DE6600396U - Gleichrichterzelle mit fluessigkeitskuehlung - Google Patents

Description

Mit zunehmender Baugröße von ungesteuerten Siliziumgleichrichtern und Thyristoren wird die Leistungserhöhung immer mehr zu einem Problem der Abführung der Verlustwärme. Von einem Thyristor mit einem Strom von beispielsweise 1000 A bei einem Spannungsabfall von 1,3 V müssen bereits 1,3 kW als Wärme abgeführt werden. Einen entscheidenden Fortschritt zur Lösung dieses Problems brachte die Anordnung der Thyristoren in einem scheibenförmigen Gehäuse, die im Allgemeinen als Scheibenzelle bezeichnet wird. Die in einer solchen Zelle entstehende Verlustleistung kann von beiden Flachseiten der Scheibenzelle an einem Kühlkörper abgegeben werden. Der Luftkühlung solcher Zellen großer Leistung sind durch verschiedene Faktoren, insbesondere durch die Baugröße der Kühlkörper und der erforderlichen Ventilatoren sowie durch die Luftverschmutzung in den Betrieben vieler Anwender, Grenzen gesetzt. Die Flüssigkeitskühlung der Zellen führt zu kleiner Baugröße und besserer Kühlwirkung der Kühlkörper und ermöglicht damit die Abführung größerer Verlustleistung von einer Zelle.

Wegen des unterschiedlichen Kühlverhaltens von Flüssigkeiten bei verschiedenen Temperaturen sind mehrere Kühlflüssigkeiten in Betracht zu ziehen. Es ergibt sich daraus die Aufgabe, den Kühlkörper so zu gestalten, dass seine Wärmeabführung bei verschiedenen Flüssigkeiten etwa gleich bleibt.

Es ist bekannt, dass die Wärmeströmung in gleicher Weise wie der elektrische Strom durch Widerstände verschiedener Art beeinflusst wird, das sind insbesondere der Wärmeleitungswiderstand und der Wärmeübergangswiderstand. Die zulässige Temperaturerhöhung der Kühlflüssigkeit im Kühlkörper ist durch die maximal zulässige Temperatur des Silizium-Halbleiterkörpers festgelegt, die zur Zeit 110°C nicht wesentlich überschreiten soll. Da die Temperaturdifferenz festliegt, muss der gesamte Wärmewiderstand der Kühlvorrichtung klein gehalten werden, wenn eine große Wärmeströmung erzielt werden soll. Es ist nun bereits vorgeschlagen worden, auf beiden Flachseiten des Zellengehäuses jeweils einen von der Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkörper anzuordnen, wobei der Kühlkreislauf mit dem Zellengehäuse gut wärmeleitend verbunden, jedoch elektrisch isoliert ist. In einer derartigen Anordnung können sämtliche Kühlkörper einer Stromrichteranlage an einen gemeinsamen Kühlkreislauf angeschlossen werden. Als Material für die Kühlkörper kann zweckmäßig Kupfer, insbesondere Elektrolytkupfer, verwendet werden. Kupfer hat nämlich neben Silber eine hohe Wärmeleitzahl.

