DE1188729B - Kuehlvorrichtung fuer Halbleitergleichrichter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^PIW PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

C13317 VIII c/21g

5. Juli 1956

11. März 1965

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Halbleitergleichrichter mit mindestens einem mit zwei massiven Elektroden ausgerüsteten Halbleiterelement, bei der die entwickelte Wärme an metallische, durch Sieden einer Flüssigkeit gekühlte Flächen abgegeben und der hierdurch entstehende Dampf an einem von außen durch das umgebende Medium gekühlten Wandteil des Siederaumes kondensiert wird.

Die bis noch in die neuere Zeit im Gebrauch befindlichen, aus Kupferoxyd, Selen oder ähnlichen Materialien bestehenden Halbleitergleichrichter hatten in Durchlaßrichtung einen verhältnismäßig hohen Widerstand und arbeiteten daher mit sehr niedrigen Stromdichten. Infolgedessen war die Oberfläche der zur Erzielung eines freien Luftumlaufs durch Zwischenstücke getrennten Gleichrichterplatten häufig ausreichend, um die entwickelte Wärme abzuführen, und man war höchstens veranlaßt, die Platten durch mehrere, die Wärmeabstrahlungsfläche fünf- bis sechsmal vergrößernde Kühlrippen zu ergänzen.

Die neuzeitlichen Halbleitergleichrichter, ζ. Β. aus Germanium oder Silizium, besitzen hinwiederum einen sehr niedrigen Widerstand in Durchlaßrichtung, und die bei einem Element zulässige Stromdichte ist durch die Notwendigkeit der Ableitung der erzeugten Wärme in einem sehr kleinen Volumen begrenzt. Die Verwendung von großflächigen Rippen ergibt bei diesen Halbleitergleichrichtern keine vollkommene Lösung des Abkühlungsproblems, da der Hauptteil des Temperaturunterschiedes zwischen dem Halbleiterelement und dem umgebenden Mittel auf den Rippenteil örtlich beschränkt ist, der dem wirksamen Element unmittelbar benachbart ist.

Man hat daher schon vorgeschlagen, diese Rippen durch Verdampfung einer Flüssigkeit zu kühlen, was z. B. nach der französischen Patentschrift 1 086 791 dadurch verwirklicht werden kann, daß die Elektroden des Gleichrichters durch sehr dicke, mit massiven und v/enig zahlreichen rippen- oder höckerartigen Ansätzen versehene Metallkörper ergänzt und über diese zur Berührung mit einer niedrigsiedenden Flüssigkeit durch Anordnung der Gesamtheit der so ausgebildeten Gleichrichterelemente in dem Flüssigkeitsbehälter gebracht sind. Ebenso ist zur thermischen Stabilisierung eines Halbleiterelements eines Gleichrichters bereits vorgeschlagen worden, das Halbleiterelement mit metallischen Kontakten zu versehen, die durch eine verdampfende Flüssigkeit gekühlt werden und deren durch die Flüssigkeit gekühlte Oberflächen sehr große Abmessung gegenüber derjenigen des Halbleiterelements haben.

Kühlvorrichtung für Halbleitergleichrichter

Anmelder:

Compagnie Frangaise Thomson-Houston, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. Dipl. oec. publ. D. Lewinsky,

Patentanwalt,

München-Pasing, Agnes-Bernauer-Str. 202

Als Erfinder benannt:

Charles Beurtheret, Saint-Germain en Laye;

Ernest Rostas, Paris (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 6. Juli 1955 (695 220)

