COMBINATION OF MINING EQUIPMENT WITH POWER ELECTRONICS COMPONENTS

Abstract: 1. A device combination for underground mining having a pressure-resistant housing and power electronics components arranged therein, as well as devices for removing the heat loss of the components by a liquid coolant, characterized in that the mounting surface (30) for the components (35, 36) to be cooled, is located on the side, of a cooling body (10) which faces the pressure-resistant chamber, which cooling body closes an opening (8) int the pressure-resistant housing (2) and the outer side of which facing away from the pressure-resistant chamber, has a projection (13) having channels (14) for passage of the coolant.

Description: Gerätekombination für den Bergbau mit Bauelementen der Leistungselektronik Die Erfindung befasst sich mit einer Gerätekombination für den Bergbau unter Tage mit einem druckfesten Gehäuse und darin angeordneten Bauelementen der Leistungselektronik sowie Einrichtungen zur Abführung der Verlustwärme der Bauelemente durch ein flüssiges Kühlmittel. Eine Gerätekombination dieser Art ist durch die DE-OS 27 07 754 bekannt geworden. Die Bauelemente der Leistungselektronik bilden bei der bekannten Gerätekombination zusammen mit der Kühlvorrichtung eine Baueinheit, die in dem druckfesten Raum angeordnet ist. Die Zu- und Ableitung des Kühlmittels geschieht über einzelne druckfeste Rohrdurchführungen oder einen die benötigten Verbindungen aufweisenden Flansch. In beiden Fällen durchströmt das Kühlmittel einen in dem druckfesten Raum befindlichen Kiihlkörper. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bauelemente der Leistungselektronik ohne Durchleitung des flüssigen Kühlmittels durch den druckfesten Raum zu kühlen und dennoch einen guten Wärmeübergang von den Bauelementen zu dem Kühlmittel zu erreichen. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Gerätekombination der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sich die Montagefläche der zu kühlenden Bauelemente an der dem druckfesten Raum zugewandten Seite eines eine Öffnung des druckfesten Gehäuses verschliessenden Kühl- körpers befindet, dessen dem druckfesten Raum abgewandte Aussenseite mit dem Kühlmittel beaufschlagbar ist. Der Kühlkörper begrenzt somit den druckfesten Raum und ist Träger der Leistungshalbleiter. Bei druckfesten Gehäusen mit quaderförmiger Gestalt, z. B. nach der DE-PS 18 01 062, kann die Öffnung z. B. an einer Seitenfläche vorgesehen sein, an der sich üblicherweise druckfeste Leitungsdurchführungen befinden. Im Rahmen der Erfindung kann die Öffnung des druckfesten Gehäuses mit einem Flansch versehen sein, und der Kühlkörper kann hieran lösbar befestigt sein. Während es bei den erwähnten quaderförmigen Gehäusen zweckmässig ist, den Kühlkörper plattenartig auszubilden, sind auch sphärisch oder in anderer Weise gewölbte Körper verwendbar, wenn die druckfesten Gehäuse eine entsprechend gewölbte Gestalt besitzen und diese Gestalt durch den auf eine Öffnung aufzusetzenden Kühlkörper nicht verändert werden soll. Der Kühlkörper kann in vorteilhafter Weise als Guss stück aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet sein und kann Kanäle zur Durchleitung des flüssigen-Kiihl- mittels aufweisen. Seinen Aufgaben kann der Kühlkörper in vorteilhafter Weise durch die Herstellung aus einer Kupferlegierung, insbesondere aus Rotguss, angepasst werden. Diese Werkstoffgruppe vereinigt ausreichende mechanische Festigkeit, wie sie für ein Verschlussorgan des druckfesten Raumes erforderlich ist, mit guter Wärmeleitfähigkeit, die für die Abführung der Verlustwärme der Leistungshalbleiter erwUnscht ist, und lässt sich spanabhebend bearbeiten, um saubere Passflächen für die Flanschbefestigung und die Montage der Leistungshalbleiter zu schaffen. Die zur Durchleitung des flüssigen Kühlmittels vorgesehenen Kanäle können in dem Kühlkörper derart angeordnet sein, dass unter Wechsel der Strömungsrichtung die Zu- und Ableitungsstellen #ür das Kühlmittel an derselben Seite des Kühlkörpers