DE9209878U1

DE9209878U1 - Kühlsystem

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Publication number: DE9209878U1
Application number: DE9209878U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1992-10-15
Anticipated expiration: 2002-07-23

Description

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Siemens Aktiengesellschaft

Kühlsystem
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Abführung von in einem Gegenstand entstehende Verlustwärme an die Umgebung.

0 Bei jedem Umwandlungsprozeß wird ein Teil der Energie von einer Maschine, einem Apparat oder einem Leistungshalbleiter aufgenommen und muß als wärme aus dem System herausgeführt werden, damit die Temperatur in Grenzen bleibt. Diese Aufgabe der Entwärmung stellt sich überall in der Elektronik. Ihre Lösung wird umso schwieriger, je höher man die Leistungsdichte in dem vom Energiestrom durchflossen Heißteil wählen muß.

Die im Gerät entstehende Wärme kann im allgemeinen mit Hilfe von drei verschiedenen Mechanismen an die Umgebung übertragen werden: durch molukulare Leitung, durch Konvektion und durch Strahlung. Ist das umgebende Medium eine fluide Phase, was in den meisten Fällen zutrifft, dann geschieht die Wärmeübertragung durch Konvektion und Strahlung, in vielen Fällen ist es weiterhin gerechtfertigt, die Wärmestrahlung außer Acht zu lassen. Für die Abführung der im Gerät entstehenden Verlustwärme verbleibt dann noch die Konvektion. Bei der konvektiven Wärmeübertragung ist der in die Umgebung übertragene Wärmestrom proportional der wärme Übergangszahl, der Geräteoberfläche und einer Temperaturdifferenz. Die Temperaturdifferenz wird im einfachsten Fall aus der Wand- und Umgebungstemperatur gebildet. Die Wärmeübergangszahl hängt von den Eigenschaften und der Geschwindigkeit der umgebenden fluiden Phase sowie von der geometrischen Gestaltung der Geräteoberfläche ab.

Ur/Bim / 17.07.199?.

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Zur Abführung der in der Volumeneinheit eines Gerätes entwickelten Verlustwärme bieten sich zwei Möglichkeiten an:

- Vergrößerung der Geräteoberfläche,

- Vergrößerung der Wärmeübergangszahl. 5

Eine Maßnahme zur Vergrößerung der Geräteoberfläche besteht darin, daß man das Gerät mit Kühlrippen versieht. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der wärmeabfuhr ergibt sich durch Vergrößerung der Wärmeübergangszahl. Die läßt sich durch die Erhöhung der Luftgeschwindigkeit erreichen, vor allem aber durch Übergang zur Wasserkühlung.

Die naheliegenste Methode, um die wirksame Kühlfläche eines Leistungshalbleiters zu vergrößern, ist die direkte Luftkühlung über Rippenkühlkörper in einseitiger oder - bei Scheibenzellen - in zweiseitiger Ausführung. Dabei ist zu beachten, daß Rippen nicht nur zu einem vergrößerten Bauvolumen des Gerätes führen, sondern außerdem zu einer sehr starken Vergrößerung der Masse, also des Gerätegewichtes.

Aus der DE-Zeitschrift "etz Archiv", Band 8 (1986), Heft 6, Seiten 207 bis 211, ist bekannt, Thyristorhochleistungsventile in Innenraumtechnik mit Flüssigkeitskühlung durch ent-

_oc ionisiertes Wasser auszuführen. Dabei werden Stapel von co

Thyristoren in Scheibenzellenbauweise und Kühldosen, eingebettet in einem mechanischen Spannverband, gebildet. Diese Säulen finden Anwendung in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung- (HGÜ-) Technik, aber auch in Mittelspannungsanlagen zur Blindleistungskompensation, zur Stromversorgung in der chemischen Industrie und als Stellglied für elektrische Antriebe größter Leistung.

