DE19628545A1 - Hochleistungs-Kühler für ein luftgekühltes Stromrichtergerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungs-Kühler für ein luftgekühltes Stromrichtergerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Hochleistungs-Kühler für ein luftgekühltes Stromrichtergerät ist aus der DE 44 12 990 A1 bekannt. Bei der dort vorgeschlagenen Stromrichteranlage sind flüssigkeits- oder luftgekühlte Leistungshalbleiter auf beiden Hauptoberflächen einer Kühlschiene angeordnet. Diese aus einem im Querschnitt rechteckförmigen Strang­ preßprofil hergestellte Kühlschiene weist eine Vielzahl von Kühlflüssigkeitskanälen auf, die vorzugsweise von Brauchwasser durchflossen werden.

Aus der DE 38 25 981 C2 ist ein stranggepreßter, zur Kühlung von Leistungshalblei­ tern dienender Rippenkühlkörper bekannt, der eine über einen aufgeschweißten Deckel abgeschlossene Ausnehmung aufweist, die als Wärmerohr fungiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungs-Kühler für ein luftge­ kühltes Stromrichtergerät der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Effizienz derart gesteigert ist, daß sein Raumbedarf etwa dem eines flüssigkeitsgekühlten Hochleistungs-Kühlers entspricht.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß auf­ grund der Vielzahl der innerhalb des Kühlprofils verlaufenden Wärmeleitrohre die Wärmeleitfähigkeit des Kühlprofilmaterials - vorzugsweise Aluminium - quasi verviel­ facht wird. Die Wärmeleitrohre realisieren einen Wärmegegenstrom vom relativ hei­ ßen Kühlluft-Austritt zum relativ kühleren Kühlluft-Eintritt. Hierdurch wird das Tempe­ raturgefälle zwischen der Kühllufttemperatur am Eintritt in das Kühlprofil und am Austritt aus dem Kühlprofil drastisch reduziert, wodurch die Ausnutzung des Kühlers gesteigert wird. Aufgrund der hohen Kühlleistung können die Stromrichterventil-Bau­ komponenten ohne Abstand direkt nebeneinander auf dem Kühler angeordnet wer­ den. Allgemein handelt es sich beim Kühlmedium "Luft" selbstverständlich um ein äußerst umweltfreundliches Kühlmedium.

Ein großer Vorteil des Hochleistungs-Kühlers besteht darin, daß die Wärmeleitrohre durch entsprechend vakuumdicht verschlossene Innenbohrungen der Kühlprofile selbst gebildet werden, d. h. es ist nicht vorgesehen, extern gefertigte Wärmeleitroh­ re in die Kühlprofile einzubringen. Dies hat vorteilhaft eine Vereinfachung der Mon­ tage und eine drastische Kostenreduktion zur Folge.

Insgesamt wird durch den Hochleistungs-Kühler eine kompakte, äußerst effektive Luft-Direktkühltechnik mit im Volumen verkleinerten und im Gewicht reduzierten Kühlern erreicht, wobei gleichzeitig die Herstellkosten reduziert sind. Es wird eine einheitliche Baukasten-Fertigungslinie des Stromrichtergerätes sowohl für Flüssig­ keit- als auch für Luftkühltechnik ermöglicht, bei der die Stromrichter-Leistungsteile für Flüssigkeitskühler und Luftkühler gleiche Abmessungen aufweisen. Hierdurch wird es auch möglich, Stromrichtergeräte mit Flüssigkeitskühlern auf Luftkühltechnik umzurüsten und umgekehrt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere auch zweiachsig ausge­ bildete Wärmeleitrohre mit einer Wärmeableitung in Längs- und Querrichtung, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen bestückten Kühler,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Kühlprofil,

