DE1489690C3 - Kühlanordnung für Halbleiterbauelemente mit verschiedenen elektrischen Potentialen - Google Patents

Description

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öl gegenüber Wasser, was die räumlichen Ausmaße V F i g. 6 den dazugehörigen Endkühlkörper mit Abderartiger Anlagen bei gegebener Leistung stark er- * schlußdeckel im Längsschnitt,
höht. ■ ' Fig. 1 läßt erkennen, daß der prismatische, gut

In der deutschen Auslegeschrift 1 069 297 ist eine V* wärmeleitende metallische Kühlkörper 12 in Längs-Trockengleichrichteranordnung beschrieben, die mit 5 richtung drei Bohrungen 13,14 und 5 enthält. Davon einem gasförmigen Medium gekühlt wird. Auch hier dienen die Bohrungen 13 und 14 zur Aufnahme der

ist der Wärmeübergang vom Kühlkörper zum Gas mit Isolation 29 versehenen Schrauben 30, die die

relativ gering im Verhältnis zu Wasser, was auch für Anordnung zusammenhalten. Durch die Bohrung 5,

die in der deutschen Auslegeschrift 1182 352 ge- in der sich der Stutzen 20 des Formstückes und der

zeigte luftgekühlte Halbleiter-Gleichrichtersäule gilt. io Isolierformteil 21 befinden, die beide das Labyrinth

Bei Gleichrichtern, insbesondere solchen mit bilden, wird die Kühlflüssigkeit geleitet. Seitlich des großen Stromstärken, bei denen viele Zellen mit Kühlkörpers ist an einer aufgeschraubten Isoliergleichem elektrischem Potential vorhanden sind, platte 43 durch den Bolzen 44 zusätzlich eine bietet die konstruktive Ausbildung des Wasser- Klemmenstelle geschaffen worden. Gegebenenfalls kreislaufs trotz des relativ guten spezifischen Leit- 15 kann diese Klemmenstelle zur Aufnahme einer wertes auch von gereinigtem Wasser keine Schwierig- Sicherung für das Halbleiterbauelement ausgebildet keiten. Man erhält den notwendigen Isolationswert sein. Die Befestigungsbasis 26 ist an den Druckdadurch, daß man das Wasser durch entsprechend platten angebracht.

lange Isolierschläuche oder -rohre zu dem spannungs- In F i g. 2 sind drei Kühlkörper 12 in Längsführenden Kühlkörper leitet. 20 richtung aneinandergereiht. Sie enthalten je eine

Anders ist die Situation bei Aggregaten, die Halb- Bohrung. 10 zur Aufnahme eines Halbleiterbauleiterbauelemente mit verschiedenen elektrischen elementes. Ist die Verwendung von Halbleiter-Potentialen enthalten, wie dies z. B. bei einem selbst- bauelementen verschiedener Ausführungen vorgegeführten Wechselrichter der Fall ist. Dort war bis- sehen, so sind Kühlkörper mit unterschiedlichen her eine wirtschaftliche und raumsparende An- 25 Bohrungen 10 zu verwenden, wie F i g. 2 zeigt, in Ordnung mit Wasserkühlung nicht möglich. der nur ein Halbleiterbauelement 1 dargestellt ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die genannten Die Bohrungen 11 sollen den zweiten elektrischen Nachteile zu vermeiden und eine Kühlanordnung für Anschluß des Halbleiterbauelementes aufnehmen, ein leistungsstarkes Aggregat mit verschiedene elek- Zwischen den einzelnen Kühlkörpern und an den irische Potentiale aufweisenden Halbleiterbauelemen- 30 Enden der Reihe sind isolierende Formstücke 16 aus ten zu schaffen, wobei die Isolierung so gut aus- gummielastischem Werkstoff angebracht. Diese Formgeführt sein soll, daß kleine Abmessungen in wirt- stücke 16 sind mit einem umlaufenden Doppelwulst schaftlicher Ausführung ermöglicht werden. 17, zwei Doppelkragen 18 (die in die Bohrungen 13

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- bzw. 14 ragen) und zwei Ringnuten 19 mit einem

löst, daß die elektrische Spannungsfestigkeit über die 35 Doppelstutzen 20 (der in die Bohrungen 5 zweier be-

