DE9110268U1 - Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand - Google Patents

Description

ABB Patent GmbH

Mannheim 15. August 1991

Mp.-Nr. 91/521Gbm PAT 2-Pn/Bt

Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

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

Eine solche Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand ist aus der DE-OS 36 09 195 bekannt. Dort wird ein zwangsgekühlter Drahtwiderstand beschrieben, bei dem die Verlustleistung mittels Siedeoder Flüssigkeitskühlung abgeführt wird, wobei der Widerstand aus einem elektrisch isolierenden, zylindrischen Hohlkörper besteht, auf dessen Innenwand eine Widerstandswicklung angeordnet ist, und ein Kühlmedium das Innere des Hohlkörpers durchfließt.

Mp.-Nr. 91/521Gbm 2 15. August 1991

In der deutschen Patentanmeldung P 39 33 956.4 wird eine Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand vorgeschlagen, bei der die Verlustleistung mittels Siede- oder Flüssigkeitskühlung abführbar ist, wobei der Leistungswiderstand aus einem flachen, ebenen, metallischen Widerstandselement mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen besteht. Das Widerstandselement ist aus einem blechförmigen Werkstoff mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand gebildet, und der Leistungswiderstand ist direkt mit mindestens einem elektrisch nichtleitenden, jedoch gut wärmeleitenden Flüssigkeitskühlkörper druckkontaktiert.

In vielen Geräten der Leistungselektronik, z.B. Gleichstromstellern oder allgemein Stromrichtern, werden Widerstände eingesetzt, in denen eine hohe Verlustleistung erzeugt wird. Diese Widerstände müssen daher intensiv gekühlt werden. Bei vielen Anwendungen werden derartige Leistungswiderstände im Kühlluftstrom einer Zwangskühlung für die Halbleiterbauelemente des Stromrichters angeordnet. Dies kann aber bei gewissen kritischen Anwendungsgebieten, 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 elektrischem Potential liegenden Bauelemente im Kühlluftstrom unterzubringen.

Darüberhinaus ist es auf Fahrzeugen oft vorteilhaft, den Kühlluftstrom von den Geräten der Leistungselektronik entfernt zu halten, um eine einfachere Anordnung der großvolumigen Kühlluftführung zu erreichen. In diesem Fall muß zum Wärmetransport von dem zu kühlenden elektrischen Bauteil an die Umgebungsluft ein Zwischenkreis mit einem meist flüssigen Wärmeträger vorgesehen werden.

Mp.-Nr. 91/521Gbm 3 "" 15. August 1991

Hierbei muß auch die Verlustwärme von Leistungswiderständen 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 kühlenden 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 (siehe z.B. die deutschen Patentanmeldungen P 39 08 996.7 und P 40 17 749.1.).

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

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die vorgeschlagene Anordnung mit zwangsgekühltem, elektrischem Leistungswiderstand keine Rücksicht auf den gegebenenfalls Feuchtigkeit und Schmutz enthaltenden Kühlluftstrom genommen werden muß.

Mp.-Nr. 91/521Gbm 4 15. August 1991

Der Leistungswiderstand ist getrennt vom Kühlluftstrom angeordnet und ermöglicht eine intensive Kühlung mit Wärmeabfuhr über eine Kühlflüssigkeit. Die vorgeschlagene Anordnung gewährleistet eine hohe Leistungsdichte bei kleinem Bauvolumen, was z.B. beim Einsatz in Hochleistungstriebfahrzeugen von großer Bedeutung ist. Durch den Einsatz von elektrisch isolierenden, jedoch gut wärmeleitenden keramischen Werkstoffen für den Flüssigkeitskühlkörper kann vorteilhaft nicht entionisiertes, also elektrisch leitfähiges Wasser zur Kühlung verwendet werden, was inbesondere auch aus Umwelt- und Brandschutzgründen vorteilhaft ist und eine aufwendige Entionisierung entbehrlich macht. Um einen Frostschutz zu gewährleisten, kann dem Wasser ein Frostschutzmittel (z.B. Glykol) beigemischt werden.

