DE2226057B2 - Einrichtung zur Luftkühlung eines Stromrichters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Luftkühlung eines Stromrichters, bestehend aus einem Gehäuse mit einem ersten staubdichten, die elektrischen Bauelemente enthaltenden Raum mit geschlossenem Luftkreislauf, einem mit Frischluft durchströmten zweiten Raum und mindestens einem Wärmerohr, das die durch elektrische Verluste entstehende Wärme durch die Wandung hindurch aus dem ersten in den zweiten Raum überträgt, wobei im Falle des Vorhandenseins mehrerer Wärmerohre ihre Kondensationsseiten im zweiten Raum in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.

Stromrichter können mit Dioden und/oder Thyristoren, je nach Einsatzbedingungen, ausgerüstet sein. Den Dioden sind Kühlkörper und Beschaltungsglieder, den Thyristoren zusätzlich Ansteuerglieder zugeordnet. Beide Halbleitertypen können mit Sicherungen versehen sein. Weitere Strom- und Beschaltungsglieder können je nach Art des Stromrichters notwendig sein.

Alle an der Stromführung beteiligten Elemente erzeugen Wärme; der größte Anteil entfällt auf die Halbleiter und wird über die Kühlkörper an die Luft abgegeben. Auch Sicherungen und/oder Beschaltungsglieder können einen Teil ihrer Wärme über die Kühlkörper abführen. Die Restwärme und die Wärme der übrigen elektrischen Bauelemente wird direkt von deren Wandung durch natürliche Konvektion abgeführt.

Luftgekühlte Stromrichter allgemein bekannter Bauarten haben den großen Vorteil der Einfachheit. Nachteilig ist die dabei auftretende Verschmutzung der elektrischen Teile, die besonders unter ungünstigen Betriebsbedingungen, wie sie /.. B. der Eisenbahnbetrieb mit sich bringt, zu erheblichen Reinigungsarbeiten zwingen kann.

Es ist daher bei einer Kühleinrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt (FR-PS 1393510), das Gehäuse — wie eingangs beschrieben - in zwei Räume aufzuteilen und zur Wärmeübertragung Wärmerohre zu nutzen. Die durch elektrische Verluste entstehende gesamte Wärme muß jedoch bei der bekannten Anordnung erst von den Kühlkörpern zu den Wärmerohren hin und von diesen in den Frischluftraum übertragen werden, d. h. die Wärmeübertragung geschieht relativ langsam. Außerdem sind die Kondensationszonen der Wärmerohre im Frischluftkanal ungleichmäßig gekühlt. Aus beiden Gründen entstehen Temperaturgefälle, so daß die Bauelemente unterschiedliche Temperaturen und Belastbarkeiten aufweisen und Ausfälle erfolgen können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend vom Gegenstand der eingangs genannten Gattung, einen -!o staubsicher abgeschlossenen Stromrichter zu schaffen, der durch direkte Luftkühlung einfach und betriebssicher gebaut werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) die elektrischen Bauelemente zusätzlich mit Kühlkörpern versehen sind, die durch die von einer Isolierplatte gebildete Wandung hindurch in den zweiten Raum ragen,

b) die Kühlkörper im zweiten Raum in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und sich das bzw. die Wärmerohre im Eintrittsbereich der Hauptstrom-Frischluft befinden und

c) der zweite Raum im Bereich der Kühlkörper zur Frischluftzuführung mit Luftnebenwegen versehen ist.

Es ist als solches bekannt, die Kühlkörper der Bauelemente in Einern besonderen Frischluftkanal anzuordnen, um somit einen Staubbefall der Bauelemente selbst zu vermeiden (DE-AS 1199394).

Weiterhin ist es als solches bekannt, zur Vermeidung einer zu starken Erwärmung des letzten Kühlers einer Serieiikühlung am Kühlkanal seitlich Öffnungen anzubringen, die Frischluftnebenwege darstellen (BBC Silicium Stromrichter Handbuch 1971, Seite 106, 107).

