DE4202024A1

DE4202024A1 - Insulated cooling box convecting lost heat from semiconductor components esp. in electric rail vehicle - has electrically insulating inner housing, highly impermeable to water vapour in annular edge region, and water-vapour permeable electrical seals

Info

Publication number: DE4202024A1
Application number: DE19924202024
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Ing Kraemer
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1992-01-25
Filing date: 1992-01-25
Publication date: 1993-07-29

Abstract

The box uses an electrically conductive cooling liquid and has two half shells of heat conductive material forming a body through which the cooling liquid flows. Each body surface is fitted with a ceramic disc and an outer insulating housing. An electrically insulating inner housing (8), highly impermeable to water vapour, lines the cooling box components. The components are formed by the outer jacket faces of the cooling bodies (1,2), the edge regions of the ceramic discs (5,6) and the outer insulating housing (12). A highly water wafer impermeable hydraulic sealing system (9) is fitted to the contact faces of the cooling bodies, ceramics discs and the insulating housing (8). A water vapour permeable electrical seal is provided between the inner and outer housings. USE/ADVANTAGE - High glow voltage breakdown strength. Simplified mfr.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Isolierkühldose zum Ab führen der Verlustwärme von Halbleiterbauelementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und kann beispielsweise zum Abführen der Verlustwärme von Halbleiterbauelementen in Elektro-Schienenfahrzeugen verwendet werden.The invention relates to an insulated cooling can from lead according to the heat loss of semiconductor components the preamble of claim 1 and can for example Dissipation of heat loss from semiconductor components in Electric rail vehicles are used.

Eine derartige Isolierkühldose zum Abführen der Verlustwär me von Halbleiterbauelementen ist aus der DE 37 40 233 A1 bekannt. Dort wird eine Isolierkühldose zum Abführen der Verlustwärme von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Leistungsgleichrichtern, beschrieben, die aus zwei Schalen mit einem Stutzen zum Zu- und Abführen der Kühlflüssigkeit (Brauchwasser) besteht. Im Inneren der Schalen sind Strö mungshindernisse (Kühlrippen) und Kontaktplatten zur Auf nahme der von dem Halbleiterbauelement abgegebenen Wärme und deren Verteilung an die Kühlflüssigkeit vorgesehen. Eine Isolierplatte aus anorganischem Isoliermaterial ist zwischen der Kontaktplatte und der Schale angeordnet, wobei der Durchmesser der Isolierplatte größer ist als der Durchmesser der Schale und der Kontaktplatte. Hiermit wird eine Isolierkühldose geschaffen, die mit normalem Wasser, d. h. mit Brauchwasser, gekühlt werden kann und bei der zu mindest bei rißfreier Isolierplatte keine Glimmentladungen auftreten, wobei die Kühldosen selbst spannungsfrei sind.Such an insulated cooling box for dissipating the waste heat me of semiconductor components is from DE 37 40 233 A1 known. There is an insulated cooling box for removing the Heat loss from semiconductor components, in particular from Power rectifiers, described, consisting of two shells with a nozzle for supplying and removing the coolant (Domestic water) exists. There are streams inside the bowls obstacles (cooling fins) and contact plates for opening taking the heat given off by the semiconductor device and their distribution to the coolant is provided. An insulating plate is made of inorganic insulating material arranged between the contact plate and the shell, the diameter of the insulating plate is larger than that Diameter of the shell and the contact plate. Hereby will created an insulated cooling box that can be filled with normal water, d. H. with service water, can be cooled and at the same time at least no glow discharges with crack-free insulating plate occur, the cooling cans themselves are de-energized.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Isolierkühl dose zum Abführen der Verlustwärme von Halbleiterbauelemen ten der eingangs genannten Art anzugeben, die auch beim Auftreten von Rissen in den Isolierplatten aus anorgani schem Isoliermaterial (Keramikscheiben) eine hohe Glimm spannungsfestigkeit aufweist, wodurch ein Spannungsdurch schlag zwischen dem Brauchwasser bzw. den vom Brauchwasser durchströmten Kühlkörpern und den Halbleiterbauelementen zuverlässig verhindert wird.The invention has for its object an insulating cooling box for dissipating the heat loss from semiconductor devices of the type mentioned at the beginning, which also applies to Occurrence of cracks in the insulating plates made of inorganic insulation material (ceramic washers) a high glow has voltage resistance, whereby a voltage through between the process water and the process water flowed heat sink and the semiconductor devices is reliably prevented.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is done in conjunction with the characteristics of the Preamble according to the invention by the in the characteristic of Features specified claim 1 solved.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe sondere darin, daß durch die Doppeldichtung (elektrische und hydraulische Abdichtungsfunktionen sind voneinander ge trennt) mit hydraulischen Dichtungen, elektrischen Dichtun gen und innerem Isoliergehäuse zum einen eine hervorragende elektrische Isolierung zwischen potentialbehafteten Halb leiterbauelementen und der elektrisch leitfähigen Kühlflüs sigkeit (Brauchwasser) erzielt wird und zum anderen zuver lässig verhindert wird, daß Kühlflüssigkeit in die Berüh rungsflächen zwischen Kühlkörpern und Keramikscheiben ein dringt. Letzteres ist von ausschlaggebender Bedeutung, falls Risse in den Keramikscheiben auftreten. Durch die in sehr hohem Maß wasserdampfundurchlässigen hydraulischen Dichtungen und das innere Isoliergehäuse wird verhindert, daß Kühlflüssigkeit in derartige Risse eindringt, wodurch auch bei Rißbildung eine hohe Glimmspannungsfestigkeit auf rechterhalten wird. Von Wichtigkeit ist auch, daß die elek trische Dichtung wasserdampfdurchlässig ist, wodurch eine Ansättigung von Wasserdampf zwischen den hydraulischen Dichtungen, dem inneren Isoliergehäuse und dieser elektri schen Dichtung verhindert wird. Es ist vielmehr eine "Aus dunstung" von eingedrungenem Wasser durch diese elektrische Dichtung und die Grenzschichten zwischen äußerem Isolierge häuse und Keramikscheiben nach außen möglich.The advantages that can be achieved with the invention are in particular special in that through the double seal (electrical and hydraulic sealing functions are mutually ge separates) with hydraulic seals, electrical seals excellent internal insulation housing electrical insulation between potential half conductor components and the electrically conductive cooling fluids liquid (process water) is achieved and on the other hand is casually prevented that coolant in the touch surfaces between heat sinks and ceramic discs penetrates. The latter is crucial if there are cracks in the ceramic discs. By in very high degree of water vapor impermeable hydraulic Seals and the inner insulating housing are prevented that coolant penetrates into such cracks, whereby high glow voltage resistance even when cracks form is maintained. It is also important that the elec trical seal is permeable to water vapor, creating a Saturation of water vapor between the hydraulic Seals, the inner insulating housing and this electri gasket is prevented. Rather, it is an "out evaporation "of water entering through this electrical Seal and the boundary layers between the outer insulating housing and ceramic panes possible to the outside.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß die Isolier kühldose ohne komplizierte und aufwendige Verfahren in wirtschaftlicher Weise herstellbar und sowohl während der Herstellung als auch im Betrieb wenig bruchempfindlich ist. Es sind keine schwierigen Lötvorgänge oder Metall-Kera mik-Klebungen notwendig und es können wirtschaftliche Groß serientechniken eingesetzt werden.Another advantage of the invention is that the insulation cool box without complicated and time-consuming procedures in economical to manufacture and both during the Manufacturing and in operation is not very sensitive to breakage. It is not a difficult soldering process or metal kera Micro-bonding is necessary and it can be economical series technologies are used.

