DE2659527A1 - Water-cooled power rectifier system - has individual units arranged in round elements stacked together with corresponding bus=bars - Google Patents

Water-cooled power rectifier system - has individual units arranged in round elements stacked together with corresponding bus=bars

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Abstract

Rectifiers are built in disc-shaped units with allocated cooling devices. They are arranged as intermediate layers between two busbars, and assembled with them in a compressed stack. Individual cooling devices are plastics annular elements (2) with rectangular cross-section, each with two channels (21, 22) and two hose nipples (4, 5) for cooling water connection. When stacked, they alternate with the busbars, for which grooves (25, 26) are made in the annular elements (2).

Description

~1Baueinheit für Stromrichter mit wasserge-~ 1 unit for converters with water

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.killilten power semiconductors "The invention relates to a Unit for power converters with water-cooled power semiconductors encased in disk cells, which structural unit the features specified in the preamble of claim 1 Has.

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.A converter module of this type is obviously previously used and is used in which each disc cell on its two major surfaces with one serving as a cooling device, similar to a disk-shaped cell Metal kill box is in direct thermal contact and together with these two cooling boxes, which are in a cooling water circuit, between two busbars in a stack design are arranged.

Bei dieser Anordnung ist die Wasserkühlung der Halbleiter in den Scheibenzellen nahezu optimal wirksam.In this arrangement, the water cooling is the semiconductor in the disc cells almost optimally effective.

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.The manufacturing costs for such an assembly are, however, if they, e.g. with a converter in a bridge circuit, have more than two disk cells contains, relatively large.

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.Based on this state of the art, the task arose a cooling device for water cooling of disc cells as well as an arrangement a converter module of the type specified at the beginning, which is easier to manufacture Kind to find and to create, in which an optimally effective water cooling the power semiconductor in disc cells is also possible.

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.According to the invention, such a structural unit for power converters has the in patent claim 1 characterized features, namely that the individual cooling devices are made of plastic annulus bodies that have a rectangular cross-section and each provided with two channels aligned with one another along a circular ring diameter are, in their mouths located on the outer circumferential surfaces of the annular body two hose nipples are used for connection to a cooling water circuit, and that this circular ring body in the stack design alternates with the disc cells are arranged between two busbars that are aligned parallel to each other, in rail-wide grooves located on the two end faces of the circular ring bodies are fitted and the cavities of the annular bodies through which the cooling water flows close tightly.

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.It is seen as an advantage of this structural unit that in particular the circular ring bodies made of a plastic and used as cooling devices can be produced at low cost by using a so-called Novotex standard tube with one for water cooling of the power semiconductors in disk cells Sufficiently large clear width across the busbars in slices and also sufficient thick cut # n and the cut ring bodies by simple machining operations how milling and drilling are provided with the mentioned grooves and channels.

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.The features characterized in the subclaims 2 to 4 relate refer to the circular ring body and expediently relate to configurations as well expedient further developments of the main features characterized in claim 1 according to the invention. This results in technical arrangement advantages with regard to the one to be connected to the hose nipples Water hoses as well the power connection conductor to be attached to the busbars of the structural unit. It will specifically ensured by the training features according to claim 3 and 4 that the cooling water circuit including the cavities of those serving as cooling devices Annular body from the busbars and the other components of the assembly are watertight.

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.Finally, the characterizing features of sub-claim 5 relate secure the busbars of the unit. With these traits there will be those Busbars that have a circular ring body between each other in pairs torsion-proof and kept at a minimum distance. Means in the fixing holes of the Get busbars protruding axle pins at the ends of the spacers the busbars have sufficient movement # sweg when pressure contacting the disc cells via these busbars and the sealing of the circular ring body effected in this way in the cooling water circuit.

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.An embodiment of the invention is shown in the drawing and explained in the description below. FIG. 1 shows a diameter cross section a circular ring body serving as a cooling device, FIG. 2 shows a plan view a circular ring body according to Figure 1 Figure 3 the stack design of a converter module part in side view with a disk cell and two cooling devices according to the figures 1 and 2.

Gleiche Elemente in den Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen markiert.The same elements in the figures are given the same reference symbols marked.

Im folgenden wird auf die Figuren 1 und 2 der Zeichnung Bezug genommen.Reference is made below to FIGS. 1 and 2 of the drawing.

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.In the case of a converter module according to FIG. 3, used in a stack design as cooling devices, which disk cells 1 assigned to power semiconductors are, circular ring body 2 made of a plastic, for example a plastic with the designation 11Novotex standard ". These are made by being made of a plastic tube with an appropriate inner diameter (clear width) also in slices appropriately thick or severely cut off, very easy to manufacture. The circular ring bodies 2 have a rectangular cross-section. By simple processing, namely Drilling and milling, they are each provided with two channels 21, 22, which are along one The circular ring diameter are aligned with each other. Furthermore, on the two end faces 23 and 24 of the annular body each milled a groove 25 and 26, which are as wide as the busbars 3 of the unit are. In the following these grooves are therefore with labeled as wide as a rail.