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird zunächst einmal die erzeugte Wärme durch direkte Wärmeleitung innerhalb der Kühlkörper an die Frischluft im zweiten Raum übertragen. Weitere Wärme wird an die Luft im ersten Raum mit geschlossenem Kreislauf abgegeben, welche Wärme jedoch in bekannter Weise durch die Wärmerohre an die Frischluft im zweiten Raum abgeführt wird. Ein Wärmerohr weist bekanntlich einen besonders kleinen inneren Wärmewiderstand auf, so daß im nach außen dichten ersten Raum mit ständig bewegter Luft ein Temperaturniveau erzeugt werden kann, das eine Erwärmung der elektrischen Bauelemente über diejenige Temperatur verhindert, die sie bei natürlicher Konvektion in freier Umgebung einnehmen würden.

Im Frischluftkanal sind mehrere Wärmequellen hintereinander angeordnet. Die Anordnung ist vorteilhaft so getroffen, daß eine gleichmäßige thermische Entlastung der Bauelemente erfolgt, d. h., daß die Kühlkörper eine gleichmäßige Temperatur annehmen. Dazu ist einmal mindestens ein gleichmäßig auf alle Bauteile wirkendes Wärmerohr im Eintrittsbereich der Hauptstrom-Frischluft im Kühlkanal an-

geordnet, so daß die Kühlkörper mit diesem in Serie liegen. Hierdurch ist die volle Kühlwirkung zunächst auf das Wärmerohr mit seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit gerichtet. Zum anderen ist im Bereich jedes Kühlkörpers eine Nebenweg-Frischluftzuführung angeordnet, damit sich für die hinter dem Wärmerohr liegenden Kühlkörper gleichartige Bedingungen ergeben. Durch diese an sich bekannten Luftnebenwege wird erreicht, daß alle Kühlkörper ähnlichen Temperaturen ausgesetzt werden, weil die gegenüber der Frischluft erhitzte, zugeführte Luft durch die zusätzlich zugeführte Frischluft, die eine niedrigere Temperatur aufweist, auf diesselbe Temperatur abgekühlt wird, wie sie sie beim Eintritt zum vorhergehenden Kühlkörper etwa aufgewiesen hat. Durch die kombinatorischen Maßnahmen, Wärmeübertragung über die Kühlkörper, die aufgezeigte Reihenfolge von Wärmerohr bzw. -rohren und Kühlkörpern und die jeweilige Mischung von erwärmter Luft mit Frischluft, ergibt sich eine gleichmäßige Temperatur für alle elektrischen Bauteile, womit die Gefahr von Einzelausfällen erheblich reduziert ist.

Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung zur Luftkühlung eines Stromrichters in schematischer Darstellung im Schnitt, und

Fig. 2 die Einrichtung nach Fig. 1 im Aufriß mit aufgeschnittener Abdeckhaube.

Die Einrichtung zur Luftkühlung eines Stromrichters besitzt eine isolierende vordere Isolierwand 1, die einen ersten Raum 32 von einem zweiten Raum 4 trennt und mit seiner Rückwand 2 und Seitenwänden 3 den schachtförmigen zweiten Raum 4 einschließt. In diesen zweiten Raum 4 ragen, durch Ausschnitte 5 der Wand 1, Kühlkörper 10 für Halbleiterbauelemente und eine Wärmeleiteinrichtung 20 mit einem Wärmerohr 23. In der Rückwand 2 befindet sich unten ein großer Ausschnitt 6, durch den der Hauptkülilluftstrom eingesaugt wird. Weitere Ausnehmungen 7 ermöglichen das Beimischen von weiterer Frischluft, so daß sich mit der in Richtung des Luftstromes steigenden Temperatur kleiner werdende Wärmewiderstände der übereinander liegenden Kühlkörper 10 einstellen. Damit wird die beschriebene gleichmäßige Ausnutzung der Halbleiterbauelemente ermöglicht. Der Abschluß des zweiten Raumes 4 wird durch einen Lüfter 8 mit Luftleitapparat 8 a gebildet.

