DE3025444C2

DE3025444C2 - Wasserkühlungsanordnung für ein elektrisches Schaltungsbauelement

Info

Publication number: DE3025444C2
Application number: DE3025444A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Kobayashi; Shigeo Kobayashi; Eiki Hitachi Takahashi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-07-06
Filing date: 1980-07-04
Publication date: 1984-01-12
Also published as: CA1130905A; DE3025444A1; SE8004954L; JPS6335103B2; JPS5610948A; US4368448A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wasserkühlungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art und die Verwendung dieser Anordnung.

Allgemein wendet man beim Kühlen eines Halbleiterbauelements oder eines Widerstandselements mit Wasser ein Verfahren an, gemäß dem ein solches Bauelement in engem Kontakt auf der Außenoberfläche eines Wasserkühlkörpers montiert und durch das Wasser gekühlt wird, das durch einen im Wasserkühlkörper gebildeten Wasserkanal fließt.

Im Fall, wo ein Drosselspulelement unter Verwendung von Wasser gekühlt wird, läßt man andererseits Wasser durch ein wendeiförmiges Metallrohr, das einen Teil des Drosselspulenelements bildet, fließen, wobei das Metallrohr gleichzeitig als Wasserkühlkörper dient. Metalle hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Au. Ag, Cu und Al, sind als Material des Kühlkörpers geeignet. Unter diesen Metallen werden billige Metalle, wie z. B. C¹J oder Al oder eine Cu bzw. Al als Hauptbestandteil enthaltende Legierung, allgemein verwendet. Wenn ein

ίο solches in Wasser eingetauchtes Metall mit einer hohen Gleichspannung beaufschlagt wird, verursacht jedoch eine elektrochemische Wirkung die Auflösung einer großen Menge des Metalls im Kühlwasser an der positiven Elektrodenseite, und das gleiche Metall wird an der negativen Elektrode abgeschieden.

Falls diese Bauelemente in Reihe geschaltet sind, werden die Wasserkanäle der Kühlkörper untereinander durch ein aus Isoliermaterial bestehendes Wasserzuführrohr verbunden. Ein Teil der im Kühlwasser aufgelösten Metallionen wird an der Innenseite des

^f':· iWasserzuführrohres abgeschieden, Besonders in dem Fall, wo die Kühlungsanordnung für eine lange Zeitdauer betrieben wird, verschlechtern sich die Isoliereigenschaften des Wasserzuführrohres, und der Reibungskoeffizient der Wand des Wasserzuführrohres wächst, so daß auch der Reibungsverlust des Kühlwassers ansteigt. Außerdem erzeugt die Auflösung des Metalls des Kühlkörpers Löcher in diesem, so daß dadurch Wasser aussickern kann.

Dieser Nachteil gilt auch für die Wanne zur Aufnahme elektrischer Bauelemente. Im einzelnen werden ein Isolierschlauch in der Wanne zum Zuführen des Kühlwassers zu den elektrischen Bauelementen und ein Isolierschlauch außerhalb der Wanne üblicherweise untereinander mittels eines Kupferanschlußteils verbunden, der durch den Wannenrahmen angeordnet ist. Wenn an diesem Anschlußteil ein elektrisches Potential anliegt, wird eine merkliche Kupfermenge im Kühlwasser gelöst Dies führt zu dem gleichen Nachteil wie dem bei den oben erläuterten Kühlkörpern beobachteten.

Aus der DE-PS 9 67 450 ist eine Wasserkühlungsanordnung der eingangs vorausgesetzten Art bekannt, bei xler die Anschlußteile an ihrer Innenfläche mit einem Edelmetall als elektrolytisch korrosionsfestem Metall überzogen und fest mit dem Wasserkanal verbunden sind.

