DE2523232A1

DE2523232A1 - Kuehldose fuer einen thyristor

Info

Publication number: DE2523232A1
Application number: DE19752523232
Authority: DE
Inventors: Tibor Dipl Ing Dr Salanki
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-05-26
Filing date: 1975-05-26
Publication date: 1976-12-02
Also published as: BE842143A; JPS51144582A; FR2312858A1; DE2523232C3; SE7602758L; DE2523232B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühldose für einen Thyristor mit einem zylinderförmigen Kern aus wärmeleitendem Material, bei dem wenigstens angenähert in wenigstens einer Ebene Strömungswege verlaufen, wobei jede Ebene in der Nähe einer Stirnfläche des Kerns wenigstens angenähert parallel zu dieser und zu einer zugehörigen Wärmeübergangsfläche ist, die zur wärmeleitenden Verbindung mit einem Thyristor bestimmt ist, wobei im Kern zwei Ausnehmungen vorhanden sind, in die je eine Ein- bzw. Auslaßöffnung mündet und wobei die Strömungswege in jeder Ebene von einer Ausnehmung zur anderen verlaufen.

Solche insbesondere zur Kühlung von Scheibenthyristoren benutzten Kühldosen sind aus der DT-OS 2 160 302 bekannt. Bei diesen Kühldosen sind als Ausnehmungen Bohrungen im zylindrischen Kern angeordnet, die von einer Stirnfläche des Kerns zur anderen verlaufen. Auf jede Stirnfläche ist ein Deckel aufgesetzt, dessen vom Kern abgewandte Fläche die zur Verbindung mit dem Thyristor vorgesehene Wärmeübergangsfläche bildet und in dessen dem Kern zugewandten Fläche als Strömungswege ringförmige, konzentrische Nuten angeordnet sind. Der zylindrische Kern und die mit den Strömungswegen versehenen Deckel sind mit Ringnietverbindungen flüssigkeitsdicht zusammengehalten. Diese Kühldosen werden zur Kühlung einzelner Scheibenthyristoren benutzt, die zwischen zwei Kühldosen eingespannt sind, oder sie werden in sogenannten Thyristorsäulen zur Kühlung mehrerer Scheibenthyristoren verwendet, wobei in einer solchen Thyristorsäule Scheibenthyristoren nebeneinander gestapelt und eingespannt sind und an jeder Seite eines

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Scheibenthyristors ein Kühlkörper eingefügt ist und mit seiner Wärmeübergangsfläche am Scheibenthyristor anliegt. Eine solche Thyristorsäule ist beispielsweise aus der DT-OS 1 914 790 bekannt

Bei der bekannten Kühldose sind alle Bauteile in Drehautomaten herzustellen und es ist lediglich eine Weiterbearbeitung in Bohrwerken erforderlich. Trotz dieser weitgehenden Automatisierung ist die Fertigung der bekannten Kühldose relativ teuer. Insbesondere bereitet die Herstellung der Kontaktflächen Schwierigkeiten, die plan und zueinander planparallel sein sollen. Im allgemeinen ist es erforderlich, die bereits vernietete Kühldose einem Schleifprozeß auszusetzen, um diese Forderung zu erfüllen. Damit ist ein weiterer, personell und maschinell aufwendiger Arbeitsgang erforderlich.

Es besteht die Aufgabe, eine Kühldose der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie in einfacher Weise, insbesondere auch in Serienfertigung hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ausnehmungen im Mantel des zylinderförmigen Kerns angeordnet sind«, daß wenigstens eine Stirnfläche des Kerns als Wärmeübergangsfläche ausgebildet ist, daß die Strömungswege wenigstens stückweise geradlinig verlaufende Bohrungen sind und daß der Kern von einem hohlzylindrischen Formstück umgeben ist, das die Ausnehmungen abdeckt, in dem die Ein- bzw. Auslaßöffnungen angeordnet sind und das kühlmitteldicht mit dem Kern verbunden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Kühldose wird der zylinderfÖrmige Kern von einem zylinderförmigen Strangmaterial abgeschnitten und kann dabei bereits so bearbeitet werden, daß seine die Wärmeübergangsflächen bildenden Stirnflächen plan und zueinander planparallel sind. Die als Kühlmittelsammler wirkenden, insbesondere symmetrisch zum Zentrum des Kerns angeordneten Ausnehmungen können anschließend beispielsweise als Nuten in den Mantel des Kerns gefräst werden und dann ist es nur noch erforderlich, die

