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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Die
Erfindung ist auf das Gebiet der Elektrotechnik, insbesondere auf:
- 1. Stromrichter mit weitgehenden Anforderungen an
IP-Schutzart.
- 2. Stromrichter in einem breiten Umgebungstemperaturbereich
von Minus 60°C bis +50°C.
- 3. Halbleiterstromrichter mit Siedekühlung und
- 4. leistungsstarke Halbleiterstromrichter mit kombinierter Kühlung
anwendbar.
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Eines
der führenden Weltunternehmen auf dem Bereich der Entwicklung
von Elektrogeräten «RITTAL» (1) aus Deutschland
bietet Heiz- und Kühlgeräte an.
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Die
Heizgeräte sind Heizkörper mit Aluminiumkanten
an der Oberfläche des Heizkörpers mit einer Heizleistung
von 10 bis 1000 W.
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Die
Kühlgeräte in der Wand- oder Deckenausführung
werden im Schrank montiert. Die nutzbare Kühlleistung beträgt
von 225 bis 4000 W.
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Jedoch
sind alle von der Firma RITTAL angebotenen Heiz- und Kühlgeräte
getrennt ausgeführt, nehmen viel Platz im Schrank ein und
weisen nur lokale Wirkung auf.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung leistungsfähige Einrichtungen
zum Heizen und Kühlen von Stromrichtern, welche den weitgehenden
Anforderungen der IP-Schutzart entsprechen und in einem breiten Umgebungstemperaturbereich
von –60°C bis +50°C anwendbar sind zu
entwickeln. Die Entwicklung soll die leistungsstarken Stromrichter
erfassen, die nur in einem Schrank eingebaut sein können.
Dabei soll das Gewicht und die Abmessungen reduziert sowie der Stromrichterkosten
gesenkt werden.
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Die
gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Die
Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters enthält
einen Schrank, worin der Kühler mit den Halbleiterleistungselementen,
die Steuereinheit, die Heizeinheit und die Kühleinheit
eingebaut sind. Die Kühleinheit leitet die Kühlluft
an die Stirnfläche des Kühlers. An den Enden der
durchlaufenden Längskanäle des Kühlers
gibt es Spiralrillen, die den Luftstrom verwirbeln. Dem zufolge
wird der Luftstrom in die Längskanäle des Kühlerfußes
geleitet. Der wirbelnde Luftstrom spaltet sich in den Längskanälen des
Kühlerfußes auf. Die Warmluft fließt
die Kanalachsen entlang und der kalte Luftstrom fließt
die Längskanalwände des Fußes entlang.
Dabei nimmt er die Wärme von dem Kühler ab und
trägt sie in die Umgebungsluft weg. Dadurch wird die Kühlertemperatur
effektiv reduziert.
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Es
wird eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters
vorgestellt, welche einen Schrank umfaßt. Im Schrank sind
der Kühler mit den Halbleiterleistungselementen, die Steuerung
und das Heiz- und Kühlsystem angeordnet. Das Heiz- und Kühlsystem
besteht aus einem geschlossenen, mit Heizmedium gefüllten
Kreislauf. Im Kühlerfuß sind Kanäle vorgesehen,
die durch die Hohlräume an der unteren und oberen Stirnfläche
verbunden sind. Die Einrichtung weist auch einen Temperaturgeber,
Ansaugleitungen, einen Heizmediumbehälter, eine Pumpe,
eine Förderleitung und einen Ausgleichsbehälter
auf. Um den Heizmediumüberdruck zu erzeugen, sind die getrennten
Kanäle im oberen Teil des Kühlers in Gruppen vereinigt.
Der Heizmediumbehälter weist eine gut entwickelte wärmeleitende
Oberfläche auf.
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Es
wird eine Leistungseinheit des Stromrichters mit der Kühlung
durch Heizrohre vorgestellt. Die Einrichtung ist eine Wärmeabfuhreinheit.
Sie umfaßt einen Kühler mit Halbleiterleistungselementen.
In den Kanälen, die im Fuß und in oberen Höhlräumen des
Kühlers liegen, sind Heizrohre eingebaut. Der untere Teil
des Kühlers ist mit Zwischenheizmedium gefüllt.
Das Zwischenheizmedium fließt unter der Wirkung der Kapillarkräfte
innerhalb der Heizrohre nach oben. Dabei nimmt es Wärme
von dem Kühler ab und trägt es über Rohre
in den Heizmediumbehälter.
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Es
wird die Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters
vorgestellt, welche einen Schrank umfaßt. Darin sind der
Kühler mit den Halbleiterleistungselementen, die Steuerung
sowie das Heiz- und Kühlsystem angeordnet. Die Erwärmung des
Kühlers erfolgt durch einen geschlossenen, mit Heizmedium
gefüllten Kreislauf. Der Kühler hat Kanäle
und Hohlräume an der unteren und oberen Stirnfläche.
Die Einrichtung umfaßt auch Ansaugleitungen, einen Heizmediumbehälter,
eine Pumpe, eine Förderleitung und einen Ausgleichbehälter.
Im Heizmediumbehälter ist eine Heizeinheit in Form eines hohlen
Metallbechers mit einem Heizelement angeordnet.
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Es
wird eine Leistungseinheit des Stromrichters mit einer Siedekühlung
vorgestellt. Die Halbleiterleistungselemente sind am Kühler
angeordnet. Der Kühler enthält Kanäle
im Fuß und Hohlräume an den Stirnflächen
oben und unten. Dadurch werden im unteren Teil des Kühlers
in Verbindung stehende Kanäle und im oberen Teil Gruppen
der in Verbindung stehenden Kanäle gebildet. Die Hohlräume
und die durchlaufenden in Verbindung stehenden Kanäle sind
mit dem Zwischenheizmedium gefüllt. Durch die Erwärmung
der Halbleiterleistungselemente und des Kühlers erwärmt
sich das Heizmedium in den Kanälen und den Hohlräumen.