Im Unterschied zu der in der deutschen Patenanmeldung P 39 33 956.4 vorgeschlagenen Anordnung mit aus Blech gestanzten Widerständen ist es bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht notwendig, daß der Widerstand in jedem Fall in einem Spannverband angeordnet werden muß, was insbesondere dann unerwünscht ist, wenn der für die Halbleiter vorgesehene Spannverband die zur Verfügung stehende Baulänge schon erreicht hat, oder wenn Halbleiter verwendet werden, die nicht in Spannverbänden anzuordnen sind (z.B. Transistor-Module).

Im Vergleich zu der in der deutschen Patentanmeldung P 39 33 956.4 vorgeschlagenen Anordnung ergibt sich demnach eine größere Freiheit in der Anordnung des Widerstandes, da kein Spannverband erforderlich ist. Die Kühlkörper-Widerstand-Einheit kann vielmehr an beliebiger Stelle eingebaut werden. Die Montage ist wesentlich einfacher, da Widerstand und Kühlkörper eine einzige Einheit darstellen. Es ist kein gleichmäßiges Anziehen

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von Spannschrauben zur Einstellung definierter, gleichmäßiger Pressungsverteilung erforderlich. Es ergibt sich ein besserer Wärmeübergang von der metallischen Widerstandsschicht an den Kühlkörper, da keine trennende und isolierende Luftschicht vorhanden ist. Es ist eine größere Freiheit bei der Ausbildung der Geometrie der Widerstandsschicht als beim Stanzen aus Blech vorhanden. Da der Kühlkörper aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff besteht, kann die Widerstandsschicht zudem unmittelbar auf der Kühlkörperoberfläche aufgebracht werden; zusätzliche Isolierschichten sind nicht erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem elektrischem Leistungswiderstand,

Fig. 2 einen Kühlkörper zur ersten Ausführungsform,

Fig. 3, 4 einen alternativen Kühlkörper zur ersten Ausführungsform ,

Fig. 5, 6 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem elektrischem Leistungswiderstand ,

Fig. 7 eine strukturierte Widerstandsschicht zur zweiten Ausführungsform.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem elektrischem Leistungswiderstand dargestellt. Es ist ein für Flüssigkeitskühlung

Mp.-Nr. 91/521Gbm 6 ""'lS". August*

geigneter quaderförmiger Kühlkörper 1 mit Anschlußstutzen 2, 3 für Kühlmittelzulauf und Kühlmittelrücklauf zu erkennen, der zumindest auf seiner einen quadratischen oder rechteckigen Hauptoberfläche mit einer strukturierten Widerstandsschicht 4 versehen ist. Für den elektrischen Anschluß ist die Widerstandsschicht 4 mit zwei großflächigen, vorzugsweise aus Kupfer bestehenden Anschlußflächen 5, 6 versehen, auf die elektrische Anschlußleitungen 7, 8 gelötet sind. Alternativ zur Lötung sind auch andere allgemein bekannte elektrische Kontaktierungen einsetzbar. Die Widerstandsschicht 4 weist infolge zahlreicher Aussparungen eine mäanderförmige Struktur auf und besteht aus einem Werkstoff mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand. Wie aus Figur 1 zu erkennen ist, kann der Leistungswiderstand beispielsweise aus zwei nebeneinanderliegenden, in Reihe geschalteten, jeweils mäanderförmigen Teilwiderständen aufgebaut sein.

Das Aufbringen der Widerstandsschicht kann in Dünnfilm-Technik (Aufdampfen, Aufsputtern, Ionenplattieren) oder in Siebdrucktechnik mit anschließendem Einbrennen erfolgen. Eine Verstärkung der Widerstandsschicht erfolgt zweckmäßig durch galvanische Verfahren.

Zum Schutz vor Oxidation, Korrosion oder mechanischer Schädigung ist es möglich, über der elektrisch leitfähigen Widerstandsschicht 4 eine oder mehrere Schutzschichten anzubringen. Der Kühlkörper 1 kann auf seiner weiteren Hauptoberfläche mit einer weiteren strukturierten Widerstandsschicht versehen sein.

Als Werkstoff für die Widerstandsschicht 4 können Metalle und Metall-Legierungen oder auch Cermets verwendet werden. Vorteilhaft ist die Verwendung von Wolfram oder Molybdän, da die Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser

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Mp.-Nr. 91/5 21Gbm 7 ""15". AUgusTf 1991

Metalle von demjenigen von Aluminiumnitrid nicht wesentlich abweichen.