Die Isolierkühldose ist sehr robust bezüglich mechanischer Einflüsse, z. B. vibrationsfest.The insulated cooling box is very robust in terms of mechanical Influences, e.g. B. vibration resistant.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Un marked claims.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the drawing illustrated embodiments explained. Show it:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Isolierkühldose in ge schnittener Darstellung, Fig. 1 is a side view of a Isolierkühldose in ge cut representation,

Fig. 2 einen Kühlkörper der Isolierkühldose im Detail, Fig. 2 shows a heat sink of the Isolierkühldose in detail,

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Isolierkühldose in ge schnittener Darstellung, Fig. 3 is a plan view of a Isolierkühldose in ge cut representation,

Fig. 4 einen Spannverband, Fig. 4 is a Pressure assembly,

Fig. 5 eine alternative Anordnung des Kühlflüssig keits-Eintritts und -Austritts, Fig. 5 shows an alternative arrangement of the cooling liquid entry and exit barriers keits-,

Fig. 6 eine alternative Ausbildung eines Kühlflüssig keits-Eintritts oder -Austritts, Fig. 6 shows an alternative embodiment of a cooling liquid keits-entry or exit,

Fig. 7 eine alternative Ausbildung des äußeren Isolier gehäuses, Fig. 7 shows an alternative design of the outer insulating housing,

Fig. 8 eine alternative Ausbildung der Kühlkorper. Fig. 8 shows an alternative embodiment of the heat sink.

In Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Isolierkühldose in geschnittener Darstellung gezeigt. Im Zentrum der Isolier kühldose befinden sich zwei spiegelsymmetrisch ausgebil dete, halbschalenförmige, sich direkt gegenüberliegende und gegeneinander gepreßte Kühlkörper 1, 2 aus Kupfer oder ei nem anderen gut wärmeleitenden Material. Die Kühlkörper 1, 2 bestehen jeweils aus einer Kreisscheibe 3 (siehe Fig. 2) mit einer Vielzahl von runden, viereckigen oder rechtecki gen Kühlnoppen 4, wobei die Kühlnoppen 4 der beiden Kühl körper gegeneinander gepreßt sind. Auf diese Weise werden zahlreiche, zur Durchströmung einer Kühlflüssigkeit ge eignete Zwischenräume 22 gebildet und die in die Kühlkörper eingeleitete Wärmeleistung kann über eine große wirksame Oberfläche (= Kühlnoppen und Innenflächen der Kreisscheibe 3) an die strömende Kühlflüssigkeit abgegeben werden.In Fig. 1 a side view of an insulated cooling box is shown in a sectional view. In the center of the insulating cooling box there are two mirror-symmetrically designed, half-shell-shaped, directly opposite and pressed against each other heat sink 1 , 2 made of copper or egg nem other good heat-conducting material. The heat sinks 1 , 2 each consist of a circular disk 3 (see FIG. 2) with a plurality of round, square or rectangular cooling knobs 4 , the cooling knobs 4 of the two cooling bodies being pressed against one another. In this way, numerous spaces 22 suitable for the flow of a cooling liquid are formed and the heat output introduced into the cooling body can be given off to the flowing cooling liquid over a large effective surface (= cooling knobs and inner surfaces of the circular disk 3 ).