Das flüssige Heizmedium dehnt sich aus. Der Druck des flüssigen
Heizmediums im Kühler steigt bis zum Kondensationsdruck. Das
Heizmedium geht in die gasflüssige Phase über. Es
erfolgt die Wärmeabnahme von dem Kühler und die
gleichzeitige Erwärmung des Heizmediums in der flüssigen
Phase bis zur Kondensationstemperatur. Die abgenommene Wärme
wird in einem Hilfsausgleichszyklus für die Kühlung
des Kühlers benutzt. Dank dem Überdruck fließt
das gasflüssige Heizmedium über die in Verbindung
stehenden Kanäle und die obere Hohlräume des Kühlers
in den Kondensator hinein. Hier kondensiert es über die
Mischung mit dem flüssigen Heizmedium und fließt
dann in den unteren Hohlraum des Kühlers. Die Kühlung
des Kühlers erfolgt durch die Wärme, die die Halbleiterleistungselemente
abgeben. Je stärker die Erwärmung des Kühlers
ist, desto höher ist der Druck und die Kondensierung des
Heizmediums. Desto effektiver erfolgt auch die Wärmeabgabe
von dem warmen Kühler.
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Es
wird eine Einrichtung zur Kühlung des Stromrichters vorgestellt,
bei der die Kühlung durch eine Kühlvorrichtung
erfolgt. Diese Einrichtung enthält einen Schrank, worin
die Schaltelemente, eine Steuereinheit und ein Kühler mit
den Halbleiterleistungselementen angeordnet sind. Das Kühlsystem ist
mit einem Kühlmittel gefüllt und weist einen Kühler mit
Kanälen im Fuß des Kühlers auf. Dank
dieser Ausführung wird ein Kanal, die in Verbindung stehenden
Kanäle oder die Gruppen der in Verbindung stehenden Kanäle
im Kühler gebildet. Die Einrichtung enthält auch
ein Saugrohr, einen Verdichter, eine Förderrohrleitung,
einen Kondensator, einen Filtertrockner, ein Kapillarrohr und einen
Thermoregler. Die Kanäle im Kühler oder die in
den Kanälen verlegten Metallrohre funktionieren als Verdampfer
der Kühlvorrichtung.
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Es
wird eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters
mit einem Heizsystem und einer kombinierten Kühlung vorgestellt.
Das Heizsystem in dieser Einrichtung ist der oben beschriebenen Ausführung ähnlich.
Die Kühlung des Kühlers mit den Leistungselementen
erfolgt durch die Zirkulation des Heizmediums in einem geschlossenen
Kreislauf. Dieser Kreislauf schließt die Kanäle
am Fuß und die Hohlräume an der oberen und unteren
Stirnfläche des Kühlers ein. Der Kreislauf umfasst
auch Ansaugleitungen, einen Heizmediumbehälter, eine Pumpe, eine
Förderleitung und einen Ausgleichbehälter. Die Kühlung
des Heizmediums selbst erfolgt im Heizmediumbehälter dank
dem zweiten geschlossenen mit Kühlmittel gefüllten
Kreislauf. Dieser zweite Kreislauf enthält ein Saugrohr,
einen Verdichter, eine Förderrohrleitung, einen Kondensator,
einen Filtertrockner, ein Kapillarrohr, einen Thermoregler und einen
Verdampfer. Der Verdampfer ist im Heizmediumbehälter angeordnet
und bildet die Wand des Heizmediumbehälters.
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Es
wird eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters
vorgestellt, welche einen Schrank umfasst. In diesem Schrank sind
der Kühler mit den Halbleiterleistungseinheiten, die Steuereinheit,
das Heiz- und das Kühlsystem angeordnet. Die Kühlung
des Kühlers erfolgt dank der zwei geschlossenen Kreisläufe.
Die Kreisläufe passieren über Kanäle
im Kühlerfuß. Der eine geschlossene Kreislauf ist
mit Heizmedium gefüllt und schließt einen Teil
der Kühlerkanäle ein. Dabei weist der Kühler
Hohlräume an der unteren und oberen Stirnfläche
auf. Dieser Kreislauf enthält auch Ansaugleitungen, einen
Heizmediumbehälter, eine Pumpe, eine Förderleitung
und einen Ausgleichbehälter. Der zweite geschlossene Kreislauf
ist mit dem Kühlmittel gefüllt und schließt
einen Teil der Kühlerkanäle, eine Saugrohr, einen
Verdichter, eine Förderrohrleitung, einen Kondensator und
einen Thermoregler ein. Ein Teil der Kühlerkanäle
oder die in den Kühlerkanälen verlegten und mit Kühlmittel
gefüllten Metallrohre dienen als Verdampfer der Kühlvorrichtung.
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Die
Erfindung wird anhand von verschiedenen in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Einrichtung zum Heizen und zur Zwangsluftkühlung eines
Stromrichters mit zusätzlichem Kühleffekt.
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2 die
Ausbildung der Stirnfläche des Kühlers.
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3 das
Funktionsbild der Einrichtung zum Heizen und Kühlen eines
Stromrichters (kombinierte Wasser- und Luftkühlung).
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4 und 5 Einrichtung
zum Heizen und Kühlen eines Stromrichters.
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6 eine
Leistungseinheit mit der Kühlung eines Stromrichters.
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7 und 8 Die
Leistungseinheit und die Kühleinrichtung mit Siedekühlung.
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9, 10 und 11 Funktionsschaltbilder.
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12 eine
Einrichtung, bei der der Kühler gleichzeitig als Verdampfer
der Kühleinrichtung dient.
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13 das
Funktionsbild der Einrichtung zum Heizen und Kühlen des
Stromrichters, wobei der Kühler als Kühlvorrichtung
mit Zwangswasserkühlung und gleichzeitig als Verdampfer
der Kühlvorrichtung dient.