liegen. Auf diese Weise erfolgt die Kühlung nach dem Gegenstromprinzip, was die Temperaturverteilung in dem Kühlkörper vergleichmässigt. Die Kanäle für das Kühlmittel können durch den Kühlkörper durchsetzende Bohrungen gebildet sein, und die Bohrungen Jeder der beiden Ebenen können zur Schaffung eines mäanderförmigen Fliessweges des Kühlmittels stirnseitig durch Uberleitungsrohre verbunden sein. Diese Anordnung ist leicht herstellbar und führt zu einer guten Kühlwirkung, weil sich ein relativ langer Weg des Kühlmittels durch den Kühlkörper ergibt und die Uberleitungsrohre nur einen kleinen Teil dieses Weges beanspruchen. Für die zuverlässige Kühlung der Bauelemente der Leistungselektronik, z. B. Thyristoren, kommt es auf einen guten Wärmeübergang zwischen den Bauelementen und ihrer Montagefläche an. Die Montagefläche soll daher möglichst eben sein. Benötigt man jedoch eine grössere Anzahl von Bauelementen und eine entsprechend grosse Montagefläche, z. B. in der Grösse 40 x 60 cm, so bereitet es erhebliche Schwierigkeiten, die gewünschte Ebenheit und Oberflächen. güte einzuhalten. In Weiterbildung der Erfindung lässt sich diese Schwierigkeit jedoch dadurch beheben, dass die Montagefläche des Kühlkörpers, an der die Bauelemente der Leistungselektronik angebracht werden sollen, durch rinnenartige Vertiefungen in Teilflächen unterteilt ist, die durch Bearbeitung geebnet und geglättet sind. Bei dieser Anordnung kommt es nur darauf an, dass jede der Teilflächen in sich eben und glatt ist. Dagegen ist ein geringfügiger Versatz zwischen den Teilflächen oder eine geringfügige gegenseitige Neigung ohne weiteres zu dulden. Die präzise Bearbeitung kleiner Teilflächen ist aber im Vergleich zu der Bearbeitung grosser Flächen wesentlich einfacher. Die Grösse der Teilflächen kann in zweckmässiger Weise den Bauelementen der Leistungselektronik bzw. Baugruppen solcher Elemente angepasst sein. Es kann daher z. B. für Jeden Thyristor einer aus mehreren Thyristoren bestehenden Schaltungsanordnung eine Teilfläche vorgesehen sein. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt eine druckfest gekapselte Gerätekombination mit einem Kühlkörper perspektivisch in vereinfachter Darstellung. Die Fig. 2 zeigt den Kühlkörper gemäss der Fig. 1 in der Seitenansicht. Die Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf die Aussenseite eines Kühlkörpers. Die Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf die dem druckfesten Raum der Gerätekombination gemäss der Fig. 1 zugewandte Seite des Kühlkörpers. In der Fig. 5 ist der Kühlkörper von oben gezeigt, um die Lage der Rohranschlüsse erkennbar zu machen. Die in der Fig. 1 dargestellte Gerätekombination 1 umfasst ein quaderförmiges druckfestes Gehäuse 2, das aus Stahlblechteilen zusammengeschweisst sein kann. Eine vordere Gehäuseöffnung ist durch einen runden Deckel 3 verschlossen, der an Schwenkarmen 4 gehalten ist und der sich nach Aufhebung der vorgesehenen Verriegelungen durch Drehen und seitliches Schwenken öffnen lässt. An der Vorderwand des druckfesten Gehäuses 2 befinden sich neben dem Deckel 3 noch Betätigungshandgriffe 5 für Trennschalter. An der rechten Seite des druckfesten Gehäuses 2 ist ein Anschlusskasten 6 mit einem Verschluss deckel 7 angebracht. In dem Anschlusskasten 6 befinden sich in bekannter Weise die äusseren Klemmstellen von druckfesten Leitungsdurchführungen, die in die Seitenwand des druckfesten Gehäuses 2 eingesetzt sind. Uber diese Durchführungen erfolgt die netzseitige Einspeisung der Gerätekombination 1 und der Anschluss der nicht dargestellten Verbraucher. Im vorliegenden Fall sind als Verbraucher Motoren von Betriebsmitteln des Untertage Bergbaus vorgesehen, z. B. an Gewinnungs- oder Fördereinrichtungen, und es soll das Drehmoment und/oder die Drehzahl dieser Motoren gesteuert oder geregelt werden. Hierzu enthält die Gerätekombination 1 neben den für eine normale Steuerung von Motoren benötigten Schaltgeräten wie Trennschalter, Schütze, Schmelzsicherungen sowie Steuer- und Uberwachungseinrichtungen