Gegen die planebenen, nach außen gerichteten Hauptflächen der Kühlkörper 1 bzw. 2 sind elektrisch gut isolierende und thermisch gut leitfähige Keramikscheiben 5 bzw. 6 gepreßt. Die Keramikscheiben 5, 6 bestehen vorzugsweise aus Alumini umnitrid und sind kreisscheibenförmig ausgebildet, wobei die Außenkanten mit Anfasungen 7 zu beiden Hauptflächen versehen sind. Der Durchmesser der Keramikscheiben 5, 6 ist größer als der Durchmesser der Kühlkörper 1, 2. Die Stärke einer Keramikscheibe 5, 6 ist mit a bezeichnet.Ceramic disks 5 and 6, which are good electrical insulators and thermal conductors, are pressed against the plane, outward-facing main surfaces of the heat sinks 1 and 2 . The ceramic disks 5 , 6 are preferably made of aluminum nitride and are circular disk-shaped, the outer edges being provided with chamfers 7 on both main surfaces. The diameter of the ceramic disks 5 , 6 is larger than the diameter of the heat sink 1 , 2 . The thickness of a ceramic disk 5 , 6 is denoted by a.

Der derart gebildete Sandwich-Aufbau Keramikscheibe 5 - Kühlkörper 1 - Kühlkörper 2 - Keramikscheibe 6 wird an sei ner zylinderförmigen Außenfläche mittels eines hohlzylin derförmigen äußeren Isoliergehäuses 12 zusammengehalten. Das vorzugsweise aus Duroplast bestehende und auf den vor stehend beschriebenen Sandwich-Aufbau "aufgeschrumpfte" äu ßere Isoliergehäuse 12 preßt die Einzelbauteile des Sand wich-Aufbaus gegeneinander, indem es kraftschlüssig über die Anfasungen 7 der Keramikscheiben 5, 6 greift. Trotzdem ist eine relativ weiche Einbettung der Keramikscheiben 5, 6 in das äußere Isoliergehäuse 12 gewährleistet.The sandwich structure thus formed ceramic disk 5 - heat sink 1 - heat sink 2 - ceramic disk 6 is held together on its cylindrical outer surface by means of a hollow cylindrical outer insulating housing 12 . The preferably made of thermosetting plastic and "shrink-fitted" on the sandwich structure described above, outer insulating housing 12 presses the individual components of the sandwich-type structure against one another by non-positively engaging over the chamfers 7 of the ceramic disks 5 , 6 . Nevertheless, a relatively soft embedding of the ceramic disks 5 , 6 in the outer insulating housing 12 is ensured.

Zur elektrischen Isolierung und hydraulischen Abdichtung sind eine Reihe von Dichtungen 9, 10 sowie ein inneres Iso liergehäuse 8 zwischen Kühlkörper/Keramikscheibe einerseits und äußerem Isoliergehäuse 12 andererseits vorgesehen. Ein im Querschnitt U-förmiges, elektrisch isolierendes inneres Isoliergehäuse 8 umkleidet vollständig den randseitigen, kreisringförmigen Bereich zwischen den Kühlkörpern 1, 2, den Keramikscheiben 5, 6 und dem äußeren Isoliergehäuse 12. Das innere Isoliergehäuse 8 besteht aus einem elastischen Material mit sehr guten elektrisch isolierenden Eigenschaf ten, das in sehr hohem Maße wasserdampfundurchlässig ist. Als Material eignet sich z. B. ein Thermoplast, z. B. glasfa serverstärktes Polyamid oder glasfaserverstärktes Polyester oder auch PPS Polyphenylensulfid.For electrical insulation and hydraulic sealing, a number of seals 9 , 10 and an inner insulating housing 8 are provided between the heat sink / ceramic disk on the one hand and the outer insulating housing 12 on the other hand. A cross-sectionally U-shaped, electrically insulating inner insulating housing 8 completely surrounds the edge-side, annular area between the heat sinks 1 , 2 , the ceramic disks 5 , 6 and the outer insulating housing 12 . The inner insulating housing 8 is made of an elastic material with very good electrically insulating properties, which is very impermeable to water vapor. As a material z. B. a thermoplastic, e.g. B. glass fiber reinforced polyamide or glass fiber reinforced polyester or PPS polyphenylene sulfide.

