DE1159566B

DE1159566B - Luftgekuehlte Halbleiter-Gleichrichtersaeule mit plattenfoermigen Gleichrichterelementen

Info

Publication number: DE1159566B
Application number: DES69296A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Paul Schnecke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-07-08
Filing date: 1960-07-08
Publication date: 1963-12-19

Description

Luftgekühlte Halbleiter-Gleichrichtersäule mit plattenförmigen Gleichrichterelementen Luftgekühlte Halbleiter-Gleichrichtersäulen mit plattenförmigen Gleichrichterelementen, insbesondere Selenplatten, für höhere Leistungen sind bisher in der Regel so gebaut, daß die Platten parallel und mit Abstand voneinander auf einem oder mehreren Bolzen befestigt sind. Diese Säulen werden derart gekühlt, daß die Kühlluft vertikal zwischen den Platten der horizontal liegenden Säule hindurchströmt und die Platten unmittelbar bestreicht.
Es ist ferner bekannt, eine Gleichrichtersäule mit Selen- oder Kupferoxydul-Gleichrichterelementen in einem abgeschlossenen, zylindrischen Gehäuse unterzubringen, das mit Kühlrippen versehen ist, deren Ebenen senkrecht zur Säulenachse liegen. Eine Kühlung der Säule ist hierbei nur durch einen senkrecht zur Säulenachse geführten Luftstrom möglich. Bei einer weiteren bekannten Anordnung ist eine Selen-Gleichrichtersäule in einem zylindrischen Behälter angeordnet, der mit Kühlflüssigkeit gefüllt ist. Der Behälter wird seinerseits durch einen Luftstrom gekühlt, der seine Mantelfläche bestreicht und durch einen den Flüssigkeitsbehälter umgebenden Zylindermantel geführt ist. Eine derartige indirekte Kühlung erfordert einen hohen Aufwand.
Bei Gleichrichteranordnungen mit einkristallinen Halbleiterelementen, z. B. Silizium-Gleichrichtern, die in ihrer betriebsfertigen Form gekapselt sind, hat man bereits die Kapseln in becherförmigen Vertiefungen von Kühlblechen versenkt und mehrere dieser Anordnungen axial übereinander zu einer Säule zusammengefaßt. Auch hierbei ist eine Kühlung der Säule nur durch einen senkrecht zur Säulenachse geführten Luftstrom möglich.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine luftgekühlte Halbleiter-Gleichrichteranordnung mit einer Säule aus parallel zueinander angeordneten plattenförmigen Gleichrichterelementen, insbesondere Selenplatten, die von einem zylindrischen Mantel zur Führung der Kühlluft umgeben ist. Sie besteht darin, daß jede Gleichrichterplatte oder jeweils eine Teilgruppe von aufeinanderliegenden Platten mit dem Boden eines topfförmigen metallischen Kühlorgans flächenhaft in Wärmekontakt steht und daß die Topfwände an ihrem Umfang mit etwa radial angeordneten Kühlblechen versehen sind, deren Oberflächen sich in Richtung des Kühlmittelstromes erstrecken. Hierdurch wird eine Gleichrichtersäule mit in betriebsfertigem Zustand plattenförmigen Gleichrichterelementen geschaffen, die durch einen parallel zu ihrer Achse fließenden Kühlluftstrom gekühlt werden kann. Dadurch wird bereits bei Säulen, die durch natürlich Konvektion der Luft gekühlt werden, eine erhebliche Raumersparnis erzielt, da die Säulen vertikal aufgestellt werden können. Bei Anordnungen mit einem Lüfter kommt hinzu, daß die Säule unmittelbar anschließend an die Lüfterschraube und koaxial mit dieser angeordnet werden kann, so daß die bisher erforderlichen übergangskanäle, die von dem kreisförmigen Kühlkanalquerschnitt im Bereich der Lüfterschraube zu dem rechteckigen Querschnitt der bisherigen Säulen überleiten, entfallen. Bei Säulen mit einem Lüfter wird es ferner möglich, wesentlich höhere Luftgeschwindigkeiten (bis zu etwa 15 m/s) zu verwenden, da die Gleichrichterplatten nicht mehr unmittelbar von dem Kühlluftstrom getroffen werden, so daß die Gefahr einer Beschädigung durch vom Luftstrom mitgeführte Staubteile nicht mehr besteht. Es ist sogar möglich, die Platten innerhalb der Töpfe z. B. durch Vergießen mit einem Kunststoff vollständig gegen die Umgebung abzuschließen, ohne daß ihre Kühlung beeinträchtigt wird.
