DE3133485A1 - Fluessigkeitsgekuehlte elektrische baugruppe - Google Patents
Fluessigkeitsgekuehlte elektrische baugruppeInfo
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Description
Herren .£". · ^O^B "PPS.
py
Dipl^Chem. Or. Rudolf Wolgast
Dipl^Chem. Or. Rudolf Wolgast
Patentanwälte
D-5620 Veibert 11 - Langenberg
D-5620 Veibert 11 - Langenberg
eökenbuGCh 41
Postfach 110385, Tel, 4019, Telex 85ΐ£β«Γ.
Postfach 110385, Tel, 4019, Telex 85ΐ£β«Γ.
Flüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe
Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte elektrl-'
sohe Baugruppe gemäss dem Oberbegriff des .Patentanspruchs 1-,
Derartige Baugruppen sind schon- seit langem zum Stand der··
Technik zu 'zählen. Unter diesen Baugruppen sind vor allem elektrische Widerstände wegen ihrer grossen Verbreitung
hervorzuheben. Diese Widerstände sind im allgemeinen als gewickelte Drahtwiderstände ausgeführt und .weisen vor
allem den Nachteil auf, dass die bei Stromzufuhr im Widerstandsdraht
umgesetzte Wärme wegen des geringen Wärmekontaktes zwischen Widerstandsdraht und Kühler nur verhältnismässig
langsam weggeführt werden kann. Dieser Wärmekontakt wird zudem bei Betriebsbedingungen noch dadurch
verschlechtertj, dass der im Ruhezustand beispielsweise
schraubenlinienförmig an einem zentralen Künle.r anliegende
Widerstandsdraht bei Erwärmung teilweise vom Kühler abhebt,
so dass die im Draht gebildete Wärme teilweise durch die zwischen Draht und Kühler befindliche isolierende Luftschicht geleitet werden muss.
Darüber hinaus ist es notwendig,- zwischen einem metalli;"3cfien
Kühler und Widerstandsdraht eine Isolationsschicht -vorsusehen.
Diese Schicht wird üblicherweise aus gepresstem
-. Herren *& \ '-_ ■/ &038 PPS/Ks'-
Pulver, oder aus gehärteten Giessharzen hergestellt. Auf
grand der Ausgangsmaterialien lassen sich nur mit relativ
dicken Schichten elektrisch ausreichende Isolierungen, er-:
reichen. Hierdurch wird aber die Wärmeleitung zwischen ."";.
Widerstandsdraht und Kühler noch zusätzlich vermindert. '
. Es ist daher Aufgabe der Erfindung^ eine Baugruppe "der eingangs
genannten Art zu schaffen, welche- sich neben ihrem .
einfachen .Aufbau und ihrer" gross en Betriebssicherheit vor-
• ■ -allem dadurch auszeichnet, dasssier eine■ gegenüberbekänn·'-ten
Baugruppen bei gleicher Abmessung erheblich erhöhte : '
- . Leistungsaufnahme aufweist. .-■■ · :■ ■-.-■":"■"-:.,"-;^\^. ..,--/■■■
■ ■ Diese Aufgäbe wird durch die kennzeichnenden^^ Merkmale von
• '■ Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführiingsforinen der
Erfindung sind in den Patentansprüchen 2-71.7r angegeben^ :.:
Nachfolgend' werden.Ausführungsbeispiele der Erfihdüng än--'
hand der Zeichnung in .vereinfkchter Form dargestelit.: · '. "
Pig. 1 eine Seitenahsicht einer als elektriseher·_Wider- -:
".-■'. . stand·' "realisierten Ausfuhrungsform---.üer^^ Erfindung,
Fig. 2· eine Auf sieht .auf den erfindungsgemä'ssen Wider- - .;-■:"
stand gemäss Fig. 1,. . ^ · ^. ; ; λ. /V ·
Fig. 3 eine ' Auf sieht auf'einen"Schnitt■ ■ läjftgs; ■ der -Lihie ■
■ ,A-A durch den erfindungsgemä&sen Widerstand nj
• -Fig. 2, -.■;-"■. '■■'■■;■-_ ■:■ V: .-■■;".-/: ;; ν ;■.; -,v -V ":-^r:-: H:;
, Fig. M eine Aufsicht auf ein längs -der. Linie B-B ge--
schnittenes Kühleleme'nt^ des^ erfindungsgemässen
• Widerstandes, gemäss Fig.- 2, ;\·' - :...■
Herren . ' *ΐ · 5058 PPS/K,-
Fig.,5 eine Aufsicht auf ein Kühlelement gemäss Fig;. ^5
bei dem die obere Deckplatte entfernt wurde,
Fig. 6 eine Aufsicht auf einen Teilwider-stand des erfiridungsgemässen
Widerstandes gemäss Fig. ls
Fig. 7 eine stark schematisierte Seitenansicht zweier
AusfUhrungsformen des erfindungsgemässen Widerstandes
j bei denen die Kühlelemente mit festem Potential verbunden sind, und ' ' .
