Brevet FR2379912A1 — publié le 19780901

La présente invention concerne un procédé de refroidissement d'éléments de convertisseur statique de puissance a semiconducteurs, et notamment d'unités de convertisseur statique formant un disjoncteur moyenne tension et constituées par des éléments de convertisseur statique de puissance a semiconducteurs et les éléments de commande et de protection nécessaires, à l'aide d'un fluide primaire de refroidissement (inerte), isolant, bas point d'ébullition et a rigidité diélectrique suffisante, se trouvant a l'ébullition au moins a la charge nominale des éléments de convertisseur statique a semiconducteurs et circulant aussi dans un circuit secondaire de refroidissement. L'invention concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les éléments de convertisseur statique a semiconducteurs ou les unités de convertisseur statique sont logés dans un réservoir fermé, avec le fluide primaire de refroidissement qui le remplit partiellement. Selon une autre caractéristique de l'invention, un seul échangeur de chaleur est affecté a plusieurs réservoirs selon une autre caractéristique encore de l'invention, un second échangeur de chaleur est prévu dans le circuit secondaire de refroidissement du condenseur, a l'extérieur du réservoir. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris a l'aide de la description détaillée cidessous et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 représente un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention; la figure 2 représente un second dispositif, dans lequel la condensation de la vapeur s'effectue dans le liquide primaire de refroidissement; la figure 3 représente un autre dispositif, utilisant un fluide caloporteur intermédiaire; la figure 4 représente le schéma de principe d'un dispositif de refroidissement; et la figure 5 une colonne de thyristors séparés par des radiateurs. Le dispositif selon figure i comprend un réservoir 1, dont l'enceinte 4 contient a sa partie inférieure le fluide primaire de refroidissement isolant, a bas point d'ébullition et à grande rigidité diélectrique, ainsi que dans son compartiment 5 la partie vaporisée du fluide primaire de refroidissement, dans laquelle se trouve un échangeur de chaleur 6 avec ses canalisations 7 et 8. Dans le fluide primaire de refroidissement se trouve l'unité de convertisseur statique 2, qui comprend les élé- ments a semiconducteurs 3, qui sont généralement des thyristors, mais aussi des diodes et des transistors de puissance.Dans de nombreux cas, tels que la constitution d'un disjoncteur noyenne tension, il est nécessaire de brancher plusieurs unités de ce type en série, selon la valeur de la tension de service. Les thyristors 3 (ou diodes) et les radiateurs 11 interposes (cf. figure 5) constituant une colonne d'une telle unité 2 de convertisseur statique sont par suite assemblés de façon connue. Plusieurs colonnes de ce type peuvent aussi être refroidies dans un réservoir 1. Il en est de même pour des éléments de convertisseur statique branchés en parallèle. Il est recommandé de disposer aussi les éléments d'équipement, tels que condensateurs et résistances, et les éléments de commande, tels que transformateurs et amplificateurs de puissance d'#amorçage, dans le réservoir 1, de sorte qu'ils sont refroidis également par le fluide primaire. L'ensemble du dispositif précédemment décrit constitue pratiquement un convertisseur statique, qui peut également faire partie d'un équipe- ment (plus important). Dans le cas d'un défaut d'un élément de convertisseur statique 3 (thyristor) par exemple, il est ainsi possible de remplacer l'ensemble du convertisseur statique par une unité de rechange, de procéder a la remise en état, puis de le conserver comme unité de réserve. Il est alors recommandé de monter le convertisseur statique dans une baie, avec une fixation amovible. Le fluide primaire de refroidissement doit être inerte ou tout au moins non corrosif pour les matériaux utilisés dans le convertisseur statique, le réservoir 1 et le circuit de refroidissement 6, 7, 8, afin de ne pas les attaquer chimiquement ou électrochimiquement; il doit en outre être isolant et présenter une rigidité diélectrique suffisante. On utilise des liquides à bas point d'ébullition, connus pour la plupart dans la technique du froid et ayant un point d'ébullition inférieur à 60-70 OC. On obtient ainsi des températures suffisamment faibles des éléments de convertisseur statique a semiconducteurs, à condition que les radiateurs 11 soient dimensionnés en conséquence et notamment que les bulles puissent s'élever librement dans le compartiment vapeur, dans les perçages verticaux 14 par exemple (cf. figure 5). Il convient évidemment aussi d'assurer une puissance frigorifique suffisante de l'échan geur de chaleur 6, afin de pouvoir condenser une quantité suffisante de vapeur. Un échangeur de chaleur, construit sur le modèle des radiateurs d'automobile, se prête remarquablement bien à cette application. Il utilise de l'eau de refroidissement ordinaire comme fluide secondaire, mais ce dernier peut être aussi de l'air comprimé ou de l'huile. La puissance frigorifique spécifique élevée du procédé de refroidissement selon l'invention permet toutefois d'envisager aussi un