DE3302840C2 - Einrichtung zur Wärmeabführung von energieelektronischen Bauelementen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung zur Verlustwärmeabführung von energieelektronischen Bauelementen nach dem Siedekühlprinzip. Um dieses Prinzip auch bei stark eingeschränkten Gewichts- und Volumenverhältnissen anwenden zu können, sind die elektronischen Bauelemente (1) mit den Kühlkörpern (2) sowie die von einer Kühlflüssigkeit durchflossene Kühleinrichtung (3) unmittelbar benachbart in ein die Siedekühlflüssigkeit (10) aufnehmendes Gehäuse (4) eingeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Vs ist bekannt, dall für Bauelemente der l.cistungs elektronik hiiufig wenig F.inbaurautn /ur Verfügung steht und die Abfuhr der während des Betriebes entstehenden Verlustwärme schwierig ist. In solchen Fällen hat sich die sogenannte Siedekühlung bewahrt, wie sie beispielsweise in der Zeilschrift »Bull. SEV/VSE 72 (1981) 5, Seiten 239 ff« beschrieben worden isL Hierin wird die Sicdekühlung 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 Infra-

is struktur notwendig und daher in solchen Anlagen nicht einsetzbar, in denen aus Raum- und Gewichtsgründen die Unterbringung des Wärmetauschers nicht möglich ist

Weiterhin ist aus der DE-OS 20 34 892 ein gattungsgemäßes ähnliches Kühlverfahren für Halbleiter bekannt, wie es in der vorgenannten Zeitschrift beschrieben worden ist Auch hier ist der zu kühlende Halbleiter von einer Siedekühlflüssigkeit umgeben, die ein Gehäuse bis auf einen Dampfraum füllt. Der Dampfraum steht über eine Leitung mit einem Wärmetauscher in Verbindung, an den wiederum ein aufblasbarer Balg angeschlossen ist. Beim Sieden der Flüssigkeit im Gehäuse steigt Dampf im Wärmetauscher nach oben, kondensiert an den Wänden und läuft als Flüssigkeit in das Gehäuse zurück. Der aufsteigende Dampf schiebt die im System enthaltene Luft in den Balg. Bei einer Außerbctriebnahme kondensiert sich der Dampf wieder zu Flüssigkeit, die in das Gehäuse zurückläuft, wobei die Luft aus dem Balg in den Wärmetauscher zurückkehrt. Die vorerwähnten Mängel haften auch dieser Kühleinrichtung an.

Aus der US-PS 32 93 350 ist ferner eine Einrichtung bekannt, mit der elektronische Bauelemente, die von schädlichen Temperatureinflüssen von außen unabhängig sind, geschaffen werden können. Hierzu wird das elektronische Bauelement in ein Gehäuse eingesetzt, dieses evakuiert und bis auf einen Dampfraum mit Siedeflüssigkeit gefüllt. Wenn der Druck in dem Gehäuse dann einen vorbestimmten Wert erreicht hat, wird das Füllrohr versiegelt. Dieses so eingeschlossene Bauelement kann z. B. in hochgenauen Meßkreisen eingesetzt werden.

Schließlich sind sogenannte Wärmerohre (heat pipe) als Kühlvorrichtung für Halbleiter bekannt, wie aus der US-PS 3143 592 hervorgeht. Bei dieser Vorrichtung sind die zu kühlenden Transistoren auf einer Metallplatte thermisch leitend befestigt, die wiederum mit einer Flüssigkeit gefüllten Rohren verbunden ist Die horizontal liegenden und U-förmig ausgebildeten Rohre, zwisehen denen die Metallplatte angeordnet ist, sind mit einem senkrecht stehenden ebenfalls U-förmigen Rohrstück verbunden, das mit radialen Schirmen zur Vergrößerung der wärmeableitenden Oberfläche versehen ist. Wenn die Halbleiter ihre Betriebstemperatur erreicht

bo haben, wird die erzeugte Wärme auf die Flüssigkeit in den Rohren übertragen, die verdampft, in den senkrechten Rohrteil übergeht, dort abkühlt und kondensiert. Von einer .Sicdekühlung kann hier nicht gesprochen werden.

<i't lüue Umlaufkühlung iunl Riickkühlcinrichiung fur Trockengleichrichter ist aus der I)I. AS Il 91 4<J2 be kannt. Das Gehäuse zur Aufnahme der Gleichrichterelemente ist mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllt, das

mittels einer Zentrifugalpumpe umgewälzt wird. Das Gehäuse wird von den Kühlrohren eines Rückkühlers durchsetzt. Das Siedekühlprinzip kommt hierin ebenfalls nicht zur Anwendung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die als kompakte Baueinheit selbst bei 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 Infrastruktur, eine hohe Wärmeabführdynamik und eine Herabsetzung des Wärmewiderstandes zwischen Wärmequelle und Kühlflüssigkeit auf. Sie führt zu einem einfachen und ökonomischen System durch Anwendung der Siediv-ühlung vorzugsweise in solchen Fällen, bei denen zur Rückkühlung Wasser zur Verfügung steht. Durch gleichseitige Ausnutzung der Blaienturbulenz wird die Kondensation erheblich verbessert.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt und

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Kühlsystem,

F i g. 3 die Darstellung eines Gesamtkühlsystems.

