DE2417031A1

DE2417031A1 - Thyristorsaeule

Info

Publication number: DE2417031A1
Application number: DE2417031A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Ing Grad Scherbaum
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-04-08
Filing date: 1974-04-08
Publication date: 1975-10-16
Also published as: JPS50143031A; US4023616A; SE7503836L; CH576204A5

Description

Die Erfindung "betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Thyristorsäule mit Scheibenthyristoren, die aufeinander gestapelt und federnd gehalten sind, wobei an jeder Seite jedes Scheibenthyristors ein Kühlkörper eingefügt ist, der auch zur elektrischen Stromführung dient.

Solche Thyristorsäulen sind beispielsweise aus der DT-OS 1 91 4 790 bekannt. Sie werden in Brückenschaltungen eingesetzt oder wenn mehrere Scheibenthyristoren in Reihe zu schalten sind. Zur Flüssigkeitskühlung sind bei diesen Thyristorsäulen die Kühlkörper über isolierende Zwischenstücke in einen Kühlmittelkreislauf eingebaut. Es können ungesäuberte Kühlmittel, d.h. Kühlmittel mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise als billigstes Kühlmittel Wasser, verwendet werden, wenn an den Scheibenthyristoren nur eine geringe Spannung liegt und wenn die Verbindungswege zwischen den Kühlkörpern geeignet lang sind. Liegen höhere Spannungen, beispielsweise 3kV an den Scheibenthyristoren, so müssen entweder die Verbindungswege zwischen den Kühlkörpern so lang gewählt werden, daß dies wirtschaftlich und technisch nicht mehr zu vertreten ist oder es ist entionisiertes Wasser oder eine andere elektrisch nichtleitende Flüssigkeit als Kühlmittel zu benutzen.

Beispielsweise aus der DT-OS 2 107 008, der DT-OS 2 107 009 und der DT-OS 2 107 319 sind Einrichtungen zur Luftkühlung eines Scheibenthyristors bekannt, bei denen auf beide Stirnflächen des Scheibenthyristors je ein Wärmerohr aufgesetzt ist. Jede der aus einem Scheibenthyristor und zwei Wärmerohren bestehenden Einrichtungen ist mit einer Spannvorrichtung verspannt. Die freien Enden der beiden Wärmerohre sind mit Kühlfinnen versehen, um die Wärmeübergangsfläche für das

509842/0670

VPA 74/3056

gasförmige Kühlmedium zu vergrößern. Dabei ist unter einem Wärmerohr eine Einrichtung zu verstehen, wie sie auf dem Gebiet der Kühltechnik, beispielsweise aus der US-PS 2 350 oder aus der Zeitschrift "Chemie-Ingenieur-Technik", 39. Jahrgang, 1967, Heft" 1, Seiten 21 bis 26 bekannt ist. Ein solches Wärmerohr besteht aus einem beidseitig geschlossenen Rohr, dessen Innenwand mit einem Docht kapillarer Struktur bedeckt ist. Der Docht ist mit einem flüssigen Arbeitsfluid gesättigt, z.B. mit Preon, Methanol, Äthanol, Aceton, Benzol oder Wasser. Wird der mit Verdampfungsabschnitt bezeichnete Teil des Wärmerohres beheizt, so verdampft dort das Arbeitsfluid aus dem Docht und der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles. Er kondensiert sich am anderen, gekühlten Teil, der als Kondensationsabschnitt bezeichnet wird, wobei der Dampf die Verdampfungswärme abgibt. Das im Kondensationsabschnitt verflüssigte Arbeitsfluid wird im Docht durch Kapillarkräfte zum beheizten Verdampfungsabschnitt des Wärmerohres zurückgeführt. Damit erhält man einen Kreislauf für das Arbeitsfluid, der lageunabhängig, d.h. unabhängig von äußeren Kräften ist und auch gegen die Schwerkraft arbeiten kann.