Eine hydraulische Abdichtung erfolgt durch zwei ringförmige hydraulische Dichtungen 9, wobei die Dichtungen 9 die Ver bindungsflächen zwischen Kühlkörpern 1, 2, Keramikscheiben 5, 6 sowie innerem Isoliergehäuse 8 abdichten. Elektrische Dichtungen 10 sind an den Verbindungsflächen zwischen Kera mikscheiben 5, 6, innerem Isoliergehäuse 8 und äußerem Iso liergehäuse 12 angeordnet und greifen auch in den spitz winkligen Bereich zwischen Anfasung 7 und äußerem Isolier gehäuse 12 ein. Die hydraulischen Dichtungen 9, 10 bestehen aus einem in sehr hohem Maß absolut wasserdampfundurchläs sigen Material, z. B. FKM Fluor Elastomer, wobei keinesfalls elektrisch leitfähige Additive (z. B. Ruß) beigemengt werden dürfen, um eine hohe elektrische Isolierfähigkeit sicherzu stellen. Die elektrisch isolierenden Eigenschaften der hy draulischen Dichtungen 9 sind insofern von Bedeutung, da sie eine elektrische Fußpunktisolierung darstellen (abge deckter möglicher Lichtbogenfußpunkt für die Kühlkörper 1, 2).A hydraulic seal is provided by two annular hydraulic seals 9 , the seals 9 sealing the connection surfaces between heat sink 1 , 2 , ceramic disks 5 , 6 and the inner insulating housing 8 . Electrical seals 10 are arranged on the connecting surfaces between ceramic washers 5 , 6 , inner insulating housing 8 and outer insulating housing 12 and also engage in the acute-angled area between chamfer 7 and outer insulating housing 12 . The hydraulic seals 9 , 10 consist of a very high degree absolutely water vapor-permeable material, for. B. FKM fluor elastomer, whereby under no circumstances may electrically conductive additives (e.g. carbon black) be added to ensure high electrical insulation. The electrically insulating properties of the hy draulic seals 9 are important insofar as they represent an electrical base insulation (covered arcing base for the heat sink 1 , 2 ).

Im Unterschied zu den hydraulischen Dichtungen 9 sind die elektrisch sehr gut isolierenden elektrischen Dichtungen 10 wasserdampfundurchlässig. Als Material eignet sich z. B. EPDM Athylen, Propylen oder VMQ Silikon. Die elektrischen Dichtungen realisieren aufgrund ihrer "Flächendichtung" eine hohe Durchschlagspannung.In contrast to the hydraulic seals 9 , the electrical seals 10 , which are very good electrical insulators, are impermeable to water vapor. As a material z. B. EPDM ethylene, propylene or VMQ silicone. The electrical seals realize a high breakdown voltage due to their "surface seal".

Die derart gestaltete Isolierkühldose ist durch das sta bile, sehr kriechstromfeste äußere Isoliergehäuse 12 gegen mechanische Beanspruchungen geschützt, wobei die erforder lichen Kriechwege zu beachten sind (siehe auch Fig. 7). Zur Herstellung des äußeren Isoliergehäuses 12 wird das in nere Isoliergehäuse z. B. mit Duroplast umgossen oder mit Polyester umspritzt. The insulated cooling box designed in this way is protected against mechanical stresses by the stable, very leak-proof outer insulating housing 12 , the necessary creepage distances being observed (see also FIG. 7). To manufacture the outer insulating housing 12 is the nere insulating housing z. B. encapsulated with thermoset or overmolded with polyester.

Da durch das äußere Isoliergehäuse 12 eine radiale Zusam menpressung der Bauteile erzielt wird, ist es nicht mög lich, daß sich eventuell während des Betriebes der Isolier kühldose ausbildende Risse in den Keramikscheiben verbrei tern. Derartige Risse können deshalb lediglich in Form fei ner Haarrisse entstehen. Unter Fig. 8 wird eine Möglich keit angeführt, wie derartige Risse "geheilt" werden kön nen.Since a radial compression of the components is achieved by means of the outer insulating housing 12 , it is not possible that cracks forming in the ceramic disks may spread out during operation of the insulating box. Such cracks can therefore only arise in the form of fine hairline cracks. In Fig. 8, a possibility is cited how such cracks can be "healed".

Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, ergibt sich durch Einsatz der beiden Isoliergehäuse 8, 12 eine Verbundwerkstoffkühl dose in Zweischalentechnik, d. h. aus zwei Kunststoffgehäu sen ineinander. Zweckmäßig weist das äußere Isoliergehäuse 12 zwei, drei oder vier am Umfang verteilte randseitige Haltenoppen 13 zur Arretierung von mit den Keramikscheiben 5 bzw. 6 in Kontakt tretenden Stromführungsblechen 14, 15 auf. Diese Stromführungsbleche 14, 15 wiederum treten in direkten Kontakt mit den zu kühlenden Halbleiterbauelemen ten, so daß der vom Halbleiterbauelement produzierte Wärme strom über das thermisch gut leitfähige Stromführungsblech, die Keramikscheibe und den Kühlkörper zur durch die Iso lierkühldose strömenden Kühlflüssigkeit fließt. Zur Arre tierung der Halbleiterbauelemente sind die Stromführungs bleche vorteilhaft mit Zentrierschubstanzungen versehen, die in entsprechende Ausnehmungen der Halbleiterbauelemente eingreifen (siehe auch Fig. 4).As can be seen from Fig. 1, the use of the two insulating housings 8 , 12 results in a composite cooling box in two-shell technology, ie from two plastic housings one inside the other. The outer insulating housing 12 expediently has two, three or four peripheral holding knobs 13 distributed around the circumference for locking current-carrying plates 14 , 15 which come into contact with the ceramic disks 5 or 6 . These current-carrying plates 14 , 15 in turn come into direct contact with the semiconductor components to be cooled, so that the heat produced by the semiconductor component flows via the thermally highly conductive current-carrying plate, the ceramic disk and the heat sink to the cooling liquid flowing through the insulating container. To arrest the semiconductor components, the current-carrying sheets are advantageously provided with centering punchings which engage in corresponding recesses in the semiconductor components (see also FIG. 4).

In Fig. 2 ist ein Kühlkörper der Isolierkühldose im Detail dargestellt. Es ist die mit einer Vielzahl von Kühlnoppen 4 versehene Kreisscheibe 3 zu erkennen.In FIG. 2, a heat sink of the Isolierkühldose is shown in detail. The circular disk 3 provided with a plurality of cooling knobs 4 can be seen.

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf eine Isolierkühldose in ge schnittener Darstellung. Dabei sind insbesondere Kühlflüs sigkeits-Eintritt 16 und -Austritt 17 zu erkennen. Der rohrförmig ausgebildete Eintritt 16 und der ebenfalls rohr förmige Austritt 17 münden direkt in den von den Kühlkör pern 1, 2 und dem inneren Isoliergehäuse 8 begrenzten In nenraum der Isolierkühldose. Der Kühlflüssigkeitsstrom ist mit Pfeilen gekennzeichnet. Fig. 3 shows a plan view of an insulated cooling box in ge sectional view. In particular, cooling liquid inlet 16 and outlet 17 can be seen. The tubular inlet 16 and the also tubular outlet 17 open directly into the core of the Kühlkör 1 , 2 and the inner insulating housing 8 In nenraum the insulating cooling box. The coolant flow is marked with arrows.

In Fig. 3 ist zu erkennen, daß das innere Isoliergehäuse 8 den Eintritt 16 sowie den Austritt 17 bildet, die teilweise vom äußeren Isoliergehäuse 12 umhüllt sind, was zum Schutz gegen Beschädigungen und zur Festigkeit beiträgt. Zum hy draulischen Anschluß der Isolierkühldose werden Anschluß rohre 19 oder Adapter jeweils auf die mittels der inneren Isoliergehäuse 8 gebildeten Stutzen von Eintritt 16 und Austritt 17 geschoben, wobei einer oder mehrere hydrauli sche Dichtringe 20, 21 zwischen Stutzen und Anschlußrohr 19 vorgesehen sind.In Fig. 3 it can be seen that the inner insulating housing 8 forms the inlet 16 and the outlet 17 , which are partially enveloped by the outer insulating housing 12 , which contributes to protection against damage and strength. For hy draulic terminal of Isolierkühldose terminal are pipes 19 or adapter in each case on the inside by means of the insulation case 8 connecting piece formed by inlet 16 and outlet 17 pushed, wherein one or more hydrauli cal sealing rings 20, 21 are provided between the connector and connecting pipe 19th

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß eine elektrisch leitfähige Kühlflüssigkeit, insbesondere Brauch wasser, auch dann verwendet werden kann, wenn die Stromfüh rungsbleche 14, 15 mit potentialbehafteten Halbleiterbau elementen kontaktiert werden. Durch die Keramikscheiben 5, 6 und das innere Isoliergehäuse 8 wird eine lückenlose elektrische Isolation gewährleistet. Durch die in sehr ho hem Maße wasserdampfundurchlässigen hydraulischen Dichtun gen 9 und das innere Isoliergehäuse wird unter anderem si chergestellt, daß die Kühlflüssigkeit nicht zu den potenti albehafteten Stromführungsblechen 14, 15 gelangen kann. Da die elektrischen Dichtungen 10 wasserdampfdurchlässig sind, wird verhindert, daß sich dennoch eingedrungene Kühlflüs sigkeit im Bereich zwischen den Dichtungen 9, 10 und dem inneren Isoliergehäuse 8 ansammeln kann. Die zwischen inne rem Isoliergehäuse 8, äußerem Isoliergehäuse 12 und Kera mikscheiben 5, 6 eindringende Kühlflüssigkeit kann durch die elektrische Dichtung 10 und die Grenzflächen zwischen äußerem Isoliergehäuse 12 und Keramikscheiben 5, 6 nach au ßen "ausdunsten".From the above description it follows that an electrically conductive cooling liquid, in particular custom water, can also be used when the Stromfüh approximately plates 14 , 15 are contacted with potential semiconductor devices. The ceramic disks 5 , 6 and the inner insulating housing 8 ensure complete electrical insulation. Due to the very high degree of water vapor impermeable hydraulic seals 9 and the inner insulating housing, inter alia, it is ensured that the coolant cannot reach the potentially conductive current-carrying plates 14 , 15 . Since the electrical seals 10 are water vapor permeable, it is prevented that penetrated Kühlflüs liquid can accumulate in the area between the seals 9 , 10 and the inner insulating housing 8 . The coolant penetrating between the inner insulating housing 8 , the outer insulating housing 12 and ceramic disks 5 , 6 can "evaporate" through the electrical seal 10 and the interfaces between the outer insulating housing 12 and ceramic disks 5 , 6 .

