DE1514551C3 - Kühleinrichtung für Gleichrichterzellen für hohe Ströme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für Gleichrichterzellen für hohe Ströme mit einem einkristallinen Halbleiterkörper, der in einem scheibenförmigen Zellengehäuse angeordnet ist, welches auf mindestens einer seiner beiden Flachseiten einen hohlen Kühlkörper trägt, der als Verdampfer ausgebildet und mit einem flüssigen Kühlmittel beschickt ist, welches nach Verdampfung im Kühlkörper in einem Kondensator verflüssigt und in einem geschlossenen Kühlkreislauf zum Kühlkörper zurückgeführt ist.

Es ist bekannt, bei Halbleiter-Gleichrichterzellen für hohe Ströme von beispielsweise 1000 A und mehr zur Abführung der Verlustwärme, die bei einem Spannungsabfall der Gleichrichterzelle in Durchlaßrichtung 1,5 V beispielsweise mehr als 1,5 kW betragen kann, eine Kühleinrichtung der eingangs genannten Art vorzusehen (deutsche Auslegeschrift 1.026 434). Der vom Kühlmittel, z. B. Wasser, durchflossene hohle Kühlkörper besteht danach im allgemeinen aus Metall, beispielsweise Kupfer, das nicht nur wärmeleitend, sondern auch ein guter elektrischer Leiter ist.

Der Kühlkörper kann dabei als Verdampfungsgefaß ausgebildet sein. In diesem Fall ist es zweckmäßig, das verdampfte Kühlmittel in einem Kondensator wieder zu verflüssigen und im Kreislauf zum Verdampfungsgefäß zurückzuführen. Mit einer solchen Kühleinrichtung, die auf einer Durchfluß-Verdampfungs-Kühlung beruht, lassen sich für eine einzelne Gleichrichterzelle mit niedriger Verlustwärme ausreichende Kühlergebnisse erzielen. Bei höher belasteten Gleichrichterzellen, die gegebenenfalls noch in ein und denselben Kühlkreislauf geschaltet sind, kann die Kühlwirkung jedoch nicht ausreichen.

Aus der deutschen Patentschrift 913 557 ist eine Kühlanordnung für stromdurchflossene Leiter, insbesondere Hochleistungswiderstände bekannt, bei der der Leiter porös ausgebildet ist. Durch seine Poren wird ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel hindurchgeleitet. Eine gute Kühlwirkung läßt sich dabei erreichen, wenn eine Kühlflüssigkeit in den Poren bis zum Verdampfungspunkt erhitzt wird. Die Förderung erfolgt entweder durch Kappilarwirkung des porösen Leiters oder durch eine mechanische Fördereinrichtung (Pumpe). Das im Leiter verdampfte Kühlmittel kann kondensiert, rückgekühlt wiedergewonnen und neuerlich zur Kühlung verwendet werden. Von einer porösen Ausbildung kann bei einem einkristallinen Halbleiterkörper kein Gebrauch gemacht werden.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1188 729 ist schließlich eine Kühleinrichtung für Halbleiter-Gleichrichter bekannt, bei der die vom Halbleiterelement entwickelte Wärme an metallische, durch Sieden einer Flüssigkeit gekühlte Flächen abgegeben und der hierdurch entstehende Dampf an einem von außen durch das umgebende Medium gekühlten Wandteil des Siederaums kondensiert wird. Hierbei sind massive Kühlkörper vorgesehen, die an den beiden Seiten des Halbleitergleichrichters wärmekontaktschlüssig anliegen. Die Kühlkörper ragen durch allseitig geschlossene, mit der Kühlflüssigkeit teilweise gefüllte, als flache Dosen gestaltete und in zu den Elektroden des Halbleitergleichrichters parallelen Ebenen angeordnete Siede- und Kondensationsgefäße durch deren Breitseite hindurch. Der Füllungsgrad dieser Größe ist so bestimmt, daß bei mindestens einer ihrer in einer lotrechten Ebene gewählten Lagen die massiven Kühlkörper sich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befinden. Die Kühlflüssigkeit verdampft im Bereich der Kühlkörper und kondensiert im oberen Teil der Gefäße. — Diese Kühleinrichtung ist auf eine lotrechte Anordnung der Siede- und Kondensationsgefäße angewiesen und daher nicht überall, z. B. bei einer lotrechten Stapelung von Gleichrichterzellen, einsetzbar. Darüber hinaus ist bei einer hohen Verlustleistung der Gleichrichterzelle eine beträchtliche Oberflächengröße der Siede- und Kondensationsgefäße erforderlich, um eine wirksame Kühlung sicherzustellen. Eine Verbindung der Kühlkreisläufe beider einer Gleichrichterzelle zugeordneten Gefäße ist nicht vorgesehen.