Da Edelmelallüberzüge nur dünn wirtschaftlich einsetzbar sind, können sich darin Poren bei unvollkommener galvanischer Abscheidung bilden, oder die

Überzüge können leicht beschädigt werden bzw. abplatzen, so daß die Korrosionsschutzwirkung entfällt und infolgedessen die gesamte Wasserkühlungsanordnung ersetzt werden muß.
Aus der DE-OS 25 23 232 ist eine wasserdurchströmte Kühldose aus rostfreiem Stahl für einen Thyristor bekannt.

Aus der DE-OS 21 60 302 ist eine Kühldose aus einem Anschlußstück mit je einem Ein- und Auslaßkanal bekannt, in die Anschiußstücke einschraubbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserkühlungsanordnung der eingangs vorausgesetzten Art so zu verbessern, daß ohne erhöhten Aufwand die elektrolytische Korrosionsschutzwirkung mit größerer Sicherheit und dauerhafter gewährleistet wird und daß die Anschlußteile, falls Korrosionsstörungen auftreten, ersetzbar sind, ohne daß der Wasserkanal, das Wasserzuführrohr und das Wasserabflußrohr ersetzt werden müssen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung und deren Verwendung bind in den Patentansprüchen 2 bis 7 gekennzeichnet. '>

Es kann also der ganze Körpei des A:ischlußteils. dessen dem Wasserkanal abgewandter Endteil oder nur der lnnenteil dieses Endteils aus rostfreiem Stahl bestehen, und zusätzlich kann ein nichtrostendes Stahlnetz vorgesehen sein. m

Da der nichtrostende Stahl wirtschaftlich in größerer Wanddicke als Edelmetalle einsetzbar ist. treten keine schädlichen Poren oder andere Schaden auf, die die Korrosionsschutzwirkung vorzeitig beeinträchtigen. Ergeben sich dennoch Korrosionsstörungen nach längerer ι > Zeit, können die Anschlußteiie für sich ausgewechselt werden, da sie lösbar mit dem Wasserkanal verbunden sind.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung ,; veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläu-■/.ten,darin zeigt

,. _r/j Fi g. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Prinzips "eier Erfindung;

/ Fig.2A und 2B eine Seitenansicht und einen - Grundriß zur Erläuterung der Erfindung für den Fall, in dem elektrische Bauelemente in Reihe geschaltet sind;

F i g. 3A und 3B ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen Thyristor, der ein Halbleiterbauelement ist:

Fi g. 4A und 4B ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf einen Widerstand;

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf eine Drosselspule;

Fig.6 noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Anwendung auf eine Wanne zur Aufnahme von elektrischen Bauelementen: und

Fig.7 bis 10 Darstellungen verschiedener Varianten des erfindungsgemäßen Anschluliieils.

In F i g. 1 ist eine Abbildung zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung dargestellt. In dieser Figur ist ein elektrisches Bauelement 1 (wie z. B. ein Widerstand, ein Transistor oder ein Thyristor) dicht an der Außenseite eines Cu-Wasserkühlkörpers angebracht, und die Enden der erhaltenen Einheit sind mit der psotivien Elekttode bzw. der negativen Elektrode einer Gleichstromquelle 3 verbunden. Innerhalb des Wasserkühlkörpers 2 ist ein Wasserkanal 4 ausgebildet. Ein Ende des Wasserkanals 4 ist über ein Anschlußteil 5 aus rostfreiem Stahl mit einem isolierenden Wasserzuführrohr 7 verbunden, und sein anderes Ende ist über ein gleiches A.nschlußteil 6 mit einem isolierenden Wasserabflußrohr 8 verbunden. ■ Das durch das Abflußrohr 8 fließende Kühlwasser wird durch eine Pumpe 9 erneut in das Wasserzuführrohr 7 gefördert. So läuft das Kühlwasser durch die Teile 9, 7, 5,4,6,8 und 9 in dieser Reihenfolge um. Die Pumpe 9 ist allgemein mit einem (nicht dargestellten) Kühler an -ihrer Vorder- oder Rückseite versehen, so daß dem Wasserzuführrohr 7 stets auf eine bestimmte Temperatur gekühltes Wasser zugeführt wird. ■>

