DE4420564C2 - Spannverband eines Stromrichters zur Flüssigkeitskühlung elektrischer Bauelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannverband eines Strom­ richters zur Flüssigkeitskühlung elektrischer Bauelemente.

Spannverbände von Stromrichtern zur Flüssigkeitskühlung elektri­ scher Bauelemente, insbesondere Halbleiterventile, sind allge­ mein bekannt. Ein Spannverband besteht dabei meist aus mehreren einzelnen flüssigkeitsdurchströmten Kühldosen, zwischen denen sich die zu kühlenden elektrischen Bauelemente befinden. Der auf diese Weise gebildete Stapel wird mit hohem Druck zusammenge­ preßt, wobei eine aus zwei Jochen, vier Spannstäben und mehreren Federelementen (Tellerfedern) bestehende Spannvorrichtung Ver­ wendung findet. Die Einleitung (Rückleitung) der Kühlflüssigkeit in die (aus der) Kühldose erfolgt unter Einsatz von Quervertei­ lern, die mit den Anschlußstutzen der Kühldosen verbunden sind. Dabei ist es von Nachteil, daß der bei einer Vielzahl von zu kühlenden elektrischen Bauelementen entstehende Spannverband re­ lativ lang aufgebaut ist, was störend bei der Schaffung eines kompakten Stromrichters ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen sehr kompakt ausgebildeten Spannverband eines Stromrichters zur Flüssigkeits­ kühlung elektrischer Bauelemente anzugeben.

Aus der DE 82 05 369 U1 ist beispielsweise ein Spannverband eines Stromrichters zur Flüssigkeitskühlung elektrischer Bauelemente mittels Kühldosen bekannt, der aus zwei parallelen nebeneinander angeordneten Teil-Spannverbänden mit einer gemeinsamen Spannvorrichtung mit zwei Jochen, mehreren Spannstäben und Federelementen besteht. Dabei enthält jede Kühldose einen Kreislauf für ein Kühlmedium, das durch eine Eintritts-Anschlußvorrichtung der Kühldose zugeführt und durch eine Abgangs- Anschlußvorrichtung von der Kühldose abgeführt wird.

Ferner ist in der DE 32 38 516 C2 ein flüssigkeitsgekühlter Thyristorbaustein mit einem zwei Kühlmittelkanäle aufweisenden Tragblock beschrieben. Die dem Tragblock gegenüberliegende Seite jedes Thyristors des Thyristorbausteins ist mit einem Kühlkörper versehen. Hierbei wird jeweils ein Thyristorpaar zusammen mit einem Kühlkern und zwei Kühlkörpern mit einem den Tragblock durchdringenden Spannverband zusammengedrückt. Eine Kühlmittelverteilung erfolgt durch die Kühlmittelkanäle des Tragblocks und von diesen Kanälen über Schläuche zu den Kühlkörpern.

Die DE 27 11 931 A1 betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem scheibenförmigen Halbleiterbauelement, das zwischen zwei flüssigkeitsgekühlten Druckplatten federnd gehalten ist. Die beiden Druckplatten sind gegen einen mit Strömungskanälen für eine Kühlflüssigkeit versehenen Kühler angepreßt. Dabei erfolgt die Ableitung der in dem Halbleiterbauelement produzierten Wärmeenergie über die Druckplatten an den Kühler. Somit ist keine Kühlmittelverteilung zwischen verschiedenen Kühlkörpern erforderlich, da nur ein Kühler vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Spannverband eines Stromrichters zur Flüssigkeitskühlung elektrischer Bauelemente mittels Kühldo­ sen, bestehend aus zwei parallel nebeneinander angeordneten Teil-Spannverbänden mit einer gemeinsamen Spannvorrichtung mit zwei Jochen, mehreren Spannstäben und Federelementen gelöst, wobei in mindestens einem Joch mindestens ein Kühlflüssigkeitskanal zur Führung der Kühlflüssigkeit innerhalb des Stromrichters und/oder zur Verteilung der Kühlflüssigkeit von einem Teil-Spannverband zum anderen vorgesehen ist, womit die Verteilung der Kühlflüssigkeit zu den einzelnen Kühldosen erleichtert wird.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der aus zwei Teil-Spannverbänden aufgebaute Spannver­ band eines Stromrichters äußerst kompakt aufgebaut ist. Beim Einsatz des Stromrichters zur Schienenfahrzeug-Traktion ist die Rüttelsicherheit des Spannverbandes, insbesondere auch der die Kühlflüssigkeit führenden Bauteile, von Vorteil. Die Verteilung der Kühlflüssigkeit zu den einzelnen Kühldosen wird sehr er­ leichtert, da zumindest ein Joch der Spannvorrichtung mindestens einen Kühlflüssigkeitskanal zur Kühlflüssigkeitsführung auf­ weist. Hierdurch wird der Einsatz von Schläuchen für die Vertei­ lung der Kühlflüssigkeit von einem Teil-Spannverband zum anderen entbehrlich.