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Bohrungen mit einem Bohrwerk anzubringen, die als Strömungswege die Ausnehmungen verbinden. Diese Bohrungen können sich geradlinig von einer Ausnehmung zur anderen durch den Kern erstrecken oder sie können längs von Sehnen des Kerns verlaufen, die außerhalb des Bereichs der Bohrungen liegen und durch Nuten im Mantel des Kerns miteinander verbunden sind. Bei der letztgenannten Ausführungsform erhält man einen oder mehrere zickzackfÖrmig bzw. mäanderförmig verlaufende Strömungswege, deren Länge durch eine entsprechende Linienführung der Bohrung verändert werden kann. Außerdem können die Durchmesser der Bohrungen unterschiedlich sein, womit der Wärmetransport insbesondere in Zentrumsnähe der Kühldose verbessert werden kann. Auch die Fertigung des hohlzylindrischen Formstücks bereitet keine Schwierigkeiten, da es lediglich von einem entsprechenden Profilmaterial abgeschnitten und mit Bohrungen für Zu- und Abfluß versehen werden muß, die mit den Ausnehmungen im Kern fluchten. Die kühlmitteldichte Verbindung zwischen Kern und hohlzylindrischem Formstück kann durch Kleben oder Löten hergestellt sein, oder es kann Kern und hohlzylindrisches Formstück in der Nähe jeder ihrer Stirnflächen eine Ringnut aufweisen, die wenigstens angenähert parallel zu den Stirnflächen verläuft, wobei sich je eine Nut im Kern und im hohlzylindrischen Formstück überdecken und in sich überdeckende Nuten ein Kunststoffring formschlüssig eingreift, der Kern und Formstück miteinander verbindet. Keiner der angeführten Fertigungsschritte erfordert einen besonderen Personal- oder Maschinenaufwand, wobei insbesondere auf die einfache Bearbeitung der Stirnflächen des Kerns zu verweisen ist, mit der Planabweichungen und Abweichungen von der Planparallelität der Wärmeübergangsflächen ohne Schwierigkeiten zu vermeiden sind und wobei außerdem noch die einfache, kühlmifteldichte Verbindung der beiden Bauteile anzuführen ist. Eine billige Serienfertigung der Kühldose ist damit möglich. Außerdem kann die erfindungsgemäße Kühldose ohne besonderen"zusätzlichen Konstruktionsaufwand lediglich durch Veränderung des Durchmessers einzelner Bohrungen oder mit einer entsprechenden Linienführung der Bohrungen für einen gro- · Ben Kühlmitteldurchsatz, beispielsweise mehr als 10 l/Min, oder

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für einen kleinen Kühlmitteldurchsatz, beispielsweise für weniger als 2 l/min, ausgelegt werden und es lassen sich durch die Wahl unterschiedlicher Durchmesser der Bohrungen besondere Bereiche der Wärmeübergangsflächen intensiver kühlen. Schließlich kann die erfindungsgemäße Kühldose aus Kupfer, Aluminium oder rostfreiem Stahl gefertigt sein, womit sie gleichzeitig zur Stromführung verwendet werden kann, wie es in einer Reihenschaltung von Scheibenthyristoren erforderlich ist, oder sie kann aus einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxid Al₂O, oder aus Berylliumoxid BeO hergestellt werden und damit auch als Isolator dienen.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Kühldose beispielhaft anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. In den Figuren sind verschiedene Ausführungsformen dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kühldose. Ein zylinderförmiger Kern 1 ist kühlmitteldicht mit einem hohlzylindrischen Formstück 2 verbunden, das Ein- und Auslaßöffnungen

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2a und 2b besitzt, in denen Füllstutzen 3a und 3b angeordnet sind. Im Mantel 1c des zylinderförmigen Kerns 1 sind Ausnehmungen 4a und 4b angeordnet, die als Kühlmittelsammelräume dienen und in die die Ein- und Auslaßöffnungen 2a und 2b münden. Die Ausnehmungen 4a und 4b sind durch Bohrungen 5 miteinander verbunden, die beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 geradlinig von einer Ausnehmung zur anderen durch den Kern 1 verlaufen. Im Ausführungsbeispiel sind die Durchmesser der Bohrungen 5, die in der Nähe des Zentrums des Kerns 1 liegen, größer, so daß man einen intensiveren Wärmeübergang im Zentrum erhält, der eine größere Wärmeabführung bewirkt und damit insbesondere an die Kühlung eines Scheibenthyristors angepaßt ist.