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.The mouths 211 and 221 of the channels on the outer jacket surface 27 of the Annular bodies are each with a coaxial countersink 212 or 222 and the channels each provided with an internal thread for inserting two hose nipples 4 and 5 each with a flange 41 and 51 and each with a pipe socket 42 and 52 into the channels 21 and 22. Within the two end faces 23 and 24 of the annular body milled, rail-wide grooves 25 and 26 are each one coaxially arranged Circular groove 251 or 261 for a sealing ring. In the stack design (Fig. 3) the cavity 28 of each annular body by means of the sealing rings 251 ', 261' 2 on both sides by a pair of busbars 3 tightly sealed into the Rail-wide grooves 25 and 26 are inserted.

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.The volume of the cavity 28 of the annular body becomes the optimum Water cooling of the power semiconductors located in the disk cells 1. In the stacked construction according to FIG. 3, each disk cell is alternately with a circular ring body (as well as the circular ring body) arranged between two busbars 3, wherein directly the power rails with the through the cavities 28 of the Circular body flowing cooling water are in thermal contact. In the dimensioning of the Volume of the cavity 28, it is important that the clear width is optimal in relation is selected for the thickness of the annular body 2, so that the flowing cooling water exposed circle surfaces of the busbars 3 the largest possible amount of heat in the volume of water passed through the cavity in the unit of time is removed will.

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.According to Fig. 3, a disk cell 1 is by means of two at its two Contacting surfaces of adjacent contact disks 11 and 12 as intermediate layers between two busbars 3 arranged.

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.A structural unit assembled according to FIG. 3 in the form of a stack can regularly contain a plurality of semiconductor cells 1, which in any converter circuit are electrically connected to each other. The connecting conductors are on the busbars 3 connected, which is not shown in FIG.

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.Hose lines of the sensor water circuit are also not shown, to be connected to hose nipples 4 and 5. As FIG. 3 shows, is between each two busbars 3 sealing a circular ring body 2 tightly cylindrical spacer 31 with two axle pins located on its end faces or centering pins 311, 312 are used. The busbars are thus in pairs held parallel to each other. The axle pins protrude into corresponding fixing holes 32 of the busbars into it, so that the fixing holes must have sufficient depth.

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.In the case of the two circular ring bodies 2 of the converter unit in stack design According to FIG. 3, the two channels 21 and 22 are preferably aligned with one another a right angle to the direction of the grooves 25, 26 and the associated pairs of busbars 3, so that all busbars at right angles to the hose nipples 4 and 5 of the Go off the stack design. However, it is directed according to technical arrangement Requirements, whether all or only part of the busbars are right-angled or should deviate from the stack design at an oblique angle.

Eine Baueinheit in Stapelbauform gemäß der Erfindung kann mit Hilfe einer geeigneten aber beliebigen Einspannvorrichtung zur Druckkontaktierung der Leistungshalbleiter in sich zusammengehalten werden.A stack construction unit according to the invention can with the help a suitable but arbitrary jig for pressure contacting the Power semiconductors are held together.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (5)

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. Claims: unit for power converters with water-cooled power semiconductors encased in disc cells, in the case of disc cells Cooling devices are assigned and these disc cells, possibly by means of contacting disks resting on their contacting surfaces as intermediate layers, between two busbars are each arranged and together with these in a stack design are pressure-contactable, characterized in that the individual cooling devices are made of plastic circular ring bodies (2) which have a rectangular cross-section and each with two channels aligned with one another along a circular ring diameter (21, 22) are provided, in the outer circumferential surfaces (27) of which the annular body located mouths (211, 221) two hose nipples (4, 5) for connection to one Cooling water circuit are used, and that this Ereisringkörper in the stack design alternating with the disk cells (1) also between each two busbars (3) are arranged, which are aligned parallel to each other, in on the two end faces (23, 24) of the circular ring body located rail-wide grooves (25, 26) fitted and the cavities (28) of the ring bodies through which the cooling water flows are tight to lock. 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.2. Assembly according to claim 1, characterized in that the Annular bodies (2) of the stack design, the two channels (21, 22) with one another a right angle to the direction of the rail-wide grooves (25, 26) and that therein fitted busbars are aligned. 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.3. Assembly according to claim 1, characterized in that the two Channels (21, 22) have internal threads and their mouths (211, 221) on the outer circumferential surface (27) each of the circular ring bodies (2) is provided with a coaxial countersink (212, 222) are. 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.4. Assembly according to claim 1, characterized in that in the two end faces (23, 24) of the circular ring body (2) within the rail widths Grooves (25, 26) each have a circular groove (251, 261) for a sealing ring (251 ', 261') is. 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.5. Assembly according to claim 1, characterized in that between each two a circular ring body (2) tightly closing busbars (3) a cylindrical Spacer (31) with two axle pins (311, 312), which protrude into the fixing holes (32) of the busbars (3), is inserted.
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