-
Flüss i#keits#ekühlter Thvristorbaustein
-
Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Thyristorbaustein
mit einem Tragblock mit zwei Kühlmittelkanälen, wobei am Tragblock mindestens ein
Thyristorpaar befestigt ist und wobei an der freien Seite jedes Thyristors je eine
Kühldose anliegt.
-
Ein derartiger Thyristorbaustein ist aus der DE-PS 19 24 011 bekannt.
Dabei sind Thyristoren zwischen zwei parallelen, durch Abstandsstücke getrennten
Schienen angeordnet, von denen eine als Stromschiene bzw. Tragblock und die zweite
als Spannschiene dient. Zwischen der Spannschiene und jedem Thyristor ist ein Druckstück,
ein elektrischer Leiter und ein Kühlelement angeordnet. Das Kühlelement besteht
aus einem massiven Block mit zwei von Kühlmittel durchströmten Ausnehmungen, dabei
sind die Ausnehmungen der Kühlelement? der einzelnen Thyristoren untereinander verbunden,
also strömungsmäßig in Reihe geschaltet. Die Stromschiene weist zwei einseitig miteinander
verbundene Kühlkanäle auf, die ebenfalls von Kühlflüssigkeit durchströmt sind. Diese
Kühlkanäle sind also strömungsmäßig ebenfalls in Reihe geschaltet. Damit werden
die Thyristoren auch auf der Stromschienenseite gekühlt.
-
Die Kühlung jedes Thyristors wird also auf einer Seite mit der Stromschiene
selbst durchgeführt. Mit den beiden Kühlkanälen in der Stromschiene bzw. in den
Kühlelementen ist jedoch nur eine beschränkte Wärmeabfuhr möglich. Als nachteilig
erweist sich ferner, daß die Kühlelemente der einzelnen Thyristoren strömungsmäßig
hintereinander geschaltet sind, so daß für die einzelnen Kühlelemente Wasser unterschiedlicher
Temperatur zur
Verfügung steht. Auch in der Stromschiene tritt ein
Temperaturgradient auf.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Thyristors baustein der
eingangs genannten Art so aufzubauen, daß die Kühlung intensiviert wird, wobei für
alle Thyristoren im wesentlichen die gleiche Kühlmittel-Temperatur zur Verfügung
stehen soll.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Tragblock
je Thyristorpaar eine Ausnehmung aufweist, in die ein mit mehreren Durchflußöffnungen
versehener Kühlkern eingesetzt ist, wobei die Durchflußöffnungen mit den Kühlkanälen
des Tragblocks in Verbindung stehen, daß die beiden Thyristoren jedes Thyristorpaars
an den beiden Seiten jedes Kühlkerns anliegen, daß jede Kühldose mit den beiden
Kühlkanälen des Tragblocks verbunden ist und daß die beiden Kühlkanäle einseitig
verschlossen sind.
-
Die Kühlung der Thyristoren erfolgt bei dieser Anordnung also nicht
direkt durch die im Tragblock liegenden Kühlkanäle, sondern durch die eingesetzten
Kühlkerne. Diese ermöglichen eine intensivere Kühlung, da sie mehrere Durchflußöffnungen
aufweisen. Der Tragblock dient nicht zur unmittelbaren Kühlung, sondern lediglich
zur Kühlmittelverteilung. Die jeweils einem Thyristorpaar zugeordneten Kühlkerne
sind für verschiedene Thyristorpaare über die Kühlkanäle strömungsmäßig parallel
geschaltet. Die dem Tragblock abgewandte Seite jedes Thyristors wird mit einer Kühldose
gekühlt, wobei die Kühldosen jedes Thyristorbausteins über die Kühlkanäle strömungsmäßig
ebenfalls parallel geschaltet sind. Durch entsprechende Ausgestaltungen der Kühldosen
läßt sich hier ebenfalls eine sehr intensive Kühlung erreichen. Ein eventueller
Elektrolysestrom in der Kühlflüssigkeit aufgrund von Spannungsunterschieden kann
nur
zwischen dem Tragblock und den Kühldosen auftreten.
