CH618290A5 - Semiconductor valve cooler with conducting elements for a coolant flow and use of these semiconductor valve coolers. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterventilkühler mit Leitelementen für eine Kühlmittelströmung, insbesondere für Halbleiterventile in Scheibenbauart, mit zwei planparallelen Auflageflächen für die Kühlung des Halbleiterventils.

Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfin-dungsgemässen Halbleiterventilkühler.

Bei stromstarken Halbleiterventilen, z. B. für Stromrichter, entstehen auf kleinem Raum erhebliche elektrische Verluste, so dass beträchtliche Wärmemengen abgeführt werden müssen, damit physikalisch bedingte Grenztemperaturen der den Aktivteil des Halbleiters bildenden Siliziumscheibe nicht überschritten werden und damit ihre Funktion gewährleistet bleibt.

Besonders hohe Anforderungen an die Kühlwirkung werden bei Fahrzeugstromrichtern gestellt, da diese bei verhältnismässig grosser Leistung möglichst platzsparend dimensioniert sein sollen.

Aber auch bei stationären Stromrichteranlagen sind möglichst kleine spezifische Abmessungen erwünscht, um den baulichen Aufwand und damit die Herstellungskosten zu verringern.

Eine bekannte Bauart von Kühlern für Halbleiterventile besteht aus einer Platte von vorzugsweise quadratischem Umriss mit planparallelen Eindrehungen in ihren beiden Stirnseiten zur Aufnahme je einer Seite zweier benachbarter Halbleiterventile. Der Umfang dieser Platte ist als Flansch ausgebildet, über den die abzuführende Wärme an das vorbeiströmende Kühlmedium Öl abgegeben wird.

Je nach der erforderlichen Leistung des Stromrichters wird eine bestimmte Anzahl von Halbleiterventilen hintereinander mit dazwischenliegenden Kühlern zu einer Säule zusammengebaut und mittels je zweier Joche und Zuganker zu einer Stromrichtersäule verspannt. Die erforderliche Anzahl solcher Säulen wird in einen Kessel gesetzt, der von einem Kühlmittel durchströmt wird.

Die Kühlwirkung ist bei dieser Bauart aber schlecht, da die Strömung regellos erfolgt und Strömungs- bzw. Kühlschatten auftreten, in denen die Wärmeabfuhr gestört ist, so dass die Gefahr örtlicher Überhitzungen besteht.

Bei einer weiteren bekannten Bauart bestehen die Kühler aus plattenförmigen Hohlkörpern, die quer zur Achse der Stromrichtersäule vom Kühlmittel durchströmt werden, das die entstehende Wärme somit nahe am Ort ihrer Entstehung aufnimmt und fortleitet Die Kühlwirkung dieser Kühler ist gut, sie sind aber kompliziert und teuer im Aufbau und wegen der erforderlichen Schläuche und Fittings für die Kühlmittelführung auch störanfällig.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die Nachteile bekannter Kühlerbauarten vermieden und ein Kühler geschaffen werden, der billig herzustellen ist und dessen Kühlwirkung hohen Ansprüchen genügt

Der erfindungsgemässe Halbleiterventilkühler ist dadurch gekennzeichnet, dass er einen zentralen, kompakten Teil aufweist, dessen Stirnflächen Kontaktflächen für den Strom- und Wärmeübergang zwischen Kühler und Halbleiterventil bilden, und dass am genannten zentralen TeiLRippen vorgesehen sind, die sich wenigstens teilweise in Längsrichtung der Achse des Kühlers erstrecken.

Die erfindungsgemässe Verwendung solcher Halbleiterventilkühler zur doppelseitigen Kühlung von Halbleiterventil-kühlern ist dadurch gekennzeichnet, dass ein aus den Halbleiterventilen und den Halbleiterventilkühlern zusammengesetzter Block von einem enganliegenden Mantel aus isolierendem Material umschlossen ist-und dass der genannte Block und der Mantel zwischen zwei Jochen mittels Spannschrauben zu einer starren Säule verspannt sind.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In diesen stellen dar:

Fig. 1 einen Aufriss einer Gleichrichterventilsäule, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 den Grundriss der Gleichrichtersäule nach Fig. 1, Fig. 3 das Schaltschema einer Ventilsäule,

Fig. 4 das Schema einer Stromrichteranlage mit Rückkühleinrichtung, und

Fig. 5 die Abhängigkeit des thermischen Widerstandes dreier verschiedener Halbleiterventilkühler von der Kühlmit-telgeschwindigkeit.

Die in Fig. 1 dargestellte Halbleiterventilsäule weist eine Anzahl von hintereinander angeordneten Halbleiterventilen 1 auf, die unter Zwischenschaltung von Halbleiterventilkühlern 2 und 3 zwischen zwei Spannjochen 4 und 5 mittels Spannschrauben 6 und 7, Muttern 8 und 9, zu einem Block zusammengespannt sind. Um eine verkantungsfreie, axial und zentrisch wirkende Übertragung der Spannkräfte auf die aus Kühlern und Halbleitern zusammengesetzte Säule zu erreichen, sind an den beiden Jochen Druckstücke 10 und 11 mit balligen Druckflächen 12 und 13 vorgesehen. Eine Scheibe 14 in Verbindung mit einem Paar von Tellerfedern 15 und 16 am Druckstück 11 sorgen für den Ausgleich von Längenänderungen infolge Temperaturänderungen.

