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Halbleiterventilkühler mit Leitelementen für eine KUhl-
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mittelströmung und Halbleiterventilsäule mit solchen Halbleiterventilkühlern.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleiterventilkühler mit
Leitelementen für eine Kühlmittelströmung, insbesondere für Halbleiterventile in
Scheibenbauart, mit zwei planparallelen Auflageflächen für die doppelseitige Kühlung
des Halbleiterventils.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Halbleiterventilsäule mit erfindungsgemässen
Halbleiterventilkühlern.
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Bei stromstarken Halbleiterventilen, z.B. für Stromrichter, entstehen
auf kleinem Raum erhebliche elektrische Verluste, so dass beträchtliche Wärmemengen
abgeführt werden müssen, damit physikalisch bedingte Grenztemperaturen der den Aktivteil
des Halbleiters bildenden Siliziumscheibe nicht über-
schritten
werden und damit ihre Funktion gewährleistet bleibt.
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Besonders hohe Anforderungen an die Kühlwirkung werden bei Fahrzeugstromrichtern
gestellt, da diese bei verhältnismässig grosser Leistung möglichst platzsparend
dimensioniert sein sollen.
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Aber auch bei stationären Stromrichteranlagen sind möglichst kleine
spezifische Abmessungen erwünscht, um den baulichen Aufwand und damit die Herstellungskosten
zu verringern.
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Eine bekannte Bauart von Kühlern für Halbleiterventile besteht aus
einer Platte von vorzugsweise quadratischem Umriss mit planparallelen Eindrehungen
in ihren beiden Stirnseiten zur Aufnahme je einer Seice zweier benachbarter Halbleiterventile.
Der Umfang dieser Platte ist als Flansch ausgebildet, über den die abzuführende
Wärme an das vorbeiströmende Kühlmedium Oel abgegeben wird.
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Je nach der erforderlichen Leistung des Stromrichters wird eine bestimmte
Anzahl von Halbleiterventilen hintereinander mit dazwischenliegenden Kühlern zu
einer Säule zusammengebaut und mittels je zweier Joche und Zuganker zu einer Stromrichtersäule
verspannt. Die erforderliche Anzahl solcher Säulen wird in einen Kessel gesetzt,
der von einem Kühlmittel durchströmt wird.
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Die Kühlwirkung ist bei dieser Bauart aber schlecht, da die Strömung
regellos erfolgt und Strömungs- bzw. Kühlschatten auftreten, in denen die Wärmeabfuhr
gestört ist, so dass die Gefahr örtlicher Ueberhitzungen besteht.
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Bei einer weiteren bekannten Bauart bestehen die Kühler aus plattenförmigen
Hohlkörpern, die quer zur Achse der Stromrichtersäule vom Kühlmittel durchströmt
werden, das die entstehende Wärme somit nahe am Ort ihrer Entstehung aufnimmt und
fortleitet. Die Kühlwirkung dieser Kühler ist gut, sie sind aber kompliziert und
teuer im Aufbau und wegen der erforderlichen Schläuche und Fittings für die Kühlmittelführung
auch störanfällig.
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Mit der vorliegenden Erfindung sollen die Nachteile bekannter Kühlerbauarten
vermieden und ein Kühler geschaffen werden, der billig herzustellen ist und dessen
Kühlwirkung hohen Ansprüchen genügt.
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Der erfindungsgemässe Halbleiterventilkühler ist dadurch gekennzeichnet,
dass er einen zentralen, kompakten Teil aufweist, dessen Stirnflächen Kontaktflächen
für den Strom-und Wärmeübergang zwischen Kühler und Halbleiterventil bilden, und
dass am genannten zentralen Teil Rippen vorgesehen sind, die sich wenigstens teilweise
in Längsrichtung der Achse des Kühlers erstrecken.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
näher beschrieben. In diesen stellen dar: Fig. 1 einen Aufriss einer Gleichrichterventilsäule,
teilweise im Schnitt, Fig. 2 den Grundriss der Gleichrichtersäule nach Fig. 1, Fig.
3 das Schaltschema einer Ventilsäule, Fig. 4 das Schema einer Stromrichteranlage
mit Rückkühleinrichtung, und Fig. 5 die Abhängigkeit des thermischen Widerstandes
dreier verschiedener Halbleiterventilkühler von der Kühlmittelgeschwindigkeit.