refroidissement suffisant des éléments de convertisseur statique à semiconducteurs sans utilisation de radiateurs, dans le cas de dissipations modérées. Des hydrocarbures fluorochlorés sont de bons fluides primaires de refroidissement. Ils sont commercialisés sous le nom de Frigen (les Frigen 113 et li convenant particulièrement bien dans le cas considéré) ou de Fluorcarbon (FC 78 par exemple). Les noms repérés par un astérisque sont des marques déposées. Les connexions électriques doivent être sorties du réservoir 1 avec étanchéité, ce qui ne soulève aucune difficulté particulière du fait des faibles pressions. Il est souvent même recommandé d'ajuster la pression dans le réservoir 1 de façon qu'elle n'atteigne la pression atmosphérique qu'au voisinage de la puissance nominale du convertisseur statique. Cette solution présente l'avantage suivant :le passage soudain d'une charge réduite a la charge nominale produit l'ébullition immédiate du fluide primaire de refroidissement, et même en cas de réduction de la charge avec une pression tombant nettement au-dessous de la pression atmosphérique, l'ébullition se poursuit, de sorte qu'un bon refroidissement est toujours garanti. Le dispositif décrit repose sur le principe de la figure 1, qui s'est révélé être supérieur à celui des figures 2 et 3. Il est possible de faire circuler le fluide secondaire de refroidissement, de liteau par exemple, en circuit ouvert dans l'échangeur de chaleur 6 ou dans un circuit fermé, avec refroidissement dans un second échangeur de chaleur. Une autre variante favorable de ce principe consiste à ne pas condenser les vapeurs du fluide primaire de refroidissement dans le réservoir 1, mais à relier l'échangeur de chaleur 6 prévu à cet effet au réservoir 1, par les canalisations 7, 8 (cf. figure 4). Une autre réalisation pratique favorable consiste à faire passer par exemple tous les raccords à travers un couvercle amovible du réservoir et à fixer l'échangeur de chaleur 6 et l'unité de convertisseur statique 2 sur le couvercle. Le couvercle étant fixé dans une baie par exemple, la sortie du réservoir donne alors immédiatement accès aux pièces internes, sans desserrage d'aucun raccord. Il est naturellement possible aussi de fixer tous les éléments sur le fond et les parois latérales du réservoir 1, le couvercle étant alors librement amovible. Le principe de refroidissement selon l'invention permet d'obtenir une température relativement constante dans le réservoir 1, car le refroidissement par le fluide primaire n'est guère efficace a vide ou a charge réduite, par suite de la faible ébullition produite par la dissipation correspondant a ces faibles puissances, mais suffit parfaitement dans les autres cas. En vue d'obtenir une température constante, il est également recommandé de disposer par principe la colonne de convertisseur statique horizontalement et de-régler le niveau du fluide primaire de refroidissement de façon qu'il ne recouvre que partiellement les radiateurs au repos. Le bouillonnement du liquide primaire de refroidissement, produit par une ébullition importante, assure le mouillage total des radiateurs, au moins par des gouttelettes entrainées, et la puissance frigorifique est portée à sa valeur nominale, voire au-delà. Dans le cas du dispositif selon figure 4, il est de même recommandé de fixer le niveau du fluide de refroidissement dans l'échangeur 6, distinct du réservoir 1, de façon qu'il se trouve au repos légèrement au-dessus du bord inférieur des éléments de refroidissement. Une variation soudaine de la charge, à partir du repos par exemple, élève alors brièvement le niveau du fluide primaire de refroidissement dans le réservoir 1, car ce fluide, a l'exception de la partie initiale condensée, se trouve sensiblement a la température de l'eau de refroidissement, avec par suite une faible tension de vapeur. Il est également possible de faire circuler l'eau de refroidissement, constituant le fluide secondaire le plus simple, dans un circuit fermé, avec refroidissement par de l'air par exemple dans un second échangeur de chaleur. L'eau de refroidissement se comporte favorablement en tampon, car elle peut servir d'accumulateur de chaleur. Un circuit secondaire de refroidissement a air uniquement est toutefois possible aussi. Les dispositifs selon l'invention présentent l'avantage important suivant : les fluides primaires de refroidissement sont de bons isolants et le réservoir 1 est à potentiel flottant quand les pièces sous tension sont fixées ou guidées par ranport à ce dernier avec isolation. Il convient de procéder au remplissage du système fermé, en éliminant l'oxygène avec de l'azote sous une pression correspondant a sa tension partielle dans l'air, à la température ambiante. La même condition est assurée pour le fluide primaire de refroidissement. En interdisant la diffusion de molécules parasites (02) dans le réservoir (à travers les joints d'étanchéité en particulier), on obtient pratiquement des conditions de transmission de la chaleur constantes pendant toute la durée de vie du dispositif, à condition que la puissance frigorifique du circuit secondaire de refroidissement demeure constante. La réalisation du réservoir 1 selon des considérations de technique du vide, avec une forme