AT392186B - Vorrichtung zur kuehlung von bauelementen der leistungselektronik - Google Patents

Description

AT 392 186 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Bauelementen vorwiegend der Leistungselektronik, wobei ein Kühlmittel in einem geschlossenen Leitungssystem zirkuliert und die Bauelemente mit thermischem Kontakt an einem Verdampferblock befestigt sind, der durch eine Dampfleitung zum Transport des verdampften Kühlmittels mit einem Kondensierkörper zur Kondensation des Kühlmittels verbunden und durch eine Kondensatleitung vom Kondensierkörper zum Verdampferblock der Kühlmittelkreislauf geschlossen ist

Derartige Kühlvorrichtungen werden im allgemeinen als Dosenkühlung bezeichnet Eine derartige Vorrichtung ist in der DE-OS 36 01 140 beschrieben. Ähnliche Dosenkühlungssysteme zeigen die US 4,561,040 und US 4,680,673. In diesen Entgegenhaltungen wird nicht näher auf das Aufrechterhalten des Kühlmittelkreislaufes eingegangen. Dazu wird im allgemeinen eine Pumpe benötigt. Um das Kühlmittel ausreichend abzukühlen, ist vor dem Kühler oftmals noch ein Ventilator mit Luftleitvorrichtungen angeordnet.

Siedebadkühlungen, wie beispielsweise in der SU-661-877 beschrieben, benötigen im allgemeinen keine Luft-und/oder Flüssigkeitsumwälzeinrichtungen und können Verlustleistungen von mehr als 1 KW pro Bauelement abführen. Die Bauelemente müssen dabei allerdings dicht nebeneinander direkt im Kühlmittel untergebracht werden. Dadurch werden oftmals lange und ungünstig zu plazierende Stromleitungen benötigt, was den Leitungswiderstand erhöht und zum Auftreten von Streukapazitäten führt. Darüberhinaus müssen Kunststoffteile der Bauelemente über lange Jahre kühlmittelbeständig bleiben. Da als Kühlmittel im allgemeinen Lösungsmittel verwendet werden, sind hohe Ansprüche an die Kunststoffteile zu stellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühlung frei gruppierter Bauelemente sicherzustellen, ohne dabei bewegte mechanische Teile einzusetzen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Kondensierkörper höher als der Verdampferblock angeordnet ist, daß der Siedepunkt des Kühlmittels höher als die maximale Umgebungstemperatur des Kondensierkörpers und tiefer als die maximal zulässige Bauelementetemperatur ist, daß zur Ableitung eines hohen Wärmestromes das Bauelement über eine Zwischenplatte aus gut wärmeleitendem Material am Verdampferblock befestigt ist und die Kontaktfläche der Zwischenplatte zum Verdampferblock größer als die Kontaktfläche des Bauelementes zur Zwischenplatte ist.

Die verwendeten Bauelemente müssen nicht mehr nach dem Gesichtspunkt der Kühlbarkeit angeordnet werden, da durch verschiedene Verdampferblöcke und entsprechend verlegte Dampf- und Kondensatleitungen die Bauelemente auch bei größerem Abstand vom Kondensierkörper erreichbar sind. Die Verwendung des Kühlmittels mit passendem Siedepunkt gewährleistet trotzdem eine zuverlässige Wärmeabfuhr. Mit den Leitungen kann Wärme auch aus dicht verschlossenen Behältern abgeführt werden. Die Zirkulation wird nach dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße aufrechterhalten, und es muß nur so wenig Kühlmittel eingefüllt werden, daß seine flüssige Phase gerade den Auslauf des Kondensierkörpers bedeckt. Der Verdampferblock besitzt eine große thermische Trägheit. Die Bauelemente sind nicht innerhalb der Kühlvorrichtung untergebracht und daher leicht zugänglich und austauschbar. Die Kühlvorrichtung selbst arbeitet im allgemeinen wartungsfrei. Das Kühlmittel muß keinen besonderen Reinheitgrad aufweisen. Die Zwischenplatte unterstützt den Wärmeübergang eines heißen Bauelementes zum Verdampferblock. Dadurch wird vor allem der Einbau des Bauelementes an seinem Betriebsort erleichtert, da es vorher in einer Werkstätte mit gutem thermischem Kontakt auf der Zwischenplatte befestigt wird und bei der Montage der Zwischenplatte am Verdampferblock keine besonderen Vorkehrungen mehr zu Erzielung eines guten Wärmeüberganges notwendig sind.

Bei höheren elektrischen Spannungen ist es vorteilhaft, daß das Kühlmittel elektrisch isolierend ist und die Dampf- und Kondensatleitung aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist. Die elektrische Potentialtrennung der Bauelemente zum Kondensierkörper erhöht die Sicherheit dieser Schaltungen. Man spart dabei eine elektrisch isolierende Ummantelung, die im allgemeinen auch noch einen zusätzlichen Wärmestau erzeugt

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles und von Zeichnungen näher erläutert Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kühlvorrichtung und

Fig. 2 die Befestigung eines Bauelementes.

