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Vorrichtung zum Einspannen wenigstens eines scheiben-
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förmigen Haibleiterbauelementes Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Einspannen wenigstens eines scheibenförmigen Halbleiterbauelementes zwischen
zwei Körper, von denen wenigstens einer als Kühlkörper ausgebildet ist, wobei zum
Einspannen eine Feder dient.
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Solche Vorrichtungen zum Einspannen von Scheibenthyristoren oder Scheibendioden
sind aus der Siemens-Zeitschrit 48 (1974), Seite 791 bis 798 bekannt. Dabei werden
entweder einzelne scheibenförmige Halbleiterbauelemente bei einseitiger Kühlung
zwischen einem Kühlkörper und ein anderes, stromführendes Bauelement und bei zweiseitiger
Kühlung zwischen beiden Kühlkörper eingespannt, oder es werden in sogenannten Thyristorsäulen
mehrere scheibenförmige Halbleiterbauelemente und Kühlkörper alternierend nebeneinander
gestapelt und gemeinsam verspannt. Zur Verspannung einzelner, scheibenförmiger
Halbleiterbauelemente
werden Blatt- oder Tellerfedern benutzt. Zur Verspannung von Thyristorsäulen werden
üblicherweise nur Tellerfedern eingesetzt.
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Um von großen Magnetfeldern angeregte Schwingungen von Bauteilen der
Einspannvorrichtung, insbesondere der Feder und das damit verbundene Brummen zu
vermeiden, ist es üblich, die Feder aus antimagnetischem Metall, beispielsweise
CrNi-Stahl herzustellen. Ein geeignetes antimagnetisches Metall für die Tellerfedern
ist CuBe.
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Durch die Verwendung dieser antimagnetischen Metalle werden bekannte
Einspannvorrichtungen zwar geräuscharm, aber auch wesentlich verteuert.
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Es besteht die Aufgabe, eine Einspannvorrichtung der eingangs genannten
Art so auszugestalten, daß sie geräuscharm und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand
zu realisieren ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Material
der Feder ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist.
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Glasfaserverstärkte Kunststoffe, sogenannte GFK-Preßlaminate sind
bekannt. Diese Werkstoffe werden insbesonder im Flugzeugbau für leichte und relativ
billige Bauteile eingesetzt. Bekannt ist auch, daß glasfaserverstärkte Kunststoffe
elastisch sind und zur Herstellung von Federelementen geeignet sind. Die erfindungsgemäße
Einspannvorrichtung mit Federelementen aus glasfaserverstärktem Kunststoff ist daher
einerseits geräuscharm, da eine Schwingungsanregung durch Magnetfelder nicht erfolgt,
andererseits ist sie mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand zu realisieren, da
glasfaserverstärkte Kunststoffe im Verhältnis zu den oben genannten Spezialwerkstoffen
wesentlich billiger sind.
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Vorzugsweise ist die Feder für die elektrische Isolation spannungsführender
Teile der Einspannvorrichtung ausgelegt. Mit dieser räumlichen Dimensionierung der
Federelemente wird zusätzlich die elektrische Isolationseigenschaft glasfaserverstärkter
Kunststoffe ausgenutzt und die bei bekannten Einspannvorrichtungen benötigten Isolationsstützer
bzw. Isolierhülsen eingespart. Die erfindungsgemäße Einspannvorrichtung wird damit
nicht nur konstruktiv und fertigungstechnisch vereinfacht, sondern auch abermals
verbilligt.
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Vorteilhaft ist es, einen Teil der übrigen Bauteile der Einspannvorrichtung
aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff herzustellen. Damit werden nicht nur eventuell
vorhandene zusätzliche GeräuschqueD ausgeschaltet, sondern diese Bauteile sind gleichfalls
elektrisch isoliert und mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand auch in Serienfertigung
herzustellen.
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Die erfindungsgemäße Einspannvorrichtung wird beispielhaft anhand
der Figuren 1 bis 4 näher erläutert. In den Figuren sind unterschiedliche Ausführungsbeispiele
dargestellt. Dabei sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Figur 1 zeigt die Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels.
Ein scheibenförmiges Halbleiterbauelement 1, beispielsweise ein Scheibenthyristor
oder eine Scheibendiode, ist zwischen zwei Kühlkörpem2 und 3 angeordnet.
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Die beiden Kühlkörper 2 und 3 sind beim Ausführungsbeispiel zur Flüssigkeitskühlung
ausgelegt. Das Halbleiterbauelement 1 ist zwischen zwei mit Gewinde versehene Spannbolzen
4 und 5 angeordnet, die im Kühlkörper 2 verschraubt sind. Mit einer Blattfeder 6
sind das Halbleiterbauelement 1 und die Kühlkörper 2 und 3 verspannt. Die Blattfeder
6 liegt auf einem Druckstück 7
auf, das auf dem Kühlkörper 3 etwa
zentrisch angeordnet ist und eine kalottenförmige Oberfläche besitzt. Die Enden
6a und 6b der Blattfeder 6 liegen an Muttern 8 und 9 an, die auf die Spannbolzen
4 und 5 aufgeschraubt sind.
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Die Blattfeder 7 ist aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff hergestellt.