Beispielsweise in dem DT-GM 7 224 356 oder der DT-OS 2 120 474 ist ein elektrisch isolierendes Wärmerohr beschrieben. Bei diesem Wärmerohr ist der Verdampfungs- und der Kondensationsabschnitt mittels eines rohrförmigen Zwischenstückes aus elektrisch isolierendem Material elektrisch voneinander getrennt, wobei der Docht zumindest im Bereich des Zwischenstückes aus einem elektrisch isolierendem Material besteht und das Arbeitsfluid elektrisch nicht leitend ist.

In der Patentanmeldung P 23 41 079.1 ist eine luftgekühlte Thyristorsäule mit Scheibenthyristoren vorgeschlagen, bei der Einrichtungen, wie sie beispielsweise aus der DT-OS 2 204 589 oder der DT-OS 2 107 008 bekannt sind, so aufeinander gestapelt sind, daß die Achsen der Wärmerohre von übereinanderliegenden Kühlkörpern bezüglich der Stapelachse gegeneinander drehversetzt sind. Mit dieser gasgekühlten

509842/0670

VPA 74/3056

Thyristorsäule wird eine gute Kühlung aller Wärmerohre erreicht.

Es "besteht die Aufgabe, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch "bei höheren Thyristorspannungen eine Kühlung mit einem ungereinigten, flüssigen Kühlungsmittel, "beispielsweise'mit Wasser möglich ist, wobei evtl. auftretende thermische Spannungen ohne Auswirkung bleiben sollen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder Kühlkörper mit einem seitlich abstehenden Wärmerohr ausgerüstet ist, daß jedes Wärmerohr an seinem freien Ende mit einer Membran an einer Kühlmittelleitung befestigt ist und daß jedes Wärmerohr ein Zwischenstück aus elektrisch isolierendem Material und ein Rohrstück aus elastischem Material aufweist, das zwischen elektrisch isolierendem Zwischenstück und Kühlkörper angeordnet ist.

Me erfindungsgemäße· Einrichtung besitzt einen aus Wärmerohren bestehenden Zwischenkreislauf zwischen den Kühlkörpern und dem Kühlmittelkreislauf, durch den die Kühlkörper und der Kühlmittelkreislauf elektrisch voneinander getrennt sind. Es kann daher auch bei höheren Thyristorspannungen eine Flüssigkeit als Kühlmittel verwendet werden, die elektrisch nicht isoliert. Beispielsweise läßt sich Wasser verwenden, das nicht besonders gereinigt und auch nicht entionisiert sein muß. Wegen des flexiblen Aufbaus der Wärmerohre und wegen der flexiblen Abdichtungen zwischen den Wärmerohren und dem ' Kühlmittelkreislauf durch die Membranen wirken sich thermische Spannungen und fertigungstechnisch bedingte Toleranzen nicht aus. Vorteilhaft ist es, die Rohrstücke aus elastischem Material so auszubilden, daß sie und damit auch die Wärmerohre selbsttragend sind. Me Membranen als Abdichtungen zwischen den Wärmerohren und dem Kühlmittelkreislauf brauchen dann die Wärmerohre nur noch teilweise zu tragen.

509842/0670

VPA 74/3056

Im folgenden wird eine erfindungsgemäße, flüssigkeitsgekiüilte Thyristorsäule beispielhaft anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

