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Halbleiterbauelemente enthaltende Schaltgeräteeinheit mit einem
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druckfesten Gehäuse Die Erfindung befaßt sich mit einer Haibleiterbauelemente
enthaltenden Schaltgeräteeinheit mit einem druckfesten Gehäuse, die zum Einsatz
im Bergbau unter Tage vorgesehen ist. WLihrend die für Steuer- und Uberwachungszwecke
verwendeten Halbleiter hinsichtlich der Erwärmung keine besonderen Schwierigkeiten
bieten, tritt das Problem einer wirksamen Kühlung auf, wenn in dem druckfesten Raum
Leistungshalbleiter, wie z. B. Thyristoren, eingebaut werden sollen. Anordnungen
dieser Art werden z. B. benötigt, um die Antriebsmotoren der im Bergbau eingesetzten
Abbau- und Fördermaschinen nicht nur, wie bisher üblich, ein- und auszuschalten
bzw. ihre Drehrichtung zu ändern, sondern darüber hinaus auch ihre Drehzahl zu beeinflussen.
Dies kann z. B. erwünscht sein, um Antriebe allmählich anlaufen zu lassen und damit
die mechanischen Beanspruchungen zu verringern. Hohen Belastungen sind insbesondere
die Gurte beladener Förderbänder beim Anlaufen ausgesetzt. Eine Thyristorsteuerung
dcr Drehstrommotoren des Förderbandes gestattet es, diese Belastungen durch einen
Anlauf der Motoren innerhalb von z. B. 20 Sekunden erheblich zu mindern.
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An sich ist es bekannt, die in Leistungshalbleitern auftretende Verlustwärme
durch Kühlkörper an die Umgebung abzuführen. Diese Kühlkörper können Rippen aufweisen,
um eine möglichst große Oberfläche mit der umgebenden Luft zu bieten. Würde man
eine solche Anordnung in ein druckfestes Gehäuse einsetzen, so wäre damit zwar erreicht,
daß die während eines Steuervorganges in
den Leistungshalbleitern
entstehende Verlustwärme rasch von den Halbleiterbauelementen abgeleitet wird, Jedoch
erwärmt sich dann das druckfeste Gehäuse insgesamt, was bei einer mehrfach aufeinanderfolgeilden
Wiederholung des Steuervorganges zu einer Zerstörung der Leistungshalbleiter führen
würde. Es wären dann zusätzliche Maßnahmen erforderlich, das druckfeste Gehäuse
zu kühlen.
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Dies ist im Prinzip durchaus möglich, bereitet Jedoch in der praktischen
Ausführung erhebliche Schwierigkeiten. Beispielsweise steht nur ein Teil der Oberfläche
der druckfesten Gehäuse für Kühizwecke zur Verfügung, weil die übrigen Teile durch
Anschlußkästen und durch den Einbau der Gehäuse in ein Transportgestell unwirksam
bzw. schlecht zugänglich sind. Dies gilt in gleicher Weise für Luft- oder Flüssigkeitskühlung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltgeräteeinheit
der genannten Art zu scharfen, die eine Anwendung von Halbleitern auch für Leistungsstromkreise
gestattet.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß als Halbleiterbauelemente
Leistungshalbleiter vorgesehen sind, die zusammen mit einer Kuhivorrichtung zu einer
Baueinheit vereinigt sind und daß dieser Baueinheit über Zu- und Ableitungen aus
einem außerhalb des druckfesten Gehäuses befindlichen Reservoir ein Kühlmittel zuführbar
ist. Dadurch wird erreicht, daß die Verlustwärme der Halbleiter nicht zu einer Erwärmung
des gesamten druckfesten Gehäuses führt, sondern aus diesem durch das Kühlmittel
entfernt wird. Als Kühlmittel eignet sich z. B. Wasser, das im Bergbau unter Tage
aus dem Grubenwassernetz entnommen werden kann. Die KUhlvorrichtung kann einen Kühlkörper
aufweisen, in dem Kanäle für ein Kühlmittel angeordnet sind. Beispielsweise kann
daher der Kühlkörper ein gegossener Metallblock mit eingegossenen Kanälen sein.
Ferner kann die Kühlvorrichtung Leitungsrohre für ein Kühlmittel enthalten, wobei
diese Leitungsrohre ihrerseits von einem zur Wärmeübertragung geeigneten Medium
umgeben sind. Die zuletzt genannte Gestaltung hat den Verteil, daß das Kühlmittel
durch eine aus handelsüblichem Material, z. B. Kupferrohren, gebogene Rohrschlange
geleitet werden kann.
