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Kühlkörper für Halbleitergleichrichter Es sind Kühlkörper zur Luftkühlung
von Halbleitergleichrichtern, z. B. Germanium- oder Siliziumgleichrichtern, bekannt,
die meist so ausgebildet sind, daß die Verlustwärme über Kühlrippen an den Luftstrom
abgegeben werden, der von einem besonderen Lüfter erzeugt wird. Der Nachteil solcher
Anordnungen liegt darin, daß sie nur einen bestimmten Wärmedurchsatz abführen können.
Treten strommäßige Überlastungen ein, dann kann es vorkommen, daß der Luftstrom
bzw. die Größe der Kühlflächen der Rippen nicht mehr ausreicht, um die Wärme abzuführen,
und dann kann der Fall eintreten, daß die zulässige Grenztemperatur der Halbleiterschicht
überschritten wird. Aus diesem Grunde müssen solche Gleichrichterschaltungen bzw.
ihre Kühleinrichtungen für die höchste betriebsmäßig auftretende Leistung bzw. den
höchsten Betriebsstrom bemessen werden. Dieser höchste Betriebsstrom kann aber den
Nennstrom um ein Mehrfaches überschreiten, und es gibt Antriebe, bei denen dieser
höchste Strom nur für eine verhältnismäßig kurze Zeit vorhanden ist. Als Beispiel
sei ein Gleichrichter für ein elektrisches Triebfahrzeug angeführt. Die Stromverhältnisse
bei einem Arbeitsspiel, d. h. bei der Fahrt zwischen zwei Haltepunkten, ergeben
sich aus Fig. 1. Hier erfolgt im Zeitpunkt Null die Anfahrt mit einem Strom, der
etwa doppelt so hoch ist als der Dauerstrom Id, für den der Gleichrichter bemessen
sein muß. Im Zeitpunkt t1 ist die Anfahrt beendet, und es folgt nun die Streckenfahrt,
bei der der Strom immer mehr abnimmt und meist sogar unter den Dauerstrom sinkt.
Im Zeitpunkt t2 schließt sich dann der Auslauf des Fahrzeugs an, wobei der Strom
auf Null zurückgeht. Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 erfolgt die Bremsung, bei
der der Gleichrichter gleichfalls nicht mehr stromführend ist. Der Gleichrichter
bzw. seine Kühleinrichtungen müssen aber so bemessen sein, daß sie den Strom in
der Anfahrperiode, d. h. bis zum Zeitpunkt t1, ohne schädliche Erwärmung zu führen
vermögen. Um eine solche intermittierend auftretende Stromwärme aufzunehmen, ist
bereits ein Wärmeübertrager bekannt, der aus mehreren Teilen großer Oberfläche besteht.
Dabei kann es sich um die Platten eines Trockengleichrichters handeln. An diesen
Platten wird ein Kühlmittel entlanggeführt, und zwischen den Platten sind Stücke
aus wärmespeicherndem Material, wie Kugeln, Ringe od. dgl., angeordnet. Offenbar
sollen diese Kugeln die Wärme aus den Gleichrichterplatten durch direkte Wärmeleitung
an sich ziehen und nachher an den Kühlluftstrom abgeben. Da diese Kugeln im Luftstrom
liegen, wird durch ihre Anbringung eine Vergrößerung der wärmeabgebenden Oberfläche
und außerdem eine Wirbelbildung der Kühlluft erreicht. Allerdings muß der ganze
Gleichrichter von einer ihn eng umschließenden Hülle umgeben sein, damit die Kugeln
ihre Lage zwischen den Platten behalten. Durch eine solche Hülle wird aber die Kühlwirkung
zweifelsfrei wieder herabgesetzt. Auch läßt sich bei einer Anordnung dieser Art
die Kühlwirkung kaum exakt vorausberechnen..
