DE3302840A1

DE3302840A1 - Einrichtung zur waermeabfuehrung von energieelektronischen bauelementen

Info

Publication number: DE3302840A1
Application number: DE19833302840
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. 2000 Hamburg Hars; Dieter Ing.(grad.) 2000 Schenefeld Staudt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1983-01-28
Filing date: 1983-01-28
Publication date: 1984-08-02
Also published as: DE3302840C2

Description

"Einrichtung zur Wärmeabfübrung von energieelektronischen Bauelementen"
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, daß für Bauelemente der Leistungselekttronik häufig wenig Einbauraum zur Verfügung steht und die Abfuhr der während des Betriehes -entstehenden Verlustwärme schwierig ist. In solchen Fällen hat sich die sogenannte Siedekühlung bewährt wie sie beispielsweise in der Zeitschrift !Bull. SEV/VSE 72 (1981) 5, Seiten 239 ff" beschrieben worden ist. Hierin wird die Siedekühlung für einen aus Thyristoren aufgebauten Stromrichter für Bahnen behandelt. Bei diesem Kühlsystem befinden sich die zu kühlenden Bauelemente in einer Siedekühlflüssigkeit, die ein Gehäuse bis auf einen Dampfraum füllt. Der Dampfraum steht über eine Leitung mit einem Wärmetauscher in Verbindung, der die Verlustwärme auf ein anderes Kühlmedium, z.B. Wasser, überträgt. Dieses übliche Siedekühlsystem erfordert einen diskreten Wärmetauscher und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Erhöhung der Dampfgeschwindigkeit, um das Volumen des Wärmetauschers herabzusetzen.
Es ist eine u,U, umfangreiche Infrastruktur notwendig und daher in solchen Anlagen nicht einsetzbar, in denen aus llaum-.und Gewichtsgründen die Unter--bringung des Wärmetauschers nicht möglich ist.
lEr Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die als kompakte Baueinheit selbstbei stark beschränkten Gewichts- und Volumenverhältnissen einsetzbar ist und. eine wesentliche, Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Wärmequelle und Kühlmedium bewirkt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weiterbildungen dieser Erfindung sind in den Unteransprüchen - enthalten.
Die Einrichtung nach der Erfindung weist als wesentliche Vorteile eine Verbesserung des Leistungsvolumens und des Leistungsgewichtes von energieelektronischen Bauelementen, eine Minimierung der sonst üblichen Intrastruktur1 eine hohe Wärmeabführdynamik und eine Herabsetzung des Wärmewiderstandes zwischen Wärmequelle und Kühlflüssigkeit auf. Sie führt zu einem einfachen und ökonomischen System durch Anwendung der Siedekithlung vorzugsweise in solchen Fällen, bei denen zur Rückkühlung Wasser zur Verfügung steht. Durch gleichzeitige Ausnutzung der Blasenturbulenz wird die Kondensation erheblich verbessert.
in der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt und i"ig 2 einen Querschnitt durch das Kühlsystem, Fig. die Darstellung eines Gesamtkühlsystems.
Gemäß Fiß. 1 sind die energieelektronischen Bauelemente 1 z.B. Thyristoren mit ihren Kühlkörpern 2 in einer Säule zusammengebaut. Oberhalb dieser Elemente 1, 2 ist die Kühleinrichtung -3 in Form einer Kühlschlange so angeordnet, daß sie in unmittelbarer Nähe unter Beachtung elektrischer Sicherheitsabstände die Bauelemente etwa halbbogenförmig umfaßt (Fig. 2) Bauelemente 1, 2 und die Kühl einrichtung .3 befinden sich innerhalb eines G@häuses 4, das aus den Stirnplatten 5, 6 und einem zylindrischen Teil 7 besteht, welche unter Einfügung von Dichtungsringen 8 mittels Schraubenbolzen 9 fest zusammengezogen werden. 1)as Innere des Gehäuses 1 ist vellständig mit einer Siedekühlflüssigkeit 10 gefüllt. Hierfür werden interte Flüssigkeiten wie Fluorcarbon FC78 oder R113 und ionenfreies Wasser in chemisch reiner Form verwendet.
Die einzelnen Kühlrohre der Kühleinrichtung 3 durchsetzen abgedichtet die Stirnplatten 5, 6 und sind außerhalb des Gehäuses 4 mittels Krümmer 11 miteinander sowie mit nicht dargestellten Zu- und Ablaufleitungen für eine Kühlflüssigkeit verbunden.
Die elektrischen Anschlüssen für die elektronischen Bauelemente sind mit 19 und 13 bezeichnet.
Die Wirkungsweise ist folgende.
Erwärmen sich infolge innerer Verluste die Gehäuse der elektronischen Bauelemente 1 durch Stromwärmeverluste, so erwärmen sich auch die Kühlkörper 2.
Die Siedetemperatur der Fltissigkeit 10, die das gesamte Restvolumen des (lehäuses 4 ausfüllt und die Heizflächenbelastung der Kühlkörper 2 sind so bemessen, daß. sich Blasenverdampfung bei zulässiger Gehäusetemperatur der -Bauelemente 1 einstellt. Die verdampfte Flüssigkeit steigt in Blasen auf und wird durch die Kühleinrichtung 3 wieder in den flüssigen Aggregatzustand verwandelt.
