kühlrippen 5 hineinragen, die Bestandteil des Kühlkörpers 3 sind. Die Kühlrippen 5 erstrecken sich von der mit der Bodenplatte 2 verbundenen Seite des Kühlkörpers 3 aus nach unten. Im Verdampfer-Hohlraum 4 befindet sich eine elektrisch nichtleitende, bein Betrieb des Bauelements verdampfende Kühlflüssigkeit. Ferner sind ein vom Kühlkörper räumlich getrennter Sammler-Abscheider 6 und ein von einem Lüfter 7 gekühlter Kondensator 8 vorgesehen. Das Austrittsrohr 9 der Blasenpumpe ist über ein elektrisch nichtleitendes Schlauchstück 10 mit einem Zulei tungeronr 11 verbunden, welches an das Eintrittsrohr 12 des Sammler-Abscheiders 6 angeschlossen ist. Das Flüssigkeitsaustrittsrohr 13 des Sammler-Abscheiders 6 ist mit einem zweiten Zuloitungsrohr 14 verbunden, welches über ein zweites elektrisch nicht"! e:it ende s Schlauchstück 15 an das Eintrittsrohr 16 der Blacerrpumpe angeschlossen ist. Das Dampfaustrittsrohr 17 des Sammler-Abscheiders 6 ist über ein drittes Zuleitung.srohr 18 mit dem Eingangsrohr 19 <äes Kondensators 8 verbunden. Des Austrittsrohr 20 des Kondensators 8 ist über ein viertes Zuleitungsrohr 21 mit dem unteren Teil des Sammler-Abscheiders 6 verbunden .

Der mit Kühlflüssigkeit vermischte Dampf tritt durch das Austritt srohr 9 aus der Blasenpumpe 3 aus, durchströmt das

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Schlauchstück 10 und die Leitung 11 und tritt dann durch das Eintrittsrohr 12 in den Sammler-Abscheider 6 eir, wo die von den Dampfblasen mitgenommene Kühlflüssigkeit vcm Dampf getrennt wird. Das Eintrittsrohr 12 ist an seiner, oberen Ende als Dampfdiffusor 22 ausgebildet, um die hohe Strömungsenergie des eintretenden Dampfes teilweise wieder in Druckenergie zurückzutransformieren, welche auf der im Sammler-Abscheider abgeschiedenen Kühlflüssigkeit 25 lastet. Die Kühlflüssigkeit 23 wird dadurch und durch einen zusätzlich erforderlichen, geringen statischen Druck, der durch den Höhenunterschied zwischen dem Sammler-Abscheider 6 und dem Kühlkörper 3 bedingt ist, in das Zuleitungsrohr 14 gedrückt und durchströmt das nichtleitende Schlauchstück ·15, um dann über das Eintrittsrohr 16 in den Kühlkörper 3 wieder einzutreten.

Der im Sammler-Abscheider 6 von der Kühlflüssigkeit getrennte Dampf tritt durch das Dampfaustrittsrohr 17 aus dem Sammler-Abscheider 6 aus und strömt über die Leitung 18 in den luftgekühlten Kondensator 8. Der als Schild ausgebildete Flüssigkeitsabscheider 24- verhindert dabei, daß Kühlflüssigkeit mit in die Leitung 18 und in den Kondensator 8 getrieben wird. Das sich im Kondensator 8 bildende Kondensat 25 tritt durch das Austrittsrohr 20 aus dem Kondensator aus und strömt infolge des statischen Höhenunterschiedes über die Leitung in den Sammler-Abscheider 6 zurück und gelangt somit erneut in den Kühlkreislauf.

Fig. 2 zeigt eine etwas abgewandelte Kühlvorrichtung nach der Erfindung. Abweichend von der Kühlvorrichtung nach Fig. 1 ist hier das Flüssigkeitnaustrittsrohr 13 des Sammler-Abscheiders 6 über einen Flüssigkeitsinjektor 26 mit dem zur Blasenpumpe ■ führenden Zuleitungsrohr 14 verbunden. Das dritte Anschluß-

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rohr 27 des Flüssigkeitsinjektors 26 ist dabei über das Zuleitungsrohr 21 nit dein Austrittsrohr 20 des Kondensators 8 verbunden, der hier im Gegensatz zu Pig· I im Detail wiedergegeben ist. Durch die zusätzliche Anordnung des Flüssigkeitsinjektors 26, der in Fig. 8 zusammen mit den Sammler-Abscheider 6 in stark vergrößerter Darstellung wiedergegeben ist, wird der sich bei der Kondensation der Kühlflüssigkeit im Kondensator bildende Unterdruck überwunden und dadurch der Durchlauf der Kühlflüssigkeit durch den Kondensator wesentlich verbessert. Ferner wird beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der Flüssigkeit sabscheider 24 abweichend von Fig. 1 durch eine Abbiegung des unteren Endes des Flüssigkeitsaustrittsrohrs Y] gebildet.