-
Da der Strömungsquerschnitt aber wegen der Parallelschaltung aller
Kühldosen gering gehalten werden kann, treten auch nur sehr kleine Elektrolyseströme
auf, so daß zusätzliche Schutzanoden zur Steuerung der Elektrolyseströme nicht erforderlich
sind. Ebenfalls wegen der strömungsmäßigen Parallelschaltung aller Kühldosen und
Kühlkerne bleibt auch der Druckabfall im Kühlkreislauf gering. Durch die spiegelbildliche
Anordnung der beiden Thyristoren jedes Thyristorpaars am Tragblock ergeben sich
günstige Potentialverhältnisse.
-
Die~erfindungsgemäße Lösung läßt sich selbstverständlich nicht nur
für Thyristoren, sondern auch für andere Halbleiterbauelemente einsetzen.
-
Vorteilhafterweise weist jeder Kühlkern zwei Ausnehmungen auf, die
mit den umgebenden Teilen des Tragblocks je eine Kammer bilden, wobei die Durchflußöffnungen
die beiden Kammern miteinander verbinden und jeder Kühlkanal an eine Kammer angeschlossen
ist. Mit einem derartigen Kühlkern ist eine besonders einfache Verbindung zu den
Kühlkanälen möglich. Ein KUhlkern der genannten Art ist beispielsweise aus der DE-PS
25 23 232 bekannt.
-
Die Beschaltungselemente der Thyristoren können ebenfalls auf dem
Tragblock befestigt sein. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau von Stromrichtereinheiten
aus einzelnen, auf jeweils einem Tragblock aufgebauten Modulen.
-
Zweckmäßigerweise sind flüssigkeitsgekühlte Beschaltungselemente mit
den Kühikanälen des Tragblocks verbunden. Damit dient der Tragblock auch für fliissigkeitsgekühlte
Beschaltungselemente als KUhlmXttelverteiler.
-
Vorteilhafterweise weisen dabei flüssigkeitsgekühlte Beschaltungselemente
mindestens je einen Flansch mit einem Kühltnittelanschluß auf, der auf einen entsprechenden,
mit einem Kühlkanal des Tragblocks verbundenen Kühlmittelanschluß des Tragblocks
aufgeschraubt ist.
-
Damit wird eine unmittelbare Verbindung des Beschaltungselements zu
einem der Kühlkanäle hergestellt, so daß nur die zweite Verbindung über eine gesonderte
Leitung erfolgen muß. Ein flüssigkeitsgekühlter Widerstand der hierfür geeigneten
Art ist beispielsweise aus der DE-OS 29 47 997 bekannt.
-
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thyristorbausteins wird
nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 8 näher erläutert. Die Figuren 1 und 2 zeigen
einen Thyristorbaustein mit zwei Thyristorpaaren aus verschiedenen Ansichten. Ein
vorzugsweise metallischer Tragblock 1 ist mit zwei Kühlmittelkanälen 2 versehen,
die an einem Ende 2c des Tragblocks 1 verschlossen sind.
-
Das freie Ende jedes Kühlkanals dient als Zuflußöffnung 2a bzw. Abflußöffnung
2b. Der Tragblock 1 weist zwei Durchbrüche auf, in die in noch detailliert zu erläuternder
Weise jeweils ein Kühlkern 5 eingesetzt ist. An jedem Kühlkern 5 liegt beidseitig
je ein Scheibenthyristor 3 an. Die dem Tragblock 1 gegenüberliegende Seite jedes
Thyristors 3 ist mit einem Kühlkörper 4 versehen. Dabei wird jeweils ein Thyristorpaar
3 zusammen mit einem Kühlkern 5 und zwei Kühlkörpern 4 mit einem den Tragblock 1
durchdringenden Spannverband zusammengedrückt. Von diesem Spannverband sind der
Ubersichtlichkeit wegen nur die Schrauben 6a sowie die den erforderlichen Druck
-aufbringenden Blattfedern 6b symbolisch dargestellt. Es können herkömmliche Spannverbände,
wie sie beispielsweise in Siemens-Zeitschrift 48 (1974), Heft 10, Seite 795 erläutert
sind, verwendet werden.