Die zwischen den Thyristoren angeordneten Kühldosen werden zur wärmeabfuhr von Wasser durchflossen. Durch die Verwendung dieses Kühlmittels können die Kühldosen sehr klein

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gestaltet werden. Wasser hat die größte spezifische Wärmekapazität und gewährleistet einen sehr großen Wärmeübergangskoeffizienten. Demgegenüber wird der mit dem Wasser in Berührung kommende Werkstoff stark belastet. Zum einen können Leckströme eine elektrolytische Abtragung bewirken. Zum anderen wird das Material infolge der Kühlmittelgeschwindigkeit durch Kavitation beansprucht, auch Korrosionserscheinungen müssen sicher verhindert werden. Aus diesen Gründen darf das Wasser außer mit dem Polyamid-Verteilungsrohren nur mit Edelstahl in Berührung gebracht werden.

Aus der DE-zeitschrift "ZEV+DET Glas.Ann.", 114 (1990), Nr.11/12, Seiten 503 bis 511, ist eine isolierte Kühlung mit Wärmerohr bekannt. Ein im Rippenkühlkörper eingezogenes Wärmerohr verbessert die Kühleigenschaft entscheidend. Mit Hilfe einer verdampfenden Flüssigkeit wird die Verlustwärme sehr schnell und nahezu wärmewiderstandsfrei im Wärmerohr verteilt, so daß durch die Verlängerung des Rippenkühlkörpers eine nennenswerte Vergrößerung der wirksamen Kühlfläche erreicht wird.

Der Nachteil eines derartigen Kühlsystems besteht darin, daß eine Nachrüstung eines Rippenkühlkörpers mit einem wärmerohr einerseits sehr aufwendig und andererseits erheblich kostenintensiv ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kühlsystem anzugeben, das einerseits kostengünstig und einfach zu handhaben ist und andererseits auf einfache Weise bei bestehenden Kühlsystemen nachgerüstet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Abführung von in einem Gegenstand entstehende Verlustwärme an eine Umgebung aus einem Kühlkörper und wenigstens einem mit einer Kühlflüssigkeit durchströmten Schlauch besteht, wobei dieser Schlauch lösbar mit diesem Kühlkörper verbunden ist.

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Durch die Verquickung von Luft- und Wasserkühler erhält man ein Kühlsystem, mit dem eine erhöhte Verlustwärme abgeführt werden kann, die kostengünstig und einfach zu handhaben ist. Außerdem kann man an Rippenkühlkörpern oder beliebigen Kühlkörpern nachträglich einen Schlauch anbringen, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Der Schlauch, der an ein bestehendes Kühlflüssigkeitssystem angeschlossen wird, braucht nur noch mit einem Verbindungsmittel in Verbindung gebracht werden. Durch diese einfache Maßnahme kann jederzeit ein derartig zu kühlender Gegenstand auch bei beengten Platzverhältnissen ohne Trennung des Wasserkreislaufes ausgetauscht werden.

Als Verbindungsmittel sind eine Nut oder wenigstens eine Halterung vorgesehen. Diese Verbindungsmittel können nachträglich leicht an Gegenständen angebracht werden, in denen Verlustwärme entsteht. Von diesen beiden Verbindungsmitteln ist die Nut jedoch aufwendiger, erzielt aber eine bessere Kühlleistung.
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Bedingt durch den größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Schlauches gegenüber dem Kühlkörper wird sich der Schlauch stärker gegen den Kühlkörper pressen, sobald der Kühlkörper warm wird. Dadurch entsteht ein kleinerer Wärmeübergangswiderstand, der mit ansteigender Temperatur des Kühlkörpers kleiner wird.

