DE2415893A1

DE2415893A1 - Kuehlvorrichtung

Info

Publication number: DE2415893A1
Application number: DE2415893A
Authority: DE
Inventors: Homme Edmond Cord
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-04-03
Filing date: 1974-04-02
Publication date: 1974-10-17
Also published as: FR2224875A1; BE813190A; FR2224875B1; IT1011209B; GB1454836A; JPS49131385A

Description

IHOMSOIT - CSP
173, Bd. Haassmann
PARIS /Frankreich

unser Zeichen: T 1541

Kühlvorric ht ung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung für Bauteile mit hoher Verlustwärme, in welcher die Übertragung und die Abführung der von dem Bauteil abgestrahlten Wärme hauptsächlich mit Hilfe eines ELuidzwangsumlaufes erfolgen.

Der Au'sdruok "Bauteil" betrifft insbesondere aktive Halbleiterbauelemente, wie etwa Leistungsthyristoren, aber auch passive Bauelemente, wie etwa elektrische Leistungswiderstände. In diesen Bauteilen besteht eine starke Ansammlung von Wärmeenergie, die eine Zerstörung oder zumindestens ein fehlerhaftes Arbeiten der Bauteile hervorrufen kann, wenn die gestaute Wärme nicht abgeführt wird.

Me/Gl

409842/0860

·» 2 —

Zur Vermeidung dieser Nachteile, die sich aus einer zu starken Speicherung von Wärmeenergie in diesen Bauteilen ergeben, ist es bekannt, den Bauteilen eine auch als Kühlkörper bezeichnete Kühlvorrichtung zuzuordnen, in welcher der Zwangsumlauf eines Fluids das Abführen des größeren Teils dieser Wärmeenergie ermöglicht.

Bei bestimmten Bauarten von Kühlkörpern besteht dieses Fluid aus Luft, je nach dem gewünschten Wirkungsgrad mit oder ohne erzwungene Konvektion. Das ist beispielsweise bei Kühlkörpern mit Kühlrippen der Fall. Diese Vorrichtungen haben den ITaohteil, daß sie einen hohen Wärmewiderstand mit der luft aufweisen, d.h. eine' geringe Wärmeleitfähigkeit und einen Raumbedarf, der umso größer ist, je größer der gewünschte Wirkungsgrad ist.

Bei anderen bekannten Bauarten von Kühlkörpern ist das verwendete Fluid eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, mit Zwangsuralauf in Kanälen, die in dem .Kühlkörper angebraoht sind. Die Flüssigkeit des Kühlkreislaufes ist mit dem zu kühlenden Bauteil nicht in direktem Kontakt und der Umfang des Wärmeaustausches hängt außerdem von dem Planheitszustand der Berührungsflächen des Kühlkörpers und des zu kühlenden Bauteils ab. Ein großer BTachteil dieser Vorrichtungen besteht darin, daß der Wärmewiderstand zwischen der Berührungsfläche des Kühlkörpers mit dem Bauteil und mit der Kühlflüssigkeit noch zu hoch ist.

Es ist außerdem eine lösung bekannt, die darin besteht, das zu kühlende Bauteil in eine Kühlflüssigkeit einzutauchen. Diese Lösung kann indessen nicht immer ohne weiteres verwirklicht werden und hat in bestimmten Temperaturzonen der Flüssigkeit den Eaohteil der Bildung von

409842/0860

Blasen gesättigten Dampfes auf der Oberfläche des Bauteils», was zu einer Zunahme des'WärmeWiderstandes führt.

Eine Lösung zur Beseitigung dieser Nachteile, die insbesondere in der US-PS 3 400 543 beschrieben ist, besteht darin, Kühlkanäle in den Aufbau des zu kühlenden Bauteils zu integrieren, was insbesondere ermöglicht, den Wärmewiderstand zwischen dem Bauteil und dem Kühlfluid zu minimieren. Diese lösung ist indessen bei bereits vorhandenen Bauteilen nur mit sehr großen Schwierigkeiten yerwirklichbar und kann nur während des Entwurfes dieser Bauteile ohne Schwierigkeiten.vorgesehen werden.

Durch die Erfindung soll ein Kühlkörper mit einem niedrigen Wärmewiderstand und mit einem Kühlfluidumlauf geschaffen werden, der ohne¹ weiteres bei jeder Art von Bauteil anwendbar ist.

