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Kühldose für ein elektrisches Bauelement
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Die Erfindung betrifft eine Kühldose aus wärmeleitendem Material für
ein elektrisches Bauelement, mit wenigstens einer Wärmeübergangsfläche, die zur
wärmeleitenden Verbindung mit dem Bauelement ausgebildet ist und in deren Bereich
wenigstens ein Strömungskanal für ein Kühlmedium von einer Einlaßöffnung zu einer
Auslaßöffnung verläuft, wobei die Kühldose aus zwei flüssigkeitsdicht miteinander
verbundenen Teilstücken besteht und jeder Strömungskanal als Nut in eines der Teilstücke
eingegraben und vom anderen Teilstück abgedeckt ist.
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Solche Kühldosen, beispielsweise für die Flüssigkeitskühlung von Scheibenthyristoren
oder Scheibendioden oder zur Flüssigkeitskühlung von Hochleistungswiderständen sind
aus der DE-AS 15 64 694 oder der DE-OS 15 14 679 bekannt. Diese Kühldosen werden
zur Kühlung einzelner Scheibenthyristoren oder Scheibendioden benutzt, die zwischen
zwei Kühldosen eingespannt sind oder sie werden in sogenannten Thyristorsäulen zur
Kühlung mehrerer Scheibenthyristoren verwendet, wobei in einer solchen Thyristorsäule
Scheibenthyristoren nebeneinandergestapelt und eingespannt sind und an jeder Seite
eines Scheibenthyristors ein Kühlkörper eingef##ügt ist und mit seiner Wärmeübergangsfläche
am Scheibenthyristor anliegt.
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Bei den bekannten Kühldosen ist die flüssigkeitsdichte Verbindung
der beiden Teilstücke schwierig realisierbar, außerdem müssen die beiden Teilstücke
spanabtragend bearbeitet werden, wodurch im Betrieb mit großen Abtragungsraten und
Korrosionsanfälligkeit zu rechnen ist.
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Es besteht die Aufgabe, eine Kühldose der eingangs genannten Art so
auszubilden, daß die flüssigkeitsdichte Verbindung der beiden Teilstücke in einfacher
Weise möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Abdeckung
der Nuten jedes Teilstück mit Rippen versehen ist, die wenigstens angenähert formschlüssig
in die Nuten des anderen Teilstückes eingreifen und daß die Höhe der Rippen kleiner
als die Tiefe der Nuten ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühldose sind Rippen und Nuten der beiden
Teilstücke formschlüssig miteinander verzahnt.
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Zur flüssigkeitsdichten Verbindung der beiden Teilstücke genügt daher
eine Schweißnaht an der Stoßstelle längs der längs der Peripherie der beiden Kühldosenhälften.
Mit der Rippenhöhe läßt sich außerdem der Querschnitt der Kühlkanäle bei der Herstellung
der Kühldosenhälften einstellen, womit es möglich ist, für die Kühlung von Bauelementen
unterschiedlicher Wärmeabgabe die gleiche Kühldose zu verwenden, was die Serienfertigung
verbilligt. Die beiden Teilstücke der Kühldose können gesenkgeschmiedet, gegossen
oder gepreßt sein, womit man eine homogene Struktur und sehr große Festigkeit erhält,
was größere Kühlmittelgeschwindigkeiten bei kleinen Abtragungsraten zuläßt und die
Korrosionsanfälligkeit verhindert. Wegen der spanlosen Verarbeitung kann auch hochreines
Metall verwendet werden. Dies ist erforderlich, wenn bei Hochspannungs-Gleichrichteranlagen
hochreines Wasser als Kühlmedium verwendet werden muß, da damit das Lösen von Metallionen
im Wasser verhindert wird.
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Im folgenden wird die erfindungsgemäße Kühldose beispielhaft anhand
der Figuren 1 bis 12 näher erläutert. In den Figuren sind einige unterschiedliche
Ausführungsbeispiele dargestellt. Dabei sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Figur 1 zeigt zwei Kühldosenhälften la und lb im Schnitt längs der
Linien I-I der Figuren 2 und 3. Figur 2 zeigt einen Schnitt durch das Teilstück
la längs der Linie II-II der Figur 1 und Figur 3 einen Schnitt durch das Teilstück
lb längs der Linie III-III der Figur 1. Figur 4 zeigt schließlich eine Seitenansicht
der Kühldosenhälfte la.