Die Aufteilung der zu kühlenden elektrischen Bauelemente auf zwei Teil-Spannverbände ermöglicht vorteilhaft, die hitzeemp­ findlichen Bauelemente - wie insbesondere Thyristoren - in einem Teil-Spannverband zusammenzufassen, während sich die hitzeemp­ findlicheren Bauelemente - wie Widerstände und Drosseln - im weiteren Teil-Spannverband befinden. Die Kühlflüssigkeit - vor­ zugsweise Brauchwasser - kann auf diese Art gezielt zuerst den Teil-Spannverband mit den hitzeempfindlicheren Bauelementen be­ aufschlagen, während der weitere Teil-Spannverband mit der be­ reits erwärmten Kühlflüssigkeit gekühlt wird.

Durch unterschiedliche Ausbildung der Querverteiler können un­ terschiedliche Ausführungsformen bei der Kühlung realisiert wer­ den, beispielsweise eine hydraulische Parallelschaltung aller Kühldosen aller Teil-Spannverbände oder eine Reihenschaltung der Kühldosen des einen Teil-Spannverbandes mit den Kühldosen des anderen Teil-Spannverbandes. Zur Umsetzung derart unterschiedli­ cher Kühlungsformen können bis auf wenige Querverteiler ein- und dieselben Bauteile verwendet werden, was eine Variantenvielfalt hinsichtlich der Kühlungsarten bei niedrigen Produktionskosten ermöglicht.

Der Spannverband ist modular aufgebaut und läßt sich bei Defekt eines elektrischen Bauelementes relativ leicht und schnell aus­ tauschen. Es müssen hierzu lediglich die an einer Stirnseite be­ findlichen hydraulischen und elektrischen Anschlüsse gelöst wer­ den, worauf sich der Spannverband aus dem Stromrichter schieben läßt. Nach dem Einschub eines Ersatz-Spannverbandes und der Mon­ tage der hydraulischen und elektrischen Anschlüsse ist der Stromrichter wieder betriebsbereit. Weitere Vorteile sind aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Spannverband eines Stromrichters,

Fig. 2 eine Kühlungsart mit Parallelschaltung aller Kühldosen der Teil-Spannverbände,

Fig. 3 eine Kühlungsart mit Parallelschaltung der Kühldosen jeden Teil-Spannverbandes, jedoch hydraulischer Reihen­ schaltung beider Teil-Spannverbände.

In Fig. 1 ist ein Spannverband eines Stromrichters dargestellt. Der Spannverband 1 (beispielsweise ein Phasenbaustein oder ein Bremssteller) weist zwei parallel nebeneinander angeordnete Teil-Spannverbände 2, 3 auf. Jeder Teil-Spannverband 2, 3 be­ steht beispielsweise aus vier Kühldosen 4, die in Wärmekontakt mit zu kühlenden elektrischen Bauelementen 5, wie insbesondere Halbleiterventilen (Thyristoren, Dioden), Widerständen und Dros­ seln stehen. Der Spannverband enthält somit außer den Kondensa­ toren alle zur Schaffung eines Stromrichter-Phasenbausteins oder Bremsstellers notwendigen Bauelemente. Dabei befinden sich vorzugsweise die Thyristoren in einem Teil-Spannverband sowie die Dioden, Widerstände und Drosseln im weiteren Teil-Spann­ verband. Jedes elektrische Bauelement 5 ist vorzugsweise zwi­ schen zwei Kühldosen eingespannt, kann sich jedoch auch zwischen einer Kühldose und einem Joch befinden.