Fig. 3 einen Hochleistungs-Kühler,

Fig. 4 ein Kühlprofil mit zweiachsig ausgebildetem Wärmeleitrohrnetz,

Fig. 5, 6 einen zum Verschluß einer Heat-Pipe-Innenröhre geeigneten Stopfen,

Fig. 7 eine zum Einpressen in einen Stopfen geeignete Hülse,

Fig. 8 ein Wärmeleitrohr mit innenliegendem Saugdocht.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen bestückten Kühler dargestellt. Im Zentrum eines luftgekühlten Stromrichtergerätes 1 befindet sich ein Hochleistungs-Kühler 2 in Du­ plex-Anordnung und mit Heat-Pipe-Netzen. Mit der Bezeichnung "Duplex-Anord­ nung" wird ausgedrückt, daß der Hochleistungs-Kühler aus zwei gleichartig aufge­ bauten Kühlprofilen 3, 4 (jeweils Aluminium-Strangpreßprofile) zusammengesetzt ist, wobei Rippen 5 bzw. 6 der Kühlprofile 3 bzw. 4 mit ihren Enden gegeneinander sto­ ßen, so daß innere Kühlkammern 7 zwischen diesen Rippen 5, 6 gebildet werden. Die Vollmaterial-Rippenanbindung führt zu niedrigen Wärmewiderständen bei der Wärmefortleitung von den Stromrichterventil-Baukomponenten über den Kühler an die vorbei streichende Luft. Die Oberfläche der Rippen ist vorzugsweise geglättet - beispielsweise eloxiert oder mit einer dünnen Schicht Teflon überzogen -, um ein Anhaften von beispielsweise ölhaltigem Schmutz zu verhindern, der durch die Kühl­ luft eingebracht wird, welche durch die inneren Kühlkammern 7 strömt. Sollte den­ noch eine Revision notwendig sein, können die beiden Kühlprofile voneinander ge­ trennt, gereinigt und wieder miteinander verbunden werden.

Alternativ kann der Hochleistungs-Kühler auch lediglich ein Kühlprofil aufweisen, welches beispielsweise mittels eines Abschlußblechs verschlossen ist.

Mit dem Ausdruck "Heat-Pipe-Netz" wird ausgedrückt, daß sich im Bodenbereich der Kühlprofile 3, 4 Wärmeleitrohre befinden, welche ein ein- oder zweidimensionales Netz bilden. Vorzugsweise werden die Wärmeleitrohre direkt in stranggepreßten Bohrungen der Kühlprofile gebildet, um das aufwendige Einpressen von separaten Wärmerohren in Bohrungen der Kühlprofile in einem eigenen Montageschritt zu vermeiden. Der vakuumdichte Verschluß der Bohrungen erfolgt in der gemäß Fig. 5 bis 7 beschriebenen Technik. Im Vordergrund stehen nicht die möglichst hohen Wärmetransportleistungen einer einzelnen Heat Pipe, sondern die Teilwärmetrans­ porte mehrerer parallel innerhalb eines Kühlprofils verlaufender Heat-Pipes, die in Summe einen leistungsstarken Wärmeausgleich ermöglichen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, befinden sich mehrere Wärmeleitrohre 8 innerhalb des Kühlprofils 3 und mehrere Wärmeleitrohre 9 innerhalb des Kühlprofils 4. Die Wärme­ leitrohre 8, 9 verlaufen parallel zu den inneren Kühlkammern 7. Allgemein verdampft das Medium (beispielsweise Wasser, Alkohol oder Azeton) innerhalb eines Wärme­ leitrohres an den relativ warmen bzw. heißen Stellen und kondensiert an den relativ kalten Stellen. Durch ein natürliches Gefälles des Wärmeleitrohres wird das kon­ densierte Medium aufgrund der Schwerkraft von der "Kaltstelle" zurück zur "Warm­ stelle" geleitet. Auf diese Weise werden partielle Temperaturunterschiede innerhalb eines jeden Kühlprofils weitgehend ausgeglichen. Um auch Reinwasser als Wärme­ ausgleichsflüssigkeit verwenden zu können, sind die Bohrungsflächen vorzugsweise eloxiert oder verkupfert.