Fig. 1 zeigt eine Kühlvorrichtung mit Kondensierkörper (KK), der ein Kühlmittel (KM), beispielsweise Freon R 113 oder Alkohol, enthält und Kühlrippen aufweist. Das Kühlmittel (KM) gelangt über eine Kondensatleitung (KL) in einen Verdampferblock (VB). An diesem sind die zu kühlenden Bauelemente, beispielsweise Thyristoren, Dioden oder Leistungswiderstände, wärmeleitend befestigt. Der Verdampferblock (VB) besteht aus Aluminium und ist von Bohrungen durchsetzt, an deren Wänden das flüssig zugeführte Kühlmittel (KM) verdampft. Dadurch wird die Verlustwärme der Bauelemente abgeführt. Der Dampf wird in einer Dampfleitung (DL) aus dem zu kühlenden Gerät zum Kondensierkörper (KK) geführt. In diesem Kondensierkörper (KK) gibt das Kühlmittel (KM) die Kondensationswärme an die Umgebung ab. Durch die vorgegebene Niveaudifferenz zwischen Verdampferblock (VB) und Kondensieikörper (KK) fließt das Kühlmittel (KM) in den Verdampferblock (VB) zurück. Zwischen den beiden Phasen des Kühlmittels (KM) stellt sich ein von Verlustwärme und Umgebungstemperatur des Kondensierkörpers (KK) abhängiges Gleichgewicht ein.

Die Stromversorgungseinheit eines Reisezugwagens hat eine Leistungsaufnahme von maximal 50 kVA. Im Gleichspannungswandler und im Wechselrichter werden Leistungshalbleiter verwendet

Die typische Verlustwärme eines Halbleiters mit 34 mm Durchmesser beträgt 300 W. Das bedeutet einen abzuführenden Wärmestrom von 33 W/cm . Freon R 113 hat unter Atmosphärendruck eine Siedetemperatur von -2-

Claims (2)

1. AT 392 186 B 47 °C, in der geschlossenen Kühlvorrichtung eine Siedetemperatur von etwa 60 °C. Dadurch ist gewährleistet, daß die Halbleitertablette eines Bauelementes nicht wärmer als 100 °C wird. Die Funktionsfähigkeit dieser Kühlvorrichtung ist dann bis zu einer Umgebungstemperatur von etwa 55 °C am Kondensierkörper (KK) gewährleistet. Die Bauelemente sind dem Kühlmittel (KM) nicht direkt ausgesetzt, wordurch sie leicht zugänglich sind. Darüberhinaus ist Freon kunststofflösend und es gibt noch zuwenig Langzeiterfahrung mit dem Verhalten nichtkeramischer Bauelementsumhüllungen in diesem Lösungsmittel. Durch die Kondensat- und Dampfleitung (KL, DL) kann Wärme auch aus geschlossenen Geräten zum Kondensierkörper (KK) abgeführt werden. Bei der Verwendung isolierter Schlauchleitungen ist die Möglichkeit einer wirksamen Potentialtrennung der einzelnen Wärmeerzeuger im Gerät gegeben. Daher eignet sich diese Kühlvorrichtung besonders zur Anwendung in den Stromversorgungsanlagen von Reisezugwagen der Eisenbahn. Das Kühlmittel (KM) Freon ist gleichfalls elektrisch isolierend. Je nach Auslegung der Kühlvorrichtung können bis zu 1000 W Verlustleistung je Bauelement abgeführt werden. Fig. 2 zeigt die Befestigung eines Bauelementes (B) über eine Zwischenplatte (ZP) am Verdampferblock (VB). Zur Verbesserung der Wärmeverteilung ist die Zwischenplatte (ZP) aus Kupfer gefertigt. Der hohe vom Bauelement (B) erzeugte Wärmestrom wird so auf eine größere Fläche verteilt und an den Verdampferblock (VB) abgegeben. Während an der Wärmeübergangsfläche zwischen dem Bauelement (B) und der Zwischenplatte (ZP) auf besonders guten thermischen Kontakt zu achten ist, erfolgt die Wärmeübertragung von der Zwischenplatte (ZP) auf den Verdampferblock (VB) unproblematisch. Die Zwischenplatte (ZP) erleichtert die Montage beträchtlich, da das Bauelement (B) erst auf sie montiert wird und Wärmleithilfen wie Pasten oder Leitsilber an einen Montageplatz aufgebracht werden können. Erst anschließend erfolgt der Einbau des Bauelementes (B) mit der Zwischenplatte (ZP) in ein Gerät und die Befestigung am Verdampferblock (VB). Durch geeignete Verlegung der Kühlvorrichtung kann für viele Anwendungsfälle auch noch die Nutzung der Kondensationswärme zur Luftbeheizung möglich sein. Wird die Kühlvorrichtung beispielsweise zur Kühlung von Leistungshalbleitem der Motorsteuerung eines Skiliftes verwendet, so kann der Kühlkörper das Lifthäuschen oder einen Standplatz für den Liftwart erwärmen. PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Kühlung von Bauelementen vorwiegend der Leistungselektronik, wobei ein Kühlmittel in einem geschlossenen Leitungssystem zirkuliert und die Bauelemente mit thermischem Kontakt an einem Verdampferblock befestigt sind, der durch eine Dampfleitung zum Transport des verdampften Kühlmittels mit einem Kondensierkörper zur Kondensation des Kühlmittels verbunden und durch eine Kondensatleitung vom Kondensierkörper zum Verdampferblock der Kühlmittelkreislauf geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensierkörper (KK) höher als der Verdampferblock (VB) angeordnet ist, daß der Siedepunkt des Kühlmittels (KM) höher als die maximale Umgebungstemperatur des Kondensieikörpers (KK) und tiefer als die maximal zulässige Bauelementetemperatur ist, daß zur Ableitung eines hohen Wärmestromes das Bauelement (B) über eine Zwischenplatte (ZP) aus gut wärmeleitendem Material am Verdampferblock (VB) befestigt ist und daß die Kontaktfläche der Zwischenplatte (ZP) zum Verdampferblock (VB) größer als die Kontaktfläche des Bauelementes (B) zur Zwischenplatte (ZP) ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel (KM) elektrisch isolierend ist und die Dampf- und Kondensatleitung (DL, KL) aus elektrisch isolierendem Material hergestellt ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnung