DE3544185C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem mit siedendem Kühlmittel zum Kühlen einer elektrischen Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Kühlsystem ist aus dem japanischen Gebrauchsmuster 60-1 11 879 bekannt. Die einzelnen Rahmenelemente sind dort als geschlossene, ringförmige Elemente ausgearbeitet.

Aus der US-PS 40 27 728 ist eine Kühlvorrichtung mit siedendem Kühlmittel zum Kühlen einer elektrischen Einrichtung bekannt. Diese Kühlvorrichtung umfaßt eine luftdicht abgeschlossene Kammer, in der die elektrische Einrichtung untergebracht wird und die das Kühlmittel enthält. Oberhalb dieser Kammer befindet sich eine luftdichte Kühlmittelkondensationskammer, die schräg angeordnet ist und an ihrem höherliegenden Ende über eine Durchflußverbindung mit dem oberen Bereich der das Kühlmittel enthaltenden Kammer verbunden ist, während das tieferliegende Ende der Kühlmittelkondensationskammer über eine weitere Durchflußverbindung, die unterhalb des Pegels des Kühlmittels in die Kammer mündet, mit dieser Kammer verbunden ist. Die Kühlmittelkondensationskammer weist sich zwischen gegenüberliegenden Seiten erstreckende Durchlaßkanäle auf. Verdampfendes Kühlmittel steigt aus der das Kühlmittel enthaltenden Kammer durch die erstgenannte Durchflußverbindung auf, gelangt in die Kühlmittelkondensationskammer, in der der Kühlmitteldampf kondensiert, und als Kondensat durch die weitere Durchflußverbindung zu dem flüssigen Kühlmittel zurück. Die Schrägstellung der Kühlmittelkondensationskammer unterstützt den Verdampfungs-Kondensations-Kreislauf. Die sich durch die Kondensationskammer erstreckenden Durchlässe erhöhen den Kühlungswirkungsgrad der Kühlmittelkondensationskammer.

In der DE-OS 31 32 112 ist eine Vorrichtung zum Kühlen eines elektrischen Schaltelements beschrieben. Die Kühlvorrichtung besteht aus einer Kammer, in der sich ein flüssiges Kühlmittel befindet. Auf dieser Kammer ist eine Kühlmittelkondensationskammer angeordnet, die über Leitungen mit der Kühlmittelkammer in Verbindung steht. Wird in wärmeübertragendem Kontakt ein elektrisches, beim Betrieb wärmeerzeugendes Element außen an der Kühlmittelkammer angeordnet, so wird das Kühlmittel erwärmt und Kühlmitteldampf kann durch die Leitungen in die Kühlmittelkondensationskammer aufsteigen, aus der er nach entsprechender Abkühlung als Kondensat wieder in die Kühlmittelkammer zurückgelangt. Die Kühlmittelkammer kann auf wenigstens einer Seite mit einem hohlen Vorsprung ausgebildet sein, der ebenfalls von dem sich in der Kühlmittelkammer enthaltenen Kühlmittel gefüllt ist. Ein solcher Vorsprung ermöglicht eine Anpassung an die Oberflächenform des zu kühlenden, elektrischen Elements. Besitzt ein solches Element beispielsweise zwei gegenüberliegende Flächen, so kann jeweils eine Kühlkammer mit ihrem Vorsprung an jeder zu kühlenden Fläche angeordnet werden.

In dem DE-GM 81 05 233 ist ein flächiger Wärmetauscher beschrieben, der zwei gegenüberliegende Blechplatten aufweist, zwischen denen eine beidseitig mit parallel zueinander verlaufenden Rippen ausgebildete Platte angeordnet ist. Die Blechplatten sind mit der Rippenplatte verlötet. Die Rippen begrenzen zusammen mit der jeweiligen Blechplatte und der die Rippen aufweisenden Platte Durchflußkanäle. Mehrere solcher Wärmetauscher können mit Abstand nebeneinander angeordnet werden, wobei die Kanäle der einzelnen Wärmetauscher im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Benachbarte Wärmetauscher sind durch zickzackförmig gebogene Bleche miteinander verbunden. Durch die dabei entstehenden, dreieckförmigen Kanäle, die senkrecht zu den Durchlaßkanälen in den Wärmetauschern verlaufen, kann Kühlluft strömen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubil­ den, daß dieses als Massenprodukt mit hoher Qualität je­ doch mit geringem Arbeitsaufwand und geringen Herstel­ lungskosten gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das erste bis dritte Rahmenelement aus einem hartlötba­ ren, stabförmigen Material gebogen ist, das an seinen En­ den und mit den benachbarten Wänden durch Hartlöten ver­ bunden ist.