Ein Kühlkörper nach der Erfindung besteht aus einer Metallplatte, vorzugsweise aus demselben Material wie der die Auflagefläche aufweisende Boden des zu kühlenden Bauteils, deren Berührungsfläche mit dem Bauteil eine Aussparung hat, deren Fläche etwas kleiner ist als die Auflagefläche am Boden des Bauteils und in die mindestens ein Kühlfluideinführungskanal und mindestens ein Kühlfluidaführungskanal münden und deren Tiefe so gewählt ist, daß die Zirkulationsgeschwindigkeit des Fluids auf der gesamten Wechselwirkungsfläche gleich ist.

Eine Kühlvorrichtung für Bauteile mit hoher Verlustwärme, mit Einrichtungen zur Wärmeabführung durch Zwangsumlauf eines Fluids derart, daß zwischen dem Fluid und dem Bauteil eine hohe Wärmeleitfähigkeit erzeugt wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine

409842/0860

Metallplatte vorgesehen ist, die eine Fläche mit einer Aussparung hat, welche eine bestimmte Tiefe und eine öffnung aufweist, die nach dem Zusammenbau durch eine Abstützfläche des Bauteils hermetisch verschlossen ist, und welche mindestens zwei Zugänge zum Einleiten bzw. Ableiten des Fluids hat, die an den Zwangsumlauf sicherstellende Zusatzeinrichtungen anschließbar sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielsweisen Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die in Schnittansicht mehrere bevorzugte Ausführungsformen des Kühlkörpers nach der Erfindung zeigen, der einem Bauteil, wie etwa einem Thyristor, zugeordnet ist. Im einzelnen zeigen:

Pig. 1 einen Kühlkörper mit Kühlflüssigkeitszuführungskanälen, die zu der mit einer Befestigungsschraube versehenen Auflagefläche des Thyristors parallel sind,

Pig. 2 eine Anordnung, die in ähnlicher Weise wie die von Pig. 1 montiert ist und bei der die Kühlmittelzuführungskanäle zu der Auflagefläche senkrecht sind,

Pig. 3 einen Kühlkörper mit Kühlmittelzuführungskanälen, die zu der ebenen Auflagefläche eines Thyristors senkrecht sind, der durch eine mechanische Anpreßvorrichtung befestigt ist, und

Pig. 4- einen Thyristor mit zwei ebenen Auflageflachen, der zwischen zwei Kühlkörper eingespannt ist.

409842/0860

Gemäß* der Erfindung wird der Wärmewiderstand zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlfluid durch einen Kühlkörper minimiert, in welchem dieses Fluid in direkte Berührung mit dem Bauteil gebracht wird, wobei die Berührungsfläche so groß wie möglich gewählt ist. In dem lall, in welchem das Fluid eine Flüssigkeit ist, ist die Zirkulationsgeschwindigkeit dieser Flüssigkeit auf der Oberfläche des Bauteils so groß gewählt, daß sie zum Vermeiden der Bildung von Blasen gesättigten Dampfes auf dieser Oberfläche ausreicht.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen Ausführungsbeispiele von Kühlkörpern nach der Erfindung, insbesondere für den Fall, in welchem die zu kühlenden Bauteile Leistungsthyristoren verschiedener Bauarten sind. Es ist jedoch selbstverständlich, daß sich die Erfindung nicht einzig und allein auf die Kühlung dieser besonderen Kategorie von Bauteilen bezieht und daß ähnliche Kühlkörper für jedes andere Bauteil verwendet werden können, beispielsweise für Leistungswiderstände.

Im übrigen ist das Kühlfluid, von welchem in der folgenden Beschreibung die Rede sein wird, im wesentlichen eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser. Das stellt jedoch für die Erfindung keine Beschränkung dar, denn jede andere Art von Fluid kann ebenfalls verwendet werden, je nach dem gewünschten Wirkungsgrad.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kühlkörpers 1 nach der Erfindung sowie eine Art der Montage eines zugeordneten Thyristors 2, der einen als Anode dienenden metallischen Boden 3 hat, der mit einem Gewindeteil 4 versehen ist. Der Kühlkörper 1 besteht aus