Fig. 1b zeigt einen Schnitt längs der linie Ib-Ib der Fig. 1a. Diese Figur zeigt insbesondere die Form des zylinderförmigen Kerns 1. Die Kühldose des Ausführungsbeispiels ist für die

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Kühlung von Scheibenthyristoren ausgelegt, die an die Stirnflächen 1a und 1Td des Kerns 1 beiderseits des Kühlkörpers angepreßt werden. Für die Kühlung dieser beiden als Wärmeübergangsflächen dienenden Stirnflächen 1a und 1b sind Bohrungen 5 in zwei Ebenen a und b angeordnet, wobei jede Ebene a bzw. b einer Stirnfläche 1a bzw. 1b zugeordnet ist und etwa parallel zu dieser Stirnfläche verläuft. Beim Ausführungsbeispiel sind als Ausnehmungen 4a und 4b Nuten in den Mantel 1c des Kerns 1 gefräst, so daß der Kern 1 doppel-T-fÖrmig ist.

Die Fertigung des erfindungsgemäßen Kühlkörpers wurde bereits erläutert. Es soll hier lediglich nochmals darauf verwiesen werden, daß sich bei der erfindungsgemäßen Kühldose die Stirnflächen 1a und 1b ohne besonderen maschinellen Aufwand und ohne zeitraubende weitere Arbeitsgänge plan und planparallel zueinander ausführen lassen, daß sich die Ausnehmungen 4a und 4b, die sich im Mantel des Kerns 1 befinden, als Nuten in einem Arbeitsgang herausfräsen lassen und daß sich schließlich auch die Bohrungen 5 in einem Arbeitsgang mit einem Bohrwerk anbringen lassen. Die Fertigung der erfindungsgemäßen Kühldose ist dementsprechend billig und äußerst wirtschaftlich.

Fig. 2a zeigt die Seitenansicht des zylinderförmigen Kerns einer anderen Ausführungsform. Die Bohrungen 5 verlaufen in jeder Ebene a bzw. b etwa parallel zur Innenfläche 6a bzw. 6b der Ausnehmungen 4a bzw. 4b längs von Sehnen 5a des Kerns, die die Ausnehmungen nicht berühren. Die Bohrungen 5 sind durch im Mantel 1c des Kerns 1 angeordnete Nuten 7 bzw. 8 miteinander so verbunden, daß man einen zickzackförmigen Strömungsweg durch den Kern 1 erhält. Dabei verlaufen die Nuten 7 jeweils zwischen zwei benachbarten Bohrungen 5 in einer Ebene a bzw. b und die Nuten 8 verbinden jeweils zwei Bohrungen 5, die sich in unterschiedlichen Ebenen a bzw. b des Kerns befinden. Bei den Nuten 7 und 8 dient die Innenwandung des Hohlzylinders 1 zur Abdeckung des Kühlmittelkanals. Mit dieser Ausführungsform läßt sich die Länge des Strömungsweges für das Kühlmittel einstellen und sich damit der

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Kühlmitteldurchsatz und der Druckabfall in der Kühldose mit einfachen Mitteln verändern. Einen Schnitt längs der Linie 1Ih-IIb in der Ebene a der Fig. 2a zeigt Fig. 2. Diese Figur läßt den zickzackförmigen bzw. mäanderförmigen Verlauf des Strömungsweges erkennen, der an den gerade längs von Sehnen 5a verlaufenden Bohrungen 5 und den Nuten 7 und 8 aufgebaut ist. Die Figur gibt die Lage der Nuten 7 und 8 wieder, mit denen die Bohrungen 5 in der Ebene a bzw. zwischen den Ebenen a und b verbunden sind. Die Nuten 7 in der Ebene b sind mit gestrichelten Linien angedeutet. Über zusätzliche Bohrungen 9 in der Innenfläche 6a bzw. 6b der Ausnehmungen 4a bzw. 4b sind die Bohrungen 5 mit den Ausnehmungen 4a und 4b verbunden, so daß sich der Strömungsweg von einer Ausnehmung zur anderen erstreckt. Es ist zu betonen, daß auch bei dieser Ausführungsform durch unterschiedliche Durchmesser der Bohrungen eine intensivere Kühlung eines bestimmten Bereiches der Wärmeübergangsflächen 1a bzw. 1b erreicht werden kann.