Die Verwendung eines hartlötbaren, stabförmigen Materials zur Herstellung der Rahmenelemente bringt den Vorteil mit sich, daß das stabförmige Material insgesamt mit einem Hartlot überzogen werden kann, wodurch dann auch die ein­ zelnen Rahmenelemente jeweils mit Hartlot überzogen sind. Es ist infolgedessen lediglich erforderlich, eine ent­ sprechende Länge von dem stabförmigen Material abzu­ schneiden und in die erwünschte Form zu biegen.

Wenn Rahmenelemente dadurch hergestellt werden, daß von einem Rohr, welches einen Querschnitt in der Form der er­ wünschten Rahmenelemente aufweist, der Rahmendicke ent­ sprechende Abschnitte abgetrennt werden, so sind die Schnittflächen, die mit den jeweils angrenzenden Wänden durch Hartlöten verbunden werden sollen, auch dann nicht mit Hartlot überzogen, wenn das gesamte Rohr auf seiner Innenwandung und auf seiner Außenfläche mit Hartlot über­ zogen worden ist. Daher ist es erforderlich, jedes ein­ zelne Rahmenelement für sich an den Rahmenstirnflächen mit Hartlot zu überziehen. Dies ist offensichtlich ein aufwendiges Vorgehen.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, daß, wenn auch die einzelnen Wände aus einem hartlötbaren Material be­ stehen, eine aus den Wänden und den Rahmenelementen ge­ bildete Gesamtheit gleichzeitig in einem Hartlötofen zu­ sammengelötet werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus dem Un­ teranspruch.

Im folgenden werden Ausführungs­ beispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, um die Erfindung weiter zu erläutern.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Teile des Kühlsystems, welches ein siedendes Kühlmittel verwendet.

Fig. 2 zeigt in einem schematischen Längsschnitt das Kühlsystem der Fig. 1.

Fig. 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b zeigen schematische Ausschnittsdarstellungen von Rahmenteilen, die Bestandteil des Aus­ führungsbeispiels der Fig. 1 sind.

Fig. 6a und 6b zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung der Verbindungen zwischen dem Rahmen und den in Fig. 1 gezeigten Platten.

Im folgenden wird nun im Detail ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den Figuren sind für dieselben Bauteile durchgehend die­ selben Bezugszeichen verwendet worden.