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Die Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel können in einer Wand des
druckfesten Gehäuses fest angeordnet sein, und die Kühlvorrichtung kann mit den
inneren Enden der Zu- und Ableitungen durch Anschlußarmaturen lösbar verbindbar
sein. Der feste EinbaU der Zu- und Ableitungen in der Wand des druckfesten Cehäuses
krlann z. B. durch Schweißen oder Verschrauben erfolgen. Beide Anordnungen haben
den Vorzug, daß die Zu- und Ableitungen Bestandteile des Gehäuses sind und daher
die vorgeschriebenen Druckprüfungen des Gehäuses ohne die Halbleiterbaueinheit vorgenommen
werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit zum Einbau der Halbleiterbaueinheit in das
druckfeste Gehäuse besteht darin, daß die Halbleiterbaueinheit mit einem Flansch
versehen wird, der Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel trägt, und daß das druckfeste
Gehäuse eine Öffnung mit einem Flansch zum Aufsetzen der Halbleiterbaueinheit besitzt.
Bei dieser Anordnung entfallen Verbindungsstellen zwlschen der Kühlvorrichtung und
den Zu- und Ableitungen innerhalb des druckfesten Gehäuses. Diese Anordnung erleichtert
auch eine eventuell erforderliche Wartung oder Reparatur der Halbleiterbaueinheit.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Zu- und Ableitung
des Kühlmittels durch Rohre erfolgen, die in einer Wand des druckfesten Gehäuses
nach Art einer schlaettergeschützen, mechanischen Durchführing angeordnet sind.
Dies gestattet auch eine Zu- und Abführung des Kühlmittiqls durch einen der üblicherweise
seitlich von dem druckfesten Raum angeordneten Anschlußkästen.
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Da die vorgesehene Belastbarkeit der Leistungshalbleiter von der ordnungsgemäßen
Wirkung des Kühlmittels abhängt, empfiehlt es sich, in die Ableitung einen Strömungswächter
zur Überwachung der Kühlmittelversorgung einzufügen. Ferner wirkt es sich günstig
auf die Betriebssicherheit der Kühlvorrichtung aus, wenn in die Zuleitung für das
Kühlmittel ein Überdruckventil und ein Filter eingefügt werden. Auf diese Weise
läßt sich vermeiden, daß die Kühlvorrichtung durch Druckstöße im Grubenwassernetz
und/oder
durch Fremdkörper beschädigt oder in ihrer Wirkung beeinträchtigt
wird.
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Das Uberdruckventil und das Filter können zusammen mit Armaturen zu
einer Anschlußeinheit zur Zu- und Abführung des Kühlmittels vereinigt sein. Diese
Ancchlußeinheit kann mit den äußeren Enden der Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel
verbunden sein oder sie kann bei der Ausführung der Halbleiterbaueinheit mit einem
Flansch an diesem befestigt sein.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Halbleiterbaueinheit,
die einen Kühlkörper und Thyristor umfaßt.
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Die Fig. 2a und 2b zeigen schematisch die Cräteanordnung eines Motorsteuergerätes
mit einer Halbleiterbaueinheit.
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In den Fig. 3 und 4 sind unterschiedliche kusrührungen der Halbleiterbaueinheit
bezüglich der Zu- und Abfuhr des Kühlmittels dargestellt.
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Eine mit den äußeren Enden der Zu- und Ableitungen für das Kühlmittel
gesondert verbindbare Anschlußeinheit sowie Einzelheiten des Kühlkörpers zeigen
die Fig. 5a und Sb.
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Die Fig. 6 zeigt eine perspektive Ansicht eines Teiles eines druckfesten
Gehäuses mit einer daran angebrachten Halbleiterbaueinheit, die einen Flansch mit
darin angebrachter Anschlußeinheit besitzt.
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Die Thyristorbaueinheit 1 in der Fig. 1 umfaßt einen Kühlkörper 2,
der ein für den Wärmetransport geeignetes Medium 3 wie Öl oder Wasser enthält. Ferner
ist in dam Ktlkörper 2 eine Rohrschlange 4 angeordnet, durch die ein Kühlmittel,
z. B. Wasser, geleitet werden kann, um die in das Medium 3 eingeleitete Wärme abzuführen.
Hierzu sind ein Zuleitungsrohr 5 und ein Ableitungs-
rohr 6 vorgesehen.
Auf der Außenfläche des Kühlkörpers 2 sind drei Gruppen von Thyristoren 7 derart
angeordnet, daß sich ein guter Wärmeübergang zu dem in dem Kühlkörper 2 befindlichen
Medium 3 ergibt. Hierfür ist es an sich bekannt, durch eine sorgfältige Oberflächenbearbeitung
für einen flächenhaften Kontakt zwischen dem Kühlkörper und den Thyristoren zu sorgen.
