DE2107009C3 - Druckkontaktierte Thyristor-Scheibenzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine druckkontaktierte Thyristor-Scheibenzelle, die mittels Spannplatten und Spannbolzen zwischen zwei wärmeabführenden Metallteilen gehalter ist, mit einer Kühlvorrichtung.

Die außerordentlich hohen Leistungsdichten von druckkontaktierten Thyristor-Scheibenzellen werden ermöglicht durch die Abgabe der erzeugten Wärmeverlustleistung über beide Stirnflächen der Scheibenzelle. Für die hierfür erforderliche beidseitige Kühlung sind bei herkömmlichen Kühleir.riehtungen massive Kühlkörper vorgesehen, die mit je einer Stirnfläche der Scheibenzelle verbunden sind, wobei zur Druckkontaktierung der Scheibenzelle die Kühlkörper mittels einer Spannvorrichtung gegen die Scheibenzelle angepreßt werden. Da jedoch der Wärmewiderstand solcher Kühlkörper infolge ihrer begrenzten Wärmeleitfähigkeit verhältnismäßig hoch ist, kann das Leistungsvermögen der Scheibenzelle nicht vollständig ausgenutzt werden.

Es ist bekannt (Scientific America, Mai 1968, S. 38), je einen Thyristor an die beiden Stirnflächen eines Wärmerohrs aufzusetzen, weiche 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 Wärmerohr in axialer Richtung und kondensiert am Wärmerohrmantel. Dabei gibt die Arbeitsflüssigkeit die bei der Verdampfung aufgenommene Wärmemenge an die Luftkühlbleche ab. ^o

Die Übertragung dieser für die Kühlung herkömmlicher Thyristoren mit nur einer wärmeabgebenden Stirnfläche vorgesehenen Kühleinrichtung auf druckkontaktierte Scheibenzellen mit zwei wärmeabgebenden Stirnflächen führt zu einer Anordnung, wie sie in ⁶S F i g. 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
Spannvorrichtung, wie 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 erstreckenden Kühlzonen eine Vergrößerung technisch sinnvoll nur in axialer Richtung zu, wodurch die Einbaumöglichkeiten außerordentlich eingeschränkt sind.

Auf der anderen Seite ist bereits ein Halter für Halbleiter-Bauelemente mit einem scheibenförmigen Gehäuse bekanntgeworden, der ein Anpressen von je einem herkömmlichen Kühlblech an jede Stirnseite des Halbleiter-Baulementes ermöglicht, wobei diese Kühlbleche senkrecht zur Scheibenebene mittels Druckstempeln zusammenpreßbar sind. Diese Halterung ist für Sä'ilenbauweise gedacht. Die Spannbolzen durchdringen die Kühlbleche, während die Druck- bzw. Distanzstücke zwischen den Kühlblechen angeordnet sind, ohne diese zu durchdringen.

Unbefriedigend bei dieser Anordnung bleibt ihr verhältnismäßig komplizierter und aus vielen Zwischenteilen bestehender Aufbau sowie die begrenzte Kühlmöglichkeit. Letzteres ist einerseits durch die geometrische Form bedingt, zum anderen durch den vielschichtigen Aufbau und die Verwendung von herkömmlichen Kühlblechen (DT-AS 12 76 209).

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Thyristor-Seheibenzelle mit einer Kühlvorrichtung zu schaffen, die :in erheblich verbessertes Kühlvermögen aufweist bei gleichzeitiger mechanischer Stabilität und geringem Platzbedarf.

Die Aufgabe wird bei einer Scheibenzelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Metallteile als Druckstempel ausgeführt sind, die mit ihrer Stempelfläche an je einer Stirnfläche der Scheibenzelle angepreßt sind, auf deren Schaftende der Druck von der Spannplatte punktförmig übertragen wird und deren Schaft je ein sich parallel zur Ebene der Scheibenzelle erstreckendes Wärmerohr so durchsetzt, daß der Druckstempel die Verlustwärme von der Scheibenzelle auf die Heizzonen des Wärmerohres überträgt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Wärmerohre längs ihrer Mantelfläche mit einer Vielzahl von Kühlblechen versehen.

Bei der erfindungsgemäßen Scheibenzelle ist der gesamte Wärmewiderstand durch Verwendung von Wärmerohren als wärmeübertragende Elemente um wenigstens einen Faktor zwei besser als bei Scheibenzellen mit herkömmlichen Kühleinrichtungen. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist der Abstand zwischen den beiden Spannplatten so weit verringert, daß die Knickgefahr für die Wärmerohre völlig beseitigt ist. Ferner werden durch die punktförmig auf mechanisch außerordentlich steife Druckstempel übertragenen Druckkräfte gleichmäßige Druckbelastungen sichergestellt und damit Durchbiegungen der Heizzonen, sowie Brüche der druckempfindlichen Scheibenzellen vermieden.

