DE7539808U - Kühleinrichtung zur Flüssigkeitskühlung für ein elektrisches Bauteil - Google Patents

Description

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Kühleinrichtung zur Flüssigkeitskühlung für ein elektrisches

Bauteil

Die Neuerung "betrifft eine Kühleinrichtung zur Flüssigkeitskühlung elektrischer Bauteile, "bei der zur Trennung des elektrischen Potentials der Kühlflüssigkeit von anderen Potentialen der Bauteile ein elektrisch isolierendes, gut wärmeleitendes Material dient, das als flüssigkeits-äi-chte und selbsttragende Wandlung für die Kühlflüssigkeit ausgebildet ist.

Wenn die Konvektionskühlung wegen ungenügender Wärmeableitung nicht mehr genügt oder wegen zu großer Abmessungen ausscheidet, dann bietet sich noch die Flüssigkeits- oder die Verdampfungskühlung: für elektrische Bauteile mit großer Wärmeentwicklung an

Bei der Siedekühlung finden inerte Flüssigkeiten Verwendung, in Vielehe die zu kühlenden Bauteile innerhalb eines dicht zu verschließenden Behälters getaucht werden. Durch die Wärme ent wicklung verdampft bei einer bestimmten Temperatur die inerte Flüssigkeit und entzieht den Bauteilen dadurch Wärme. Der Dampf kondensiert an einem Wärmetauscher. Dabei ist es von Vortexl, daß die Bauteile wegen der guten Kühlung in geringem Abstand voneinander aufgebaut werden können. Aber der Wärmetauscher zur Kondensation

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des Dampfes hat große Abmessungen. Außerdem entstehen zusätzliche elektrische Verluste, weil die Bauteile mit dar inerten Flüssigkeit in Berührung kommen.

Bei der Flüssigkeitskühlung sind wie "bei jeder Kühlungsart die elektrischen Bauteile zumeist auf Metallkörpern befestigt, die zur wärmeleitenden Verbindung der Wärmequelle mit dem Kühlmittel dienen. Diese Metallkörper sind aber natürlich auch elektrisch leitend, was von Nachteil ist, wenn sich die Wärmequelle auf einem anderen elektrischen Potential als das Kühlmittel befindet. Dann müssen die Kühlkörper durch elektrisch nicht leitfähige Rohre oder Schläuche voneinander oder vom restlichen Kühlkreis getrennt werden. Außerdem muß das Kühlmittel elektrisch nicht leitfähig sein. Es eignet sich beispielsweise destilliertes, entionisiertes Wasser.

diesem Zusammenhang ist eine Ealbleitergleichrichteranordnung "bekannt, bei der zwei Gleichrichterelemente, auf einem eine durchgehende Öffnung zum Durchfluß einer Kühlflüssigkeit aufweißenden Kühlbauteil befestigt und zu einer Gleichrichterschaltung elektrisch verbunden sind; diese Anordnung zeichnet sich, dadurch aus, daß das Kühibauteil aus einem flachen metallischen Grund.-körper und aus einem Deckjelteil aus thermisch gut leitendem Isolierstoff besteht, daß eines dieser beiden Bauteile an der dem anderen Teil zugewandten Seite mit Ausbildungen für einen von beiden Teilen eingeschlossenen, als Kühlkanal dienenden Hohlraun versehen ist und Anschlußstutzen für Kühlflüssigkeitsleitungen aufweist, daß auf dem Deckelteil wenigstens ein Flächenabschnitt mit einem geringen Abstand vom kühlkanal vorgesehen ist, der eine unterteilte, zur Befestigung von Gleichrichterelementen geeignete metallische Zwischenschicht aufweist, daß die Gleichrichterelemente ungekapselt mit ihrer Gleichrichtertablette auf je einer metallischen Zwischenschicht fest aufgebracht und an ihrem oberen Anschlußleiter mit einem auf der benachbarten metallischen Zwischenschicht befestigten Stromleiterteil kontaktier-t sind, und