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Die in Fig. 1 dargestellte Halbleiterventilsäule weist eine Anzahivonhintereinander
angeordneten Halbleiterventilen 1 auf, die unter Zwischenschaltung von Halbleiterventilkühlern
2 und 3 zwischen zwei Spannjochen 4 und 5 mittels Spannschrauben 6 und 7, Muttern
8 und 9, zu einem Block zusammengespannt sind. Um eine verkantungsfreie, achsial
und zentrisch wirkende Uebertragung der Spannkräfte auf die aus Kühlern und Halbleitern
zusammengesetzte Säule zu erreichen, sind an den beiden Jochen Druckstücke 10 und
11 mit balligen
Druckflächen 12 und 13 vorgesehen. Eine Scheibe
14 in Verbindung mit einem Paar von Tellerfedern 15 und 16 am Druckstück 11 sorgen
für den Ausgleich von Längenänderungen infolge Temperaturänderungen.
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Aus Fig. 2 gehen die Form der Kühler 2, 3 und ihre Anordnung innerhalb
der Halbleiterventilsäule hervor. Die Kühler besitzen sternförmigen Querschnitt
mit 24 radial verlaufen -den, gegen ihre Spitze hin sich verjüngenden Rippen 17
bzw.
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18 mit abgerundeten Enden. Eine dieser Rippen ist jeweils länger ausgeführt
und dient als Stromzuführungsschiene 19 bzw. 20.
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Die Kühler 2, 3 sind bezüglich ihrer Querschnittsformen identisch
und lassen sich wirtschaftlich aus Strangpressprofilen oder als Feingussteil herstellen.
Bei der Fertigung aus einem Strangpressprofil braucht lediglich ein der Kühlerhöhe
entsprechend langes Stück abgestochen und an den Stirnseiten, welche die Kontaktflächen
21, 22 mit dem Halbleiterventil 1 bilden, spanend bearbeitet zu werden.
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Wie die Fig. 2 zeigt, ist der auf den Kühler 2 folgende Kühler 3 gegenüber
dem ersteren um eine halbe Rippenteilung verdreht, so dass also seine Rippen 18
in der Lücke zwischen den Rippen 17 stehen.
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Die Halbleiterventilsäule ist von einem Mantel 23 aus elektrisch nichtleitendem
Material umschlossen, wobei dieser Mantel an den Spitzen der Kühlrippen 17, 18 anliegt
und auf diese Weise mit den Rippenflanken geschlosene Strömungskanäle im Bereich
eines Kühlers bilden, d.h.,dass kein Ueberströmen über die Rippenspitzen in einen
benachbarten Kanal erfolgen kann.
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Für die Durchführung der Stromzuführungsschienen weist der Mantel
23 Schlitze 24 auf, wobei die zu zwei benachbarten Kühlern gehörenden Schlitze um
etwa 1800 am Mantelumfang gegeneinander versetzt sind.
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Der Mantel 23 ist zwischen den beiden Spannjochen festgeklemmt, die
den freien Querschnitt und damit den Strömungswiderstand der Halbleiterventilsäule
aber praktisch nur unwesentlich beeinträchtigen bzw. erhöhen.
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Fig. 3 zeigt ein Schaltschema einer solchen Halbleiterventilsäule,
deren Elemente mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszahlen bezeichnet sind.
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Fig. 4 zeigt schematisch eine Stromrichteranlage mit einem Stromrichterkessel
25 und einer Rückkühleinrichtung mit einer Kühlmittelzuleitung 26, einer Pumpe 27,
einer Kühlmittelrückleitung 28 und einem Rückkühler 29. Im Stromrichterkessel 25
sind die Stromrichtersäulen 30 angeordnet, die
vom Kühlmittel von
unten nach oben durchströmt werden. Diese Halbleiterventilsäulen 30 bilden in ihrer
Gesamtheit einen Stromrichter. Das Kühlmittel wird zur Abführung der im Betrieb
entstehenden Verlustwärme von der Pumpe 27 über die Zuleitung 26 und einen Bodenkanal
31 von unten nach oben durch die von den Kühlrippen 17, 18 und dem Mantel 23 gebildeten
Stömungskanäle gedrückt, im Sammelkanal 32 oberhalb der Säulen 30 gesammelt und
über die Rückleitung 28 zwecks Kühlung durch den Rückkühler 29 und wieder in die
Pumpe 27 geleitet.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ergeben sich für die Umströmung der Kühlerrippen
hinsichtlich der Wärmeabfuhr, abgesehen von der verhältnismässig geringfügigen Beeinträchtigung
im Bereich der Spannjoche bzw. Spannschrauben, ideale Verhältnisse, wodurch der
vorliegende Halbleiterkühler eine bessere Ausnutzung des Leistungsvermögens von
Halbleiterventilen gestattet als bei bisher bekanntgewordenen Halbleiterkühlern.