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14 das
Funktionsbild der Einrichtung zum Heizen und Kühlen des
Stromrichters, wobei die Kühlung des Kühlers dank
des Heizmediums und die Kühlung des Heizmediums im Heizmediumbehälter erfolgt
und im Heizmediumbehälter ein Verdampfer der Kühlvorrichtung
angeordnet ist und
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15 die
Ansicht der Einrichtung.
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Die
Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters (1 und 2)
umfasst einen Schrank 1. Der Schrank 1 enthält
einen Kühler 5 mit Halbleiterleistungselementen 2,
eine Steuereinheit 3, eine Heizeinheit und eine Kühleinheit 4,
die die Kühlluft an die Stirnfläche des Kühlers 7 leitet.
An den Enden der durchlaufenden Längskanäle des
Kühlers 7 gibt es Spiralrillen 8, die
den Luftstrom verwirbeln. Demzufolge wird der Luftstrom in die Längskanäle des
Kühlerfußes geleitet. Der wirbelnde Luftstrom spaltet
sich in den Längskanälen des Kühlerfußes: Die
Warmluft fließt die Kanalachsen entlang und der kalte Luftstrom
fließt die Längskanalwände des Fußes entlang.
Der kalte Luftstrom nimmt die Wärme von dem Kühler 7 ab
und trägt sie in die Umgebung weg. Dadurch wird die Kühlertemperatur
effektiv reduziert.
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Die
Einrichtung zur Heizung und Kühlung des Stromrichters (3, 4 und 5)
umfasst einen Schrank 1. In diesem Schrank 1 sind
Schaltelemente, Halbleiterleistungselemente 2, eine Steuereinheit 3 und
ein Heiz- und ein Kühlsystem angeordnet. Das Heiz- und
Kühlsystem beinhaltet einen geschlossenen mit dem Heizmedium 4 (z.
B. Methanol, spectrol anti-freeze, Mischung aus eintionisiertem Wasser
mit Glykol, Wasser für Heizsysteme nach VDI 2035,
und bei der Betriebstemperatur des Stromrichters von +1°C
bis +40°C – destilliertes Wasser) gefüllten
Kreislauf. Er beinhaltet auch den Kühler 5 mit
den Kanälen 6 im Fuß, einen Temperaturgeber 7, Ansaugleitungen 8,
einen Heizmediumbehälter 9, eine Pumpe 10,
eine Förderleitung 11, einen Ausgleichsbehälter 12 und
eine Kühleinheit 19. Der Kühler 5 weist
Hohlräume 13 und 14 unten und oben an den
Stirnflächen auf. Dadurch werden die in Verbindung stehenden
Kanäle 6 im unteren Teil des Kühlers 7 und
Gruppen von in Verbindung stehenden Kanäle 6 im
oberen Teil des Kühlers 7 gebildet. Der Heizmediumbehälter 9 hat
eine gut entwickelte wärmeleitende Oberfläche 15.
Im Heizmediumbehälter 9 ist eine Heizeinheit 16 in
Form eines hohlen Metallbechers 17 mit einem Heizelement 18 angeordnet.
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Es
wird eine Einrichtung zur Kühlung der Leistungseinheit
des Stromrichters mit der Kühlung durch Heizrohre (6)
vorgestellt. Die Einrichtung als Wärmeabfuhreinheit hat
einen Kühler 5 mit den Halbleiterleistungsgeräten 2.
In den Kanälen 6 im Fuß des Kühlers 5 und
in den oberen Hohlräumen 14 des Kühlers 5 sind
Heizrohre 22 (Ausführung aus Metallfilz, Pulver,
Gitter) verlegt. Der untere Teil 13 des Kühlers 5 ist
mit Zwischenheizmedium 4 (z. B. destilliertes Wasser, Mischung
aus Wasser mit Glykol, Wasser für Heizsysteme nach VDI
2035) gefüllt. Dieses Zwischenheizmedium 4 läuft
unter der Wirkung der speziellen Kapillarkräfte, welche
dank der speziel lern Kapillarstruktur innerhalb der Heizrohre 22 entstehen,
nach oben. Durch die Erwärmung der Halbleiterleistungselemente 2 und
des Kühlers 5 nimmt das Heizmedium 4 Wärme
von dem erwärmten Kühler 5 ab und trägt
sie über die Heizrohre 22 in den Heizmediumbehälter 9.
Hier kühlt sich das Heizmedium ab und fließt unter
der Schwerkraft in den unteren Teil 13 des Kühlers 5 hinab.
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Es
wird eine Einrichtung zur Kühlung des Stromrichters mit
Siedekühlung vorgestellt (
7 und
8).
Die Halbleiterleistungselemente
2 sind in dieser Einrichtung
am Kühler
5 angeordnet. Die Kanäle
6 des
Kühlers
5 sind im Fuß verlegt. An den Stirnflächen
des Kühlers
5 sind oben und unten Hohlräume
13 und
14 ausgeführt.
Dank dieser Hohlräume
13 und
14 werden
im unteren Teil des Kühlers
5 die in Verbindung
stehenden Kanäle
6 und im oberen Teil die Gruppen
von in Verbindung stehenden Kanäle
6 gebildet.
Die Hohlräume
13 und
14 und die durchlaufenden
in Verbindung stehenden Kanäle
6 sind mit dem
Zwischenheizmedium
20 gefüllt (z. B., Frigen 113,
Perfluor-di-Butyl-Äther
,
). Durch
die Erwärmung der Halbleiterselemente
2 und des
Kühlers
5 erwärmt sich das Heizmedium
20 in den
Kanälen
6 und den Hohlräumen
13 und
14.