cylindrique circulaire par exemple, réduit notablement les difficultés dues à l'étanchéité du couvercle. Le principe de la figure 2 est identique à celui de la figure 1, sauf que la condensation de la vapeur se produit dans certaines conditions à l'intérieur du liquide primaire de refroidissement, car l'échangeur de chaleur 6 est disposé dans ce cas au-dessous du niveau de ce fluide et le refroidit déjà notablement. Le dispositif selon figure 2 exige un volume de fluide primaire de refroidissement supérieur à celui du dispositif selon figure 1. Le dispositif selon figure 3 exige un fluide caloporteur intermédiaire, c'est-à-dire un fluide de refroidissement qui assure le transport de la chaleur entre le fluide primaire de refroidissement et l'échangeur de chaleur (et par suite aussi au fluide secondaire). La transmission de chaleur entre le fluide caloporteur intermédiaire et le fluide primaire de refroidissement s'effectue sur leur interface, constituée dans ce cas par une cloison 9. Il est toutefois possible aussi de supprimer la cloison, car l'eau de refroidissement utilisée par exemple comme fluide caloporteur intermédiaire a un poids spécifique inférieur à celui des fluides primaires de refroidissement précités, de sorte que la transmission de chaleur s'effectue simplement sur l'interface des deux fluides. Comme précédemment indique, la solution selon figure 1 ou 4 demeure la meilleure pour la plupart des applications, car elle assure les coefficients de transmission thermique les plus élevés. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par lthomme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquementâtitre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Procédé de refroidissement d'éléments de convertisseur statique de puissance à semiconducteurs, et notamment d'unités de convertisseur statique formant un disjoncteur moyenne tension et constituées par des éléments de convertisseur statique de puissance à semiconducteurs et les éléments de commande et de protection nécessaires, à l'aide d'un fluide primaire de refroidissement (inerte), isolant, à bas point d'é bullition et à rigidité diélectrique suffisante, set#trouvant à l'ébul lition au moins à la charge nominale des éléments de convertisseur statique à semiconducteurs et circulant aussi dans un circuit secon daire de refroidissement, ledit procédé étant caractérisé en ce que les éléments de convertisseur statique à semiconducteurs ou les unités de convertisseur statique sont logés dans un réservoir fermé, avec le fluide primaire de refroidissement qui le remplit partiellement. 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que la pression dans le réservoir fermé est ajustée de façon à être sensiblement égale à la pression atmosphérique à la charge nominale des éléments de conver tisseur statique à semiconducteurs. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé par un échangeur de chaleur, servant unique ment de condenseur et disposé dans le compartiment vapeur du réservoir, à l'extérieur du fluide primaire de refroidissement. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des reven dications 1 et 2, caractérisé par un unique échangeur de chaleur, disposé à l'extérieur du fluide primaire de refroidissement. 5. Procédé selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chaleur dissipée est évacuée par un fluide caloporteur intermédiaire, en contact thermique avec le fluide primaire de refroidissement sur une interface dans le réservoir fermé. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon revendication 5, caractérisé en ce que l'interface est constituée par une cloison. 7. Procédé selon revendication 5, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est disposé dans le fluide caloporteur intermédiaire. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une des revendi cations 1 et 2, caractérisé en ce qu'un seul échangeur de chaleur se trouve à l'extérieur di réservoir1 auquel il est relié par des canalisations. 9. Dispositif selon revendication 8, caractérisé en ce qu'un seul échangeur de chaleur est affecté à plusieurs réservoirs. 10. Dispositif selon une quelconque des revendications 3, 8 et 9, caractérisé en ce qu'un second échangeur de chaleur est prévu dans le circuit secondaire de refroidissement du condenseur, à l'extérieur du réservoir. 11. Dispositif selon une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que le niveau du fluide primaire de refroidissement est ajusté au repos, de façon à ne recouvrir qu'une partie de la hauteur des radiateurs. 12. Dispositif selon revendication 11, caractérisé en ce que le niveau du fluide primaire de refroidissement au repos dépasse légèrement le bord inférieur des éléments ou du circuit de refroidissement de l'échan- geur de chaleur. 13. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1, 2, 5 et 7, caractérisé en ce qu'une unité de convertisseur statique est constituée par des diodes ou thyristors séparés par des radiateurs et formant une colonne. 14. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le réservoir est réalisé selon des facteurs de technique du vide; et le système fermé est rempli avec de l'azote à a une pression correspondant à sa tension partielle dans l'air atmosphérique, à la température ambiante.