NO149869B - Halvleder-likerettersoeyle med halvleder-ventilkjoelere - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en halvelder-likeretter-søyle med halvlederventilkjølere som angitt i ingressen i patentkrav 1.

Ved sterkstrøms halvleder-ventiler, f.eks. for likerettere, oppstår betydelige elektriske tap i et lite rom, slik at betydelige varmemengder må fjernes for at de fysikalsk be-tingede grensetemperaturer i silisiumskiven som danner den aktive del av halvlederen ikke overskrides og' skivens funk-sjonsdyktighet således sikres.

Særlig store krav stilles til kjølevirkningen ved likerettere på fartøyer/kjøretøyer, idet disse bør være mest mulig plassbesparende dimensjonert ved en forholdsvis stor effekt.

Men også ved stasjonære likretteranlegg er minimale spesi-fikke dimensjoner ønskelige med henblikk på en reduksjon av det konstruktive oppbud og dermed av produksjonsomkost-ningene .

En kjent konstruksjon av kjølere for halvlederventiler består av en plate med fortrinnsvis kvadratisk omriss, med planparallelle innfresninger i de to frontsidene for oppta-gelse av hver sin side av to nærliggende halvleder-ventiler. Platens omkrets er utformet som en flens, Via hvilken den varme som skal fjernes blir avgitt til det forbistrømmende kjølemedium olje.

I avhengighet av likeretterens nødvendige kapasitet monte-res et bestemt antall av halvleder-ventiler bak hverandre med mellomliggende kjølere til en søyle og spennes ved hjelp av to åk og trekkanker til en likerettersøyle. Det nødvendige antall slike søyler plasseres i en kjele, som gjennomstrømmes av et kjølemedium.

Kjølevirkningen er imidlertid dårlig ved denne konstruksjon, idet strømningen er uregulert og det opptrer strømnings-hhv. kjølings-bakevjer, hvor varmeavledningen forstyrres, slik at det er fare for lokal overopphetning.

Ved ytterligere en kjent konstruksjon består kjølerne av pla-teformede hullegemer, som gjennomstrømmes på tvers av like-rettersøylens akse med kjølemedium, som således opptar og leder bort den dannede varme nær dens opphavssted. Kjøle-virkningen av disse kjølere er god, men de er kompliserte og kostbare og ømfintlige for forstyrrelser som følge av de nødvendige slanger og fittings for kjølemiddelføringen.

Med foreliggende oppfinnelse skal ulempene ved de kjente halvleder-likerettersøyler unngås og det skal tilveiebringes en halvleder-likerettersøyle som er rimelig i produksjon og hvis kjøleeffekt tilfredsstiller store krav, hvis kjenne-tegnende trekk fremgår av krav 1.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningen, hvor

fig. 1 er et oppriss av en halvleder-likerettersøyle ifølge oppfinnelsen, delvis vist i snitt,

fig. 2 er et grunnriss av likerettersøylen ifølge fig. 1,

fig. 3 viser koblings-skjemaet for en slik likerettersøyle,

fig. 4 viser skjemaet for et likeretter-anlegg med tilbake-kjølings-anordning og

fig. 5 den termiske motstandens avhengighet av kjølemiddel-hastigheten for tre forskjellige halvleder-likerettersøyler.

Halvleder-likerettersøylen ifølge fig. 1 omfatter et antall bak hverandre anordnede halvleder-ventiler 1, som under mellomkobling av halvleder-ventilkjølere 2 og 3 er spent sammen til en blokk mellom to åk 4 og 5 ved hjelp av stram-meskruer 6 og 7 og muttere 8 og 9. For oppnåelse av en bikkefri, aksial og sentrisk virkende overføring av strammekreftene på søylen som er sammensatt av kjølere og halvledere, er det på begge åk anordnet trykkstykker 10 og 11 med noe konvekse trykkflater 12 og 13. En skive 14 i forbindelse med et par tallerkenfjærer 51 og 16 på trykk-stykket 11 sørger for utligning av lengdeforandringer som skyldes temperaturforandringer.

