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Kühlvorrichtung für Schaltungselemente,
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die Wärme erzeugen Gegenstand dieser Erfindung ist eine Vorrichtung,
die elektrische Schaltungselemente zu kühlen hat, welche dann, wenn sie arbeiten,
Wärme erzeugen und abgeben. Gegenstand dieser Erfindung ist insbesondere aber eine
Kühivorrichtung für ein wärmeerzeugendes und warmeabgebendes Element, bei dem die
von diesem Element erzeugte Wärme dadurch abgeführt wird, daß ein kondensierbares
Medium, beispielsweise Freon, reines Wasser oder dergleichen mehr, zum Sieden gebracht
und dadurch wiederum das vorerwähnte und die Wärme erzeugende Element abgekühlt
wird.
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Die Erfindung soll nachstehend nun anhand von elektrischen Wandlern,
die mit Halbleiterelementen -beispielsweise mit Dioden oder Thyristoren bestückt
sind - vorgestellt und beschrieben werden. Und es sind gereade diese Halbleiterelemente,
die die Wärme erzeugen und abgeben.
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Zu der Gruppe bekannter Umformer, für die diese Erfindung bestimmt
ist, gehören:- Solche Umformer, welche Wechselstrom in Gleichstrom umformen (d.h.
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die Gleichrichter), solche Umformer, in denen eine Umformung von Gleichstrom
nach Wechselstrom stattfindet, (d.h. die Wechselrichter), Umformer, welche eine
Umformung von Wechselstrom nach Wechselstrom herbeiführen (d.h. die Steuerumric#hter,
die Thyristorschaltungen) sowie solche Umformer, die Gleichstrom in Gleichstrom
umformen (d.h. die Zerhacken)
Weil Gegenstand dieser Erfindung nur
eine neue Vorrichtung für das Kühlen von wärmeerzeugenden und wärmeabführenden elektrischen
Schaltungselementen ist, welche bei Gebrauch Wärme erzeugen, wird auch nicht beschrieben,
auf welche Weise in den Schaltungselementen der Umformungsvorgang abläuft.
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Mit Fig. 1 dargestellt ist ein konventionelles Kühlsystem für Halbleiterelemente,
die als Umformerelemente eingesetzt werden, beispielsweise für Dioden oder Thyristoren.
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W-ie aus Fig. 1 zu erkennen ist, werden die Halbleiterelemente 1A,
die Kühlelemente 2a und die isolierenden Distanzstücke 3 als ein System aus jedweils
nebeneinander angeordneten Elementen von einem Befestigungsmechanismus 5, zu dem
die isolierenden Ansätze 4 gehören, zusammengehalten.
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Zu einem jeden Kühlelement 2A gehört ein in dessen Inneren angeordneter
Fliissigkeitsbehälter 6, in dem sich ein kondensierbares Kühlmittel, beispielsweise
Freon, befindet. Mit dem Kühlmittelbehälter 6 verbunden sind die Leitungen 7 für
den Transport des konensierbaren Kühlmittels, die auch noch mit einem über den Leitungen
7 angeordneten 7 Kühlkondensator 8 verbunden sind. Bei diesem System wird das im
Flüssigkeitsbehälter 6 enthaltene kondensierbare Kühlmittel durch die von den Halbleiterelementen
1A erzeugte Wärme verdampft. In der Gasphase strömit das Kühlmittel die Leitugen
hoch und gelangt schließlich in den Kondensator 8, wo das Gas Gas durch die Einwirkung
eines sekundären
Kühlmittels 12 zu einem Kondensat kondensiert wird.
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Das kondensierte Kühlmittel wird wieder in den Flüssigkeitsbehälter
6 zurückgeführt und kann dann wieder zur Abführung von Wärme dann genbltzt werden,
wenn es zum Sieden gebracht wird. Mit der allgemeinen Hinweiszahl 14 gekennzeichnet
sind die Anschlüsse für den Elektroanschluß oder die Stromversorgung.
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Um das Verstehen der bisher vorliegenden Beschreibung zu erleichtern,
soll nachstehend die Erfindung nun Anhand von Fig. 2, Fig. 3 und Fig.4 erläutert
und beschrieben werden:-Fig. 2 zeigt eines der Kühlelemente 2A in vergrößerter Seitenansicht.
Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht der Kühl leitungen 7, während es sich
bei Fig. 4 um einen Schnitt durch ein Halbleiterelement 1A und zwei Kühlelementen
2A handelt, von denen jeweils ein Kühlelement 2A auf jeder Seite des Halbleiterelementes
1A angeordnet ist. Das Halbleiterelement 1A ist so dargestellt, als bestehe es auch
der Halbleiterpille 1Al, das für den Umformvorgang geeignet und ausgelegt ist, und
aus den Bolzen 1A2, 1A3, die die Strornausgangsanschlüsse darstellen,sowie auch
noch aus einer externen Isolationsvorrichtung 1A4.
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An der derart konstruierten Kühl vorrichtung für die Halbleiterelemente
lAl sind zwecks Verbesserung der Kühl leistung der Kühlelemente 2A die verschiedensten
Untersuchungen vorgenommen worden. Dabei ist festgestellt worden, daß der thermische
Widerstand Rth (Rippe - Umgebung) des
Kühlelementes/der Kühlelemente
2A im Hinblick auf das sekundäre Kühlmittel 12 einen sehr kleinen Wert haben kann.
Damit dies geschehen kann, wird das Sieden des kondensierbaren Kältemittels, beispielsweise
des Freons oder des reinen Wassers, für der Wärmetransport oder die Wärme abführung
nutzbar gemacht.
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Von den mit Fig. 4 dargestellten Halbleiterschaltungselementen 1A
wird im inneren übergang dann Wärme erzeugt, wenrl ei ne Stromumformung statfindet
in der Halbleiterpille lAl - (der innere Übergang wird normalerweise auch als PN-Übergang
bezeichnet). Es ist somit erforderlich, daß von der Halbleiterpille lAl aus die
Wärme wirkunqsvoll abgeführt werder muß, und zwar uber die Bolzen IAP und 1A3 zu
den Kühlelementen 2A hin. Eine Wärmeabstrahlung kann jedoch dann nicht wirksam durchgeführt
werden, wenn der thermische Widerstand (übergangszone - Ende) vom inneren Übergang
in der Halbleiterpille lAl bis zu den Kühlelementen 2A groß ist, und dies ganz gleich,
wie der thermische Widerstand Rth (F-A) beschaffen sein amg.
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Das geht auch aus der nachstehend angeführten Gleichung ganz klar
hervor:-#T = P x Rth (F-A) + Rth (J-F) ... (1) In diese Gleichung eingesetzt sind
die nachstehend angeführten Größen:-P = elektrische Leistung erzeugt in der Halbleiterpille
lAl ~1 1 = Temperaturanstieg der Halbleiterpille lAl im Hinblick auf das sekundäre
Kühlmittel 12
Aus der Gleichung geht hervor, daß es für das Kühlen
des Umformerelementes 1A wichtig ist, wenn sowohl der thermische Widerstand/Wärmewiderstand
Rth ( J-F ) als auch der thermische Widerstand/Wärmewiderstand Rth ( F - A ) verringert
werden würden.
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Als bekannt vorausgesetzt werden kann, daß es möglich ist, den thermischen
Widerstand/Wärmewiderstand Rth ( j - A ) dadurch zu verringern, daß entweder die
Querschnittsfläche der Bolzen 1A2, 1A3 vergrößert oder die Strecke, über die über
die Bolzen 1A2 und 1A3 die Wärme übertragen und abgeführt wird, verkleinert wird.
Die vergrößerung der Querschnittsfläche den Bolzen 1A2 und 1A3 - (diese Bolzen stehen
über diese Querschnittsfläche mit den Kühlelementen 2A in Berührungskontakt) - führt
dazu, daß auch die Halbleiterelemente 1A größer werden. Die Vergrößerung der Querschnittsfläche
unterliegt somit den für die Konstruktion von Umformern vorgegebenen Einschränkungen.
