CH415870A - Liquid-cooled semiconductor converter system - Google Patents

Liquid-cooled semiconductor converter system

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CH415870A
CH415870A CH1408364A CH1408364A CH415870A CH 415870 A CH415870 A CH 415870A CH 1408364 A CH1408364 A CH 1408364A CH 1408364 A CH1408364 A CH 1408364A CH 415870 A CH415870 A CH 415870A
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CH
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converter system
semiconductor converter
semiconductor
elements
cooling
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CH1408364A
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German (de)
Inventor
Schneider Paul
Morskoi Andreas
Original Assignee
Bbc Brown Boveri & Cie
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    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/44Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements the complete device being wholly immersed in a fluid other than air
    • HELECTRICITY
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Description

  

      Flüssigkeitsgekühlte        Halbleiterstromrichteranlage       Die     Erfindung    betrifft flüssigkeitsgekühlte Halb  leiterstromrichteranlagen mit mehreren Halbleiter  elementen.  



       Halbleiterstromrichterelemente    müssen, wenn sie  für     grössere        Stromstärken        verwendet        werden.,    gekühlt  werden. Hierfür sind flüssige Kühlmittel besonders  günstig, sie     erfordern    aber eine besondere Kühlein  richtung, durch die sie hindurchgeleitet werden müs  sen. Hierzu werden Kühlrohre verwendet, durch     die     das Kühlmittel fliesst. In die Wandung solcher Kühl  rohre sind die Halbleiterelemente eingesetzt.

   Sie be  sitzen eine Kühleinrichtung in     Form    von Kühlrippen,  die     thermisch    unmittelbar mit den eigentlichen     Halb-          leitern    verbunden sind. Für     parallelgechaltete    Ele  mente ist diese Massnahme ausreichend, da durch  das     Kühlrohr    selbst die Parallelschaltung vorgenom  men werden     kann..    Mit diesen     Einrichtungen    ist es  aber nicht möglich, alle Elemente auf demselben  Kühlrohr aufzubauen,     wenn    sie teilweise     in;    Reihe  geschaltet     sind    oder Sicherungen den Elementen  nachgeschaltet werden.

   Dann ist es nämlich erforder  lich, dass die Elemente     voneinander    und die Ele  mente von den Sicherungen wenigstens auf     einer     Seite elektrisch isoliert sind. Dies geht     beim    unmittel  baren Einsetzen     in,    den     Kühlkörper    nicht, da dieser  aus leitendem Material besteht.

   Man hat ,daher vor  geschlagen, die     Kühlrohre        abwechselnd    aus leitenden  und isolierenden Teilen bestehen zu lassen, so dass  das     Kühlmittel    ungehindert     hindurchfliessen    kann  und trotzdem die notwendige elektrische     Isolation     zwischen .den Elementen und     ihnen    zugehörigen an  deren elektrischen     Teilen    gewährleistet ist.  



  Diese Anordnungen haben den     Nachteil,    dass sie  aus mehreren Stücken zusammengesetzt werden     und,     daher     fabrikationstechnisch        kompliziert        herzustellen     sind.    Es ist an sich bekannt, elektrische Einrichtungen,  wie beispielsweise     Spulenkörper    oder auch Schaltele  mente, -in     Kesseln    mit Kühlflüssigkeiten, die gleich  zeitig auch     der    Isolierung dienen,     unterzubringen.     Hierbei werden die elektrischen Geräte entweder an  dem Deckel .des Gefässes befestigt,     oder    in den Kes  sel     hineingestellt.     



       Erfindungsgemäss    wird nun vorgeschlagen, dass       ein    für alle Elemente     gemeinsamer,    mit Isolierflüssig  keit gefüllter Kühlkessel vorgesehen ist, auf welchem  Träger     isoliert    aufgesetzt sind, in die die     Stromrich-          terelemente    mit den Kühlkörpern derart eingebaut  sind, dass sie in die     Kühlflüssigkeit    eintauchen.  



  In den     Fig.    1 bis 4 sind Ausführungsbeispiele des       Erfindungsgegenstandes    dargestellt. In     Fig.    1 ist mit 1  das     Halbleiterelement    bezeichnet. An diesem Halb  leiterelement befindet sich die Kühleinrichtung 2,  welche aus     Kühlrippen    besteht. Vier solche Elemente  mit den     Kühlrippen    sind     dargestellt.    Sie sind an der  Schiene 3 befestigt. Diese Schiene     kann    aus Isolier  material oder einem leitenden Stoff bestehen. Sie ist  auf dem Kessel 4 aufgesetzt und angeschraubt. Der  Kessel selbst ist mit der Kühlflüssigkeit 5 gefüllt, wel  che die Kühleinrichtung umgibt.

   Auf der linken Seite  der     Fig.    1 ist die Seitenansicht dazu dargestellt. Die  Kühlrippen sind dort deutlicher zu erkennen.  



  Man     kann    nun, um die Isolationen zwischen den       einzelnen    Elementen zu verbessern, noch Zwischen  wände vorsehen. Dies ist in der     Fig.    2 dargestellt. Die  Zwischenwände     sind    mit 6 bezeichnet. Die übrigen  Bezeichnungen sind die gleichen, wie in     Fig.    1. Die  Zwischenwände sind an der Schiene 3 befestigt.  