Bei den bisher üblichen Säulen wurde der elektrische Strom den Platten durch zentrale, in unmittelbarer Umgebung des Haltebolzens angeordnete Kontaktorgane relativ kleinen Durchmessers zugeführt, da möglichst die gesamte Oberfläche der Platte für ihre Kühlung frei gehalten werden mußte. Das hatte zur Folge, daß für die peripheren Plattenteile ein nicht unerheblicher Querwiderstand (parallel zur Plattenebene) der Elektroden des Gleichrichtersystems, insbesondere der Deckelektrode, wirksam wurde. Bei der vorliegenden Gleichrichtersäule ist es demgegenüber möglich, den Kontakt- und Montagedruck zwischen den Elementen der Säule durch ringförmige Abstandsstücke zu übertragen, deren Durchmesser gleich einem beträchtlichen Bruchteil, z. B. etwa der Hälfte der Plattenbreite ist. Dadurch wird die Verteilung des Durchlaßstromes über die gesamte Plattenfläche weitgehend vergleichmäßigt. Da bei der vorliegenden Säule eine Vergrößerung der Kontaktfläche ohne Beeinträchtigung der Kühlung ohne weiteres möglich ist, kann man auch mit einem entsprechend geringeren Kontaktdruck, also einer geringeren mechanischen Belastung der Sperrschicht pro Flächeneinheit, auskommen. Dies ist von erheblichen Vorteil, da die Sperrströme der hier in Frage kommenden Gleichrichter bei Druckbelastung der Sperrschicht zunehmen.
Die vorliegende Ausbildung einer Gleichrichteranordnung ist mit Vorteil anwendbar für Gleichrichter, die in Verbindung mit einer Wechselstromlichtmaschine für Kraftfahrzeuge arbeiten. Sie ermöglicht eine raumsparende Kombination des Gleichrichters mit dem Generator, bei der die Lüfterschraube unmittelbar auf der Achse der Lichtmaschine angeordnet ist und die Gleichrichtersäule praktisch ohne Abstand koaxial vor dem Lüfter liegt. Derselbe Lüfter kann dann gleichzeitig für die Kühlung des Generators dienen.
Die Fig. 1 und 2 zeigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Gleichrichtersäule mit einem Lüfter, und zwar Fig. 1 einen Aufriß der Anordnung, teilweise im Schnitt, und Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 längs der Linie 11-II. In Fig. 3 sind Einzelheiten der Anordnung nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab dargestellt.
In den Fig. 1 und 2 ist die gesamte Gleichrichtersäule mit 1 bezeichnet. Sie weist sechs Selenplatten 11 auf, die beispielsweise zu einer Drehstrom-Brückenschaltung vereinigt sein können. Die Platten 11 werden durch einen zentralen Bolzen 2 zusammen- ; gehalten. Jede Platte liegt in einem Topf 3, mit dessen Boden sie in flächenhaftem Wärmekontakt steht. Der Rand jedes Topfes 3 ist mit radialen Kühlblechen 4 versehen. Die Kühlbleche jedes Topfes werden außen durch einen besonderen Ring 5 umschlossen, mit dem ein elektrischer Anschluß 6 verbunden ist. Die Anschlüsse 6 vermitteln die Stromzuführung zu den unteren, mit den Topfböden in Kontakt stehenden Trägerplatten der Selen-Gleichrichterelemente. Die Stromzuführungen zu den Deckelektroden der Gleichrichterelemente werden durch Anschlußfahnen 17 gebildet, die später näher beschrieben werden. Die gesamte Säule wird in einen zylindrischen Mantel ? eingesetzt; zur Führung und Halterung der Säule sind an der Innenwand des Mantels 7 Isolierstoffkörper S ; und 9 vorgesehen. Die Töpfe 3 und die Kühlbleche 4 bestehen aus gut wärmeleitendem Metall, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium.
Am unteren Ende der Säule ist ein Lüfter 21 angebaut, der Luft durch die Zwischenräume zwischen ; den Kühlblechen 4 hindurchbläst. Oberhalb der Säule kann noch ein Diffusor 22 angebaut sein. Die während des Betriebes von den Selenplatten 11 entwickelte Verlustwärme fließt über die Böden und die Wandungen der Töpfe 3 an die Kühlbleche 4 ab, von f denen sie an den Kühlluftstrom weitergegeben wird. Aus Fig. 1 geht hervor, d'aß der vom Lüfter 21 erzeugte Luftstrom die Gleichrichterplatten 11 nicht berührt, so daß eine Beschädigung der Selenplatten durch vom Luftstrom mitgeführte Staubteilchen unmöglich ist.
