DE2659527A1

DE2659527A1 - Baueinheit fuer stromrichter mit wassergekuehlten leistungshalbleitern

Info

Publication number: DE2659527A1
Application number: DE19762659527
Authority: DE
Inventors: Dieter Ing Grad Schnell
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-12-30
Filing date: 1976-12-30
Publication date: 1978-07-06

Description

~1Baueinheit für Stromrichter mit wasserge-
killilten Leistungshalbleitern" Die Erfindung bezieht sich auf eine Baueinheit für Stromrichter mit wassergekühlten in Scheibenzellen eingehäusten leistungshalbleitern, welche Baueinheit die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale hat.
Es ist eine Stromrichterbaueinheit dieser Art offenkundig vorbenutzt und wird benutzt, bei welcher eine jede Scheibenzelle an ihren zwei Hauptflächen mit einer als Kühlvorrichtung dienenden, ähnlich wie eine Scheibenzelle schefienförmigen Metallkillildose direkt in Wärmekontakt steht und zusammen mit diesen zwei Kühldosen, die in einem Kühlwasserkreislauf liegen, zwischen zwei Stromschienen in einer Stapelbauform angeordnet sind.
Bei dieser Anordnung ist die Wasserkühlung der Halbleiter in den Scheibenzellen nahezu optimal wirksam.
Die Herstellungskosten für eine solche Baueinheit sind jedoch, wenn sie, wie z.B. bei einem Stromrichter in Brückenschaltung, mehr als zwei Scheibenzellen enthält, verhältnismäßig groß.
Von diesem Stande der Technik ausgehend stellte sich die Aufgabe, eine Xühlvorrichtung für Wasserkühlung von Scheibenzellen sowie auch eine Anordnung einer einfacher herzustellenden Stromrichterbaueinheit der eingangs angegebenen Art zu finden und zu schaffen, bei der eine optimal wirksame Wasserkühlung der leistungshalbleiter in Scheibenzellen ebenfalls möglich ist.
Eine solche Baueinheit für Stromrichter weist erfindungsgemäß die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale auf, nämlich daß die einzelnen Kühlvorrichtungen aus Kunststoff bestehende Kreisringkörper sind, die Rechteckquerschnitt haben und mit je zwei längs eines Kreisringdurchmessers miteinander fluchtenden Kanälen versehen sind, in deren an den Außenmantelflächen der Kreisringkörper befindlichen Mündungen zwei Schlauchnippel zum Anschluß an einen Kühlwasserkreislauf eingesetzt sind, und daß diese Kreisringkörper in der Stapelbauform abwechselnd- mit den Scheibenzellen zwischen je zwei Stromschienen angeordnet sind, die parallel zueinander ausgerichtet, in an den zwei Stirnflächen der Kreisringkörper befindlichen schienenbreiten Nuten eingepaßt sind und die vom Kühlwasser durchströmten Hohlräume der Kreisringkörper dicht abschließen.
Es wird ein Vorteil dieser Baueinheit darin gesehen, daß insbesondere die als Kühlvorrichtungen dienenden aus einem Kunststoff bestehenden Kreisringkörper mit geringem Kostenaufwand hergestellt werden können, indem sie von einem sogenannten Novotex-Norm-Rohr mit einer für die Wasserkühlung der Leistungshalbleiter in Scheibenzellen über die Stromschienen genügend großen lichten Weite scheibenweise und auch ausreichend dick abgeschnitt#n werden und die abgeschnittenen Ringkörper durch einfache Bearbeitungsvorgänge wie Fräsen und Bohren mit den erwähnten Nuten und Kanälen versehen werden.
Die in den Unteransprüchen 2 bis 4 gekennzeichneten Merkmale beziehen sich auf die Kreisringkörper und betreffen zweckmäßigerweise Ausgestaltungen sowie zweckmäßige weitere Ausbildungen der im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Hauptmerkmale gemäß der Erfindung. Hierdurch ergeben sich anordnungstechnische Vorteile hinsichtlich der an den Schlauchnippeln anzuschließenden Wasserschläuche sowie der an den Stromschienen der Baueinheit anzubringenden Stromanschlußleiter. Es wird speziell durch die Ausbildungsmerkmale nach Anspruch 3 und 4 sichergestellt, daß der Kühlwasserkreislauf einschließlich der Hohlräume der als Kühlvorrichtungen dienenden Kreisringkörper von den Stromschienen und den anderen Bestandteilen der Baueinheit wasserdicht abgeschlossen sind.