Durch die räumliche Integration von Siedemechanismus und Kondensationsmechanismen unter Vermeidung diskreter Dampfräume wird die heftige Illasenturbulanz energiesparend zur Verbesserung der Kondensation umgesetzt.
Diskrete Dampfräume können vermieden werden, wenn die Kühlfläche der Kühleinrichtung 3 sowie die Temperatur der Kühlflüssigkeit so bemessen sind, daß der gesamte Dampf innerhalb des Flüssigkeitsraumes der Sidekühlflüssigkeit 10 kondensiert.
Neben der Benutzung gebräuchlicher sogenannter inerter Flüssigkeiten, z.B.
Fluorcarbon FC78 oder R113, kann auch entionisiertes Wasser in chemisch reiner Form, entgast, bei Teilvakuum als Siedekühlflüssigkeit 10 benutzt werden.
Je nach Betriebsspannung der zu kühlenden elektrischen Einrichtungen kann 'iei Verwendung von entionisiertem Wasser zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit tind Verrjngerung der Aggressionswirkung des Wassers gegenliber den Bauteilen eine geeignete Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Eloxieren @er Kühlkörper 2 und der Kühleinrichtung 3, erfolgen.
Zur Erzielung einer gesünschten Siedetemperatur von Wasser als Siedekühlflüssigkeit 10, ist bekanntlich der Druck zu verändern. Aus der schematischen Darstellung nach Fig. 3 ist zu entnehmen, daß in die Kühlwasser-Zuleitung zur Kühleinrichtung 3 nach Fig. 1 eine Strahlpumpe 14 eingebaut ist, die über eine Leitung 15 mit ihrem Vakuum ein Ausgleichsgefäß 16 beaufschlagt. Darin befindet sich eine hochelastische Membran 17, die den Vakuumraum von einem Raum mit der Siedekühlflüssigkeit 10 trennt. Dieser Raum steht einer eine Leitung 18 mit dem Inneren des Gehäuses 4 in Verhindung. Die Membran 17 ist einerseits vorgesehen, um Verluste von Siedekühlflüssigkeit zu vermeiden und andererseits Flüssigkeitsausdehnungen infolge von Temperaturschwankungen bei der Lagerung zuzulassen.
Wasserstrahlpumpe 14 und Ausgleichsgefäß 16 werden in die Konstruktion des Kühlgchäuses 4 einbezogen. sodaß eine kompakte Einheit entsteht.
Die Einrichtung nach der Erfindung kann beispielsweise für einen Gleichstromsteller zur Versorung eines Gleichstrommotor oder für einen Pulswechselrichter zur Versorgung eines Drehstrommotors für einen Torpedoantrieb unter Verwendung des Meerwasers als Wärmetransportmedium eingesetzt werden. Die Siedekühl flüssigkeit kann sich schon während der Lagerung des Terpedos in dem Kühlgchäuse befinden bzw. kurz von Inbetriebnihme in wenigen Sekunden eingebracht werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Einrichtung zur Verlustwärmeabführung von energieelektronischen Bauelementen nach dem Siedekühlprinzip zur Verbesserung des Leistungsvolumens und des Leistungsgewichtes, dadurch gekennzeichnet,. daß die elektronischen Bauelemente (1) mit ihren Kühlkörpern (2) sowie die von einer Kühlflüssigkeit durchflossens Kühleinrichtung (3) unmittelbar benachbart in ein die Siedekühlflüssigkeit (10) aufnehmendes Gebäuse (4) eingescblossen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß di.eK'ihleinrichtung (3) in Form einer Kühlschlange etwa um den halben Umfang der elektronischen Bauelemente (1, 2) herum verteilt angeordnet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ki;ihleinrichtung (3) vorzugsweise oberhalb der elektronischen Bauelemente (1, 2) liegt.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die einzelnen Kühlrohre verbindenden Kriimrner (1) an den Stirnflächen (, fi) außerhalb des Gehäuses (4) angeordnet sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Siedekühlflüssigkeit (10) eine inerte Flüssigkeit dient.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedekühlfüssigkeit (io) Kurz vor Tnbetriebnahme in das Gehäuse (4) eingebracht werden kann.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von entionisiertem Wasser als Siedekühlflüssigkeit (10) und in Ahhängigkeit von der jeweiligen Betriebsspannung der elektronischen Bauelemente (1) Kühlkörper (2) und Kühleinrichtung (3) oberflächenbehandelt sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer gewünschten Siedetemperatur von Wasser als Siedekühlflüssigkeit (lo) eine den Druck in der Siedekühlflüssigkeit (10) verändernde Pumpe (14) eingebaut ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kühlkreislauf (3) eine StrAhlpumpe (14) angeordnet ist, die mit ihrem Vakuum ein Ausgleichsgefäß (16) beaufschlagt.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausdehnungsgefäß (16) eine hochelastische Membran (17) das Vaktium von der Siedeflüssigkeit (10) trennt.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe (11) und das Ausdehnungsgefäß (16) in das Gehäuse (4) integriert sind.