Das flüssige Heizmedium dehnt sich aus. Der Druck des flüssigen
Heizmediums
20 im Kühler
5 steigt bis
zum Kondensationsdruck. Das Heizmedium
20 geht in die gasflüssige
Phase
21 über. Es erfolgt die Wärmeabnahme
von dem Kühler
5 und die gleichzeitige Erwärmung
des Heizmediums in der flüssigen Phase
20 bis zur
Kondensationstemperatur. Die abgenommene Wärme wird im
Hilfsausgleichszyklus für die Kühlung des Kühlers
5 benutzt.
Dank dem Überdruck fließt des gasflüssige
Heizmedium
21 über die in Verbindung stehenden
Kanäle
6 und die oberen Hohlräume
14 des
Kühlers
5 in den Kondensator. Darin kondensiert
es durch die Mischung mit dem flüssigen Heizmedium
20.
Es kühlt sich ab und fließt in den unteren Hohlraum
13 des
Kühlers
5. Die Kühlung des Kühlers
5 erfolgt
durch die Wärmeabgabe von den Halbleiterleistungselementen
2.
Je höher die Erwärmung des Kühlers
5 ist,
desto höher ist der Druck. Je intensiver die Kondensation
des Heizmediums
21 ist, desto effektiver erfolgt die Kühlung
des Kühlers
5.
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Es
wird eine Einrichtung zur Kühlung des Stromrichters mit
der Kühlung durch eine Kühlvorrichtung (9, 10, 11 und 12)
vorgestellt, die aus einem Schrank 1 besteht. Darin sind Schaltelemente,
eine Steuereinheit 3 und ein Kühler 5 mit
Halbleiterleistungselementen 2 angeordnet. Das Kühlsystem
ist mit dem Kühlmittel 23 (z. B., Kühlmittel
R134a oder Kühlmittel R600a) gefüllt. Der Kühler 5 hat
Kanäle 6 im Fuß. Dank dieser Ausführung
wird ein Kanal, die in Verbindung stehenden Kanäle oder
die Gruppen von in Verbindung stehenden Kanäle 6 im
Kühler 5 gebildet. Die Einrichtung enthält auch
ein Saugrohr 24, einen Verdichter 25, eine Förderrohrleitung 26,
einen Kondensator 27, einen Filtertrockner 28,
ein Kapillarrohr 29 und einen Thermoregler 30.
Die Kanäle 6 im Kühler 5 oder
die in den Kanälen 6 des Kühlers 5 verlegten
Metallrohre 31 funktionieren als Verdampfer 32 der
Kühlvorrichtung.
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Es
wird eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters
mit einem kombiniertem Heiz- und Kühlungssystem (13 und 14)
vorgestellt. In dieser Einrichtung erfolgt die Erwärmung des
Heizmediums 4 und die Kühlung des Kühlers 5 mit
den Halbleiterleistungselementen 2 durch das Heizmedium 4 wie
oben beschrieben (3, 4 und 5).
Die Kühlung des Heizmediums 4 erfolgt dank dem
geschlossenen mit Kühlmittel 23 (z. B., Kühlmittel
R600a) gefüllten Kreislauf. Dieser Kreislauf enthält
ein Saugrohr 24, einen Verdichter 25, eine Förderrohrleitung 26,
einen Kondensator 27, einen Filtertrockner 28,
ein Kapillarrohr 29, einen Thermoregler 30 und
einen Verdampfer 32. Der Verdampfer 32 ist in
dem mit Heizmedium 4 gefüllten Behälter 9 angeordnet
und bildet seine Wand aus.
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Es
wird eine Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters
mit einem kombinierten Heiz- und Kühlungssystem (14 und 15)
vorgestellt. In dieser Einrichtung erfolgt die Erwärmung des
Heizmediums wie oben beschrieben. Die Kühlung des Kühlers
mit den Halbleiterleistungseinheiten erfolgt dank zweier geschlossener Kreisläufe.
Der eine geschlossene Kreislauf ist mit dem Heizmedium 4 (z.
B., spectrol anti-freeze, Mischung von entionisiertem Wasser mit
Glykol, Wasser für Heizsysteme nach VDI 2035)
gefüllt und schließt einen Teil der Kanäle 6 des
Kühlers 5 ein. Dabei weist der Kühler 5 Hohlräume
an der unteren und oberen Stirnfläche 13 und 14 auf.
Dieser Kreislauf enthält auch Ansaugleitungen 8,
einen Heizmediumbehälter 9, eine Pumpe 10,
eine Förderleitung 11 und einen Ausgleichbehälter 12.
Der zweite geschlossene Kreislauf ist mit dem Kühlmittel 23 (z.
B., Kühlmittel R600a) gefüllt und beinhaltet einen
Teil der Kanäle 6 des Kühlers 5,
ein Saugrohr 24, einen Verdichter 25, eine Förderrohrleitung 26,
einen Kondensator 27, einen Filtertrockner 28,
ein Kapillarrohr 29 und einen Thermoregler 30. Ein
Teil der Kühlerkanäle 6 oder die in den
Kühlerkanälen 6 verlegten und mit dem
Kühlmittel 23 gefüllten Metallrohre 31 dienen
als Verdampfer der Kühlvorrichtung.
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Die
Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters (1 und 2)
funktioniert wie folgt:
Beim Einschalten der Ventilatoren der
Kühleinheit 4 wird die Kühlluft auf die
Stirnfläche 7 des Kühlers 5 gerichtet,
an die Spiralrillen 8 verwirbelt und in die Längskanäle 6 im
Kühlerfuß 5 geleitet. Der wirbelnde Luftstrom
spaltet sich in den Längskanälen des Kühlerfußes
auf: Die Warmluft fließt die Kanalachsen entlang und der
kalte Luftstrom fließt die Längskanalwände
des Fußes entlang. Der kalte Luftstrom nimmt die Wärme
von dem Kühler ab und trägt sie in die Umgebung
weg. Dadurch wird die Kühlertemperatur effektiv reduziert.