Aluminiumnitrid dient vorzugsweise als Werkstoff für den Kühlkörper, da es sich hierbei um einen elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden keramischen Werkstoff handelt. Alternativ kann der Kühlkörper aber auch aus Berylliumoxid oder aus einem anderen elektrisch isolierenden und thermisch gut leitenden Werkstoff (andere Keramik oder Kunststoff) bestehen.

Figur 2 zeigt einen Kühlkörper zur ersten Ausführungsform im Schnitt. Der Flüssigkeitskühlkörper 1 weist einen inneren Kühlkanal 9 auf, der sich im Inneren des Kühlkörpers an einem Ende 10 Y-förmig in zwei parallelliegende interne Kanäle aufspaltet, die jeweils S-förmig das Innere des Kühlkörpers durchlaufen und sich am weiteren Ende 11 T-förmig vereinen. Das Ende 10 führt zum Anschlußstutzen 2, während das weitere Ende 11 mit dem Anschlußstutzen 3 verbunden ist.

In den Figuren 3 und 4 ist ein alternativer Kühlkörper zur ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 im Schnitt und in der Seitenansicht dargestellt. Der quaderförmige Kühlkörper 12 weist in seinem Inneren zahlreiche Kühlkanäle 13 auf, die durch eine Vielzahl von Zapfen 14 gebildet werden. Die Anschlußstutzen 15 für Kühlmittelzulauf und 16 für Kühlmittelrücklauf befinden sich auf der gleichen Seite des Kühlkörpers 12. In der Seitenansicht gemäß Figur 4 ist zu erkennen, daß sich strukturierte Widerstandsschichten 17 und 18 auf beiden Hauptoberflächen des Kühlkörpers befinden.

In den Figuren 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform einer Anordnung mit flüssigkeitsgekühltem elektrischem Leistungswiderstand im Schnitt und in der Seitenansicht

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dargestellt. Es ist ein Kühlkörper 19 mit kreisförmigen Hauptoberflächen zu erkennen. Die Kühlkanäle 20 im Inneren des massiven, in Form einer Kühldose ausgebildeten Kühlkörpers 19 weisen wie der Kühlkörper 12 gemäß Figur 3 eine waffelmusterförmige Struktur auf, was den Strömungswiderstand im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Figur 2 erheblich reduziert und gleichzeitig ein sehr gutes Wärmeübertragungsverhalten gewährleistet.

Dabei sind eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender und aufeinander senkrecht stehender oder sich mit stumpfem oder spitzem Winkel schneidender Kühlkanäle 20 vorgesehen, die jeweils durch massive, mit mindestens einem Boden des Kühlkörpers verbundene Zapfen 21 voneinander getrennt werden. Diese Zapfen 21 sind senkrecht zu beiden Böden des Kühlkörpers orientiert, reichen von Boden zu Boden und sind beispielsweise im Querschnitt quadratisch, rautenförmig, kreisrund oder oval und vergrößern die wärmeübertragende Oberfläche im Innenraum des Kühlkörpers beträchtlich.

Die Kühlkanäle 20 münden zumindest teilweise in zwei sich gegenüberliegenden Enden 22 bzw. 23, die mit Anschlußstutzen 24 bzw. 25 für die externe Kühlmittelzu- und -abfuhr versehen sind. Dabei erfolgt die Kühlmittelzu- und -abfuhr von bzw. nach derselben Seite bezüglich des Kühlkörpers, d.h. nach oben oder unten oder nach der rechten oder linken Seite, so daß die drei anderen Seiten für elektrische Anschlüsse zur Verfügung stehen.

Diese spezielle Anschlußkonfiguration wird erzielt, indem beide Anschlußstutzen 24,25 jeweils rechtwinklig abgebogen sind, so daß ihre dem Kühlkörper abgewandten, zum externen Anschluß geeigneten Endstücke parallel verlaufen und zur gleichen Seite weisen. Diese Endstücke der Anschlußstutzen 24 bzw. 25 sind über angeklebte oder

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angelötete Metallbälge oder metallische Wellrohre 26 bzw. 27 mit einer metallischen Montageplatte 28 verbunden, die ihrerseits an eine externe Kühlmittelversorgung anschließbar ist. Die ringförmig um die Endstücke der Anschlußstutzen 24 bzw. 25 verlaufenden Löt- oder Klebestellen sind mit Ziffer 29 bezeichnet.