Kühlflüssigkeit zwischen den Kühlkörpern mittels nachbarter Kühlkörper eintaucht) versehen. Zwischen

eines in einer oder mehreren Bohrungen eines Kühl- die Ringnuten 19 der nebeneinander befindlichen

körpers vorgesehenen Labyrinths erhöht ist, welches isolierenden Formstücke 16 ist ein Isolierformteil 21

durch an den Formstücken angeformte Doppelstuzen eingelegt. Dieses ist an den Enden mit mehreren

und durch zwischen zwei Formstücken angeordnete 40 Fenstern 23 zum Durchlaß der Kühlflüssigkeit ver-

Isolierformteile gebildet wird. sehen und hat in der Mitte eine Trennwand 24. Auf

Die erfindungsgemäße Anordnung hat bei Ver- die Formstücke 16, die am Ende der Reihe angewendung der vorstehend beschriebenen Kühlkörper bracht sind, sind Druckplatten 25 aufgelegt. Durch den Vorteil, daß auch dann, wenn eine größere An- die abgesetzten Bohrungen 27 und 28 werden die mit zahl von Kühlkörpern im Wasserkreislauf in Reihe 45 Isolation 29 versehenen Schraubenbolzen 30, die liegt, ein merklicher Temperaturanstieg der Kühl- durch die Bohrungen 13 und 14 und durch die körper zwischen Anfang und Ende der Anordnung Doppelkragen 18 gesteckt sind, geführt. Das ganze nicht auftritt. Damit ist gleiche Belastbarkeit aller Paket wird mittels Muttern 31 und Sicherungs-Halbleiterbauelemente gewährleistet. scheiben 32 dicht verspannt. Die Druckplatten 25

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind 50 sind außerdem mit einem ovalen Flansch 33 aus-

den Unteransprüchen zu entnehmen. gerüstet, in den zwei zylindrische Bohrungen 34 und

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf 35 und eine konische Bohrung 36 eingearbeitet sind,

zwei in den Zeichnungen dargestellte Ausführungs- In diese Bohrungen hinein ragt ein Stutzen 20 des

beispiele Bezug genommen. Die Zeichnung zeigt in am Ende befindlichen Formstückes 16 mit Stützring

F i g. 1 den Querschnitt eines Kühlkörpers des 55 37. Ein Schlauch 38 ist über den Stutzen 20 ge-

ersten Ausführungsbeispiels mit dem entsprechenden zogen. Durch eine geschlitzte, konisch angedrehte

Halbleiterbauelement, Flanscharmatur 39 wird mittels zweier Schrauben 40

Fig. 2 den Längsschnitt einer aus drei Kühl- mit Sicherungen41 die Kühlanordnung abgedichtet,

körpern nach F i g. 1 bestehenden Anordnung, Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die

F i g. 3 in vergrößerter Darstellung den Längs- 60 gleiche kompakte Bauweise für Halbleiterbauschnitt der Verbindungsstelle zweier Kühlkörper elemente mit verschiedenem elektrischem Potential, nach F i g. 2 mit dem Labyrinth, wie sie bisher nur für solche mit gleichem elek-

Fig. 4 den Querschnitt des Kühlkörpers eines irischem Potential bekannt ist. Die Baugruppe kann zweiten Ausführungsbeispiels mit zwei Bohrungen als Ganzes in ein Gehäuse oder einen Schrank einfür die Kühlflüssigkeit, 65 gebaut werden. Die Isolation zwischen dem nicht

Fig. 5 den im Längsschnitt dargestellten Ein- 1-dargestellten Kühlaggregat und den am Ende der

gangskühlkörper des zweiten Ausführungsbeispiels Reihe liegenden Kühlkörpern wird zum Teil durch

und in den erwähnten Isolierschlauch 38 erzielt. Der Isolier-

schlauch kann bei der Ausführung nach F i g. 2 kürzer sein als bei den bekannten Anordnungen mit Halbleiterbauelementen verschiedenen elektrischen Potentials, da ein Teil des Isolationsweges durch das Formstück 16 gegeben ist. Die Kriechwege von Kühlkörper zu Kühlkörper und von den Kühlkörpern zu den Druckplatten über das Formstück 16 werden durch dessen Wulst 17 und die Kragen 18 in ausreichendem Maße zur Verfugung gestellt. Die Isolation zwischen den einzelnen Kühlkörpern über die Kühlflüssigkeit ist durch ein Labyrinth gegeben.