Fig. 3a zeigt die Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Kerns 1. Auch bei dieser Ausführungsform ist ein zickzackförmiger Verlauf des Strömungsweges für das Kühlmittel vorgesehen, bei dem mit Nuten 7 bzw. 8 im Mantel des zylinderförmigen Kerns 1 die Bohrungen 5 untereinander verbunden sind. Es ist jedoch bei dieser Ausführungsform eine zusätzliche Bohrung 10 angeordnet, die außerhalb der Ebene a und b durch den Kern 1 verläuft. Diese Bohrung 10 ist über eine Nut 8a am einen Ende mit einer Bohrung 5 in der Ebene a und mit einer Nut 8b an ihrem anderen Ende mit einer Bohrung 5 in der Ebene b verbunden. Mit solchen zusätzlichen Bohrungen 10 kann man beispielsweise erreichen, daß die Zuleitungen 9 wie in Fig. 3a in unterschiedlichen Ebenen a und b liegen und man kann mit solchen zusätzlichen Bohrungen 10 auch mehrere, voneinander unabhängige Zickzack- bzw. mäanderförmige Strömungswege im Kern 1 bilden. Die Fig. 3b, die einen Schnitt längs der Linie IHb-IIIb der Fig. 3a darstellt, zeigt den zickzackförmigen Verlauf des Strömungsweges und die Nuten 7 und 8, wobei die Nuten 7 der Ebene b wieder durch gestrichelte Linien eingezeichnet sind.

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Zusammenfassend ist zu den Fig. 1 bis 3 noch zu betonen, daß sich der zylinderförmige Kern 1 und das hohlzylindrische Formstück 2 aus Kupfer, Aluminium oder rostfreiem Stahl, beispielsweise Cr-Ni-Stahl herstellen lassen. Damit erhält man eine Kühldose, die elektrisch leitend ist und sich auch zur Stromführung zwischen den an die Kühlflächen 1a und 1b angepreßten Scheibenthyristoren einsetzen läßt. Der Kern 1 und das Formstück 2 lassen sich jedoch auch aus einer wärmeleitenden Keramik, die einen hohen elektrischen Widerstand besitzt, beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Berylliumoxid ohne Schwierigkeiten fertigen. Eine solche Kühldose wirkt dann als Isolator zwischen den an die Kühlflächen angepreßten Scheibenthyristoren. Als Kühlmittel kann jede geeignete Kühlflüssigkeit, insbesondere auch Wasser verwendet werden, wobei die aus einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Keramik gefertigten Kühldosen den weiteren Vorteil besitzen, daß Rohwasser verwendet werden kann, da ein elektrischer Stromfluß wegen der Isolationseigenschaften der Kühldose nicht zu befürchten ist.

In den Fig. 4a bis 4c sind verschiedene Ausführungsformen der kühlmitteldichten Verbindung zwischen dem Kern 1 und dem hohlzylinderförmigen Formstück 2 dargestellt, dessen Höhe so bemessen ist, daß es die Ausnehmungen 4a bzw. 4b überdeckt. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4a zeigt einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Kühldose. Der Kern 1 und das Formstück 2 sind über eine Schicht 11, die die gesamte Innenwandung des Formstückes 2 bedeckt, miteinander verklebt. Als Kleber für diese Schicht 11 kann jeder wärmebeständige, Metalle bzw. Keramikteile verbindende Kleber eingesetzt werden. Bewährt hat sich ein Klebemittel, das unter dem Namen Loctite 74/n im Handel erhältlich ist.

Der Schnitt durch einen Teil der erfindungsgemäßen Kühldose gemäß Fig. 4b zeigt eine Lötverbindung zwischen dem Kern 1 und dem Formstück 2. .Beim Ausführungsbeispiel ist die Kante der Innenwandung des Hohlzylinders 2 abgeschrägt, so daß eine Einsenkung entsteht, die mit einem Weichlotwulst 12 gefüllt ist. Diese Einsenkung kann auch durch andere Gestaltung gewonnen werden oder

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es kann auch, eine Überlappung zwischen Kern und Formstück 2 für die Verlötung vorgesehen sein. Die Verbindung mit Weichlot kann eingesetzt werden, wenn Kern und Formstück aus Kupfer, Aluminium oder Aluminiumoxid hergestellt sind.