P1Ig. 8 eine Seitenansicht einer als Leisturigshalbleiter
Iu rc'al..i.s.ierten Aus führ ungs form -der Erfindung..'
• In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen« . ' ·
In Fig. 1 sind mit 1 und 2 eine obere und eine untere Platte
einer Klemmvorrichtung bezeichnet. An der Unterseite' der
oberen Piafete und an der Oberseite der unteren Platte sind
Schichten 5, 6 aus isolierendem' und duktilem Material wie
etwa Kunststoffen, vorgesehen. Zwischen den beiden Platten
1, 2 ist mittels Schrauben 7, 8 ein aus Kühlelementen 11
und Teilwiderständen 13 bestehender und in !Wechselnder
Folge geschichteter Stapel verspannt. Die Kühlelemerite
weisen, an ihren den Teilwiderständen 13 zugewandten Seiten
eine Schicht aus dielektrischem Material auf. Je nachdem
ob diese Schicht ober- oder unterhalb eines angrenzenden Teilwiderstandes 15 liegt, ist sie mit 12 oder I1J. "bezeiehnet.
Zwischen den Kühlelementen 11 befinden sich unterhalb eines Kühlmitteleintritts 18 und eines Kühlmittelaustritts
19 Dichtringe 15, welche die an jedem Kühlelement 11 anc?--
■ brachten in der" Figur 1 nicht ersichtlichen Kühl mittel«;i nund-austrittsöffnungen,
abdichten» Mit 16 ist ein erster
Stromanschluss an den aus Teilwiderständen 1Z>
bestehende -> Widerstand bezeichnet. ' · .
'. Herren ■ Ή' 5038PPS/K3
In Figur 2 sind darüber hinaus auch ein zweiter Stromanschluss 17 und weitere Schrauben 9 und 10 der Klemmvorrichtung
ersichtlich.
■ Aus Fig. 3 ist zu erkennen, dass der oberste Teilwiderstand
mit dem Stromanschluss 16 und der unterste Teilwider-
- . stand'mit dem Stromanschluss 17 verbunden sind, und dass . die Teilwiderstände. 13 durch leitende Verbindungen 3, 4 -in.
Serie geschaltet sind.
Wichtig ist nun, dass sowohl "die Kühlelemente 11 als auch
•Ό .die Teilwiderstände 13 schachtförmig gestaltet sind, und
das's jedes Kühlelement 11 jeweils mindestens eine Ein— und
Austrittsöffnung für die Kühlflüssigkeit aufweist, welche " " jeweils unmittelbar mit dem Kühlflüssigkeitseintritt 18 ·
bzw. Kühlflüssigkeitsaustritt 19 in Verbindungen stehen. 'Durch die schichtförmige Gestaltung von Teilwiderständen
13 und Kühlelementen 11 kann dem Widerstand bei"Stromdurehgang
eine grosse Wärmemenge entzogen und diese wegen der ·. . Parallelschaltung der kühl flüssigkeit durchströmt en Kühlelemente
11 sehr- rasch nach aussen befördert werden.
