DE3236612A1

DE3236612A1 - Kuehlanordnung, bei der die zu kuehlenden stromrichter oder andere halbleiter in siedefluessigkeit eintauchen

Info

Publication number: DE3236612A1
Application number: DE19823236612
Authority: DE
Inventors: Erwin 6805 Heddesheim Klein
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1982-10-02
Filing date: 1982-10-02
Publication date: 1984-04-05
Also published as: CA1215458A; DE3236612C2; US4566529A

Description

BROWN, BOVERI * C I E AKTIENGESELLSCHAFT

Mannheim 30. SeDt. 1982

Mp.Nr. 6W82 ' ZPT/P2-Sz/Bt 10

■J5 Kühlanordnung, bei der die zu kühlenden Stromrichter oder andere Halbleiter in Siedeflüssigkeit eintauchen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanordnung, bei der die zu kühlenden Stromrichter oder andere Halbleiter

2Q in Siedeflüssigkeit eintauchen und die Erwärmung der Siedeflüssigkeit mittels Kühlluft abgeführt wird und die Kühlanordnung für die Abführung der maximalen Verlustleistung bei einer normalen maximalen Umgebungstemperatur (heißer Sommertag) ausgelegt ist. Die Verlustleistung von Stromrichtern kann zwar auch durch andere Kühlverfahren abgeführt werden, jedoch ist die Siedekühlung besonders zweckmäßig, wenn als Siedeflüssigkeit ein elektrisch gut isolierendes Medium, wie z.B. ein Fluorchlorkohlenstoff genommen wird. In diesem Fall können die elektrische Spannung führenden Bauelmement direkt in die Siedeflüsrigkeit eintauchen, so daß man den besten Wärmekontakt erzielt.

Bei dieser sogenannten Kesselkühlung kann die von der Siedeflüssigkeit aufgenommene Wärme direkt über die Wandung des Kessel abgeführt werden. Die Wand des Kessels

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soll möglichst großflächig sein, was durch Kühlrippen erreicht werden kann. Man kann aber auch den beim Sieden entstehenden Dampf einem separaten Wäremtauscher zuführen und den Kessel z.B. aus Kunststoff herstellen, so daß er amagnetisch aber auch thermisch gut isolierend ist. Bei Stromrichterarten mit elektromagnetischen Streufeldern kann ein derartiger Kessel von Vorteil sein. Bei beiden Kesselarten kann die Wärmeabgabe an : Luft durch freie oder durch Zwangskonvektion erfolgen, wobei letztere günstigere Kühlbedingungen ergibt.

Bei allen Siedeflüssigkeiten besteht ein Zusammenhang zwischen der Siedetemperatur und dem dabei herrschenden Druck. Evakuiert man einen Behälter und füllt die benötigte Menge Siedeflüssigkeit ein, so setzt sofort ein Sieden ein, bis ein der Einfülltemperatur entsprechender Druck sich einstellt. Durch den Evakuierungsgrad ist man in der Lage die Siedetemperatur zu wählen, die man bei ungünstigster, d.h. wärmster Umgebungstemperatur haben will. Dieser Temperaturwert ist natürlich nur dann einzuhalten, wenn die Verlustleistung und die thermischen Widerstände aufeinander abgestimmt sind.

Es kann der Fall eintreten, daß bei maximaler Verlustleistung und maximale^· Umgebungstemperatur ein thermischer Gleichgewichtszustand vorliegt und die Temperatur der Umgebung, d.h. die der Kühlluft dann weiter angehoben wird. Wenn dann alle anderen Bedingungen nicht verändert werden, kann mit zunehmender Übertemperatur immer weniger Verlustleistung an die Umgebung abgeführt werden. Sobald die Temperatur der Kühlluft der Temperatur der Kühlfläche entspricht, ist keine Wärmeabfuhr mehr möglich und bei weiter ansteigender Kühllufttemperatur kehrt sich die Richtung des Energieflusses sogar um. Da eine Umkehr des Energieflusses auf keinen Fall zugelassen werden kann, muß die Zwangskonvektion in einem der-

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artigen Fall unterbunden werden.

