-
":Einrichtung zur Kühlung einer druckkontaktierten Thyristor-Scheibenzelle
" .
-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung einer druckkontaktierten
Tiiyristor-Seheibenzelle, mit iei Wärmerohren, deren Heizzonen mittels einer aus
zwei Spannhälften und Spannbolzen bestehenden Spannvorrichtung gegen die beiden
Stirnflächen der Scheibenzelle angepreßt werden.
-
Die außerordentlich hohen Leistungsdichten von druckkontaktierten
Thyristor-Scheibenzellen werden ermöglicht durch die A»ge.-be der erzeugten -Wärmeverlustleistung
über beide Stirnflächen der Scheibenzelle. Für die hierfür erforderliche beidseitige
Kühlung sind bei herkömmlichen Kühleinrichtungen massive KiXhlkörper. vorgesehen,
die mit je einer Stirnfläche der Scheibenzelle verbunden sind, wobei zur Druckkontaktierung
der Scheibenzelle die Kühlkörper mittels einer Spannvorrichtung gegen die Scheibenzelle
argepreßt werden. Da jedoch der Wärmewiderstand solcher Kühlkörper infolge ihrer
begrenzten Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist, kann das Leistungsvermogen
der Scheibenzelle micht vollständig ausgenutzt werden.
-
Es ist bekan;lt (Scientific America, Mai 1968, S. 38), je einen Thyristor
an die beiden Stirnflachen eines Wärmerohrs auf:##-setzen, welche längs seines Mantels
radial angeordnete Luftkühlbleche
aufweist. Die Innenseite des
Wärmerohrs ist an seiner Mantelfläche und den beiden Stirnflächen mit einer Kapillarstruktur
ausgekleidet, die mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist. Die an die Thyristoren
angrenzenden Stirnflächen werden durch die erzeugten Verlustwärmemengen aufgeheizt,
wodurch die Arbeitsflüssigkeit an der benachbarten Kapillarstruktur verdampft. Die
verdampfte Arbeitsflüssigkeit durchströmt das VJärmerohr in axialer Richtung und
kondensiert am Wärmerohrmantel.
-
Dabei gibt die Arbeitsflüssigkeit die bei der Verdampfung aufgenommene
Wärmemenge an die Luftkühlbleche ab.
-
Die Ubertragung dieser für die Kühlung herkömmlicher Thyristoren mit
nur einer wärmeabgebenden Stirnfläche vorgesehenen Kühl einrichtung auf druckkontaktierte
Scheibenzellen mit zwei wärmeabgebenden Stirnflächen führt zu einer Anordnung, wie
sie in Fig.1 dargestellt ist. Danach ist mit jeder wärmeabgebenden Stirnfläche der
Scheibenzelle 1 eine Heizzone 2 bzw. 3 eines Wärmerohrs 4 bzw. 5 verbunden. Die
beiden Wärmerohre 4,5 werden mittels einer Spannvorrichtung, die aus zwei Spannhälften
6,7 und wenigstens zwei Spannbolzen 8,9 besteht, gegen die Stirnflächen der Scheibenzelle
1 gedrückt. Da für die druckkontaktierte Scheibenzelle eine Flächenpressung bis
zu 70 kp/cm2 erforderlich ist, besteht für die verhältnismäßig langgestreckten Wärmerohre
4,5 die Gefahr eines Knickbruches. Es kommt ferner zu Durchbiegungen der Heizzonen
2,3 aufgrund eines inhomogenen Flächendruckverlaufs an den Kontaktflächen mit der
Scheibenzelle 1, wodurch der Wärmeübergang zwischen der Scheibenzelle 1 und den
Heizzonen 2,3 extrem verschlechtert wird. Ferner lassen die sich axial erstreckeden
Kühlzonen eine Vergrößerung technisch sinnvoll nur in axialer Richtung zu, wodurch
die Sinbaumöglichkeiten außerordentlich eingeschränkt sind.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kühl einrichtung für
Scheibenzellen mit einem verbesserten Kühlvermögen anzugeben.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der genannten
Art dadurch gelöst, daß die Wärmerohre je einen kastenförmigen Verdampferbehälter
mit einer an der Stirnseite befindlichen Heizzone und mit in die obere Begrenzungsfläche
eingesetzten Kondensationsrohren aufweisen, und daß der Querschnitt der Verdampferbehälter
so bemessen ist, daß die Länge der die Spannhälften verbindenden Spannbolzen möglichst
gering ist.
-
In vorteilhafter Weise sind die Spannhälften über punktförmig angreifende
Drucklager mit Druckstempeln verbunden, die je einen Verdampferbehälter in Querrichtung
durchsetzen und an ihren den Spannhälften entgegengesetzten Enden scheibenförmige
Erweiterur,-gen zur Aufnahme der Scheibenzelle aufweisen.