noch Bauelemente der Leistungselektronik, z. B. Thyristoren. Diese können z. B. so gesteuert werden, dass sich ein allmählich ansteigendes Drehmoment bei der Inbetriebsetzung eines Förderbandes ergibt. Die für Steuerungen oder Regelungen der angedeuteten Art benötigten Bauelemente der Leistungselektronik, zu denen Thyristoren und Triacs und die zu ihrer Ansteuerung benötigten Halbleiter zu rechnen sind, befinden sich, soweit bei ihrem Betrieb eine nennenswerte Verlustwärme anfällt, auf einem Kühlkörper 10, der etwa die Gestalt einer rechteckigen Platte mit einem flanschartigen Rand 11 aufweist und der an einer in der Fig. 1 gezeigten flanschartigen Öffnung 8 des druckfesten Gehäuses 2 mittels Schrauben 12 befestigt ist. Der Aufbau des Kühlkörpers 10 wird im folgenden anhand der Fig. 2 bis 5 erläutert. Der Kühlkörper 10 ist ein aus Rotguss hergestelltes GuB- stück. Rotguss ist eine Kupferlegierung, die neben etwa 80 bis 90 % Kupfer noch Zinn und Zink enthält und zusätzlich Blei enthalten kann, beispielsweise ist ein als Rg1O bezeichneter Rotguss aus etwa 10 5' Zinn, 4 5' Zink und 86 96 Kupfer zusammengesetzt, während der Rotguss Rg5 etwa 5 S6 Zinn, 7 % Zink, 3 5' Blei und 85 % Kupfer enthält. Der Kühlkörper 10 weist einen gegenüber dem flanschartigen und mit Schraubenlöchern 18 versehenen Rand 11 zurückgesetzten, etwa quaderförmigen Ansatz 13 auf, in dem sich in den Fig. 2 und 3 gestrichelt angedeutete Kühlkanäle 14 befinden. Wie die Fig. 2 zeigt, liegen die Kühlkanäle 14 in zwei Ebenen hintereinander. Eine Öffnung 15 für die Zuführung eines flüssigen Kühlmittels, z. B. Wasser, und eine weitere Öffnung 16 für die Ableitung des Kühlmittels befinden sich am Rande der oberen Schmalseite des Ansatzes 13. Die an dieser Schmalseite und der gegenüberliegenden Schmalseite 20 mündenden Bohrungen, welche die Kühlkanäle 14 bilden, sind durch gebogene Rohrstücke 21 derart verbunden, dass sich ein mäanderförmiger Fliessweg des Kühlmittels durch den Kühlkörper 10 ergibt. Das Rohrstück 22 verbindet dabei die innere mit der äusseren Ebene von Kühlkanälen. Wie in der Fig. 5 durch die Pfeile 23 angedeutet ist, ergibt sich dadurch, wenn man von der überlagerten Mäanderform des Kühlweges absieht, eine Umkehr der Fliessrichtung, so dass der Kühlkörper 10 im Gegenstromprinzip durchflossen wird. Dies trägt zu einer Vergleichmässigung der Temperaturverteilung in dem Kühlkörper 10 während des Betriebes der Leistungshalbleiter bei. An seiner dem druckfesten Raum zugewandten Seite, d. h. seiner Innenseite, ist der Kühlkörper 10 mit einer Montagefläche 30 für die zu kühlenden Bauelemente versehen. Die Montagefläche 30 ist durch einander rechtwinklig kreuzende rinnenartige Vertiefungen 31 in eine Anzahl von Teilflächen unterschiedlicher Grösse aufgeteilt. Dabei nehmen den oberen Teil der Montagefläche 30 insgesamt fünfundzwanzig Teilflächen 32 ein (Fig. 4), die jeweils für einen Leistungshalbleiter 35, z. B. einen Thyristor, vorgesehen sind (Fig. 5). Unterhalb dieses Bereiches befindet sich eine grössere zusammenhängende Teilfläche 33, die sich z. B. mit einer vormontierten Halbleiterbaugruppe 36 bestücken lässt. Ähnlichen Zwekken dienen die unterhalb der Teilfläche 33 befindlichen weiteren Teilflächen 34. Jede der genannten Teilflächen ist in sich derart geebnet und geglättet, dass sich ein möglichst guter Wärmeübergang von den Gehäusen der Halbleiterbauelemente zu dem Kühlkörper 10 ergibt. Infolge der Unterteilung der gesamten Montagefläche 30 in die Teilflächen können diese nacheinander mit grosser Genauigkeit bearbeitet werden. Dabei kommt es nicht auf einen Versatz oder eine geringe Abweichung der gegenseitigen Winkelstellung an. Infolge der Unterteilung kann auch eine eine Verspannung oder/geringfügige Verformung des ge- samten Kühlkörpers kaum Einfluss auf die Teilflächen haben. Vielmehr nehmen die rinnenartigen Vertiefungen 31 solche Deformationen auf. Abweichend von dem gezeigten Beispiel kann die Montagefläche 30 auch in grössere oder kleinere Teilflächen unterteilt sein. Dabei können auch von der Quadrat- oder Rechteckform verschiedene Formen der Teilflächen vorteilhaft sein. Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, ist der neue Kühlkörper für Bauelemente der Leistungselektronik, ausgehend von einem Gussstück, durch übliche mechanische Bearbeitungsgänge herstellbar. Er bildet dann in der Ausführung für quaderförmige Gehäuse ein plattenförmiges Bauteil, das als Verschlussorgan auf eine flanschartige Öffnung eines druckfesten Gehäuses aufsetzbar ist. Das Kühlmittel durchströmt nur den Kühlkörper und wird daher nicht durch Rohrleitungen oder sonstige Verbindungsmittel irgendwelcher Art durch den druckfesten Raum hindurchgeleitet. Auf diese Weise wird das Kühlmittel mit Sicherheit von den Geräten ferngehalten, die in dem druckfesten Raum eingebaut sind. Dennoch wird das Kühlmittel durch die in den Kühlkörper eingearbeiteten Kanäle und die auf einfache Weise mit hoher Oberflächengüte zu bearbeitenden Montageflächen für die elektronischen Bauelemente günstig ausgenutzt. Eine vorteilhafte Erleichterung beim Einbau der Leistungshalbleiter ergibt sich dadurch, dass diese ausserhalb des druckfesten Raumes an dem Kühlkörper montiert werden können, wobei u. U. bereits ein Teil der zur Steuerung benötigten Leitungen angeschlossen werden kann. Anschliessend wird der komplette Kühlkörper mit den Bauelementen an die Öffnung 8 (Fig. 1) angesetzt und befestigt. Um diesen Vorgang zu erleichtern, sind an der oberen Schmalseite des flanschartigen Randes 11 zwei Kranösen 37 angebracht (Fig. 2 und 3). 5 Figuren 8 Patentansprüche

Claims: Patentansprüche 1. Gerätekombination für den Bergbau unter Tage mit einem druckfesten Gehäuse und darin angeordneten Bauelementen der Leistungselektronik sowie Einrichtungen zur Abführung der Verlustwärme der Bauelemente durch ein flüssiges Kühlmittel, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich die Montagefläche (30) der zu kühlenden Bauelemente (35, 36) an der dem druckfesten Raum zugewandten Seite eines eine Öffnung (8) des druckfesten Gehäuses (2) verschliessenden Kühlkörpers (10) befindet, dessen dem druckfesten Raum abgewandte Aussenseite (Ansatz 13) mit dem Kühlmittel beaufschlagbar ist. 2. Gerätekombination nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Öffnung (8) des druckfesten Gehäuses (2) mit einem Flansch versehen und der Kühlkörper (10) daran lösbar (Schrauben 12) befestigt ist. 3. Gerätekombination nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kühlkörper (10) als Guss stück aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet ist und Kanäle (14) zur Durchleitung des Kühl- mittels aufweist. 4. Gerätekombination nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Kühlkörper (10) aus einer Kupferlegierung, insbesondere Rotguss, besteht. 5. Gerätekombination nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kanäle (14) in zwei Ebenen derart angeordnet sind, dass unter Wechsel der Strömungsrichtung die Zu- und Ableitungsstellen (15, 16) für das Kühlmittel an derselben Seite des Kühl- körpers (10) liegen. 6. Gerätekombination nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Kanäle (14) durch den Kühlkörper (10) durchsetzende Bohrungen gebildet sind und dass die Bohrungen Jeder der beiden Ebenen zur Schaffung eines mäanderförmigen Fliessweges des Kühlmittels stirnseitig durch Uberleitungsrohre (21, 22) verbunden sind. 7. Gerätekombination nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die dem druckfesten Raum zugewandte Montagefläche (30) des Kühlkörpers (10) durch rinnenartige Vertiefungen (31) in Teilflächen (32, 33, 34) unterteilt ist, die durch Bearbeitung geebnet und geglättet sind. 8. Gerätekombination nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Grösse der Teilflächen (32, 33, 34) den Bauelementen der Leistungselektronik (35) bzw. Baugruppen (36) solcher Elemente angepasst ist.

Inventors: HIDDE, DIETER, MROZIK, REINHOLD, RASCHKE, KLAUS
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: H05K7
IPC codes: F28D1, H05K7