<-0 Es -empfiehlt sich darüber hinaus
zwecks Verbesserung der thermischen und/ oder elektrischen Belastung sowie zur besseren Aufnahme
von Druckkräften, den aus Kühlelementen 11 und Teilwiderständen bestehenden Stapel, etwa mit einem silikonhaltigen
Klebmassenfilm, materialschlüssig zu verkleben.
•Die ober- und unterhalb jedes Teilwiderstandes" 13 befind-
·.liehen Schichten 12, 14 aus dielektrischem Material haben
vorzugsweise die Aufgabe, den Stromfluss in den;Teilwider-
_. , ständen 13, vor äusseren Einwirkungen zu schützen. Als
Materialien für .die Dielektrika haben sich besonders dünne,
■gesinterte Oxide, wie Beryllium- oder Aluminiumoxid oder . Glimmer enthaltende Schichten bewährt. Sehr zweckmässig -
Heeren M-. Ε>0}8 PPS/Κ,ι
Ν ,anodisch oxydiertem - sind auch Schichten' au^iharteloxiertem) Aluminiumblech,
• welche .darüber hinaus auch noch den Vorteil haben',, dass-sie
wegen des leitfähigen Aluminiumkerns ohne weiteres an ein
vorgegebenes elektrisches Potential angeschlossen werden können. Bewährt hat es sich auch3 die dielektrischen
Schichten 12, 14 zwecks Homogenisierung-der in den Teilwiderständen 13 gebildeten Wärme mit ein'er Platte aus
' wärmeverteilendem Materials etwa Kupfers zu koppeln.
Die Kühlelemente 11 sind so gestaltets dass sie eine, gr-osse
Wärmekontakt fläche mit dem darüber oder darunter befindlichen Teilwiderstand 13 aufweisen. Gut bewährt haben sich
Kühlelemente der in Fig. 4 angegebenen Bauweise. Derartige Elemente bestehen im -wesentlichen aus zwei Deckplatten
• 20j 21 und einem zwischen diesen Platten angeordneten
Zwischenstück 22. Die Deckplatten2O5 21 sind hierbei mit
dem Zwischenstück 22 über Schweissnäht-e 23 flüsaigkeitsdicht
verbunden. Da die Kühlelemente -11 bei Einbau in einen
Widerstand von mehreren kW Leistung im .allgemeinen eine Bnuhöhe
kleiner 3 mm aufweisen^ müssen die Kühlelemente sehr*
präzise verschweisst werden. Dies kann beispielsweise . mittels, eines Laser-Schweissverfahrens durchgeführt werden.
Das' in Fig. 4 dargestellte Kühlelement weist eine Eintritts^
öffnung 24 für die in Pfeilrichtung zuströmende und eine Austrittsöffnung 25 für die erwärmtes in Pfeilrichtung abgeführte
Kühlflüssigkeit auf. Wie sich aus dem in der Fig. -1 durch Strömungspfeile dargestellten Küh-lflüssigkeitskreislauf
entnehmen lässt5 steht .je.de'Eintrittsöff- .
nung 24 jedes Kühlelementes 11 unmittelbar -mit der Kühlflüssigkeitszufuhr
18 des gesamten Kühlers und jede nustrittsöffnung 25 jedes Kühlelementes 11 unmittelbar mit
der Kühlflüssigkeitsableitung 19 in Verbindung. Die durch
die Eintrittsöffnung 24 tretende Kühlflüssigkeit hat daher auch bei Eintritt in das im Stapel zuunterst liegende Kiiblelement
11 noch keine Wärme aufgenommen und beeinflusst
Herron .^. !'.O58
nach Aufnahme der abzuführenden Wärme und Austritt aus
diesem Element 11 die darüber liegenden Kühlelemente wegen der unmittelbaren Verbindung der Austrittsöffnung 25 mit
. · der der Kühlflüssigkeitsableitung 19 nicht mehr.