In F i g. 3 ist dieses Labyrinth vergrößert dargestellt. Es wird aus dem Isolierformteil 21 und dem isolierenden Doppelstutzen 20 des Formstückes 16 gebildet. Der Isolierweg ergibt sich, wie die strichpunktiert eingezeichnete Linie 45 zeigt, etwa in doppelter Länge des Doppelstutzens 20.

In den F i g. 4 bis 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel abgebildet. Diese unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel im wesentlichen dadurch, daß es aus Kühlkörpern besteht, die zwei Bohrungen für die Aufnahme der Kühlflüssigkeit aufweisen. Für die Erläuterung der

Bezugszeichen der gleichbleibenden Teile wird auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel verwiesen.

In Fi g. 4 ist der Querschnitt eines Kühlkörpers 42 dargestellt. Dieser Kühlkörper enthält außer der Bohrung 5 noch eine weitere Bohrung 105 für die Aufnahme der Kühlflüssigkeit. Darüber hinaus ist in Längsrichtung des Kühlkörpers außer den beiden Bohrungen 13 und 14 noch eine dritte, 15, für die Aufnahme der Spannbolzen vorhanden.

Der Fig. 5, die einen Längsschnitt des Eingangskühlkörpers zeigt, ist zu entnehmen, daß die Druckplatte 47 zum Anschluß der die Kühlflüssigkeit zu- und abführenden Leitungen ausgebildet ist. Der geänderten Zahl von Bohrungen ist auch das Formstück 46 angepaßt. Außer dem umlaufenden Doppelwulst 17 weist das Fonnstück46 nach Fig. 5 drei Doppelkragen 18, vier Ringnuten 19 und zwei mit den Ringnuten verbundene Doppelstutzen 20 auf.

In F i g. 6 ist der Endkühlkörper im Längsschnitt dargestellt. Die Druckplatte 48 ist so ausgeführt, daß sie durch den Kanal 49 die Umlenkung des Kühlmittels bewirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

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Kühlmittel beschrieben, welche eine trogförmige

Patentansorüche* Isolierstoffhülse aufweist, die zusammen mit dem

^P ' Kühlkörper einen das Kühlmittel führenden Kanal

bildet und die Halbleiterbauelemente untereinander

1. Kühlanordnung für Halbleiterbauelemente 5 isoliert.

mit verschiedenen elektrischen Potentialen und Nachteilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung,

mit für Flüssigkeitskühlung ausgelegten metalli- daß die dort vorhandenen Kühlrippen den Kühischen Kühlkörpern, wobei als Kühlflüssigkeit mittelfhiß verzögern, während im ungerippten Quer-Wasser vorgesehen ist und die einzelnen Kühl- schnitt der Hauptstrom des Kühlmittelflusses ohne körper einer Kühlkörperanordnung im Kühl- io Wärmeaufnahme vorbeifließt. Nachteilig ist ferner flüssigkeitskreislauf in Reihe liegen, wobei zwi- auch, daß keine Kühlmittelnüssigkeit mit geringer sehen den einzelnen Kühlkörpern zur Isolierung Isolierfähigkeit, wie beispielsweise Wasser, vorge- und Abdichtung Formstücke vorgesehen sind, sehen werden kann, wenn eine kleine Teilung von dadurch gekennzeichnet, daß die elek- Halbleiterbauelement zu Halbleiterbauelement mit irische Spannungsfestigkeit über die Kühlflüssig- 15 unterschiedlichen Potentialen zur Erzielung einer keit zwischen den Kühlkörpern mittels eines in kompakten Bauweise vorgesehen sein soll und ein einer oder mehreren Bohrungen (5 bzw. 5 und mittleres Kühlmitteltemperatur-Niveau aller Kühl- 105) eines Kühlkörpers vorgesehenen Labyrinths elemente erzielt werden soll.

erhöht ist, welches durch an den Formstücken Eine bekannte Ausführung, wie sie in der britischen

(16 bzw. 46) angeformte Doppelstutzen (20) und 20 Patentschrift 846 480 beschrieben ist, zeigt den Nachdurch zwischen zwei Formstücken (16 bzw. 46) teil, daß entweder nur Halbleiterbauelemente mit angeordnete Isolierformteile (21) gebildet wird. gleichen Potentialen betrieben werden können

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- (Fig. 3 und 4) oder daß die Kühlelemente zwar verkennzeichnet, daß das Formstück (16 bzw. 46) schiedenes elektrisches Potential aufweisen können auch an den Enden der in Reihe liegenden Kühl- 25 (F i g. 5 und 6), wobei aber als Kühlmittel kein körper zur Isolation, Dichtung und Labyrinth- Wasser verwendbar ist, da in dieser bekannten Ausbildung verwendet wird. führungsform zu geringe Abstände für die Isolation

3. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, der Spannungsunterschiede bei gedrängter Bauweise dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der zur Verfügung stehen.