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In der Fig. 1 ist der Kühlkörper 2 als quaderförmiges Gerät dargestellt,
wobei die Thyristoren 7 an einer der Längsseiten angebracht sind. Es besteht natürlich
die Möglichkeit, die Thyristoren auch in anderer Weise an dem Kühlkörper anzubringen
und weitere Flächen zu benutzen. Ferner können an dem Kühlkörper 2 die den Thyristoren
7 unmittelbar zugeordneten Wandler sowie Kondensatoren und Widerstände, d. h. elektronische
Baugruppen, die zur Beschaltung der Thyristoren benötigt werden, angebracht sein.
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In der Fig. 2a ist dargestellt, wie sich eine l'hyristorbaueinheit
8 in die Gerätebestückung eine3 Motorsteuergerätes einfügen läßt. In dem Einbauraum
eines quaderförmigen, druclifesten Gehäuses 10 0 befinden sich nebeneinander die
Thyristorbaueinheit 8 sowie zwei mit Schützen bestückte Geräteeinsätze 11 und 12,
die ähnlich der Thyristorbaueinheit 8 eine schmale, rechteckige Grundform aufweisen.
Z. B. kann der Geräteeinsatz 11 mit einem Schütz versehen sein, das zur Uberbrückung
der Thyristoren dient, wenn diese voll durchgesteuert sind. Der Geräteeinsatz 12
kann mit zwei Schützen zur Drehrichtungsänderung der Antriebsmotoren der erwähnten
Gewinnungs- oder Fördermaschinen ausgerüstet sein. Ferner ist ein Trennschalter
13 angedeutet. Das druckfeste Gehäuse 10 kann z. B. der in der DT-PS 18 01 062 beschriebenen
Bauweise entsprechen.
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Im Unterschied zu der Halbleiterbaueinheit 1 in Fig. 1 ist die Halbleiterbaueinheit
8 in Fig. 2a derart gestaltet, daß eine der Kühlmittelleitungen 9 länger als die
andere ist. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, Maßabweichungen in der Entfernung
der gehäuseseitigen Zu- und Äbleitungen und der entsprechenden, an der Halbleiterbaueinheit
8 befindlichen Leitungsrohre auszu-
gleichen. Wie bereits erwähnt,
kann die Thyristorbaueinheit 1 bzw. 8 auch weitere Bauelemente wie Wandler, Kondensatoren
und Widerstände enthalten. Man benötigt jedoch darüber hinaus Steuer-und Regelgeräte,
die den genannten Bauelementen vorgeschaltet sind. Diese können, wie die Fig. 2b
zeigt, auf einem Geräteeinsatz 14 angebracht sein, der in bekannter Weise schwenkbar
in der runden Öffnung 15 des druckfesten Gehäuses 10 angeordnet ist.
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Einzelheiten der Zu- und Abführung des Kühlmittels werden nun anhand
der Fig. 3 bis 6 erläutert. Die Fig. 3 läßt erkennen, daß in einer Wand 20 eines
druckfesten Gehäuses 21 ein Rohr 22 für die Zufuhr eines Kühlmittels und ein weiteres
Rohr 23 für die Abfuhr des KUhlmittels je mittels eines Gewindestutzens 24 bzw.
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25 fest eingeschraubt ist. Die Rohre 22 und 23 können auch unmittelbar
in die Wand 20 eingeschweißt sein. An den inneren Enden der Rohre 22 und 23 befinden
sich Anschlui3armaturen 26 und 27 für die Halbleiterbaueinheit 30. Auf die äußeren
Enden der Rohre 22 und 23 ist eine Anschlußeinheit 31 aufgesetzt, deren Aufbau noch
erlautert wird. Die Halbleiterbaueinheit 30 enthält einen Strömungswächter 28, der
anspricht, wenn kein Kühlmittel oder eine ungeeignete Menge desselben vorhanden
ist. Durch die Abgabe eines Warnsignals kann auf den Fehler aufmerksam gemacht werden.
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Die der Halbleiterbaueinheit 30 benachbarte Seitenwand 32 des druckfesten
Gehäuses 21 kann in des bekannten Weise zur Anbringung von Leitungsdurchftürungen
benutzt werden, da die Halbleiterbaueinheit 30 anderweitig, z. B. mittels der für
Schlitze üblichen Aufbaurahmen, in dem Gehäuse 21 befestigt werden kann.
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Anordnungen dieser Art sind beispielsweise in der DT-AS 19 54 400
beschrieben.