Die Neuerung geht nun aus von der Erkenntnis, dass der Kühlkörper durch besondere konstruktive Gestaltung für mehrere Kühlflüssigkeiten verschiedener Wärmeleitfähigkeit annähernd das gleiche Wärmeableitvermögen aufweisen kann. Diese Erkenntnis beruht auf folgenden Überlegungen. Der Kühlkörper hat im Allgemeinen in radialer Richtung der Scheibenzelle eine wesentlich größere Ausdehnung als die Zelle selbst, insbesondere eine größere Ausdehnung als die Auflagefläche des Kühlkörpers an einer Flachseite der Zelle. Den Wärmestrom von Halbleiterkörper durch den Kühlkörper zur Kühlflüssigkeit kann man aufteilen in einen zentralen Strom, dessen Querschnitt etwa der Auflagefläche von Zellengehäuse und Kühlkörper entspricht, und im Allgemeinen eine Kreisfläche ist, und dessen Weglänge durch die Höhe des massiven Teiles des Kühlkörpers bestimmt wird. Der gesamte Wärmewiderstand für diesen Wärmestrom wird somit bestimmt durch den Wärmeleitungswiderstand dieses Kühlkörperteiles und den Wärmeübergangswiderstand zwischen dem Kühlkörper und der Kühlflüssigkeit in dem erwähnten Querschnitt. Ferner ergibt sich ein peripherer Wärmestrom, dessen Querschnitt durch die radiale Begrenzungsfläche des zentralen Stromes, das ist bei kreisförmiger Auflagefläche des Kühlkörpers eine Zylindermantelfläche, und dessen Weglänge von der Ausdehnung des Kühlkörpers in radialer Richtung auf Auflagefläche bestimmt wird, das kann beispielsweise für einen Kühlkörper mit annähernd zylindrischer Dosenform der Durchmesser dieser Dose sein. Der Gesamtwiderstand für diesen Teilstrom ergibt sich somit aus dem Wärmeleitungswiderstand dieses Kühlkörperteiles und dem Wärmeübergangswiderstand für den entsprechenden Querschnitt. Der gesamte Wärmewiderstand ergibt sich aus der Summe dieser Einzelwiderstände. Der Wärmeübergangswiderstand wird bekanntlich umso kleiner, je größer die Wärmeübergangszahl ist. Wasser hat eine verhältnismäßig große Wärmeübergangszahl und wäre somit an sich besonders gut als Kühlflüssigkeit geeignet. Es hat aber andererseits den Nachteil, dass es nur mit einem hohen Reinheitsgrad eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweist und es hat ferner mit 0°C einen verhältnismäßig hohen Gefrierpunkt. Das Bestreben geht deshalb dahin, in Stromrichteranlagen Kühlflüssigkeiten mit einer hohen Isolationsfestigkeit und einem möglichst niedrigen Stock- bzw. Gefrierpunkt zu verwenden. Diese Anforderungen werden beispielsweise durch Hexachlorbutadien C[tief 4]Cl[tief 6] (Tripen) erfüllt. Die Wärmeübergangszahl dieser Flüssigkeit ist jedoch erheblich größer als diejenige von Wasser, d.h. sie nimmt die Wärme nicht so "bereitwillig" auf wie Wasser. Bei einer Ausgestaltung des Kühlkörpers nach der Neuerung kann die Wärmeabführung bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels unabhängig von der Art des verwendeten Kühlmittels annähernd konstant gehalten werden.

Demgemäß betrifft die Neuerung eine Anordnung zur Flüssigkeitskühlung einer Gleichrichterzelle für hohe Ströme mit einem einkistallinen

Halbleiterkörper, insbesondere einem Thyristor, der in einem scheibenförmigen Gehäuse angeordnet ist, das unmittelbar oder mittelbar an wenigstens einem von der Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkörper anliegt. Gemäß der Neuerung trägt das Verhältnis der mittleren Ausdehnung des Kühlkörpers in Richtung parallel zur Auflagefläche zwischen Kühlkörper und Zelle zur Dicke des am Zellengehäuse anliegenden Bodenteils des Kühlkörpers nicht wesentlich mehr als 8:1, vorzugsweise weniger als 6:1, insbesondere etwa 4:1. Es wurde nämlich erkannt, dass im Wesentlichen nur noch der unmittelbar an der Zelle anliegende, zentrale Teil des Kühlkörpers an der Wärmeabführung beteiligt ist, sobald die Dicke der Wandstärke des Kühlkörpers im Verhältnis zu dessen Ausdehnung ein vorbestimmtes Verhältnis unterschreitet.

Zur weiteren Erläuterung der Neuerung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung veranschaulicht ist.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Flüssigkeitskühlkörper.

In Figur 2 ist ein Schnitt durch den Kühlkörper nach Figur 1 dargestellt.

In Figur 3 ist der Wärmewiderstand eines Kühlkörpers in Abhängigkeit von seiner Bodendicke bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels für verschiedene räumliche Ausdehnungen des Kühlkörpers in einem Diagramm schematisch veranschaulicht.

Nach Fig. 1 kann der Kühlkörper 2 einer Siliziumgleichrichterzelle 3, beispielsweise eines Thyristors, für hohe Stromstärken von beispielsweise mehr als 1000 A zweckmäßig als Zylinder mit einem Außendurchmesser D von wenigstens 100 mm, insbesondere etwa 140 bis 220 mm, ausgestaltet sein, dessen an der Gleichrichterzelle anliegende Flachseite vorteilhaft mit einem Vorsprung 4 in Form eines Kegelstumpfes versehen sein kann, dessen Deckfläche mit dem Durchmesser d von beispielsweise etwa 4 cm an das Gehäuse der Gleichrichterzelle angepresst werden kann, das vorzugsweise scheibenförmig gestaltet sein kann, wie es in der Figur angedeutet ist. Falls das Gehäuse der Gleichrichterzelle 3 an der dem Kühlkörper zugewandten Flachseite völlig eben gestaltet ist, so kann der kegelstumpfförmige Vorsprung des Kühlkörpers entfallen und die Gleichrichterzelle 3 unmittelbar an die obere Flachseite des Kühlkörpers 2 angelegt werden. Die Bodenhöhe H soll mindestens 25 mm, vorzugsweise etwa 30 bis 50 mm, gewählt werden, damit die Ausbreitung der Wärme in dem peripheren Wärmestrom W[tief 2] nicht behindert und der zentrale Wärmestrom W[tief 1] entsprechend entlastet wird. An der dem Zellengehäuse gegenüberliegenden Deckfläche des zylindrischen Kühlkörpers 2 sind Stege oder Rippen 5 angeordnet, die jeweils gleiche Höhe haben und zusammen mit einem Deckel 6 des

Kühlkörpers einen Kühlkanal oder unter Umständen auch mehrere Kühlkanäle bilden.