Kühlkörperanordnung unterschiedliche Druck- 30 Die in bezug auf die Kühlung bedeutend günstigeplatten (47, 48) angebracht sind, die einem ren physikalischen Eigenschaften von Wasser gegenmechanischen Zusammenhalt der Baueinheiten - über Luft und auch gegenüber Isolierölen ermögdienen, wobei die eine der beiden Druckplatten . liehen die bei manchen Anwendungen erforderliche (47) zum Anschluß der die Kühlflüssigkeit zu- gedrängte Bauweise. ■ '■'·

und abführenden Leitungen ausgebildet ist und "35 So verhalten sich die Wärmeübergangszahlen für die andere Druckplatte (48) so ausgeführt ist, die Kühlmedien Luft, Öl und Wasser bei einer daß sie die Umlenkung der Kühlflüssigkeit bei Strömungsgeschwindigkeit von etwa 5 m/s wie Kühlkörperelementen mit zwei Bohrungen (5 und 35 : 350 : 3500. ·.· -

105) zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit bewirkt. Obgleich die Verwendung von Wasser als Kühl-

4. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 40 mittel damit als wirkungsvoll ausgewiesen ist, bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem herrschte noch die Auffassung in Fachkreisen vor Kühlkörper (12 bzw. '42) eine Klemmenplatte (Siemens-Zeitschrift 1961, H. 5, S. 311), daß Wasser-(43) befestigt ist, an welcher ein elektrisches kühlung nicht vorteilhaft ist, wenn die Halbleiter-Sicherungselement befestigbar ist. bauelemente mit Sperrspannungen von mehr als 200

45 bis 300VoIt beaufschlagt werden, wie es für eine wirtschaftliche Ausnützung bei gedrängter Bauweise

notwendig wäre.

Es wurde aber bereits versucht, eine wirksame elektrische Isolierung mittels zwischen HaIb-50 leiterelementen und Kühlkörpern vorgesehener

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühl- Isolierelemente zu erreichen (USA.-Patentschrift anordnung für Halbleiterbauelemente mit verschiede- 3 018 424). Nachteilig auf Grund allgemeiner physinen elektrischen Potentialen.und mit für Flüssigkeits- ,kalischer Erkenntnisse, ist, daß elektrisch nicht kühlung ausgelegten metallischen Kühlkörpern, wo- leitendes Material auch keine gute Wärmeleitfähigbei als Kühlflüssigkeit Wasser vorgesehen ist unef die 55 keit besitzt, so daß die Wirksamkeit der Kühlung in einzelnen Kühlkörper einer Kühlkörperanordnung dieser bekannten Ausführungsform stark herabim Kühlflüssigkeitskreislauf in Reihe Hegen, wobei gesetzt wird.

zwischen den einzelnen Kühlkörpern zur Isolierung Bekannt ist es auch, einanodige Eisengleichrichter

und Abdichtung Formstücke vorgesehen sind. über Isolierstücke mit Kühlwasser zu kühlen

Um bei Stromrichtern hoher Leistung, welche aus 60 (deutsche Auslegeschrift 104 558). Nachteilig ist, daß Halbleiterbauelementen aufgebaut sind, die als diese Eisengleichrichter sich für einen Einbau in eine Wärme anfallenden elektrischen Verluste abzuführen, Anlage mit kleiner Abmessung nicht eignen und daß sind bereits metallische Kühlkörper vorgesehen eine elektrische Verbindung zwischen den Eisenworden, welche ihrerseits die anfallende Wärme- gleichrichter-Gefäßen über das Kühlwasser besteht, menge in ein vorbeiströmendes Kühlmittel ableiten. 65 Man hat versucht, die mangelnde Isolierfähigkeit So wird im deutschen Gebrauchsmuster 1 893 188 des Isolierwassers durch Verwendung von Öl zu umeine Vorrichtung zur Zwangskühlung von Halbleiter- gehen (deutsche Patentanmeldung A 14 670). Nachbauelementen mittels flüssiger oder gasförmiger teilig dabei ist die geringe Wärmeübergangszahl von