Die Figuren 5 und 4- zeigen schematisch den beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendeten Kühlkörper 5. Die Ausbildung des Kühlkörpers 5 als Blasenpumpe ist hier deutlich zu erkennen. Wesentlich ist die Anordnung der Kühlrippen 5 derart, daß für die verdampfende Kühlflüssigkeit ein sich in der Durchströmrichtung vom Eintrittsrohr 16 zum Austrittsrohr 9 verbreiternder Strömungsquerschnitt entsteht, so daß der sich bildende Dampf mit der dabei auftretenden, erheblichen Volumenvergrößerung nur in dieser vorgegebenen Richtung strömen kann.

Der beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verwendete Kühlkörper 5 ist in den Figuren 5 und 6 schematisch dargestellt. Hier sind die Kühlrippen 5 parallel zur Strömungsiächtung angeordnet. Die Zwischenräume erweitern sich nicht. Die Querschnitt serweiterung in der Durchströmrichtung-wird durch eine keilförmige Ausbildung des Verdampfea"-Hohlraums 4 erreicht (Fig. 6).

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Fig. 7 zeigt als drittes Ausführungsbeispiel einen scheibenförmigen Thyristor 1 mit einer zweiseitigen Kühlung. Der scheibenförmige Thyristor 1 ist beidseitig mit Kühlkörpern versehen, weiche gleichzeitig als Stroinzuführungsleiter dienen. Diese Kühlkörper 3 sind Jexveils wiederum als Blasenpumpen ausgebildet und sind, wie in Fig. 7 angedeutet, von dem in den Figuren 5 und 6 näher dargestellten Typ. Statt dessen kann jeweils aber auch eine Blasenpumpe nach den Figuren 3 und ^ verwendet werden. Die Anordnung nach Fig. 7 wird wie die Anordnungen nach den Figuren 1 und 2 mit einem einzigen Sammler-Abscheider 6 und einem einzigen Kondensator betrieben. Die Anschlüsse 9 und 16 der beiden Kühlkörper 3> die die Austrittsrohre bzw. Eintrittsrohre dieser Kühlkörper bilden, sind Jeweils unter Zwischenschaltung einer isolierenden Leitungsstrecke 10 bzw. 15 parallel geschaltet. Um dem durch die Kühlkörper J gebildeten Elektrodensystem eine größere mechanische Festigkeit zu ρ;eben, sind die beiden Kühlkörper 3 durch elektrisch nichtleitende Befestigungselemente miteinander verbunden, die Jeweils durch einen Bolzen 28 und eine Tellerfeder 29 gebildet sind.

Es besteht auch die Möglichkeit, daß mehrere Halbleiterkörper gleichzeitig gekühlt werden roissen. Dabei können an die Halbleiterkörper* Jeweils entweder nur ein oder auch zwei Kühlkörper angebracht \-.^re.t'den. Hierbei ist es zweckmäßig, mehre.ro Kühlkörper an einen gemeinsamen £a;:nn] er-Ab scheid er anzuschließen. Dabei kann in Gegensatz zum Aunführungsbeispiel nach Fig. 7 Jedem der an einen gemeinsamen Sanialer-Abscheider angeschlossenen Kühlkörper im Sammler-Abscheider ein besonderes Eintrittsrohr 12 und ein besonderes F]üssigkeitsaustritt srohr 13 zugeordnet sein.

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Um die Wärmeübergangszahl zu erhöhen, kann der Kühlkörper 3 direkt in die Kontaktplatte 2 des Halbleiterkörpers 1 eingebaut sein.

Müssen noch größere Wärmeleistungen abgeführt werden, so kann der Wärmeübergang der verdampfenden Kühlflüssigkeit durch Steigerung des Mengenstroms erhöht werden, indem unter-Beibehaltung des gesamten Kühl syst eins in das zum Kühlkörper 3 führende Zuleitungsrohr IM- eine Pumpe eingesetzt wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung der erfindungGgemäßen Kühlvorrichtung zur Kühlung von Thyristoren in Elektrofahrzeugen erwiesen.