Gemäß F i g. 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 Kühleinrichtung 3 befinden sich innerhalb eines Gehäuses 4, das aus den Stimplatlen 5, f> und einem zylindrischen Teil 7 besieht, welche unter liinfügung von Dichtungsringen 8 mittels Schraubenbolzen 9 fest zusammengezogen werden. Das Innere des Gehäuses 4 ist vollständig mit einer Siedekühlflüssigkcit 10 gefüllt. Hierfür werden inerte Flüssigkeiten wie Fluorcarbon FC78 oder Rl 13 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 U miteinander sowie mit nicht dargestellten Zu- und Ablaufleitungen für eine Kühlflüssigkeit verbunden.

Die elektrischen Anschlüsse für die elektronischen Bauelemente sind mit 12 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 Flüssigkeit 10, die das gesamte Restvolumen des Gehäuses 4 ausfällt und die Heizflächenbelaslung 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 Blasenturbulenz energiesparend zur Verbesserung der Kondensation umgesetzt

Diskrete Dampfräume könne» vermieden werden, wenn die Kühlfläche der Kühleinrichtung 3 sowie die Temperatur der Kühlflüssigkeit so bemessen sind, daß der gesamte Dampf innerhalb des Flüssigkeitsraumes der Siedekühlflüssigkeit 10 kondensiert

Neben der Benutzung gebräuchlicher sogenannter inerter Flüssigkeiten, z. B. Fluorcarbon FC78 oder Rl 13, 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 bei Verwendung von entionisiertem Wasser zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit und Verringerung der Aggressionswirkung des Wassers gegenüber den Bauteilen eine geeignete Oberflächenbehandlung, beispielsweise durch Eloxieren der Kühlkörper 2 und der Kühleinrichtung 3, erfolgen.

Zur Erzielung einer gewünschten Siedetemperatur von Wasser als Siedekühlflüssigkeit 10, ist bekanntlich der Druck zu verändern. Aus der schematischen Darstellung nach F i g. 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 über eine Leitung 18 mit dem Inneren des Gehäuses 4 in Verbindung. 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 Kühlgehäuses 4 einbezogen, so daß eine kompakte Einheit entsteht.

Die beschriebene Einrichtung kann beispielsweise für einen Gleichstromsteller zur Versorgung eines Gleichstrommotor oder für einen Pulswechselrichter zur Versorgung eines Drehstrommotors für einen Torpedoantrieb unter Verwendung des Meerwassers als Wärmetransportmedium eingesetzt werden. Die Siedekühlflüssigkeit kann sich schon während der Lagerung des Torpedos in dem Kühlgehäuse befinden bzw. kurz vor Inbetriebnahme ir. wenigen Sekunden eingebracht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Vcrlustwärmeabführung von energieelektronischen Bauelementen nach dem Siedekühlprinzip mit einem Gehäuse, das eine die Bauelemente umgebende Siedekühlflüssigkeit enthält, zu deren Rückkühlung ein von einer weiteren Kühlflüssigkeit gekühlter Rückkühler vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkühler das Gehäuse (4) durchsetzende Kühlrohre aufweist, die von der weiteren Kühlflüssigkeit durchströmt werden, und daß das Innere des Gehäuses (4) vollständig mit der Siedekühlflüssigkeit (10) gefüllt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, -daß die Kühlrohre in Form einer Kühlschlange etwa um den halben Umfang der elektronischen Bauelemente (1.2) herum verteilt angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrohre vorzugsweise oberhalb der elektronischen Bauelemente (1,2) liegen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die einzelnen Kühlrohre verbindenden Krümmer (11) an den Stirnflächen (5,6) außerhalb des Gehäuses (4) angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedekühlflüssigkeit (10) kurz vor Inbetriebnahme in das Gehäuse (4) eingebracht werden kann.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Bauelemente (1) zwischen Kühlkörpern (2) angeordnet sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von entionisiertem Wasser als Siedekühlflüssigkeit (10) und in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsspannung der elektronischen Bauelemente (1) die Kühlkörper (2) und die Kühlrohre oberflächenbehandelt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer gewünschten Siedetemperatur von Wasser als Siedekühlflüssigkeit (10) 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 Vakuum von der Siedeflüssigkeit (10) trennt.

U. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlpumpe (14) und das Ausdehnungsgefäß (16) in das Gehäuse (4) integriert sind.