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Die
Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters (3, 4 und 5)
funktioniert wie folgt:
Bei der niedrigen Temperatur der Umgebungsluft wird
ein Signal von der Steuereinheit 3 gesendet. Dieses Signal
bewirkt die Einschaltung der programmgesteuerten Heizeinheit 16.
Durch die Erwärmung des Heizelementes 18 erwärmt
sich der hohle Metallbecher 17 und die Wand des Behälters 9.
Die Wärme von dem hohlen Metallbecher 17 und der Wand
des Behälters 9 wird an das Heizmedium 4 übertragen.
Dadurch wird das Heizmedium 4 erwärmt. Nach der
Erwärmung des Heizmediums 4 (z. B., bis +2, 3°C)
schaltet sich die Pumpe 10 ein. Das erwärmte Heizmedium 4 fließt
durch die Pumpe 10 über die Förderleitung 11 in
den unteren Hohlraum 13 des Kühlers 5 und über
die Kanäle 6 im Kühlerfuß in die
oberen Hohlräume 14 des Kühlers 5.
Dadurch wird der Kühler 5 erwärmt. Das
Heizmedium 4 fließt weiter über die Ansaugleitungen 8 in
den Behälter 9. Hier erwärmt es sich
zusätzlich durch das eingeschaltete Heizelement 19 und
wird durch die Pumpe 10 über die Förderleitung 11 in
die unteren Hohlräume 13 des Kühlers 5 zurückgefördert.
Der Vorgang wiederholt sich. Der Kühler 5, der
Heizmediumbehälter 9 und das Heizmedium 4 erwärmen
sich. Die Wärme wird von dem Kühler 5 an
die Halbleiterleistungselemente 2 und den Stromrichter
im Ganzen übertragen. Nach der Erwärmung des Kühlers 5 (z.
B., bis +5°C) wird ein Signal vom dem Temperaturgeber 7 an
die Steuereinheit 3 gegeben. Dieses Signal schaltet die
Heizeinheit 16 und die Pumpe 10 ab und den Stromrichter
ein. Wenn der Stromrichter im Betrieb ist, erwärmen sich
die Halbleiterleistungselemente 2 und übertragen
die Wärme an den Kühler 5. Nach der Erwärmung
des Kühlers 5 (z. B., bis +30°C) wird
ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an die Steuereinheit 3 gegeben.
Dieses Signal schaltet die Pumpe 10 ein. Das Heizmedium 4 fließt
aus dem Behälter 9 über die Förderleitung 11 in
den unteren Hohlraum 13 des Kühlers 5. Über
die in Verbindung stehenden Kanäle 6 gelangt das
Heizmedium 4 in die oberen Hohlräume 14 des
Kühlers 5. Dadurch wird die Wärme von
dem Kühler 5 abgenommen. Das Heizmedium 4 fließt über
die Ansaugleitungen 8 in den Behälter 9 zurück,
wo es sich abkühlt. Der Vorgang wiederholt sich. Wird eine
bestimmte Temperatur des Kühlers 5 (z. B., +50°C)
erreicht, wird ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an
die Steuereinheit 3 gegeben. Durch dieses Signal wird eine
höhe re Betriebsstufe der Pumpe 10 eingeschaltet.
Bei der weiteren Temperaturerhöhung (z. B., bis +60°C)
wird ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an die Steuereinheit 3 gegeben.
Dieses Signal schaltet eine noch höhere Betriebsstufe der
Pumpe 10 ein. Bei der weiteren Temperaturerhöhung
des Kühlers 5 (z. B., bis +80°C) wird
ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an die Steuereinheit 3 gegeben.
Dieses Signal schaltet die Kühleinheit 19 ein,
die mit ihrer Kühlluft den Kühler 5 mit
den Halbleiterleistungselementen 2 und den Behälter 9 mit
dem Heizmedium 4 gleichzeitig abkühlt.
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In
manchen technisch bedingten Umständen ist es bei einer
Minustemperatur der Umgebungsluft, bei abgeschaltetem Stromrichter
(z. B., Kran ohne Strom), erforderlich, die Temperatur innerhalb
des Stormrichters über Null zu halten. Bei der niedrigen Temperatur
der Umgebungsluft mit dem abgeschalteten Stromrichter und nach der
Abkühlung des Kühlers 5 (z. B., bis +7°C)
wird ein Signal von der Steuereinheit 3 gegeben. Dieses
Signal aktiviert die programmgesteuerte Heizeinheit 16 und
die Pumpe 10. Die Heizeinheit 18, der hohle Metallbecher 17 und
die Behälterwand 9 erwärmen sich. Die
Wärme von dem Metallbecher 17 und der Behälterwand 9 wird
and das Heizmedium 4 übertragen. Das erwärmte
Heizmedium 4 läuft durch die Pumpe 10 über
die Förderleitung 11 in den unteren Hohlraum 13 des
Kühlers 5. Weiter fließt es über
die Kanäle 6 im Kühlerfuß an
die oberen Hohlräume 14 und erwärmt den
Kühler 5. Das Heizmedium 4 läuft
weiter über die Ansaugleitungen 8 in den Behälter 9,
wo es sich zusätzlich durch die eingeschaltete Heizeinheit 18 erwärmt.
Durch die Pumpe 10 läuft es über die
Förderleitung 11 in den unteren Hohlraum 13 des
Kühlers 5 zurück. Der Vorgang wiederholt
sich, wobei sich der Kühler 5, der Heizmediumbehälter 9 und
das Heizmedium 4 erwärmen. Die Wärme
wird von dem Kühler 5 an die Halbleiterleistungselemente 2 und
den Stromrichter im Ganzen übertragen. Nach der Erwärmung
des Kühlers 5 (z. B., bis +30°C) wird
ein Signal vom dem Temperaturgeber 7 and die Steuereinheit 3 gegeben.
Dieses Signal schaltet die Heizeinheit 16 und die Pumpe 10 ab.
