DE7727173U1

DE7727173U1 - Halbleiterventilsäule

Info

Publication number: DE7727173U1
Application number: DE7727173U
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1977-08-16
Publication date: 1979-07-05

Description

• · ·#» Ae-HW* ι · . »

- 4 - 66/77

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Halbleiterventilsäule

Die vorliegende Neuerung betrifft eine Halbleiterventilsäule nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs.

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 überschritten werden und damit ihre Punktion gewährleistet bleibt.

Besonders hohe Anforderungen an die Kühlwirkung werden bei Pahrzeugstromrichtern gestellt, da diese bei verhältnismässig grosser Leistung möglichst platzsparend dimensioniert sein sollen.

Aber auch bei stationären Stromrichteranlagen sind mögliehst kleine spezifische Abmessungen erwünscht, um den

- 5 - 66/77

baulichen Aufwand und damit die Herstellungskosten zu verringern.

Eine bekannte Bauart von Halbleiterventilsäulen besitzt Halbleiterventilkühler, die aus einer Platte von vorzugsweise quadratischem Umriss mit planparallelen Eindrehungen an ihren beiden Stirnseiten zur Aufnahme je einer Seite zweier benachbarter Halbleiterventile bestehen. Der Umfang dieser Platte ist als Flansch ausgebildet, über den die abzuführende Wärme an das vorbeiströmende Kühlmedium OeI abgegeben wird.

Je nach der erforderlichen Leistung des Stromrichters wird eine bestimmte Anzahl von Halbleiterventilen hintereinander mit dazwischenliegenden Kühlern zusammengebaut und mittels je zweier Joche und Zuganker zu einer Halbleiterventilsäule verspannt. Die für die verlangte Leistung erforderliche Anzahl solcher Säulen wird in einen Kessel gesetzt, der von einem Kühlmittel durchströmt wird.

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.

I « · · ItIl 1

• · · III

■ · · t

- 6 - 66/77

Bei einer weiteren bekannten Bauart von Halbleiterventilsäulen bestehen die Kühler aus plattenförmigen Hohlkörpern, die quer zur Achse der Säule vom Kühlmittel durchströmt werden, das die entstehende Wärme somit nahe am Ort ihrer Entstehung aufnimmt und fortleitet. Die Kühlwirkung dieser Säulen ist gut, sie sind aber kompliziert und teuer im Aufbau und wegen der erforderlichen Schläuche und Fittings für die Kühlmittelführungen auch störanfällig.

Der im kennzeichnenden Teil des Schutzanspruchs 1 definierten Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Bauarten zu vermeiden und eine Halbleiterventilsäule zu schaffen, die billig herzustellen ist und deren Kühlwirkung hohe spezifische Leistungen ermöglicht.

QE, Die Neuerung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In diesen stellen dar:

Fig. 1 einen Aufriss einer als Gleichrichter dienenden Halbleiterventilsäule, teilweise im Schnitt,

Fig. 2 den Grundriss der Säule nach Fig. 1,

• · I 11 l ■

• I I ■ 1 I

• · I It«« t (··· · III 1 · ·

· » « im ■ c · r« ·»

»■•it· ι·* ·

- 6a - 66/77 |

Pip, 3 das Schaltschema einer Ventilsäule,

Pig. 4 das Schema einer Stromrichteranlage mit Rück- ;|

kühleinrichtung, und

Fig. 5 die Abhängigkeit des thermischen Widerstandes ;^:

dreier verschiedener Halbleiterventilkühler ^!

von der Kühlmittelgeschwindigkeit. \

Die in Fig. 1 dargestellte Halbleiterventilsäule weist ;

eine Anzahl von hintereinander angeordneten Halbleiter- I

ventilen 1 auf, die unter Zwischenschaltung von Halblei- j

terventilkühlern 2 und 3 zwischen zwei Spannjochen 4 und |

5 mittels Spannschrauben 6 und 7 sowie Muttern 8 und 9 '

zu einem Block zusammengespannt sind. Um eine verkantungs- p

freie, achsial und zentrisch wirkende Uebertragung der |

Spannkräfte auf die aus Kühlern und Halbleitern zusammen- S

f ης gesetzte Säule zu erreichen, sind an den beiden Jochen |

Druckstücke 10 und 11 mit balligen

L(I * f

BBC Baden

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.

Aus Fig. 2 gehen die Form der Kühler 2, 3 und ihre Anordnung innerhalb der Halbleiterventilsäule hervor. Die Kühler besitzen sternförmigen Querschnitt mit 2¹I radial verlaufen den, gegen ihre Spitze hin sich verjüngenden Rippen 17 bzw. l8 mit abgerundeten Enden. Eine dieser Rippen ist jeweils länger ausgeführt und dient als Stromzuführungsschiene 19 bzw. 20.

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.

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.

• · Il

BBC Baden ...j

2 \ Γ.·¹·! Γ··:· :"' fcW

-χ-

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.

Für die Durchführung der Stromzuführungsschienen weist der Mantel 23 Schlitze 24 auf, wobei die zu zwei benachbarten Kühlern gehörenden Schlitze um etwa l80° am Mantelumfang gegeneinander versetzt sind.

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.

Fig. 3 zeigt ein Schaltschema einer solchen Halbleiterventilsäule, deren Elemente mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszahlen bezeichnet sind.

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

BBC Baden

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.