Im Wasserkühlsystem nach Fig. 1 bilden sich unter der Annahme, daß die Spannung der Gleichstromquelle 3 am elektrischen Bauelement 1 und am Wasserkühlkörper 2 angelegt wird, positive Elektrodenabschnitte® und negative Elektrodenabschnitte⁹, wie in der Figur gezeigt ist. Als Ergebnis wirkt auf den Wasserkühlkörper 2 und die Pumpe 9 eine erhebliche Gleichspannung ein, so daß ein Stromfluß im Kühlwasser durch das Wasserzuführrohr 7 und das Wasserabflußrohr 8 verursacht wird. Bei den bekannten Vorrichtungen (die keine Anschlußteile 5 und 6 haben oder bei denen di? Anschlußteile aus anderem Material sind) wird daher eine große Cu-Menge aus dem Wasserkühlkörper 2 am Anschlußteil zwischen dem Wasserkanal 4 und einerseits dem Wasserzuführrohr 7 und andererseits dem Wasserabflußrohr 8 gelöst und an der Pumpe 9 abgeschieden.

Um dieses Problem zu überwinden, sind erefindungsgemäß die Anschlußteile 5 und 6 aus rostf^reiem Stahl an den Verbindungsstellen zwischen dem Kühlkörper 2 und dem Wasserzuführrohr 7 sowie zwischen dem Kühlkörper 2 und dem Wasserabflußrohr 8 vorgesehen. Versuche haben gezeigt, Jaß eine Legierung aus rostfreiem Stahl in viel geringerern Ausmaß bei einer hohen elektrischen Feldstärke als ein solches Metall wie Cu gelöst wird, und dieser Befund wird für die Anschlußteile ausgenutzt. Insbesondere seien der Widerstand des Kühlwassers u, die Querschnittsfläche des Wasserkanals in jedem der Wasserzufuhr- und -Wasserabflußrohre 5 und die Länge jedes dieser Rohre Ϊ. Dann ergibt sich der bei der am Wasserkühlkörper anliegenden Spannung V fließende Strom / entsprechend der folgenden Gleichung (1).

;= V ■ S/o ■ J

Die Menge W aufgelösten Metalls wird durch den Strom /, die Stromleitzeit T und eine Konstante K bestimmt, die von verschiedenen Faktoren einschließlich des chemischen Äquivalents des Metalls , des Gberflächenzustands des Metalls, der Stromdichte in der Metalloberfläche und des Sauerstoffgehalts im Kühlwasser abhängt, und läßt sich durch die folgende Gleichung (2) ausdrücken.

W= KiT

Versuche zeigen, daß der Wert von K bezüglich Cu größer als der bezüglich Al ist und daß der Wen von K bezüglich Al viel größer als der bezüglich des rostfreien Stahls ist. Es gilt also K_iV> K^> Κ·,_:.μ So wird also, wenn rostfreier Stahl als Material für die Anschlußleile zwischen dem Wasserkühlkörper und dem Wasserzuführrohr sowie dem Wasserabflußrohr verwendet wird, die Menge des im Kühlwasser aufgelösten Metalls wesentlich verringert.

Ein Beispiel mit in Reihe geschalteten elektrischen Bauelementen ist in Fig.2A und Fig.2B gezeigt, die eine Seitenansicht bzw. einen Grundriß zeigen. Wasserkühlkörper 2a bis 2/sind in der Weise angeordnet, daß ein Laminat aus den Wasserkühlkörpern und elektrischen Bauelementen la bis te gebildet wird. In Fig. 2 A strömt das Kühlwasser aufwärts, und positive und negative Elektroden sind an der oberen bzw. der unteren Seite vorgesehen. Da die elektrischen Bauelemente la bis Ie in Reihe geschaltet sind, wird ein elektrisches Potential zwischen jeweils benachbarten der Wasserkühlkörper 2a bis 2/erzeugt. Zwischen den Wasserkühlkörpern 2a und 2b bildet beispielsweise das Anschlußteil 5a eine positive Elektrode, und das Anschlußteil 6b bildet eine negative Elektrode. So fließt der Strom / im Wasserzuführrohr 7a ähnlich dem Fall von F i g. 1. Die Art, in der dieser Strom fließt, ist in den F i g. 3A und 3B gezeigt, die einen Fall der Wasserkühlung eines Thyristors zeigen, der eines der elektrischen Bauelemente ist. Fig.3A zeigt eine Seitenschnittansicht, wobei nur der Thyristor 11 in Seitenansicht