Ein derartiges erfindungsgemäßes Kühlsystem bietet sich bei einem Stellglied für elektrische Antriebe größter Leistung an, wobei das Stellglied Thyristorhochleistungsventile mit Flüssigkeitskühlung enthält. Bei modernen Stellgliedern bzw. Stromrichtergeräten können in ein und demselben Geräteschrank sehr unterschiedliche Leistungen installiert werden. Mit anwachsender Schaltleistung der Thyristorhochleistungsventile wächst auch deren Steuerleistung an, ohne dabei mehr Platz zu benötigen. Durch das Anwachsen der Steuerleistung steigt auch die Verlustwärme an, die dann

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nicht mehr mittels vorhandener Kühlkörper abgeführt werden kann.

Mittels der vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühlsystems kann diese gestiegene Verlustwärme abgeführt werden, ohne dabei das Stellglied neu konstruieren zu müssen. Man braucht lediglich in den vorhandenen Kühlkörpern der Ansteuerbaugruppen jeweils eine Nut einfrasen und einen Schlauch derart eindrücken und verlegen, daß alle Kühlkörper thermisch in Reihe geschaltet sind. Die Enden dieses Schlauches müssen dann nur noch mit einem Kühlmittelzu- und -ablauf verbunden werden und das erfindungsgemäße Kühlsystem ist betriebsbereit. Es bietet sich auch an, daß jeder Kühlkörper einen eigenen Schlauch erhält, so daß die Kühlkörper thermisch parallel geschaltet sind.

Dieser bzw. diese Schläuche können aber auch in eine einseitig offene Halterung geklemmt werden, wobei diese Haltung auf den vorhandenen Kühlkörpern lösbar befestigt ist.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Kühlsystems besteht darin, daß ein bestehender Rippenkühlkörper bei vorhandenem Kuhlflussigkeitssystem ohne Vergrößerung seiner wirksamen Kühlfläche kostengünstig und auf einfache Weise in Bezug auf Abführung von Verlustwärme hochgerüstet werden kann.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Nut mit einem Wärmeleitmittel ausgekleidet. Durch die Verwendung von Wärmeleitmittel zwischen Schlauch und Kühlkörper wird der Wärmeübergangswiderstand noch mehr verkleinert.

Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Kühlsystems wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel schematisch veranschaulicht ist. 35

Figur l zeigt eine Teildraufsicht auf eine Ansteuerbaugruppe mit erfindungsgemäßem Kühlsystem, in

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Figur 2 ist die Schnittdarstellung II-Il gemäß Figur l

dargestellt und die
Figur 3 veranschaulicht mehrere Ansteuerbaugruppen mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem in einem Baugruppenträger.

Die Figur l zeigt eine Teildraufsicht auf eine Ansteuerbaugruppe 2 eines Leistungshalbleiters eines Stellgliedes für einen Antrieb größter Leistung und in Figur 2 ist die Schnittdarstellung II-II nach Figur l dargestellt. Im folgenden bezieht sich die Beschreibung gleichzeitig auf beide Figuren &igr; und 2.

Als Leistungshalbleiter ist beispielsweise ein abschaltbarer Hochleistungsthyristor (GTO-Thyristor) vorgesehen. Für ein Ventil dieses genannten Stellgliedes sind beispielsweise zwei bis zehn GTO-Thyristoren mit den zugehörigen Kühldosen in einem mechanischen Spannverband angeordnet, wobei jedem GTO-Thyristor eine Ansteuerbaugruppe 2 zugeordnet ist, mit der die Ansteuerleistung für den GTO-Thyristor bereitgestellt wird. Wie bereits erwähnt, steigt mit der Schaltleistung des Thyristors oder abschaltbaren Thyristors auch seine Steuerleistung. Mit Anwachsen der Steuerleistung steigt auch die Verlustwärme an, die bis zu 150 W pro Baugruppe betragen kann.

