DE2556239A1

DE2556239A1 - Kuehleinrichtung zur fluessigkeitskuehlung fuer ein elektrisches bauteil

Info

Publication number: DE2556239A1
Application number: DE19752556239
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Lodahl; Juergen Ing Grad Zeis
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1975-12-13
Filing date: 1975-12-13
Publication date: 1977-06-23
Also published as: FR2335050A1; FR2335050B1

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

Berlin, den 10. Dez. PT/TÜR-B/Wn-zg

B II 75/7

Kühleinrichtung zur Flüssigkeitskühlung für ein elektrisches

Bauteil

Die Erfindung "betrifft eine Kühleinrichtung zur Flüssigkeitskühlung für ein elektrisches Bauteil.

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 εη. Hierbei sind wie "bei jeder Kühlungsart die elektrischen Baubeile 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

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getrennt werden. Außerdem muß das Kühlmittel elektrisch nichtleitfähig sein. Es eignet sich beispielsweise destilliertes, entionisiertes Wasser.

Bei der Siedekühlung finden inerte Flüssigkeiten Verwendung, in welche die zu kühlenden Bauteile innerhalb eines dicht zu verschließenden Behälters getaucht werden. Durch die Wärmeentwicklung verdampft bei einer bestimmten Temperatur die inerte Flüssigkeit und entzieht den Bauteilen dadurch Wärme. Der Dampf kondensiert an einem Wärmetauscher. Dabei ist es von Vorteil, daß die Bauteile wegen der guten Kühlung in geringem Abstand voneinander aufgebaut werden können. Aber der Wärmetauscher zur Kondensation des Dampfes hat große Abmessungen. Außerdem entstehen zusätzliche elektrische Verluste, weil die Bauteile mit der inerten Flüssigkeit in Berührung kommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung zur Flüssigkeitskühlung für ein elektrisches Bauteil anzugeben, bei der die verwendete Kühlflüssigkeit nicht elektrisch nichtleitend zu sein braucht oder mit einem geringen Raumbedarf eine gute Kühlung erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst , daß zur Trennung des elektrischen Potentiales der Kühlflüssigkeit von einem anderen Potential des Bauteiles ein elektrisch isolierendes, gut wärmeleitendes Material dient. Als gut wärmeleitend werden in diesem Zusammenhang diejenigen Materialien bezeichnet, deren Wärmeleitfähigkeit besser als 1/10 der Wärmeleitfähigkeit von reinem Aluminium ist. Bevorzugt ist aus dem genannten elektrisch isolierenden, gut wärmeleitenden Material eine flüssigkeitsdichte Wandung für die Kühlflüssigkeit gebildet auf der getrennt von der Kühlflüssigkeit - Metallteile zur Herstellung des Wärmekontaktes mit dem Bauteil befestigt sind. Auf diese Weise kann ein Behälter oder Rohrstück aus dem genannten Material Teil des Kühlflüssigkeitssystemes sein und der Weg für den Wärmefluß von dem elektrischen Bauteil zur Kühlflüssigkeit

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außerordentlich kurz gehalten werden. Der Wärmewiderstand ist daher auf diesem Weg sehr klein. Außerdem führt eine solche Anordnung zu einer starken konstruktiven Vereinfachung, die noch dadurch unterstützt werden kann, daß die Wandung selbsttragend ist.

Eine weitere konstruktive Vereinfachung läßt sich dadurch erreichen, daß ein Kühlflüssigkeitsrohr oder -behälter von einer Schelle umgeben ist, von der wenigstens ein Teil aus gut wärmeleitendem Metall besteht, welches das genannte Material berührt sowie das Bauteil trägt. Auch in diesem Fall kann das Kühlflüssigkeitsrohr bzw. der -behälter selbst aus dem genannten

es bzw.
Material bestehender kann aber auch aus Metall hergestellt sein und unter der Schelle einen Mantel aus dem genannten Material tragen. Das andere Schellenteil kann aus elektrisch isolierendem Material bestehen oder auch -ebenso wie das erste Schellenteil aus gut wärmeleitendem Metall, welches das genannte Material 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 eignet sich am besten eine Metalloxydkeramik, insbesondere Aluminiumoxydkeramik KER 710 nach DIN 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 bei Verwendung des Materiales für ein selbsttragendes Kühlflüssigkeitsrohr dieses gleichzeitig Träger und elektrischer Isolator von Wärmequellen mit unterschiedlichem elektrischen Spannungspotential.

Bei Verwendung von wärmeleitendem Silikon als das genannte elektrisch isolierende Material entfällt allerdings der Vorteil, daß dieses Material als selbsttragendes Konstruktionselement ausgebildet sein kann.

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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung schematisch dargestellt.

Pig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kühleinrichtung. Die

Fig. 2 und 3 zeigen mögliche Abwandlungen, während

Fig. 4- eine verkleinerte schematische Aufsicht auf die Kühleinrichtung nach Fig. 1 darstellt.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen bevorzugt verwendeten Kühleinrichtung, während in den

Fig. 6 und 7 Detailschnitte dargestellt sind. Gleichnamige Teile sind in den Figuren gleich beziffert.

Die Kühleinrichtung nach Fig. 1 kann beispielsweise für einen Hochspannungsgleichrichter für 30000 V und 10000 W 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. 1 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 5 aus Aluminiumoxydkeramik, dessen Oberfläche mit enger Toleranz geschliffen ist. Die Schellenteile 2, 3 sind gegen-

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über den Schell ent eilen 6, 7 und diese wiederum gegenüber den Schellenteilsn 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 i"ig. 4· 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.