Die Erfindung wird mil ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen anhand des in der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, es zeigt

Fig. 1 eine Kühleinrichtung, wie sie durch Übertragung einer bekannten Einrichtung für einseitig gekühlte Thyristoren auf zweiseitig gekühlte, druckkontaktierte Scheibenrellen erhalten wird,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Kühleinrichtung 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-Schcibenzelle 1 liegt mit ihren Stirnflächen zwischen Heizzonen 2 und 3 zweier Wärmerohre 4 und 5. Die Wärmerohre 4, 5 weisen an ihren Innenflächen je eine metallische Kapiliarstruktur auf. die mit einer Arbeitsflüssigkeit angefüllt ist. Als Arbeiisflüssigkeit kann jede beliebige Flüssigkeit verwendet werden, die in einem Temperaturbereich zwischen 20⁰C und 100"C 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 in axialer Richtung und kondensiert dabei an dessen innerer Mantelfläche. Bei der Kondensation gibt die Arbeitsflüssigkeit die beim Verdampfen aufgenommene Vcrlustwärmemerigc 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 1 erforderliche Anpreßkrafl wird durch eine Spannvorrichtung mit den Spannhälften 6, 7 erzeugt, welche durch Spannboizen 8, 9 miteinander verbunden sind, und dabei gegen die axialen Enden der Wärmerohre 4,5 gedrückt werden.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung, welche die eingangs geschilderten Mängel der Kühleinrichtung nach F i g. 1 behebt. Zum besseren Verständnis sind gleichartige Teile der Kühleinrichtungen nach F i g. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Wie aus F i g. 2 hervorgeht, befindet sich die Scheibenzelle 1 zwischen den beiden in Längsrichtung parallel zur Ebene der Scheibenzelle angeordneten, die Form von Vierkants'.äben aufweisenden Wärmerohren 4 und 5. Austeile der in F i g. 2 dargestellten symmetrisch auf halber Länge erfolgenden Anbringung der Scheibenzelle 1 kann diese auch am Ende der Wärmerohre angeordnet sein, was insbesondere für den Betrieb der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung in sehr staubhaltiger Umgebung vorteilhaft ist, da der unmittelbare Bereich der Scheibenzelle 1 staubdicht verschlossen werden kann. Die Scheibenzelle 1 ist zwischen zwei Druckstempeln 12 und t3 gelagert, welche die Wärmerohre 4 und 5 quer zur Hauptrichtung an dessen Heizzonen 2 bzw. 3 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, hierfür geeigneten Eindrehungen versehen sein können. Die den Erweiterungen 14, 15 jeweils entgegengesetzten axialen Enden 16,17 der Druckstempel 12,13 weisen je eine kegelförmige Eindrehung zur Aufnahme eines aus einer Kugel besiehenden Drucklagers 18 bzw. 19 auf. Auf die Drucklager 18, 19 wirken die jeweiligen Spannplatten 6 bzw. 7, welche in gleicher Weise wie bei der Spannvorrichtung nach F i g. 1 durch Spannbolzen 8,9 gegeneinander gepreßt werden.

Die äußeren Mantelflächen der Wärmerohre 10, 11 sind zu beiden Seiten der Heizzonen 2, 3 mit einer Anzahl von Kühlblechen 10 bzw. 11 in gut wärmeleitendem Kontakt verbunden; beispielsweise können die Kühlbleche jedes Wärmerohrs in Form eines zusammenhängenden Kühlblechpaketes ausgebildet sein, das von dem Wärmerohr durchstoßen wird.

Die Wirkungsweise der in F i g. 2 dargestellten 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 2,3 übertragenen Verlustwärmemengen heizen je die Arbcitsflüssigkeit in der betreffenden Heizzone 2,3 auf. Die Arbcitsflüssigkeit verdampft und durchströmt das Wärmerohr in axialer Richtung, wobei sie sich gleichmäßig an deren Innenwandung niederschlägt. Die Innenwandungen der beiden Wärmerohre 4, 5 sind mit einer metallischen Kapillarstruktur ausgekleidet, so daß die kondensierte Arbeitsflüssigkeit vollständig aufgesaugt wird und durch Kapillarwirkung in die betreffende Heizzone zurückgelangt. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf eine Scheibenzelle beschränkt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Druckkontaktierte Thyristor-Seheibenzelle, die mittels Spannplatten und Spannbolzen zwischen zwei wärmeabführenden Metallteilen gehaltert ist, mit einer Kühlvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteile als Druckstempel (12, 13) ausgeführt sind, die mit ihrer S'.empelfläche (14, 15) an je einer Stirnfläche der Scheibenzelle >° angepreßt sind, auf deren Schaftende (16, 17) der Druck von der Spannplatte (6, 7) punktförmig übertragen wird und deren Schaft je ein sich parallel zur Ebene der Scheibenzelle erstreckendes Wärmerohr (4, 5) so durchsetzt, daß der Druckstempel die '5 Verlustwärme von der Scheibenzelle auf die Heizzonen (2,3) des Wärmerohres überträgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (4, 5) längs ihrer Mantelfläche mit einer Vielzahl von Kühlblechen -²⁰ (10,11) versehen sind.