Aus Fig. 2 gehen die Form der Kühler 2,3 und ihre Anordnung innerhalb der Halbleiterventilsäule hervor. Die Kühler besitzen sternförmigen Querschnitt mit 24 radial verlaufenden,

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gegen ihre Spitze hin sich verjüngenden Rippen 17 bzw. 18 mit der zusammen mit dem Übergangswiderstand Ro, der zwischen abgerundeten Enden. Eine dieser Rippen ist jeweils länger aus- wärmeabgebender Kühleroberfläche und Kühlmittel auftritt,

geführt und dient als Stromzuführungsschiene 19 bzw. 20. den thermischen Widerstand Rth bestimmt R„ hängt ab von der

Die Kühler 2,3 sind bezüglich ihrer Querschnittsformen wärmeabgebenden Kühleroberfläche, also der Rippenzahl, und identisch und lassen sich wirtschaftlich aus Strangpressprofilen 5 der Wärmeübergangszahl a, wobei letztere wiederum von der oder als Feingussteil herstellen. Bei der Fertigung aus einem Reynoldszahl Re, d. h. von der Strömungsgeschwindigkeit, der

Strangpressprofil braucht lediglich ein der Kühlerhöhe ent- Dichte und der Zähigkeit des Kühlmittels sowie von der Geo-

sprechend langes Stück abgestochen und an den Stirnseiten, metrie der Strömungsbegrenzung abhängt. Sie nimmt ausser-welche die Kontaktflächen 21,22 mit dem Halbleiterventil 1 bil- dem mit stärkerer Verwirbelung der Strömung zu. Alle diese den, spanend bearbeitet zu werden. 10 Faktoren werden bei der vorliegenden Ausführung günstig be-

Wie die Fig. 2 zeigt, ist der auf den Kühler 2 folgende Küh- einflusst: Die für einen niedrigen Übergangswiderstand erfor-

ler 3 gegenüber dem ersteren um eine halbe Rippenteilung ver- derliche grosse Rippenoberfläche lässt sich durch eine entspre-

dreht, so dass also seine Rippen 18 in der Lücke zwischen den chende Rippenzahl leicht verwirklichen. Die in Längsrichtung

Rippen 17 stehen. verlaufenden Rippen ergeben eine gelenkte Kühlmittelströ-

Die Halbleiterventilsäule ist von einem Mantel 23 aus elek- 15 mung, die höhere Geschwindigkeiten erlaubt als bei herkömm-

trisch nichtleitendem Material umschlossen, wobei dieser Man- liehen Kühlern, wodurch im Verein mit der stärkeren Turbu-

tel an den Spitzen der Kühlrippen 17,18 anliegt und auf diese lenz, die eine Folge der gegeneinander versetzten Rippen

Weise mit den Rippenflanken geschlossene Strömungskanäle benachbarter Kühler ist, ein sehr guter Wärmeübergang erzielt im Bereich eines Kühlers bilden, d. h., dass kein Überströmen wird.

über die Rippenspitzen in einen benachbarten Kanal erfolgen 20 Durch die radiale Anordnung und die grosse Anzahl der kann. Rippen wird die abzuführende Verlustwärme auf vielen Wär-

Für die Durchführung der Stromzuführungsschienen weist mewegen geringen Widerstandes auf kurzem Wege vom Ent-

der Mantel 23 Schlitzer 24 auf, wobei die zu zwei benachbarten stehungsort weggeleitet und an das strömende Kühlmittel

Kühlern gehörenden Schlitze um etwa 180° am Mantelumfang abgegeben. Auch werden hierbei Kühlschatten weitgehend gegeneinander versetzt sind. 25 vermieden.

Der Mantel 23 ist zwischen den beiden Spannjochen festgeklemmt, die den freien Querschnitt und damit den Strömungs- Die physdikalischen Vorteile dieser Kühlerbauart gehen widerstand der Halbleiterventilsäule aber praktisch nur unwe- aus dem Diagramm nach Fig. 5 hervor. In ihm zeigt die Kurve a sentlich beeinträchtigen bzw. erhöhen. den thermischen Widerstand Rth eines konventionellen Kühlers

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema einer solchen Halbleiterventil- 30 mit ungelenktem Kühlmittelstrom, bei dem der Bereich d der säule, deren Elemente mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugs- praktisch realisierbaren Kühlmittelgeschwindigkeiten VQ ziemzahlen bezeichnet sind. lieh tief liegt und der demnach einen hohen thermischen Wider-