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Die kurzen Wärmeströmungswege von reichlichem Querschnitt ergeben
einen kleinen Wärmeleitungswiderstand RX, der zusammen mit dem Uebergangswiderstand
R~ , der zwischen wärmeabgebender Kühleroberfläche und Kühlmittel auftritt, den
thermischen Widerstand R th bestimmt. R« hängt ab von der wärmeabgebenden Kühleroberfläche,
also der Rippenzahl, und der Wärmeübergangszahl# > wobei letztere wiederum von
der Reynoldszahl Re, d.h.j von der Strömungsgeschwindigkeit, der
Dichte
und der Zähigkeit des Kühlmittels sowie von der Geometrie der Strömungsbegrenzung
abhängt. Sie nimmt ausserdem mit stärkerer Verwirbelung der Strömung zu. Alle diese
Faktoren werden bei der vorliegenden Ausführung günstig beeinflusst: Die für einen
niedrigen Uebergangswiderstand erforderliche grosse Rippenoberfläche lässt sich
durch eine entsprechende Rippenzahl leicht verwirklichen. Die in Längsrichtung verlaufenden
Rippen ergeben eine gelenkte Kühlmittelströmung, die höhere Geschwindigkeiten erlaubt
als bei herkömmlichen Kühlern, wodurch im Verein mit der stärkeren Turbolenz, die
eine Folge der gegeneinander versetzten Rippen benachbarter Kühler ist, ein sehr
guter Wärmeübergang erzielt wird.
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Durch die radiale Anordnung und die grosse Anzahl der Rippen wird
die abzuführende Verlustwärme auf vielen Wärmewegen geringen Widerstandes auf kurzem
Wege vom Entstehungsort weggeleitet und an das strömende Kühlmittel abgegeben.
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Auch werden hierbei Kühlschatten weitgehend vermieden.
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Die physikalischen Vorteile dieser Kühlerbauart gehen aus dem Diagramm
nach Fig. 5 hervor. In ihm zeigt die Kurve a den thermischen Widerstand R th eines
konventionellen Kühlers mit ungelenktem Kühlmittelstrom, bei dem der Bereich d der
praktisch realisierbaren Kühlmittelgeschwindigkeiten V 0 ziemlich tief liegt und
der demnach einen hohen thermischen Widerstand aufweist. Wesentlich besser liegen
die Verhältnisse bei einer Halbleiterventilsäule mit den gegenständ-
lichen
Kühlern, deren Rippen nicht gegeneinander verdreht sind, die also über die ganze
Länge der Säule fluchten. Für sie gilt die Kurve b. Als noch besser erweist sich
die Kühlwirkung, wenn die Rippen, wie beschrieben, gegeneinander verdreht sind,
was durch die Kurve c ausgedrückt wird. Bei den beiden Ausführungen entsprechend
den Kurven b und c erreicht man wesentlich höhere Kühlmittelgeschwindigkeiten mit
einem kleineren Streubereich e, so dass eine treffsichere Dimensionierung der Halbleiterventilsäulen
bzw. der Stromrichter möglich ist. Ausserdem lassen sich dadurch die Stromrichter
gegenüber herkömmlichen Bauarten material- und platzsparender ausführen.
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Um eine bessere Verwirbelung und grössere wärmeabführende Rippenoberfläche
bzw. einen längeren Strömungsweg zu erhalten, könnten die Rippen auch schraubenförmig
ausgeführt und gegenüber dem jeweils benachbarten Kühler entweder mit fluchtenden
oder gegeneinander verdrehten Rippen angeordnet werden. Es wäre auch möglich, zwei
Sorten von Kühlern mit entgegengesetztem Schraubungssinnder Rippen zu verwenden,
bei deren Kombination zu einer Halbleiterventilsäule sich ein zickzackförmiger Strömungsweg
am Säulenumfang ergibt.