dargestellt ist, und Fig.3B zeigt einen Grundriß. Der Strom / fließt zwischen den Anschlußteilen 5a und 6b, wobei sehr wenig Metall im Kühlwasser gelöst wird, da die Anschlußteile 5/; und 6b aus rostfreiem Stahl bestehen.

Dies gilt auch zwischen den wassergekühlten Körpern 2b und 2c, zwischen 2c und 2d, zwischen 2dund 2e sowie zwischen 2e und 2i.

Ein Ausführungsbeispiei der Erfindung in Anwendung auf ein Widerstandselement ist in den Fig.4A und 4B dargestellt, die eine Seitenschnittansicht und einen Grundriß zeigen. Wie in den Figuren erkennbar ist, ist ein Widerstand 21 auf der Außenoberfläche des Wasserkühlkörpers 2 über einen Isolierstoff 22 angebracht, und die ganze Einheit ist durch ein Abdeckmaterial 23 geschützt. Eine positive Elektrode 24 und eine negative Elektrode 25 sind aus dem Widerstand 21 herausgeführt. Ein Leitcrdrahl 26 dient der Zuführung eines bestimmten Potentials des Widerstandes 21 zum Wasserkühlkörper 2 im voraus, um die Potentialstabilität des Wasserkühlkörpers 2 zu sichern. In den Fig.3 und 4 ist jeweils der Wasserkanal 4 mit dem Wasserzuführrohr 7 und dem Wasserabflußrohr 8 durch die Anschlußteile 5 und 6 verbunden, wie schon erläutert wurde. Zur Verbindung zwischen dem Wasserkühlkörper 2 und den Anschlußteilen 5 und 6 bzw. zwischen den Anschlußteilen 5 und 6 und dem Wasserzuführrohr 7 und dem Wasserabflußrohr 8 können irgendwelche Maßnahmen, wie /.. B. Verschrauben, Einpressen oder Verschweißen, angewandt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei Anwendung auf ein Drosselspulenelement ist in Fig. 5 dargestellt. Das Isolierpaper 32 ist auf die Oberfläche eines Cu-Rohres gewickelt, und die erhaltene Einheit ist wendelförmig gestaltet, um ein Drosselspulenelcment her/usicllen. Ein positiver Anschluß 33 isl von einem Ende des Rohres 31 hcrausgciühr!. und ein negalivcr Anschluß 34 ist aus dessen anderem linde herausgeführi. Der Wasserkanal 4 ist mit dem Wasserzufiihrrohr 7 und dem Wiisscrabflußrohr 8 miltcls des Anschlußteils 5 b/w. des Anschlußleils 6 verbunden. Wie in den Fallen von Y i g. 3 und 4 kann irgendein Verbindungsverfahren /um Herstellen der Verbindung /wischen dem Rohr 31 und den Anschlußleilen 5 und 6 sowie fur die Verbindungen /wischen den Anschlußtcilen 5 und 6 und dem Wasser/uführrohr 7 und dem Wasserabflußrohr 8 angewandt werden.