Wird die Breite der Kühlkanäle und die Dicke der Trennwände zwischen den Kanälen, das ist die Stegbreite, klein, wie es zur Erreichung einer großen Wärmeübergangsfläche auf kleinem Raum erstrebenswert ist, so muss man einen hohen Pumpendruck aufbringen, um die Kühlflüssigkeit mit einer für den Wärmeübergang ausreichenden Geschwindigkeit durch die engen und langen Kanäle zu treiben. Ferner ist bei engen Kanälen die Turbulenz der Flüssigkeitsströmung mit ihren guten wärmeabführenden Eigenschaften infrage gestellt. Hierzu kommt ein größerer Aufwand in der Fertigung solcher Kanäle. Es wurde nun gefunden, dass sich der Wärmewiderstand verschiedener Kühlmittel in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit und der Ausgestaltung des Kühlkanals unter Umständen erheblich ändern kann. Kühldosen mit kleineren Ausmaßen und entsprechend kurzem Kühlkanal können für Wasser als Kühlmittel unter Umständen gleiche und bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten sogar kleinere Wärmewiderstände als größere Kühlkörper mit entsprechend langem Kühlkanal haben. Dagegen hat sich erwiesen, dass die Verhältnisse bei Hexachlorbutadien und Transformatorenöl als Kühlmittel gerade umgekehrt liegen: Große Kühlkörper haben kleinen Wärmewiderstand, während die kleinen Kühlkörper einen sehr großen Wärmewiderstand aufweisen. Ein großer Kühlkörper muss aber auch einen entsprechend dicken Boden haben, damit die Wärme vom Konus 4 aus über einen großen Querschnitt mit möglichst geringem Wärmeleitungswiderstand bis an die äußersten Kühlkanäle strömen kann.

Nun sind aber die kleineren Kühlkörper in weit höherem Maße von der Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit abhängig, als die großen Kühlkörper mit verhältnismäßig dickem Boden. Eine Begründung ist darin zu erblicken, dass der Wärmewiderstand der kleinen Dosen überwiegend vom Wärmeübergangswiderstand bestimmt wird, der in größerem Maße von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, während die großen Dosen überwiegend Wärmeleitungswiderstände und somit von der Strömungsgeschwindigkeit unabhängige Anteile des gesamten Wärmewiderstandes enthalten. Geht die Flüssigkeitsgeschwindigkeit gegen sehr hohe Werte, so erhält man sowohl für kleine als auch für große Kühldosen Grenzwerte, die dadurch bestimmt sind, dass der Wärmeübergangswiderstand sehr klein wird und der gesamte Wärmewiderstand im Wesentlichen nur noch durch die Wärmeleitungswiderstände bestimmt wird. Umgekehrt überwiegt bei sehr geringer Flüssigkeitsgeschwindigkeit der Übergangswiderstand und bestimmt fast ausschließlich den Gesamtwiderstand, der dann entsprechend hoch wird.

Ferner ist die Abhängigkeit der Pumpenleistung von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels bei der Kühlkörpergestaltung zu beachten. Es wurde nämlich erkannt, dass bei kleinen Dosen mit viel höherer Strömungsgeschwindigkeit gleich niedrige Wärmewiderstände wie bei den schweren Dosen zu erreichen sind. Die erforderliche Pumpenleistung steigt mit abnehmender Kühlkörpergröße mit wenigstens annähernd der dritten Potenz. Für die Wahl einer verhältnismäßig großen Kühldose spricht auch die entsprechend große Wärmekapazität solcher Dosen, die bei kurzzeitigem Ausfall des Flüssigkeitsumlaufes mit ihrer großen Kupfermasse die Verlustwärme speichern und die sofortige Zerstörung des Thyristors durch Überhitzung verhindern kann. Ferner sind die großen Dosen verhältnismäßig unempfindlich gegen Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit. Nach diesen Überlegungen erscheint es zweckmäßig, für die Abführung der Wärme von einem Gleichrichter mit etwa 800 bis 1000 A Nennstrom den Durchmesser eines zylindrischen Kühlkörpers nicht kleiner als 1000 mm, vorzugsweise größer als 140 mm zu wählen.