Von der schon früher bekannten Art der Siedekühlung ausgehend, gelingt es nach der Erfindung für Halbleitergleichrichter, eine wirksame Kühlvorrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch zu schaffen, daß erfindungsgemäß mit den massiven Elektroden verbundene dicke massive Fortsätze in allseitig geschlossene, mit der Kühlflüssigkeit teilweise gefüllte, als flache Dosen gestaltete und in zu den Elektroden parallelen Ebenen angeordnete Siede- und Kondensationsgefäße durch deren Breitseite hindurch ragen, wobei der Füllungsgrad der Siede- und Kondensationsgefäße so bestimmt ist, daß bei mindestens einer ihrer in einer lotrechten Ebene gewählten Lagen die dicken massiven Fortsätze sich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden. Auf Grund dieser Anordnung und Ausbildung wird eine außerordentlich rasche Wärmeabführung und damit ein Höchstmaß an Kühlwirkung erzielt. Die Fortsätze, deren Flanken dem Flüssigkeitsstrom frei ausgesetzt sind, bewirken sowohl bei gleicher Oberfläche als auch bei gleichem Gewicht wie bei den früher bekannten derartigen Vorrichtungen einen Wärmetransport, der ihnen gegenüber wesentlich größer ist. Ferner benötigt die hier in Vorschlag gebrachte Kühlvorrichtung keinerlei äußeres Organ, um die Wiederspeisung zu bewirken. Auch kann die vorliegende Kühlvorrichtung in stark geneigter Lage arbeiten, während bei der letztgenannten, früher vorgeschlagenen Vorrichtung eine Neigung auf ganz gefährliche

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Weise die genaue Füllung der Verdampfungskanäle sind. Das dadurch gebildete Gefäß 7, von dem ein

gefährden würde. Schließlich ist die vorliegende Kühl- Anschlußlappen 9 ausgeht, wird an zwei Elektroden 2

vorrichtung leicht zu montieren und auseinander- angeschweißt, deren Fortsätze 5 in seinem Hohlraum

zunehmen und besitzt in der zu den Elektroden senk- unmittelbar einander gegenüberstehen und von der

rechten Richtung eine äußerst geringe Länge, was 5 hierauf eingefüllten Flüssigkeit 6 umgeben sind. Das

außerordentlich wichtig im Falle gestapelter Gleich- Gefäß 7 kann dann auf einen geeigneten Unterdruck

lichter ist. gegenüber der Atmosphäre entlüftet werden, und die

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der hier Starrheit des ganzen, aus dem Gefäß 7 und den Elekvorgeschlagenen Kühlvorrichtung und durch sie er- troden 2 bestehenden hohlen Gebildes ist durch die zielte Vorteile gehen aus der nachstehenden Be- io einander mit den Stirnflächen berührenden Fortschreibung der Zeichnung hervor, die Kühlvorrich- sätze5 und notfalls durch zwischen die parallelen tungen für Halbleitergleichrichter der erfindungs- Gefäßwandungen eingesetzte Abstandstücke gewährgemäß vorgeschlagenen Art in mehreren Aus- leistet,
führungsbeispielen schematisch veranschaulicht. Im Kurvenbild nach F i g. 3 sind als Ordinaten

F i g. 1 zeigt in teilweise geschnittener Seitenansicht 15 die an den verschiedenen Stellen χ der Kühlvorrich-

einen mit großflächigen Kühlrippen versehenen Lei- tungen nach F i g. 1 und 2, 2 a auftretenden Tem-

stungsgleichrichter der bisher gebräuchlichen Halb- peraturen Θ aufgetragen. Die Punkte 11,12 und 13

leiterbauart; geben in F i g. 3 die an den entsprechend bezeichne-

F i g. 2 und 2 a lassen teils im Schnitt und teils in ten Stellen der bisher gebräuchlichen Kühlvorrich-

Seiten- bzw. Stirnansicht einen mit einer Kühl- 20 tung gemäß F i g. 1, d. h. am Halbleiter 1 und an der

vorrichtung nach der Erfindung ausgestatteten Halb- Schweißnaht von Elektrode 2 und Kühlrippe 4 sowie

leitergleichrichter erkennen; am oberen Kühlrippenende herrschenden Tempera-

F i g. 3 erläutert durch ein Kurvenbild die Wir- türen an, und die durch diese Punkte bestimmte

kungsweise der aus F i g. 1 bzw. 2 und 2 a er- Kurve 10 läßt die Abnahme der Kühlwirkung von

sichtlichen Kühlvorrichtungen hinsichtlich der Tem- 25 der Mitte des Halbleiters 1 nach dem Ende der Kühl-

peraturverteilung an den wärmestrahlenden Flächen; rippe 4 hin und das starke Temperaturgefälle von

F i g. 4 a und 4 b geben zwei weitere Ausführun- der den höchsten Wärmefluß und den kleinsten gen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Gleich- Metallquerschnitt aufweisenden Mitte 12 der Kühlrichterkühlvorrichtung in Seitenansicht wieder. rippe 4 ab erkennen.