Die in Figur 1 gezeigte Thyristorsäule enthält mehrere in Reihe geschaltete Scheibenthyristoren 1, wobei an jeder Seite eines Scheibenthyristors ein Kühlkörper 2 mit gutem Wärmeleitungskontakt anliegt. Über Isolierstücke 3 und ein Druckstück 4 sind die Scheibenthyristoren 1 und die Kühlkörper 2 in einem Gestell verspannt, das im wesentlichen von Schraubbolzen 5 und 6 und zwei Spannplatten 7 und 8 gebildet ist. Eines der Isolierstücke.3 liegt auf dem Druckstück 4 auf. Bezüglich des Aufbaus des Druckstückes 4 wird beispielhaft auf die obengenannte DT-OS 1 914 790 verwiesen. Das Druckstück 4 besitzt im wesentlichen Tellerfedern 10 als Energiespeicher, mit denen eine elastische Druckkraft auf die Kühlkörper 2 und die Scheibenthyristoren 1 ausgeübt wird. Damit ist die elektrische und thermische Kontaktierung zwischen Kühlkörpern 2 und Scheibenthyristoren 1 sichergestellt. Die elektrischen Anschlüsse für die Scheibenthyristoren 1 sind direkt an die Kühlkörper 2 gelegt. Diese Anschlüsse sind in der Figur nicht gezeigt, um die Übersichtlichkeit zu wahren.

Jeder Kühlkörper 2 besitzt ein Wärmerohr 11, dessen Yerdamp-

fungsabschnitt wärmekontaktschlüssig in den Kühlkörper 2 eingelassen ist und dessen freies Ende 11a als Kondensationsabschnitt in eine Kühlmittelleitung 12 eintaucht. Alle Wärmerohre liegen in einer Ebene, was zu einem flachen, scheibenförmigen Aufbau der Thyristorsäule und damit zu einem geringen Bauvolumen führt. Die Kühlmittelleitung 12 ist über Träger 13 an den Spannplatten 7 und 8 der Spannvorrichtung für die Thyristorsäule befestigt. Jedes Wärmerohr besitzt ein Zwischenstück 11b, das aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise einer Keramik, gefertigt sein kann. Im Ausführungsbeispiel ist das elektrisch isolierende Zwischenstück 11b mit Rippen versehen, um in herkömmlicher Weise die Kriechstrecke zu verlängern. Das elektrisch isolierende Zwi-

509842/0670

VPA 74/3056

schenstück 11 Td jedes Wärmerohres ist auf der einen Seite am Röhr 11a "befestigt, das das freie Ende und der Kondensationsabschnitt des Wärmerohres 11 ist. Das Rohr 11a kann beispielsweise aus einer Kupferlegierung gefertigt sein. Das zweite Ende des elektrisch isolierenden Zwischenstückes 11b ist mit einem Rohr 11c verbunden. Dieses Rohr 11c mündet bei jedem Wärmerohr 11 in einen Kühlkörper 2, es kann ebenfalls aus einer Kupferlegierung bestehen. Bei allen Wärmerohren 11 ist zwischen den Kühlkörpern 2 und dem elektrisch isolierenden Zwischenstück 11b ein Rohrstück 11d im Rohr 11c angeordnet, das flexibel ausgebildet ist. Im Ausftihrungsbeispiel ist das elastische Rohrstück 11d ein Wellrohr, das beispielsweise aus einer Kupferlegierung gefertigt sein kann.

Im Ausführungsbeispiel ist die Befestigung von zwei Wärmerohren 11 an der Kühlmittelleitung 12 im Schnitt gezeigt. Die Kühlmittelleitung besitzt für. jedes Wärmerohr 11 Rohrstutzen 12a, deren Durchmesser größer als.der Durchmesser der freien Enden 11a der Wärmerohre 11 ist. Mit einer Membran 13 ist jedes Wärmerohr 11 an einem der Rohrflansche 12a befestigt. Das Ausführungsbeispiel zeigt zwei unterschiedliche Ausführungsformen der federnden Membran 13. Danach kann die Membran 13 ein Wellrohr 13a sein oder die Membran 13 kann ein glockenförmiges Zwischenstück 13b sein. Die Membranen 13a oder 13b können aus Gummi oder einem Kunststoff hergestellt sein.

Im Ausführungsbeispiel sind die federnden Rohrstücke 11d Wellrohre, die selbsttragend sind. Damit sind auch die Wärmerohre 11 selbsttragend und die Membranen 13 brauchen die Wärmerohre 11 nur geringfügig zu halten. Selbstverständlich können bei entsprechender Ausgestaltung auch die Membranen in stärkerem Maß zur Halterung der Wärmerohre 11 herangezogen werden und es braucht dann kein selbsttragendes Rohrstück 11d für jedes Wärmerohr eingesetzt zu sein.