κ Ein- und Austrittsöffnungen 24, 25 sind vorzugsweise an
einander gegenüberliegenden Seiten jedes Kühlelementes angebracht. Im Bereich dieser Oei'fnungen sind zu Zwecken
der Vergleichmässigung und Aufteilung der Kühlflüssigkeit
nockenförmig ausgebildete Leitelenient e 26 vorgesehen. Wie
LO am Verlauf der Strömungspfeile zu ersehen ist3 wird die
zuströmende Kühlflüssigkeit im Bereich der Leitelemente teilweise umgelenkt und durch - in der Pig. 4 nicht bezeichnete
- Kanäle .zu den Leitelementen 26 der Austritts-•
öffnung befördert. Die Kanäle befinden sich- auf der Ober-
und Unterseite des Zwischenteils 22 und werden an der . Oberseite durch die Deckplatte 20 und an der Unterseite
durch die Deckplatte 21 begrenzt. Die Kühlflüssigkeit ist daher auf einem relativ langen Strömungsweg unmittelbar mit
sehr dünnen, aus Chromnickelstahl-Blechen be-
2X) stehenden Deckplatten in Wärmekontakt3 wodurch sehr rasch,
eine grosse Wärmemenge abgeführt werden kann.
Da die Kühlflüssigkeit zudem in jedem Kühlelement 11 längs der oberen 20 und unteren Deckplatte 21 parallel geführt,
wird, ergibt sich darüber hinaus auf beiden Seiten des ■ Kühlelementes ll'-eine gleichmässige und rasch wirkende
Kühlung.
In Fig. 5 ist die Anordnung der Kanäle 27 beispielhaft dargestellt.
Diese Kanäle sind als parallel "zwischen Längsrippen 28 verlaufende Ausnehmungen ausgeführt. Da in der
Fig. 5 nur eine Aufsicht auf" das· Zwischenstück 22 darge-.
stellt ist, sind die auf der. Untersexte des Zwischenstückes
'2.2 "analog angeordneten Kanäle 2? nicht eröientiicb. Die
Kanäle 2? und-die Leitelemente 26 können beispielsweise
Herren . ' _ -M- ■ ^O'8 Γ" ■:;/-.
durch Aetzen des Zwischenteils 22 hergestellt werden. Zu
mehreren aufoÄnanderKestaps,ll<
-n . empfehlen ist es aber auch, das Zwischenstück auWproiilgewälzten
Blectfjfaierzustellen. Hierdurch lassen sich insbesondere
hohe Wärmef'lüsse ableiten.
' Es ist auch denkbar s ganz auf das Zwischenstück
-21 zu verzichten und die Kanäle durch Aufschweisseh von Flachdrähten auf die Deckplatten 20, 21 auszubilden. Die
Kühlelemente können dann durch Versehweissen der Deckplatten'
20, 21 mit einer einzigen Naht äusserst kostengünstig
hergestellt werden.
Eine besonders- zweckmässige Ausgestaltung eines erfinuurnjc·.-gemäss
vorgesehenen Teilwiderstandes 13 i'sb in Fig.'6 dargestellt. Dieser Teilwiderstand weist eine auf ein folien-•
förmiges .Isolierstoffsubst'rat 30 in Form von geknickten
Schlangenlinien bifilar aufgetragene Leiterbahn 29 auf.
Durch die beschriebene Anordnung der Leiterbahn 29 werden das elektromagnetische Feld des durchfliessenden Strömet.:,
und die vom Strom erzeugte Wärme derart kompon:.·. i
<>vt, .Fn;·..·.
keine unsymmetrische Verformung des Isolierstoffsubstrates
und lediglich eine geringe Restinduktivität auftreten kann,
Die Leiterbahn 29 ist stirnseitig mit otrotnansfihlüssen Ό ,
und 32 versehen. Diese Stromanschlüsse dienen wie anhand von Fig. 3 bereits erläutert wurde dazu3 die einzelnen
.Teilwiderstände 13 untereinander und mit den Stroman-Schlüssen
16, 17 der gesamten Baugruppe zu verbinden..