Es ist an sich möglich, eine weitere Kühlung durch Zusatzeinrichtungen, z.B. Zuschalten eines Kälteaggregates zu erreichen. Dafür ist ,iedoch eine größere Versorgungsleistung erforderlich, "ußerdem kann eine zusätzliche Kühlung durch eine direkt zur Luft wirkenden Siedekühlung ermöglicht werden. Diese zur Luft wirkende Siedekühlung hat jedoch den Nachteil des Verlustes von Siedeflüssigkeit und sollte daher bei einem elektrischen Gerät, das wartungsarm bis wartungslos sein soll, nicht in Betracht gezogen werden. Für Übertemperaturen, die nur für eine begrenzte Zeit anstehen, sind die bisher bekann^fen Anordnungen zu aufwendig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kühlanordnung mit Kühlung mittels Siedeflüssigkeit für Geräte zu schaffen, bei denen eine nbertemperatur nur eine begrenzte Zeit auftritt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei Ansteigen der Außentemperatur ein thermischer Energiespeicher zugesr' ⁱltet wird. Eine derartige Anordnung ist besonders wirksam, wenn ein Speichermedium mit großer spezifischer Wärme, wie z.B. Wasser gewählt wird. Durch eine derartige Wahl des Speichermediums kann erreicht werden, daß ohne eine Vergrößerung der Masse und damit des Volumens eine größere Wärmespeicherkapazität erzielt wird.

In den Zeichnungen ist ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Stromrichter mit Siedeflüssigkeitskeits-

kühlung und einem zusätzlichen thermischen

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Speicher;

Fig. 2 einen Wärmetauscher im Schnitt entlang der Linie II - II in Fig. 1.

In einem gasdichten Kessel 1 ist bis zu einer gewissen Höhe H Siedef lüs.sigkeit 2 eingefüllt. Die zu kühlenden elektrischen Bauelemente, von denen ein Bauelement ? dargestellt ist, befinden sich in der Siedeflüssigkeit und sind über in der Kesseiwans angeordnete gasdichte elektrische Durchführungen H mit hier nicht dargestellten Bauelementen verbunden. Über dem Kessel 1 aber mit ihm hydraulisch verbunden befindet sich der Wärmetauscher 5, in dem der aufsteigende Dampf 6 der Siedeflüssigkeit 2 abgekühlt wird und kondensiert.

Wie sich besonders aus Figur 2 ergibt, ist der Wärmetauscher 5 als Drei-Kammer-Kühler ausgebildet. Die in viele Einzelkammern aufgeteilte Luftführung 7 wird von einer Kammer 8, in welcher der Dampf 6 der Siedeflüssigkeit ¹J aufsteigt, umschlossen. Die Kammer 8 wird umgeben von der Kammer 9, in der das Waser 10 für dne zusätzlichen thermischen Speicher geführt wird.

Mittels eines Ventilators 11, der von einem temperaturgesteuerten Motor 12 angetrieben wird, werden die Luftführungen 7 belüftet. An die Kammer 9 des Wärmetauschers 5 ist ein mit Wasser 10 gefüllter Speicher 13 angeschlossen. Dieser Speicher ist bei einem geschlossenen Kreislauf der Speicherflüssigkeit 10 als Druckspeicher 14 ausgebildet. Über ein Handventil 15 kann der Speicher gefüllt werden. Über die Fahrleitungen 16 und 17 ist er hydraulsich mit dem Wärmetauscher 5 verbunden. Über ein temperaturgesteuertes Ventil 18 wird der Speicher mit dem Wärmetauscher verbunden oder von ihm getrennt. Es genügt meistens, wenn nur in einer Rohrleitung ein derartiges temperaturgesteuertes Ventil angeordnet ist.

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Um einen besseren Wirkungsgrad zu erreichen, kann es zweckmäßig sein, den Stromrichter einschließlich des Kessels mit der Siedeflüssigkeit und des Wasserspeichers mit einer guten thermischen Isolation 19 zu umgeben. Die Luftführung wird zweckmäßig so gewählt, daß bei Eintreten ein*="· Übertemperatur außerhalb des Behälters keine Wärmeabgabe durch Konvektion mehr auftritt, auch nicht durch thermischen Auftrieb.

Die Erfindung kann beispielsweise bei Lokomotiven eingesetzt werden. Besonders zweckmäßig ist jedoch die Anwendung, wenn, wie in Nordamerika, sehr lange Güterzüge in Mehrfachtraktion betrieben werden, d.h. der Zug wird von mehreren Lokomotiven gezogen, wobei diese auf den Zugverband verteilt sind. Diese Lokomotiven haben meistens einen dieselelektrischen Antrieb. Der Dieselmotor mit Generator stellt die Energiequelle, Elektromotoren die Antriebsmaschinen dar, welche von siedegekühlten Stromrichtern gesteuert werden.

Diese Güterzüge verkehren auf Trassen, welche auch durch Tunnel führen. Hierbei können Tunnelfahrten von einer halben Stunde vorkommen. Durch die Verlustleistung der vorlaufenden Lokomotiven wird die Tunneltemperatur derart angehoben, daß Werte bis zu 100°C bei der letzten Lokomotive gemessen wurden.

