DE2501029A1 - Vorrichtung zur kuehlung von auf verschiedenen elektrischen potentialen liegenden elektrischen einrichtungen mittels eines stroemenden mediums - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Kühlung von auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden elektrischen Einrichtungen mittels eines strömenden Mediums Aus der US-PS 2,gel7,685 sind wassergekühlte Anordnungen sowohl mit in serie- als auch mit parallelgeschaltetten Halbleiterdioden bekannt. Die Kühlkörper, auf denen die Dioden befestigt sind, werden dabei entweder nacheinander (Serienkühlung) und/oder parallel zueinander (Parallelkühlung) von dem Kühlwasser durchflossen.
• Um elektrische Einrichtungen vor der elektrolytischen Korrosion zu schützen, ist es ebenfalls, beispielsweise aus der DT-PS 938 log7, bekannt, durch-vorgeschaltete Schutz- oder Opferelektroden dafür zu sorgen, dass die Potentialdifferenz, die zwischen den mit dem Kühlmittel in Berührung stehenden elektrisch leitenden Teilen auftritt, nicht an diesen selbst, sondern an den Schutzelektroden, die das gleiche Potential aufweisen wie die leitenden Teile, abfällt.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung anzugeben, bei der die elektrolytische Korrosion kleingehalten werden kann, ohne dass an allen elektrischen Einrichtungen Schutzelektroden installiert werden müssen und ohne dass die Zuleitungsschläuche zu den einzelnen elektrischen Einrichtungen besonders lang und/oder einen besonders geringen Querschnitt zu haben brauchen.
• Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss die Potentialdifferenz, die zwischen den mit dem Kühlmittel in Berührung stehenden elektrisch leitenden Einrichtungen mit dem gröbsten Potentialunterschied besteht an Steuerelektroden abfällt, dass die Steuerelektroden im wesentlichen das gleiche Potential wie die leitenden Einrichtungen aufweisen und dass parallel zu diesen Einrichtungen die weiteren elektrischen Einrichtungen an gegenüber ihrem eigenen Potential äquipotentialen Punkten zwischen den Steuerelektroden angeordnet sind.
• Besonders hat es sich bewährt, die elektrischen Einrichtungen zwischen zwei das Kühlmittel zu- und ab führenden aus elektrischem Isoliermaterial bestehenden Staurohren anzuordnen, in denen sich ebenfalls die Hilfselektroden befinden.
• Die Rohrleitungen oder Schläuche, durch die das Kühlmittel zu den elektrischen Einrichtungen gelangt, können bei dieser Anordnung sehr kurz gehalten werden ohne, dass es zu einer nennenswerten Korrosion der elektrischen Einrichtungen kommt.
• Die neue Vorrichtung ist u.a. für die Kühlung von Hochleistung-Halbleiterbauelementen geeignet, wobei die elektrischen Einrichtungen Kühlplatten sind, zwischen denen sich die zu kühlenden Bauelemente befinden.
• Anhand der nachstehenden Figuren wird die Erfindung beispielsweise erläutert.
• Es zeigt: Fig. 1 schematisch eine Kühlvorrichtung mit mehreren auf unterschiedlichem Potential liegenden Kühlkörpern und Fig. 2 schematisch einen Ausschnitt aus einer solchen Kühlvorrichtung, wobei zwischen den Kühlkörpern Haibleiterbauelemente angeordnet sind.
• In Fig. 1 sind mit Ko, K1, ..., KN Kühlkörper (z.B. Kühlplatten für Hochleistungsbauelemente) bezeichnet, die auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegen, wobei der Kühl körper mit dem niedrigsten Potential PO mit o und der Kühlkörper mit dem höchsten Potential PN mit N gekennzeichnet istr Die Kühlkörper Ko, K1, ..., KN sind mittels Isolier-Rohrleitungen 1 an zwei Staurohre 2 und 3 gleicher Lange und mit gleichem Durchmesser D angeschlossen, durch die das Kühlmittel (vorzugsweise entionisiertes Wasser) ein- und aus tritt. Hierbei deuten die Pfeile die Richtung des Kühlmittelstromes an. In den Staurohren 2,3 befinden sich jeweils 2 Steuerelektroden 4,5 und 4',5'. Die Steuerelektroden 4 und 4' besitzen das Potential des Kühlkörpers KN, die Steuerelektroden 5,5' das Potential des Kühlkörpers K0 Durch die Steuerelektroden 4,4' und 5,5' wird erreicht, dass eine durch die Potentialdifferenz Ug=|PN - PO| dedingte Elektrolyse des kühlmittels nicht an den leitenden Teilen der Kühlkörper Ko und KN, sondern an den Steuerelektroden 4,4' bzw.
• 5,5? stattfindet.