In den Fig. 1 und 2 ist ein erstes Rahmenelement 22 zu erkennen, das aus einem stabförmigen Material hergestellt ist und an eine Fläche einer plattenförmigen Trennwand 21 angrenzt. Ein erstes Rahmenelement 23 und ein zweites Rahmenelement 24, die beide ebenfalls aus einem stabförmigen Material hergestellt sind, grenzen an die andere Fläche der Trennwand 21 an, wobei die Rah­ menelemente 23 und 24 im Bereich des oberen bzw. unteren Teils der Trennwand 21 zu liegen kommen. Eine gewellte Wärme­ tauscherrippe 15, die aus einer dünnen Platte gefertigt worden ist, ist so in dem Rahmenelement 22 angeordnet, daß sie Kühlmittel vertikal hindurchleitet, während eine gewellte Wärmetauscherrippe 13, die ebenfalls aus einer dünnen Platte hergestellt ist, zwischen den Rahmenelementen 23 und 24 angeordnet ist und Luft dort horizontal hindurchleitet. Um ein größeres Kühlsystem zu erzeugen, wird eine feste Anzahl solcher Einheiten, bestehend aus Trennwänden 21, den Rahmenelementen 22, 23 und 24 und den Wärme­ tauscherrippen 13 und 15, aneinander ausgerichtet. Die beiden Enden des so gebildeten Körpers, der aus den einzelnen kombinierten Einheiten aufgebaut ist, werden zwischen zwei Endwänden 20 angeordnet und gehalten. Eine Kühlmittelkondensationskammer 8 wird durch das Rahmenelement 22, das die Wärmetauscherrippe 15 trägt, luftdicht abgeschlossen. Eine Kühlkammer 9 be­ sitzt Öffnungen, die für die Umgebungsluft nach bei­ den Seiten hin, wo die Wärmetauscherrippe 13 unterge­ bracht ist, offen sind. Die Kühlmittelkondensations­ kammern 8 und die Kühlkammern 9 sind abwechselnd ange­ ordnet. Von den zuvor erwähnten Teilen sind zumindest die Trennwände 21 und die Rahmenelemente 22, 23 und 24 aus hart­ gelöteten Materialien, wie einem Aluminiumkernmaterial, welches mit Lot überzogen ist, hergestellt. Der aus die­ sen Teilen, die zwischen den Endwänden 20 aneinander angeordnet sind, zusammengesetzte Körper wird in einem geeigneten Hartlötofen, wie z. B. einem Vakuumhartlötofen erhitzt und abgekühlt. Die miteinander verbundenen Teile werden somit gleichzeitig unter vorbestimmten Bedingungen hartgelötet.

Die Öffnung 28 im oberen Teil jeder Trennwand 21, ein Raum oberhalb jeder Kühlmittelkondensationskammer 8 über der Wärmetauscherrippe 15 innerhalb des Rahmenelements 22 und der Innenraum in jedem Rahmenelement 24 bilden zusammen einen Luftvorratsraum 10, der sich durch den Körper hindurch erstreckt. Die Öffnungen 27 im unteren Teil jeder Trennwand 21, ein Raum unterhalb der Wärmetauscherrippen 15 innerhalb des Rahmenelements 22 der Kühlmittelkondensationskammer 8 und ein innerer Raum in jedem Rahmenelement 23 bilden zusammen einen inneren Abschnitt 1 für das siedende Kühlmittel, der sich durch den Körper hindurch erstreckt. Der Luftvorratsraum 10, die innere Kammer des Abschnitts 1 für das siedende Kühl­ mittel und die Kühlmittelkondensationskammer 8 bilden zusammen einen luftdicht abgeschlossenen Behälter 19.

Die Öffnungen 26 im unteren Teil der Endwände 20 stehen in Flußverbindung mit der inneren Kammer des Abschnitts 1, in dem das Kühlmittel zum Sieden gebracht wird. Die Auslässe 25 werden z. B. in der Form von Röhren in den Öffnungen 26 befestigt. Diese Auslässe 25 können befestigt werden und gleichzeitig mit dem geschichteten Körper hartgelötet werden, indem sie gegen die Endwandöffnungen 26 mit Hilfe eines Ring­ flansches 25 a gedrückt werden, der ebenfalls aus einem Hartlötmaterial oder Lot besteht und der dort angeordnet wird, bevor die Auslässe und der Körper gleichzeitig hartgelötet werden. Die Zuleitungen für die nicht dargestellten elektrischen Vorrichtungen, welche durch geeignete Mittel in der inneren Kammer des Abschnitts 1 gehaltert sind, werden dann durch die Auslässe 25 nach außen geführt. Zur vollständigen Herstellung des Kühl­ systems werden die inneren Kammern des Abschnitts 1 für das siedende Kühlmittel mit einer bestimmten Kühlmittel­ menge, wie z. B. Freon 113 gefüllt. Dann werden luftdich­ te Abschlüsse (nicht gezeigt) verwendet, um die Aus­ lässe 25 luftdicht zu verschließen. Mit dem so aufge­ bauten Kühlsystem wird die von der im Inneren der Kammer des Abschnitts 1 befestigten elektrischen Vorrichtung ab­ gegebene Wärme an die Umgebungsluft abgegeben. Die elektrische Vorrichtung wird abgekühlt, wenn das zum Sieden gebrachte Kühlmittel in dem luftdichten Behälter um­ läuft, wo es einen Phasenübergang vom dampfförmigen in den flüssigen Zustand durchführt. Wenn das Kühlmittel die elektrische Vorrichtung berührt, fängt es zu sieden an. Dadurch wird Wärme von der elektrischen Vorrichtung auf das Kühlmittel übertragen. Die Wärme wird dann von dem Kühlmittel zur Außenluft übertragen, wenn der Kühl­ mitteldampf in den Kühlmittelkondensationskammern 8 kondensiert und wenn Wärme durch Konvektion von dem Kühlmitteldampf auf die Wärmetauscherrippen 13 der Kühlkammern 9 übertragen wird.