Av fig. 2 fremgår formen av kjølerne 2,3 og deres anordning 1 halvleder-likerettersøylen. Kjølerne har stjerneformet tverrsnitt med 24 radialt forløpende ribber 17 hhv. 18 med avrundede ender og avsmalnende form mot. spissen. En av ribbene er til enhver tid lengre og virker som strømførings-skinne 19 hhv. 20.

Kjølerne 2, 3 er identiske med henblikk på tverrsnittsformen og kan fremstilles økonomisk av ekstruderte profiler eller som finstøp. Ved fremstilling av et ekstrudert profil,, må det bare kappes et stykke som svarer til kjølerens høyde og bearbeides sponfjernende på kortsidene, som danner kontakt-flatene 21, 22 til halvleder-ventilen 1.

Som vist i fig. 2, er den kjøler 3 som følger efter kjøleren 2 forskjøvet en halv ribbeavstand i forhold til sistnevnte, slik at dens ribber 18 står i luken mellom ribbene 17.

Halvleder-likerettersøylen er omgitt av en"mantel 23 av et

elektrisk ikke ledende materiale, hvorved mantelen er i anlegg mot spissene for kjøleribbene 17, 18 og således sammen med ribbeflankene danner lukkede strømningskanaler i området for en kjøler, dvs. at det ikke kan skje overløp over ribbe-spissene til en nærliggende kanal.

For gjennomføring av strømforsynings-skinnene har mantelen 23 slisser 24, hvorved slissene som hører til to nærliggende kjølere er innbyrdes forskjøvet ca .180° på mantelens omkrets.

Mantelen 23 er fastklemt mellom de to fastspenningsåk, som dog praktisk talt bare uvesentlig hemmer hhv. øker det frie tverrsnitt og dermed strømningsmotstanden i halvleder-

likerettersøylen.

Fig. 3 viser et koblings-skjerna for en slik halvleder-like-rettersøyle, hvor komponentene er betegnet med samme hen-visningstall som i fig. 1. Fig. 4 er en skjematisk gjengivelse av et likeretteranlegg med en 1ikeretterkjele 25 og en tilbakekjølingsinnretning med en tilførselsledning 26 for kjølemedium, en pumpe 27,

en returkjølemiddel-ledning 28 og en tilbakekjøler 29. I likeretterkjelen 25 er de av halvleder-likerettere sammen-satte søyler 30 anordnet, som gjennomstrømmes av kjølemidde-let nedenfra og oppover. Disse halvleder-likerettersøyler 30 danner tilsammen 1ikeretteranlegget. Kjølemiddelet presses for bortledning av tapsvarmen som oppstår under drift, ved hjelp av pumpen 27 gjennom tilførselsledningen 26 og en bunnkanal 31, nedenfra og opp gjennom strømnings-kanalene som dannes av kjøleribbene 17, 18 og mantelen 23. Kjølemiddelet samles i sairlekanalen 32 ovenfor søylene 30

og ledes gjennom returledningen 28 for kjøling i tilbake-kjøleren 29 og derfra tilbake til pumpen 27.

Som vist i fig. 2, vil det bortsett fra den forholdsvis ringe svekkelse i området for fastspenningsåkene hhv. strammeskruene oppnås ideelle forhold for strømning rundt kjøleribbene med henblikk på borttransportering av varme, slik at halvleder-ventilkjølerne ifølge oppfinnelsen mulig-gjør bedre utnyttelse av halvleder-ventilers yteeffekt enn ved de hittil kjente halvleder-ventilkjølere. De korte varmestrømnings-strekninger med rikelig tverrsnitt gir en liten varmeledningsmotstand , som bestemmer den termiske motstand R ^ sammen med overgangsmotstanden Rot, som opptrer mellom den varmeavgivende kjøler-overflate og kjøle-middelet. Ret avhenger av den varmeavgivende kjølerover-flate, dvs. ribbeantallet, og av varmeovergangstallet ot , hvorved sistnevnte igjen avhenger av Reynolds tall Re, dvs. av kjølemiddelets strømningshastighet, tetthet og viskositet samt av strømningsbegrensningens geometri. Det øker dessuten med økende turbulens av strømningen. Alle disse fak-torer påvirkes i gunstig retning ved foreliggende oppfinnelse: Den store ribbeoverflate som er nødvendig for lav overgangsmotstand kan lett realiseres ved et tilsvarende ribbeantall. Ribbene som forløper i lengderetning, gir en styrt kjølemiddelstrømning som muliggjør større hastighet enn ved konvensjonelle kjølere, slik at det i forbindelse med den sterkere turbulens, som er en følge av de innbyrdes forskjøvne ribber for nærliggende kjølere, oppnås en meget god varmeovergang.