Pig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das angewendet werden kann, wenn aus irgendwelchen Gründen anstatt eines Kühlflüssigkeitsrohres aus Keramik ein solches aus Metall Verwendung finden soll. Dieses Kühlflüssigkeitsrohr aus Metall ist mit

12 bezeichnet, Es ist mittelbar von den Schellenteilen 2 und 3 aus Metall umgeben, während zwischen den Schellen und dem Kühlflüssigkeitsrohr 12 eine Schicht aus elektrisch gut isolierendem, gut wärmeleitendem Material 13 als Mantel vorgesehen ist. Dieser Mantel wird von elektrisch leitfähigen Schellenteilen berührt. Er kann beispielsweise aus wärmeleitendem Silikon bestehen und braucht nicht völlig geschlossen zu sein, sofern er nur elektrisch leitfähige Schellenteile vom leitfähigen Kühlflüssigkeitsrohr 12 elektrisch isoliert und für ausreichenden Wärmefluß sorgt. Die Schellenteile 2 und 3 können mit elektrischen Bauteilen bestückt sein.

Wenn nur ein Schellenteil elektrische Bauteile tragen soll, kann das Ausführungsbeispiel nach 3?ig. 3 verwendet werden, das bis auf das Schellenteil 14 mit dem Ausführungsbeispiel nach ,

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Fig. 2 übereinstimmt. Das Schellenteil 14- ist elektrisch nichtleitend und braucht daher nicht durch ein isolierendes Mantelteil von dem metallischen Kühlflüssigkeitsrohr 12 getrennt zu sein.

Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind weitere Bauteile 15₅ nämlich Widerstände der Zusatzbeschaltung (10 in Fig. 1), wegen ihrer hohen Verlustleistung nicht mehr freitragend außen an der Schelle angeordnet, sondern in Löcher in Form von Bohrungen gesteckt.

Fig. 6 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 Weise in die Schellenteile 2, 3 eingebettet ist der Widerstand (Bauteil 15) im Gegensatz zur freitragenden Montage bis zu fünffach höher belastbar.

Fig. 7 ist entsprechend dem Pfeil 19 eine Detaildarstellung im Schnitt, welche die teilweise Einbettung des Bauteiles 1 in einem Loch mit Gewinde zeigt.

Gegenüber den bisher gebräuchlichen Kühleinrichtungen zur Flüssigkeitskühlung für elektrische Bauteile hat die erfindungsgemäße Kühleinrichtung den Vorteil, daß elektrisch leitfähige Kühlflüssigkeitsrohre nicht durch isolierende Schläuche voneinander getrennt werden müssen, so daß keine zusätzlichen Dichtstellen für Isolierschläuche notwendig sind. Gegenüber der Siedekühlung mit inerter Flüssigkeit hat die erfindungsgemäße Kühleinrichtung den Vorteil, daß die elektrischen Bauteile, welche die Wärmequellen bilden, sehr gut zugänglich und leicht austauschbar sind.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Kühleinrichtung zur Flüssigkeitskühlung für ein elektrisches Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung des elektrischen Potentials der Kühlflüssigkeit von einem anderen Potential des Bauteiles (1, 15) ein elektrisch isolierendes, gut wärmeleitendes Material (5i 13) dient.
2) Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Material eine flüssigkeitsdichte Wandung (Kühlflüssigkeitsrohr 5) für die Kühlflüssigkeit gebildet ist, auf der getrennt von der Kühlflüssigkeit Metallteile (Schellenteile 2, 3) zur Herstellung des Wärmekontaktes mit dem Bauteil (1, 15) befestigt sind.
3) Kühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (Kühlflüssigkeitsrohr 5) selbsttragend ist.
4) Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlflüssigkeitsrohr (5* 12) oder -behälter von einer Schelle (2, 3) umgeben ist, von der wenigstens ein Teil (Schellenteil 2 in Fig. 3) aus gut wärmeleitendem Metall besteht, welches das genannte Material (5ϊ 13) berührt sowie das Bauteil (1, 15) trägt.
5) Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Schellenteil (14 in Fig. 3) elektrisch isoliert.
6) Kühleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Schellenteil (3) ebenfalls aus gut wärmeleitendem Metall besteht, welches das genannte Material (5* 13) berührt.
7) Kühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Schellenteil (3) ein weiteres Bauteil (1, 15) trägt.

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ORIGINAL INSPECTED

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8) Kühleinrichtung nach, einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schelle (2, 3) eine Ausnehmung oder ein Loch zur Aufnahme des elektrischen Bauteiles (1, 15) aufweist.
9) Kühleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung oder das Loch ein Gewinde aufweist (Fig. 7).
10) Kühleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung oder das Loch das mit einem wärmeleitfähigen, aber elektrisch isolierenden Silikonschlauch (17) überzogene Bauteil (15) enthält.
11) Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Bauteil (15) und der Lochwandung Wärmeleitpaste (18) befindet.
12) Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch, gekennzeichnet, daß das Kuhlflussigkeitsrohr (12) oder der -behälter aus Metall besteht und das genannte Material (13) zwischen elektrisch leitfähigen Teilen der Schelle (2) und dem Kuhlflussigkeitsrohr oder -behälter vorgesehen ist.
13) Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (5* 13) eine Metalloxydkeramik ist.
14) Kühleinrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß das Material Aluminiumoxydkeramik ist.
15) Kühleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, außer Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Material (13) wärmeleitendes Silikon ist.

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