DE3933956A1

DE3933956A1 - Anordnung mit zwangsgekuehltem, elektrischem leistungswiderstand

Info

Publication number: DE3933956A1
Application number: DE19893933956
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr Ing Baumann; Manfred Dipl Ing Zengerle
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1989-10-11
Filing date: 1989-10-11
Publication date: 1991-04-25
Anticipated expiration: 2009-10-12
Also published as: DE3933956C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit zwangsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.

Die Erfindung kann bei Stromrichtergeräten für Fahr zeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, verwendet werden.

Eine solche Anordnung mit zwangsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand ist aus der DE-OS 36 09 195 bekannt. Dort wird ein zwangsgekühlter Drahtwiderstand beschrie ben, bei dem die Verlustleistung mittels Siede- oder Flüssigkeitskühlung abgeführt wird, wobei der Widerstand aus einem elektrisch isolierenden, zylindrischen Hohl körper besteht, auf dessen Innenwand eine Widerstands wicklung angeordnet ist, und ein Kühlmedium das Innere des Hohlkörpers durchfließt.

In vielen Geräten der Leistungselektronik, z. B. Gleich stromstellern oder allgemein Stromrichtern, werden Wi derstände eingesetzt, in denen eine hohe Verlustleistung erzeugt wird. Diese Widerstände müssen daher intensiv gekühlt werden. Bei vielen Anwendungen werden derartige Leistungswiderstände im Kühlluftstrom einer Zwangsküh lung für die Halbleiterbauelemente des Stromrichters angeordnet. Dies kann aber bei gewissen kritischen An wendungsgebieten, insbesondere im Bahnbetrieb, Probleme verursachen, da die Widerstände über den Kühlluftstrom mit Feuchtigkeit und Schmutz in Berührung kommen. Aus diesem Grund wird oft gefordert, keine auf hohem elek trischem Potential liegenden Bauelemente im Kühlluft strom unterzubringen.

Darüberhinaus ist es auf Fahrzeugen oft vorteilhaft, den Kühlluftstrom von den Geräten der Leistungselektronik entfernt zu halten, um eine einfachere Anordung der großvolumigen Kühlluftführung zu erreichen. In diesem Fall muß zum Wärmetransport von dem zu kühlenden elek trischen Bauteil an die Umgebungsluft ein Zwischenkreis mit einem meist flüssigen Wärmeträger vorgesehen werden. Hierbei muß auch die Verlustwärme von Leistungswider ständen zunächst an ein flüssiges Kühlmedium abgeführt werden. Als Kühlmedium eignet sich neben verschiedenen elektrisch isolierenden Kühlmedien (z. B. Mineralöl oder Silikonflüssigkeiten) insbesondere Wasser, sofern es entionisiert oder in geeigneter Weise von dem zu kühlen den Bauteil elektrisch isoliert gehalten wird.

Außerdem steht z. B. auf Hochleistungstriebfahrzeugen Einbauraum immer nur beschränkt zur Verfügung, so daß die verwendeten Bauteile eine hohe Leistungsdichte und ein geringes Bauvolumen aufweisen müssen, was mit reiner Luftkühlung häufig nicht realisiert werden kann. Für die Kühlung von scheibenförmigen Halbleitern sind Kühlkörper aus elektrisch isolierenden, jedoch gut wärmeleitenden keramischen Werkstoffen vorgeschlagen worden, die die Verwendung von nicht entionisiertem, also elektrisch leitfähigem Wasser als Kühlmittel gestatten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit zwangsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand der eingangs genannten Art anzugeben, die derart ausge bildet ist, daß sie bei kleinem Bauvolumen eine hohe Leistungsdichte ermöglicht.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes alternativ durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins besondere darin, daß durch die vorgeschlagene Anordnung mit zwangsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand keine Rücksicht auf den gegebenenfalls Feuchtigkeit und Schmutz enthaltenden Kühlluftstrom genommen werden muß. Der Leistungswiderstand ist getrennt vom Kühlluftstrom angeordnet und ermöglicht eine intensive Kühlung mit Wärmeabfuhr über eine Kühlflüssigkeit. Die vorgeschlage ne Anordnung gewährleistet eine hohe Leistungsdichte bei kleinem Bauvolumen, was z. B. beim Einsatz in Hochlei stungstriebfahrzeugen von großer Bedeutung ist. Bei Ein satz von elektrisch isolierenden, jedoch gut wärmelei tenden keramischen Werkstoffen für den Flüssigkeitskühl körper kann vorteilhaft nicht entionisiertes, also elek trisch leitfähiges Wasser zur Kühlung verwendet werden. Da der Leistungswiderstand als flaches, ebenes Bauteil ausgeführt ist, läßt er sich in einfacher Weise zwischen Flüssigkeitskühlkörpern (Kühldosen) anordnen und mit einer vorgebbaren Druckkraft belasten, wie dies bei scheibenförmigen Halbleiterzellen bekannt ist. Auch ein gemeinsamer Spannverband, bestehend aus Halbleiterzellen und Leistungswiderständen, jeweils unter Zwischenschal tung von Flüssigkeitskühlkörpern, ist möglich. Bei Ein satz von elektrisch leitenden (metallenen) Flüssigkeits kühlkörpern muß eine elektrisch isolierende Zwischenlage zwischen Leistungswiderstand und Flüssigkeitskühlkörper vorgesehen werden, um einen elektrischen Kurzschluß des Leistungswiderstandes zu verhindern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Leistungswi derstandes,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Leistungswi derstandes,