Gegebenenfalls ist es zu empfehlen, die Kühleleinente 11 in:! ■.
einem vorgegebenen elektrischen Potential zu verbinden.
Dies ist dann notwendig, wenn statische Aufladungen der potentialmässig schwimmenden Kühlelemente und damit vorbundene
Glimmentladungen vermieden werden sollen. In 1-1Ii..-ist
dargestellts wie eine erfindungsgemässe Baugruppe ausgestaltet
werden kanns um dieses Ziel zu erreichen. -Dieso
Ausgestaltung kann beispielsweise dadurch erfolgen, das.. · jedes Kühlelement U durch eine Potentialvi.rbindurig 33, v-i
Herren ■ -yf^. . 5038 PPiVKn
auf .dasselbe Potential wie der Stromanschluss 31, 32 des
- benachbarten -Teilwiderstandes 13 gebracht wird.
Wie in der Fig. 7 gestrichelt dargestellt" ist, lässt sich
dieses Ziel aber auch dadurch erreichen, dass jedes Kühl-
'5 element 11 mit einem Verb in dungs ρ unkt 35, 36, 37, 38 zweier
in Verhältnis zum Teilwiderstand 13 hochohmiger Widerstände 39« 40, 41, 42, 43 eines ohmschen Spannungsteilers,
verbunden' wird, wobei alle Widerstände des Spannungsteilers
in Serie liegen und am Spannungsteiler die zwischen den Stromanschlüssen l6 und .17 der Baugruppe herrschende
Spannung abfällt. Diese Ausführungsform hat zusätzlich noch
den Vorteil, dass Störkapazitäten vermieden werden.
• Die Erfindung ist nicht nur auf die als Widerstand ausgeführte
Baugruppe beschränkt, sondern erstreckt sich auch '> auf' alle Baugruppen, in denen analoge Kühlprob leine" auftreten,
wie beispielsweise Leisfcungshalbleiter. In Fig. 8
ist in stark vereinfachter Form dargestellt, wie eine als
Leistungshalbleiter ausgeführte erfindungsgemässe Baugruppe aufgebaut sein kann. Hierbei befindet sich ein halbleitendes
Element 44 zwischen zwei mit Wärmeverteilern 45,
46 versehenen schichtförmigen Kühlelementen 11. Durch die
erfindungsgemässe Gestaltung des aus Kühl- und Halbleiterelementes
11, 44 bestehenden und in einer mit Druckplatten I,.2 versehenen Klemmvorrichtung untergebrachten Stapels"
'.'5 kann die Leistungsaufnahme der Baugruppe bei gegenüber bekannten
Baugruppen unveränderten Abmessungen erheblich gesteigert werden. · ·
Claims (5)
- φ Α fr Jt *a » & ρ«« f> ft O S &at en t a η 's ρ r ü ch e( 1.jFlüssigkeitsgekühlte elektrische Baugruppe mit einer Vorrichtung zum Kühlen mindestens eines stromdurchflossenen elektrischen Bauelementes, bei. der Kühl- " flüssigkeit durch «inen Flüssigkeitseintritt in einen Kühler strömt und erwärmte Kühlflüssigkeit durch .einen Flüssigkeitsaustritt aus dem Kühler entfernt -wird., dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler aus schichtförmigen Kühlelementen (11) mit jeweils einer Ein(2il)- und Austrittsöffnung (25) für die Kühlflüssigkeit besteht j und dass Kühl (H)- und Bauelemente in wechselnder Folge zu einem Stapel übereinander geschichtet sind, . . wobei die Eintrit.tsöffnungen (2*1) der Kühlelemente (1.1) jeweils unmittelbar mit der Flüssigkeitszufuhr (18) und die Austrittsöffnungen (25) der Kühlelemente■(11)" jeweils unmittelbar mit der Flüssigkeitsableitung (19) •' des Kühlers verbunden- sind» · ·
- 2. Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, dass KUhI(Il)- und Bauelemente materialschlüssig miteinander verklebt sind.