Die Kennzeichnungsmerkmale des Unteranspruchs 5 schließlich beziehen sichaif die Stromschienen der Baueinheit. Mit diesen Merkmalen werden diejenigen Stromschienen, die paarweise je einen Kreisringkörper zwischen sich haben, gegenseitig verdrehungssicher und auf Mindestabstand gehalten. Mittels in die Fixierlöcher der Stromschienen frei hineinragender Achsstifte an den Enden der Distanzstücke erhalten die Stromschienen ausreichend Bewegung#sweg bei der Druckkontaktierung der Scheibenzellen über diese Stromschienen und der hierbei bewirkten Abdichtung der Kreisringkörper im Kühlwasserkreislauf.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachstehenden Beschreibung erläutert. Es zeigt Figur 1 einen Durchmesserquerschnitt eines als Kühlvorrichtung dienenden Kreisringkörpers Figur 2 eine Draufsicht auf einen Kreisringkörper nach Figur 1 Figur 3 die Stapelbauform eines Stromrichterbausteinteiles in Seitenansicht mit einer Scheibenzelle und zwei Kühlvorrichtungen nach Figuren 1 und 2.
Gleiche Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen markiert.
Im folgenden wird auf die Figuren 1 und 2 der Zeichnung Bezug genommen.
Bei einem Stromrichterbaustein nach Figur 3 in Stapelbauform dienen als Kühlvorrichtungen, welche Scheibenzellen 1 mit leistungshalbleitern zugeordnet sind, Kreisringkörper 2 aus einem Kunststoff, beispielsweise einem Kunststoff mit der Bezeichnung 11Novotex-Norm". Diese sind, indem sie von einem Rohr aus Kunststoff mit einem zweckentsprechenden Innendurchmesser (lichte Weite) scheibenweise ebenfalls zweckentsprechend dick oder stark abgeschnitten werden, sehr einfach herstellbar. Die Kreisringkörper 2 haben Rechteckquerschnitt. Durch einfache Verarbeitung, nämlich Bohren und Fräsen, werden sie mit je zwei Kanälen 21, 22 versehen, die längs eines Kreisringdurohmessers miteinander fluchten. Ferner wird an den zwei Stirnflächen 23 und 24 der Kreisringkörper je eine Nut 25 bzw. 26 eingefräst, die so breit wie die Stromschienen 3 der Baueinheit sind. Im folgenden sind daher diese Nuten mit schienenbreit bezeichnet.
Die Mündungen 211 und 221 der Kanäle an der Außenmantelfläche 27 der Kreisringkörper werden mit je einer koaxialen Ansenkung 212 bzw. 222 und die Kanäle selbst mit je einem Innengewinde versehen, zum Einsetzen von je zwei Schlauchnippeln 4 und 5 mit je einem Flansch 41 und 51 sowie mit je einem Rohrstutzen 42 und 52 in die Kanäle 21 und 22. Innerhalb der in den zwei Stirnflächen 23 und 24 der Kreisringkörper eingefrästen schienenbreiten Nuten 25 und 26 befindet sich je eine koaxial angeordnete Kreisnut 251 bzw. 261 für einen Dichtungsring. In der Stapelbauform (Fig. 3) wird mittels der Dichtungsringe 251', 261' der Hohlraum 28 eines jeden Kreisringkörpers 2 beiderseits durch je ein Paar Stromschienen 3 dicht abgeschlossen, die in die schienenbreiten Nuten 25 und 26 eingefügt sind.
Das Volumen des Hohlraumes 28 der Kreisringkörper wird zur optimalen Wasserkühlungder in den Scheibenzellen 1 befindlichen leistungshalbleiter bemessen. In der Stapelbauform nach Fig. 3 ist jede Scheibenzelle abwechselnd mit einem Kreisringkörper (wie auch die Kreisringkörper) zwischen je zwei Stromschienen 3 angeordnet, wobei unmittelbar die Stromschinen mit dem durch die Hohlräume 28 der Kreisringkörper fließenden Kühlwasser in Wärmekontakt liegen. In der Bemessung des Volumens des Hohlraumes 28 kommt es darauf an, daß die lichte Weite optimal im Verhältnis zur Dicke der Kreisringkörper 2 gewählt wird, damit über die dem fließenden Kühlwasser ausgesetzten Kreis flächen der Stromschienen 3 eine möglichst große Wärmemenge in das in der Zeiteinheit durch den Hohlraum hindurchgesetzte Wasservolumen abgeführt wird.
Nach Fig. 3 ist eine Scheibenzelle 1 mittels zweier an ihren zwei Kontaktierflächen anliegender Kontaktierscheiben 11 und 12 als Zwischenlagen zwischen zwei Stromschienen 3 angeordnet.