  Die Zwischenwände können auch an dem Kessel  selber befestigt     sein    und man hat     dann    die Möglich  keit, die Isolierflüssigkeit so umzulenken, dass     ein     Kühlfluss entsteht. Dies ist     in    der Abbildung 3 darge-      stellt. Die     Kühlrippen    sind     in,    diesem Falle auf dem       Boden        des        Gefässes,    aufgesetzt.

   Sie sind aber,     wie          Fig.4    zeigt, versetzt     angeordnet,    und zwar     einmal     mehr nach der einen Seite der     Wand    und die anderen       abwechselnd.    dazu     an    der     anderen    Seite der Wand  befestigt. Um den Kühlstrom noch besser zu gestal  ten, kann man die Kühlrippen gebogen ausführen,  wie     in:    der     Mitte    der     Fig.    4 dargestellt ist, wo     ein     Kühlelement     im    Schnitt gezeigt ist.  



  Man     kann    nun auch den Kessel völlig     abschlies-          sen    und würde in diesem     Falle    die Schiene 3 als     Dek-          kel    des     Kessels    ausführen. Dies     kann,    man auch aus       Fig.    1 erkennen, wenn man sich     dort    die     Schiene    3  entsprechend vorstellt. Die Halbleiterelemente kön  nen     dann    auf die als Deckel     ausgeführte    Schiene auf  gesetzt sein.

   Man hat dann     die    Möglichkeit, oberhalb  der     Kühlflüssigkeit        ein,    Schutzgas     vorzusehen,    wel  ches ebenfalls isolierend     wirkt.        Wenn    man diesem  Schutzgas und auch dem     Kühlmittel    einen gewissen  Überdruck gibt, so ist die Möglichkeit unterbunden,  dass von aussen Luft oder     Feuchtigkeit    in     den    Kessel  eindringt.  



  Um eine gewisse     Kühlströmung    hervorzurufen,  kann man den     ganzen    Kessel etwas     geneigt    aufstellen  und am oberen Ende auch ein Ausdehnungsgefäss für  :das     Kühlmittel    in bekannter Weise vorsehen. Dieses  ist in den Figuren     nicht    näher dargestellt.  



  Man hat den Vorteil einer     wesentlich    einfacheren  Ausführung durch den Erfindungsgedanken erreicht,  in dem     nämlich        keine    besonderen Dichtungen vorge  sehen werden müssen, wie bei den bisher verwende  ten     Kühlrohren.    Ausserdem ist     die    Konstruktion     ein-          farh_  



      Liquid-cooled semiconductor converter system The invention relates to liquid-cooled semiconductor converter systems with several semiconductor elements.



       Semiconductor converter elements must be cooled if they are used for larger currents. Liquid coolants are particularly favorable for this, but they require a special cooling device through which they must be passed. For this purpose, cooling pipes through which the coolant flows are used. The semiconductor elements are used in the wall of such cooling tubes.

   They have a cooling device in the form of cooling fins, which are thermally directly connected to the actual semiconductors. For elements connected in parallel, this measure is sufficient because the parallel connection can be made through the cooling tube itself. Are connected in series or fuses are connected downstream of the elements.

   Then it is necessary that the elements are electrically isolated from each other and the elements from the fuses at least on one side. This is not possible when inserting the heat sink directly, as it is made of conductive material.

   It has therefore been proposed to let the cooling tubes consist alternately of conductive and insulating parts, so that the coolant can flow through unhindered and the necessary electrical insulation between .den elements and their associated electrical parts is guaranteed.



  These arrangements have the disadvantage that they are assembled from several pieces and are therefore complicated to manufacture in terms of manufacturing technology. It is known per se to accommodate electrical devices, such as bobbins or also Schaltele elements, in boilers with cooling liquids that also serve as insulation. The electrical devices are either attached to the lid of the vessel or placed in the kes sel.



       According to the invention it is now proposed that a common for all elements, filled with insulating liquid cooling vessel is provided, on which carriers are placed insulated, in which the converter elements with the heat sinks are installed in such a way that they are immersed in the cooling liquid.



  In FIGS. 1 to 4, exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown. In Fig. 1, 1 denotes the semiconductor element. On this semiconductor element is the cooling device 2, which consists of cooling fins. Four such elements with the cooling fins are shown. They are attached to the rail 3. This rail can be made of insulating material or a conductive material. It is placed on the boiler 4 and screwed on. The boiler itself is filled with the cooling liquid 5 which surrounds the cooling device.

   On the left side of Fig. 1, the side view is shown. The cooling fins can be seen more clearly there.



  You can now provide partition walls to improve the insulation between the individual elements. This is shown in FIG. The partition walls are denoted by 6. The other designations are the same as in FIG. 1. The partition walls are attached to the rail 3.



  The partition walls can also be attached to the boiler itself and you then have the option of deflecting the insulating liquid so that a cooling flow is created. This is shown in Figure 3. The cooling fins are placed in, in this case on the bottom of the vessel.

