DE2739520A1 - SEMI-CONDUCTIVE VALVE COOLER WITH CONDUCTOR ELEMENTS FOR A COOLANT FLOW AND SEMICONDUCTOR VALVE COLUMN WITH SEMI-CONDUCTIVE VALVE COOLERS - Google Patents
SEMI-CONDUCTIVE VALVE COOLER WITH CONDUCTOR ELEMENTS FOR A COOLANT FLOW AND SEMICONDUCTOR VALVE COLUMN WITH SEMI-CONDUCTIVE VALVE COOLERSInfo
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Abstract
Description
Halbleiterventilkühler mit Leitelementen für eine KUhl-Semiconductor valve cooler with guide elements for a cooling
mittelströmung und Halbleiterventilsäule mit solchen Halbleiterventilkühlern.medium flow and semiconductor valve column with such semiconductor valve coolers.
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.The present invention relates to a semiconductor valve cooler with Guide elements for a coolant flow, in particular for semiconductor valves in Disc design, with two plane-parallel contact surfaces for double-sided cooling of the semiconductor valve.
Ferner betrifft die Erfindung eine Halbleiterventilsäule mit erfindungsgemässen Halbleiterventilkühlern.The invention also relates to a semiconductor valve column with inventive Semiconductor valve coolers.
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.With high-current semiconductor valves, e.g. for power converters, arise Considerable electrical losses in a small space, so that considerable amounts of heat must be dissipated, so that physically determined limit temperatures of the active part of the silicon wafer forming the semiconductor stepped and thus their function is guaranteed.
Besonders hohe Anforderungen an die Kühlwirkung werden bei Fahrzeugstromrichtern gestellt, da diese bei verhältnismässig grosser Leistung möglichst platzsparend dimensioniert sein sollen.Vehicle power converters place particularly high demands on the cooling effect as this saves space as much as possible with a relatively high output should be dimensioned.
Aber auch bei stationären Stromrichteranlagen sind möglichst kleine spezifische Abmessungen erwünscht, um den baulichen Aufwand und damit die Herstellungskosten zu verringern.But also with stationary power converter systems are as small as possible specific dimensions are desirable in order to reduce the structural complexity and thus the manufacturing costs to reduce.
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.A known type of cooler for semiconductor valves consists of a plate of preferably square outline with plane-parallel indentations in both of its end faces to accommodate one Seice from two adjacent semiconductor valves. The periphery of this plate is designed as a flange over which the to be discharged Heat is given off to the cooling medium oil flowing past.
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.Depending on the required power of the converter, a certain Number of semiconductor valves one behind the other with coolers in between assembled into a column and by means of two yokes and tie rods to form a converter column tense. The required number of such columns is placed in a cauldron, through which a coolant flows.
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.The cooling effect is bad with this type of construction, because the flow occurs irregularly and flow or cooling shadows occur in which the heat dissipation is disturbed, so that there is a risk of local overheating.
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.In a further known design, the coolers consist of plate-shaped Hollow bodies through which the coolant flows transversely to the axis of the converter column that absorbs the resulting heat close to where it is generated and forwards. The cooling effect of these coolers is good, but they are complicated and expensive to build and because of the hoses and fittings required for the coolant supply also prone to failure.
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.The present invention is intended to address the disadvantages of known types of radiators avoided and a cooler created that is cheap to manufacture and its Cooling effect meets high demands.
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.The semiconductor valve cooler according to the invention is characterized in that that it has a central, compact part, the end faces of which have contact surfaces for the current and heat transfer between the cooler and the semiconductor valve, and that on said central part ribs are provided, which are at least partially extend in the longitudinal direction of the axis of the cooler.
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.The invention will be described below with reference to the drawings described in more detail. These show: FIG. 1 an elevation of a rectifier valve column, partially in section, FIG. 2 shows the floor plan of the rectifier column according to FIG. 1, FIG. 3 shows the circuit diagram of a valve column, FIG. 4 shows the diagram of a converter system with recooling device, and FIG. 5 shows the dependence of the thermal resistance three different semiconductor valve coolers on the coolant velocity.
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.The semiconductor valve column shown in Fig. 1 has a number one behind the other arranged semiconductor valves 1, with the interposition of semiconductor valve coolers 2 and 3 between two clamping yokes 4 and 5 by means of clamping screws 6 and 7, nuts 8 and 9, are clamped together to form a block. To ensure a tilt-free, axially and centrally acting transmission of the clamping forces to those from coolers and semiconductors To achieve composite column, pressure pieces 10 and are on the two yokes 11 with crowned Pressure surfaces 12 and 13 are provided. A disk 14 in conjunction with a pair of disc springs 15 and 16 on the pressure piece 11 to compensate for changes in length as a result of temperature changes.
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.From Fig. 2 go the shape of the coolers 2, 3 and their arrangement within the semiconductor valve column. The coolers have a star-shaped cross-section with 24 radially extending ribs 17 tapering towards their tip respectively.
