CH618290A5

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

Info

Publication number: CH618290A5
Application number: CH1004277A
Authority: CH
Inventors: Franz Dr Dipl Ing Maier
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1977-08-16
Filing date: 1977-08-16
Publication date: 1980-07-15
Also published as: ATA281078A; DE2739520A1; NO782747L; NO149869B; AT378285B; NO149869C

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. The present invention relates to a semiconductor valve cooler with guide elements for a coolant flow, in particular for disk-type semiconductor valves, with two plane-parallel contact surfaces for cooling the semiconductor valve.

Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung der erfin-dungsgemässen Halbleiterventilkühler. The invention further relates to a use of the semiconductor valve cooler according to the invention.

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. With powerful semiconductor valves, e.g. B. for power converters, considerable electrical losses occur in a small space, so that considerable amounts of heat have to be dissipated so that physically determined temperature limits of the silicon wafer forming the active part of the semiconductor are not exceeded and thus their function remains guaranteed.

Besonders hohe Anforderungen an die Kühlwirkung werden bei Fahrzeugstromrichtern gestellt, da diese bei verhältnismässig grosser Leistung möglichst platzsparend dimensioniert sein sollen. Particularly high requirements are placed on the cooling effect in vehicle power converters, since they should be dimensioned as space-saving as possible with a relatively high output.

Aber auch bei stationären Stromrichteranlagen sind möglichst kleine spezifische Abmessungen erwünscht, um den baulichen Aufwand und damit die Herstellungskosten zu verringern. But even with stationary converter systems, the smallest possible specific dimensions are desired in order to reduce the structural outlay and thus the manufacturing costs.

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. A known type of cooler for semiconductor valves consists of a plate of preferably a square outline with plane-parallel recesses in its two end faces for receiving one side of two adjacent semiconductor valves. The circumference of this plate is designed as a flange, via which the heat to be dissipated is released to the cooling medium oil flowing past.

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. Depending on the power required by the converter, a certain number of semiconductor valves are assembled in a row with coolers in between, and braced to form a converter column by means of two yokes and tie rods. The required number of such columns is placed in a boiler through which a coolant flows.

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. The cooling effect is bad with this type of construction because the flow is random and flow or cooling shadows occur in which the heat dissipation is disturbed, so that there is a risk of local overheating.

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. In a further known design, the coolers consist of plate-shaped hollow bodies through which the coolant flows transversely to the axis of the converter column, which thus absorbs and conducts the heat generated close to where it originates.The cooling effect of these coolers is good, but they are complicated and expensive to do Construction and due to the necessary hoses and fittings for the coolant guide also prone to failure.

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 The present invention is intended to avoid the disadvantages of known types of coolers and to create a cooler which is inexpensive to manufacture and whose cooling effect satisfies high demands

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. The semiconductor valve cooler according to the invention is characterized in that it has a central, compact part, the end faces of which form contact surfaces for the current and heat transfer between the cooler and the semiconductor valve, and that ribs are provided on the central part which are at least partially in the longitudinal direction of the axis of the cooler extend.

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. The use according to the invention of such semiconductor valve coolers for the double-sided cooling of semiconductor valve coolers is characterized in that a block composed of the semiconductor valves and the semiconductor valve coolers is enclosed by a tight-fitting jacket made of insulating material - and that the block and jacket mentioned are closed between two yokes by means of clamping screws a rigid pillar.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In diesen stellen dar: The invention is described in more detail below with reference to the drawings. In these represent:

Fig. 1 einen Aufriss einer Gleichrichterventilsäule, teilweise im Schnitt, 1 is an elevation of a rectifier valve column, partially in section,

Fig. 2 den Grundriss der Gleichrichtersäule nach Fig. 1, Fig. 3 das Schaltschema einer Ventilsäule, 2 shows the layout of the rectifier column according to FIG. 1, FIG. 3 shows the circuit diagram of a valve column,

Fig. 4 das Schema einer Stromrichteranlage mit Rückkühleinrichtung, und Fig. 4 shows the diagram of a converter system with recooling device, and

Fig. 5 die Abhängigkeit des thermischen Widerstandes dreier verschiedener Halbleiterventilkühler von der Kühlmit-telgeschwindigkeit. 5 shows the dependence of the thermal resistance of three different semiconductor valve coolers on the coolant speed.

