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11Einrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen in elektriaschen
Triebfahrzeügen" Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung von Halbleiterbauelementen
in elektrischen Triebfahrzeugen.
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Die zunehemende Verkehrsdichte und der Wunsch nach Veriüirzung der
Fahrzeiten stellen die Hersteller von elektrischen Triebfahrzeugen vor das Problem,
immer höhere Motorleistungen in räumlich und gewichtsmäßig unveränderten Triebfahrzeugen
zu installieren. Insbesondere für die mit Halbleiterbauelementen ausgerüsteten Steuersätze
der Falirmotoren zeigen sich bei der Verwirklichung höherer Motorleistungen zwei
Schwierigkeiten.
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Dies ist zum einen die rasche und vollständige Abfuhr der erhöhten
thermischen Haibleiterverluste und zum anderen die außerordentlich hohe Spannungsbelastung
der lsolationsstrecken der auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden
Halbleiterbauelemente.
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Für die Kühlung der Halbleiterbauelemente werden in Triebfahrbeugen
mit herkömmlichen Motorleistungen Gebläse verwendet, die die Kühlluft von der Fahrzeugaußenseite
her ansaugen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Installation höherer Motor
leistungen dieses Kühlungsverfahren erhebliche Nachteile aufweist. Und zwar bildet
sich auf Grund des vergrößerten Luftumwälzvolumens und der höheren Isolationsspannung
eine zunehmende elektrostatische Ablagerung von in der Kühlluft mitge führten Schmutzteilchen
auf den Isolationsstrecken, wodurch deren Krieohfertigkeit vermindert und damit
die Durchschlagsge fahr erhöht wird.
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Man ist daher gezwungen, die Isolationsstrecken in regelmäßigen zeitlichen
Abständen zu reinigen, was jedoch lästig und unwirtschaftlich ist, da eine solche
Wartung eine Stillsetzung des betreffenden Triebfahrzeuges erfordert.
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Man hat zwar versucht, durch Einbau von Luftfiltern in die Ansaugöffnungen
der Gebläse die Wartungsperiode zu verlängern.
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Dadurch werden jedoch die geschilderten Nachteile nur gemildert aber
nicht beseitigt, abgesehen davon, daß durch eine-solche Maßnahme eine höhere Gebläseleistung
erforderlich ist.
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-Ein-grundsätzlich anderer Weg zur Kühlung der Halbleiterbauelemenge
in Triebfahrzeugen wurde angesichts der Unzulänglichkeiten der Luftkühlung damit
beschritten, daß die Stromrichtersätze e mit den Halbleiterbauelementen in einen
von einer elektrisch isolierenden Kühlflüssigkeit durchströmten Behälter getaucht
wurden. Die Kühlflüssigkeit wird bei diesem Kühlverfahren in einen gesonderten Kühler
rückkühlt, der in einer räumlichen Entfernung von dem Kühlflüssigkeitsbehälter angeordnet
ist. Nachteilig bei dieser Ausführung ist indessen, daß bei einem Defekt eines Halbleiterbauelementes
der gesamte unter Öl befindliche Stromrichterteil aus dem Triebfahrzeug ausgebaut
werden muß, wodurch der Austausch des beschädigten Halbleiterbauelementes langwierig
ist und unverhältmäßig große Aufwendungen erfordert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Kühleinrichtung für
den genannten Zweck anzugeben, die bei einer hohen EUhlleistung, einem niedrigen
Platzbedarf und einer leichten Zugänglichkeit und Austauschbarkeit der Halbleiterbauelemente
eine vollständige Wartungsfreiheit der Isolierstrecken ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Wärmerohr
vorgesehen ist, an dessen Heizzone die Halbleiterbauelemente elektrisch isoliert
aufgesetzt sind und dessen Kühlzone mittels eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs
gekühlt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizzone
des Wärmerohrs kastenförmig ausgebildet und die Kühlzone besteht aus Steigrohren
für die verdampfte Arbeitaflüssigkeit.
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Ein weiterer Vorschlag geht dahin, daß bei Ausbildung des geschlossenen
Eühlmittel-Kreislaufs als Verdampferkühlung die Steigr#ohre des Wärmerohrs in einen
Verdampfer hineinragen.
