DE2606157A1

DE2606157A1 - Kuehleinrichtung fuer ein fluessigkeitsgekuehltes leistungs-halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2606157A1
Application number: DE19762606157
Authority: DE
Inventors: Erwin Klein
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1976-02-17
Filing date: 1976-02-17
Publication date: 1977-08-18
Also published as: FR2341946B1; AT348063B; GB1536794A; ATA104577A; FR2341946A1; CH594289A5; DE2606157C2

Description

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Mp.-Nr. 513/76 Mannheim, 12. Februar 1976

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"Kühleinrichtung für ein flüssigkeitsgekühltes

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühleinrichtung für ein flüssigkeitsgekühltes Leistungs-Halbleiterbaiieleiuent in Scheibenzellenbauweise mit Isoliergehäuse mit elektrischer und thermischer Druckkontaktierung der Scheibenzelle und mit einer Einrichtung zur Flüssigkeitskühlung, wobei flüooiß keitEclurchströrate Kühldosen mittels einer Spannvorrichtung an die beiden Hauptoberfläclien der Scheibenzelle angeschlossen und wahlweise über eine flüssigkeitsfUhrende Tragschiene koppelbar sind. Derartige Leistungs-Halbleiterbauelemerite finden bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich Anwendung bei elektrischen Lokomotiven.

Unter den Begriffen "Scheibenzellenbauweise'¹ bzw. "Scheibenzelle" wird im vorliegenden Zusammenhang eine bereits in einem Isoliergehäuse unter Zwischenlage von Ableitplatten eingeschlossene Halbleiterscheibe verstanden. Derartige Leistungs-Halbleiterbauelemente sind allgemein bekannt (z.B. Typ CS 500 von Brown Boveri & Cie Mannheim oder aus YDI-Zeitschrift" 107 (1965) Nr. 34 - Dezember, S. 1656). Aus der letztgenannten Literaturstelle ist weiterhin bekannt, dio

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Scheibenzelle zwischen Kühlkörper einzuspannen und abhängig

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von der gewünschten Strombelastbarkeit^uc i'orcxerter Luft-

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kühlung oder mit " ' "kühlung zu vorsehen. Derartige Scheibenzellen sind auch mit Zentralgate bekannt (DT-OS 2 246 423).

Die Kühlung von Thyristoren ist im v/eiteren im "Silizium-Stronirichter-Handbuch" der BBC Aktiengesellschaft Brown Boveri & Ci.e, Baden (Schweiz) von 1971 beschrieben. Die wegen der Verlustleistung anfallende Wärme kann mittels geschlossener Wärmerohr-Kühler, sie kann aber auch über einen Swischenkühlkreislauf an die Umgebung abgeführt v/erden. In letzterem Fall wird die Wärme von den Kühlkörper mitteLs Kühlflüssigkeit zu einem Wärmeaustauscher transportiert, von wo sie an die luft oder auch an Frischwasser abgegeben wird. Solche Anordnungen sind gewichts- und volumenärmer zu bauen - eine ständige Forderung unserer Zeit - als direkt luftgekühlte, weil bedeutend höhere Wärineübergangswerte vorliegen.

Dies gilt auch für die Dosen-Flüssigkeitskühlung. Beim Gegenstand der Hauptanmeldung P 26 06 156.3 wird eine hohe Sperrspannungsfestigkeit des Leistungs-Halbleiterbauelementes auch in stark verschmutzungsgefährdeten Anlagen bezweckt und die Scheibenzelle zu diesem Zweck unter Zwischenschaltung ron flüssigkeitsdurchströiaten Külillrörpern (Kühldosen) in ein besonderes Gehäuse eingesetzt. Die Kühldosen mehrerer Leistung.⁰.-Halbleiterbauelemente können an eine gemeinsame flüssigkeitsführende Tragschiene angeschlossen sein. Ob ram eine, geschlossene Anordnung entsprechend der älteren Anmeldung vorliegt oder eine offene Anordnung von Scheibenzelle und Kühldosen, es sind hydraulische Leitungen notwendig, um das Kühlmittel zu einem Gehäuseanschluß oder zur Dose hinzuführen und abzuleiten. Diese müssen isoliert ausgeführt sein, weil die Kühldosen auf elektrischen Potential liegen und somit eine galvanische Trennung zu den Rückkühl einrieb, tun gc

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vorgenommen werden muß. Auch kann eine hydraulische Reibenschaltung mehrerer Dosen verschiedener elektrischer Potentiale sinnvoll sein« Die Verbindungen !nüssen auch flexibel sein, um den thermischen Längenändcr-ungen der Halbleiterbauelemente folgen zu können, auch müssen Bautoleransen bei der Montage ausgeglichen werden.

