DE2502472A1

DE2502472A1 - Kuehlkoerper zur kuehlung von thyristoren

Info

Publication number: DE2502472A1
Application number: DE19752502472
Authority: DE
Inventors: Werner Hangs; Heribert Rueger; Friedrich Scherbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-01-22
Filing date: 1975-01-22
Publication date: 1976-07-29
Also published as: SE7600215L; DE2502472C2; JPS5199226A

Description

KühLkörper zur Kühlung von Thyristoren Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper zur Kühlung von Thyristoren mit einer Grundplatte, von deren einer Seitenfläche im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Kühlrippen abstehen und deren von den Kühlrippen abgewandte Seitenfläche zur wärmeleitenden Verbindung mit einem Thyristor dient.
Ein solcher Kühlkörper ist beispielsweise aus dem Thyristor-Handbuch, Herausgeber Siemens AG, 1965, 5. 199 bis 203, bekannt.
Diese Kühlkörper bestehen aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium, wobei Aluminium aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt wird. Solche Kühlkörper können beispielsweise durch Einlöten der Kühlrippen in Nuten der Grundplatte oder im Strangpreßverfahren hergestellt werden.
Aus Aluminium im Strangpreßverfahren hergestellte Kühlkörper sind für die Serienfertigung geeignet. Bei diesem Herstellungsverfahren bleibt jedoch aus fertigungstechnischen Gründen der Abstand zwischen den Kühlrippen relativ groß. Benötigt man, beispielsweise für Thyristoren hoher Leistung, zur Wärmeabfuhr eine große Wärmeübergangsfläche, d.h. eine möglichst große Zahl von Kühlrippen, so läßt sich diese große Wärmeübergangsfläche bei im Strangpreßverfahren hergestellten Kühlkörpern nur mit einer großen räumlichen Abmessung des Kühlkörpers erhalten, was zu unwirtschaftlich großen Geräten führt. Lötverbindungen zwischen Kühlrippen und Grundplatte, mit denen man relativ geringe Abstände zwischen den Kühlrippen erhalten könnte, sind auch nur mit hohem wirtschaftlichen Aufwand möglich und daher für die Serienfertigung nicht geeignet.
Es besteht die Aufgabe, einen Kühlkörper der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er insbesondere auch bei kleinen Kühlrippenabständen zur Massenfertigung geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jede Kühlrippe in eine Nut eingepreßt ist, die Untermaß bezüglich der Dicke der Kühlrippe besitzt und daß jede Kühlrippe auf wenigstens einer Seite wenigstens in dem Bereich, der in die Nut eingepreßt ist, mit vielen Ausformungen versehen ist. Vorzugsweise sind die Ausformungen langgestreckt. Sie können parallel zueinander und geradlinig verlaufen.
Bei dem erfindungsgemäßen Kühlkörper verformen sich beim Einpressen die vielen, dicht beieinanderliegenden Ausformungen der Kühlrippen und die entsprechenden Bereiche der Nutenseitenwände plastisch und man erhält eine Kaltverschweißung zwischen den Seitenwänden der Nuten und den Kühlrippen, insbesondere auch dann, wenn Kühlrippen und Grundplatte aus Aluminium gefertigt sind. Der Abstand zwischen den Kühlrippen ist dabei durch die Breite des Materialstreifens zwischen zwei benachbarten Nuten der Grundplatte gegeben und muß so gewählt sein, daß ein Abknicken oder Verbiegen dieser Materialstreifen beim Einpressen nicht erfolgt. Es lassen sich damit Kühlrippenabstände von ungefähr 2 mm realisieren, was eine erhebliche räumliche Verkleinerung gegenüber stranggepreßten Kühlkörpern gleich großer Wärmeübergangsfläche bedeutet. Die Fertigung des erfindungsgemäßen FLühlkörpers ist sehr einfach. Die einzellen Bauteile lassen sich im Strangpreßverfahren als Profilmaterial billig herstellen. Anschließend werden die Kühlrippen in die Nuten der Grundplatte in einem einzigen Arbeitsgang eingepreßt, wobei die Kühlrippen in einer Schablone gehalten werden können. Damit ist der erfindungsgemäße Kühlkörper in Serienfertigung ohne besonderen Aufwand an Werkzeug herzustellen. Beim Einpressen werden durch die Ausformungen der KühL-rippen Fremdschichten, Oxydschichten und Material der Seitenwände der Nuten abgeschabt, was die Kaltverschweißung begünstigt. Dabei sind Ausformungen besonders günstig, die dreieckförmigen Querschnitt und/oder schneidenartige Kanten besitzen, um Oxyd- und Fremdschichten zu durchstoßen. Am Boden bzw. der Sohle der Nuten fehlt die Verschweißung zwischen der Grundplatte und den Kühlrippen. Es sammeln sich in diesem Bereich sogar die von den Seitenwänden der Nuten abgeschabten Materialien an, was die Ausbildung von Luftspalten zwischen den Kühlrippen und der Grundplatte in diesen Bereichen bewirkt. Eine wärmeleitende Verbindung ist daher nur in den Seitenflächen der Nuten zwischen der Grundplatte und den Kühlrippen vorhanden und fehlt im Bereich der Sohlen der Nuten.