Als besonders geeignete Kühlflüssigkeiten haben sich erwiesen:

R 113 (C₂F₃Cl₅)

R 11 (CFCl .J
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R 21 (CHFCl₂)
R 11Λ (C₂F₄Cl₂)

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Claims

Robert Bosch Gir/bK _o R. iy± pb/Sp Stuttgart Ansprüche

1.1 Kühlvorrichtung für Leistungshalbleiterbauelemente rait einem mit dem Halbleiterkörper in V.'ärmekontakt stehenden, als Verdampfer dienenden Kühlkörper, der eine nichtleitende, beim Betrieb des Bauelements-verdampfende Kühlflüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (3) als Blasenpumpe ausgebildet ist, daß ein vom Kühlkörper räumlich getrennter Sammler-Abscheider (6) und ein Kondensator (8) vorgesehen sind, daß das Austrittsrohr (9) der Blasenpumpe mit dem Eintrittsrohr (12) des Sammler-Abscheiders verbunden ist, daß das Dampfaustrittsrohr (17) des Sammler-Abscheiders mit dem Eingangsrohr (19) des Kondensators (8) verbunden ist und daß die im Sammler-Abscheider (6) und die im. Kondensator (8) abgeschiedene Kühlflüssigkeit in ein Zuleitungsrohr (14) eingeleitet wird, welches· an das Eintrittsrohr (16) der Blasenpumpe angeschlossen ist.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das A\istrittsrohr (20) des Kondensators (8) mit dem unteren Teil des Sammler-Abscheiders (6) verbunden ist und daß das Flüssigkeitsaustrittsrohr (13) des Sammler-Abscheiders direkt mit dem zur Blasenpumpe führenden Zuleitungsrohr (1Λ) verbunden ist (Fig. l).

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3. Kühlvorrichtung nach. Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsaustrittsrohr (13) des Sammler-Abscheiders (6) über einen Flüssigkeitsin.-'ektor (26) Kit dem zur Blasenpumpe führenden Zuleitungsrohr (14) verbunden ist und daß das dritte Änschlußrohr (2?) des Flüssigkeit singektors (26) mit dem Austrittsrohr (20) des Kondensators (8) verbunden ist (Fig. 2)-

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsrohr (12) des Sammler-Abscheiders (6) an seinem oberen Ende als Dampfdiffusor (22) ausgebildet ist.

5· Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (l) in an sich "bekannter V/eise scheibenförmig ausgebildet ist, daß an beide Planseiten des scheibenförmigen Halbleiterkörpers (l) je ein als Blasenpumpe ausgebildeter Kühlkörper (3) angebaut ist und daß diese beiden Kühlkörper (3) über zwischengeschaltete, elektrisch isolierende Leitungselemente (10, I5) unter Verwendung eines einzigen, für beide Kühlkörper (3) gemeinsamen Eintrittsrohrs (12) und eines einzigen, für bade Kühlkörper (3) gemeinsamen Flüssigkeitsaustrittsrohrs (13) an. einen gemeinsamen Sammler-Abscheider (6) angeschlossen sind (Fig. 7).

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6. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere als Blasenpumpe ausgebildete Kühlkörper (3) an einen gemeinsamen Samnler-Abscheider (6) angeschlossen sind und daß federn Kühlkörper (3) im Sanunler-Abscheider (6) ein besonderes Eintrittsrohr (12) und ein besonderes Flüssigkeitsaustrittsrohr (13) zugeordnet ist.

7· Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis äk

6, dadurch gekennzeichnet, daß der als Blasenpumpe ausgebildete Kühlkörper (3) direkt in die Kontaktplatte (2) des Halbleiterkörpers (1) eingebaut ist.

8. Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß in das zum Kühlkörper (3) führende Zuleitungsrohr (IA) eine Pumpe eingesetzt ist.

9· Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Kühlung von Leistungshalbleiterbauelementen in Elektrofahrzeugen.

10. Verfahren zur Kühlung von Leistungshalbleiterbauelementen mit einer Kühlvorrichtung nach mindestens einem der Zuspruch e 1 bis 9? dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit C₂ F₅ Cl₅ oder Cl¹Ci₇ oder CIIFCl₂ oder C₂ F₄ C] verwendet wird.

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