An den planebenen Außenflächen 10 bzw. 11 (Wärmeübergangsflächen) der Kühl­ profile 3 bzw. 4 sind Stromrichterventil-Baukomponenten 12 (beispielsweise IGBT-Module) montiert und geben die während des Betriebes produzierte Wärme an den Hochleistungs-Kühler 2 ab. Wenn die Außenflächen 10, 11 nicht lückenlos durch Baukomponenten 12 bedeckt sind, werden die nicht direkt bedeckten Teilflä­ chen der Außenflächen 10, 11 ebenfalls für die Wärmeableitung herangezogen, in­ dem über die Wärmeleitrohre Wärmeenergie in diese nicht direkt mit Baukomponen­ ten bedeckten Teilflächen transportiert wird. Wie erwähnt dienen die Wärmeleitrohre 8, 9 dazu, die Temperaturunterschiede in den Kühlprofilen zwischen dem Kühl­ luft-Eintritt und dem Kühlluft-Austritt zu minimieren.

Der dauerhafte vakuumdichte Verschluß der Wärmeleitrohre erfolgt über Stopfen an ihren Enden (siehe Fig. 5 bis 7). In Hohlräumen der Stopfen sind Hülsen einge­ preßt, welche die Flächenpreßdichtflächen der Stopfenwandungen mit großem Druck gegen die Innenröhren der Wärmeleitrohre pressen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Kühlprofil dargestellt. Es ist das Kühlprofil 3 mit Rippen 5, Wärmeleitrohren 8 und Außenfläche 10 zu erkennen.

In Fig. 3 ist ein aus den beiden Kühlprofilen 3, 4 zusammengesetzter Hochlei­ stungs-Kühler 2 dargestellt. Es sind die Rippen 5 bzw. 6 und die Wärmeleitrohre 8 bzw. 9 der Kühlprofile 3 bzw. 4, die inneren Kühlkammern 7 sowie die Außenflächen (Wärmeübergangsflächen) 10 des Kühlprofils 3 zu erkennen.

In Fig. 4 ist schematisch ein Kühlprofil mit zweiachsig ausgebildeten Wärmeleitroh­ ren dargestellt, und zwar im mittleren Bildabschnitt eine Sicht auf die Wärmeleit­ rohr-Konfiguration und im linken sowie rechten Bildabschnitt seitliche Schnitte hier­ zu. Im mittleren Bildabschnitt sind vier parallel zu den inneren Kühlkammern verlau­ fende Wärmeleitrohre zu erkennen, welche mit Ziffern 8′, 8′′, 8′′′, 8′′′′ bezeichnet sind. Die Wärmeleitrohre 8′ bzw. 8′′ sind dabei mit flachen, senkrecht zu den inneren Kühlkammern 7 angeordneten Wärmeleitrohre 19 bzw. 20 verbunden. Aus dem lin­ ken und rechten Bildabschnitt ist die rechteckförmige Querschnittsform der Wärme­ leitrohre 19 bzw. 20 ersichtlich, die über Rohrverbinder 21 bzw. 22 (Anfräsungen) an die Wärmeleitrohre 8′′ bzw. 8′ angeschlossen sind. Falls kein natürliches Gefälle zwischen den Wärmeleitrohren 8/9 und 19/20 realisierbar ist, welches einen natürli­ chen Rückfluß des am relativ kalten Abschnitt des Wärmeleitrohres kondensierten Mediums zurück zum relativ heißen Abschnitt sicherstellt, können (gestrichelt ge­ zeichnete) Saugdochte 23, 24 zwischen den senkrecht zueinander angeordneten Wärmeleitrohren und innerhalb der Rohrverbinder 21, 22 diesen Rücktransport des Mediums übernehmen (Innenraumverknüpfung über Saugdochte). Innerhalb der Wärmeleitrohre 19, 20 verlaufen die Saugdochte 23, 24 vorzugsweise mäanderför­ mig.