Zur Aufbringung der Kontaktkraft für die beiden Teil-Spannver­ bände 2, 3 ist eine einzige Spannvorrichtung, bestehend aus zwei Jochen 11, 12, sechs Spannstäben 13 und mehreren Federelementen (Tellerfedern) 17 vorgesehen. Dabei sind Federelemente in jedem Teil-Spannverband erforderlich. Bemerkenswert an dieser Spann­ vorrichtung ist es, daß jeweils ein Joch über beide Teil-Spann­ verbände 2, 3 greift und daß Kühlflüssigkeitskanäle 14, 15 innerhalb eines Jochs verlaufen. Hierdurch erfolgt eine Einbin­ dung des Jochs in den Kühlflüssigkeitskreislauf, wie nachstehend noch im einzelnen erläutert wird. Die Joche 11, 12 sind vorzugs­ weise als Strangpreßprofil ausgebildet.

Zur Anbindung an einen Kühlflüssigkeitskreislauf sind die Kühl­ dosen 4 über ihre Anschlußstutzen 6 (Vorlauf-Anschlußstutzen und Rücklauf-Anschlußstutzen) mit Querverteilern 7 bis 10 verbunden. Jeweils zwei Querverteiler befinden sich an jeder Stirnseite des Spannverbandes. Wie aus der Figur zu erkennen ist, sind die Kühldosen 4 der Teil-Spannverbände 2, 3 in "Rücken-an-Rüc­ ken-Bauweise" derart angeordnet, daß die Anschlußstutzen 6 der Kühldosen 4 der Teil-Spannverände 2, 3 in entgegengesetzte Rich­ tungen weisen.

Die Kühlflüssigkeit wird beispielsweise über eine Vorlauföffnung des Querverteilers 7 (siehe Pfeil) an der ersten Stirnseite des Spannverbandes eingespeist und fließt vom Querverteiler 7 über die Vorlauf-Anschlußstutzen der Kühldosen 4 des Teil-Spannver­ bandes 2 in diese Kühldosen sowie über den im Joch 11 verlaufen­ den Kühlflüssigkeitskanal 14 zum Querverteiler 9 an der zweiten Stirnseite des Spannverbandes. Vom Querverteiler 9 gelangt die Kühlflüssigkeit über die Vorlauf-Anschlußstutzen der Kühldosen des Teil-Spannverbandes 3 in diese Kühldosen.

Die Kühlflüssigkeit wird innerhalb der Kühldosen 4 durch die von den elektrischen Bauelementen 5 produzierte und zu den Kühldosen abfließende Wärmeenergie erhitzt. Die erwärmte Kühlflüssigkeit tritt über die Rücklauf-Anschlußstutzen von den Kühldosen 4 in die weiteren Querverteiler ein, und zwar im einzelnen in den Querverteiler 8 an der ersten Stirnseite und in den Quervertei­ ler 10 an der zweiten Stirnseite des Spannverbandes. Die in den Querverteiler 10 einfließende Kühlflüssigkeit wird über den wei­ teren Kühlflüssigkeitskanal 15 innerhalb des Jochs 11 zum Quer­ verteiler 8 geleitet. Über eine Rücklauföffnung im Querverteiler 8 (siehe Pfeil) tritt die Kühlflüssigkeit aus der Kühlvorrich­ tung des Spannverbandes aus. Die hydraulischen Anschlüsse (Vorlauf, Rücklauf) an der ersten Stirnseite des Spannverbandes können beispielsweise über Schläuche erfolgen. Vorteilhaft sind diese hydraulischen Anschlüsse (wie auch die nicht dargestellten elektrischen Anschlüsse) lediglich an der ersten Stirnseite des Spannverbandes 1 vorgesehen, nicht jedoch an der bei im Strom­ richter eingebauten Spannverband schlecht zugänglichen zweiten Stirnseite.

Für die hydraulische Verbindung der Kühlflüssigkeitskanäle 14, 15 mit den Querverteilern 7 bis 10 sind Ringnuten in den stirn­ seitigen Anschlußflächen der Kühlflüssigkeitskanäle 14, 15 oder in den Querverteilern vorgesehen, in die O-Ringe eingelegt sind. Längsnuten 16 in den Außenkanten der Joche 11, 12 ermöglichen ein einfaches Ein- bzw. Ausschieben des Spannverbandes 1 in ein bzw. aus einem Gehäuse eines Stromrichters sowie eine leichte Befestigung.

Vorstehend wird beispielhaft von zwei Kühlflüssigkeitskanälen in einem der Joche ausgegangen. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, je einen Kühlflüssigkeitskanal in jedem Joch vorzusehen. Desgleichen ist es auch möglich, ein Joch bzw. beide Joche mit mehr als zwei Kühlflüssigkeitskanälen auszubilden, wenn weitere Kühlflüssigkeitsverteilungen innerhalb des Strom­ richters erforderlich sind.