18 mit abgerundeten Enden. Eine dieser Rippen ist jeweils länger ausgeführt und dient als Stromzuführungsschiene 19 bzw. 20.18 with rounded ends. One of these ribs is made longer and serves as power supply rail 19 or 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.The coolers 2, 3 are identical in terms of their cross-sectional shapes and can be manufactured economically from extruded profiles or as investment castings. When producing from an extruded profile, only one needs the cooler height appropriately long piece cut off and on the front sides, which the contact surfaces 21, 22 form with the semiconductor valve 1 to be machined.
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.As FIG. 2 shows, the cooler 3 following the cooler 2 is opposite the former twisted by half a rib division, so that its ribs 18 stand in the gap between the ribs 17.
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.The semiconductor valve column is electrically non-conductive by a jacket 23 Enclosed material, this jacket resting against the tips of the cooling fins 17, 18 and in this way closed flow channels in the area with the rib flanks of a cooler, i.e. that no overflow over the rib tips into a adjacent channel can be done.
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.For the implementation of the power supply rails, the jacket 23 slots 24, with the slots belonging to two adjacent coolers around about 1800 are offset against each other on the circumference of the jacket.
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.The jacket 23 is clamped between the two clamping yokes, the the free cross-section and thus the flow resistance of the semiconductor valve column but practically only negligibly impair or increase.
Fig. 3 zeigt ein Schaltschema einer solchen Halbleiterventilsäule, deren Elemente mit den in Fig. 1 verwendeten Bezugszahlen bezeichnet sind.Fig. 3 shows a circuit diagram of such a semiconductor valve column, the elements of which are denoted by the reference numerals used in FIG.
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.Fig. 4 shows schematically a converter system with a converter boiler 25 and a recooling device with a coolant supply line 26, a pump 27, a coolant return line 28 and a recooler 29. In the converter tank 25 the converter columns 30 are arranged, the from the coolant of flow through from the bottom to the top. These semiconductor valve columns 30 form in their Whole a converter. The coolant is used to discharge the in operation resulting heat loss from the pump 27 via the supply line 26 and a floor duct 31 from bottom to top through the formed by the cooling fins 17, 18 and the jacket 23 Pressed flow channels, collected in the collecting channel 32 above the columns 30 and via the return line 28 for the purpose of cooling through the recooler 29 and back into the Pump 27 directed.
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.As can be seen from FIG. 2, the flow around the radiator fins results in terms of heat dissipation, apart from the relatively minor impairment in the area of the clamping yokes or clamping screws, ideal conditions, whereby the present semiconductor cooler make better use of the capacity of Semiconductor valves permitted than with previously known semiconductor coolers.
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.The short heat flow paths result in ample cross-section a small heat conduction resistance RX, which together with the transition resistance R ~ that occurs between the heat-emitting radiator surface and the coolant, the thermal resistance R th is determined. R «depends on the heat dissipating cooler surface, so the number of ribs, and the heat transfer coefficient #> where the latter is in turn from the Reynolds number Re, i.e. j from the flow velocity, the density and the viscosity of the coolant and the geometry of the flow restriction depends. It also increases as the flow becomes more turbulent. All these Factors are favorably influenced in the present embodiment: those for one low transition resistance required large rib surface can easily realized by a corresponding number of ribs. The longitudinal ones Ribs provide a directed flow of coolant that allows higher speeds than with conventional coolers, which in combination with the stronger turbulence that is a consequence of the mutually offset ribs of adjacent coolers, a very good heat transfer is achieved.
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.Due to the radial arrangement and the large number of ribs the heat loss to be dissipated on many heat paths with low resistance for a short time Paths directed away from the point of origin and given off to the flowing coolant.
Auch werden hierbei Kühlschatten weitgehend vermieden.Cooling shadows are also largely avoided here.
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.The physical advantages of this type of cooler can be seen in the diagram according to FIG. 5. In it, the curve a shows the thermal resistance R th of a conventional cooler with an undirected coolant flow, in which the area d of the practically realizable coolant velocities V 0 is rather low and which therefore has a high thermal resistance. Lie much better the conditions in a semiconductor valve column with the subject lichen Coolers, the ribs of which are not twisted against each other, so the whole Align the length of the column. Curve b applies to them. Turns out to be even better the cooling effect when the ribs are twisted against each other, as described, what is expressed by curve c. Correspondingly for both versions significantly higher coolant speeds can be achieved with curves b and c a smaller scatter range e, so that accurate dimensioning of the semiconductor valve columns or the converter is possible. In addition, the converters to save space and material compared to conventional designs.
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.For better turbulence and a larger heat-dissipating rib surface or to obtain a longer flow path, the ribs could also be helical executed and either aligned with the adjacent cooler or mutually twisted ribs are arranged. It would also be possible to have two To use varieties of coolers with opposite screw sintering ribs, when combined to form a semiconductor valve column, a zigzag flow path results on the circumference of the column.
Claims (9)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| OAM | Search report available | ||
| OC | Search report available | ||
| 8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: LUECK, G., DIPL.-ING. DR.RER.NAT., PAT.-ANW., 7891 |
|
| 8131 | Rejection |