-
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesch]agen, daß die von
den Druckstempeln durchsetzten unteren Bereiche der Verdampfer- t behälter einen
schmalen Querschnitt besitzen und die an die Kondensationsrohre angrenzenden oberen
Bereiche der Verdampferbehälter einen langgestreckten, flachen Querschnitt aufweisen.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Kondensationsrohre
längs ihrer Mantelfläche mit einer Vielzahl von Kühlblechen versehen. In bevorzugter
Weise sind bei einer horizontalen oder geneigten Lage der Kondensationsrohre die
Innenflächen der Verdampferbehälter und der Kondensationsrohre mit einer Kapillarstruktur
versehen.
-
Eine weitere i#glichi#eit besteht darin, daß bai einer vertikalen
Lage der Kondensationsrohre die Verdampferbehälter auf ihren Innenflächen eine Kapillarstruktur
aufweisen, während die Kondensationsrohre mit einer glatten Innenfläche versehen
sind.
-
Bei der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ist der gesamte Wärmewiderstand
durch Verwendung von Wärmerohren als wärmeü.bertragende
Elemente
um wenigstens einen Faktor zwei besser als bei herkömmlichen Kühl einrichtungen.
Durch die geringe Spannweite der Spannvorrichtung ist die Knickgefahr für die Wärmerohre
völlig beseitigt. Ferner werden durch die punktfdrmig auf mechanisch außerordentlich
steife Druckstempel übertragenen Druck kräfte Durchbiegungen der Verdampferbehälter
und damit der Heizzonen vermieden. Einen weiteren Vorteil bietet die erfindungsgemäße
Ausbildung der mit Kühlblechen versehenen Kondensationszone, die den jeweiligen
räumlichen Einbauverhältnissen angepaßt werden kann. Ferner wird durch die erfindungsgemäße
Verwendung einer Vielzahl von parallelen Kondensationsrohren ein hoher Kühlerwirkungsgrad
erzielt, da bei der Anströmung der Kühlbleche Strömungstoträume auf der Rückseite
der Kondensationsrohre vermieden werden.
-
Die Erfindung wird mit ihren weiteren# Einzelheiten und Vorteilen
anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert;
es zeigt: Fig. 1 eine Kühl einrichtung, wie sie durch Ubertragung einer bekannten
Einrichtung für einseitig gekühlte Thyristoren auf zweiseitig gekühlte, druckkontaktierte
Scheibenzellen erhalten wird.
-
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Kühl einrichtung nach der Erfindung.
-
Für die Kühleinrichtung nach Fig. 1, die als solche nicht bekannt
ist, wird ein Schutz nicht beansprucht; sie dient lediglich zur Erläuterung des
technischen Problems, das der Erfindung zugrunde liegt. Die auf beiden Seiten zu
kühlende Thyristor-Scheibenzelle 1 liegt mit ihren Stirnflächen zwischen Heizzonen
2 und 3 zweier Wärmerohre 4 und 5. Die Wärmerohre 4,5 weisen an ihren Innsnflchen
je eine metallische Kapillarstruktur auf, die mit einer Arbeitsflüssigkeit angefüllt
ist. Als Arbeitsflüssigkeit
kann jede beliebige Flüssigkeit verwendet
werden, die in einem Temperaturbereich zwischen 2000 und 10000 einen ausreichenden
Dampfdruck von wenigstens 100 Torr besitzen sollte. In bevorzugter Weise wird als
Arbeitsflüssigkeit reines Wasser verwendet.
-
Die von der Scheibenzelle 1 erzeugte Verlustwärme heizt die Arbeitsflüssigkeit
in der jeweiligen Heizzone auf, wodurch die Arbeitsflüssigkeit verdampft. Die verdampfte
Arbeitsflüssigkeit durchströmt das betreffende Wärmerohr 4,5 ir. axialer Richtung
und kondensiert dabei an dessen innerer Mantelfläche. Bei der Kondensation gibt
die Arbeitsflüssigkeit die beim Verdampfen aufgenommene Verlustwärmemenge an Kühlbleche
10,11 ab, die wenigstens über einen Teil des Außenmantels der jeweiligen Wärmerohre
4,5 radial angeordnet sind. Die für die Kontaktierung der Scheibenzelle 7 erforderliche
Anpreßkraft wird durch eine Spannt vorrichtung mit den Spannhälften 6,7 erzeugt,
welche durch Spannbolzen 8,9 miteinander verbunden sind und dabei gegen die axialen
Enden der Wärmerohre 4,5 gedrückt werden.