-
An dem Tragblock 1 sind außerdem eine zur Ansteuerung der Thyristoren
3 erforderliche Elektronikeinheit 9, auf jeder Seite zwei Beschaltungswiderstände
7 sowie ein Beschaltungskondensator 8 befestigt. Die Thyristoren 3 sowie der Kondensator
8 sind gegen den Tragblock 1 nicht isoliert, so daß der Tragblock 1 gleichzeitig
als Verbindungsleiter dient. Zur Realisierung einer in Fig. 3 schematisch dargestellten
Schaltung sind daher je Thyristorpaar nur vier kurze und damit induktivitätsarme
Verbindungsleitungen 10 erforderlich. Da die Verbindungen 10 alle in Luft geführt
sind, ist keine gesonderte Isolierung erforderlich. Durch den bezüglich des Tragblocks
1 symmetrischen Aufbau jedes Thyristorbausteins ergeben sich sehr günstige Potentialverhältnisse.
Die Thyristoren 3 können einzeln ausgetauscht werden.
-
Die Kühlmittelführung sowie die Anordnung der Kühlkerne 5 im Tragblock
1 wird im folgenden anhand der Figuren 4 und 5 näher erläutert. Fig. 4 zeigt den
Tragblock 1 mit den erforderlichen Durchbrüchen und Anschlußstutzen für die Kühlkanäle
2 in Draufsicht, Fig. 5 denselben Tragblock 1 in Frontansicht. Die beiden Kühlkanäle
2 verlaufen geradlinig und parallel zueinander durch den Tragblock 1. Der Tragblock
1 weist zwei kreisförmige Ausnehmungen 1a zur Aufnahme von noch zu erläuternden
Kühlkernen 5 auf. Diese Ausnehmungen 1a erfassen auch die Kühlkanäle 2. Zur Durchführung
der Verschraubungen 6a für die Spannvorrichtung der Thyristoren sind Bohrungen Ib
vorgesehen. Die Kühlkanäle 2 weisen verschiedene Anschlußstutzen auf, wobei der
Anschlußstutzen 2a zur Zuführung des Kühlmittels, die Anschlußstutzen 2s, 2d und
2r, 2p für die Kühlmittelzuführung zu den Kühlkörpern 4, die Anschlußstutzen 2e,
2f und 2n, 20 für die Kühlmittelzuführung zu den Widerständen 7, die Anschlußstutzen
2g, 2h, 21, 2k als Kühlmittelrücklauf für die Widerstände 7, die Anschluß-
stutzen
21 und 2m sowie zwei nicht sichtbare Anschlußstutzen als Kühlmittelrücklauf für
die Kühlkörper 4 und der Anschlußstutzen 2b als Kühlmittel aus tritt für den Tragblock
1 dient. Die Kühlkanäle 2 sind auf einer Seite mit Stopfen 2c verschlossen. Die
Kühlkerne sind in die Ausnehmungen 1a so eingebaut, daß das Kühlmittel in noch zu
erläuternder Weise an den Kühlkernen vorbei strömen kann. Die Widerstände 7 können
entsprechend der DE-OS 29 47 997 so ausgestaltet sein, daß sie mit ihrem Anschlußflansch
direkt auf die Anschlußstutzen 2e und 2f aufgesetzt werden, so daß pro Widerstand
7 nur eine Rücklaufleitung erforderlich ist.
-
Der Tragblock 1 dient also sowohl zur mechanischen Befestigung aller
Elemente eines Thyristorbausteins als auch zur Kühimittelverteilung. Dabei sind
alle mit Kühlmittel zu versorgenden Elemente strömungsmäßig parallel geschaltet.