Zu diesem Zweck sind die beiden, folgenden Anschlußtechniken allgemein bekannt:

1.) Der Einsatz von Isolierschläuchon, deren Längen von der elektrischen Spannungsdifferenz und der Art des Kühlmittels abhängig sind. Ihr Anschluß zur Kühldose erfolgt über Schlauchtüllen, ihre Sicherung mittels Schlauchbinder. Die Sicherheit gegen Leckage ist dabei von mehreren Faktoren abhängig und sinkt natürlich mit der Anzahl der Kuppelvorgänge.

2.) Statt der Schlauchtüllen kommen Rohrverschraubbungen zur Anwendung. Die Flexibilität der Leitung wird dabei über metallische Bälge, die Isolation über Hohli.sclatoren hergestellt. Die Verbindung dieser Teile erfolgt dann über Lötungen, die bekannterweise auch an Isolatoren mittels vorangegangener Metallisierung vorgenommen werden kann.

Weiterhin könnte eine denkbare Art der Verbindung darin bestehen, daß sogenannte Hydraulikschläuche zum Einsatz gelangen. Dies könnten Isolierschläuche sein, deren verschraubbare Armaturen angepreßt sind.

Ist der ersten Ausführung eine gewisse Unsicherheit bezüglich der Dichtigkeit zu eigen, die sich besonders dann schädlich auswirken kann, wenn mit Isolierflüssigkeiten in

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verschmutzter Atmosphäre gearbeitet wird - ausgetretene Flüssigkeit bindet Schmutz auf den Isolierstrecken der Halbleiter und kann sie unwirksam machen - so zeichnet sich die zweite durch erhebliche Aufwendungen ab, deren Sicherheit auch noch von der Güte einer Vielzahl von Lötstellen abhängig ist. Die dritte Variante hat den Nachteil, daß sie sehr voluminös baut, weil einerseits Schläuche mit dicker Wandung zuia Einsatz komaen müssen _s um die Anschluß armatur en anpressen hu können, andererseits diese beträchtliche Längen in Anspruch nehmen. Das Einbauvolumen, das sie erfordert, steht aber in vielen Fällen nicht zur Verfügung, auch schaffen die daraus resultierenden Strömungslängen unerwünschte Druckabfälle.

Aufgabe der Erfindung ist es, für die eingangs genannte Kühleinrichtung eine hydraulische Anschluß- bzw. Verbindungstechnik zu schaffen, die sum einen isolierend und aum anderen mittels Verschraubtmgen kuppelbar ist.

Die Lösung besteht darin, daß erfindungsgemäß die Anschlußrohre und die Yerbindungnrohre für das Kühlmittel über Isolierverr.chraubungen unter Einschluß ihres mindestens teilweise kaltverformbaren Materials an die Eühldosen angeschlossen sind und daß zumindestens in den Verbingungsrohren zwischen den. ϊzählmittelmäßig in Reihe geschalteten Kühldosen Dehnungsbögen vorgesehen sind.

Die Erfindung nutzt in vorteilhafter Weise die an sich in einem anderen Zusammenhang bekannte Anschlußtechnik bei IsoliorrohrTcrnchraubungen. Durch ein beim Verschrauben ausgelöstes Kaltfließen des Rohres wird ein Spann- und Dichtungswulst gebildet. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß mit relativ dünnwandigen und weichen Rohren gearbeitet und so eine gewünschte Elastizität besser realisiert werden kann als bei der ebenfalls an sich bekannten Schneidring-Ver-· schrauburig, für Hetallrohrc. Weiterhin zeichnet sie sich

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dadurch aus, daß die Dichtung direkt durch das Rohrmaterial gebildet wird und so über viele Kupplungsvorgänge hinweg keine Undichtigkeiten feststellbar sind.. Trotz Dünnwandigkeit und relativer Weichheit weist ein Rohr immer noch geringere Elastizität als ein entsprechender Schlauch auf. Diese ist jedoch erforderlich, um Lagetoleranzen zwischen hydraulisch in Reihe geschalteten Dosen auszugleichen und ihre freie Einstellung uu den Halbleiterclementen zwecks einwandfreier Kontaktierung zu ermöglichen« Auch müssen thermische Längenänderungen möglich sein. Zu diesem Zweck' werden die Rohre durch eine vorangehende Warmverformung so gestaltet, daß erfindungsgemäß mindestens in den Verbindungsrohrcn sv/isehenden Kühldosen Dehnungsbögen vorliegen. Es versteht sich, daß bedarfsweise je nach Leitungsführung auch die Anschlußrohre Dehnungsbögen aufweisen können.