Um den erreichten Temperaturbereich des Kühlers 5 und
des Stromrichters im Ganzen (z. B., Kühlerfußtemperatur
von +7°C bis +30°C) zu halten, schaltet sich die
Heizeinheit 16 in Zyklen. Die Steuereinheit 3 empfängt
Signale von dem Temperaturgeber 7 und schaltet die Heizeinheit 16 ein-
und aus. Somit wird die Stromrichtertemperatur im Soll-Bereich gehalten.
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Die
Funktion der Einrichtung zum Kühlen der Leistungseinheiten
des Stromrichters durch Heizrohre (6) zeichnet
sich dadurch aus, dass in den Kanälen 6, die im
Fuß und in den oberen Hohlräumen 14 des
Kühlers 5 liegen, Heizrohre 22 (Ausführung aus
Metallfilz, Pulver, Gitter) verlegt sind. Der untere Hohlraum 13 des
Kühlers 5 ist mit Zwischenheizmedium 4 (z.
B. destilliertes Wasser, Mischung aus Wasser mit Glykol, Wasser
für Heizsysteme nach VDI 2035) gefüllt.
Das Zwischenheizmedium 4 fließt unter der Wirkung
der Kapillarkräfte, welche dank der speziellen Kapillarstruktur
innerhalb der Heizrohre 22 entstehen, nach oben. Durch
die Erwärmung der Halbleiterleistungselemente 2 und
des Kühlers 5 nimmt das Heizmedium 4 Wärme
von dem erwärmten Kühler 5 ab und trägt
sie über die Heizrohre 22 in den Heizmediumbehälter 9.
Hier kühlt sich das Heizmedium 4 ab und fließt
dank der Schwerkraft in den unteren Teil des Kühlers 5 ab.
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Die
Funktion der Einrichtung zum Kühlen des Stromrichters (7 und 8)
ist wie folgt:
Wenn der Stromrichter im Betrieb ist, erwärmen
sich die Halbleiterleistungselemente 2 und erwärmen
somit den Kühler 5 und das Heizmedium 20 in
den Kanälen 6 und den Hohlräumen 13 und 14 des
Kühlers 5. Dadurch dehnt sich das flüssige
Heizmedium 20 aus. Der Druck des flüssigen Heizmediums 20 im Kühler 5 steigt
bis zum Kondensationsdruck. Das Heizmedium 20 geht in die
gasflüssige Phase 21 über. Es erfolgt
die Wärmeabnahme von dem Kühler 5 und
die gleichzeitige Erwärmung des Heizmediums 20 in
der flüssigen Phase bis zur Kondensationstemperatur. Die
abgenommene Wärme wird in dem Hilfsausgleichszyklus für
die Kühlung des Kühlers 5 benutzt. Dank
dem Überdruck läuft das gasflüssige Heizmedium 21 über
die in Verbindung stehenden Kanäle 6 und die oberen
Hohlräume 14 des Kühlers 5 in
den Kondensator. Dort mischt es sich mit dem flüssigen
Heizmedium 20 und kühlt ab. Dann fließt
es in den unteren Hohlraum 13 des Kühlers 5.
Die Kühlung des Kühlers 5 erfolgt durch
die Wärme, die die Halbleiterleistungselemente 2 abgeben.
Je höher die Erwärmung des Kühlers 5 ist,
desto höher ist der Druck und die Kondensation des Heizmediums 21 und
desto effektiver erfolgt die Wärmeabgabe von dem warmen
Kühler 5.
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Die
Funktionsweise der Einrichtung zur Kühlung des Stromrichters
(9, 10, 11 und 12)
ist wie folgt:
Wenn der Stromrichter im Betrieb ist, erwärmen
sich die Leistungselemente 2. Die abgegebene Wärme wird
an den Kühler 5 übertragen. Bei der Erhöhung der
Kühlertemperatur 5 (z. B., bis +40°C)
wird von dem Temperaturgeber 7 ein Signal an die Steuereinheit
gesendet, das den Verdichter 25 einschaltet. Der Verdichter 25 schaltet
sich ein, und unter seiner Wirkung wird Kühlmitteldampf 23 aus
dem Verdampfer 32 über die Saugrohr 24 in
den Verdichterzylinder 25 geleitet. Die Dämpfe
werden verdichtet und in die Förderrohrleitung 26 und
weiter in den Kondensator 27 gefördert. Beim Übergang
durch den Kondensator 27 gibt das Kühlmittel 23 die
Wärme ab und geht in den flüssigen Zustand über.
Das Kühlmittel fließt über den Filtertrockner 28 in
das Kapillarrohr 29. Beim Fließen durch das Kapillarrohr 29 unterkühlt
sich das Kühlmittel 23 und fließt durch
den Thermoregler 30. Hier wird der Druck dank dem Widerstand
des Kühlmittelflusses 23 abgebaut. Es kommt die
Anreicherung und die Bildung von Dampfbläschen zustande. Die
Temperatur sinkt zusammen mit dem Druck. Das Dampfvolumen nimmt
zu, während die dampfflüssige Mischung zum Verdampfer 32 läuft
und in die Kanäle 6 des Kühlers 5 gelangt.
Der Kühler 5 dient gleichzeitig als Verdampfer 32 der
Kühlvorrichtung. Das Kühlmittel 23 verdampft
sich und nimmt Wärme von dem Kühlerfuß 5,
den Leistungselementen 2 und der Luft ringsum den Kühler 5 ab.
Aus dem Verdampfer 32 läuft das Kühlmittelgas über
das Saugrohr 24. Es wird im Verdichter 25 verdichtet
und läuft über die Förderrohrleitung 26,
den Kondensator 27, den Filtertrockner 28, das
Kapillarrohr 29 und den Thermoregler 30 in den
Verdampfer 32 zurück. Dann wird der Vorgang wiederholt.