In allen Figuren sind für die gleichen Teile die 30 Die demgegenüber erreichbare Steigerung der

nämlichen Bezugszeichen gewählt. Kühlwirkung der vorliegenden Anordnung ist aus

Bei dem in F i g. 1 veranschaulichten Gleichrichter der Kurve 20 in F i g. 3 ersichtlich, welche für die sind in bekannter Bauart die mit zwei Elektroden 2 Vorrichtung nach F i g. 2 und 2 a bei gleicher abversehenen scheibenförmigen Halbleiterkörper 1 in zuführender Wärmemenge wie bei der Vorrichtung Schutzgehäusen 3 aus Isolierstoff eingeschlossen, und 35 nach F i g. 1 gilt. Die Punkte 21,22,23 und 24 der die länglichen großflächigen, mit den Elektroden 2 Kurve 20 deuten die Temperaturen der gleich beverschweißten Kühlrippen 4 dienen zur Abführung zifferten Stellen der Vorrichtung nach F i g. 2 und 2 a, der beim Betrieb des Gleichrichters erzeugten Wärme. d. h. am Halbleiter 1 und an der Oberfläche des

Gemäß F i g. 2 und 2 a ist der Gleichrichter nach metallischen Fortsatzes 5 sowie in dem nahe bei die-

F i g. 1 dadurch vervollkommnet, daß die mit dem 40 sem befindlichen Teil der zu verdampfenden Flüssig-

Halbleiterkörper 1 verbundenen Elektroden 2 mit keit6 und am oberen Ende der flachen Dose 7 an.

massiven stumpfkegeligen Fortsätzen 5 aus gut Wie ersichtlich, ist das Temperaturgefälle in der

wärmeleitendem Metall versehen sowie die Rippen 4 Elektrode bei der Vorrichtung nach Fig. 2 und 2a

durch je ein längliches, entlüftetes Siede- und Kon- und der Vorrichtung nach F i g. 1 gleich, da die

densationsgefäß 7 mit großer Oberfläche ersetzt sind 45 Kurvenstücke 21, 22 und 11,12 in den Kurven 20

und in das Innere des Gefäßes 7 die Fortsätze 5 der und 10 parallel zueinander sind. Die Temperatur im

Elektroden hineinragen und eine verdampfbare, die Punkt 22, d. h. an der Oberfläche des Fortsatzes 5

Fortsätze bespülende Flüssigkeit 6 eingefüllt ist. ist anderseits um einige Grad höher als die im Punkt

Die Flüssigkeit 6, die nur den unteren Teil des 23 herrschende Siedetemperatur der Flüssigkeit 6, Gefäßes einnimmt, wird durch den dort ebenfalls 50 und das Gefäß 7 weist über die volle Ausdehnung angeordneten beim Betrieb des Gleichrichters er- seiner Wandung diese gleiche Siede- und Konhitzten metallischen Fortsatz 5 zum Sieden gebracht densiertemperatur auf. Das auf seiner ganzen Ober- und durch die große Masse und Umfläche des Fort- fläche auf die nämliche Temperatur gebrachte Gesatzes 5 wird beim Sieden der Flüssigkeit die Gefahr faß 7 der Vorrichtung nach Fig. 2 und 2a ist daher einer durch ein Auftreten des Leidenfrostschen Phä- 55 besser als die großflächige Kühlrippe 4 der Vornomens hervorgerufenen thermischen Isolierung der richtung nach F i g. 1 für die Wärmeabführung ausOberfläche des Fortsatzes vermieden. Der ent- genutzt, und die Temperatur des Halbleiterkörpers 1 stehende Dampf kondensiert sich im oberen Teil 8 ist demgemäß bei der Vorrichtung nach F i g. 2 des Gefäßes 7, da dort die Gefäßwandung durch das und 2 a wesentlich niedriger als bei der Kühlumgebende Medium, z. B. die in natürlicher Strö- 60 vorrichtung nach F i g. 1. Infolgedessen ergibt sich mung bewegte Außenluft oder einen Blasluftstrom, auch eine bedeutend stärkere und raschere Kühlung gekühlt wird. und damit eine bessere Wirkung des Gleichrichter-

