DE1922446A1

DE1922446A1 - Kuehleinrichtung insbesondere fuer elektronische Anlagen

Info

Publication number: DE1922446A1
Application number: DE19691922446
Authority: DE
Inventors: Otto Schaerli
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1969-05-02
Filing date: 1969-05-02
Publication date: 1970-12-17
Also published as: DE1922446B2; DE1922446C3

Description

Kühleinrichtung insbesondere für elektronische Anlagen Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung insbesondere fiir elektronische Einrichtungen mit einem abgeschlossenen mit ei.-ner Wärmequelle und einer Wärmesenke in Wärmeleitverbindung stehenden Behälter, in dem ein bei Betriebstemperatur in seiner flüssigen und seiner dampfförmigen Phase bestehendes Kühlmit,tel eingeschlossen ist.
Bei der Kühlung von Leistungshalbleiterelementen aber auch von Hochleistungselektronenröhren besteht oft das Problem eine auf einem relativ kleinen Raum entstehende Wärmemenge sicher abzuführen, ohne dass an der Wärmequelle eine vorgegebene Grenztemperatur überschritten wird. Diese Grenztemperatur ist bei. Hochleiterel.ementen aber relativ niedrig, so dass das für den- Wärmetransport von der Wärmequelle im Halbleiterelement zur der durch das Kühlmedium wie z.B. Luft oder Kühlwasser gebildeten Warmesenke zur Verfügung stehende Temperaturgefälle ebenfalls verhältnismässig gering ist. Die für diese Zwecke üblicherweise verwendeten und mit Kühlrippen oder dergleichen versehenen Kühlkörper, in denen der WErmetransport, allein durch Wälmeleitung erfolgt, benötigen fUr höhere KUhlleistungen aber ein veihäl!;nismässig hohes Wärmegefälle. Da sie wegen der benötigten hohen Wärmeleitfähigkeit meistens aus Kupfer bestehen, sind sie überdies relativ teuer und schwer.
Um das für einen gegebenen Wärmestrom benötigte Temperatugefälle zu verringern, ist in verbesserten KUhleinrichtungen für Halbleiterelemente z.B. gemäss der schweizerischen Patentschrift 342.661 ein abgeschlossener Behälter vorgesehen, der eine verdampfbare Kithlflüssigkeit enthält und der einerseits mit dem zu kühlenden Halbleiterelement und andererseits über Kühlrippen mit einem äusseren Kühlmedium in Wärmeleitverbindung steht.
Duich die vom Halbleiterelement zugeführte Wärme wird die Ifühlflüssigkeit im Behälter laufend verdampft. Die verdampfte Flüssigkeit kondensiert an dem vom äusseren Kühlmeidum gekühlten Tell der Behälterwand und fliesst von dort wleder zu dem Behälterwandteil zurück,vder mit dem Halbleiterelement in Verbindung steht. Bei dieser Art des Wärmetransports durch Konvektion einer verdampften Flüssigkeit wird erreicht, dass die Temperatur innerhalb des Behälters praktisch konstant ist und daher für die Abführung der Wärme vom Halbleiterelement im wesentlichen nur die thermischen Widerstände der Behälterwände und der KUhlrippen massgeblich sind.
Die bekannten Kühlelnrichtungen dieses Typs nehmen abei' meist vlel Platz in Anspruch. Sie haben überdies den Nachteil, dass die Oberflächentemperatur und damit die Wärmeabgabe pro Flächeneinheit auf den Kühlrippen gegen die Rippenenden hin abnimmt so dass eine wesentliche Erhöhung der Kühlleistung durch Vergrösserung der Kühlrippenfläche nur beschränkt möglich'ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kühleinrichtung zu schaffen, bei der auf an sich bekannter Weise der grösste Teil des Wärmetransports von Wärmequelle zu Wärmesenke durch Konvektion einer verdampften Flüssigkeit erfolgt und welche die Nachteile der bein nuten Einrichtungen dieser Art nicht aufweist.
Die Kühleinrichtung gemäss der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen mit der Wärmequelle Ln Wärmeleitverbindung stehenden, im wesentlichen zylindersymmetrisch ausgebildeten Kühlkörper, durch einen diesen Kühlkörper umschliess-nden und mit diesem in Wärmeleitverbindung stehenden ringförmigen Behälter und durch mehrere in diesen Behälter mündende und ihrerseits mit der Wärmesenke in Wärmeleitverbindung stehende Kühlrohre.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren, die Beispiele darstellen, eingehend erörtert.
Die Figuren 1 und 2 zeigen im Schnitt bzw. index Aufsicht eine erste vorteilhafte Variante einer Kühleinrichtung für Halbleiterelementscheibenzellen. Sie wird besonders vorteilhaft in Hochspannungsumrichteranlagen angewendet, bei denen mehrere Scheibenzellen zu einer Säule vereinigt eine Serieschaltung bilden, wobei Jeweils zwischen zwei benachbarten Scheibenzellen eine solche Kühleinrichtung angeordnet ist.