Der Kühlkanal kann nach Figur 2 vorteilhaft in Form einer doppelten Spirale ausgebildet sein, die nur eine einzige Richtungsumkehr der Strömungsrichtung bedingt. Bei einem Außendurchmesser des zylindrischen Kühlkörpers mit etwa 140 mm, einer Kanalhöhe von etwa 10 mm und einer Kanalbreite von etwa 4 mm und einer Stegbreite von etwa 3,5 mm hat sie neun Flüssigkeitsumläufe. Das Verhältnis der Breite zur Höhe des Kühlkanals kann vorzugsweise etwa 1:2 gewählt werden, wobei die Dicke des Steges zwischen den Windungen des Kühlkanals etwa gleich oder nicht wesentlich kleiner als die Breite des Kühlkanals zu wählen ist und aus fertigungstechnischen Gründen zweckmäßig eine Kanalbreite von etwa 4 mm eingehalten werden kann. Bei einer Erhöhung oder Verminderung des Zylinderdurchmessers erhöht oder vermindert sich dann lediglich die Zahl der Flüssigkeitsumläufe entsprechend.

Eine besonders einfache Art der Herstellung eines Kühlkanals in Form der dargestellten doppelten Spirale oder auch beispielsweise für eine abweichende äußere Form des Kühlkörpers einen Kühlkanal mit parallel zueinander verlaufenden Teilstücken des Kanals ergibt sich dadurch, dass das Kanalprofil in den Kühlkörper mittels einer entsprechend geformten Matrize eingestampft wird. Das Kanalprofil kann dann durch einen einzigen Schlag- oder Stauchvorgang hergestellt werden, wobei der Kühlkörper zweckmäßig erwärmt werden kann. Das Profil kann aber mit entsprechend höherem Druck auch in den kalten Kühlkörper eingeschlagen werden. Ferner lässt sich ein solches Kühlkanalsystem auch durch elektrolytisches Senken wirtschaftlich herstellen.

Die in beiden Flachseiten der Scheibenzelle 3 anliegenden Kühlkörper können mittels einer Druck- oder Spannvorrichtung mit einem Einspanndruck P von beispielsweise etwa 600 kg an das Zellengehäuse angepresst werden. Zu diesem Zweck kann auf den Deckel 6 des Kühlkörpers jeweils noch eine Druckplatte aufgelegt werden oder der Deckel 6 kann selbst als Druckkörper ausgebildet und zu diesem Zweck beispielsweise im Wesentlichen die Form eines Kegels haben, wie es in Figur 1 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist.

Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Kühlkanäle mit den Stegen 5 getrennt vom Kühlkörper 2 herzustellen und als besonderen Körperteil mit entsprechender Dichtung zwischen dem eigentlichen Kühlkörper 2 und dem Deckel 6 anzuordnen.

In Figur 3 ist der Wärmewiderstand R[tief KD] der Kühldosen in Abhängigkeit von der Bodendicke H für verschiedene Durchmesser D bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels Hexachlorbutadien (Tripen) von v = 2 m/sec in einem Diagramm aufgetragen. Man erkennt die sprunghafte Verminderung des Wärmewiderstandes bei einem Kühlkörper mit einem Durchmesser von D = 110 mm gegenüber einem gleichen Kühlkörper mit 46 mm Durchmesser. Der Wärmewiderstand eines Kühlkörpers mit 170 mm Durchmesser und 10 mm Bodendicke sinkt bei einer Erhöhung der Bodendicke auf 25 mm auf etwa die Hälfte.

Claims (6)

1. Anordnung zur Flüssigkeitskühlung einer Gleichrichterzelle für hohe Ströme mit einkristallinem Halbleiterkörper, insbesondere einem Thyristor, der in einem scheibenförmigen Gehäuse angeordnet ist, das unmittelbar oder mittelbar an wenigstens einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkörper anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der mittleren Ausdehnung (D) des Kühlkörpers (2) in Richtung parallel zur Auflagefläche zwischen Kühlkörper (2) und Zelle (3) zur Dicke (H) des am Zellengehäuse anliegenden Bodenteils des Kühlkörpers (2) nicht wesentlich mehr als 8:1, vorzugsweise weniger als 6:1, insbesondere etwa 4:1, beträgt.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zur Kühlung einer Gleichrichterzelle, deren Verlustleistung etwa 1,3 kW beträgt mit einem wenigstens annähernd zylindrischen Kühlkörper, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des an der Zelle (3) anliegenden Zylinderbodens mindestens 25 mm, vorzugsweise 30 bis 50 mm, und der Zylinderdurchmesser vorzugsweise mindestens 100 mm, insbesondere 140 bis 220 mm, beträgt.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Kühlkörpers (2) an seiner der Zelle (3) abgewandten Oberfläche mit einem Kühlkanal versehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal die Form einer doppelten Spirale hat.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite zur Höhe des Kühlkanals etwa 1:2 beträgt.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Steges zwischen den Windungen des Kühlkanals etwa gleich oder kleiner als die Breite des Kühlkanals ist.