DE1106423B - Kuehlkoerper fuer Halbleitergleichrichter - Google Patents

Description

• Kühlkörper für Halbleitergleichrichter Es sind Kühlkörper zur Luftkühlung von Halbleitergleichrichtern, z. B. Germanium- oder Siliziumgleichrichtern, bekannt, die meist so ausgebildet sind, daß die Verlustwärme über Kühlrippen an den Luftstrom abgegeben werden, der von einem besonderen Lüfter erzeugt wird. Der Nachteil solcher Anordnungen liegt darin, daß sie nur einen bestimmten Wärmedurchsatz abführen können. Treten strommäßige Überlastungen ein, dann kann es vorkommen, daß der Luftstrom bzw. die Größe der Kühlflächen der Rippen nicht mehr ausreicht, um die Wärme abzuführen, und dann kann der Fall eintreten, daß die zulässige Grenztemperatur der Halbleiterschicht überschritten wird. Aus diesem Grunde müssen solche Gleichrichterschaltungen bzw. ihre Kühleinrichtungen für die höchste betriebsmäßig auftretende Leistung bzw. den höchsten Betriebsstrom bemessen werden. Dieser höchste Betriebsstrom kann aber den Nennstrom um ein Mehrfaches überschreiten, und es gibt Antriebe, bei denen dieser höchste Strom nur für eine verhältnismäßig kurze Zeit vorhanden ist. Als Beispiel sei ein Gleichrichter für ein elektrisches Triebfahrzeug angeführt. Die Stromverhältnisse bei einem Arbeitsspiel, d. h. bei der Fahrt zwischen zwei Haltepunkten, ergeben sich aus Fig. 1. Hier erfolgt im Zeitpunkt Null die Anfahrt mit einem Strom, der etwa doppelt so hoch ist als der Dauerstrom Id, für den der Gleichrichter bemessen sein muß. Im Zeitpunkt t1 ist die Anfahrt beendet, und es folgt nun die Streckenfahrt, bei der der Strom immer mehr abnimmt und meist sogar unter den Dauerstrom sinkt. Im Zeitpunkt t2 schließt sich dann der Auslauf des Fahrzeugs an, wobei der Strom auf Null zurückgeht. Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 erfolgt die Bremsung, bei der der Gleichrichter gleichfalls nicht mehr stromführend ist. Der Gleichrichter bzw. seine Kühleinrichtungen müssen aber so bemessen sein, daß sie den Strom in der Anfahrperiode, d. h. bis zum Zeitpunkt t1, ohne schädliche Erwärmung zu führen vermögen. Um eine solche intermittierend auftretende Stromwärme aufzunehmen, ist bereits ein Wärmeübertrager bekannt, der aus mehreren Teilen großer Oberfläche besteht. Dabei kann es sich um die Platten eines Trockengleichrichters handeln. An diesen Platten wird ein Kühlmittel entlanggeführt, und zwischen den Platten sind Stücke aus wärmespeicherndem Material, wie Kugeln, Ringe od. dgl., angeordnet. Offenbar sollen diese Kugeln die Wärme aus den Gleichrichterplatten durch direkte Wärmeleitung an sich ziehen und nachher an den Kühlluftstrom abgeben. Da diese Kugeln im Luftstrom liegen, wird durch ihre Anbringung eine Vergrößerung der wärmeabgebenden Oberfläche und außerdem eine Wirbelbildung der Kühlluft erreicht. Allerdings muß der ganze Gleichrichter von einer ihn eng umschließenden Hülle umgeben sein, damit die Kugeln ihre Lage zwischen den Platten behalten. Durch eine solche Hülle wird aber die Kühlwirkung zweifelsfrei wieder herabgesetzt. Auch läßt sich bei einer Anordnung dieser Art die Kühlwirkung kaum exakt vorausberechnen..
• Es ist auch ein Halbleitergleichrichter für hohe Stromstärken, insbesondere für intermittierenden Betrieb, bekannt, bei dem das Halbleiterelement am Boden eines aus Metallblech gezogenen Napfs sitzt, der den Deckel eines topfförmigen Gehäuses bildet, in dessen mit einer Flüssigkeit hoher Wärmekapazität gefüllten Innenhohlraum der Napf hineinragt und einen Wärmekontakt zwischen dem Halbleiterelement und der Flüssigkeit bildet. Dabei wird nur ein Teil der Oberfläche des Halbleiters in Berührung mit dem Napf bzw. der Speicherflüssigkeit gebracht, so daß für den Wärmeübergang nur diese recht geringe Fläche zur Verfügung steht. Außerdem muß die ganze anfallende Wärme, gleichgültig, ob sie vom Dauerbetrieb oder von einer stoßweisen Überlastung herrührt, zunächst von der Speicherflüssigkeit aufgenommen und dann allmählich durch die Wand des topfförmigen Gehäuses an die Umgebung abgegeben werden. Dieser Topf muß daher beträchtliche Abmessungen erhalten, zumal die Topfwand gleichzeitig als Stromleiter dient, also bereits durch den Stromdurchgang erwärmt wird und somit das Temperaturgefälle zwischen der Topfwand und der Speicherflüssigkeit verringert, d. h. die Wärmeübertragung verschlechtert.
• Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper für Halbleitergleichrichter, dessen Kühlrippen so bemessen sind, daß sie in Verbindung mit den übrigen Teilen des Kühlkörpers und mit der Menge und der Temperatur der Kühlluft die durch den Dauerstrom erzeugte Wärme abzuführen vermögen. Erfindungsgemäß ist die Anordnung so getroffen, daß neben den Kühlrippen weitere rippenförmige, von der Kühlluft bestrichene Teile des Kühlkörpers vorgesehen sind, die hohl ausgebildet und mit einem wärmespeichernden Material gefüllt sind. Es wird also, soweit der Dauerbetrieb in Frage kommt, die übliche bewährte Kühleinrichtung mit Kühlrippen angewandt, die sich hinsichtlich der Fläche der Kühlrippen, der Temperatur und der Menge der Kühlluft exakt vorausberechnen läßt. Zusätzlich sind weitere hohle Kühlrippen vorhanden, die mit einem wärmespeichernden Material gefüllt sind. Das Speichermaterial ist somit von dem Kühlmittelstrom getrennt. Als Wärmespeicher kann ein schmelzbarer Stoff dienen, so daß für die Wärmespeicherung auch seine Schmelzwärme herangezogen wird. Auf diese Weise wird eine einfach aufgebaute und zuverlässige Kühleinrichtung mit nur geringem Aufwand geschaffen, die sowohl die beim Dauerbetrieb als auch bei gelegentlichen Überlastungen auftretende Wärme von dem Halbleitergleichrichter schnell abzuführen und danach an die Umgebung abzugeben vermag. In der Zeichnung Fig. 2 bis 4 sind einige Ausführungsbeispiele für Kühlkörper dieser Art dargestellt.
• Bei dem Kühlkörper nach Fig. 2 bezeichnet 1 die Grundplatte des Kühlkörpers, die in möglichst guter wärmeleitender Verbindung mit dem nicht dargestellten Halbleitergleichrichter steht. An diese Grundplatte 1 sind Kühlrippen 2 angebaut, zwischen denen wie üblich ein Luftstrom hindurchgeführt wird. Außerdem sind aber Speicherkörper 3 vorhanden, die ebenfalls die Form von Kühlrippen haben, so daß ihre wärmeabgebende Oberfläche möglichst groß ist. Diese Speicherkörper sind aber hohl und mit einem Material gefüllt, das eine möglichst große spezifische Wärme aufweist. Dabei ist vor allem an Wasser oder Glyzerin oder 3lischungen aus beiden und an andere organische Stoffe gedacht. Bei der Verwendung von Paraffin als Wärmespeicher kommt noch der folgende günstige Umstand hinzu: Paraffin besitzt einen Schmelzpunkt von etwa -f-50° C. Wird diese Temperatur erreicht, so kann also auch noch die Schmelzwärme des Paraffins ausgenutzt werden, die in Zeiten geringerer Belastung durch die ständig wirkende Luftkühlung wieder abgeführt wird.
• Fig.3 zeigt eine etwas andere Ausführungsform des Kühlkörpers mit der Grundplatte 1 und den Kühlrippen 2. Die Kühlkörper 3, die ein Speichermaterial enthalten, sind in diesem Fall so gestaltet, daß zwischen ihnen Hohlräume4 vorhanden sind, zwischen denen die Kühlluft hindurchtreten kann.
• Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist zwischen mehreren Kühlrippen 2 ein Speicherkörper 3 vorhanden, der mit dem erwähnten wärmespeichernden Material gefüllt ist. Die Wandungen des Speicherkörpers haben die Form eines Wehrohres, das eine gewisse Elastizität besitzt und Wärmedehnungen des Speichermaterials gut aufnehmen kann. Man wird jedoch auch bei den Ausführungsformen Fig.2 und 3 darauf achten, daß die Kühlkörper 3 in der Lage sind, Volumenänderungen des Speichermaterials aufzunehmen.
• Mit Anordnungen dieser Art ist es möglich, Halbleitergleichrichter so zu bemessen, daß die Auslegung nicht mehr für den höchsten auftretenden Strom, sondern für einen geringeren Strom erfolgen kann. Der für die Bemessung maßgebliche Strom hängt dabei von der Art des Belastungsspieles ab.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Kühlkörper für Halbleitergleichrichter, dessen Kühlrippen. so bemessen sind, daß sie in Verbindung mit den übrigen Teilen des Kühlkörpers und mit der Menge und der Temperatur der Kühlluft die durch den Dauerstrom erzeugte Wärme abzuführen vermögen, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Kühlrippen weitere rippenförmige, von der Kühlluft bestrichene Teile des Kühlkörpers vorgesehen sind, die hohl ausgebildet und mit einem wärmespeichernden Material gefüllt sind.
2. 2. Kühlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlen Teile aus einer Kombination von mindestens zwei Stoffen bestehen, deren einer eine große Wärmeleitfähigkeit aufweist und der andere eine hohe spezifische Wärme derart, daß nur der Stoff großer Wärmeleitfähigkeit vom Kühlluftstrom berührt wird.
3. 3. Kühlkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmespeichernde 11aterial zur schnellen Verteilung der Wärme mit einem Stoff großer Wärmeleitfähigkeit gemischt ist.
4. 4. Kühlkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmespeicher ein schmelzbarer Stoff dient, so daß für die Wärmespeicherung auch seine Schmelzwärme herangezogen wird.
5. 5. Kühlkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen des das wärmespeichernde Material enthaltenden Körpers elastisch sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 891425; deutsche Auslegeschrift S 35360 I a/17 f (bekanntgemacht am 13. 9. 1956) ; deutsche Auslegeschriften Nr. 1030 462, 10-12 132; USA.-Patentschrift Nr. 2 862 158; britische Patentschrift Nr. 791491.