Andererseits wiederum braucht für eine Verkürzung der Wärmeableitungsdistanz auf
einen minimal kleinen Wert nur der Abstand ab der Halbleiterpille lAl über die Bolzen
1A2 und 1A3 zum Kühlelement 2A hin verkürzt zu werden, d.h. die Bolzen 1A2 und 1A3
müssen möglichst dünn ausgeführt werden. Wie nun aus Fig. 4 zu erkennen ist, ist
das Außenelement 1A4 normalerweise derart angeordnet und montiert, daß dadurch in
Anwendungsfällen, bei denen zwischen den Kühlelementen 2A eine Spannung von mehreren
hundert Volt bis mehreren tausend Volt aufgeschaltet ist,
elektrische
Entladungsvorgänge zwischen den Kühlelementen 2A verhindert werden und nicht stattfinden
können.Wenn die Dicke der Bolzen 1A2 und 1A3 verringert wird, dann muß auch notwendigerweise
das äußere Element 1A4 in seiner Dicke verringert werden, was wiederum die Aufrechterhaltung
eines überschlagfreien oder entladungs#freien Pfades gegen die aufgeschaltete Spannung
unmöglich macht.
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Beschrieben worden ist, daß bei der konventionellen Kühivorrichtung
für wärmeerzeugende Schaltungselemente, beispielsweise von Halbleiterelementen,
eine Verringerung des thermischen Widerstandes Rth (F-A) der Kühlelemente herbeigeführt
worden ist, nicht aber eine Verringerung des thermischen Widerstandes/ Wärmewiderstandes
Rth ( J - F r der die Wärme erzeugenden und abgebenden Schaltungselemente, und dies
wegen der Konstruktionseinschränkungen im Hinblick auf die wärmeerzeugenden Schaltungselemente.
Damit aber weist die Kühl vorrichtung konventioneller Ausführung den Nachteil auf,
daß sich eine effiziente und wirksame Kühlung des wärmerzeugenden Elementes nur
schwierig bewerkstelligen läßt.
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Die Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, zum Kühlen eines wärmeerzeugenden
Schaltungselementes eine Vorrichtung zu schaffen, bei der zur Verbesserung der gesamten
Kühlleistung die thermischen Widerstände/Wärmewiderstände sowohl des wärmeerzeugenden
Elementes als auch des Kühlelementes insgesamt kleiner gehalten worden sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe und anderer Zielsetzungen
sieht
die Erfindung zum Abkühlen eines Elementes vor, das dann, wein es arbeitet, Wärme
erzeugt. Zu dieser Vorrichtung gehörend ein Kühlelement für das Abführen der Wärme
von dem Element, das gekühlt werden muß.
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Dieses Kühlelement mit einer darin angeordneten und mit Ausnahme eines
von ihr abgehenden Rohres allseits geschlossnen Kammer mit einem darin befindlichen
kondensierbaren Kühlmittel. Das Rohr/die Rohre sind zu einem Kondensator (Kühikondensator)
geführt. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (2B) aus
einem Hauptteil (2B1) und einem Teile (2B2) besteht, der vom Hauptteil aus hervorsteht
und derart angeordnet ist, daß er im Betrieb sich näher als der Hauptteil bei dem
zu kühlenden Element befindet und daß die Kammer (6B) sich in den vorstehenden Teil
hinein erstreckt.
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Gegenstand der Erfindung ist somit eine Kühlvorrichzum Abkühlen eines
zu kühlenden Elementes. Diese Kühl vorrichtung mit einem Kühlelement, dessen vorstehender
Teil zwecks Wärmeableitung von dem wärmeerzeugenden Element für den Berührungskontakt
mit dem wärmeerzeugenden Element ausgelegt ist und mit einem Rohr, das mit dem Kühlelement
in Verbindung steht. Das Kühlelement und das Rohr haben eine gemeinsam abgeschlossene
Kammer im Inneren des Kühlelementes, die sich in den vorstehenden Teil des Kühlelementes
hinein erstreckt. Ein Teil der gemeinsam geschlossenen Kammer, die in dem Kühlelement
angeordnet ist, ist mit einem Kühlmittel gefüllt.
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Die Erfindung wird nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles (der in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher
erläutert. Die Zeichnung zeigt in:-Fig. 1 Eine Kühl vorrichtung konventioneller
Art für das Kühlen von Halbleiterelementen, die als Umformerelemente Anwendung finden,
beispielsweise von Dioden oder Thyristoren.
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Fig. 2 Eines der Kühlemente 2A in vergrößerter Seitenansicht.
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Fig. 3 Eine perspektivische Teilansicht der Kühlmittelrohre 7.
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Fig. 4 Einen Schnitt durch ein Haibleiterelement 1A und durch die
jeweils an jeder Seite des Halbleiterelementes 1A angeordneten Kühlelemente.