Som følge av den radiale anordning og det store antall av ribbene, vil tapsvarmen som skal ledes bort, fjernes på >■ mange varmebaner med ringe motstand og over en kort strek-ning fra det sted hvor tapsvarmen oppstår og avgis til det strømmende kjølemiddel. Kjølebakevjer unngås dessuten i stor utstrekning.

De fysikalske fordeler ved denne kjølerkonstruksjon fremgår av diagrammet i fig. 5. Kurven a viser den termiske motstand R ^ for en halvleder-likerettersøyle med konvensjonelle halvleder-ventilkjølere med ikke styrt kjølemiddel-strømning, hvor området d for den i praksis oppnåelige kjølemiddelhastighet Vq ligger nokså lavt og således har stor termisk motstand. Vesentlig bedre er forholdene ved en halvleder-likerettersøyle med kjølerne Ifølge oppfinnelsen, hvor ribbene ikke er innbyrdes forskjøvet, men forløper i flukt med hverandre over hele søylens lengde. For en slik anordning gjelder kurven b. Enda bedre viser kjøle-virkningen seg å være, når ribbene, som omtalt er innbyrdes forskjøvet,som vist ved kurve c. Ved de utførelser ifølge kurve b og c oppnås vesentlig høyere kjølemiddelhastigheter med et mindre spredningsområde e, slik at en treffsikker dimensjonering av halvleder-likerettersøylene er mulig. Dessuten kan slike likerettere utføres material- og plassbesparende, sammenlignet med de kjente konstruksjoner.

For oppnåelse av bedre turbulens og større varmebortledende ribbeoverflate, hhv. en lengre strømningsbane, kunne ribbene gis skrueform og anordnes i flukt med eller forskutt i forhold til ribbene for nærliggende kjøler. Det kan også be-nyttes to kjøletyper med motsatt rettede skruelinjer på ribbene, hvor kombinasjonen til en halvleder-likerettersøyle vil gi en sik-sak-formet strømningsbane på søylens omkrets..

Claims (4)

1. Halvleder-likerettersøyle med en likeretterblokk som er sammensatt av halvleder-ventilkjølere og som er spent sammen til en stiv søyle mellom to åk ved hjelp av stramme-skruer og som er omgitt av en mantel av isolerende materiale, idet hver av halvleder-ventilkjølerne har en sentral kompakt del hvis planparallelle frontflater danner kontaktflater for strøm- og varmeovergang mellom kjøler og halvlederventil, og på hvis omkrets det er anordnet radialt rettede ribber, karakterisert ved at nevnte ribber (17, 18) er innbyrdes like lange, at ribbene i det minste delvis forløper i lengderetning av halvleder-likerettersøylens akse, og at nevnte mantel (23) ligger tett an mot ribbenes (17, 18) totale ytre lengdekant.

2. Halvleder-likerettersøyle som angitt i krav 1, karakterisert ved at kjølerne har akse-parallelle ribber, og at to nærliggende kjølere er innbyrdes forskjøvet med en halv ribbeavstand.

3. Halvleder-likerettersøyle som angitt i krav 1, karakterisert ved at kjølernes ribber forløper i skrueform i samme retning, og at to nærliggende kjølere er innbyrdes forskjøvet med en halv ribbeavstand.

4. Halvleder-likerettersøyle som angitt i krav 1, karakterisert ved at ribbene for to nærliggende kjølere er skrueformet i motsatt retning og innbyrdes forskjøvet med en halv ribbeavstand.