Ein im wesentlichen zylindersymmetrischer Kühlkörper 1 ist mit senkrecht orientierter Achse in einer Stromrichteranlage z.B. zwischen zwei Halbleiterelementscheibenzellen 2 angeordnet, die sich an die planparallelen Stirnflächen 5 des Kühlkörpers 1 anschmiegen. Der Kühlkörper 1 hat an seiner Seitenoberfläche eine ringförmige Vertiefung 4, die durch eine Muffe 5 abgeschlossen ist und dabei einen ringförmigen Behälter 6 bildet. Die Muffe 5 weist zwei Reihen von Oeffnungen auf, an welche Kühlröhre 7 anschliessen, die an ihren Enden abge schlossen sind und deren Achsen gegen die Horizonale um einen Winkel von ca. 30 geneigt sind. Eines der KWhlrohre 7 ist an seinem Ende mit einem Füllstutzen 8 versehen, durch den eine vorgegebene enge Kühlflüssigkeit z.B. Wasser in den Behälter 6 eingebracht wird. Die Kühlrohre 7 werden durch einen parallel zur Achse der Kühleinrichtung gerichteten KUhIluftstrom angeblasen. Um ihre gleichmässige Abkühlung zu gewährleisten, sind die an die Oeffnungen der einen Reihe anschliessenden Kühlrohre 7t (Fig.2) so ausgerichtetJ dass sie über Lücken zwischen den Kühlrohren 711 zu liegen kommen, die an die Oeffnungen der anderen Reihe anschliessen. Zur Verbesserung des Wärmeüberganges vom Kühlkörper 1 auf die im Behälter 6 eingeschlosseneg verdampfende Kühlflüssigkeit weist der Kühlkörper 1 an seiner einen Teil der Innenwand des Behälters 6 bildenden Oberfläche Kühlrippen 9 auf.
Die Wirkungsweise dieser Kühleinrichtung ist nun folgende: Der Behälter 6 ist im kalten Zustand ungefähr zur HäTte mit Kühlflüssigkeit gefüllt. Im Betrieb wird nun diesen den Scheibenzellen 2 entwickelte Verlustwärme vom Kühlkörper 1 aufgenom men und über die Kühlrippen 9 der Kühlflüssigkeit im Behälter 6 zugeführt, Der sich entwickelnde Dampf steigt in den Kühlrohren 7 hoch, kondensiert an den Kühlrohrinnenwänden und fliesst vermöge der Neigung der Kühlrohre 1 wieder in den Behälter 6 zurück. Wie Messungen ergeben haben, ist die Temperatur längs der Innenwand der Kühlrohre praktisch Iconstant, so dass die Kühlung über die gesamte, mit der strömenden Kühlluft in Verbindung stehenden Kühlfläche unter optimalen Bedingungen erfolgt.
Die Figuren 3 und 5 zeigen eine weitere vorteilhafte Variante der Kühleinrichtung. Sie stimmt mit der Variante gemäss den Figuren 1 und 2 bis auf die Form der Kühlrohre 10 überein, die hier U-förmig ausgebildet sind, wobei die Ktih.lrohrschenkel an zwei in Richtung der Symmetrieachse des Kühlkörpers 1 versetzten Oeffnungen in der Muffe 5 anschliessen. Dabei sind die Kühlrohrschenkel so ausgerichtet, dass die Projektionen ihrer Achsen auf eine zur genannten Symmetrieachse senkrechten Ebene sich nicht überdecken und daher beide Kühlrohrschenkel von dem parallel zu dieser Symmetrieachse gerichteten Kühlluftstrom mit der gleichen Intensität gekühlt werden.
Gemäss einer in den Figuren nicht dargestellten weiteren vorin teilhaften Variante weisen die U-förmigen Kühlrohre, welche an die in richtung der vertikalen unteren Oeffnungen einmünden 5 einen kleinerst Querschnitt auf als die anderen Kühlrohrschenkel.
Durch diese Massnahme wird erreicht, dass der Grossteil des erzeugten Dampfes in den Kühlrohrschenkeln mit grösseren Querschnitt aufsteigt, während der grösste Teil des Kondensats durch die anderen, den kleineren Querschnitt aufweisenden Kühlrohrschenkel zurückfliesst. Daraus resultiert eine echte Zirkulation durch die Kühlrohre) welche zu einer weiteren Erhöhung der Kühlleistung führt.
Weitere vorteilhafte Varianten der erfinderischen Kühleinrichtung weisen an den Kühlrohrinnenwänden eine kapillare Struktur auf, in der das Kondensat auch gegen die Schwerkraft zum Behälter 6 zurückgeführt wird. Die kapillare Struktur wird dabei vorteilhaft durch ein Drahtnetz gebildet. Solche Kühleinrichtungen können Ln jeder bellebigen Montagelage be betrieben werden.
Zur Erhöhung der Turbulenz des äusseren Kühlmediums und damit zur Verbesserung der Kühlwirkung können die Kühleinrichtungen vorteilhaft mit Kühlrohren versehen werden, die ein tragflügelförmiges Profil aufweisen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Kühleinrichtung insbesondere für elektronische Einrichtungen einem abgeschlossenen mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke in Wärmeleitverbindung stehenden Behälter, in dem ein bei Betriebstemperatur in seiner flüssigen und seiner dampfförmigen Phase bestehenedes Kühlmittel eingeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen mit der Wärmequelle in Wärmeleitverbindung stehenden, im wesentlichen zylindersymmetri sch ausgebildeten Kühlkörper (1), durch einen diesen Kühllcörper (1) urnschliesserlden und mit diesem in Wärmeleitverbindung stehenden ringsförmigen Behälter (6) und durch mehrere in diesen fle hälter (6) mündende und ihrerseits mit der Wärmesenke in Wärmeleitverbindung stehende Kühlrohre (7).

2. Kühleinrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) an seiner Seitenoberfläche eine ringförmige Vertiefung (4) aufweist, die durch eine Muffe (5) abgeschlossen ist und dabei den ringförmigen Behälter (6) bildet und dass die Muffe (5) Oeffnungen aufweist, an denen die Kühlrohre (7) anschli-essen.

3. Kühleinrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (l) an seiner einen Teit der Innenwand des Behälters (6) bildender Oberfläche Kühlrippen (9) aufweist.

4. Kühleinrichtung gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Kiihlrohre (7) an seinem Ende abgeschlossen ist.

5. Kühleinrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrohre tragfiügelförmige Profile aufweisen.

6. Kühleinrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Kühlrohrinnenwände mit einer kapillaren Struktur ver sehen sind.

7. Kühleinrichtung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kapillare Struktur aus einem Drahtnetz besteht.

8. Kühleinrichtung gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (1) zwei zu seiner Symmetrieachse senkrechte, parallele Frontflachen (3) aufweist.

9. Verwendung der Kühleinrichtung gemäss Anspruch 1 in einer elektrischen Anlage dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung mit wenigstens angenähert senkrecht angeordneter Symmetrieachse montiert ist, wobei die Achsen der Kühlrohre (7) mit der Horizontalen Winkel grösser als 100 einschliessen.

10. Verwendung gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Kühlrohre (10) U-förmig ausgebildet sind, wobei die Kühlrohrschenkel an zwei in ITichtung der Symmet;rieachse gegeneinander versetzten Oeffnungen des Behälters (G) anschliessen.

ll. Verwendung gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel der U-förmigen Kühlrohre (10), welche in die in Richtung der Vertikalen unteren Oeffnungen münden, einen kleineren Querschnitt aufweisen als die anderen Kühlrohrschenkel.

L e e r s e i t e