DE2742893A1

DE2742893A1 - Kuehleinrichtung fuer ein halbleiterelement

Info

Publication number: DE2742893A1
Application number: DE19772742893
Authority: DE
Inventors: Josef Ing Hirmann; Helmut Noedl
Original assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Current assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Priority date: 1976-09-27
Filing date: 1977-09-23
Publication date: 1978-03-30
Also published as: SE437586B; CS205092B2; CH620316A5; SE7710754L; GB1530870A; SU697062A3; ATA715676A; AT345932B

Description

PATENTANWÄLTE 23. Sep. 1977

DIETRICH LEWINSKY H-INZ-JOACHIM HUBER REINtR PRIETSCH MÖNCHEN 2 1 GOTTHARDSTR. 81

ELIN-UNION Aktiengesellschaft für elektrische Industrie Wien, Penzinger Str. 76, Österreich

Kühleinrichtung für ein Halbleiterelement

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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für ein Halbleiterbauelement , insbesondere für einen auf beliebigem Potential liegenden Thyristor, die mindestens einen mit dem Halbleiterkörper in Wärmekontakt stehendem von einer Flüssigkeit kontinuierlich durchströmten Kühlkörper aufweist.

Um die Verlustwärme bei Halbleiterelementen abzuführen, sind bereits viele Konstruktionen bekannt geworden. So wird in der OE-PS 310.811 eine Kühlung durch Luft vorgeschlagen, wobei zusätzlich noch zur Erhöhung der Wärmeaufnahme das Halbleiterelement von einer Speichermasse umgeben wird. Ein Nachteil der Luftkühlung liegt aber darin, daß bei Halbleiterelementen höherer Leistung die Kühlkörper große Gesamtabmessungen aufweisen. Diese Nachteile machen sich bei Anlagen, die in der Kompaktbauweise erstellt werden, besondert bemerkbar. Man ist daher auf Flüssigkeitskühlungen tibergegangen. Als Kühlmedium kann hiebei Öl verwendet werden. Öl hat nämlich den Vorteil des hohen Isolationsvernögens und überdies besteht keine Korrosionsgefahr. Allerdings hat Öl als Kühlmedium den großen Nachteil, daß die spezifische Wärme gering und der Wärmewiderstand dafür sehr hoch ist.

Als Kühlmedium mit besseren Eigenschaften würde sich Wasser anbieten. Bei der Verwendung von Wasser ist es aber bisher nicht gelungen, die Probleme der Elektrolyse, die zwangsläufig bei einem Einsatz als Kühlmedium entstehen, mit einfachen Mitteln in den Griff zu bekommen.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine Kühleinrichtung für Halbleiterelenente zu schaffen, für die Flüssigkeit, insbesondere Wasser als Kühlmedium besonders geeignet ist.

Die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus einer Kühlplatte und einer Verteilerplatte besteht, wobei in der Kühlplatte eine Nut für den Durchfluß der Kühlflüssigkeit vorgesehen ist und daß die Verteiler-

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platte an der Ein- und/oder Austrittsstelle der Kühlflüssigkeit einen Raum aufweist, der einen größeren Querschnitt als die Nut besitzt und daß in diesem Raum eine Elektrode angeordnet ist, die aus einem gegenüber dem Kühlmedium chemisch resistenten, eine gute Leitfähigkeit aufweisenden Material besteht.

Wie bereits erwähnt, wurde V/asser als Kühlmedium deshalb nicht verwendet, da eine Beherrschung der Elektrolyse nicht gegeben war. Das verwendete Wasser ist nänlich leitend und daher auch bei seinem Eintritt in den Kühlkörper stromführend. Bei der Berührung des Wassers mit dem vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Kühlkörper kam es zu chemischen Reaktionen, wobei die so entstehenden Kupferionen sich in den Kühlkanälen ablagerten und dadurch den Kanalquerschnitt praktisch null v/erden ließen.

Durch die den aufgezeigten Nachteil vermeidende erfindungsgemäße Konstruktion tritt die Elektrolyse aus den nachstehend ausgeführten Gründen nicht mehr nachteilig auf.

Das in den vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Kühlkörper eintretende leitende Wasser, trifft bevor es noch eingehend mit dem Kupfer in Berührung kommt auf die im Eintrittsraum angeordnete Elektrode auf. Die Elektrode bewirkt, daß das Wasser auf Kühlkörper-potential liegt, sodaß keine Stromführung zwischen Kühlwasser und Kupfer des Kühlkörpers auftritt. Es kommt daher in den Kühlkanälen zu keinen Metallionen-Ablagerungen, sodaß eine Aufrechterhaltung der Kühlung gewährleistet ist.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist knapp bevor die Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkörper austritt in der Verteilerplatte eine weitere Elektrode angeordnet, die gegebenenfalls aus dem gleichen Material besteht, wie die im Eintrittsraura angeordnete Elektrode.

Vor allem bei Schaltungskombinationen von Thyristoren, die nicht auf gleichem Potential liegen, ist diese Konstruktion notwendig,

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weil dadurch die Potentialunterschiede die durch die Verbindung über die Kühlschläuche entstehen, ausgeglichen werden.

Eine besonders vorteilhjfte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß der Kühlkörper aus Kupfer und die Elektrode aus Titan besteht. V/ie ja allgemein bekannt, ist Titan außerordent-

chemisch
lich/resistent gegenüber Wasser und auch ein guter Leiter,sodaß die

Korrosion vorwiegend über das Titan erfolgt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die" Verteilerplatte aus Kunststoff und die Kühlplatte aus Kupfer. Eine aus Kunststoff produzierte Verteilerplatte ist in der Herstellung einfach, wobei vor allem die Bearbeitung auf ein Minimum reduziert ist, da die Verteilerplatte im Spritzgußverfahren hergestellt werden kann.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß die Nut im Kühlkörper die Form einer Spirale, vorzugsweise einer quadratisch geformten Spirale aufweist. Durch diese Ausbildung der Nut entstehen in den Ecken der quadratisch geformten Spirale Turbulenzen des Kühlmediums, wodurch eine gute Kühlung gewährleistet ist.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlplatte mit der Verteilerplatte lösbar verbunden und die Abdichtung über einen in einer Nut des Kühlkörpers vorgesehenen Dichtungsring erfolgt. Die Zerlegbarkeit des Kühlkörpers ist vor allem deshalb von Vorteil, da der Gegenstand der Erfindung oft in Anlagen verwendet wird, wo die Gefahr der Verschmutzung gegeben ist. Dies ist beispielsweise in Gießerein der Fall. Es kann daher die Notwendigkeit entstehen, daß die Kühlkörper gereinigt werden müssen. Bei der obigen Ausbildung der Erfindung ist dies rasch und in unkomplizierter Weise möglich.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind an der Ein- und Austrittsstelle des Kühlkörpers für die Kühlflüssigkeit el vorgesehen, die aus Kunststoff bestehen. Diese Wahl der

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Werkstoffe hat sich in Hinblick auf die Lösung der Elektrolysenprobleme sehr bewährt.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, daß die an die Nippel angeschlossenen Schläuche aus Kunststoff bestehen.

Solche Schläuche für die Zuführung des Kiihümediums sind besonders geeignet, da sie eine relativ hohe Festigkeit aufweisen und daher in den oben geschilderten Anlagen sich bestens bewährt haben.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Abstand von der Elektrode zum Nippel kleiner, als der Abstand vom Nippel zum Metall der Verteilerplatte. Durch diese konstruktive Maßnahme ist gewährleistet, daß das in die Verteilerplatte eintretende Kühlmedium erst auf die Elektrode auftritt. Der im Wasser fließende Strom tritt über die Elektrode in den Kühlkörper ein. Die beim Stromübergang auftretenden Korrosionen werden somit an der Elektrode auftreten, die als Verschleißteil vorgesehen ist. An der Kühlplatte selbst treten somit keinerlei chemische Reaktionen auf.

Sollte die Verteilerplatte jedoch aus Kunststoff bestehen, so muß die Elektrode mit der aus Kupfer bestehenden Kühlplatte zum Potentialausgleich elektrisch verbunden werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Kühlkörper und Fig. 2 die prinzipielle Anordnung der Elektrode und Fig. 3 die Kühlung von zwei in Serie geschalteten Thyristoren.

Gemäß Fig. 1 besteht der Kühlkörper aus der Verteilerplatte und der Kühlplatte 2. Die Kühlplatte 2 weist an der der Verteilerplatte 1 zugewandten Fläche eine quadratisch geformte Nut auf. Die Kühlplatte 2 ist mit der Verteilerplatte 1 mittels Schrauben 4 lösbar verbunden. Zur Abdichtung der aufeinander-

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liegenden Flächen weist die Kühlplatte 2 eine weitere Nut 5 auf, in die ein O-Ring 6 eingelegt wird.

Bei der Verteilerplatte 1 sind Anschlußbuchsen 7* 8 vorgesehen, in die die Nippel 9 für die Kühlmeddumschläuche eingeschraubt werden. Ferner sind in der Verteilerplatte Kanäle vorgesehen, die das Kühlmedium zur und von der Kühlplatte 2 zu bzw. abführen. An der Ein- und Austrittsstelle des Kühlmediums, also in Anschluß an die Anschlußbuchsen 7» 8 weist die Verteilerplatte 1 Räume 10, 11 auf, in die die Elektrode 12 ragt, wie an Hand der Fig. 2 nachstehend erläutert wird.

Die Anordnung der Elektrode 12 ist für die Funktionsweise der Kühleinrichtung von großer Wichtigkeit. Wie bereits erwähnt, kommt es beim Übergang des Stromes vom Wasser in die Verteilerplatte 1 zu chemischen Reaktionen, die zur Folge haben, daß eine Aufrechterhaltung der Kühlung nicht gewährleistet werden kann. Wird nun in den Raum 10 die Elektrode dermaßen platziert, daß das in die Verteilerplatte eintretende Wasser zuerst auf die Elektrode auftrif.ft, so treten die chemischen Reaktionen, das sind vor allem Korrosionen, an der Elektrode auf. Als Elektrodenmaterial kann rein theoretisch viel verwendet werden. So eignen sich natürlich alle Edelmetalle dazu. Titan als Elektrodenmaterial hat sich jedoch bei Versuchen als die optimalste Lösung erwiesen, wobei bei dsn Überlegungen der Materialauswahl natürlich die Rohstoffkosten miteinbezogen werden müssen. Dies vor allem deshalb, weil die Elektrode ja als Verschleißteil gedacht ist.

ISn nun zu erreichen, daß das in die Verteilerplatte eintretende Wasser zuerst auf die Titan-Elektrode auftrifft muß der Abstand L„,also vom Nippel 9 zur Elektrode 12 kleiner sein als der Abstand L^ also vom Nippelinnendurchmesser zum nähesten Kupferpunkt. Dies gilt natürlich nur für den Fall, daß die Verteilerplatte 1 aus Kupfer ist. Ist die Verteilerplatte 1 aus Kunststoff, so muß rvm Potentialausgleich die

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Titan-Elektrode mit der aus Kupfer besteheden Kühlplatte leitend verbunden werden.

Das Nippel 9 muß Jedoch innen aus Kunststoff bestehen, genauso wie die Schläuche 13 für das Kühlmedium, da ja ansonsten die Korrosion bereits an diesen Stellen auftreten würde . Ferner soll das Nippel 9 auch so gestaltet sein, daß es ganz wenig in den Raum 10 hineinragt.

Gemäß Fig. 3 wird das Kühlsystem an Hand zweier in Serie gedargestellt, wobez jeder Thyristor 14,15 schalteter Thyristoren 14, 15/beiderseitig gekühlt wird. Zur beidseitigen Kühlung der Scheibenthyristoren 14, 15 sind diese zwischen zwei Kühlkörpern angeordnet, wobei der zwischen den Thyristoren vorgesehene Kühlkörper, zwei Kühlplatten 2b, 2c mit nur einer Verteilerplatte Ib aufweist. Eine dahingehende Konstruktion einer Verteilerplatte 11^ die es erlaubt, daß beide Kühlplatten vom Kühlmedium durchflossen werden, liegt im Können eines Fachmannes, und bedarf keiner näheren Erläuterung.