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Der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Kühidose ist der Figur
1 zu entnehmen, wobei als Ausführungsbeispiel eine Kühldose gewählt ist, die zwei
Wärmeübergangs flächen 2 und 3 besitzt, an die beispielsweise Scheibenthyristoren
angepreßt werden können. Im Bereich jeder Wärmeübergangsfläche 2 bzw. 3 liegen die
Sohlen von Nuten 4a bzw. 4b, die in jeder Kühldosenhälfte eingegraben sind. Außerdem
besitzt jede Kühldosenhälfte la bzw. lb Rippen 5a bzw. Sb, die nach der Montage
formschlüssig in die Nuten 4a bzw. 4b der anderen Kühldosenhälfte la bzw.
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lb eingreifen. Die Kühldosenhälften la und lb werden damit somit beim
Zusammenpressen miteinander verzahnt und es genügt eine Schweißnaht längs der Flansche
6a und 6b um die beiden Teilstücke la und lb flüssigkeitsdicht in einfacher Weise
miteinander zu verbinden.
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Die Tiefe t der Nuten 4a bzw. 4b ist größer als die Höhe h der Rippen
5a bzw. 5b. Beim Einpressen der Rippen 5a bzw. 5b in die Nuten 4a bzw. 4b bleibt
daher im Bereich der Wärmeübergangsflächen 2 und 3 ein Strömungskanal für ein Kühlmedium,
dessen Querschnitt sich mit der Höhe h der Rippen 5a bzw. 5b einstellen läßt. Die
Einstellung des Kanalquerschnitts läßt sich bei der Herstellung der beiden Kühldosenhälften
la und lb durch einfaches Abarbeiten der Rippen bzw. der Verzahnung 5a bzw. 5b erreichen.
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Die Kühlmittelgeschwindigkeit läßt sich damit optimal an das Kühldosenmaterial
bzw. an das Kühlmedium anpassen.
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Außerdem vergrößert sich durch die spiral- bzw. bogenförmige Kanalführung
der Wärmeübergangskoeffizient.
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Die beiden Teilstücke la und lb der Kühldose können aus einem gut
wärmeleitenden Metall, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder Stahl hergestellt sein,
wobei die beiden Hälften gesenktgeschmiedet, gegossen oder gepreßt werden können.
Bei diesen Herstellungsverfahren entsteht eine homogene Struktur und eine sehr große
Festigkeit des Materials der beiden Kühldosenhälften. Auch bei größeren Kühlmittelgeschwindigkeiten
erhält man daher kleine Abtragungsraten und eine geringe Korrosionsanfälligkeit.
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Hervorzuheben ist noch, daß wegen der spanlosen Verarbeitung auch
hochreine Metalle, z.B. Reinaluminium verwendet werden kann. Solche, aus Reinaluminium
hergestellte Kühldosen können in HGU-Anlagen bei Verwendung von hochreinem Wasser
als Kühlmittel eingesetzt werden, da damit das Lösen mit Metallionen in Wasser verhindert
ist.
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Mit der beschriebenen spanlosen Verarbeitung läßt sich auch ein geringer
Abstand zwischen den Sohlen der Nuten 4a bzw. 4b und den zugeordneten Wärmeübergangsflächen
2 bzw. 3 erreichen. Mit dieser geringen Wandstärke wird der Wärmewiderstand verkleinert
und damit die Wärmeabführung optimiert.
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Der Verlauf der Strömungskanäle in den beiden Kühldosenhälften la
und lb kann sehr unterschiedlich sein. Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren
1 bis 4 verlaufen die Nuten 4a und 4b in den beiden Teilstücken la und lb spiralartig,
wobei die beiden Spiralen im Mittelpunkt der Kühldose über eine Bohrung miteinander
verbunden sind. Der Strömungsweg verläuft daher beim Ausführungsbeispiel nach den
Figuren 1 bis 4 von der Einlaßöffnung 8, in die ein Füllstutzen eingesetzt werden
kann, über die spiralförmige Nut 4a zur Bohrung 7 und von der Bohrung 7 über die
spiralförmige Nut 4b zur Auslaßöffnung 9, in die ebenfalls ein Füllstutzen eingesetzt
werden kann.