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Es ist auch ein Halbleitergleichrichter für hohe Stromstärken, insbesondere
für intermittierenden Betrieb, bekannt, bei dem das Halbleiterelement am Boden eines
aus Metallblech gezogenen Napfs sitzt, der den Deckel eines topfförmigen Gehäuses
bildet, in dessen mit einer Flüssigkeit hoher Wärmekapazität gefüllten Innenhohlraum
der Napf hineinragt und einen Wärmekontakt zwischen dem Halbleiterelement und der
Flüssigkeit bildet. Dabei wird nur ein Teil der Oberfläche des Halbleiters in Berührung
mit dem Napf bzw. der Speicherflüssigkeit gebracht, so daß für den Wärmeübergang
nur diese recht geringe Fläche zur Verfügung steht. Außerdem muß die ganze anfallende
Wärme, gleichgültig, ob sie vom Dauerbetrieb oder von einer stoßweisen Überlastung
herrührt, zunächst von der Speicherflüssigkeit aufgenommen und dann allmählich durch
die Wand des topfförmigen Gehäuses an die Umgebung abgegeben werden. Dieser Topf
muß daher beträchtliche Abmessungen erhalten, zumal die Topfwand gleichzeitig als
Stromleiter dient, also bereits durch den Stromdurchgang erwärmt wird und somit
das Temperaturgefälle zwischen der Topfwand und der Speicherflüssigkeit verringert,
d. h. die Wärmeübertragung verschlechtert.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühlkörper für Halbleitergleichrichter,
dessen Kühlrippen so bemessen sind, daß sie in Verbindung mit den übrigen Teilen
des Kühlkörpers und mit der Menge und der Temperatur der Kühlluft die durch den
Dauerstrom erzeugte Wärme abzuführen vermögen. Erfindungsgemäß ist die Anordnung
so getroffen, daß neben den Kühlrippen weitere rippenförmige, von der Kühlluft bestrichene
Teile des Kühlkörpers vorgesehen sind, die hohl ausgebildet
und
mit einem wärmespeichernden Material gefüllt sind. Es wird also, soweit der Dauerbetrieb
in Frage kommt, die übliche bewährte Kühleinrichtung mit Kühlrippen angewandt, die
sich hinsichtlich der Fläche der Kühlrippen, der Temperatur und der Menge der Kühlluft
exakt vorausberechnen läßt. Zusätzlich sind weitere hohle Kühlrippen vorhanden,
die mit einem wärmespeichernden Material gefüllt sind. Das Speichermaterial ist
somit von dem Kühlmittelstrom getrennt. Als Wärmespeicher kann ein schmelzbarer
Stoff dienen, so daß für die Wärmespeicherung auch seine Schmelzwärme herangezogen
wird. Auf diese Weise wird eine einfach aufgebaute und zuverlässige Kühleinrichtung
mit nur geringem Aufwand geschaffen, die sowohl die beim Dauerbetrieb als auch bei
gelegentlichen Überlastungen auftretende Wärme von dem Halbleitergleichrichter schnell
abzuführen und danach an die Umgebung abzugeben vermag. In der Zeichnung Fig. 2
bis 4 sind einige Ausführungsbeispiele für Kühlkörper dieser Art dargestellt.
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Bei dem Kühlkörper nach Fig. 2 bezeichnet 1 die Grundplatte des Kühlkörpers,
die in möglichst guter wärmeleitender Verbindung mit dem nicht dargestellten Halbleitergleichrichter
steht. An diese Grundplatte 1 sind Kühlrippen 2 angebaut, zwischen denen wie üblich
ein Luftstrom hindurchgeführt wird. Außerdem sind aber Speicherkörper 3 vorhanden,
die ebenfalls die Form von Kühlrippen haben, so daß ihre wärmeabgebende Oberfläche
möglichst groß ist. Diese Speicherkörper sind aber hohl und mit einem Material gefüllt,
das eine möglichst große spezifische Wärme aufweist. Dabei ist vor allem an Wasser
oder Glyzerin oder 3lischungen aus beiden und an andere organische Stoffe gedacht.
Bei der Verwendung von Paraffin als Wärmespeicher kommt noch der folgende günstige
Umstand hinzu: Paraffin besitzt einen Schmelzpunkt von etwa -f-50° C. Wird diese
Temperatur erreicht, so kann also auch noch die Schmelzwärme des Paraffins ausgenutzt
werden, die in Zeiten geringerer Belastung durch die ständig wirkende Luftkühlung
wieder abgeführt wird.
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Fig.3 zeigt eine etwas andere Ausführungsform des Kühlkörpers mit
der Grundplatte 1 und den Kühlrippen 2. Die Kühlkörper 3, die ein Speichermaterial
enthalten, sind in diesem Fall so gestaltet, daß zwischen ihnen Hohlräume4 vorhanden
sind, zwischen denen die Kühlluft hindurchtreten kann.
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Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist zwischen mehreren Kühlrippen 2 ein
Speicherkörper 3 vorhanden, der mit dem erwähnten wärmespeichernden Material gefüllt
ist. Die Wandungen des Speicherkörpers haben die Form eines Wehrohres, das eine
gewisse Elastizität besitzt und Wärmedehnungen des Speichermaterials gut aufnehmen
kann. Man wird jedoch auch bei den Ausführungsformen Fig.2 und 3 darauf achten,
daß die Kühlkörper 3 in der Lage sind, Volumenänderungen des Speichermaterials aufzunehmen.
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Mit Anordnungen dieser Art ist es möglich, Halbleitergleichrichter
so zu bemessen, daß die Auslegung nicht mehr für den höchsten auftretenden Strom,
sondern für einen geringeren Strom erfolgen kann. Der für die Bemessung maßgebliche
Strom hängt dabei von der Art des Belastungsspieles ab.