- 3, Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet, daös Kühl(H)- und BauelurnonU; in cinrr Klemmvorrichtung gegeneinander verspannt sind.ι· . Eierren · 5038 PPS/Ks
- 4. Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den mindestens einem Bauelement zugewandten Seiten von Kühlelementen (11) jeweils eine Schicht (12, 14) aus dielektrischem 5. Material vorgesehen ist.
- 5· Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (12, 14) mit einer Schicht aus wärmeverteilendem Material in Verbindung steht,6.. Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische "Schicht (12, 14) mindestens ein gesintertes Oxid oder Glimmer"enthält.7- Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach einem der Ansprüche 4 oder 5> dadurch gekennzeichnet,, dass die dielektrische ■Schicht (12, 14) aus anodisch oxydiertem Aluminiumblech besteht. ' .-"..-8. Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7i dadurch gekennzeichnet, dass die Ein(24)~ und Austrittsöffnungen (25) an einander gegenüberliegenden . Seiten jedes Kühlelementes (11) angebracht und durch Kanäle (27) miteinander verbunden sind, und dass im Bereich der Ein(24)- und Austrittsöffnungen (25) Leitelemente (26) vorgesehen sind.9. Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlelement (11) zwei Deckplatten (20, 21) und ein zwischen den Deckplatten (20, 21) angeordnetes und mit Längsrippen (28) versehenes Zwischenstück (22) aufweist.lü. Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch, gekennzeichnet, dass die Längsrippen (28) auf die Deck-► O R Ο »i.', Herren w . ί>0"'.83äplatten (?Λ5 25) gesehwels-st-sind.' ■11. Plüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrippen (-28) und Leitelemente (26) in das Zwischenteil (22) geätzt sind.12. Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenstück (22) aus profil-' gewalztem Blech vorgesehen ist.13. Plüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach einein der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet 3 dass als Bauelement mindestens - eine Scheibe (44) aus halbleitendem Material' vorgesehen ist. .14. Plüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach einem-der Ansprüche 1 bis 123 dadurch gekennzeichnet 3 dass als Bauelement mindestens ein'aus schichtförmigen Teilwiderständen (13)aufgebauter Widerstand vorgesehen ist. ·.15. Plüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilwiderstände (13) in stromkompensierender Weise auf Isolierstoffsubstrate (30)· bifilar aufgetragene Leiterbahnen (29) 'und Stroman-•20 Schlüsse (31, 32) aufweisen, dass jeweils ein Stromanachluss (3I3 32) eines ersten Teilwiderstandes (13) mit dem Stromanschluss (3I3 32) eines zweiten durch ein Kühlelement (11) vom ersten getrennter Teilwiderstandes · (13) durch eine ausserhalb des Kühlelementes (11) befindliche Schweissnaht (3 5 4) verbunden ist, und 'daoo die Kühielemente (11) mit vorgegebenen elektrischen ' Potentialen verbunden sind.16. Plüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach -Anspruch 15, dadm-ch gekennzeichnet, dass jedes Kühlelement sich auf dernselben Potential wie ein Stromanschluss einer-, benachhärten Teilwiderstandes befindet.i·. Herren _ ί£ _- .ί/·. 5038 PPS/Ks17- Flüssigkeitsgekühlte Baugruppe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kühlelement (11) mit dem Verbindungspunkt (35-38) zweier Widerstände (39,40; MQ,4l; 4l,-42; 42,43) eines ohmsehen Spannungsteilers verbunden ist. . " -
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3133485A1 true DE3133485A1 (de) | 1982-05-06 |
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ID=4316642
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
DE19813133485 Withdrawn DE3133485A1 (de) | 1980-09-15 | 1981-08-25 | Fluessigkeitsgekuehlte elektrische baugruppe |
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