Figur 2 zeigt teilweise im Schnitt ein Wärmerohr, wie es in einem erfindungsgemäßen Thyristorstapel einzusetzen ist. Im

. VPA 74/3056

Ver dampf ungsabs chn.it t ist das Rohr 11c wärmekontaktSchlussig, beispielsweise durch Aufschrumpfen, im Kühlkörper 2 befestigt. Das Rohr 11c durchstößt den Kühlkörper und das aus dem Kühlkörper herausstehende' Ende kann zum Verschließen des Wärmerohres 11 nach Beschickung mit dem Arbeitsmedium verwendet werden. Im Inneren des Wärmerohres 11 ist ein Docht 11e angeordnet, der der Wandung im Bereich des Wellrohres 11d nicht folgt, sondern dort lediglich auf den Wellen aufliegt. Bezüglich der Materialien, die für den Docht 11e verwendet werden können, der wenigstens im Bereich des Zwischenstückes 11b aus elektrisch isolierendem Material bestehen muß und bezüglich des elektrisch isolierenden.Arbeitsfluids, mit dem das Wärmerohr zu füllen ist, wird auf die obengenannten Literaturstellen, beispielsweise das DT-GrM 7 224 356 verwiesen.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ein flüssigkeitsgekühlter Thyristorstapel erhalten wird, bei dem mit Hilfe des aus Wärmerohren bestehenden Zwischenkreislaufes eine Flüssigkeitskühlung mit rohen Flüssigkeiten, beispielsweise mit Rohwasser möglich ist, wobei zu betonen ist, daß gegenüber den bekannten Thyristorsäulen die Kühlung der Scheibenthyristoren durch die Wärmerohre sogar noch verbessert wird. Durch die elastische bzw. flexible Ausgestaltung der Wärmerohre und ihrer Verankerung in der·Kühlmittelleitung sind thermische und mechanische Spannungen kompensiert und die erfindungsgemäße Thyristorsäule kann auch in Anwendungsfällen eingesetzt werden, bei denen Rüttelfestigkeit gefordert wird.

7 Patentansprüche
2 Figuren

509842/0670

Claims

VPA 74/3056 Patentansprüche

1y Plüssigkeitsgekülilte Thyristorsäule mit Scheibenthyristoren, "die aufeinandergestapelt und federnd gehalten sind, wobei an jeder Seite jedes Scheibenthyristors ein Kühlkörper eingefügt ist, der auch zur elektrischen Stromführung dient, . dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kühlkörper (2) mit einem seitlich abstehenden Wärmerohr (11) ausgerüstet ißt, daß jedes Wärmerohr an seinem freien Ende (11a) mit einer Membran (13) an einer Kühlmittelleitung (12) befestigt ist und daß jedes Wärmerohr ein Zwischenstück (11b) aus elektrisch isolierendem Material und ein Rohrstück (11d) aus elastischem Material aufweist, das zwischen elektrisch isolierendem Zwischenstück und Kühlkörper angeordnet ist.
2. Plüssigkeitsgekühlte Thyristorsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (13) ein Rohr (13b) aus elastischem Material ist.
3. Flüssigkeitsgekühlte Thyristorsäule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (13) ein Wellrohr (13a) ist.
4. ITiissigkeitsgekühlte Thyristorsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (11d) aus elastischem Material selbsttragend ausgebildet ist.
5. Flüssigkeitsgekühlte Thyristorsäule nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (11d) ein Wellrohr ist.
6. FLüssigkeitsgekühlte Thyristörsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wärmerohre (11) wenigstens angenähert in einer Ebene liegen«
7. ITüsBigkeitsgekühlte Thyristorsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (11a) aller Wärmerohre (11) in die Kühlmittelleitung (12) eintauchen.

509842/0670