Fig. 4 zeigt schematisch eine Stromrichteranlage mit einem stand aufweist. Wesentlich besser liegen die Verhältnisse bei Stromrichterkessel 25 und einer Rückkühleinrichtung mit einer einer Halbleiterventilsäule mit den gegenständlichen Kühlern, Kühlmittelzuleitung 26, einer Pumpe 27, einer Kühlmittelrück- 35 deren Rippen nicht gegeneinander verdreht sind, die also über leitung 28 und einem Rückkühler 29. Im Stromrichterkessel 25 die ganze Länge der Säule fluchten. Für sie gilt die Kurve b. Als sind die Stromrichtersäulen 30 angeordnet, die vom Kühlmittel noch besser erweist sich die Kühlwirkung, wenn die Rippen, von unten nach oben durchströmt werden. Diese Halbleiter- wie beschrieben, gegeneinander verdreht sind, was durch die ventilsäulen 30 bilden in ihrer Gesamtheit einen Stromrichter. Kurve c ausgedrückt wird. Bei den beiden Ausführungen ent-Das Kühlmittel wird zur Abführung der im Betrieb entstehen- 40 sprechend den Kurven b und c erreicht man wesentlich höhere den Verlustwärme von der Pumpe 27 über die Zuleitung 26 und Kühlmittelgeschwindigkeiten mit einem kleineren Streube-einen Bodenkanal 31 von unten nach oben durch die von den reich e, so dass eine treffsichere Dimensionierung der Halb-Kühlrippen 17,18 und dem Mantel 23 gebildeten Strömungska- leiterventilsäulen bzw. der Stromrichter möglich ist. Ausser-näle gedrückt, im Sammelkanal 32 oberhalb der Säulen 30 dem lassen sich dadurch die Stromrichter gegenüber hergesammelt und über die Rückleitung 28 zwecks Kühlung durch « kömmlichen Bauarten material- und platzsparender ausführen, den Rückkühler 29 und wieder in die Pumpe 27 geleitet. Um eine bessere Verwirbelung und grössere wärmeabfüh-Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ergeben sich für die Umströ- rende Rippenoberfläche bzw. einen längeren Strömungsweg mung der Kühlerrippen hinsichtlich der Wärmeabfuhr, abgese- zu erhalten, könnten die Rippen auch schraubenförmig ausgehen von der verhältnismässig geringfügigen Beeinträchtigung führt und gegenüber dem jeweils benachbarten Kühler entwe-im Bereich der Spannjoche bzw. Spannschrauben, ideale Ver- 50 der mit fluchtenden oder gegeneinander verdrehten Rippen hältnisse, wodurch der vorliegende Halbleiterkühler eine bes- angeordnet werden. Es wäre auch möglich, zwei Sorten von sere Ausnutzung des Leistungsvermögens von Halbleiterventi- Kühlern mit entgegengesetztem Schraubungssinn der Rippen len gestattet als bei bisher bekanntgewordenen Halbleiterküh- zu verwenden, bei deren Kombination zu einer Halbleiterven-lern. Die kurzen Wärmeströmungswege von reichlichem Quer- tilsäule sich ein zickzackförmiger Strömungsweg am Säulenschnitt ergeben einen kleinen Wärmeleitungswiderstand R b 55 umfang ergibt.

2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

618290 PATENTANSPRÜCHE

1. Halbleiterventilkühler mit Leitelementen für eine Kühlmittelströmung, insbesondere für Halbleiterventile in Scheibenbauart, mit zwei planparallelen Auflageflächen für die Kühlung des Halbleiterventils, dadurch gekennzeichnet, dass er einen zentralen kompakten Teil aufweist, dessen Stirnflächen Kontaktflächen (21,22) für den Strom- und Wärmeübergang zwischen Kühler (2; 3) und Halbleiterventil (1) bilden, und dass am genannten zentralen Teil Rippen ( 17,18) vorgesehen sind, die sich wenigstens teilweise in Längsrichtung der Achse des Kühlerserstrecken.

2. Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen parallel zur Achse des Kühlers verlaufen.

3. Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen schraubenförmig verlaufen.

4. Kühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen rechtsgängig gewunden sind.

5. Kühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen linksgängig gewunden sind.

6. Verwendung von Halbleiterventilkühlern nach Anspruch 1 zur doppelseitigen Kühlung von Halbleiterventilen, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus den Halbleiterventilen (1) und den Halbleiterventilkühlern (2,3) zusammengesetzter Block von einem enganliegenden Mantel (23) aus isolierendem Material umschlossen ist und dass der genannte Block und der Mantel (23) zwischen zwei Jochen (4,5) mittels Spannschrauben (6,7,8, 9) zu einer starren Säule verspannt sind.

7. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühler achsparallele Rippen aufweisen und dass zwei benachbarte Kühler um eine halbe Rippenteilung gegeneinander verdreht sind.

8. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Kühler gleichsinnig schraubenförmig gewunden sind und dass zwei benachbarte Kühler um eine halbe Rippenteilung gegeneinander verdreht sind.

9. Verwendung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen zweier benachbarter Kühler gegensinnig schraubenförmig verwunden und um eine halbe Rippenteilung gegeneinander verdreht sind.