Die zweiachsige Ausbildung des Heat-Pipe-Netzes gemäß Fig. 4 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn aufgrund hoher, asymmetrischer Wärmeeinbringung auch quer zur Luftströmrichtung durch die inneren Kühlkammern ein relativ großes Tem­ peraturgefälle auftritt, beispielsweise infolge einer asymmetrischen Anordnung der einzelnen Stromrichterventil-Baukomponenten 12 auf den Außenflächen 10, 11 der Kühlprofile 3, 4. Durch die zweiachsige Ausbildung des Heat-Pipe-Netzes werden Nebenkühlflächen verstärkt in die Kühlung mit einbezogen und partielle Tempera­ turgefälle sowohl längs als auch quer zur Luftdurchströmrichtung ausgeglichen (verbesserte Wärmespreizung in den Bereichen der partiell größten Wärmelastdich­ ten sowohl in der Länge als auch in der Breite des Kühlers).

In den Fig. 5 und 6 ist ein zum Verschluß einer Heat-Pipe-Innenröhre geeigneter Stopfen 31 dargestellt, und zwar in Fig. 5 in perspektivischer Ansicht und in Fig. 6 im Schnitt. Zur Abdichtung während der Herstellung der Wärmeleitrohre in Kolben­ ziehtechnik weist der Stopfen 31 am mittleren Abschnitt seiner Außenmantelfläche zwei Nuten 32, 33 mit eingelegten Dichtringen 34, 35 (hochdichtende Weichdich­ tung, vorzugsweise aus Gummi) sowie eine mit Fließpreßkanten versehene Flä­ chenpreßdichtfläche 36 auf. Im Inneren ist der Stopfen hohl ausgebildet. Zur spitz zulaufenden, geschlossenen Stopfenspitze 37 hin erstreckt sich eine Befestigungs­ bohrung 38 mit Gewinde für die Montage einer zur Montage dienenden Kolbenzieh­ stange. Im oberen und mittleren Abschnitt befindet sich ein Hohlraum 39 zur Auf­ nahme und Einpressung des Hülsenschaftes einer Hülse. Um das Eindrücken der Hülse zu erleichtern, erweitert sich der Hohlraum 39 über eine Anfasung 40 nach außen hin. Der Hohlraum 39 geht über eine Schrägfläche 41 zur Befestigungsboh­ rung 38 über.

In Fig. 7 ist eine zum Anpressen eines Stopfens an die Innenröhre geeignete Hülse 43 gezeigt. Die Hülse besteht vorzugsweise aus einem rostfreien Stahl. Sie weist einen Hülsenschaft 44 auf, wobei eine zentrale Innenbohrung 45 die gesamte Hülse durchläuft. Eine am Ende des Hülsenschaftes 44 vorgesehene, der Schrägfläche 41 des Stopfens angepaßte Schrägfläche 46 dient zum erleichterten Einpressen in den Stopfen (das Einpressen selbst erfolgt vorzugsweise mittels einer in das Gewinde der Befestigungsbohrung 38 eingreifenden Schraube). Die Außenmantelfläche des Hülsenschaftes 44 stellt die Preßfläche dar, welche nach dem Einpressen der Hülse in den Hohlraum 39 des Stopfens die Flächenpreßdichtfläche 36 mit den Fließpreß­ kanten derart gegen die Innenröhre drückt, daß sich eine das Vakuum in der Innen­ röhre dauerhaft sicherstellende Abdichtung ergibt.

Vor dem Einpressen eines Stopfens in ein Wärmeleitrohr kann zusätzlich in die Nut­ en ein anaerobes Eindring- und Dichtmittel eingebracht werden, welches bei Zufuhr von Sauerstoff flüssig ist und bei Abschluß von Sauerstoff aushärtet. Durch dieses Eindring- und Dichtmittel wird ein eventuell noch innerhalb des Wärmeleitrohres be­ findlicher Sauerstoffrest "verbraucht", bevor das Eindring- und Dichtmittel abdich­ tend aushärtet.