-
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung,'welche
die eingangs geschilderten Mängel der Kühleinrichtung nach Fig. 1 behebt. Zum besseren
Verständnis sind gleichartige Teile der Kühleinrichtungen nach Fig. 1 und 2 mit
gleichen Bezugszeichen versehen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die Scheibenzelle
1 zwischen zwei Druckstempel 12 und 13 angeordnet, die jeweils Verdampferbehälter
2,3 mit den Heizzonen 2a bzw. 7,a der Wärmerohre 4 und 5 durchsetzen. Die unmittelbar
an die Scheibenzelle 1 angrenzenden Teile der Druckstempel 12 und 13 weisen Erweiterungen
14,15 auf, die zur Halterung der Scheibenzelle 1 mit nicht näher dargestellten zylindrischen
Sinr drehungen versehen sein können. Die den Erweiterungen 14,15 jeweils entgegengesetzten
axialen Enden 16,17 der Druckstempel 12913 weisen je eine kegelförmige Eindrehung
zur Aufnahme eines
aus der Kugel bestehenden Drucklagers 18 bzw.
19 auf. Auf die Drucklager 18,19 wirken die jeweiligen Spannhälften 6 bzw. 7, welche
in gleicher Weise wie bei der Spannvorrichtung nach Fig .1 durch Spannbolzen 8,9
gegeneinander gepreßt werden.
-
Jedes der Wärmerohre 2,3 weist ferner eine aus einer Anzahl von Kondensationsrohren
22,23 bestehende Kühlzone auf. Die Kondensationsrohre sind in die betreffende obere
Deckplatte 20 bzw.21 des Verdampferbehälters 2 bzw. 3 derart eingesetzt, daß sie
mit dem Innenraum des betreffenden Verdampferbehälters in Verbindung ~stehen.
-
Die äußeren Mantelflächen der Kondensationsrohre 10,11 sind mit einer
Anzahl von Kühlblechen 10 bzw. 11 in gut wärmeleitendem Kontakt verbunden; beispielsweise
können die Kühlbleche jedes Wärmerohrs in Form eines zusammenhängenden Kmilblechpaketes
auF gebildet sein, das von den Kondensationsrohren durchstoßen wird Der Erfindungsgedanke
besteht nun darin, den Querschnitt der Verdampferbehälter 2 und 3 so auszubilden,
daß der Abstand zwischein den beiden Spannhälften 6,7 und damit die Knickbeanspruchung
der Druckstempel 12,13 möglichst klein ist.
-
Eine der möglichen Ausführungsformen der Verdampferbehälter nach diesem
Erfindungsgedanken zeigt Fig. 2. Der von den Druckstempeln 12,13 durchsetzte untere
Teilbereich der Verdampferbehälter 2,3 besitzt einen schmalen Querschnitt, während
der obe-# re Teilbereich der Verdampferbehälter 2,3 einen langgestreckten, verhältnismäßig
flachen Querschnitt aufweist. Der Grund für eine derartige#Ausbildung des oberen
Teilbereichs besteht darin daß die unzahl der durch die oberen Deckplatten 20,21
hindurch geführten Kondensationsrohre 22,23 möglichst groß sein soll Fum eine möglichst
gleichmäßige Wärmeverteilung auf den Kt3#;'#blechep, 10 bzw, 11 zu erzielen.
-
Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Wärmerohre
4,5 ist die gleiche wie die der Wärmerohre 4,5 nach Fig. 1. Die von der Scheibenzelle
1 auf die Druckstempel 12,13 und von dort auf die Heizzonen 2a, 3a übertragenen
Verlustwärmemengen heizen je die Arbeitsflüssigkeit in der betreffenden Heizzone
2a, 3a auf. Die Arbeitsflüssigkeit verdampft zunächst in den betreffenden Verdampferbehälter
2 bzw. 3 und steigt von dort in die parallelen Kondensationsrohre 22,23 hoch, wo
sie sich gleichmäßig an deren Innenwandung niederschlägt. Die Innenwandung jedes
Kondensationsrohrs 22 kann, inbesondere bei horizontaler oder schräger Lage, in
gleicher Weise wie die Innenflächen der Heizzonen mit einer metallischen Kapillarstruktur
ausgekleidet sein. Die Kapillarstruktur der Kondensationsrohre 22,23 saugt die kondensierte
Arbeitsflüssigkeit vollständig auf und liefert diese aufgrund ihrer Kapillarwirkung
in die Verdampferbehälter zurück. Sofern es jedoch die konstruktiven Gegebenheiten
zulassen, die Kondensationsrohre 22,23 in vertikaler Richtung aufzustellen, ist
eine Kapillarstruktur auf der Innenfläche der Kondensationsrohre nicht erforderlich;
die Kondensationsrohre können vielmehr in diesem Fall eine glatte Innenwandung besitzen,
von wo aus die kondensierte Arbeitsflüssigkeit durch die Schwerkraftwirkung in den
betreffenden Verdampferbehälter zurück gelangt.