Der zur Wärmeleitung zwischen Thyristor und Kühlrippen zur Verfügung stehende Querschnitt der Grundplatte wird damit entscheidend verkleinert und der Wärmewiderstand der Grundplatte erhöht. Auf Seite 202 der obengenannten Literaturstelle ist ausgeführt, daß eine Erhöhung des Wärmewiderstandes in der Grundplatte die Kühlleistung des Kühlkörpers erniedrigt. Es ist überraschend, daß durch die Vielzahl der Xuftspalte, die im Bereich der Nutensohlen zwischen KühLrippen und Grundplatte auftreten und die den Wärmewiderstand der Grundplatte wesentlich erhöhen, keine wesentliche Erniedrigung der Kühlleistung ausgelöst wird, wie Messungen am erfindungsgemäßen Kühlkörper ergaben.
Zwar ist aus der DT-OS 2 132 139 und der I)T-OS 2 313 155 ein Verfahren zum Kaltverschweißen von Werkzeugteilen bekannt, bei dem das eine Werkzeugteil in eine Nut des anderen -Werkzeugteiles eingepreßt wird, wobei die Nut Untermaß bezüglich des eingepreßten Werkzeugteiles besitzt und das eingepreßte Werkzeugteil auf wenigstens einer Seite mit langgestreckten, parallel zueinander und geradlinig verlaufenden dreieckförmigen oder schneidenartige Kanten besitzenden Rippen versehen ist, die etwa parallel zur Einpreßrichtung liegen. Beide Literaturstellen beinhalten, daß mit diesem Verfahren eine Kaltverschweißung mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften in den Seitenwänden der Nuten zwischen beiden Werkzeugteilen erfolgt und ein luftspalt im Bereich der Nutensohle zwischen beiden Werkzeugteilen verbleibt. Das angeführte, für den erfindungsgemäßen Kühlkörper überraschende Ergebnis, nach dem die große Anzahl der Luftspalte bzw. der schlechten oder unterbrochenen Wärmeiibergänge im Bereich der Nutensohlen sich auf die Kühlleistung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers nur wenig auswirkt, ist jedoch nach diesen Literaturstellen nicht zu erwarten. Nur mit diesem überraschenden, nicht zu erwartenden Ergebnis ist jedoch der Einsatz des bekannten Kaltpreß-Schweißverfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers sinnvoll.
Auf die freien Enden der auf wenigstens einer Seite mit vielen Ausformungen versehenen Kühlrippen kann eine zweite GrundpLatte aufgepreßt sein, die mit je einer Nut für jede Kühlrippe versehen ist, wobei die Nuten Untermaß gegenüber der Dicke der zugehörigen Kühlrippen besitzen. Solche Kühlkörper können in luftgekühlten Thyristorsäulen eingesetzt werden, in denen Scheibenthyristoren aufeinandergestapelt und federnd gehalten sind, wobei an jeder Seite jedes Scheibenthyristors ein Kühlkörper eingefügt ist.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Kühlkörper beispielhaft anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert. In den Figuren sind mehrere Ausführungsbeispiele und der Aufbau einer Thyristorsäule gezeigt, die mit erfindungsgemäßen Kühlkörpern ausgerüstet ist. Dabei sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figur 1 zeigt die Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlkörpers. Der Kühlkörper 1 ist aus Kühlrippen 2 und einer Grundplatte 3 aufgebaut. Kühlrippen 2 und Grundplatte 3 sind aus Aluminium gefertigt. Die Kühlrippen 2 sind in der bereits erläuterten Weise in Nuten 4 eingepreßt, wobei eine Kaltverschweißung in den Seitenwänden 4a der Nuten 4 zwischen den Kühlrippen 2 und der Grundplatte 3 erfolgt und im Bereich der Nutensohlen 4b luftspalte zwischen den Stoßkanten der Kühlrippen 2 und der Grundplatte 4 verbleiben. In der Figur 1 ist auf der Seitenfläche 5 der Grundplatte 3, die von den Kühlrippen 2 abgewandt ist, ein Thyristor 6 angedeutet, der mit der Befestigungsfläche 5 wärmeleitend verbunden ist. Dieser Thyristor 