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Bei dieser Ausführungsform sind die Strömungskanäle in
den
beiden Kühlkörperhälften im Zentrum über die Bohrung 7 verbunden, womit man im Mittelbereich
eine angenähert gleiche Kühltemperatur für die beiden an den Flächen 2 und 3 anliegenden
Bauelemente erhält.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigen die Figuren 5 und 6, wobei
die Figur 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Figur 6 und die Figur 6 einen
Schnitt längs der Linie VI-VI der Figur 5 darstellt. In diesem Ausführungsbeispiel
ist eine Kühldose gezeigt, die für die einseitige Kühlung ausgelegt ist und daher
nur eine Wärmeübergangsfläche 2 des Bauteils la besitzt. Das Bauteil lb ist daher
nur mit Rippen 5b versehen, die in die Nuten 4a des Bauteils la formschlüssig eingreifen
und so die beiden Bauteile la und lb miteinander verzahnen. Man erhält damit wiederum
nur eine Dichtungsstelle, die mit einer Schweißnaht 10 längs der Peripherie der
Kühldose flüssigkeitsdicht in einfacher Weise verschlossen werden kann. Im Schnitt
nach Figur 6 sind die beiden Bauteile la und lb im zusammengepreßten Zustand gezeigt.
Damit erkennt man auch den Flüssigkeitskanal 11, und es ist demonstriert, daß sich
der Querschnitt des Flüssigkeitskanals durch die Höhe h der Rippen 5b in einfacher
Weise einstellen läßt.
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Der Verlauf des Strömungskanales 11 ist der Figur 5 zu entnehmen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel verläuft der Strömungskanal als Doppelspirale, wobei
beide Spiralen im Mittelpunkt der Kühldose miteinander verbunden sind, Der Strömungsweg
vom Einlaßstutzen 12 zum Auslaßstutzen 13 ist mit Pfeilen 14 gekennzeichnet. Diese
Ausführungsform, die sich selbstverständlich auch bei einer Kühldose mit doppelseitiger
Kühlung durchführen läßt, besitzt den Vorteil, einer gleichmäßigen Temperaturverteilung
in der Auflagefläche 2, da die Doppelspirale gegensinnig vom Kühlmedium durchströmt
wird.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel zeigen die Figuren 7 bis 9, die wiederum
eine runde Kühldose mit doppelseitiger Kühlung darstellen, wobei die Figur 8 eine
Seitenansicht, die Figur 7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII der Figur 8, und
die Figur 9 einen Teilschnitt längs der Linie IX-IX der Figur 7 ist. Die Verzahnung
der beiden Kühlkörperhälften la und lb und die damit erhaltene Ausbildung der Kühlkanäle
11 wurde bereits im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 6 geschildert. Abweichend
ist der Verlauf der Strömungskanäle 11, der der Figur 7 zu entnehmen ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 7 bis 9 sind mehrere Strömungskanäle
11 strömungsmäßig parallel geschaltet und gehen von einer Einlaßöffnung 15 aus und
münden in einer Auslaßöffnung 16.
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Im Ausführungsbeispiel nach den Figuren 10 bis 12 ist schließlich
eine quaderförmige Kühldose gezeigt, wie sie beispielsweise zur Kühlung von Hochleistungswiderständen
benutzt werden kann, wobei auch diese Kühldose zur doppelseitigen Kühlung ausgelegt
ist. Dabei zeigt Figur 10 einen Schnitt längs der Linie X-X der Figur 11, Figur
11 einen Schnitt längs der Linie XI-XI der Figur 10 und Figur 12 schließlich einen
Schnitt längs der Linie XII-XII der Figur 11. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist
der Strömungskanal 11 mäanderförmig in jeder Kühldosenhälfte la bzw. Ib geführt,
wie die Figur 10 zeigt. Die Strömungskanäle 11 in beiden Kühlkörperhälften la und
lb sind über eine Bohrung 17 miteinander verbunden, so daß sich ein Kühlmittelstrom
ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 bis 4 ergibt.
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1 Patentanspruch 12 Figuren
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