Aus den Fig. 2 und 3 geht hervor, daß aufgrund des Aufbaus des Spannverbandes 1 aus zwei Teil-Spannverbänden 2, 3 in sehr ein­ facher Weise unterschiedliche Kühlungsarten, wie z. B. Parallel­ schaltung und Reihenschaltung realisierbar sind.

In Fig. 2 ist eine Kühlungsart mit Parallelschaltung aller Kühl­ dosen der Teil-Spannverbände dargestellt. Diese Kühlungsart ent­ spricht dem unter Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel. Über eine Vorlauföffnung wird die Kühlflüssigkeit in den Quervertei­ ler 7 eingespeist, gelangt von dort sowohl in die Kühldosen 18 zur Kühlung von elektrischen Bauelementen des Teil-Spannverban­ des 2, wie Dioden, Widerstände und Drosseln, als auch über den Kühlflüssigkeitskanal 14 des Jochs in die Kühldosen 19 zur Küh­ lung von elektrischen Bauelementen des Teil-Spannverbandes 3, wie Thyristoren. Der Rücklauf der Kühlflüssigkeit aus den Kühl­ dosen 18, 19 erfolgt über den Querverteiler 8 bzw. den Querver­ teiler 10 und den Kühlflüssigkeitskanal 15 in den Querverteiler 8 und von dort über eine Rücklauföffnung zum weiteren Kühlflüs­ sigkeitskreislauf.

In Fig. 3 ist eine Kühlungsart mit Parallelschaltung der Kühldo­ sen jeden Teil-Spannverbandes, jedoch hydraulischer Reihenschal­ tung beider Teil-Spannverbände dargestellt. Bei dieser Ausfüh­ rungsvariante ist der Querverteiler 7 geteilt aufgebaut, so daß die Kühlflüssigkeit über eine Vorlauföffnung und einen ersten Teilabschnitt im Querverteiler 7 direkt und ausschließlich in den Kühlflüssigkeitskanal 14 und von dort in den Querkanal 9 ge­ langt. Die Kühlflüssigkeit durchströmt die Kühldosen 19 zur Küh­ lung der im Teil-Spannverband 3 angeordneten Thyristoren und fließt vom Querverteiler 10 durch den Kühlflüssigkeitskanal 15 in den Querverteiler 8. Die Kühlflüssigkeit durchströmt die Kühldosen 18 zur Kühlung der im Teil-Spannverband 2 angeordneten Dioden, Widerstände und Drosseln, sammelt sich im zweiten Teil­ abschnitt des Querverteilers 7 und verläßt diesen durch eine Rücklauföffnung. Wie zu erkennen ist, ermöglicht die Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 3 eine bevorzugte Beaufschlagung der die Thyristoren kühlenden Kühldosen mit "frischer" Kühlflüssigkeit.

Claims (4)

1. Spannverband eines Stromrichters zur Flüssigkeitskühlung elektrischer Bauteile (5) mittels Kühldosen (4), bestehend aus zwei parallel nebeneinander angeordneten Teil-Spannverbänden (2, 3) mit einer gemeinsamen Spannvorrichtung mit zwei Jochen (11, 12), mehreren Spannstäben (13) und Federelementen (17), dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Joch (11) mindestens ein Kühlflüssigkeitskanal (14, 15) zur Führung der Kühlflüssigkeit innerhalb des Stromrichters und/oder zur Verteilung der Kühlflüssigkeit von einem Teil- Spannverband zum anderen vorgesehen ist, womit die Verteilung der Kühlflüssigkeit zu den einzelnen Kühldosen erleichtert wird.

2. Spannverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den hydraulischen Anschluß der Kühldosen (4) an beiden Stirn­ seiten des Spannverbandes (1) parallel zu den Teil-Spannverbänden (2, 3) Querverteiler (7 bis 10) vorgesehen sind, welche mit dem mindestens einem Kühlflüssigkeitskanal (14, 15) hydraulisch verbun­ den sind.

3. Spannverband nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Abdichtung der Verbindung Kühlflüssigkeitskanal (14, 15) - Querverteiler (7 bis 10) über O-Ringe erfolgt, die in Ringnuten im Joch oder im Querverteiler eingelegt sind.

4. Spannverband nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß an den Außenkanten der Joche (11, 12) Längsnuten (16) vorgesehen sind, welche eine Führung und Befe­ stigung des Spannverbandes innerhalb eines Stromrichters ermög­ lichen.