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. The semiconductor valve column shown in FIG. 1 has a number of semiconductor valves 1 arranged one behind the other, which are clamped together with a semiconductor valve cooler 2 and 3 between two clamping yokes 4 and 5 by means of clamping screws 6 and 7, nuts 8 and 9. In order to achieve a tilt-free, axially and centrically acting transmission of the clamping forces to the column composed of coolers and semiconductors, pressure pieces 10 and 11 with spherical pressure surfaces 12 and 13 are provided on the two yokes. A disc 14 in connection with a pair of disc springs 15 and 16 on the pressure piece 11 ensure the compensation of changes in length due to temperature changes.

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, The shape of the coolers 2, 3 and their arrangement within the semiconductor valve column are shown in FIG. 2. The coolers have a star-shaped cross-section with 24 radial,

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

bO bO

65 65

3 618290 3 618290

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, towards its tip tapering ribs 17 and 18 together with the contact resistance Ro, which is between rounded ends. One of these fins is a longer radiating surface and coolant occurs,

geführt und dient als Stromzuführungsschiene 19 bzw. 20. den thermischen Widerstand Rth bestimmt R„ hängt ab von der guided and serves as a power supply rail 19 and 20, the thermal resistance Rth determines R depends on

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 The coolers 2, 3 are identical in terms of their cross-sectional shapes to the heat-emitting cooler surface, that is to say the number of fins, and can be economically produced from extruded profiles 5 of the heat transfer coefficient a, the latter in turn being produced by or as an investment casting. When manufacturing from a Reynolds number Re, d. H. from the flow velocity, the

Strangpressprofil braucht lediglich ein der Kühlerhöhe ent- Dichte und der Zähigkeit des Kühlmittels sowie von der Geo- The extruded profile only needs a density that is dependent on the cooler height and the toughness of the coolant as well as the 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- speaking long piece cut and depends on the front, metrie the flow restriction. It also increases the contact areas 21, 22 with the semiconductor valve 1, with greater swirling of the flow. All of these to be machined. 10 factors are favorably considered in this version

Wie die Fig. 2 zeigt, ist der auf den Kühler 2 folgende Küh- einflusst: Die für einen niedrigen Übergangswiderstand erfor- As shown in FIG. 2, the following cooling influences on the cooler 2: The cooling required for a low contact resistance

ler 3 gegenüber dem ersteren um eine halbe Rippenteilung ver- derliche grosse Rippenoberfläche lässt sich durch eine entspre- Compared to the former, the large rib surface, which can be changed by half a rib pitch, can be

dreht, so dass also seine Rippen 18 in der Lücke zwischen den chende Rippenzahl leicht verwirklichen. Die in Längsrichtung rotates so that its ribs 18 easily realize in the gap between the number of ribs. The lengthways

Rippen 17 stehen. verlaufenden Rippen ergeben eine gelenkte Kühlmittelströ- Ribs 17 stand. running ribs result in a directed coolant flow

Die Halbleiterventilsäule ist von einem Mantel 23 aus elek- 15 mung, die höhere Geschwindigkeiten erlaubt als bei herkömm- The semiconductor valve column is made of a jacket 23 that allows higher speeds than conventional

trisch nichtleitendem Material umschlossen, wobei dieser Man- liehen Kühlern, wodurch im Verein mit der stärkeren Turbu- tric nonconductive material, this man lend coolers, which in combination with the stronger turbo

tel an den Spitzen der Kühlrippen 17,18 anliegt und auf diese lenz, die eine Folge der gegeneinander versetzten Rippen tel lies at the tips of the cooling fins 17, 18 and on this lenz, which is a consequence of the staggered fins

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. Way with the rib flanks closed flow channels of adjacent coolers, a very good heat transfer is achieved in the area of a cooler, d. that is, there will be no overflow.

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- over the rib tips into an adjacent channel 20 Due to the radial arrangement and the large number of can. Ribs will dissipate the heat to be dissipated on many heat

Für die Durchführung der Stromzuführungsschienen weist mewegen geringen Widerstandes auf kurzem Wege vom Ent- Due to the low resistance, the current supply rails have a short distance from the

der Mantel 23 Schlitzer 24 auf, wobei die zu zwei benachbarten stehungsort weggeleitet und an das strömende Kühlmittel The jacket 23 slits on 24, leading to two neighboring locations and to the flowing coolant

Kühlern gehörenden Schlitze um etwa 180° am Mantelumfang abgegeben. Auch werden hierbei Kühlschatten weitgehend gegeneinander versetzt sind. 25 vermieden. Slits belonging to coolers are released by approximately 180 ° on the circumference of the jacket. Here, too, cooling shadows are largely offset from one another. 25 avoided.