Auch wenn die Keramikscheiben 5, 6 Risse aufweisen sollten, ist die elektrische Isolation zuverlässig gewährleistet. Da zwischen jeder Keramikscheibe und der Kühlflüssigkeit ein Kühlkörper bzw. die hydraulische Dichtung 9 angeordnet sind, kann auch bei einem Riß in der Keramikscheibe keine Kühlflüssigkeit zum Stromführungsblech hin gelangen. Die Stärke a einer Keramikscheibe ist in Abhängigkeit des zwi schen einem Stromführungsblech und der Kühlflüssigkeit an stehenden elektrischen Potentials derart zu bemessen, daß die elektrische Feldstärke im durch einen Riß gebildeten Luftspalt unterhalb der kritischen Feldstärke bleibt, bei der ein "Glimmen" möglich ist und bei der die Gefahr eines elektrischen Durchschlages zwischen Stromführungsblech und Kühlkörper besteht. Bei einem Potential von z. B. 3000 V und einer Stärke a der Keramikscheibe von z. B. 0,4 cm beträgt die Feldstärke im Luftspalt 7,5 kV/cm und liegt damit we sentlich unter der kritischen Feldstärke von 18 . . . 20 kV/cm, bei der ein "Glimmen" beginnt.Even if the ceramic disks 5 , 6 should have cracks, the electrical insulation is reliably ensured. Since a heat sink or the hydraulic seal 9 are arranged between each ceramic disk and the cooling liquid, no cooling liquid can reach the current-carrying plate even if there is a crack in the ceramic disk. The thickness a of a ceramic disc is dependent on the between a current guiding plate and the coolant at standing electrical potential so that the electric field strength in the air gap formed by a crack remains below the critical field strength at which a "glow" is possible and that there is a risk of electrical breakdown between the current guide plate and the heat sink. At a potential of z. B. 3000 V and a strength a of the ceramic disc of z. B. 0.4 cm is the field strength in the air gap 7.5 kV / cm and is therefore we significantly below the critical field strength of 18. . . 20 kV / cm at which a "glow" begins.

Um einen guten Wärmeübergang von den Keramikscheiben 5, 6 zu den Kühlkörpern 1, 2 zu ermöglichen, sollte die Keramik scheibe mit einer relativ hohen Kraft gegen die Kühlkörper drücken, wie vorstehend bereits erwähnt ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die als Weichrohling gepreßten und an schließend gesinterten Keramikscheiben absolut planeben ge schliffen werden. Die Anfasungen 7 erleichtern dabei vor teilhaft den Schleifvorgang, da sie die Fixierung und An pressung der Keramikscheibe an die Schleifeinrichtung er leichtern. Durch den Schleifvorgang werden feine Unebenhei ten der Keramikscheiben beseitigt, wodurch hohe, punktför mige mechanische Spannungen vermieden werden, die bei Ein satz einer ungeschliffenen Keramikscheibe im Spannverband der Isolierkühldose mit Halbleiterbauelementen entstehen können. Dies wirkt sich günstig auf die Wärmeübertragung, die Rüttelfestigkeit und Langzeitfestigkeit der Isolier kühldose aus.In order to enable good heat transfer from the ceramic disks 5 , 6 to the heat sinks 1 , 2 , the ceramic disk should press against the heat sink with a relatively high force, as already mentioned above. It is advantageous if the pressed as a soft blank and then sintered ceramic discs are ground absolutely flat. The chamfers 7 facilitate the grinding process before geous, since they facilitate the fixation and pressing on the ceramic disc to the grinding device. The grinding process eliminates fine unevenness of the ceramic disks, thereby avoiding high, punctiform mechanical stresses that can occur when using an uncut ceramic disk in the clamping assembly of the insulated cooling socket with semiconductor components. This has a favorable effect on the heat transfer, the vibration resistance and the long-term strength of the insulated cooling box.