409842/0860

einer-Platte, die vorteilhafterweise aus dem gleichen Metall wie der Boden 3 des !Thyristors 2 hergestellt ist, um etwaige elektrochemische Elemente zu vermeiden. Diese Platte hat eine Aussparung 5, in die mindestens ein Kanal 6 zum Einleiten von Kühlflüssigkeit and mindestens ein Kanal 7 zum Ableiten dieser Flüssigkeit münden. Der Mittelteil dieser Aussparung 5 hat außerdem ein Loch 8, welches das Hindurchführen des Gewindeteils 4 des Thyristors 2 ermöglicht. Die. Form und die Tiefe der Aussparung 5 sind so gewählt, daß die Zirkulationsgeschwindigkeit. der Flüssigkeit an der Auflagefläche des Bodens 3 gleichmäßig und ausreichend groß ist, um die Bildung von Blasen gesättigten Dampfes zu verhindern. Die Fläche dieser Aussparung 5 ist ihrerseits sehr geringfügig kleiner als die Fläche des Bodens 3 des Thyristors 2 gewählt, damit die Wechselwirkungsfläche zwischen der Kühlflüssigkeit und dem zu kühlenden Bauteil maximal ist. Die mechanische Berührung zwischen dem Boden 3 und der Platte 1 ist durch eine sehr kleine Fläche 9 sichergestellt.

Beispielsweise ist bei Verwendung eines Thyristors des Typs ¹¹SIIEO" 235 A die Aussparung 5 zylindrisch ausgeführt, und zwar mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Tiefe von 5 mm. Mit einer Wasserdurohflußleisfcung in der Größenordnung von 1 Liter/min, und einer Temperaturzunahme des Wassers in der Größenordnung von 3 C erreicht man auf diese Weise, daß zwischen dem Boden 3 und dem Wasser ein Temperaturunterschied in der Größenordnung von 20° ö aufrechterhalten wird, während bei Verwendung eines herkömmlichen Wärmeabieiters mit Wasserumlauf dieser unterschied in der Größenordnung von 50 0 liegt.

Die Lage sowie die Form des Kanals 6 zum Einleiten der Kühlflüssigkeit und des Kanals 7 zum Ableiten der Kühlflüssigkeit sind in der Aussparung 5 so gewählt, daß der Flüssigkeitsstrom auf der gesamten Wechselwirkungs-

409842/0860

fläche zwischen dem Boden 3 und der Flüssigkeit fließen kann. Bei dem Kühlkörper 1 von Fig. 1 sind diese Kanäle 6 und 7 zylindrisch und parallel zu dem Boden 3 gewählt. Sie münden in die Aussparung 5 vorzugsweise mit .einem konischen Profil,, welohes. dazu dient, die Flüssigkeit auf die Auflagefläche des Bodens 3 zu leiten. Das Zuführen und das Abführen der Flüssigkeit in diesen Kanälen 6 bzw. 7 erfolgt beispielsweise mittels Rohren 10, die an der Platte 1 angebracht sind und auf die die angeschlossenen Hydraulikleitungen aufgesteckt sind, welche in den Figuren nicht dargestellt sind. Da die Dicke der den Kühlkörper von Fig. 1 bildenden Platte 1 kleiner als die Länge des G-ewindeteils 4 des Thyristors 2 ist, erfolgt das Kuppeln dieses Kühlkörpers 1 mit dem Thyristor 2 mittels einer ein Sackloch aufweisenden Mutter 11, die auf den Gewindeteil 4' aufgeschraubt ist, und mittels einer Dichtungsscheibe 12. Die Abdichtung an der Berührungsstelle' zwischen der Auflagefläche des Bodens 3 und der Oberfläche 9 des Kühlkörpers 1 wird, wie die Erfahrung bestätigt, durch einfaches Aufeinanderpresses dieser Flächen erzielt, wenn die Überlappung zwischen diesen beiden Flächen ausreichend groß ist. Wenn dagegen beispielsweise die eine dieser Flächen eine sehr gute Planheit aufweist und die andere zahlreiche Unebenheiten hat, erweist es sich als erforderlich, die Abdichtung mittels einer vorgeformten Dichtung, wie etwa einer Ringdichtung, sicherzustellen.

Der Kühlkörper von Fig. 2 unterscheidet sich von demjenigen von Fig. 1 dadurch, daß einerseits die Kanäle 6 und 7 zu dem Boden 3 des Thyristors 2 senkrecht sind und daß andererseits die Dicke der Platte 1 größer ist als die Länge des G-ewindeteils 4 des Thyristors 2. In diesem Fall ist das in der Aussparung 5 angebrachte Loch

409842/086Q

ein Sackloch mit Gewinde, so daß der Kühlkörper 1 auf den Gewindeteil 4 des Thyristors 2 aufgeschraubt werden kann.