Stabförmiges Material wird zur Bildung der Rahmen 22, 23, 24 herange­ zogen. Der Stab 30, wie das in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt ist, wird in eine geeignete Form gebogen und so geschlossen, daß beide Enden aneinanderstoßen. Danach werden die angrenzenden bzw. aneinanderstoßenden Endabschnitte hartgelötet. Die Rahmenelemente lassen sich leicht und zuverlässig herstellen, wenn an der Knickstelle, wie das in Fig. 3b gezeigt ist, ein Schnitt gemacht wird, so daß der Stab dann senkrecht abgebogen wer­ den kann.

In Hinsicht auf die Verbindung der aneinanderstoßenden Endabschnitte jeden Rahmenelements ist es möglich, das Hart­ löten durchzuführen, nachdem ein Verbindungsstück 32 eingesetzt worden ist, welches vorzugsweise aus dem­ selben Hartlötmaterial besteht, aus dem auch die Trenn­ wand 21 gebildet ist. Dies ist in den Fig. 3a, 4a und 5a gezeigt. Die aneinanderstoßenden Enden können andererseits auch dadurch miteinander verbunden wer­ den, daß man die beiden Enden des Stabes 30 senkrecht nach innen abbiegt, um eine bestimmte gewünschte Über­ lappung herbeizuführen, und dann die aneinander­ stoßenden Bereiche 36, wie das in den Fig. 3b, 4b und 5b gezeigt ist, hartlötet.

Wie die Fig. 6a und 6b zeigen, kann ein sehr kleiner Spalt, wenn überhaupt, an dem Schnitt 31 zwischen den anstoßenden Bereichen 35 oder 36 des Rahmenelements vorhanden sein. In diesem Zusammenhang ergibt sich der Vorteil, daß sich der Spalt mit Lot füllt, welches von dem Rahmenelement und den Trennwänden während des Hartlötens dort hinfließt, weil sowohl die Rahmenelemente 22, 23, 24 und die Trennwand 21 aus einem Hart­ lötmaterial bestehen, damit diese Teile hartgelötet werden können. In der Innenkammer des Abschnitts 1 des so gebildeten Körpers, der den luft­ dichten Behälter bildet, ist die zu kühlende elektrische Vorrichtung untergebracht. Die Innenkammer des Abschnitts 1 muß daher ein Raumvolumen haben, das groß genug ist, damit die elektrische Vorrichtung unter gleichzeitiger Aufrechter­ haltung eines Isolationsabstandes zwischen der elek­ trischen Vorrichtung und den Wänden der Innenkammer in das siedende Kühlmittel eintaucht.

Die Belastung, die auf das Rahmenelement 23 wirkt, kann zunehmen, wenn der Innendruck in der Innenkammer zunimmt. Aus die­ sem Grunde ist die Ausgestaltung, die Dimensionierung und der Eckradius der Öffnung 27 in den Trennwänden 21 so gestaltet, daß, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, die am Schnitt 31 des Rahmens 23 herrschende Belastung da­ zu beiträgt, den zugehörigen Bereich zu verstärken.