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Laß der aus Kühlbauteil, Gleichrichterelementen und Stromleiter- ;eilen bestehende Aufbau in einer Isolierstoffmasse gekapselt ist. 'Deutsche Offenlegungsschrift 23 37 6?A)

lit einer solchen Anordnung kann nur eine schlechte Raumausnutzung »rreicht v/erden, die allenfalls dadurch verbessert werden könnte, Laß das Deckelteil kompliziert geformte Kühlkanäle aufweist, v/o-Lurch es sich aber schwer herstellen läßt. Die Kühlwirkung im Terhältnis zum Raumbedarf ist trotzdem noch relativ gering. Von Tachteil ist auch die Notwendigkeit, Bauteile stellenweise zu aetallisieren, wodurch die Herstellungskosten hoch werden. Schließ-Lieh müssen die Bauteile ziemlich große Wandstärken aufweisen, lamit sie die Anpreßdrücke zwischen dem metallischen Grundkörper rnd dem Deckelteil aushalten können, die erforderlich sind, um den kühlkanal flüssigkeitsdicht abzudichten. Dies erhöht unnötigerieise die Wärmekapazität und verschlechtert den Wärmeübergang swischen den zu kühlenden elektrischen Bauteilen und der Kühlflüssigkeit. . . ·

Bekannt ist weiterhin ein Halbleiter-Gleichrichtergerät für große Leistung mit einer Reihenparallelschaltung der Gleichrichterzellen, las sich dadurch auszeichnet, daß jede Reiheschaltung aus zwei

ill on ί»Ήτ··ί chtoT7.ol 1 οτ> linri pitipt Si etiATirne: besteht und daß nur'die an den Enden liegenden Elemente jeder Rexenschaltung an wassergekühlten, der Parallelschaltung dienenden Stromschienen angeschlossen sind, während zur Verbindung der Elemente jeder Reihe untereinander voneinander isolierte Klemmstücke dienen, die auf wasserdurchflossaie Rohre untrer Zwischenlage dünner Isolierschichten aufgereiht sind (deutsche Patentschrift 1 208 008).

Bei diesen Gerät ergibt sich das Dilemma, daß durch die dünnen Isolierschichten entweder die elektrische Isolation zwischen den aleichrichterzellen einerseits und der Kühlflüssigkeit andererseits schlecht ist oder - bei dickeren Isolierschichten — die Wärmeabfuhr merklich verschlechtert wird. Der bei dem bekannten J-erät benutzte Ausweg aus diesem Dilemma, nämlich die Verwendung aehrerer gegenseitig elektrisch isolierter Kühlflüssigkeitskreis-

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laufe ^ für die Bauteile einer Schaltungsanordnung), von denen jeder nur die Spannungsfestigkeit für einen Teilbereich der auftretenden Spannungen aufzuweisen braucht, führt wiederum zu dem am Anfang der Beschreibung erwähnten Nachteil, daß die Kühlwasserkreisläufe durch elektrisch nicht leitende Kühlwasserverbindungen miteinander verbunden sein müssen und daß eine elektrisch nicht leitende Kühlflüssigkeit verwendet werden muß.

Ec ist Aufgabe der Neuerung, eine Kühleinrichtung zur Flüssigkeitskühlung elektrischer Bauteile anzugeben, bei der die verwendete Kühlflüssigkeit nicht elektrisch nichtleitend zu sein braucht und trotzdem eine hohe Spannungsfestigkeit erzielbar ist, wobei mit geringem Raumbedarf eine gute Kühlung erreicht werden kann. Dabei soll der mechanische Aufbau einfach und die Kühleinrichtung leicht herstellbar sein. Zusätzliche Dichtstellen für Isolierschläuche zwischen elektrisch leitenden Kühlflüssigkeitsrohren sollen weitgehend entfallen.

Neuerungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Schutzanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Tlei Ra-r> ηαηοτ>ιιησοο·οΐηοΚΐιη TCiiVil oi TTPT P.TrfrlJ TlS" ist also ein Rohrstück

aus dem genannten gut wärmeleitfähigen Material Teil des Flüssigkeitssystemes, so daß der Weg für den Wärmefluß von den elektrischen Bauteilen zur Kühlflüssigkeit außerordentlich kurz gehalten werden kann. Der Wärmewiderstand ist daher auf diesem Weg sehr klein, zumal unter gut wärmeleitenden Materialien in diesem Zusammenhang solche bezeichnet werden, deren Wärmeleitfähigkeit besser als 1/10 der Wärmeleitfähigkeit von reinem Aluminium ist. Außerdem führt die neuerungsgemäße Einrichtung zujeiner starken konstruktiven Vereinfachung dadurch, daß dss Kühlflüssigkeitsrohr von einer