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 The jacket 23 is clamped between the two clamping yokes, which have the free cross section and thus the flow resistance. The physical advantages of this type of cooler, however, resisted the semiconductor valve column practically only from the diagram according to FIG. In it the curve shows a considerably impairing or increasing. the thermal resistance Rth of a conventional cooler

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. 3 shows a circuit diagram of such a semiconductor valve 30 with an unguided coolant flow, in which the area d of the column, the elements of which are designated by the coolant speeds VQ that can be practically implemented in FIG. lent low and therefore has a high thermal resistance

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. Fig. 4 shows schematically a converter system with a stand. The situation is much better for converter boilers 25 and a recooling device with a semiconductor valve column with the coolers in question, coolant supply line 26, a pump 27, a coolant return line 35 whose ribs are not twisted against one another, that is to say via line 28 and a recooler 29 in the converter boiler 25 align the entire length of the column. The curve b applies to them. The converter columns 30 are arranged so that the cooling effect proves even better when the coolant flows through the ribs from bottom to top. These semiconductors, as described, are rotated with respect to one another, which in their entirety form a power converter through the valve columns 30. Curve c is expressed. In the case of the two designs, the coolant is used to dissipate the curves b and c generated during operation, and the heat loss from the pump 27 via the feed line 26 and coolant speeds are reached with a smaller scattering — a bottom channel 31 from below above by the rich e, so that a precise dimensioning of the half cooling fins 17, 18 and the jacket 23 is made possible by the flow condenser valve columns or the converter. Pressed outside channels, in the collecting duct 32 above the columns 30, the converters can be collected opposite them and can be carried out in a material and space-saving manner via the return line 28 for cooling by means of conventional designs, the recooler 29 and fed back into the pump 27. In order to obtain better turbulence and greater heat dissipation, as can be seen in FIG. 2, for the circumferential fin surface or a longer flow path of the radiator fins with regard to heat dissipation, the fins could also start out helically from the relatively minor one Impairment leads and compared to the respectively adjacent cooler, either in the area of the clamping yokes or clamping screws, ideal conditions with the ribs aligned or twisted against one another, as a result of which the present semiconductor cooler is arranged. It would also be possible to use two types of sere exploitation of the performance of semiconductor valve coolers with opposite screwing of the fins len than in previously known semiconductor coolers, when combined to form a semiconductor valve. The short heat flow paths from an ample cross-column column and a zigzag-shaped flow path at the column section result in a small thermal conductivity resistance R b 55 circumference.

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

618290 PATENT CLAIMS

1. Semiconductor valve cooler with guide elements for a coolant flow, in particular for semiconductor valves in disk design, with two plane-parallel contact surfaces for cooling the semiconductor valve, characterized in that it has a central compact part, the end faces of which have contact surfaces (21, 22) for the current and heat transfer form between the cooler (2; 3) and the semiconductor valve (1), and that ribs (17, 18) are provided on the said central part, which extend at least partially in the longitudinal direction of the axis of the cooler.

2. Cooler according to claim 1, characterized in that the ribs run parallel to the axis of the cooler.

3. Cooler according to claim 1, characterized in that the ribs run helically.

4. Cooler according to claim 3, characterized in that the ribs are wound right-handed.

5. Cooler according to claim 2, characterized in that the ribs are wound left-handed.

6. Use of semiconductor valve coolers according to claim 1 for double-sided cooling of semiconductor valves, characterized in that a block composed of the semiconductor valves (1) and the semiconductor valve coolers (2, 3) is enclosed by a tight-fitting jacket (23) made of insulating material and that Block and the jacket (23) are clamped between two yokes (4,5) by means of clamping screws (6,7,8, 9) to form a rigid column.

7. Use according to claim 6, characterized in that the coolers have axially parallel ribs and that two adjacent coolers are rotated against each other by half a rib pitch.

8. Use according to claim 6, characterized in that the ribs of the cooler are wound in the same direction in a helical manner and that two adjacent coolers are rotated against each other by half a rib pitch.

9. Use according to claim 6, characterized in that the ribs of two adjacent coolers are twisted in opposite directions in a helical manner and are twisted by half a rib pitch.