Es ist im Zusammenhang einer Kühlung einer Thyristorsäule mit Wärmerohren bekannt (DT-OS 2 417 106), elastische, flexible Rohrstücke und Isolierstücke zwischen den Kühlkörper der Scheibenzolle und die Wärmeröhre zu schalten. Dadurch werden thermische Ausdehnungen oder fertigungstechnisch bedingte Toleranzen ausgeglichen. Mit diesen Vorteilen werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung eine Entlastung der Schraubanschlüsse und somit eine langzeitige Dichtigkeit erreicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Anschlüsse an Kühldosen und

Fig. 2 eine Verbindung zweier Kühldosen.

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Ein Halbleiterbauelement 1 in Scheibenform ist zwischen zwei Kühldos en 2,2'durch nicht dargestellte Spanneinrichtimgen eingespannt. In eine Kühldose2,2^list ein Nippel 4 einer Verschraubung 3 dichtend eingeschraubt. Der Nippel 4 ist doppelt abgesetzt, so daß er ein Außengewinde 5 und einen sich daran anschließenden, abgesetzten Stützring 6 tragen kann.

Nach dem Aufschieben eines Anschlußrohres 7 auf den Stützring 6 bis zum Anschlag 8, der durch den Absatz bzw. die Übergangsflache zwischen Gewinde 5 und Stützring 6 gebildet wird, wobei das Rohr 7 etwas aufgeweitet wird, wird die Überwurfmutter 9 herangeführt. Diese greift mit ihrem Gewinde 10 früher in das Gewinde 6 ein, als daß ihr Preßring 11 den Stützring 6 überdeckt. Durch weiteres Anziehen erfolgt Jetzt eine Kaltverformung des Rohres 7 in Anzugsrichtung, wobei Material gegen den Anschlag 8 und in den freien Spalt 12 der Mutter 9 fließt. Dadurch ist eine absolute Dichtheit e-rzielt, die auch nach vielen LÖsungs vor gangen immer wieder hergestellt wird.

Die Verbindung zweier Kühldosen 2 und 2· erfolgt über ein bogenförmiges Rohr 7'» das aufgrund vorheriger Warmverforffiung einen Delmungfabogen darstellt, wobei in allen drei Ebenen X, Y, Z genügend Spielmöglichkeiten bestehen; auch bei zusätzlicher Schräglage der Kühldoeen 2, 2' zueinander sind diese vorhanden, um eine einwandfreie Kontaktierung zu erzielen. Der Kühlmittelfluß erfolgt von' einem Anschlußrohr 7 über eine der Kühldosen 2 oder 2', das Verbindungsrohr 7¹ die andere der beiden Kühldosen 2' bzw. 2 und das andere Anschlußrohr 7.

Die Anschlußtechnik ist Jedoch auch anwendbar auf Anschlüsse

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eines oder mehrerer Leistungs-Halbleiterbauelemente mit Dosen-Flüssigkeitskühluiig an eine flüssigkeitsführende Tragschiene der vorgenannten Art.

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Claims

Patentansprüche

,Kühleinrichtung für ein flüssigkeitsgekühltes Leistungs-Halbleiterbauelenient in Schcibenzellenbauwelse mit Isoliergehäuse mit elektrischer uad thermischer Druckkontaktierung der Scheibenzelle und mit einer Einrichtung zur Flüssigkeitskühlung, wobei flüssigkeitsdurchfitröinte Kühldosen mittels einer Spannvorrichtung an die beiden Hauptoberflächen der Scheibenzelle angedrückt sind und wahlweise mehrere Leistungs-Halbleiterbauelementc über eine flüssigkeitsführende Tragschiene koppelbar sind,

^il^2^dL-££^5:iiilS£i£feB£l^;is^{i daß diG} ^nschlußrohre (7) und
die Yerbindungsrohre (7') für das Kühlmittel über Isolierverschraubungen unter Einschluß ihres mindestens
teilweise kaltverformbaren Materials an die Kühldosen
(2, 2^f) angeschlossen sind und deiß Kumindestens in den Verbindungsrohren (7') zwischen den kühlraittelmäßig in Reilift geschalteten Külildosen Delmungsbögen vorgesehen
sind.

. Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühldosen (2, 2^f) doppelt abgesetzte Anschlußnippel (4) aufweisen, wobei der erste Absatz einen
größeren Durchmesser als der zweite besitzt und ein
Außengewinde (5) trägt, die tJbergangsflache zwischen dem ersten und dem zweiten Absatz einen Anschlag (8) für das angeschlossene Rohr (7 bzw. 7') darstellt und der zweite Absatz einen StUtaring (6) für das Rohr (7 bzw. 7¹)
bildet und wobei eine an die Form des Nippels (4) angepaßte Überwurfmutter (9) auf dera Rohr (7 bzw. 7') vorgesehen und dan kaltverformte Rohrende avischen dem
ζν,-oiten Absatz und einer entsprechenden Ausnehmung der Überwurfmutter (9) gehalten ist.

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ORIGINAL INSPECTED