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Schelle umgeben ist, von der wenigstens ein Teil aus gut wärmeleitendem Material besteht, welches das genannte Material ■berührt sowie ein Bauteil trägt. Das andere Schellenteil kann aus elektrisch isolierendem Material bestehen oder auch ebenso wie das erste Schellenteil aus gut wärmeleitendem Material, welches das Material der Wandung für die Kühlflüssigkeit berührt. Im letzteren Fall kann das andere Schellenteil wenigstens ein weiteres Bauteil tragen. Die Befestigung eines oder mehrerer Bauteile an einer Schelle kann durch Einschrauben in ein Gewindeloch in der Schelle erfolgen.

Für das genannte Material für die flüssigkeitsdichte Wandung eignet sich am besten eine-Metalloxydkeramik» insbesondere AIuminiumoxydkeramik KER 71C* nach der Deutschen Industrienorm 40685· Damit ergibt sich eine sehr gute Kühlung und kleine Abmessungen gegenüber Konvektionskühlung, eine sehr gute elektrische Isolation zwischen der Wärmequelle und dem Kühlmittel und schließlich ist das selbsttragende Kühlflüssigkeitsrohr gleichzeitig Träger und elektrischer Isolator von Wärmequellen mit unterschiedlichem elektrischen Spannungspotential.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der- neuerungssemäßen Kühleinrichtung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung,

Fig. 2 eine verkleinerte schematische Aufsicht auf die Kühleinrichtung nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen bevorzugt verwendeten Kühleinrichtung, während in den

Fig. 4- und 5 Detailschnitte dargestellt sind. Gleichnamige Teile sind in den Figuren gleich "beziffert.

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Die Kühleinrichtung nach" Fig. 1'Tcann "beispielsweise für einen Hochspannungsgleichrichter für 30000 V und Ί0000 ¥ Verlustleistung Anwendung finden. Die hohe Sperrspannungsfestigkeit wird durch eine Serienschaltung von ca. 120 Dioden mit je 400 V Sperrspannung erreicht. Wegen der hohen Strombelastung werden jeweils 2 Dioden parallel betrieben. Zur gleichmäßigen Spannungsaufteilung sind die Dioden mit einer Zusatzbeschaltung versehen. In Fig. i ist nur ein Teil dieser Dioden und damit der Kühleinrichtung dargestellt. Jede der dargestellten Dioden "bildet eines der flüssigkeitsgekühlten elektrischen Bauteile 1, die jeweils einen Gewindezapfen und einen Sechskant aufweisen. Die Gewindezapfen sind jeweils in zugehörige Gewindelöcher von Schellenteilen 2 und 3 aus Metall geschraubt. Die Schellen mit eng toleriertem Innendurchmesser werden mit Schrauben 4- zusammengehalten und umgeben ein Kühlflüssigkeitsrohr 3 aus Aluminiumoxydkeramik, dessen Oberfläche mit enger Toleranz geschliffen ist. Die Schellen teile 2, 3 sind gegenüber den Schellenteilen 6, 7 "und diese wieder .um gegenüber den Schellenteilen 8,9 dadurch elektrisch voneinander isoliert, daß sie auf dem Kühlflüssigkeitsrohr 5 mit Abstand voneinander montiert sind. Die oben erwähnte Zusatzbeschaltung aus Widerständen und Kondensatoren ist mit 10 bezeichnet.

Durch das Kühlflüssigkeitsrohr 5 strömt in Richtung des Pfeiles 11 Wasser. In der preiswertesten Ausführungsform kann das Kühlflüssigkeitsrohr 5 eine glatte Innenwandung haben. Durch Längsrippen oder andere Abweichungen von der Kreisform ist aber bei gleichen Abmessungen eine gesteigerte Kühlwirkung erzielbar.

In Fig. 2 ist das Wesentliche der Fig. 1 nochmals als Ansicht in Richtung des Pfeiles 11 dargestellt, wobei deutlich wird, wie kurz der Weg für den Wärmefluß von den Schellenteilen 2, 3 zur Kühlflüssigkeit im Kühlflüssigkeitsrohr 5 ist.

Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind weitere Bauteile 15, nämlich Widerstände der Zusatzbeschaltung (10 in Fig. 1), wegen ihrer hohen Verlustleistung nicht mehr freitragend

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außen an der Schelle angeordnet, sondern in Löcher in Form von Bohrungen gesteckt.

Fig. 4- zeigt das entsprechende Detail im Schnitt, worauf der Pfeil 16 hinweist. Zur Vermeidung von Kurzschlüssen wird über das Bauteil 15 ein dünnwandiger Silikonschlauch 17 geschoben und das Bauteil mit Silikonschlauch nach Einstreichen mit Wärmeleitpaste 18 (auf Silikonbasis) in die Bohrung gesteckt. Auf diese Veise in die Schellenteile 2, 3 eingebettet, ist der Widerstand (Bauteil 15) isi Gegensatz zur freitragenden Montage bis zu fünffach höher belastbar·.

Fig· 5 ist entsprechend dem Pfeil 19 eine Detaildafcstellung im Schnitt, welche die teilweise Einbettung des Bauteiles 1 in einem Loch mit Gewinde zeigt.

Wenn die flüssigkeitsdichte, elektrisch isolierende, aber gut wärmeleitende Wandung, wie gezeigt, als Eohr ausgebildet ist, sind mit einem leicht herzustellenden Bauelement sämtliche Voraussetzunger, für die Lösung des Kühlproblems elektrischer Bauteile, insbesondere Halbleiterelemente gegeben, nämlich elektrische Isolierung, gute Wärmeableitung, selbsttragendes Bauelement, das geeignet ist, als Träger für die kühlenden Elemente (Schellen) zu dienen, und Flüssigkeitsdichtigkeit mit geringstem Aufwand. Außerdem können die Bauteile auf Schellen montiert werden, die den großen Vorteil haben, daß sie mit einfachen Mitteln auf das Eohr geklemmt werden können. Die mit dem Rohr in Berührung kommenden Flächen der Schellen können sehr maßhaltig gestaltet werden, so daß die Wärmeabfuhr von den Schellen in das Eohr außerordentlich gut ist.

Gegenüber der Siedekühlung mit inerter Flüssigkeit hat die neuer.ungsgemäße Kühleinrichtung den Vorteil, daß die elektrischen Bauteile, welche die Wärmequellen bilden, sehr gut zugänglich und leicht austauschbar sind.

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Claims (7)

P 25 56 239-4-33 : :: : : : : :Berlin, den 31.Okt. KE2-B/Wn-zg Schutzansprüche

1) Kühleinrichtung zur flüssigkeitskühlung elektrischer Bauteile, "bei der zur Trennung des elektrischen Potentials der Kühlflüssigkeit von anderen. Potentialen der Bauteile ein elektrisch isolierendes, gut wärmeleitendes Material dient, das als flüssigkeitsdichte und selbsttragende Wandung für die Kühlflüssigkeit ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung ein Kühlflüssigkeitsrohr (5, 12) bildet und von einer Schelle (2, 3) umgeben ist, von der wenigstens ein Teil (Schellenteil 2 in Fig. 3) aus gut wärmeleitendem Material besteht, welches das genannte Material berührt sowie ein Bauteil (1, 15) trägt.

2) Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Schellenteil (14 in Fig. 3) elektrisch isolierend ist.

3) Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Schellenteil (3) ebenfalls aus gut wärmeleitendem Metall besteht, welches das genannte Material (5) berührt.

4-) Kühleinrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das andere Schellenteil (3) ein weiteres Bauteil (1, 15) trägt.

5) Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, daduroh gekennzeichnet, daß die Schelle (2, 3) eine Ausnehmung oder ein Loch aufweist, welche bzw. welches das mit einem wärmeleitfähigen, aber elektrisch isolierenden Silikonschlauch (17) überzogene Bauteil (15) enthält.

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6) Kühl einrichtung nach Anspruch ^i dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Bauteil (15) t^kL der Lochwandung Värmeleitpaste (18) "befindet-

7) Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Aluminiumoxydkeramik ist.

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