In Fig. 8 ist ein einachsiges Wärmeleitrohr mit innenliegendem Saugdocht gezeigt. Ein derartiges mit Saugdocht bestücktes Wärmeleitrohr wird dann eingesetzt, wenn zwischen dem relativ kalten Ende und dem relativ heißen Ende des Wärmeleitrohres kein natürliches Gefälle vorgesehen werden kann. In einem solchen Anwendungsfall dient ein Saugdocht 48, welcher zwischen den beiden Stopfen 31, 49 des Wärme­ leitrohres an Ausnehmungen 42 (siehe Fig. 5) in den Stopfenspitzen 37 befestigt ist, zur lageunabhängigen Rückleitung der am relativ heißen Ende verdampften und sich am relativ kalten Ende niederschlagenden Flüssigkeit zurück zum relativ heißen Ende.

Für die lageunabhängige Anordnung der Wärmeleitrohre können auch Keramikdoch­ te oder Sinterrohre verwendet werden.

Claims (13)

1. Hochleistungs-Kühler für ein mit mehreren Stromrichterventil-Baukompo­ nenten bestücktes luftgekühltes Stromrichtergerät, mit einem Kühlprofil (3, 4) aus einem gut wärmeleitenden Material, mit Rippen (5, 6) zur Bildung von mehreren parallel nebeneinander angeordneten, jeweils einen Kühlluft-Eintritt und einen Kühlluft-Austritt aufweisenden inneren Kühlkammern (7), dadurch gekennzeichnet daß parallel zu den Kühlkammern (7) mehrere Wärmeleitrohre (8, 9) innerhalb des Kühlprofils (3, 4) unterhalb derjenigen Flächen größter Wärmelastdichte verlaufen, welche mit Stromrichterventil-Baukomponenten (12) bestückt sind.

2. Hochleistungs-Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeleitrohre (8, 9, 19, 20) in Form eines zweidimensionalen Netzes parallel und senkrecht zu den inneren Kühlkammern (7) angeordnet sind.

3. Hochleistungs-Kühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich kreuzende Wärmeleitrohre (8, 9, 19, 20) des zweidimensionalen Netzes über Rohrverbinder (21, 22) durchlässig miteinander verbunden sind.

4. Hochleistungs-Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die inneren Kühlkammern (7) durch Aneinanderpressen von zwei offenen, gleichartig ausgestalteten Kühlprofilen (3, 4) gebildet werden.

5. Hochleistungs-Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Rückleitung des kondensierten Mediums Saugdochte (23, 48) innerhalb der Wärmeleitrohre (8, 9, 19, 20) vorgesehen sind.

6. Hochleistungs-Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Verschluß der Wärmeleitrohre Stopfen (31, 49) mit Fließ­ preßkanten an Flächenpreßdichtflächen (36) an ihren Außenwandungen und zum Einpressen von Hülsen (43) geeigneten Hohlräumen (39) vorgesehen sind.

7. Hochleistungs-Kühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß je­ der Stopfen (31, 49) an seiner Außenwandung mit einer zur Aufnahme mindestens eines Dichtringes (34, 35) geeigneten Nut (32, 33) versehen ist.

8. Hochleistungs-Kühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfenspitze (37) mit einer zur Befestigung eines Saugdochtes (23, 48) geeigneten Querbohrung (50) versehen ist.

9. Hochleistungs-Kühler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stopfen (31, 49) aus Aluminium besteht.

10. Hochleistungs-Kühler nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülse (43) aus einem rostfreien Stahl besteht.

11. Hochleistungs-Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bohrungsfläche eines Wärmeleitrohres eloxiert ist.

12. Hochleistungs-Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bohrungsfläche eines Wärmeleitrohres verkupfert ist.

13. Hochleistungs-Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur zusätzlichen Abdichtung der mit Stopfen (31, 49) verschlos­ senen Wärmeleitrohre eine anaerobe Eindring- und Dichtflüssigkeit vorzugsweise in mindestens eine Nut zwischen Bohrungswand und Stopfen eingebracht ist.