Der Kühler 5, die Halbleiterleistungselemente 2 und
der Stromrichter kühlen sich ab. Um den erreichten Temperaturbereich
des Kühlers 5 und des Stromrichters im Ganzen
zu halten, schaltet sich die Kühleinheit in Zyklen. Entsprechend
der Thermoreglereinstellung gibt der Temperaturgeber 7 ein
Signal an die Steuereinheit 3. Sie schaltet den Verdichter 25 ein-
und aus. Damit wird die Stromrichtertemperatur im Soll-Bereich (z.
B., von +40°C bis +80°C) gehalten.
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Die
Funktion der Einrichtung zum Heizen und Kühlen des Stromrichters
(13 und 14) erfolgt
wie oben beschrieben (3, 4 und 5).
Sie unterscheidet sich allerdings dadurch, dass die Kühlung
des Heizmediums 4 im Behälter 9 erfolgt.
Hier ist der Verdampfer 32 angeordnet. Die Wand (Wände)
des Behälters 9 dient als Verdampfer 32 der
Kühlvorrichtung.
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Die
Funktionsweise der Einrichtung zum Heizen und Kühlen des
Stromrichters (14 und 15) ist
wie folgt:
Bei niedriger Temperatur der Umgebungsluft wird
ein Signal von der Steuereinheit gegeben, das die programmgesteuerte
Heizeinheit 16 einschaltet. Das Heizelement 18,
der hohle Metallbecher 17 und die Wand des Behälters 9 erwärmen
sich. Die Wärme wird von dem hohlen Metallbecher 17 und
der Behälterwand 9 an das Heizmedium 4 übertragen.
Dadurch erwärmt sich das Heizmedium 4. Nach der
Erwärmung des Heizmediums 4 (z. B., bis +3°C)
schaltet sich die Pumpe 10 ein. Das er wärmte Heizmedium 4 fließt
durch die Pumpe 10 über die Förderleitung 11 in
den unteren Hohlraum 13 des Kühlers 5. Dann
gelangt es über die Kanäle 6 im Kühlerfuß 5 in die
oberen Hohlräume 14. Dadurch wird der Kühler 5 erwärmt.
Das Heizmedium 4 fließt über die Ansaugleitungen 8 in
den Behälter 9, wo es sich durch die eingeschaltete
Heizeinheit 16 zusätzlich erwärmt. Über
die Pumpe 10 fließt es über die Förderleitung 11 in
den unteren Hohlraum 13 des Kühlers 5 zurück. Der
Vorgang wiederholt sich. Dadurch erwärmen sich der Kühler 5,
der Heizmediumbehälter 9 und das Heizmedium 4.
Die Wärme von dem Kühler 5 wird an die
Halbleiterleistungselemente 2 und an den Kühler 5 im
Ganzen übertragen. Nach der Erwärmung des Kühlers 5 (z.
B., bis +7°C) wird ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an
die Steuereinheit 3 gegeben, dass die Heizeinheit 16 und
die Pumpe 10 abgeschaltet und den Stromrichter einschaltet.
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Wenn
der Stromrichter im Betrieb ist, erwärmen sich die Halbleiterleistungselemente 2 und
erwärmen somit den Kühler 5. Nach der
Erwärmung des Kühlers 5 (z. B., bis +30°C)
wird ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an die Steuereinheit 3 gegeben.
Dieses Signal schaltet die Pumpe 10 ein. Das Heizmedium 4 läuft
aus dem Behälter 9 über die Förderleitung 11 in
den unteren Hohlraum 13 des Kühlers 3.
Dann weiter über die in Verbindung stehenden Kanäle 6 in
den oberen Hohlraum 14 des Kühlers 5. Dadurch
wird die Wärme von dem Kühler 5 abgenommen.
Das Heizmedium 4 fließt über die Ansaugleitungen 8 in
den Behälter 9 zurück, wo es sich abkühlt.
Der Vorgang wiederholt sich. Wird eine bestimmte Temperatur des
Kühlers 5 (z. B., +50°C) erreicht, wird
ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an die Steuereinheit 3 gegeben,
dass die höhere Betriebsstufe der Pumpe 10 einschaltet.
Bei der Temperaturerhöhung (z. B., bis +60°C)
wird ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an die Steuereinheit 3 gegeben,
dass die noch höhere Betriebsstufe der Pumpe 10 einschaltet.
Bei der Temperaturerhöhung des Kühlers 6 (z.
B., bis +70°C) wird ein Signal von dem Temperaturgeber 7 an
die Steuereinheit 3 gegeben, das den Verdichter 25 einschaltet.
Der Verdichter 25 schaltet sich ein. Unter seiner Wirkung
fließt der Kühlmitteldampf 23 über
die anderen in Verbindung stehenden Kanäle 6 des
Kühlers 5 und das Saugrohr 24 in den
Verdichter 25. Hier wird der Dampf verdichtet und in die
Förderrohrleitung 26 und weiter in den Kondensator 27 weitergeleitet.
Beim Übergang durch den Kondensator 27 gibt das
Kühlmittel 23 die Wärme ab, kondensiert
und geht in den flüssigen Zustand über. Das Kühlmittel 25 fließt
durch den Filtertrockner 28 in das Kapillarrohr 29.
Beim Fließen durch das Kapillarrohr 29 unterkühlt
sich das Kühlmittel 23 und fließt durch
den Thermoregler 30. Hier wird der Druck dank des Widerstandes
des Kühlmittelflusses abgebaut. Es kommt die Anreicherung
und die Bildung von Dampfbläschen zustande. Die Temperatur
und der Druck nehmen ab. Das Dampfvolumen nimmt zu, während
die dampfflüssige Mischung über die Kanäle 6 des
Kühlers 5 läuft. Der Kühler 5 funktioniert gleichzeitig
als Verdampfer 32 der Kühlvorrichtung. Das Kühlmittel
verdampft und kühlt den Fuß und die Kanten des
Kühlers 5, das über die Kanäle 6 laufende
Heizmedium 4, die Halbleiterleistungselemente 2 und
die Luft ringsum den Kühler 5. Aus dem Verdampfer 32 läuft
das Kühlmittelgas über die Saugrohr 24,
in den im Verdichter 23. Dort wird es verdichtet und fließt über
die Förderrohrleitung 26, den Kondensator 27,
den Filtertrockner 28, das Kapillarrohr 29 und
den Thermoregler 30 in den Verdampfer 32 zurück.