Wenn die Rahmenelemente 22, 23 und 24 aus einem rinnenförmigen Stangenmaterial aus einer mit Lot überzogenen dünnen Platte gebildet sind, ist die adiabatische Verformung jedes gebildeten Rahmenelements kleiner als die des unbearbeiteten Materials. Dies minimalisiert die Verringerung der Flächigkeit der hartgelöteten Schichten, d. h. der Rahmenelemente, was dazu führt, daß die Überlappungsbreite für den Hartlötvorgang nicht verringert wird. Außerdem ermöglicht dies, daß der Rah­ men gut mit der Trennwand 21 oder den Seitenwänden 20, die beide aus Hartlötmaterial bestehen, zusammenpaßt, weil leichte Abmessungsfehler, wenn es überhaupt solche gibt, aufgefangen werden. Somit ergibt sich der Vorteil, daß eine Anzahl von Teilen, die kompli­ zierte Formen haben, zusammengesetzt werden können, um einen luftdichten Behälter zu bilden.

Wie zuvor bereits erwähnt wurde, wird das Kühlsystem zum Kühlen einer elektrischen Vorrichtung, wie beispielsweise eines Halb­ leiterstapels, verwendet. Zur Kühlung wird die elek­ trische Vorrichtung in ein Siedekühlmittel eingetaucht, das sich in dem Abschnitt 1 für das siedende Kühlmittel befindet. Durch die Zirkulation des Kühlmittels inner­ halb des luftdichten Behälters 19 und durch den Phasen­ übergang von der Dampf- in die Flüssigkeitsphase des Kühlmittels wird die elektrische Vorrichtung gekühlt. Der Kühlmitteldampf kondensiert in der Kühlmittelkonden­ sationskammer 8, die von einem Rahmenelement 22 gebildet wird, das angrenzend an eine Seite einer Trennwand 21 ange­ ordnet ist. Zwei Rahmenelemente 23 und 24 werden in den oberen und unteren Abschnitten auf der anderen Fläche der Trenn­ wand 21 angeordnet. Im Rahmenelement 22 wird eine Wärmetauscher­ rippe 15 so angeordnet, daß Kühlmittel senkrecht hindurch­ treten kann. Eine weitere Wärmetauscherrippe 13 wird zwischen dem oberen und unteren Rahmenelement 24, 23 ange­ ordnet, so daß dort Luft horizontal hindurchtreten kann. Die Rahmenelemente 22, 23, 24 bilden eine einzelne Baueinheit des Kühlsystems. Die so aufgebauten Einheiten können in einer bestimmten Anzahl mit Trennwänden 21, die dazwischen angeordnet werden, zusammengesetzt sein. Im Sockelbereich des luftdichten Behälters 19 wird eine luftdichte Kammer für das Kühlmittel gebildet, die mit der Kühlmittelkondensationskammer 8 in Verbindung steht. Diese Kammer 8 ist in dem Rahmenelement 22 eingeschlossen, das die Wärmetauscherrippe 15 hält, durch die das Kühlmittel in vertikaler Richtung hindurchtritt. Die Kühlkammer 9 ist mit Öffnungen versehen, die zur Außenseite, d. h. zur Umgebungsluft führen, die somit um die Wärmetauscher­ rippen 13 streichen und dort horizontal hindurchtreten kann. Die Kühlmittelkondensationskammern 8 und die Kühl­ kammern 9 wechseln sich ab, so daß eine wirkungsvolle Wärmeübertragung erreicht wird. Der Körper, der den luftdichten Behälter 19 bildet, ist zwischen den Endwänden 20 befestigt und wird von diesen gehalten. Die elektrische Vorrichtung wird in das Kühlmittel einge­ taucht und wird in der Kammer 1 für das Kühlmittel ge­ halten. Die Kammer 1 wird durch die Öffnung 27 im unteren Teil einer jeden Trennwand 21, dem Raum zwischen jeder Wärmetauscherrippe 15 und dem Raum in jedem unteren Rahmenelement 23 gebildet. Wenn das Kühlmittel kocht, tritt der Kühlmitteldampf durch die Kondensationskammern 8 in einen Luftbehälter 10 ein, der von der Öffnung 28 im oberen Teil jeder Trennwand 21, dem Raum über jeder Wärmetauscher­ rippe 15 und dem Raum in jedem oberen Rahmenelement 24 gebildet wird.