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Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 4 ist die Thyristorbaueinheit
33 mit Einführungsrohren versehen, die durch in der Seitenwand 34 des druckfesten
Gehäuses 35 angsbrachte Buchsen hinnurchragen. i)ie Buchsen und die EintUhrtingsrohre
sind in der gleichen Weise als Schlagwetterstrecke ausgebildet, wie dies für die
Antriebswellen von Trennschaltern und ähnlichen Teilen an druckfesten Gehäusen üblich
ist. In der Fig. 4 liegen die Ein-
führungsrohre für die Zu- und
Abführung des Kühlmittels hintereinander, so daß nur ein Rohr 36 und eine Buchse
37 sichtbar sind. Das äußere Ende des Rohres 36 befindet sich in einem an die Seitenwand
34 anschließenden Anschlußkasten 40 der Schutzart "Erhöhte Sicherheit" und ist mit
einer Anschlußarmatur 41 versehen, an das eine Rohrleitung oder ein Schlauch anschließbar
ist. In dem Anschlußkasten 40 ist eine geeignete Öffnung zum Durchtritt dieses Rohres
oder Schlauch es vorgesehen.
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Der Kühlkörper Halbleiterbaueinheit 33 enthält Kühlkanäle 38.
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Die von den nicht dargestellten Leistungshalbleitern im Betrieb abgegebene
Wärme wird daher unmittelbar durch das Metall des Kühlkörpers an die in den Kanälen
38 strömende Kühlflüssigkeit abgeführt.
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in den Fig. 5a und 5b ist nur ein Teilstück einer Wand 42 eines druckfesten
Gehäuses dargestellt, um die Befestigung von Rohren t3 und 44 für die Zu- und Abfuhr
des Kühlmittels 711 zeigen. Die Rohre sind durch Schweißnähte 45 und tsó in der
Wand 42 dicht befestigt und tragen an ihren inneren und äußeren Enden vorzugsweise
gleiche Anschlußarmaturen 47. Die Halbleiterbaueinheit 50 ist an ihrem unteren Ende
mit einem zur Befestigtrng dienenden Stieg 51 versehen, der Langlöcher 52 aufweist.
Das Zuleitungsrohr 53 ist länger als das Ableitungsrohr 54, so daß die Möglichkeit
besteht, zwischen den Rohren 43 und 44 sowie 53 und 54 eventuell auftretende Abstandsfehler
auszugleichen. Die ebene Fläche 59 (Fig. 5b) der Halbleiterbaueinheit dient: zum
Befestigen der Leistungshalbleiter.
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Mit den äußeren Anschlußarmaturen 47 ist eine Anschlußeinheit 55 verbunden,
die ein schematisch dargestelltes Überdruckventil 56 in der Kühlmittelzuleitung
und einen Abflußstutzen 57 besitzt, der beim Ansprechen des Ubcrdruckventils itl
Tätigkeit tritt.
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Zugleich enthält die Anschulßeinheit 55 einen Leitungsweg 60 für den
normalen Abfluß des Künlmittels.
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Wie die Fig. 6 erkennen läßt, ist auf der Oberseite des druckfesten
Gehäuses 65 ein Flansch 66 zum Aufsetzen einer Halbleiter-
baueinheit
67 mit ihrem Flansch 70 angebracht. Für die Befestigung sind in Senklöchern 71 angebrachte
Schrauben vorgesehen.
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Der Flansch 70 trägt zugleich eine Anschlußeinheit 72, die im Prinzip
den Aufbau der Anschlußeinheit 55 (Fig. 5a und 5b) hat.
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Dementsprechend sind zwei Anschlußarmaturen 73 für die Zu- und Abfuhr
des Kühlmittels und eine weitere Anschlußarmatur 74 für den Ablauf des Kühlmittels
bei Überdruck vorgesehen. An der Oberseite der Anschlußeinheit 72 ist ferner eine
Gewindeöffnung 75 angebracht, in die eine Kranöse eingeschraubt werden kann. Nach
dem Lösen der Befestigungsschrauben und der elektrischen Anschlüsse im Inneren des
druckfesten Gehäuses läßt sich daher die vollständige Halbleiterbaueinheit aus dem
druckfesten Gehäuse herausheben.
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Als Kühlmittel eignet sich das im Bergbaubetrieb zur Verfügung stehende
Grubenwasser. Da in dem zugehörigen Leitungsnetz eruebliche Druckschwankungen auftreten
können, müssen die Kühlkörper der Halbleiterbaueinheiten für den vorgesehenen Prüfdruck
bemessen sein, der 30 bar beträgt.
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10 Ansprüche 6 Figuren
L e e r s e i t e