Dies sind einmal die Kühlkerne, die zwischen den beiden Kühlmittelleitungen 2 liegen,
dann die an der gegenüberliegenden Seite der Thyristoren 3 anliegenden Kühlkörper
4, die z.B. jeweils über die Anschlußstutzen 2c und 2m bzw. 2d und 21 angeschlossen
sind, und schließlich die flüssigkeitsgekühlten Widerstände 7, die z.B. über die
Anschlußstutzen 2e und 2i bzw. 2f und 2h angeschlossen sind. Da alle Kühlkreise
parallel geschaltet sind werden alle Komponenten mit kalter Kühlflüssigkeit versorgt.
Bei den Thyristoren 3 steht für beide Seiten kalte Kühlflüssigkeit zur Verfügung.
Damit ergibt sich eine sehr intensive Kühlung, die eine maximale Ausnutzung der
Bauelemente ermöglicht. Ein Elektrolysestrom in der Kühlflüssigkeit kann entsprechend
den Spannungsverhältnissen nur zwischen dem Tragblock 1 und den Kühlkörpern 4 auftreten.
Wegen der Parallelschaltung aller Kühlkreise kann aber der Strömungsquerschnitt
der entsprechenden Anschlußleitungen gering gehalten werden (Durchmesser ca. 4 mm),
so daß der Elektrolysestrom klein bleibt. Durch die Parallelschaltung der Kühlkreise
ergibt
sich ein geringer Druckabfall. Der Druckabfall kann zur Optimierung der Kühlanlage
weiter verringert werden, wenn zwischen den beiden Kühlkanälen 2, z.B.
-
in einem der Kühlkerne 5 ein Bypaß verwirklicht wird.
-
Damit könnte man z.B. die Austrittstemperatur der Kühlflüssigkeit
durch Erhöhung ihrer Fördermenge ohne steigenden Druckabfall reduzieren. Ein derartiger
Bypaß ist in den Figuren der Ubersichtlichkeit wegen nicht dargestellt..
-
Die Figur 6 zeigt schematisch einen Kühlkern 5. Dabei kann beispielsweise
eine Ausführung nach der DE-PS 25 23 232 eingesetzt werden, so daß sich hier eine
detaillierte Beschreibung erübrigt, Der Kühlkern weist zwei Gruppen von Durchbrüchen
5a auf, die jeweils einer Auflagefläche eines Thyristors benachbart sind. Ausfräsungen
5b dienen als Sammelkaftimern für die Kühlmittelzuleitung bzw. -ableitung zu den
Durchbrüchen 5a.
-
Diese Kammern 5b liegen bei eingesetztem Kühlkern 5 im Bereich der
Kühlkanäle 2, so daß diese,wie bereits erwähnt, durch die Kühikerne 5 nicht unterbrochen
werden. Da in den Kühlkernen eine Vielzahl von Bohrungen unterzubringen ist, wird
eine intensive Kühlung der Thyristoren 3 erreicht, Die Kühlkerne 5 werden in den
Tragblock 1 vorteilhafterweise eingeschweißt.
-
Figur 7 zeigt schematisch ein Ausfthrungsbeispiel für einen Kühlkörper
4. Dieser enthält ebenfalls einen Kühlkern 4a, der in Fig. 7 in unmontiertem Zustand
dargestellt ist. Als Kühlkern 4a kann dabei ebenfalls die in der DE-PS 25 23 232
beschriebene Ausführung verwendet werden, wobei jedoch Wegen der nur einseitig erforderlichen
Kühlung auch nur eine Gruppe von Durchbrüchen vorhanden ist. Der Kühlkörper 4 ist
rechteckig ausgebildet und dient gleichzeitig zur Aufnahme des Spannterbands.
-
Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf den Kühlkörper 4, wobei deutlich
die Bohrungen 4b für die Spannschrauben sowie die Schlitze 4c zum Einlegen der Blattfeder
6 sichbar sind. Die Kühlkanäle 4d zum Kühlkern 4a sind gestrichelt eingezeichnet.
-
Der erfindungsgemäße Thyristorbaustein ermöglicht einen einfachen
modularen Aufbau von Stromrichtern, da mehrere Bausteine nach Belieben zusammengestellt
werden können.
-
5 Patentansprüche 8 Figuren
Leerseite