Die Leistungselemente 4 der Ansteuerbaugruppe 2, die jeweils eine Verlustwärme erzeugen, sind auf einer Montageschiene 6 aus Aluminium befestigt. Als Material bietet sich auch Kupfer an. D.h., das verwendete Material soll möglichst gut wärmeleitend sein. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind diese Leistungselemente 4 der Ansteuerbaugruppe 2 nur mittels einer unterbrochenen Linie dargestellt und auf weitere Elemente dieser Ansteuerbaugruppe 2 wurde zugunsten der Darstellung des Kühlsystems 8 verzichtet. Die Montageschiene 6 ist mit einem Schlauch 10 versehen, in dem eine Kühlflüssigkeit strömt. Die Flußrichtung der Kühlflüs-

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sigkeit ist durch Pfeile angedeutet. Der Schlauch 10 ist eingangsseitig mit einem Kühlmittelzulauf und ausgangsseitig mit einem Kühlmittelablauf eines Kühlmittelskreislaufsystems des Hochleistungsventils des Stellglieds verbunden.

Durch die Verwendung des flüssigkeitsdurchströmten Schlauches 10 ergibt sich eine Vergrößerung der Wärmeübergangszahl, wodurch sich die wärmeabfuhr wesentlich verbessert.

Das Material des Schlauches 10 kann Polyetylen, beispielsweise ein Hochdruck-Polyetylen-Schlauch (HD-PE) oder ein Niederdruck-Polyetylen-Schlauch (ND-PE), sein. Das besondere an diesem Kühlsystem 8, bestehend aus einer Luftkühlung und einer Flüssigkeitskühlung, ist, daß die Flüssigkeitskühlung nachträglich in einem bestehenden Luftkühlkörper 6 integriert werden kann, wenn eine vermehrte Wärmeabfuhr gefordert wird und kein zusätzlicher Platz vorhanden ist.

zur einfachen Handhabung der Verbindung der Montageschiene 6, auch als Luftkühlkörper bezeichnet, und der Flüssigkeitskühlung ist der Luftkühlkörper 6 mit einer Nut 12 versehen, die an einer frei zugänglichen Stelle des Luftkühlkörpers 6 eingebracht ist. Die Nut 12 ist so ausgestaltet, daß der Schlauch 10 einfach in diese einzudrücken ist, ein Herausspringen des Schlauches 10 in jedem Betriebspunkt aber vermieden wird. Um den Wärmeübergangswiderstand weiter zu verkleinern, kann beispielsweise eine Druckplatte über dem Schlauch 10 befestigt werden, wodurch eine Kraft in Richtung der Nut 12 auf den Schlauch 10 ausgeübt wird. Diese Nut 12 kann nachträglich in die Luftkühlkörper 6 gefräst werden. Da der Schlauch 10 gegenüber dem Luftkühlkörper 6 einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, preßt sich mit steigender Temperatur des Kühlsystems 8 der Schlauch 10 stärker gegen die Wandung der Nut 12 des Luftkühlkörpers 6. Dadurch entsteht ein sich verkleinernder Wärmeübergangswiderstand. Dieser Wärmeüber-

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gangswiderstand kann durch die Verwendung eines Wärmeleitmittels, womit die Nut ausge-kleidet wird, weiter verkleinert werden.