Eine nach Fig 3 in Stapelbauform zusammengesetzte Baueinheit kann regulär mehrere Halbleiterzellen 1 enthalten, die in einer beliebigen Stromrichterschaltung elektrisch miteinander verbunden sind. Die Verbindungsstromleiter sind an den Stromschienen 3 angeschlossen, was in Fig. 3 nicht dargestellt wird.
Ebenfalls nicht dargestellt sind Schlauchlei tungen des ffühlwasserkreislaufs, die an den Schlauchnippeln 4 und 5 anzuschließen sind. Wie die Fig. 3 zeigt, ist zwischen je zwei einen Kreisringkörper 2 dicht abschließenden Stromschienen 3 ein zylinderförmiges Distanzstück 31 mit zwei an dessen Stirnflächen befindlichen Achsstiften oder Zentrierstiften 311, 312 eingesetzt. Die Stromschienen werden damit paarweise parallel zueinander gehalten. Die Achsstifte ragen in entsprechende Fixierlöcher 32 der Stromschienen hinein, so daß die Fixierlöcher genügend Tiefgang haben müssen.
Bei den zwei Kreisringkörpern 2 der Stromrichterbaueinheit in Stapelbauform nach Fig. 3 fluchten die je zwei Kanäle 21 und 22 miteinander vorzugsweise unter einem rechten Winkel zur Richtung der Nuten 25, 26 und der zugeordneten Paare Stromschienen 3, so daß alle Stromschienen rechtwinklig zu den Schlauchnippeln 4 und 5 von der Stapelbauform abgehen. Es richtet sich jedoch nach anordnungstechnischen Erfordernissen, ob zweckmäßig alle oder nur ein Teil der Stromschienen rechtwinklig oder schiefwinklig von der Stapelbauform abgehen sollen.
Eine Baueinheit in Stapelbauform gemäß der Erfindung kann mit Hilfe einer geeigneten aber beliebigen Einspannvorrichtung zur Druckkontaktierung der Leistungshalbleiter in sich zusammengehalten werden.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: baueinheit für Stromrichter mit wassergekühlten in Scheibenzellen eingehäusten Leistungshalbleitern, bei der den Scheibenzellen Kühlvorrichtungen zugeordnet sind und diese Scheibenzellen, gegebenenfalls mittels an ihren Kontaktierflächen anliegender Kontaktierscheiben als Zwischenlagen, zwischen je zwei Stromschienen angeordnet sind und zusammen mit diesen in einer Stapelbauform druckkontaktierbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kühlvorrichtungen aus Kunststoff bestehende Kreisringkörper (2) sind, die Rechteckquerschnitt haben und mit je zwei längs eines Kreisringdurchmessers miteinander fluchtenden Kanälen (21, 22) versehen sind, in deren an den Außenmantelflächen (27) der Kreisringkörper befindlichen Mündungen (211, 221) zwei Schlauchnippel (4, 5) zum Anschluß an einen Kühlwasserkreislauf eingesetzt sind, und daß diese Ereisringkörper in der Stapelbauform abwechselnd mit den Scheibenzellen (1) ebenfalls zwischen je zwei Stromschienen (3) angeordnet sind, die parallel zueinander ausgerichtet, in an den zwei Stirnflächen (23, 24) der Kreisringkörper befindlichen schienenbreiten Nuten (25, 26) eingepaßt sind und die vom Kühlwasser durchströmten Hohlräume (28) der Ereisringkörper dicht abschließen.
2. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den Kreisringkörpern (2) der Stapelbauform die zwei Kanäle (21, 22) miteinander unter einem rechten Winkel zur Richtung der schienenbreiten Nuten (25, 26) und der darin eingepaßten Stromschienen fluchten.
3. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Kanäle (21, 22) Innengewinde haben und ihre Mündungen (211, 221) an der Außenmantelfläche (27) der Kreisringkörper (2) mit je einer koaxialen Ansenkung (212, 222) versehen sind.
4. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den zwei Stirnflächen (23, 24) der Kreisringkörper (2) innerhalb der schienenbreiten Nuten (25, 26) je eine Kreisnut (251, 261) für einn Dichtungsring (251', 261') angeordnet ist.
5. Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei einen Kreisringkörper (2) dicht abschlie-Benden Stromschienen (3) ein zylinderförmiges Distanzstück (31) mit zwei an dessen Stirnflächen befindlichen Achsstiften (311, 312),die in Fixierlöcher (32) der Stromschienen (3) hineinragen, eingesetzt ist.