In Fig. 3 ist der mechanische Aufbau der Säule 1 im einzelnen dargestellt. Die Säule 1 wird durch den metallischen Bolzen 2 und die Muttern 2a und 2b zusammengehalten. Auf den Bolzen 2 ist ein Isolierstoffrohr 10 aufgeschoben. Die Gleichrichterplatben 11 haben zentrale Öffnungen, durch die der Bolzen 2 und das Isolierrohr 10 hindurchtreten.
Jeder Selenplatte 11 ist ein Topf 3 zugeordnet, von dem in Fig. 3 nur der zentrale Teil des Bodens zu sehen ist. Die einzelnen Selenplatten 11 mit zugeordneten Töpfen 3 sind durch Abstandsstücke 12 voneinander getrennt, die als Ringe aus Isolierstoff ausgebildet sind. Die Ringe 12 sind auch in den Fig. 1 und 2 erkennbar; ihr Durchmesser ist etwa gleich der halben Plattenbreite. Zwischen den Ringen 12 und den Deckelektroden der Selenplatten 11 liegen jeweils Anschlußbleche 17, die in nach außen geführte Anschlußfahnen 17a auslaufen. Die Anschlußbleche 17 haben Ringform und mindestens den Durchmesser der Abstandsstücke 12. Mit 13, 14 und 15 sind Abschlußplatten der Säule, mit 16 Federringe bezeichnet.
Insbesondere aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß sich die gesamte Spannung, die durch den Bolzen 2 auf die Elemente der Säule ausgeübt wird, auf verhältnismäßig große ringförmige Bereiche der Plattenoberfläche, die durch die Form der Abstandsstücke 12 bestimmt werden, verteilt. Der spezifische Kontakt-und Montagedruck, der auf die Gleichrichterplatten ausgeübt wird, ist daher verhältnismäßig gering. Es ist an sich bekannt, bei Selen-Gleichrichterplatten diejenigen Stellen, die bei dem betriebsfertig montierten Element einem Kontakt- oder Montagedruck ausgesetzt sind, durch Einfügen einer Isolierschicht in das Schichtsystem des Gleichrichters, z. B. zwischen Selenschicht und Deckelektrode, von der aktiven Gleichrichterfläche auszuschließen, da die Sperrfähigkeit des Gleichrichterelementes durch Druckbelastung der Sperrschicht nachläßt. Man kann diese Maßnahme auch bei der vorliegenden Gleichrichteranordnung anwenden, indem man die Gleichrichterplatten 11 an den Stellen, die unter dem Druck der Abstandsringe 12 stehen, mit einer Isolierschicht, z. B. zwischen Deckelektrode und Selenschicht, versieht. Es gehört jedoch zu den Vorteilen der Erfindung, daß wegen der geringen Druckbelastung der Abnahmeelektroden 17 die spezifischeDruckbelastung der Sperrschicht ohnehin gering ist, so daß es möglich ist, auch einfache aufgebaute Selenelemente ohne zwischengeschaltete Isolierschicht für den Aufbau einer Säule nach der Erfindung zu verwenden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Luftgekühlte Halbleiter-Gleichrichteranordnung mit einer Säule aus parallel zueinander angeordneten plattenförmigen Gleichrichterelementen, insbesondere Selenplatten, die von einem zylindrischen Mantel zur Führung der Kühlluft umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gleichrichterplatte oder jeweils eine Teilgruppe von aufeinanderliegenden Platten mit dem Boden eines topfförmigen metallischen Kühlorgans flächenhaft in Wärmekontakt steht und daß die Topfwände an ihrem Umfang mit etwa radial angeordneten Kühlblechen versehen sind, deren Oberflächen sich in Richtung des Kühlmittelstromes erstrecken. 2. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial mit der Säulenachse ein Lüfter angeordnet ist. 3. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt- und Montagedruck zwischen den Elementen der Säule durch ringförmige Abstandsstücke übertragen wird, deren Durchmesser ungefähr die Hälfte des Durchmessers der Platten beträgt. 4. Gleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die topfförmigen Kühlorgane mit Kunststoff ausgegossen sind. 5. Verwendung einer Gleichrichteranordnung nach Anspruch 2 in Verbindung mit einer Wechselstrom-Lichtmaschine für Kraftfahrzeuge, auf deren Achse die Lüfterschraube angeordnet ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 924 817; deutsche Auslegeschriften Nr. 1047 950, 1065 921; schweizerische Patentschrift Nr. 219 294; britische Patentschrift Nr. 822 711; USA.-Patentschriften Nr. 2 461087, 2 474 809.