• Die weiteren, auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden Kühlkörper K1, ..., KN.1 sind ebenfalls mittels Isolier-Rohrleitungen 1 an die Staurohre 2,3 angeschlossen. Um zu verhindern, dass infolge der bestehenden Potentialdifferenzen U1 = |P1 - P0|, U2 = |P2 - P1|, ... , UN = |PN - PN-1| an diesen Kühlkörpern K1, .. , KN-1 eine elektrolytische Korrosion eintritt, sind sie an gegenüber ihrem eigenen Potential äquipotentialen Punkten al, ... , an 1 der Staurohre 2 und 3 angeschlossen ( aO und an sind die äquipotentialen Punkte in der Nähe der Steuerelektroden 4, 4' und 5, 5', die dem Potential der Kühlkörper K0 und KN entsprechen).
• Der jeweils von den Steuerelektroden 4, 5 zu den Steuerelektroden 4', 5' fliessende Elektrolysestrom Jg ist diesem Fall gleich den Teilströmen J1,J2, ... , JN die in den Staurohren zwischen den äquipotentialen Punkten a0, a1, ... , an fliessen.
• Ist L der Abstand zwischen den Steuerelektroden 4 und 5 bzw.
• 4' und 5', bedeuten l1, l2, ... , ln die Abstände zwischen den äquipotentialen Punkten (a0, a1, ... , an) und wird mit # die Leitfähigkeit des Kühlmittels bezeichnet, so ergiht sich aus den Beziehungen: Jg = Ug/Rg, J1 = U1/R1, ... , Jn = UN/RN; l#/Uµ = L/Ug mit # = 1, ... , n; µ = 1, ... , N Für gegebenes L, Ug, Ul, ... , UN erhält man demnach sofort die zur Vermeidung der elektrolytischen Korrosion erforderlichen Anschlusspunkte der Kühlkörper K1, ... , KN-1 an den Staurohren 2,3 , ohne dass weitere Steuerelektroden nötig wurden.
• Der dichteste Åbstand, gemessen in em, zwischen den elektrischen Einrichtungen (Ko, K1, ..., KN) entlang der Kühlmittelwege soll jeweils einen Wert u U## # 1000 mitft=l, ..., aufweisen. Entsprechend ist auch der Abstand L, gemessen in cm, zwischen den Steuerelektroden 4,5 und 4',5' derart zu wählen, dass L # Ug/1000 gilt.
• Fig 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer solchen Parallelkühleinrichtung, wobei zwischen den Kühlkörpern beispielsweise Halbleiterdioden angeordnet sind. Dabei sind mit 2 und 3 wieder die Staurohre und mit K, K', K'' und K''' die Kühlkörper bezeichnet. Die zu kühlenden Halbleiterbauelemeflte 6,6' und 6'' bestehen aus zwei metallenen Anschlusskappen 7 und einem in einem Isoliergehäuse 8 befindlichen Aktivteil (angedeutet durch das Symbol Die mit den Anschlusskappen 7 in Berührung stehenden Kühlkörper K,K"K'' und K''' sind ebenfalls aus Metall und haben sowohl die Aufgabe die Halbleiterdioden 6,6r,6 " zu kühlen, als auch zwischen ihnen die elektrische Verbin/dung herzustellen.
• Eine solche gekühlte Serienschaltung von Halbleiterdioden eignet sich besonders gut für Spannungsgleichrichter - in Hodhleistungsanlagen.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Kühlung von auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden elektrischen Einrichtungen, mittels eines strömenden Mediums, vorzugsweise Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass die Potentialdifferenz, die zwischen den mit dem Kühlmittel in Berührung stehenden elektrisch leitenden Einrichtungen (Ko, KN) mit dem grössten Potentialunterschied besteht an Steuerelektroden (4, 4?; 5, 5') abfällt, dass die Steuerelektroden (4, 4?; 5, 5') im wesentlichen das gleiche Potential wie die leitenden Einrichtungen (Ko, KN) aufweisen und dass parallel zu diesen Einrichtungen (K#' KN) die weiteren elektrischen Einrichtungen(Kl, ... s KN-1; K, K', K" , K" ') an gegenüber ihrem eigenen Potential äquipotentialen Punkten (al' ..., an-1) zwischen den Steuerlektroden (4, 5; 4', 5') angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Einrichtungen (K.. K,, ... , K#: K. K', K', K''') an zwei das Kühlmittel zu- und abführenden aus elektrisch isolierenden Material bestehenden Staurohren (2, 3) angeschlossen sind, in denen die Steuerelektroden (4. 4'# 5. 5') angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Staurohre (2, 3) den gleichen Durchmesser (D) und die gleiche Länge aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand, gemessen in cm, zwischen den elektrischen Einrichtungen (Ko, K1, ... , KN; K, K', K?I, K???) entlang der Kühlmittelwege jeweils einen Wert U # #1000 mit #= 1,2, ... , N, aufweist, wobei tJft die Spannung zwischen den elektrischen Einrichtungen (Ko, K1, ... , KN; K, K', K" , K" ') bedeutet und dass der Abstand (L), gemessen in cm, zwischen den Steuerelektroden (, 5; 4', 5') einen Wert # Ug/10000 aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Einrichtungen (K#, K1, ... , KN; K, K', K" , K''') Kühlplatten aus Metall sind, zwischen denen sich die zu kühlenden Halbleiterbauelemente (6, 6', 6'') befinden.