Die Wellrohre 26, 27 sind vorzugsweise mit der Montageplatte 28 verlötet und gewährleisten vorteilhaft einerseits den Ausgleich von Fertigungstoleranzen und andererseits eine Beweglichkeit bei der Montage. Zur Verbindung zwischen Montageplatte 28 und externer Kühlmittelversorgung sind Montagebohrungen 30 in der Montageplatte 28 vorgesehen (Schraubverbindungen). Nuten 31 in der Montageplatten 28 dienen zur Aufnahme von O-Ringen aus Gummi oder geeigneten Kunststoffen, die eine Abdichtung zwischen der Montageplatte und der externen Kühlmittelversorgung gewährleistet.

Als Kühlmittel gelangt vorzugsweise nichtentionisiertes Wasser zur Anwendung. Die Länge der ebenfalls aus einem elektrisch gut isolierenden Werkstoff bestehenden und stoffschlüssig mit dem Kühlkörper verbundenen Anschlußstutzen 24, 25 ist so bemessen, daß die für die elektrische Isolation erforderlichen Luft- und Kriechstrecken zwischen den zu kühlenden Widerständen und den metallischen Wellrohren 26, 27 eingehalten werden.

In Figur 5 ist eine Seitenansicht des Kühlkörpers dargestellt. Insbesondere ist der Anschlußstutzen 24 des Kühlkörpers 19 zu erkennen. Der Metallbalg 26 ist einerseits an der Löt- oder Klebstelle 29 mit dem Endstück des Anschlußstutzens 24 und andererseits mit der metallischen Montageplatte 28 verbunden. Beide Hauptoberflächen des Kühlkörpers 19 sind mit strukturierten Widerstandsschichten 32, 33 versehen.

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In Figur 7 ist eine strukturierte Widerstandsschicht zur zweiten Ausführungsform gemäß Figuren 5, 6 dargestellt. Es ist die mäanderförmig strukturierte Widerstandsschicht 32 zu erkennen, bestehend aus zwei Teilwiderständen, wobei sich der erste Teilwiderstand zwischen einer äußeren Anschlußfläche 34 und einer zentralen Anschlußfläche 35 sowie der zweite Teilwiderstand zwischen einer äußeren Anschlußfläche 36 und der zentralen Anschlußfläche 3 5 befinden.

Der Einsatz der vorstehend beschriebenen Leistungswiderstände erfolgt beispielsweise in Stromrichtergeräten für Fahrzeuge, insbesondere auch Schienenfahrzeuge. Während des Betriebes des Leistungswiderstandes wird die dabei produzierte Verlustwärme an die Kühlflüssigkeit des eingesetzten Flüssigkeitskühlkörpers 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 (10)

Mp.-Nr. 91/521Gbm 1 -'-I&.# Augü&ö" 1991* Ansprüche

1. Anordnung mit gekühltem, elektrischem Leistungswiderstand, bei der die Verlustleistung mittels Flüssigkeitskühlung abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungswiderstand als strukturierte Widerstandsschicht (4,17,18,32,33) mit mindestens zwei elektrischen Anschlußflächen (5,6,34,35,36) auf mindestens eine
Hauptoberfläche eines Flüssigkeitskühlkörpers (1,12,19) aus einem elektrisch nicht leitenden, jedoch gut wärmeleitenden Material aufgebracht ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1,12,19) aus Aluminiumnitrid
besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkörper (1,12,19) aus Berylliumoxid besteht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Wolfram als Widerstandsmaterial dient.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Molybdän als Widerstandsmaterial dient.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht
(4,17,18,32,33) durch zahlreiche seitliche Aussparungen eine mäanderformige Struktur aufweist.

Mp.-Nr. 91/521Gbm 2 "..l6-.* Aiigüs*" 199-1*

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht (4,17,18,32,33) aus mindestens zwei in Reihe geschalteten, jeweils mäanderförmigen Teilwiderständen besteht.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsschicht mit mindestens einer Schutzschicht versehen ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beide Hauptoberflächen des Kühlkörpers (1,12,19) mit strukturierten Widerstandsschichten (4,17,18,32,33) versehen sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhüllende der Widerstandsschicht (4,17,18,32,33) an die Formgebung der Hauptoberfläche des Kühlkörpers angepaßt ist.