Fig. 3 eine aus Leistungswiderstand und elektrisch nichtleitendem Flüssigkeitskühlkörper beste hende Anordnung,

Fig. 4 einen bei der Anordnung nach Fig. 3 verwende ten Flüssigkeitskühlkörper im Schnitt,

Fig. 5 eine aus Leistungswiderstand und elektrisch leitenden Flüssigkeitskühlkörpern bestehende Anordnung,

Fig. 6 einen aus Halbleiterzellen, Leistungswider ständen und Flüssigkeitskühlkörpern bestehen den Spannverband.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform eines Lei stungswiderstandes dargestellt. Der gezeigte Leistungs widerstand 1 besteht dabei aus einem flachen, metalli schen Widerstandselement 2 mit zwei elektrischen An schlüssen 3 und 4, wobei sich diese Anschlüsse 3, 4 auf derselben Seite des Leistungswiderstandes 1 befinden. Die Anschlüsse 3 und 4 sind mit Bohrungen 5, 6 für die Verbindung mit externen Anschlußleitern oder Anschluß schienen versehen (Schraubanschlüsse). Das Widerstands element 2 weist infolge zahlreicher Aussparungen 7 eine mäanderförmige Struktur auf und kann beispielsweise aus einem Blech aus einem Werkstoff mit einem hohen spezifi schen elektrischen Widerstand - z. B. einer Widerstands legierung oder einem Edelstahl - durch Stanzen, Ätzen, Laserstrahlschneiden oder andere Fertigungsverfahren hergestellt werden. Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, kann der Leistungswiderstand 1 beispielsweise aus zwei neben einander liegenden, in Reihe geschalteten, jeweils mäan derförmigen Teilwiderständen A und B aufgebaut sein.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Lei stungswiderstandes dargestellt. Der gezeigte Leistungs widerstand 8 besteht ebenfalls aus einem flachen, metal lischen, mit zahlreichen Aussparungen 7 versehenen Wi derstandselement 2. Im Unterschied zur ersten Ausfüh rungsform gemäß Fig. 1 befinden sich die elektrischen Anschlüsse 9 und 10 bei der zweiten Ausführungsform auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Leistungswiderstandes 8. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, kann der Leistungswi derstand 8 beispielsweise aus fünf jeweils mäanderförmi gen Teilwiderständen C, D, E, F, G aufgebaut sein, wobei die fünf Teilwiderstände C . . . G in mäanderförmiger Art und Weise in Reihe geschaltet sind.

In Fig. 3 ist eine aus Leistungswiderstand und elek trisch nichtleitendem Flüssigkeitskühlkörper bestehende Anordnung dargestellt. Dabei liegt ein Leistungswider stand 1 der ersten Ausführungsform auf einem Flüssig keitskühlkörper 11 aus einem elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden Werkstoff, vorzugsweise einem keramischen Werkstoff, insbesondere Aluminiumnitrid (AlN). Die elektrischen Anschlüsse 3, 4 des Leistungswi derstandes 1 mit Bohrungen 5, 6 ragen zur Montageverein fachung über die Außenkante des Flüssigkeitskühlkörpers 11. Der quaderförmige Flüssigkeitskühlkörper 11 weist an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten Anschlußstutzen 12, 13 für den Ein- und Austritt von Kühlflüssigkeit auf. Als Kühlflüssigkeit kann beispielsweise nicht entioni siertes, also elektrisch leitfähiges Wasser verwendet werden, dem gegebenenfalls ein Frostschutzmittel beige mischt ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung wird ergänzt durch einen zweiten, nicht dargestellten Flüssigkeitskühlkör per gleicher Art bzw. gegebenenfalls eine nicht darge stellte Druckplatte aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, mit dem bzw. der der Leistungswiderstand 1 abgedeckt wird und über den bzw. die eine Druckkraft auf den Leistungswiderstand 1 aufgebracht werden kann, um einen guten Wärmeübergang zwischen Leistungswiderstand 1 und Kühlkörper 11 zu gewährleisten. Zweckmäßigerweise wird zusätzliche eine Wärmeleitpaste zwischen Leistungs widerstand 1 und Flüssigkeitskühlkörper 11 eingebracht.