Bei der Fahrt im offenen Land ist bei Temperaturen bis 2Q 40°c die Luftkühlung mittels Zwangskonvektion wirksam. Fährt der Zug in ein Tunnel ein, wird bei jeder Lokomotive die Stromrichterkühlung abgeschaltet, bei denen die angesaugte Kühlluft 40⁰C übersteigt. Gleichzeitig wird das Ventil 18 geöffnet, so daß das Wasser über die Wasserkammer 9 strömen und Wärmeenergie aufnehmen kann. Ein Kreislauf zwischen dem Speicher 13 und den Wasserkammer

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9 entsteht aufgrund der Thermosyphonwirkung. Sofern sich die Lokomotive wieder im freien Land befindet, wird da? Ventil 18 erst dann wieder geschlossen, wenn durch die eingeschaltete Luftkühlung das Speichermedium rücksekühlt ist.

Bekanntlich ist das Wärmespeichervermögen eines Körper propotional seiner spezifischen Wärme, seinem Gewicht und dem zulässigen Temperaturhub. Im Falle einer Siedekühlung kommt noch die dem Temperaturhub proportionale Verdampfungsenergie hinzu. Es ergibt sich somit bei einem Stromrichter in Kesselausführung eine Summe von Wärmekapazitäten, welche bei einem Specherbetrieb in Betracht zu ziehen sind. Bei Stromrichter mit Halbleiterelementen liegt die Grenz-Kristalltemperatur bei etwa 12O⁰C. Es erscheint wirtschaftlich zzulässig, bei einer maximalen Lufttemperatur von etwa 40°C außerhalb des Tunnels eine Kristalltemperatur von 100⁰C anzusetzen. Damit hat man einen normalen Temperaturhub von 100 - 40 = 60K und einen Speicherhub von 120 - 100 = 2OK zur Verfügung.

Von besonderer Bedeutung ist das verwendete Speichermedium. Im allgemeinen wird als Siedeflüssigkeit Fluorchlorkohlenstoff mit einer spezifischen Wärme von ca. 0,95 kJ pro kg ·"K- verwendet. Aluminium liegt etwa in der gleichen Größenordnung, Kunststoffe darüber, Stahl und Kupfer etwa beim halben Wert. Der -emittelte Wert der spezifischen Wärme kann etwa zu einem Fünftel des Wertes von Wasser eingesetzt werden. Daher ergeben sich bei der Verwendung von Wasser als Speichermedium nur 20^ des Gewichtes und 3OiS des Volumens der Siedeflüssigkeit, als wenn man nur mit Siedeflüssigkeit arbeiten würde. Durch den besseren Wärmeübergang von Wasser gegenüber Luft und dem schon erwähnten Speichergewinn durch Sieden über einen Hub von 20 K ergeben sich noch weitere Mas-

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seneinsparungen.

Wenn der Stromrichter als Wechselrichter ausgeführt wird, sind auch Leistungskondensatoren notwendig. Diese Kondensatoren besitzen als Isoliermittel Öl, welches auch innerhalb der Kondensatorwickel vorhanden sein muß. Wenn diese Kondensatoren zu stark abkühlen, schrumpfen die Wickel und pressen das Öl heraus. Die Untergrenztemperatur für solche Kondensatoren liegt nicht so tief, wie es Einsatzfälle in Ländern, wie z.B. Nordamerika mit sich bringen. Die Kondensatoren müssen daher bei tiefen Temperaturen geheizt werden. Die Heizung ist dann abschaltbar, wenn der Wasserspeicher im Kondensatorraum untergebracht wird und auch bei tiefen Temperaturen zu-

.J5 schaltbar ist. Die Luftkühlung kann abgeschaltet oder getaktet werden.

Claims

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Ansprüche

"1P Kühlanordnung, bei der zu kühlenden Stromrichter oder andere Halbleiter in Siedeflüssigkeit eintauchen und die Erwärmung der Siedeflüssigkeit mittels Kühlluft abgeführt wird und di> kühlanordnung für die Abführung der maximalen Verlustleistung bei einer normalen maximalen Umgebungstemperatur (heißer Sommertag) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ansteigen der Außentemperatur die Luftkühlung ab- und ein thermischer Energiespeicher zugeschaltet wird.
2. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung (18) thermoelektrisch erfolgt. , '
-3· Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zuschaltbare thermische Energiespeicher (13) mit Wasser (10) gefüllt ist.
4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (5) als Drei-Kammer-Wärmetauscher (8,7,9) ausgeführt ist.
5. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei tiefen Temperaturen der thermische Energiespeicher Wärmeenergie an seine Umgebung abgibt.

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