Man kann bei einer Kühleinrichtung der eingangs genannten Art die an der scheibenförmigen Gleichrichterzelle anliegenden Kühlkörper von dieser durch eine Zwischenlage aus gut wärmeleitendem, aber elektrisch isolierendem Material, beispielsweise durch einen Keramikkörper, trennen. Dann können die beiden Kühlkörper im Kühlkreislauf parallel geschaltet oder hintereinander angeordnet werden, und es entfällt die Notwendigkeit, das Kühlmittel so weit zu reinigen, daß eine ausreichende elektrische Isolation gewährleistet ist. Ferner können mehrere auf verschiedenem Potential liegende Gleichrichterzellen einer Stromrichteranlage an den gemeinsamen Kühlkreislauf angeschlossen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kühleinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sich eine Verbesserung der Wärmeabführung ergibt.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß mit einem vom elektrischen Stromkreis der Gleichrichterzellen getrennten Kühlkreislauf eine weitere Verbesserung der Wärmeabführung möglich ist,

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wenn es gelingt, die Temperaturdifferenz zwischen per 3 und 4 sind zwischen zwei Kühlkörpern 9 und

der maximal zulässigen Temperatur des Halbleiter- 10 eingeklemmt, wie durch Pfeile angedeutet ist. Sie

körpers der Scheibenzelle "und der Temperatur des sind jeweils durch eine Zwischenlage 7 bzw. 8 aus

Kühlmittels weiter zu erhöhen. einem gut wärmeleitenden, jedoch elektrisch isolie-

Diese genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß 5 renden Material, vorzugsweise einem keramischen dadurch gelöst, daß a;ls Kühlmittel ein solches mit Körper, insbesondere Berylliumoxyd, von den Kühleiner Verdampfungstemperatur unter Null Grad CeI- körpern 9 bzw. 10 getrennt. Zur Verbesserung des sius bei Atmosphärendruck gewählt ist, daß als Kon- Wärmeüberganges können die Auflageflächen der densator ein Verflüssiger mit Kompressor vorgesehen flachen Körper 3 und 4, der Zwischenlagen 7 und 8 ist und daß zur Entspannung und Verdampfung des io sowie der Kühlkörper 9 und 10 vorteilhaft zusätzlich vom Kompressor komprimierten Kühlmittels am mit einem Überzug aus einem gut wärmeleitenden Kühlkörper ein Expansionsventil angeordnet ist. und schmiegsamen Material, beispielsweise Indium,

Die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels liegt versehen sein.

also weit unter Zimmertemperatur. Sie kann insbe- Den Kühlkörpern 9 und 10, die als Hohlkörper sondere um — 30° C und darunter liegen. Es wurde 15 und Verdampfer ausgebildet sind, wird von einem nämlich erkannt, daß die Bedenken gegen so tiefe Verteiler 12 jeweils ein flüssiges Kühlmittel zuge-Temperaturen des Kühlmittels wegen der zu erwar- führt, das in den Hohlräumen der Kühlkörper 9 und tenden Betauung der Kühlleitungen und Kühleinrich- 10 verdampft, wobei es Verdampfungswärme aus der tungen durch die elektrische Isolation des Strom- Gleichrichterzelle 2 aufnimmt. Es können handelsübkreislaufes gegen den Kühlkreislauf überwunden 20 liehe Kühlmittel, die noch bis zu verhältnismäßig tiewerden können. Mit einem Kühlmittel, das beispiels- fen Temperaturen dampfförmig sind, verwendet werweise bei Atmosphärendruck und Temperaturen um den. Ein solches Kühlmittel ist beispielsweise Di-— 30° C noch dampfförmig ist, kann die Wärmeab- fluordichlormethan (CF₂Cl₂), das bei Atmosphärenführung von der Gleichrichterzelle gegenüber der be- druck und Temperaturen über — 41° C dampfförkannten Flüssigkeitskühlung um etwa den doppelten 25 rnig ist.