In Fig. 4 ist ein Spannverband dargestellt, bestehend aus drei Isolierkühldosen 23 und drei Halbleiterbauelementen 24. Die schematisch gezeigten Kühlflüssigkeits-Eintritte sind mit 16 bezeichnet und können z. B. aus einem gemeinsa men Behälter (Wasserverteiler) oder einer gemeinsamen Rohr zuführung gespeist werden. Die beispielsweise jeweils nach einer Seite geführten Stromzuführungsbleche 14, 15 sind frei zugänglich. Da die einzelnen Isolierkühldosen 23 die elektrische Isolierung zwischen den Stromzuführungsblechen 14, 15 und zur Kühlflüssigkeit hin gewährleisten, können die Stromzuführungsbleche 14, 15 jeweils unterschiedliche Potentiale aufweisen. Die den Spannverband zusammenpres sende, nicht dargestellte Spannvorrichtung ist, wie üblich, unter Einsatz von Spannstäben und Federelementen aufgebaut. In Fig. 4 ist desweiteren skizziert, wie eine in der Mitte eines Stromführungsbleches 15 angeordnete Zentrierschub stanzung 30 in eine entsprechende Ausnehmung 31 eines Halb leiterbauelementes 24 eingreift. FIG. 4 shows a clamping assembly consisting of three insulating cooling sockets 23 and three semiconductor components 24 . The schematically shown coolant inlets are designated 16 and can e.g. B. can be fed from a common tank (water distributor) or a common pipe supply. The power supply plates 14 , 15, which are each guided to one side, for example, are freely accessible. Since the individual insulating cooling sockets 23 ensure the electrical insulation between the power supply plates 14 , 15 and towards the cooling liquid, the power supply plates 14 , 15 can each have different potentials. The tensioning assembly, which is not shown, is, as usual, constructed using tensioning rods and spring elements. In Fig. 4 is further outlined how a centering arranged in the middle of a current guide plate 15 punching 30 engages in a corresponding recess 31 of a semiconductor component 24 .

In Fig. 5 ist eine alternative Anordnung des Kühlflüssig keits-Eintritts und -Austritts dargestellt. Eintritt 16 und Austritt 17 der Isolierkühldose 23 weisen V-förmig zur gleichen Seite hin. Je nach konstruktiver Gestaltung der externen Kühlflüssigkeitsführung (Rohrleitungen, Wasserver teiler) sind weitere alternative Ausgestaltungen möglich.In Fig. 5 an alternative arrangement of the cooling fluid inlet and outlet is shown. Inlet 16 and outlet 17 of the insulating cooling can 23 point V-shaped to the same side. Depending on the design of the external coolant system (pipes, water distributor), further alternative configurations are possible.

In Fig. 6 ist eine alternative Ausbildung eines Kühlflüs sigkeits-Eintritts oder -Austritts dargestellt. Der ge zeigte Austritt 17 ist dabei als Flansch ausgebildet und eignet sich deshalb besonders zum Anschluß an einen Wasser verteiler. Das innere Isoliergehäuse 8 ist einstückig mit einer Flanschplatte 25 verbunden. Zur Abdichtung weist die Flanschplatte 25 eine umlaufende Nut auf, in die eine Dich tung 26 eingelegt ist. Bohrungen 27 in der Flanschplatte 25 dienen zur Befestigung. Zur Erhöhung der Stabilität des Flansches (Rüttelfestigkeit) sind vorteilhaft Verstärkungs rippen 28 vorgesehen.In Fig. 6, an alternative embodiment of a cooling liquid entry or exit is shown. The ge showed outlet 17 is designed as a flange and is therefore particularly suitable for connection to a water distributor. The inner insulating housing 8 is connected in one piece to a flange plate 25 . For sealing, the flange plate 25 has a circumferential groove, in which a device 26 is inserted. Bores 27 in the flange plate 25 are used for fastening. To increase the stability of the flange (vibration resistance) reinforcing ribs 28 are advantageously provided.

In Fig. 7 ist eine alternative Ausbildung des äußeren Iso liergehäuses dargestellt. Es ist zu erkennen, daß das äu ßere Isoliergehäuse 12 mit umlaufenden Rippen 29 versehen ist. Durch diese Rippen 29 wird der Kriechweg zwischen den Stromführungsblechen 14, 15 verlängert und die Potential differenz zwischen beiden Stromführungsblechen kann bis 4000 V betragen. Somit eignet sich die Isolierkühldose auch zum Einsatz bei einer fortgeschrittenen GTO-Technik mit in tegrierten Dioden oder bei direkter phasenweiser An einanderschaltung der einzelnen Halbleiterbauelemente. Hierdurch ergeben sich vorteilhaft wesentlich kürzere Spannverbände und es werden zusätzlich Isolatoren einge spart.In Fig. 7 an alternative embodiment of the outer Iso liergehäuses is shown. It can be seen that the outer insulating housing 12 is provided with circumferential ribs 29 . Through these ribs 29 , the creepage distance between the current guiding plates 14 , 15 is extended and the potential difference between the two current guiding plates can be up to 4000 V. This means that the insulated cooling socket is also suitable for use with advanced GTO technology with integrated diodes or with direct phase-to-phase connection of the individual semiconductor components. This advantageously results in much shorter tension bandages and additional insulators are saved.