Der Fluß des Kühlmediums ist nun folgender:

Das V/asser tritt beim Anschluß 16 in die erste Verteilerplatte la ein und trifft auf eine Titan-Elektrode 12, durchfließt nun die erste Kühlplatte 2a und tritt beim Anschluß 17 aus der Verteilerplatte la wieder aus. Mittels einer Schlauchverbindung wird das Kühlmedium zur Verteilerplatte eines auf gleichen Potential liegenden Thyristor geleitet, durchfließt dort die Kühlplatte und bevor das als Kühlmedium verwendete Wasser aus der entsprechenden Verteilerplatte austritt und in den Sammelbehälter zurückfließt, trifft es noch einmal auf eine Titan-Elektrode auf.

Das beim Anschluß 18 in die Verteilerplatte Ib eintretende Wasser trifft ebenfalls auf eine Titan-Elektrode 12 auf und durchfließt anschließend die Kühlplatte 2b. Die Verteilerplatte Ib ist nun so konstruiert, daß das aus der Kühlplatte 2 b aus-

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tretende Wasser diese durchfließt und in die Kühlplatte 2c eintritt. Nach den Durchfließen dieser Kühlplatte 2 c trifft das Wasser wieder auf eine in der Verteilerplatte Ib angeordneten Titan-Elektrode und wird danach in den Sammelbehälter zurückgeleitet.

Die Kühlung der zweiten Seite des Thyristors 15 erfolgt in äquivalenter Weise wie Kühlung des Thyristors 14 auf der Seite, wo die Kühlplatte 2 a angeordnet ist.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung liegt auch darin, daß die Kühlplatten 2 b und 2d über die Thyristorgröße bzw. Verteilerplattengröße hinaus bemessen werden können, sodaß auf die Kühl platten direkt die Widerstände angeordnet werden können. Die wasserdurchflossenen Kühlplatten ersetzen so eine weitere eigene Kühlung der für die Beechaltung des Thyristors notwendigen Widerstände. Durch den allgemeinen Aufbau und der vorteilhaften Anordnung von Chassisgekühlten Widerständen ist eine gewisse Kompaktbauweise gegeben, die in Anlagen, wo doch immer Platzmangel herrscht, von großem Vorteil ist.

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Claims

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Patentansprüche

[ 1.)Kühleinrichtung für ein Halbleiterbauelement, insbesondere für einen auf beliebigem Potential liegenden Thyristor, die mindestens einen mit dem Halbleiterkörper in Wärmekontakt stehendem von einer Flüssigkeit kontinuierlich durchströmten Kühlkörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper aus einer Kühlplatte (2) und einer Verteilerplatte (1) besteht, wobei in der Kühlplatte (2) eine Nut (3) für den Durchfluß der Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.und daß die Verteilerplatte (l) an der Ein- und Austrittsstelle der Kühlflüssigkeit einen Raum (10, ll) aufweist, der einen größeren Querschnitt als die Nut (3) besitzt und daß in diesem Raum (10, 11) eine Elektrode (12) angeordnet ist, die aus einen gegenüber dem Kühlmedium chemisch resistenten eine gute Leitfähigkeit aufweisenden Material besteht.
2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß knapp bevor die Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkörper austritt in der Verteilerplatte eine weitere Elektrode angeordnet ist, die gegebenenfalls aus dem gleichen Material besteht, wie die im Eintrittsraum angeordnete Elektrode.

oder 2,
3. Kühleinrichtung nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet, daß

der Kühlkörper aus Kupfer und die Elektrode (12) aus Titan besteht.
4. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerplatte (l) aus Kunststoff und die Kühlplatte (2) aus Kupfer besteht.
5. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (3) int Kühlkörper die Form einer Spirale, vorzugsweise einer quadratisch geformten Spirale (3) aufweist,

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6. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (2) mit der Verteilerplatte (l) lösbar verbunden ist und die Abdichtung über einen in einer Nut (5) des Kühlkörpers vorgesehenen Dichtungsring (6) erfolgt.
7. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ein- und Austrittsstelle des Kühlkörpers für die Kühlflüssigkeit Nippel (9) vorgesehen sind, die aus Kunststoff bestehen.

9. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Lj von der Elektrode (12) zum Nippel (9) kleiner ist, als der Abstand (L-) vom Nippel (9) zum Metall der Verteilerplatte (l).

10. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kühlplatte (2) direkt die Widerstände für die Beschaltung des Thyristors angeordnet sind.
8. Kühleinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis T₉ dadurch gekennzeichnet, daß die an die Nippel (9) angeschlossenen Schläuche aus Kunststoff bestehen.

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