Betrag erhöht werden. Die räumliche Anordnung der Nach Durchströmen der Kühlkörper 9 und 10 wird

Kühleinrichtung kann beliebig gewählt sein. das nun dampfförmige Kühlmittel in einem Sammler

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Leistungser- 14 gesammelt, der vorteilhaft für alle Scheibenzellen

höhung bei Gleichrichterzellen der genannten Art der Stromrichteranlage gemeinsam vorgesehen sein

durch Absenkung des Kühlmittel-Temperaturniveaus 30 kann. Das Kühlmittel wird dann über eine Rücklei-

liegt darin, daß die Leistungserhöhung hierbei nicht tung 16 einem Kompressor 18 zugeführt, der mit

auf Kosten des Verhältnisses der Kurzzeitüberlast- einem Motor 19 in Antriebsverbindung steht. Im

barkeit der Gleichrichterzelle zu ihrer Dauerbeiast- Kompressor 18 wird das gasförmige Kühlmittel ver-

barkeit geht. Dieses Verhältnis ist ausschließlich dichtet und dadurch wieder kondensiert und dann

durch die Werte der transienten Wärmewiderstände 35 einem Behälter 20 zugeführt. Die Kondensations-

des Kühlsystems und den statischen Wert des War- wärme kann mittels einer Kühleinrichtung, beispiels-

mewiderstandes gegeben. Es wird also durch die Ni- weise einer Wasserkühlung, von der lediglich zwei

veauabsenkung der Kühlmitteltemperatur nicht be- Anschlußstutzen 21 und 22 in der Figur angedeutet

rührt. sind, abgeführt werden. Zur Einhaltung eines vorge-

Patentschutz wird nur für die Gesamtheit der in 40 gebenen konstanten Druckes ist eine Drucküberwaden Patentansprüchen jeweils aufgeführten Merk- chung 24 im Kühlkreislauf vorgesehen,
male begehrt. Das flüssige Kühlmittel wird über die Drucküber-

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf wachung 24 und eine Trockenstrecke 26, die zum

die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausfüh- Entzug von Wasser aus dem Kühlmittel dient, einem

rungsbeispiel einer Kühleinrichtung zur Verdamp- 45 Expansionsventil 28 zugeführt, das als Drosselorgan

fungskühlung einer Gleichrichterzelle schematisch wirkt und den hohen Druck im Verflüssiger 18, 19

veranschaulicht ist. wieder auf einen niedrigeren Verdampfungsdruck re-

Nach der Figur ist eine Gleichrichterzelle 2 für duziert. Es regelt selbsttätig das Einspritzen des flüs-

hohe Stromstärken von beispielsweise 1000 A und sigen Kühlmittels in die Kühlkörper 9 und 10 in Ab-

mehr, von der lediglich das scheibenförmige Gehäuse 50 hängigkeit vom Druck in diesen Kühlkörpern 9 und

angedeutet ist, zwischen zwei elektrisch leitenden fla- 10 und von der Temperatur am Verdampferausgang,

chen Körpern 3 und 4 angeordnet, die als Hauptstrom- Zu diesem Zweck ist ein Temperaturfühler 29 in der

elektroden dienen sollen und zu diesem Zweck mit Rückleitung 16 vorgesehen, dessen Meßwerte dem

Anschlußklemmen 5 bzw. 6 versehen sind. Die Kör- Expansionsventil 28 vorgegeben sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kühleinrichtung für Gleichrichterzellen für hohe Ströme mit einem einkristallinen Halbleiterkörper, der in einem scheibenförmigen Zellengehäuse angeordnet ist, welches auf mindestens einer seiner beiden Flachseiten einen hohlen Kühlkörper trägt, der als Verdampfer ausgebildet und mit einem flüssigen Kühlmittel beschickt ist, welches nach Verdampfung im Kühlkörper in einem Kondensator verflüssigt und in einem geschlossenen Kühlkreislauf zum Kühlkörper zurückgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein solches mit einer Verdampfungstemperatur unter Null Grad Celsius bei Atmosphärendruck gewählt ist, daß als Kondensator ein Verflüssiger mit Kompressor (18) vorgesehen ist und daß zur Entspannung und Verdampfung des vom Kompressor (18) komprimierten Kühlmittels am Kühlkörper (9, 10) ein Expansionsventil (28) angeordnet ist.

2. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Difluordichlormethan (CF₂Cl₂) oder Difluormonochlormethan (CHF₂Cl) vorgesehen ist.