Der Schnitt nach Fig. 4c zeigt eine Ausführungsform, bei der sowohl im Kern 1 als auch im Hohlzylinder 2 in der Nähe jeder Stirnfläche 1a und 1b Ringnuten 13 bzw. H so angeordnet sind, daß sich die Ringnuten 13 und 14, die sich benachbart zur gleichen Stirnfläche 1a bzw. 1b befinden, bei zusammengebauter Kühldose überdecken. Die Ringnut 14 ist mit Bohrungen 15 versehen, durch die ein aushärtbarer Kunststoff 16 in die Ringnut eingebracht werden kann. Von dem aushärtbaren Kunststoff werden Ringe 16 gebildet, die formschlüssig in die miteinander fluchtenden Nuten 13 und 14 eingreifen und eine kühlmitteldichte Verbindung der beiden Bauteile 1 und 2 gewährleisten. Diese Verbindung eignet sich besonders für Aluminium, Kupfer und rostfreien Stahl als Material für den Kern 1 und den Hohlzylinder 2. Als Kunststoff für diese Verbindung, die man auch mit Schrumpfverbindung bezeichnen kann, kann jeder handelsübliche aushärtbare Kunststoff benutzt werden. Besonders bewährt hat sich ein Kunststoff, der unter dem Namen Lochte im Handel erhältlich ist.

9 Patentansprüche
^Figuren

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Claims

YPA 75 P 3113 BRD Patentansprüche

1.) Kühldose für einen Thyristor mit einem zylinderförmigen Kern aus wärmeleitendem Material, bei dem wenigstens angenähert in wenigstens einer Ebene Strömungswege verlaufen, wobei jede Ebene in der Nähe einer Stirnfläche des Kerns wenigstens angenähert parallel zu dieser und zu einer zugehörigen Wärmeübergangsfläche ist, die zur wärmeleitenden Verbindung mit einem Thyristor bestimmt ist, wobei im Kern zwei Ausnehmungen vorhanden sind, in die je eine Ein- bzw. Auslaßöffnung mündet und wobei die Strömungswege in jeder ISbene von einer Ausnehmung zur anderen verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (4a, 4b) im Mantel (1c) des zylinderf örmigen Kerns (1) angeordnet sind, daß wenigstens eine Stirnfläche (1a, 1b) des Kerns als Wärmeübergangsfläche ausgebildet ist, daß die Strömungswege wenigstens stückweise geradlinig verlaufende Bohrungen (5) sind und daß der Kern von einem hohlzylindrischen Formstück (2) umgeben ist, das die Ausnehmungen abdeckt, in dem die Ein- bzw. Auslaßöffnungen (2a, 2b) angeordnet sind und das kühlmitteldicht (11, 12, 16) mit dem Kern verbunden ist.

2. Kühldose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Bohrung (5) geradlinig von einer Ausnehmung (4a,~4b) zur anderen erstreckt.

3. Kühldose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Bohrung (5) geradlinig längs einer Sehne (5a) erstreckt, die außerhalb des Bereichs der Ausnehmungen (4a, 4b) liegt und daß benachbarte Bohrungen über Nuten (7, 8) im Mantel (1c) des Kerns (1) miteinander verbunden sind.

4. Kühldose nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in verschiedenen Ebenen (a, b) angeordnete Bohrungen (5) durch Nuten (8) im Mantel (1c) des Kerns (1) miteinander verbunden

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5. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (5) unterschiedliche Durchmesser "besitzen.

6. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kern (1) und hohlzylindrisches Formstück (2) miteinander verklebt (11) sind.

7. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kern (1) und hohlzylindrisches Formstück (2) miteinander verlötet (12) sind.

8. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kern (1) und hohlzylindrisches Formstück (2) in der Nähe jeder Stirnfläche (1a, 1b) eine Ringnut (13, H) aufweisen, die wenigstens angenähert parallel zu den Stirnflächen (1a, 1b) verlaufen, daß je eine Ringnut im Kern und im hohlzylindrischen Formstück sich überdecken und daß in
sich überdeckende Nuten ein Kunststoffring (16) formschlüssig eingreift, der Kern und Formstück miteinander verbindet.

9. Kühldose nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (1) aus^fiiner wärmeleitenden Keramik gefertigt ist, die einen hohen elektrischen Widerstand besitzt.

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