Der Vorgang wiederholt sich. Bei der Senkung der Temperatur des
Kühlers 5 (z. B., bis +30°C) wird ein
Signal von dem Temperaturgeber 7 an die Steuereinheit 3 gegeben,
dass den Verdichter abschaltet. Um den erreichten Temperaturbereich
des Kühlers zu halten, schaltet sich die Kühleinheit
in Zyklen entsprechend der Thermoreglereinstellung 30.
Die Signale des Temperaturgebers 7 und der Steuereinheit 3 schalten
ein und aus und reagieren auf die Temperaturänderung im
Kühlerfuß 5. Die Temperatur des Stromrichters
(des Kühlers) wird im Soll-Bereich gehalten.
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Demgemäß lässt
sich die Einrichtung zum Heizen und Kühlen der Stromrichter
mit weitgehenden Anforderungen an die IP-Schutzart (IP21, IP54, IP64),
im breiten Temperaturbereich der Umgebungsluft von –60°C
bis +50°C anwenden. Die Einrichtung stellt eine hohe Heiz-
und Kühlungsleistung sicher.
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Die
Produktivität der Einrichtung zum Heizen des Stromrichters
wird dadurch gewährleistet, dass das Heizelement in einem
hohlen Metallbecher angeordnet ist. Er weist eine große
Wärmekontaktfläche mit der Wand des Heizmediumbehälters
auf und dient gleichzeitig als ein Teil der Heizmediumbehälterwand.
Durch die große wärmeleitende Fläche
und einen hohen Koeffizient der Wärmeleitfähigkeit
des Kühlers und des Heizmediumbehälters und dank
der Erwärmung und dem Kreislauf des erwärmten
Heizmediums erfolgt eine schnelle Erwärmung des Kühlers,
der Halbleiterleistungselemente und des Stromrichters in Ganzen.
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Außerdem
ermöglicht eine solche Ausführung der Heizeinheit
einen schnellen Wechsel eines beschädigten Heizelementes,
ohne den Heizmediumbehälter zu entleeren.
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Die
hohe Leistung der Einrichtung zur Kühlung des Stromrichters
wird durch eine gut entwickelte wärmeabgebende Fläche
des Kühlers und die Wärmeabgabe von den höchst
erwärmten Stellen des Kühlers und seines Fußes
erreicht. Auch die einstellbare Geschwindigkeit des Heizmediumlaufs
und die entwickelte wärmeabgebende Fläche des
Heizmediumbehälters, der die Wärme von dem Kühler abnimmt
und in die Umgebung abgibt erhöht die Leistung. Die zusätzliche
Zwangsluftkühlung, die den Kühler und den Heizmediumbehälter
gleichzeitig abkühlt, trägt ebenso dazu bei. Wenn
sich der Aggregatzustand des Heizmediums dabei ändert,
kocht oder verdampft, steigt die Produktivität der Kühlung des
Stromrichters und die Abwärme erhöht sich mehrmals.
Die Kühlung des Kühlers erfolgt dank der Wärme,
die die Halbleiterleistungselemente abgeben. Diese Wärme
wird in dem Hilfsausgleichzyklus für die Kühlung
des Kühlers benutzt. Je höher die Erwärmung
des Kühlers, desto höher ist der Druck und die
Kondensation des Heizmediums. Desto produktiver ist auch die Kühlung
des Kühlers.
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Die
wichtigsten Vorteile der Siedekühlung sind: Geräuschloser
Betrieb, keine Vibration, keine bewegliche Teile. Dieses Prinzip
vereinfacht die Konstruktion des Stromrichters und macht die Konstruktion
zuverlässiger.
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Die
vorgeschlagene Ausführung der Einrichtung zum Heizen und
Kühlen des Stromrichters, worin der Kühler durch
das Heizmedium abgekühlt wird, ist für hohe Temperaturüberlastungen
anwendbar, da der Kühler gleichzeitig als Verdampfer der
Kühlvorrichtung funktioniert. Der Verdampfer, der den Kühler mit
den Halbleiterleistungselementen das über die Kanäle
und die Hohlräume des Kühlers laufende Heizmedium
und den Stromrichter im Ganzen abkühlt, trägt
in gleicher Weise dazu bei.
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Stand der Technik
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- [1] Katalog 31 RITTAL, Ausgabe 2007
- [2] Patenturkunde der Russischen
Föderation Nr. 591667 „Kühlverfahren
des Arbeitsmediums”
- [3] Patent der Russischen
Föderation für die Erfindung Nr. 2206938 . „Kühler”
- [4] Patent der Russischen
Föderation für die Erfindung Nr. 280294 „Leistungseinheit”
- [5] Erfindungsanmeldung der Russischen
Föderation Nr. 2006139625 „Einrichtung
zur Erwärmung und Kühlung der Stromrichter”
- [6] Erfindungsanmeldung der Russischen
Föderation Nr. 2007125739 „Kühler”
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - RU 591667 [0050]
- - RU 2206938 [0050]
- - RU 280294 [0050]
- - RU 2006139625 [0050]
- - RU 2007125739 [0050]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - VDI 2035 [0030]
- - VDI 2035 [0031]
- - VDI 2035 [0035]
- - VDI 2035 [0039]
- - Katalog 31 RITTAL, Ausgabe 2007 [0050]
). Durch die Erwärmung der Halbleiterselemente