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Sine weitere Möglichkeit besteht darin, daß bei Ausbildung des geschlossenen
Kühlmittelkreislaufs als Flüssigkeitskühlung die Steigrohre des Wärmerohrs in einen
Wärmetauscher hineinragen In vorteilháfter Weise ist zur elektrisch isolierten Anbringung
der Halbleiterbauelemente an der Heizzone des Wärmerohrs eine klebbare Isolierstoffzwisohenlage
vorgesehen.
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In zweckmäßiger Weise ist als Isolierstoffzwischenlage eine Kunststoffolie
mit niedriger Oberflächenspannung verwendet.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es möglich, eine elektrostatisch
bedingte Verschmutzung der Isolationsstrekken der Halbleiterbauelemente zu vermeiden,
sowie die außerordentlich hohen thermischen Haibleiterverluste vollständig über
das Kühlmittel abzuführen, wodurch ein Wärmestau und damit eine Überhitzung d-er
Halbleiterbauelemente vermieden wird.
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Ferner ist durch die erfindungsgemäße Verwendung eines geschlossenen
Kühlmittelkreislaufs die Möglichkeit einer besonders günstigen Raumausnutzung des
Triebfahrzeuges geschaffen, da die Verlustwärme der Halbleiterbauelemente von dem
nicht beliebig wählbaren Einbauort an eine geeignete Stelle des Triebfahrzeuges
transportiert wird, und dort an die Umgebungsluft über einen Kondensator abgegeben
werden kann.
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Die Eriindung wlrd mit ihren weiteren Einzelheiten und Vorteilen anhand
des in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es
zeigt:
Fig. 1 ein Gesamtbild der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Wärmerohrs nacn
der Erfindung Fig. 3 einen Querschnitt durch die Befestigung eines Halbleiterbauelementes
an der erfindungsgemäßen Küheinrichtung Die auf verschiedenen elektrischen Potentialen
liegenden Halbleiterbauelemente (Pig. 1) sind isoliert auf der Heizzone 2 eines
Wärmerohrs 3 (Fig. 2) aufgesetzt. Das Wärmerohr 3 ist mit der Heizzone 2 an der
Unterseite eines Wärmetauschers bzw. Verdampfers 4 in der Weise befestigt, daß die
durch Steigrohre 5 gebildete Kühlzone des Wärmerohrs 3 in den Wärmetauscher bzw.
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Verdampfer hineinragt.
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Die wahlweise Verwendung eines Verdampfers oder eines Wärmetauschers
ist durch die beiden Möglichkeiten bedingt, eine Verdampfungskühlung oder eine Flüssigkeitskühlung
des Wärmerohrs vorzusehen. In beiden Fällen sind senkrecht zu den Steigrohren 5
Kühlbleche 16 angeordnet. Das Kühlmittel wird in den Wärmetauscher bzw. Verdampfer
4 an einem Einlaßstutzen 6 eingeleitet, und strömt bei einer Flüssigkeitskühlung
an der Außenfläche der Kühlbleche 16 vorbei. Wird eine Verdampferkühlung vorgesehen,
so durchströ#nt das Kühlmittel die in diesem Falle als Hölkörper ausgebildeten Kühlbleche
16 und erwärmt sich dabei soweit, daß die Kühlmitteltemperatur unmittelbar vor Austritt
des Kühlrnittels aus dem Verdampfer 4 den Verdampfungspunkt überschreitet.
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Als Kühlmittel für die Flüssigkeitskühlung wird vorzugsweise Transforrnatoröl
vorgesehen, während für eine Verdampfungskühlung FRIGEN verwendet werden kann. Nach
Durchströmen des Kühlers 4 wird das Kühlmittel an einem Auslaßstutzen 7 aus dem
Wärmetauscher bzw. Verdampfer 4 wieder herausgeleitet und einem geschlosl senen
Kühlmittelkreislauf zugeführt.
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Der geschlossene Kühlmittelkreislauf 8 weist bei einer Verdampferkühlung
einen dem Auslaßstutzen 7 nachgeschalteten Verdichter auf, der das verdampfte Kühlmittel
komprimiert sowie eine hohe Durchsatzgeschwindigkeit des Kühlmittels innerhalb des
Verdampfes
4 gewährleistet. Das verdichtete Fühlmittel wird anschließend
einem Kondensator 10 zugeführt, der zweckmäßigerweise in dem Triebfahrzeug so angeordnet
ist, daß seine gesamte Oberfläche zur Wärmeabstrahlung an die äußere Umgebungsluft
ausnutzbar ist. Zur Unterstützung der Wärmeübertragung an die Umgebungsluft kann,
namentlich bei Stillstand oder Langsamfahrt des Triebfahrzeuges, ein Gebläse ii
eingeschaltet werden, das vom Fahrzeugdach her die erforderliche Küblluftmenge ansaugt.
Nach Abgabe der in dem Verdampfer 4 aufgenommenen Wärmemenge verflüssigt sich das
Kühlmittel am Boden des Kondensators 4 und wird in einen Kühlmittelbehälter 12 geleitet.
Von dort strömt flüssiges Kühlmittel zurück in den Verdampfer 4. Bei Verwendung
einer FlüssigkeitsIcu.#hlung wird an Stelle des Verdichters 9 eine Kühlmittelpumpe,
und an Stelle des Kondensators 10 ein Rückkühler eingesetzt. Der Sammelbehälter
12 wird durch ein Ausdehnungsgefäß ersetzt.
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Durch die Verwendung eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs 8 ist
es möglich, mit äusserst geringen Kühlmittelverlusten auszukommen, sowie die hohen
Sicherheitrforderungen hinsichtlich Explosions- und Korrosionssicherheit in Triebfahrzeugen
zufrieden stellend zu erfüllen.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise des Wärmerohrs 3 ist in Fig.2 näher
erläutert. Die Heizzone 2 des Wärmerohrs 3 besteht aus einem kastenförmigen Hohlkörper,
der an seinen Innenseiten vollständig mit einer metallischen Kapillarstruktur -13
ausgekleidet ist. Die Kapillarstruktur 14 ist mit einer Arbeitsflüssigkeit angefüllt,
deren Verdampfungspunkt innerhalb eines Temperaturbereichs von 700 c bis 1300 c
festgelegt werden kann. In die obere Deckplatte der Heizzone 2 sind eine Reihe von
senkrecht angeordneten Steigrohren 5 eingelassen, die mit einer glatten Innenwandung
versehen sind. Die von der Verlustwärme der Halbleiterbauelemente aufgeheizte Arbeitsflüssigkeit
verdampft, wenn ein bestimmter Verlustwärmebetrag überschritten wird.
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Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit steigt in den Steigrohren 5 hoch
und gibt über die glatte Wandung der Steigrohre 5 einen Teil der Wärmeenergie an
das umgebende Kühlmittel ab.
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Infolge des Wärmeentzugs kondensierÜ-die Arbeitsflüssigkeit 3 fällt
durch Schwerkraftwirkung in die Heizzone 2 zurück.
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beschriebene Wärmeübertragung von den Halbleiterbauelemen-1 auf das
Kühlmittel des Kühlmittelizreislaufs 8 wird beers dadurch günstig beeinflusst, daß
eine möglichst große -thl von Steigrohren 5 und damit eine maximal wirksame, alärraeabgebende
Steigrohrmantelflache vorgesehen ist.
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Für die elektrisch isolierte Anbringung der auf verschiedenen elektrischen
Potentialen liegenden Halbleiterbauelemente 1 an der Heizzone 2 ist eine Klebeverbindung
(Fig. 3) vorgesehen.
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Zwischen dem Halbleiterbauelement 1 und der Stirnwand der elektrisch
auf Nullpotential liegenden Heizzone 2 ist eine elektrisch hochisolierende, aber
thermisch gut leitende Folie 15 angeordnet, die beidseitig mit einer geeigneten
Klebmasse, bei spielsweise einem Zweikomponentenkleber auf Epoxydharz-Basis beschichtet
ist. Zur Erzielung einer ausserordentlich hohen Haftfestigkeit ist es günstig, eine
Folie mit einer geringen Oberflächenspannung zu verwenden, beispielsweise eine unter
der Bezeichnung "NOMEX" im Handel erhältliche Kunststoffolie.
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An Stelle der Verwendung einer beidseitig mit Klebemasse geschichteten
Folie ist es auch möglich, eine dicke Schicht einer geeigneten Klebemasse zwischen
das Halbleiterbauelement 1 und die Heizzone 2 aufzutragen.