Die Figur 3 zeigt mehrere Ansteuerbaugruppen, die nebeneinander mit geringem seitlichen Abstand zueinander in einem Baugruppenträger 14 angeordnet sind. Vom Baugruppenträger 14 sind bei dieser Darstellung nur eine vordere, obere und untere Profilschiene 16 und 18 zu sehen. Der seitliche Abstand der Baugruppen 2 untereinander entsteht beispielsweise dadurch, daß jede Baugruppe 2 in Flucht zu seinem Leistungshalbleiter, der im mechanischen Spannverband ist, angeordnet werden muß. Jede Baugruppe 2 kann mit einer oder auch mit zwei Montageschienen ausgestattet sein, wobei bei zwei Montageschienen 6 diese gegenüberliegend angeordnet sind. Bei diesen gezeigten Ansteuerbaugrupppen 2 handelt es sich um Baugruppen 2 mit jeweils zwei Luftkühlkörpern 6. Alle Kühlkörper 6 der Ansteuerbaugruppen 2 sind mittels eines Schlauches 10 thermisch in Reihe geschaltet. Dabei verläuft der Schlauch 10, betrachtet in Fließrichtung der Kühlflüssigkeit von oben nach unten durch die Nut des hinteren Kühlkörpers einer ersten Baugruppe 2, dann unter der Baugruppe 2 entlang nach vorne und von unten nach oben durch die Nut 12 des vorderen Kühlkörpers 6 der ersten Baugruppe 2. Danach verläuft der Schlauch 10 oben von der ersten Baugruppe 2 zur zweiten Baugruppe 2 und dort von oben nach unten durch die Nut 12 des vorderen Kühlkörpers 6, dann unter der Baugruppe 2 entlang nach hinten und von unten nach oben durch die Nut des hinteren Kühlkörpers. Die Führung des Schlauches 10 setzt sich, wie eben beschrieben, so durch alle weiteren Baugruppen 2 des Baugruppenträgers 14 fort.

Falls mal eine Ansteuerbaugruppe 2 aufgrund eines Fehlers ausgetauscht werden muß, kann man selbst bei beengten Platzverhältnissen diese entsprechende Baugruppe 2 ausbauen, ohne dabei weder den Kühlmittelkreislauf auftrennen

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noch diesen abschalten zu müssen. Im Störungsfall wird der flussigkeitsgekühlte Schlauch 10 aus der Nut 12 des Kühlkörpers 6 der defekten Ansteuerbaugruppe 2 gezogen und diese Baugruppe 2 aus dem Baugruppenträger 14 genommen. Der Einbau einer neuen Ansteuerbaugruppe 2 verläuft genauso einfach. Da der Kühlmittelkreislauf nicht aufgetrennt werden muß, entfällt auch eine Entlüftung des Kühlmittelkreislauf systems, was sehr zeitaufwendig ist.

Das erfindungsgemäße Kühlsystem 8 bietet sich an, wenn ein bestehendes Stellglied in der Leistung aufgestockt werden soll, ohne dabei jedoch das Gerät neu konstruieren zu müssen. D.h., bei allen Geräten, bei denen eine vermehrte Verlustleistung abgeführt werden muß und kein Platz vorhanden ist, um die Oberfläche der wirksamen Kühlfläche zu vergrößern, und ein Kühlmittelkreislaufsystem bereits vorhanden ist, kann das erfindungsgemäße System 8 aufgebaut werden, wobei nachträglich die vorhandenen Rippenkühlkörper 6 jeweils mit einer Nut 12 versehen werden und ein Schlauch 10 in der beschriebenen Art und Weise verlegt und an das vorhandene Kühlmittelkreislaufsystem angeschlossen wird.

Claims

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10 Schutzansprüche

l. Vorrichtung zur Abführung von in einem Gegenstand (4) entstehende Verlustwärme an eine Umgebung, bestehend aus einem Kühlkörper (6) und wenigstens einem mit einer Kühlflüssigkeit durchströmten Schlauch (10), wobei dieser Schlauch (10) lösbar mit diesem Kühlkörper (6) verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmittel eine Nut (12) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch l,

dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungsmittel wenigstens eine einseitig offene Halterung vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (12) zur Aufnahme des Schlauches (10) so gestaltet ist, daß der Schlauch (10) einfach in diese einzudrücken ist, jedoch ein Herausspringen des Schlauches (10) in jedem Betriebspunkt zu vermeiden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß als einseitig offene Halterung eine Klemme vorgesehen ist.
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6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Nut (12) mit einem Wärmeleitmittel ausgekleidet ist.
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7. Vorrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß als Schlauch (10) ein Polyetylenschlauch (10) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlkörper (6) eine Montageschiene aus gut wärmeleitendem Material vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niederdruck-Polyetylenschlauch (10) vorgesehen ist.