6 kann ein Schraub- oder Scheibenthyristor sein. Für einen Schraubthyristor ist in der Grundplatte 3 einGewindeloch vorzusehen. Im Ausführungsbeispiel ist ein Scheibenthyristor schematisch dargestellt. Von diesem Scheibenthyristor 6 geht im Betriebszustand ein Wärmestrom aus, der längs der Pfeile 7 durch die Grundplatte 3 zu den Kühlrippen 2 verläuft. Im Wege dieses Wärmestromes liegen die ~luftspalte bzw. schlechten oder unterbrochenen Wärmeübergänge im Bereich der Nutensohlen 4b, durch die der für die Wärmeleitung zur Verfügung stehende Querschnitt der Grundplatte 3 auf die Dicke der Materialstreifen 3a zwischen den Nuten 4 eingeengt wird. Es ist überraschend, daß durch diese Querschnittsverkleinerung und die damit verbundene Vergrößerung des Wärmewiderstandes im Wärmestromweg die Kühlleistung des Kühlkörpers 1 nicht wesentlich verringert wird. Es wird sogar für hochbelastete Thyristoren durch den kleinen Abstand zwischen den Kühlrippen 2, der sich mit der Dicke der Materialstege 3a zwischen den Nuten 4 einstellen läßt, die Wärmeübergangsfläche zum Kühlmedium bei zwangsbelüfteten Kühlkörpern so stark vergrößern, daß sich auch Kühlkörper mit kleinen räumlichen Abmessungen für hohe Kühlleistungen realisieren lassen. Hierzu muß selbstverständlich das gasförmige Kühlmedium, das beispielsweise Luft sein kann, mit einem entsprechenden Druck durch die schmalen Zwischenräume zwischen den Kühlrippen 2 geführt werden.
Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht einen vergrößerten Ausschnitt eines Kühlkörpers nach Figur 1. Dabei sind die Stege 3a zwischen den Nuten 4 sehr breit gezeichnet, um die Übersichtlichkeit zu verbessern. In die Nuten 4 der Grundplatte 3 sind Kühlrippen 2 unter Druck eingepreßt, die im Ausführungsbeispiel mit dicht beieinanderliegenden, Langgestreckten, parallel zueinander und geradlinig verlaufenden Ausformungen bzw. Riefen 8 versehen sind, die im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte stehen. Es ist zu betonen, daß diese Ausformungen 8 in vielfältiger Form und in beliebiger Ausrichtung zur Oberfläche der Grundplatte 10 angeordnet sein können. Beispielsweise können die Ausformungen auch noppenartige Vorsprünge sein. Die im Ausführungsbeispiel gezeigten Riefen 8 sind fertigungstechnisch vorteilhaft, da sich Kühlrippen 2 mit solchen Riefen 8 im Strnngpreßverfahren herstellen lassen. Vorzugsweise sind die Ausformungen 8 auf beiden Seitenflächen der KühLrippen 2 angeordnet, um eine beidseitige Kaltverschweißung mit den Seitenwänden 4a der Nuten 4 zu erhalten. Die Breite der Nut 4 ist geringfügig kleiner als die Dicke der zugehörigen Kühlrippe 2. Beim Einpressen der Kühlrippen 2 werden daher Fremd- und Oxydechichten an den Seitenwänden 4a der Nuten abgeschabt und es kommt zu einer plastischen Verformung sowohl der Ausformungen 8 als auch der Seitenwände 4a der Nuten 4. Mit dieser plastischen Verformung erreicht man eine Kaltverschweißung zwischen den Kühlrippen 2 und den Seitenwänden 4a der Nuten 4. Die Höhe der Ausformungen 8 ist so zu wählen, daß die über die Riefen gemittelte Dicke der Kühlrippen 2 in etwa der Nutenbreite entspricht. Vorzugsweise sind die Ausformungen bzw. Riefen 8 dreieckförmig ausgebildet und/oder mit schneidenartigen Kanten versehen. Figur 3 zeigt in einer Draufsicht auf eine vergrößerte Kühlrippe 2 dreieckförmige Riefen 8a und stegartige bzw. trapezförmige Riefen 8b. In beiden Ausführungsformen sind die Kanten schneidenartig ausgebildet. Diese scharfkantige Ausbildung der Riefen 8 erleichtert das Durchstoßen von Fremd-bzw. Oxydschichten auf den Seitenwänden der Nuten 4 und verbessert damit die Kaltpreßschweißung.