Ein Grundriß einer elektrische Bauelemente (ohne Beschränkung .itif ein Halbleiierbauelemenl. einen Widerstand oder eine Drosselspub) aufnehmenden Wanne ist F i g. h dargestellt. In dieser Figur besteht die Wanne aus einer Vorderwand 40. einer Hinlerwand 41. Seitenwänden 42 und einer Bodenplatte 43. Vier Anschlüsse 45 bis 48 sind an der Hinterwand 41 vorgesehen. Die äußeren beiden Anschlüsse sind der positive Anschluß 45 und der negative Anschluß 46 für die Haupischaltungsstromquelle, während die inneren beiden Anschlüsse der Wasserzuführrohranschluß 47 und der Wasserabflußrohranschluß 48 für das Kühlwasser sind. Der positive Anschluß 45 ist durch einen Leiter 49 mit einem Ende einer Anodendrosselspule 50 verbunden. Das andere Ende der Drosselspule 50 ist über einen Leiter 51 mit der positiven Elektrode eines Thyrislorstapels 52 verbunden, der durch einen Befestigungsrahmen 64 festgelegt isl. Die negative Elektrode des Thyristorstapels 52 ist über einen Leiter 53 mit dem negativen Anschluß 46 verbunden. Widerstände 54 und Kondensatoren 55 sind durch nicht dargestellte Leiter geeignet mit dem Thyristorstapel 52 verbunden, wodurch ein Schutzschaltkreis für die Thyristoren gebildet wird.

Der Steuerelektrode jedes der den Thyristorstapel 52 bildenden Thyristoren wird ein Zündimpuls über einen nicht dargestellten Leiter von einem Zündsystem zugeführt, das einen Zündkreis 56, Widerstände 57, 58, Kondensatoren 59, 60, Impulstransformatoren 61, 62 und einen Impulsverstärker63 umfaßt.

ίο Solche Bauelemente unter den oben erwähnten elektrischen Bauelementen, die eine verhältnismäßig große Wärmemenge beim Leiten erzeugen oder deren Eigenschaften bereits bei geringer Temperaturänderung eine Änderung erleiden, werden mit Wasser gekühlt. In F ί g. 6 werden beispielsweise die den Stapel 52 bildenden Thyristoren, die Anodendrosselspule 50 und die Widerstände 54, die den Thyristorschutzkreis bilden, mit Wasser gekühlt.

Der Wasserzuführrohranschluß 47 dient dem Einlaß des Kühlwassers und ist mit einem (nicht dargestellten) Isolierschlauch außerhalb der Wanne verbunden. Der Anschluß 47 ist außerdem über ein Anschlußteil 71 aus rostfreiem Stahl mit einem Isolierschlauch 73 innerhalb der Wanne verbunden.

Der Wasserabflußrohranschluß 48 dient dem Auslaß des Kühlwassers und ist mit einem (nicht dargestellten) Isolierschlauch außerhalb der Wanne verbunden. Der Anschluß 48 ist außerdem über ein Anschlußleil 72 aus rostfreiem Stahl mit einem Isolierschlauch 74 innerhalb

jo der Wanne verbunden.

Das Kühlwasser fließt so durch einen Kanal mit den Teilen 47, 71, 73, 52 (54, 50). 74, 72 und 48 in dieser Reihenfolge, so daß die Thyristoren 52. die Widerstände 54 und die Drosselspule 50 wesentlich auf eine feste Temperatur gekühlt werden.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel bestehen die Anschlußteile 71 und 72 aus rostfreiem Stahl, jedoch nicht aus Cu oder Al. so daß die Auflösung von Metall im Kühlwasser aus den Anschlußtcilcn sehr gering isl.

Stau der ganzen Anschlußtcilc kann nur das dem Wasserkanal abgewandic Vorderende der Anschluliici-Ie. das mit jedem der Isolicrwasser/uführ- und -abflußrohre /u verbinden ist. aus einem rostfreien Suihi-Muicrhii mn ausreichender Wirkung bestehen. Da sich der Strom am Vorderende des Anschlußtcils konzentriert, ermöglicht die Herstellung lediglich dieses Vorderendes des Anschlußteils aus rostfreiem Stahl eine Verringerung der im Kühlwasser aufgelösten Mciiillmenge. Solche Ausführungsbcispiele sind in den f ig. 7 bis 10 dargestellt, bei denen jeweils die Figuren (a) und (b) eine Seitenschniiiansiehi bzw. eine Vorderansicht des Anschlußteils zeigen.