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Fig. 5 Schnittdarstellungen von Ausführungsbei-und 6 spielen der Erfindung,
wobei Fig. 5 ähnlich Fig. 4 ist.
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Nachstehend soll nun anhand der Zeichnung und insbesondere anhand
von Fog. 5, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben ist, die
Kühlvorrichtung beschrieben und erläutert werden. In der Zeichnung sind identische
und ähnliche Teile überall mit den gleichen Hinweiszahlen gekennzeichnet. Die Hinweiszahl
1B steht für ein Halbleiterelement und die Hinweiszahl 2B für die Kühlelemente.
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Ein Halbleiterelement 1B besteht aus dem Halbleiterplättchen oder
der Halbleiterpille lBl, aus den Pfosten/Bolzen 1B2 und 1B3 sowie aus dem äußeren
Element
1B4. Die Dicke der Pfosten/Bolzen 1B2 und 1B3 ist nicht so stark, wie dies bei den
Pfosten/ Bolzen 1A2 und 1A3 nach Fig. 4 der Fall ist. Aus diesem Grunde hat das
Halbleiterelement 1B an jeder seiner Seiten Hohl teile 1B5 und 1B6 aufzuweisen.
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Ein jedes Kühlelement 2B besteht aus einem Hauptteil 2B1, der dem
mit Fig. 4 wiedergegebenen Kühlelement 2A entspricht, und aus einem von dem Hauptteil
aus seitlich hervorstehendenTeil 2B2, der derart konstruiert ist, daß er mit einem
der Pfosten/Bolzen 1B2, 1B3 in einem der zum Halbleiterelement 1B gehörenden Hohlteile
1B5 und 1B6 in Berührungskontakt steht. Die dem Hauptteil 2B1 und dem hervorstehenden
Teil 2B2 zugeordneten Hohlabschnitte sind derart miteinander verbunden, daß mit
Ausnahme der Anschlüsse für die Rohre 7 eine vollständig geschlossene gemeinsame
Kammer entsteht.
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Bei dem im Inneren des Kühlelementes 2B angeordneten Teil der gemeinsamen
Kammer handelt es sich um einen Flüssigkeitsbehälter 6B mit einem darin befindlichen
kondensierbaren Kühlmittel, wobei sich das Kühlmittel nahe an den Ebenen befindet,
an denen die vorstehenden Teile 2B2 der Kühlelemente 2b im Berührungskontakt mit
den Pfosten/Bolzen 1B2 und 1B3 des Halbleiterelementes 1B gehalten werden.
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Bei einem Temperaturanstieg von A T des Halbleiterplättchens oder
der Halbleiterpille lBl nach Gleichung (1) wird der Wärmeübergangswiderstand Rth
( J - F) von Halbleiterplättchen lBl zu den
Kühlelementen 2B dadurch
auf den kleinsten Wert gebracht und gehalten, daß die Dicke der Pfosten/ Bolzen
1B2 und 1B3 verringert wird. Demgegenüber bewirkte ein einfaches Auswechseln eines
Teiles der konventionellen Posten/Bolzen 1A2, 1A3 durch die vorstehenden Teile 2B2
der Kühlelemente 2B nur ein Hinzufügen eines Teiles des thermischen Widerstandes/Wärmewiderstandes
Rth ( J - F ) zum thermischen Widerstand/Wärmewiderstand Rth ( F - A ) zwischen
den Kühlelementen 2B und dem sekundären Kühlmittel 12, und dies mit der Konsequenz,
daß der Temperaturanstiey fi T nicht verringert werden kann. Zwecks Verbesserung
der Kühl leistung der Kühlelemente 2B, sind diese Kühlelemente 2B nun derart konstruiert
und ausgeführt, daß sich das in den Kühlelementen 2B eingeschlossene kondensierbare
Kühlmittel sich bis in eine Ebene hinein erstreckt, in welcher die vorstehenden
Teile 2B2 der Kühlelemente 2B mit den Pfosten/Bolzen 1B2 und 1B3 in Berührungskontakt
gehalten werden, was wiederum eine Verringerung des Abstands zwischen dem Halbleiterplättchen
oder der Halble-iterpille lBl und dem kondensierbaren Kühlmittel zur Folge hat.
Ein Vergleich mit der Konstruktion konventioneller Ausführung zeit das der Wärmeübergang
von der Halbleiterpille oder dem Halbleiterplättchen lBl aus zum kondensierbaren
Kühlmittel hin verbessert worden ist.