Das von den Seitenflächen 4a der Nuten 4 abgeschabte Material der Oxyd- und Fremdschichten sammelt sich an der Sohle 4b der Nuten 4 an. In Figur 2 sind diese Rückstände vergrößert eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 9 versehen. Im Bereich der Sohle 4b der Nuten 4 kann es bei dem besprochenen Verbindungsverfahren nicht zu einer Kaltverschweißung zwischen der Grundplatte 3 und den Kühlrippen 2 kommen. Durch die abgeschabten Rückstände 9, die sich in den Ecken der Sohle 4b der Nuten 4 ansammeln, wird außerdem noch ein größerer Abstand zwischen den Stoßkanten der Kühlrippen 2 und den Sohlen 4b der Nuten 4 bewirkt. Wie Figur 2 zeigt, kommt es daher in diesem Bereich zur Ausbildung von ~luftspalten und damit zur Vergrößerung des Wärmewiderstandes, dessen zu erwartende Folgen sich jedoch überraschenderweise nicht einstellen.
Für den Kaltpreß-Schweißvorgang würde es ausreichend sein, die Ausformungen bzw. Riefen 8 der Kühlrippen 2 in den Bereichen vorzusehen, die mit der Grundplatte 3 zu verschweißen sind. Aus fertigungstechnischen Gründen werden jedoch die Riefen 8 über die gesamte Länge der Kühlrippen geführt, was besonders dann erforderlich ist, wenn die Kühlrippen als Strangpreßmaterial hergestellt werden. Damit ist jedoch auch ein weiterer, kühltechnischer Vorteil verbunden, da mit den Riefen eine Wirbelbildung des zwischen den Kühlrippen 2 strömenden, gasförmigen Kühlmediums erreicht und damit die Wärmeabfuhr wesentlich verbessert wird.
Figur 4 zeigt in einer vergrößerten, perspektivischen Teilansicht eine Nut 4 der Grundplatte 3c Dieser Teilansicht ist zu entnehmen, daß sich die Breite der Nut 4 von der Oberfläche der Grundplatte 3 her gesehen keilförmig verkleinert und die Nut 4 sich konisch verjüngt. Mit dieser Ausbildung der Nut wird die beim Einpressen der Kühlrippen 8 eintretende plastische Verformung und damit die Kaltverschweißung wesentlich verbessert. Zum Einpressen der Kühlrippen 2 in eine solche Nut ist ein Druck von ungefahr 5000 Newton pro Rippenlänge erforderlich. Ordnet man, wie Figur 4 zeigt, in den Seitenwänden 4a der Nut 4 Rillen 4c an, die parallel zur Oberfläche der Grundplatte 3 oder zur Sohle 4b der Nut 4 verlaufen, so wird der zum Einpressen nötige Druck erniedrigt, da überschüssiges Material sich in die Längsrillen 4c eindrückt. Diese Rillen 4c können beispielsweise dreieckförmigen oder halbkreisförmigen Querschnitt besitzen, wie die beiden Ausführungsformen der Figur 4 zeigen. Mit diesen Rillen 4c wird die Kaltverschweißung zwischen den Kühlrippen 2 und der Grundplatte 3 nicht verschlechtert.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlkörpers. Es ist auf die freien Enden der kühlrippen 2 des Kühlkörpers nach Figur 1 eine weitere Grundplatte 3? in der besprochenen Weise aufgepreßt. Dadurch erhält man neben der Befestigungsfläche 5 eine weitere Befestigungsfläche 5?, mit der ein zweiter Thyristor wärmeleitend verbunden werden kann. Anhand eines Ausführungsbeispiels wird gezeigt werden, daß sich ein solcher Kühlkörper vorzugsweise zum Aufbau einer Thyristorsäule einsetzen läßt, wie er beispielsweise in HG2-Anlagen verwendet wird. Die Vorteile bezüglich des Herstellungsverfahrens und das überraschende Ergebnis bezüglich der Kühlleistung bleibt auch bei dieser Ausführungsform voll erhalten.