Nach Fig. 7 ist das Cu-Anschlußteil 81 lediglich an seinem Vorderende mit einem »SUS«-Tcil 82 versehen.

Nach Fig.8 ist der Cu-Anschlußteil 83 nur an dem Innenteil seines Vorderendes mit einem Teil 84 aus rostfreiem Stahl versehen.

Fig.9 und 10 zeigen weitere Ausgestaltungen, die Varianten der Fig.7 bzw. 8 sind, wobei jeweils zusätzlich ein Netz 85 aus rostfreiem Stahl quer durch den Wasserkanal innerhalb des Teils 82 bzw. 84 aus rostfreiem Stahl gespannt ist.

In den F ί g. 7 und 8 fließt der größte Teil des Stroms durch die Teile 82 und 84 aus rostfreiem Stahl, jedoch kann ein Teil davon durch die Cu-Anschlußteile 81 und 83 fließen. Als Ergebnis wird eine geringe Cu-Mengc im Kühlwasser gelöst. In den Fällen nach F i g. 9 und 10 mit dem quer zum Wasserkanal des Kühlwassers gespann-

ten Netz 85 aus rostfreiem Stahl fließt jedoch im wesentlichen der gesamte Strom durch die Teile 82, 84 aus rostfreiem Stahl und das Netz 85 aus rostfreiem Stahl, und nur sehr wenig Strom fließt im Cu-Anschlußleil 81 bzw. 83, so daß im wesentlichen kein Cu im Kühlwasser aufgelöst ist.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wasserkühlungsanordnung für ein elektrisches Schaltungsbauelement, das in thermischem Kontakt mit einem dem Durchstrom von Kühlwasser dienenden Wasserkanal steht, dessen eines Ende über ein Anschlußteil mit einem Wasserzuführrohr und dessen anderes Ende über ein weiteres Anschlußteil mit einem Wasserabflußrohr verbunden ist. wobei das jeweils aus Isoliermaterial bestehende Wasserzuführrohr und das Wasserabflußrohr mit dem jeweiligen Anschlußteil lösbar verbunden ist, wobei der Wasserkanal aus einem im Kühlwasser bei hoher elektrischer Feldstärke auflösbaren Metall besteht und wobei die Anschlußleiie mindestens an ihrer Innenwache elektrolytisch korrosionsfestes Metall aufweisen.

dadurch gekennzeichnet.

.,daß das korrosionsfeste Metall mindestens an dem dem Wasserkanal (4) abgewandten Ende des jeweiligen Anschlußteils (5,6) vorgesehen ist,
daß als korrosionsfestes Metall nichtrostender Stahl verwendet wird und

daß jedes Anschlußteil (5, 6) lösbar mit dem Wasserkanal (4) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der dem Wasserkanal (4) abgewandte Endteil (82) des lösbaren Anschlußteils (81) aus dem nichtrostenden Stahl besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Körper des lösbaren Anschlußteils (5, 6) aus dem nichtrostenden Stahl besteht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß ein aus nichtrostendem Stahl hergestelltes Netz (85) quer durch den dem Wasserkanal (4) abgewandlen Endteil (82; 84) des lösbaren Anschlußteils (81; 83) gestreckt ist.

5. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 4 bei einem den Wasserkanal (4) enthaltenden Drosselspulenelement. das aus einem aus kupferhaltigem Material bestehenden, wendelförmig gewundenen Rohr (31) zusammengesetzt ist.

6. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für den Zweck nach Anspruch 5, mit der Maßgabe, daß das Rohr (31) aus einer Cu als Hauptbestandteil enthaltenden Legierung besteht.

7. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für in einer Wanne (40—43) eingeschlossene elektrische Bauelemente (50,52,54).