Das eine Art von hohler großflächiger Kühlrippe elements.

darstellende Gefäß 7 kann aus zwei gleichen Schalen F i g. 4 a und 4 b zeigen zwei geänderte Aus-

von z. B. abgerundetem quadratischem Umriß be- 65 führungsformen der die Elektroden 2 ergänzenden

stehen, die längs ihres ganzen Randes, z. B. durch und von diesen die Wärme auf die Flüssigkeit 6

Verschweißung oder Zusammenpressen, vollkommen übertragenden, dicken, massiven Metallfortsätze 5.

gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verbunden Gemäß F i g. 4 a ist jede Elektrode 2 mit mehreren

Fortsätzen 5 ausgebildet, die durch Ausfräsen aus einer entsprechend dicken Metallplatte mit Kreuzung erzeugt sein können. Nach Fig.4b sind die beiden einander gegenüberliegenden Elektroden 2 durch zwei doppelt so dicke Platten 5 verbunden und überbrückt, die mit einer Reihe zylindrischer senkrechter Löcher oder mit zwei Reihen von sich kreuzenden Löchern versehen sind. Die Ausgestaltungen der Elektroden 2 und der Metallkörper 5 nach F i g. 4 a und 4 b sind dann vorteilhaft, wenn die Halbleiterkristalle eine große Oberfläche aufweisen oder wenn die Bauart des Gleichrichters die Parallelschaltung mehrerer Kristalle erfordert.

Die mit der vorliegenden Kühlvorrichtung ausgerüsteten Gleichrichterelemente können, wie F i g. 2 erkennen läßt, miteinander in beliebiger Zahl vereinigt und zu einem starren, an jedem geeigneten Träger anbringbaren Mehrzellengleichrichter verschweißt werden.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kühlvorrichtung für Halbleitergleichrichter mit mindestens einem mit zwei massiven Elektroden ausgerüsteten Halbleiterelement, bei der die entwickelte Wärme an metallische, durch Sieden einer Flüssigkeit gekühlte Flächen abgegeben und der hierdurch entstehende Dampf an einem von außen durch das umgebende Medium gekühlten Wandteil des Siederaumes kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit den massiven Elektroden (2) verbundene dicke massive Fortsätze (5) in allseitig geschlossene, mit der Kühlflüssigkeit (6) teilweise gefüllte, als flache Dosen gestaltete und in zu den Elektroden parallelen Ebenen angeordnete Siede- und Kondensationsgefäße (7) durch deren Breitseite hindurch ragen, wobei der Füllungsgrad der Siede- und Kondensationsgefäße so bestimmt ist, daß bei mindestens einer ihrer in einer lotrechten Ebene gewählten Lagen die dicken massiven Fortsätze sich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden (F i g. 2, 2 a).

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siede- und Kondensationsgefäße (7) luftleer sind (Fig. 2, 2a).

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, für mehrere hintereinanderliegende Gleichrichter, dadurch gekennzeichnet, daß die dicken massiven Fortsätze (5) zweier einander zugekehrter Elektroden aufeinanderfolgender Gleichrichterelemente in ein gemeinsames Siede- und Kondensationsgefäß eintreten und sich in diesem stirnseitig gegenüberliegen (F i g. 2).

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in das gemeinsame Siede- und Kondensationsgefäß (7) eintretenden dicken massiven Fortsätze (5) zweier Elektroden (2) zu einem einzigen Block vereinigt sind (Fig. 4b).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 891425;
USA.- Patentschrift Nr. 2 703 855.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1026 434.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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