In Fig. 4 ist ein bei der Anordnung nach Fig. 3 verwen deter Flüssigkeitskühlkörper im Schnitt dargestellt. Der Flüssigkeitskühlkörper 11 weist einen inneren Kühlkanal 14 auf, der sich im Inneren des Kühlkörpers an einem Ende 15 Y-förmig in zwei parallel liegende interne Kanä le aufspaltet, die jeweils S-förmig das Innere des Kühl körpers 14 durchlaufen und sich am weiteren Ende 16 T-förmig vereinen. Das Ende 15 führt zum Anschlußstutzen 12, während das weitere Ende 16 mit dem Anschlußstutzen 13 verbunden ist.

In Fig. 5 ist eine aus Leistungswiderstand und elek trisch leitenden Flüssigkeitskühlkörpern bestehende An ordnung dargestellt. Es ist ein Leistungswiderstand 1 mit elektrischen Anschlüssen 3, 4 gemäß der ersten Aus führungsform zu erkennen, der zwischen zwei elektrisch leitenden Flüssigkeitskühlkörpern 17, 18 eingespannt ist. Zur elektrischen Isolation sind Zwischenlagen 19, 20 zwischen Flüssigkeitskühlkörper 17 und Leistungswi derstand 1 bzw. zwischen Leistungswiderstand 1 und Flüs sigkeitskühlkörper 18 vorgesehen. Die Zwischenlagen 19, 20 bestehen aus einem gut wärmeleitenden, aber elek trisch isolierenden Werkstoff. Die zum Eintritt und Aus tritt der Kühlflüssigkeit notwendigen Anschlußstutzen der Flüssigkeitskühlkörper 17, 18 sind mit Ziffern 21, 22, 23, 24 bezeichnet. Zur verbesserten Wärmeableitung wird zusätzlich Wärmeleitpaste zwischen Leistungswider stand 1, Zwischenlagen 19, 20 und Flüssigkeitskühlkör pern 17, 18 eingebracht.

In Fig. 6 ist ein aus Halbleiterzellen, Leistungswider ständen und Flüssigkeitskühlkörpern bestehender Spann verband dargestellt. Es ist ein zwischen zwei nichtlei tenden Flüssigkeitskühlkörpern 111, 112 angeordneter Leistungswiderstand 1 mit elektrischen Anschlüssen 3, 4 gemäß der ersten Ausführungsform zu erkennen. Zwischen dem Flüssigkeitskühlkörper 112 und einem weiteren, elek trisch nichtleitenden Flüssigkeitskühlkörper 113 befin det sich eine scheibenförmige Halbleiterzelle 25 mit zwei Anschlußlaschen 26, 27 für den elektrischen An schluß. Die Anschlußlaschen 26, 27 bestehen aus einem metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Kupfer. Die für den Ein- und Austritt der Kühlflüssigkeit erforderlichen Anschlußstutzen der Flüssigkeitskühlkörper 111 bzw. 112 bzw. 113 sind mit Ziffern 121, 131 bzw. 122, 132 bzw. 123, 133 bezeichnet.

Zur Druckbelastung bzw. Verspannung dient eine aus Spannstäben 28, 29, Druckplatten 30, 31 und Spannmuttern 32, 33, 34, 35 bestehende Spannvorrichtung, wobei vor auszusetzen ist, daß weitere, nicht dargestellte Halb leiterzellen, Leistungswiderstände und Flüssigkeitskühl körper zu einer Säule gestapelt sind. Die Spannstäbe 28, 29 können durch geeignete Bohrungen oder Öffnungen in den Flüssigkeitskühlkörpern geführt sein, wodurch sich vorteilhaft eine exakte Ausrichtung der einzuspannenden Säule ergibt. Zweckmäßig sind nicht dargestellte Federe lemente, z. B. Tellerfedern, in der Spannvorrichtung bzw. der zu spannenden Säule enthalten, um thermische Aus gleichsvorgänge während des Betriebes zu ermöglichen. Zur verbesserten Wärmeleitung wird zusätzlich Wärmeleit paste zwischen Leistungswiderständen, Flüssigkeitskühl körpern und Halbleiterzellen eingebracht.

Die vorstehend beschriebene gemeinsame Anordnung von Halbleiterzellen und Leistungswiderständen in einem ein zigen Spannverband ist besonders vorteilhaft im Sinne einer Bauvolumenreduzierung, da die Teile der Spannvor richtung, wie z. B. Druckfedern und Druckplatten, nur einmal ausgeführt und im Gerät untergebracht werden müs sen.