Der in Pig. 3 dargestellte Kühlkörper 1 unterscheidet sich von demjenigen von Pig. 1 und 2 allein dadurch, daß seine Aussparung 5 kein zentrales Loch 8 aufweist. Er ist für das Kuppeln mit einem Thyristor 2 bestimmt, dessen Boden 3 vollständig eben ist und keinen Gewindeteil 4 hat. In diesem Pail wird die Verbindung des Thyristors 2 mit dem Kühlkörper 1 durch ein auf Biegung beanspruchtes Pederblatt 13 sichergestellt, welches sich auf der Oberseite des Bodens 3 abstützt und durch mindestens zwei Schrauben 14 mit dem Kühlkörper 1 verbunden ist.

Die Pig. 4 betrifft die Kühlung eines Thyristors 2 besonderer Bauart, der unter der englichen Bezeichnung "press-pack" bekannt ist und zwei Böden 301 und 302 beiderseits eines Mittelteils hat. Jeder dieser Böden wird nun durch einen entsprechenden Kühlkörper 101 bzw. 102 gekühlt, der dem von Pig. 3 gleicht. Die Verbindung aller dieser Teile erfolgt durch eine Klemmvorrichtung, die in Pig. 4 durch zwei Gewindebolzen 14 schematisch dargestellt ist.

Es sind also Vorrichtungen beschrieben worden, die insbesondere für die Kühlung von Bauteilen mit hoher Verlustwärme, wie etwa Thyristoren großer Leistung, geeignet sind.

409842/0860

Claims

-S-

Patentansprüche

.^Kühlvorrichtung für Bauteile mit hoher Verlustwärme, mit Einrichtungen zur Wärmeabführung durch Zwangsumlauf eines Fluids derart, daß zwischen dem Fluid und dem Bauteil eine hohe Wärmeleitfähigkeit erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Metallplatte (1) vorgesehen ist, die eine Fläohe (9) mit einer Aussparung (5) hat, welche eine bestimmte Tiefe und eine Öffnung aufweist, die nach dem Zusammenbau durch eine Auflagefläche des Bauteils (2) hermetisch verschlossen ist, und welche mindestens zwei Zugänge (6 bzw. 7) zum Einleiten bzw. Ableiten des Fluids hat, die an den Zwangsumlauf sicherstellende Zusatzeinrichtungen anschließbar sind.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (1) aus einem Metall der gleichen Art wie der die Auflagefläche aufweisende Teil (3) des Bauteils (2) besteht.
3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung mit einem Bauteil, dessen Auflagefläche mit einem eine Schraube bildenden Gewindeteil versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) eine Dicke hat, die kleiner ist als die Länge der Schraube (4), daß in der Aussparung (5) eine öffnung (8) für das Hindurchführen der Schraube vorgesehen ist und daß die dichte Verbindung der Vorrichtung mit dem Bauteil durch die Spannung einer Hutmutter (11) sichergestellt ist, die auf den an der Platte überstehenden Teil der Schraube aufgeschraubt ist.

409842/0860
4·. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugänge für das Fluid, welches eine Flüssigkeit ist, parallel zu der Ebene der Auflagefläche (3) angeordnete Kanäle (6, 7) sind, die das Innere der Platte (1) zu der Aussparung (5) hin durchqueren und zu der zu kühlenden Fläche hin gerichtet sind, und daß die Form und die Tiefe der Aussparung so gewählt sind, daß ein möglichst großer Teil der zu kühlenden Fläche ständig durch die Flüssigkeit "bespült ist, die mit gleichförmiger und ausreichend großer G-esehwin-' digkeit zirkuliert, damit die Bildung von Blasen gesättigten Dampfes verhindert wird.
5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (1) Zugangskanäle (6, 7) für das Fluid hat, die zu der Auflagefläche des Bauteils (2) senkrecht sind, und in der Mitte der Aussparung (5) ein Saoklock (8) mit Gewinde aufweist, in welches beim Zusammenbau eine an der Auflagefläche des Bauteils fest angebrachte Schraube (4) eingeschraubt wird.
6. Kühlvorrichtung naGh Anspruch 2 zur Verwendung bei Bauelementen nach Art von Thyristoren mit gleichmäßig ebener Auflagefläche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlvorrichtung an jeder Auflagefläche angebracht ist und daß durch eine mechanische Anpreßvorrichtung eine feste Verbindung hergestellt ist.
7. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid, welches die gesamte Kammer füllt, die durch die Aussparung (5) gebildet und durch die Wechselwirkungsfläche (3) verschlossen ist, mit gleichmäßiger Zirkulationsgeschwindigkeit strömt.

409842/0860

Leerseite