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 Halbleiterk'ühlern. Die kurzen Wärmeströmungswege von reichlichem Querschnitt ergeben einen kleinen Wärmeleitungswiderstand R χ_ , der zusammen mit dem Uebergangswiderstand R₀^ , der zwischen wärmeabgebender Kühleroberfläche und Kühlmittel auftritt, den thermischen Widerstand R,, bestimmt. R₀. hängt ab von der

tn ^^

wärmeabgebenden Kühleroberfläche, also der Rippenzahl, und der Wärmeübergangszahl<x , wobei letztere wiederum von der Reynoldszahl Re, d.h., von der Strömungsgeschwindigkeit, der

- 10 - 66/77

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 Turbulenz, die eine Folge der gegeneinander versetzten Rippen benachbarter Kühler ist, ein sehr guter Wärmeübergang erzielt wird.

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. Auch werden hierbei Kühlschatten weitgehend vermieden.

Die physikalischen Vorteile dieser Bauart gehen aus dem Diagramm nach Fig. 5 hervor. In ihm zeigt die Kurve a den thermischen Widerstand R₄, eines konventionellen Kühlers

th

mit ungelenktem Kühlmittelstrom, bei dem der Bereich d der praktisch realisierbaren Kühlmittelgeschwindigkeiten V ziemlich tief liegt und der demnach einen hohen thermischen Widerstand aufweist. Wesentlich besser liegen die Verhältnisse bei einer Halbleiterventilsäule mit den gegenstand-

BBC Baden

31 -

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.

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 Schraubungssinn der Rippen zu verwenden, bei deren Kombination zu einer Halbleiterventilsäule sich ein zickzackförmiger Strömungsweg am Säulenumfang ergibt.

BBC Baden - 1 f'_:'['- . \" ] '[ ' , ,·' .·* 66/77 ^ J

Bezeichnungsliste

1	= Halbleiterventil
2	= Kühler
3	= Kühler
4	= Spannjoch
5	= Spannjoch
6	= Spannschraube
7	= Spannschraube
8	= Mutter
9	= Mutter
10	= Druckstück
11	= Druckstück
12	= Druckfläche
13	= Druckfläche
14	= Scheibe
15	= Tellerfeder
16	= Tellerfeder
17	= Rippe
18	= Rippe
19	= Stromzuführungsschiene
20	= Stromzuführungsschiene
21	= Kontaktfläche
22	= Kontaktfläche
23	. = Mantel
24	= Mantelschlitz
25	= Stromrichterkessel
26	= Kühlmittelzuleitung
27	= Pumpe
28	= Kühlmittelrückleitung
29	= Rückkühler
30	= Zelle
31	= Bodenkanal
32	= Sammelkanal
	• ■ · t t » 1 1 t • t I ι I I I *• ■ · It · • · ι ι ill· t · ··■·! Ill» ··**

BBC Baden - 2 - :"l''l ·"· O . .*' .*' 66/77

= thermischer Widerstand konventioneller Kühler

= thermischer Widerstand bei fluchtender Anordnung der erfindungsgemässen Kühler in einer Halbleiterventilsäule

= thermischer Widerstand bei versetzter Anordnung der Rippen zweier benachbarter erfindungsgemässer Kühler

= Streubereich für die Kühlmittelgeschwindigkeit in konventionellen Stromrichtern

= Streubereich der Kühlmittelgeschwindigkeit in einem Stromrichter mit erfindungsgemässen Kühlern.

I I I I I · · ·

Claims

- 1 - 66/77 DE Mü/Ca 17.4.1979 Schutzansprüche

1. Halbleiterventilsäule, mit einer Mehrzahl von Halbleiterventilen und Halbleiterventilkühlern, die Leitelemente für eine Kühlmittelströmung und zwei planparallele Auflageflächen für die doppelseitige Kühlung der Halbleiterventile aufweisen, sowie mit Mitteln zum Verspannen der Halbleiterventi3.e und Halbleiterventilkühler zu einem starren Block, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterventilkühler einen kompakten zentralen Teil aufweisen, dessen Stirnflächen Kontaktflächen (21, 22) für den Strom- und Wärmeübergang zwischen Kühler (2, 3) und Halbleiterventil (1) bilden, dass am genannten zentralen Teil Rippen (17, 18) vorgesehen sind, die sich wenigstens teilweise in Längsrichtung der Achse des Kühlers erstrecken, dass der aus den Halbleiterventilen (1) u^d den Halbleiterventilkühlern (2, 3) zusammengesetzte Block von einem enganliegenden Mantel (23) aus isolierendem Material umschlossen ist, und dass der genannte Block und der Mantel (23) zwischen zwei Jochen (4, 5) mittels Spannschrauben (6, 7, 8, 9) zu einer starren Säule verspannt ist.

2. Halbleiterventilsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Halbleiterventilkühler

- 2 - 66/77

parallel zu ihrer Achse verlaufen.

3. Halbleiterventilsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Halbleiterventilkühler schraubenförmig verlaufen.

4. Halbleiterventilsäule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Kalbleiterventilkühler rechtsgängig gewunden sind.

5· Halbleiterventilsäule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Halbleiterventilkühler linksgängig gewunden sind.

6. Halbleiterventilsäule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei benachbarte Kühler um eine halbe Rippenteilung in Umfangsrichtung gegeneinander verdreht sind.

7· Halbleiterventilsäule nach Anspruch 3.» dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen der Kühler gleichsinnig schraubenförmig gewunden sind und dass zwei benachbarte Kühler um eine halbe Rippenteilung in Umfangsrichtung gegeneinander verdreht sind.

* κ μ H » 4 · »

- 3 - 66/77

8. Halbleiterventilsäule nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen zweier benachbarter Kühler gegensinnig schraubenförmig verwunden und um eine halbe Bippenteilung in Umfangsrichtung gegeneinander verdreht sind.