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Dazu ein Beispiel. Bei der mit Fig. 4 wiedergegegenben konventionellen
Ausführung beträgt der
der thermische Widerstand/Wärniewiderstand
Rth (J - F) 0.020 C/W und auch der thermische Widerstand/Wärmewiderstand Rth ( F
- A ) hat einen Wert von 0.020 C/W, so daß als Folge davon der thermische Widerstand
Rth ( J - F) + Rth ( F - A ) von der Halbleiterpille oder dem Halbleiterplättchen
lAl bis zum sekundären Kühlmittel 12 0.040 C/W ausmacht Demgegenüber ist bei der
Ausführung nach Fig. 5 für ein lAl ähnliches Halbleiterplättchen der thermische
sche Widerstand/Wärmewiderstand auf Ü.ÜÜ5 C/W gesenkt worden. während der thermische
Widerstand/ Wärmewiderstand Rth ( F - A ) einen Wert von rund 0.020 C/W hat. In
diesem Falle beträgt der thermische Widerstand/Wärmeübergangswiderstand zwischen
dem Halbleiterplättchen oder der Halbleiterpille lBl und dem sekundären Kühlmittel
- d.h. der thermische Widerstand/Wärmewiderstand Rth ( J - F) + Rth ( F - A) - 0.0250
C/W. Damit wird der thermische Widerstand/Wärmeübergangswiderstand zwischen dem
Halbleiterplättchen oder der Halbleiterpille lBl und dem sekundären Kühlmittel 12
viel stärker verringert als dies bei den bisher bekannten Versuchen, diesen Widerstand
zu senken,der Fall ist, so daß die Halbleiterpille oder das Halbleiterplättchen
lBl einen geringeren Temperaturanstieg t T ausgesetzt ist. Das Halbleiterelement
1B ist also in der Lage mehr Strom umzuformen, was wiederum zur Folge hat, daß der
Umformer kompakter ausgeführt werden kann und nicht so kostspielig ist und doch
eine größere Ausgangsleistung hat.
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Darüber hinaus können die hervorstehenden Teile 2B2 der Kühlelemente
2B in die Außenglieder 1B4 der Halbleiterelemente 1B - diese Außenelemente 1B4 haben
eine zylindrische Form - eingesetzt und dort zeitweilig in der Position befestigt
werden, so daß sie dann nicht herunterfallen können, wenn die Halbleiterelemente
ausgetauscht und an der Kühlkonstruktion angebracht werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt
ist. Das wiederum bringt eine erhöhte Betriebssicherheit und eine größere Leistung.
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Fig. 6 zeigt nun ein anderes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, besteht die Konstruktion ais drei Halbleiterelementen
1B, aus zwei Kühielementen 2B und aus zweit zusätzlichen Kühlelementen 2C. Ein jedes
der zusätzlichen Kühlelemente 2C besteht seinerseits wiederum aus einem Hauptteil
2C1 und aus den beiden vorstehenden Teilen 2C2, die jeweils von jeder Seite des
Hauptelementes aus hervorstehen. Die vorstehenden Teile 2C2 sind von der Konstruktion
her derart ausgeführt, daß sie auf jeder Seite mit den Pfosten 1B2, 1B3 der Halbleiterelemente
1B in Berührungskontakt stehen. Die vorstehenden Teile sind hohl ausgeführt und
bilden mit dem Hohl abschnitt des Hauptteiles eine gemeinsame Behälterkammer.
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Diese Erfindung ist im Zusammen mit Umformern beschrieben worden,
die mit Halbleiterelementen als wärmeerzeugende Schaltungselemente arbeiten. Die
Erfindung soll aber nicht nur auf diese Umformer
beschränkt sein,
vielmehr können im Rahmen und Zusammenhang mit dieser Erfindung eine Vielzahl von
Vorrichtungen konstruiert werden, die zum Kühlen von wärmeerzeugenden Teilen. und
Elementen bestimmt sind.
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Es #dürfte klar sein, daß aufgrund der Beschreibung zahlreiche Anderungen
und Modifikationen an der Erfindung möglich sind. Es sollte weiterhin klar sein,
daß innerhalb des von den Patentansprüchen vorgegebenen Rahmens die Erfindung auch
noch an-.
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ders als beschrieben eingesetzt und verwirklicht werden kann.