   However, as shown in FIG. 4, they are arranged offset, once more to one side of the wall and the others alternately. attached to the other side of the wall. In order to make the cooling flow even better, the cooling fins can be bent, as shown in: the center of FIG. 4, where a cooling element is shown in section.



  The boiler can now also be completely closed off and in this case the rail 3 would be designed as the lid of the boiler. This can also be seen from FIG. 1 if the rail 3 is imagined there accordingly. The semiconductor elements can then be placed on the rail designed as a cover.

   You then have the option of providing a protective gas above the cooling liquid, which also has an insulating effect. If this protective gas and also the coolant are given a certain overpressure, the possibility of outside air or moisture from entering the boiler is prevented.



  In order to generate a certain cooling flow, the whole boiler can be set up at a slight incline and an expansion tank for the coolant can be provided at the top in the known manner. This is not shown in detail in the figures.



  One has the advantage of a much simpler design achieved by the inventive concept, namely in which no special seals have to be provided, as with the previously used th cooling tubes. In addition, the construction is simple

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Flüssigkeitsgekühlte Halbleiterstromrichteranlage mit mehreren Halbleiterelementen, dadurch gekenn zeichnet, dass ein für alle Elemente gemeinsamer mit Isolierflüssigkeit gefüllter Kühlkessel vorgesehen ist, auf welchem Träger isoliert aufgesetzt sind, in die die Stromrichterelemente mit den Kühlkörpern derart eingebaut sind, dass sie in die Kühlflüssigkeit eintau chen. PATENT CLAIM Liquid-cooled semiconductor converter system with several semiconductor elements, characterized in that a cooling vessel filled with insulating liquid common to all elements is provided, on which carriers are placed in an insulated manner, in which the converter elements with the heat sinks are installed in such a way that they immerse in the cooling liquid. UNTERANSPRÜCHE 1. Halbleiterstromrichteranlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischen wände zwischen den einzelnen Halbleiterelementen vorgesehen sind. 2. Halbleiterstromrichteranlage nach Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwi= schenwände an dem Kühlkessel angebracht sind. SUBClaims 1. Semiconductor converter system according to patent claim, characterized in that intermediate walls are provided between the individual semiconductor elements. 2. Semiconductor converter system according to claim 1, characterized in that the intermediate walls are attached to the cooling vessel. 3. Halbleiterstromrichteranlage nach Unteran spruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwi schenwände versetzt angeordnet sind, so dass eine Umlenkung der Kühlflüssigkeit entsteht. 4. Halbleiterstromrichteranlage nach Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwi- schenwände an den Trägern angebracht sind. 5. Halbleiterstromrichteranlage nach Patentan spruch, : 3. Semiconductor converter system according to claim 2, characterized in that the intermediate walls are arranged offset so that a deflection of the cooling liquid occurs. 4. Semiconductor converter system according to claim 1, characterized in that the partitions are attached to the carriers. 5. Semiconductor converter system according to patent claim,: dadurch gekennzeichnet, dass die Träger zu gleich die Sammelschiene parallelgeschalteter Ele mente .sind. 6. Halbleiterstromrichteranlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger aus Isoliermaterial bestehen. 7. Halbleiterstromrichteranlage nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkessel abgeschlossen ist. B. Halbleiterstromrichteranlage nach Unteran spruch 7, :dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkes sel oberhalb der Kühlflüssigkeit mit einem Schutzgas gefüllt ist. characterized in that the carriers are at the same time the busbars of elements connected in parallel. 6. Semiconductor converter system according to patent claim, characterized in that the carrier consists of insulating material. 7. Semiconductor converter system according to patent claim, characterized in that the cooling vessel is completed. B. semiconductor converter system according to claim 7, characterized in that the Kühlkes sel is filled with a protective gas above the cooling liquid. 9. Halbleiterstromrichteranlage nach Unteran spruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass :das Kühlmit tel unter Überdruck steht. 10. Halbleiterstromrichteranlage nach Unteran spruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkes sel geneigt aufgestellt ist. 9. Semiconductor converter system according to claim 7, characterized in that: the coolant tel is under excess pressure. 10. Semiconductor converter system according to claim 7, characterized in that the Kühlkes sel is inclined.
CH1408364A 1964-10-30 1964-10-30 Liquid-cooled semiconductor converter system CH415870A (en)

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FR36505A FR1454095A (en) 1964-10-30 1965-10-28 Installation of solid state converter with liquid cooling

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2337694A1 (en) * 1973-07-25 1974-11-14 Semikron Gleichrichterbau SEMI-CONDUCTOR RECTIFIER ARRANGEMENT

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2337694A1 (en) * 1973-07-25 1974-11-14 Semikron Gleichrichterbau SEMI-CONDUCTOR RECTIFIER ARRANGEMENT
DE2337694C2 (en) * 1973-07-25 1984-10-25 SEMIKRON Gesellschaft für Gleichrichterbau u. Elektronik mbH, 8500 Nürnberg Semiconductor rectifier arrangement with high current carrying capacity

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FR1454095A (en) 1966-07-22

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