Zur Herstellung des luftdichten Behälters 19 werden wenigstens die Trennwand 21 und die Rahmenelemente 22, 23 und 24, die den zusammengesetzten Körper bilden, gleichzeitig unter bestimmten Hartlötbedingungen hartgelötet. Die An­ schlüsse zu dem elektrischen Gerät, welches gekühlt wer­ den soll, werden luftdicht durch abgedichtete Endstücke an beiden Seiten der Endwände 20 in den Ausgangsöffnungen 26 hindurchgeführt.

Die Rahmenelemente 22, 23, 24 und die Wände 20 und 21 werden unter Verwendung üblicher hartlötbarer Materialien her­ gestellt. Die Teile können in einem einfachen Herstellungsprozeß zusammengebaut und hart­ gelötet werden. Insgesamt kann das System als Ganzes nur ein geringes Gewicht haben. Somit erhält man luft­ dichte Verbindungen, ohne daß zeitaufwendige und arbeits­ intensive Schweißvorgänge erforderlich wären. Bei gleich­ zeitiger Verbesserung zur Qualität des Produktes wer­ den somit durch die Erfindung auch die Herstellungs­ kosten herabgesetzt und es wird außerdem verhindert, daß Fremdkörper sowie beim Schweißen auftretende Spritzer oder Teile, die bei Aneinanderstoßen der Teile absplittern könnten, in den luftdichten Behälter fallen können. Der Arbeitszeitaufwand kann noch weiter herabgesetzt werden, wenn die Auslässe 25 gleichzeitig mit dem Hart­ löten der anderen Elemente hartgelötet werden.

Claims (2)

1. Kühlsystem mit siedendem Kühlmittel zum Kühlen einer elektrischen Vorrichtung, mit
einer ersten Endwand mit einer Öffnung in ihrem unteren Randbereich,
einer Trennwand mit jeweils einer Öffnung in ihrem unte­ ren und in ihrem oberen Randbereich,
einem zwischen der ersten Endwand und der Trennwand ange­ ordneten ersten Rahmenelement, welches die Öffnungen in diesen beiden Wänden unter Bildung einer Kondensations­ kammer umschließt,
einer zweiten Endwand,
einem zweiten und dritten Rahmenelement, die zwischen der Trennwand und der zweiten Endwand angeordnet sind, wobei das zweite Rahmenelement die Öffnung im unteren Randbe­ reich der Trennwand und das dritte Rahmenelement die Öff­ nung in ihrem oberen Randbereich umschließt, und ein freier Durchgang zwischen dem ersten und dem zweiten so­ wie dem ersten und dem dritten Rahmenelement vorgesehen ist,
mit einer Abdichtung für die Öffnung im unteren Randbe­ reich der ersten Endwand, durch die hindurch Anschlußver­ bindungen zu einer elektrischen Vorrichtung in dem Raum geführt sind, der von dem Rand der Öffnung im unteren Randbereich der Trennwand und den auf beiden Seiten die­ ser Öffnung anschließenden Rahmenelementen begrenzt ist und in dem sich das Kühlmittel befindet, wobei die Wände und Rahmenelemente jeweils miteinander luftdicht verbun­ den sind, dadurch gekennzeichnet, daß das erste bis drit­ te Rahmenelement (22, 23, 24) aus einem hartlötbaren, stabförmigen Material gebogen ist, das an seinen Enden und mit den benachbarten Wänden durch Hartlöten verbunden ist.

2. Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem Einheiten umfaßt, die in der Reihen­ folge aus der Trennwand (21), dem ersten Rahmenelement (22), der Trennwand (21), dem zweiten Rahmenelement (23) und dem dritten Rahmenelement (24) zusammengesetzt sind.