Die Kühlkörper 10 mit Böden 11 und Rippen 12 sind auf der Wand 1 über je ein Dichtungselement 13 befestigt. Dadurch erfolgt ein staubdichter Ab-Schluß zum zweiten Raum 4. Auf jedem Kühlkörper 10 ist ein Halbleiterbauelement 14 befestigt. In einem strichpunktierten Raum 15 sind weitere elektrische Bauelemente untergebracht (nicht daigestellt). Sie sind auf dem Kühlkörper 10 teils elektrisch leitend,

'° teils elektrisch isolierend befestigt.

Auch die Wärmeleiteinrichtung 20 ist in gleicher Art wie jeder Kühlkörper 10 auf der Wand 1 befestigt. Sie besitzt einen Flansch 21 mit Dichtung 22, in dem das eigentliche Wärmerohr 23 gehalten ist. Mit diesem sind Kühlplatten 24 und 25 innig verbunden.

Auf der Wand 1 ist eine leicht abzunehmende Haube 30 mit Dichtung 31 aufgebracht. Durch sie wird der staubdichte Raum 32 geschaffen. Weiter ist auf der Wand 1 noch eine vertikale Wand 33 befestigt, die den Raum 32 unterteilt (Fig. 2). An ihr ist oben ein Luftleitapparat 34 angebracht, der einen Lüfter 35 trägt. Unten ist ein Holm 36 befestigt, wodurch ein Kanal entsteht.

Der Lüfter 35 saugt die im ersten Raum 32 befindliehe Luft über die elektrischen Bauelemente und gibt die aufgenommene Wärme an die Kühlplatten 25 des Wärmerohres 23 ab. Diese transportiert sie zu den Kühlplatten 24, von wo sie die Frischluft abführt.

Die nicht dargestellten elektrischen Verbindungen

ίο und Anschlußschienen werden zweckmäßigerweise aile nach hinten, ebenfalls staubdicht, durch die Isolierwand 1 geführt.

Die beschriebene Ausführung soll nur den prinzipiellen Aufbau zeigen. Andere Anordnungen mit we-

J5 niger oder mehr Halbleiterbauelementen sind möglich. Die Luft des zweiten Raumes 32 kann nicht nur -gemäß Darstellung in Fig. 2-in vertikaler Richtung über eine Reihe Bauelemente gesaugt werden, sondern sie kann auch horizontal geführt werden. Ebenso

4ü können weitere Wärmerohre 23 hinter der Schnittebene in Fig. 1 sitzen, so daß sich nach vorbeschriebenem Prinzip eine gleichmäßige Temperatur für alle elektrischen Bauteile ergibt. Auch kann der Aufbau so sein, daß statt der Haube 30 die Isolierwand 1 mit Seitenwänden versehen und nur ein Deckel oder eine Tür vorhanden ist. Der Frischluftstrom kann auch horizontal über eine Serie von Kühlelementen geführt sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zur Luftkühlung eines Stromrichters, bestehend aus einem Gehäuse mit einem ersten staubdichten, die elektrischen Bauelemente enthaltenden Raum mit geschlossenem Luftkreislauf, einem mit Frischluft durchströmten zweiten Raum und mindestens einem Wärmerohr, das die durch elektrische Verluste entstehende Wärme durch die Wandung hindurch aus dem ersten in den zweiten Raum überträgt, wobei im Falle des Vorhandenseins mehrerer Wärmerohre ihre Kondensationsseiten im zweiten Raum in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) die elektrischen Bauelemente (14, 15) zusätzlich mit Kühlkörpern (10) versehen sind, die durch die von einer Isolierplatte (1) gebildete Wandung hindurch in den zweiten Raum (4) ragen,

   b) die Kühlkörper (10) im zweiten Raum (4) in Sirömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und sich das bzw. die Wärmerohre im Eintrittsbereich der Hauptstrom-Frischluft befinden und

   c) der zweite Raum (4) im Bereich der Kühlkörper (10) zur Frischluftzuführung mit Luftnebenwegen versehen ist.