In Fig. 8 ist eine alternative Ausbildung der Kühlkörper dargestellt. Dabei sind die Oberflächen der mit den Kera mikscheiben 5, 6 kontaktierten Kühlkörper 1, 2 (= nach au ßen gerichtete Flächen der Kreisscheibe 2 gemäß Fig. 2) mit schmalen Nuten 32 versehen, in die vor der Kontaktie rung mit den Keramikscheiben ein Isolieröl - vorzugsweise ein Dielektrika-Öl für Kondensatoren - eingebracht wird. Falls während des Betriebes der Isolierkühldose Haarrisse in den Keramikscheiben auftreten sollten, tritt das Iso lieröl aufgrund seiner guten "Kriecheigenschaften" in der artige Haarrisse ein, wodurch eine "selbstheilende" Wirkung erzielt wird. Zusätzlich verbessert das Isolieröl den Wär meübergang zwischen Keramikscheiben und Kühlkörpern, da es eventuelle feine Unebenheiten der Kontaktflächen ausfüllt und damit ausgleicht. Die schmalen Nuten 32 sind vorzugs weise als konzentrische Ringe angeordnet, können jedoch auch in Form anderer Strukturen ausgeführt sein.An alternative embodiment of the heat sink is shown in FIG. 8. The surfaces of the heat sinks 1 , 2 contacted with the ceramic disks 5 , 6 (= outward-facing surfaces of the circular disk 2 according to FIG. 2) are provided with narrow grooves 32 , into which an insulating oil is introduced before contacting the ceramic disks. preferably a dielectric oil for capacitors - is introduced. If hairline cracks should occur in the ceramic disks during operation of the insulating cooling can, the insulating oil occurs due to its good "creep properties" in the hairline cracks, whereby a "self-healing" effect is achieved. In addition, the insulating oil improves the heat transfer between ceramic disks and heat sinks, since it fills in and compensates for any slight unevenness in the contact surfaces. The narrow grooves 32 are preferably arranged as concentric rings, but can also be designed in the form of other structures.

Claims

1.Insulated cooling box for dissipating the heat loss from semiconductor components using an electrically conductive coolant, with two half-shell-shaped, made of a good heat-conducting material, through which the coolant can flow, with a ceramic disc on each main surface of the heat sink and with an outer insulating housing in the edge area of the Ceramic disks, characterized in that a very high degree of water vapor impermeability, electrically insulating in other insulating housing ( 8 ) through the outer circumferential surfaces of the heat sink ( 1 , 12 ), the edge areas of the ceramic discs ( 5 , 6 ) and the outer insulating housing ( 12 ) formed and flowed through by the coolant, annular edge area that water vapor-impermeable hydraulic seals ( 9 ) on the contact surfaces of heat sinks ( 1 , 2 ), ceramic washers ( 5 , 6 ) and in nerem insulating housing ( 8 ) are provided, and that in each case water-vapor-permeable electrical seals ( 10 ) on the contact surfaces of ceramic disks ( 5 , 6 ), outer insulating housing ( 12 ) and inner insulating housing ( 8 ) are provided.

2. Isolierkühldose according to claim 1, characterized in that the electrical seals ( 10 ) as surface seals and the hydraulic seals ( 9 ) are designed as point insulation base.

3. Insulated cooling can according to claim 1 and / or 2, characterized in that the ceramic discs ( 5 , 6 ) consist of aluminum nitride.

4. insulating cooling box according to at least one of Ansprü che 1 to 3, characterized in that the edge region of the ceramic discs ( 5 , 6 ) is provided with chamfers ( 7 ), via which the sandwich structure ceramic disc ( 5 ) - cooling body ( 1 ) - Heatsink ( 2 ) - Ceramic disc ( 6 ) engages the outer insulating housing ( 12 ), which presses firmly together.

5. Insulated cooling can according to at least one of Ansprü che 1 to 4, characterized in that the outer Iso liergehäuse ( 12 ) holding knobs ( 13 ) for fixing current guide plates ( 14 , 15 ) for the semiconductor contact component ( 24 ).

6. Isolierkühldose according to at least one of Ansprü che 1 to 5, characterized in that from the inner insulating housing ( 8 ) and from the outer insulating housing ( 12 ) partially encased coolant inlets and outlets ( 16, 17 ) are provided, which hydraulic sealing rings ( 20 , 21 ) with external connecting pipes ( 19 ) are ver bindable.

7. Insulated cooling can according to at least one of Ansprü che 1 to 6, characterized by such a dimensioning of the thickness (a) of a ceramic disc ( 5 , 6 ) that considering the electrical potential between cooling liquid and current-carrying plates ( 14 , 15 ) at Crack formation in the ceramic disc ( 5 , 6 ) occurring electric field strength never reaches the "glow" value of the critical field strength including a safety factor.

8. insulating cooling can according to at least one of Ansprü che 1 to 7, characterized in that the outer insulating housing ( 12 ) is provided with circumferential ribs ( 29 ).

9. insulated cooling can according to claim 6, characterized in that coolant inlets and / or exits te ( 16 , 17 ) as a flange with a flange plate ( 25 ), sealing ring ( 26 ) and bores ( 27 ) are formed for fastening.

10. Insulated cooling can according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the heat sinks ( 1 , 2 ) are provided on their surfaces in contact with the ceramic disks ( 5 , 6 ) with grooves ( 32 ) into which an insulating oil is filled.