In Figur 6 ist eine Thyristorsäule gezeigt, wie sie für Flüssigkeitskühlung beispielsweise aus der DT-OS 1 914 790 bekannt ist. Die in Figur 6 gezeigte Thyristorsäule ist mit erfindungsgemäßen Kühlkörpern 1 nach Figur 5 ausgerüstet und damit zur Fremdluftkühlung hochbelasteter Scheibenthyristoren 6 geeignet. Die Thyristorsäule enthält mehrere in Reihe geschaltete Scheibenthyristoren 6, wobei an jeder Seite eines Scheibenthyristors 6 ein Kühlkörper 1 mit einer seiner zwei Grundplatten 3 oder 3' anliegt. An die Kühlkörper 1 können die elektrischen Anschlüsse für die Scheibenthyristoren 6 geführt sein. Diese Anschlüsse wurden in der Figur 6 wegge-Lassen, um die Ubersichtlichkeit zu wahren.
Über Isolierstücke 10 und ein Druckstück 11 sind die Scheibenthyristoren 6 und die Kühlkörper 1 in einem Gestell verspannt, das im wesentlichen von zwei Schraubbolzen 12 und 13 und zwei Spannplatten 14 und 15 gebildet ist. Das eine der Isolierstücke 10 liegt auf der Spannplatte 14, das andere Isolierstück 10 auf dem Druckstück 11 auf. Bezüglich des Druckstückes 11 wird beispielhaft auf die obengenannte DT-OS 1 914 790 verwiesen. Das Druckstück 11 weist im wesentlichen Tellerfedern 16 als Energiespeicher auf, mit denen eine elastische Druckkraft auf die Kühlkörper 1 und die Scheibenthyristoren 6 ausgeübt wird, womit die elektrische und thermische Kontaktierung zwischen Kühlkörpern 1 und Scheibenthyristoren 6 sichergestellt ist. Das Ausführungsbeispiel nach Figur 6 verdeutlicht, daß man durch die kompakte Form des erfindungsgemäßen Kühlkörpers 1 raumsparende Thyristorsäulen bzw. Thyristorsätze aufbauen kann, die vielfältig eingesetzt werden können.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß der erfindungsgemäße Kühlkörper sich ohne besonderen Aufwand herstellen Läßt und für eine billige Serienfertigung geeignet ist. Es läßt sich mit ihm insbesondere eine dichte Packung der Kühlrippen und damit bei geringem Raumbedarf des Kühlkörpers eine große Kühlfläche erreichen und insbesondere bei Zwangskühlung eine gute Kühlleistung erzielen. Mit dem Kühlkörper läßt sich die Kühlung von Scheibenthyristoren, beispielsweise in Thyristorsäulen oder die Kühlung von Schraubthyristoren in Thyristorsätzen auch bei hohen Leistungen durchführen.
10 Patentansprüche 6 Figuren

Claims

Patentansprüche @ Kühlkörper zur Kühlung von Thyristoren mit einer Grundplatte, von deren einer Seitenfläche im wesentlichen parallel zueinander verlaufende Kühlrippen abstehen und deren von den Kühlrippen abgewandte Seitenfläche zur wärmeleitenden Verbindung mit einem Thyristor dient, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kühlrippe (2) in eine Nut (4) der Grundplatte (3) eingepreßt ist, die Untermaß bezüglich der Dicke der Kühlrippe besitzt und daß jede Kühlrippe auf wenigstens einer Seite wenigstens in dem Bereich, der in die Nut eingepreßt ist, mit vielen Ausformungen (8) versehen ist.
2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) langgestreckt sind.
3. Kühlkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) parallelzueinander sind.
4. Kühlkörper nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) geradlinig verlaufen.
5. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Grundplatte (10) stehen.
6. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) dreieckförmigen Querschnitt (8a) besitzen.
7. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausformungen (8) mit schneidenartigen Kanten versehen sind.
8. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Nut (4) sich von der Oberfläche der Grundplatte (3) her gesehen verkleinert.
9. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen (4b) der Nuten (4) langgestreckte Rillen (4c) besitzen, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Grundplatte (3) verlaufen.
10. Kühlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, mit je einer Nut (4) für #ede Kühlrippe (2) versehene Grundplatte (3?) auf die freien Enden der Kühlrippen aufgepreßt ist, wobei die Nuten Untermaß gegenüber der Dicke der zugehörigen Kühlrippen besitzen und das freie Ende jeder Kühlrippe auf wenigstens einer Seite wenigstens in dem Bereich, der in die Nut eingepreßt ist, mit vielen Ausformungen (8) versehen ist.