Der Einsatz der vorstehend beschriebenen Leistungswider stände erfolgt beispielsweise in Stromrichtergeräten für Fahrzeuge, insbesondere auch Schienenfahrzeuge. Während des Betriebes des Leistungswiderstandes wird die dabei produzierte Verlustwärme an die Kühlflüssigkeit des ein gesetzten Flüssigkeitskühlkörpers 111, 112, 113, 11, 17, 18 abgeführt. Dieser an die Kühlflüssigkeit übertragene Wärmestrom wird in einem räumlich getrennt an beliebiger Stelle auf dem Fahrzeug angeordneten Wärmeübertrager an die Umgebungsluft abgeführt.

Claims

1. Anordnung mit zwangsgekühltem, elektrischem Lei stungswiderstand, bei der die Verlustleistung mittels Siede- oder Flüssigkeitskühlung abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswiderstand (1, 8) aus einem flachen, ebenen, metallischen Widerstandselement (2) mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen (3, 4, 9, 10) besteht, wobei das Widerstandselement (2) aus einem blechförmigen Werkstoff mit einem hohen spezifi schen elektrischen Widerstand gebildet ist, und daß der Leistungswiderstand (1, 8) direkt mit mindestens einem elektrisch nichtleitenden, jedoch gut wärmeleitenden Flüssigkeitskühlkörper (11, 111, 112, 113) druckkontak tiert ist.

2. Anordnung mit zwangsgekühltem, elektrischem Lei stungswiderstand, bei der die Verlustleistung mittels Siede- oder Flüssigkeitskühlung abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswiderstand (1, 8) aus einem flachen, ebenen, metallischen Widerstandselement (2) mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen (3, 4, 9, 10) besteht, wobei das Widerstandselement (2) aus einem blechförmigen Werkstoff mit einem hohen spezifi schen elektrischen Widerstand gebildet ist, und daß der Leistungswiderstand (1, 8) über eine elektrisch isolie rende, jedoch gut wärmeleitenden Zwischenlage (19, 20) mit mindestens einem elektrisch leitenden Flüssigkeits kühlkörper (17, 18) druckkontaktiert ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Widerstandselement (2) durch zahl reiche seitliche Aussparungen (7) eine mäanderförmige Struktur aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß das Widerstandselement (2) aus mindestens zwei in Reihe geschalteten, jeweils mäanderförmigen Teilwi derständen (A, B) besteht und sich die elektrischen An schlüsse (3, 4) auf derselben Seite befinden.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß das Widerstandselement (2) aus mindestens drei in Reihe geschalteten, jeweils mäanderförmigen Teilwi derstanden (C, D, E, F, G) besteht und sich die elektrischen Anschlüsse (9, 10) auf gegenüberliegenden Seiten befin den.

6. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsele ment (2) aus einer Widerstandslegierung besteht.

7. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsele ment (2) aus einem Edelstahl besteht.

8. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen An schlüsse (3, 4, 9, 10) jeweils mit Bohrungen (5, 6) für den Schraubanschluß mit externen Leitungen oder Schienen versehen ist.

9. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswider stand (1, 8) zur einseitigen Kühlung zwischen einer elek trisch isolierenden Druckplatte und einem Flüssigkeits kühlkörper eingespannt ist.

10. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswider stand (1, 8) zur doppelseitigen Kühlung zwischen zwei Flüssigkeitskühlkörpern eingespannt ist.

11. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lei stungswiderstand mit mindestens einem Flüssigkeitskühl körper in einem gemeinsamen Spannverband mit Spannstäben (28, 29), Druckplatten (30, 31) und Spannmuttern (32, 33, 34, 35) angeordnet sind.

12. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lei stungswiderstand, mindestens eine scheibenförmige Halb leiterzelle (25) und mindestens ein Flüssigkeitskühlkör per in einem gemeinsamen Spannverband mit Spannstäben (28, 29), Druckplatten (30, 31) und Spannmuttern (32, 33, 34, 35) angeordnet sind.

13. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeleitpaste zwi schen Leistungswiderstand und Kühlkörper bzw. Zwischen lage eingebracht ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leistungswiderstandes nach wenigstens einem der Ansprü che 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider standselement (2) aus einem blechförmigen Werkstoff aus gestanzt wird.

15. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen leistungswiderstandes nach wenigstens einem der Ansprü che 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider standselement (2) aus einem blechförmigen Werkstoff mit tels Laserstrahl herausgeschnitten wird.

16. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leistungswiderstandes nach wenigstens einem der Ansprü che 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wider standselement (2) aus einem blechförmigen Werkstoff her ausgeätzt wird.