Als geeignet haben sich hochfaserverstärkte Epoxidharz-Glasfaser-Preßlaminate erwiesen,
deren Glasfasergehalt zwischen etwa 68 und 76 Gewichtsprozent lag. Als Epoxidharz
kann ein cycloaliphatisches Epoxidharz verwendet werden, womit man einen kriechstromfesten
Werkstoff der Isolationsklasse F erhält. Mit einer solchen aus glasfaserverstärktem
Kunststoff hergestellten Blattfeder 6 läßt sich der für die elektrische und thermische
Kontaktierung des Halbleiterbauelementes 1 in den Kühlkörpern 2 und 3 erforderliche
Anpreßdruck von ca. 2.000 N/cm2 aktiver Halbleiterfläche ohne weiteres erreichen.
Da die Blattfeder 6 aus billigem antimagnetischem Material hergestellt ist, tritt
ein durch Magnetfelder bewirktes Brummen audh bei größeren, über das eingespannte
Halbleiterbauelement fließenden Strömen nicht auf, und die Einspannvorrichtung ist
geräuscharm. Zusätzlich ist die Länge der Blattfeder 6 so bemessen, daß die Strecken
s1 und s2 zur elektrischen Isolation des Kühlkörpers 3 von den Gewindebolzen 4 und
5 und den Muttern 8 und 9 ausreicht, die sich auf dem Potential des Kühlkörpers
3 befinden.
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Zusätzliche Isolierhülsen bzw. Isolationsstützer für die Gewindebolzen
4 und 5 sind damit nicht mehr erforderlich. Auch das Druckstück 7 kann aus glasfaserverstärktem
Kunststoff hergestellt sein. Damit wird nicht nur eine eventuelle zusätzliche Geräuschquelle
ausgeschaltet, sondern es werden auch noch die Isolationsstrecken s1 und s2 wegen
des verlängerten Kriechstromweges verkürzt.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel mit zentraler Verspannung ist in Figur
2 dargestellt. Figur 2 zeigt im Teilschnitt eine einseitige Kühlung des scheibenförmigen
Halbleiterbauelements 1. Das Halbleiterbauelement 1 liegt auf einem Kühlkörper 2
auf, der in diesem Ausführungsbeispiel zur Luftkühlung mit Kühlrippen 2a versehen
ist. Der Kühlkörper 2 weist zwei Bohrungen 2b und 2c auf. Durch die Bohrungen 2b
und 2c ist jeweils eine Spannschraube 10 und 11 geführt, wobei der Kopf 10a bzw.
11a jeder Spannschraube auf der Außenseite des Kühlkörpers 2 aufliegt. Die Spannschrauben
10 und 11 sind durch Bohrungen 13a und 13b eines Jochs 13 geführt.
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Jede Spannschraube ist zur elektrischen Isolation mit einer Isolationshülse
12 umgeben.
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Der Gewindeteil 10b bzw. 11b jeder Spannschraube 10 bzw.
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11 ragt über die Außenfläche des Joches 13 hinaus und auf jedem Gewindeteile
10b bzw. 11b ist eine Schraube 8 bzw. 9 aufgeschraubt, die sich jeweils über einen
Zwischenring 14 auf der zugehörigen Isolationshülse 12 und damit auf dem Joch 13
abstützt.
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In das Joch 13 ist im Ausführungsbeispiel zur zentralen Verspannung
ein Spannschloß 15 eingeschraubt. Das Spannschloß 15 preßt das Halbleiterbauelement
1 zwischen den Kühlkörper 2 und ein Druckstück 16 ein, auf dem ein Stempel 15a des
Spannschlosses 15 mit einer kugelkalottenförmigen Endfläche aufliegt. Durch diese
kugelkalottenförmige Endfläche des Stempels 15a wird eine zentrische Übertragung
des Spanndrucks auf das Halbleiterbauelement 1 erzielt. Zur Zentrierung des Halbleiterbauelementes
1 sind in üblicher Weise im Kühlkörper 2 und im Druckstück 16 Einsenl#ungen 17 vorgesehen,
in die Zentrierstifte eingelegt sind.
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Das Spannschloß 15 besteht aus einem Gewindestück 15b, das in eine
Bohrung 13c des Joches 13 eingeschraubt ist.
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Das Gewindestück 15b besitzt eine zylinderförmige Einsenkung 15c,
die eine ringförmige Schulter 15d aufweist.
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Auf der ringförmigen Schulter 15d stützt sich eine Tellerfedersäule
ab, die aus mehreren Tellerfedern 18 aufgeschichtet ist. Die andere Seite des Tellerfederpaketes
18 liegt auf einem Flansch 15e des Stempels 15a auf, der mit einem Sprengring 15f
im Spannschloß 15 befestigt ist. Die Tellerfedern 18 sind aus einem glasfaserverstärkten
Kunststoff hergestellt, wie er oben näher erläutert ist. Am Gewindestück 15b des
Spannschlosses 15 ist außerdem noch eine Schulter 15g angeordnet, die im fertig
montierten Zustand am Joch 13 anliegt, womit ohne Verwendung von Spezielwerkzeugen
die Einstellung des vorgegebenen Preßdrucks gewährleistet ist.
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Mit Tellerfedern 18, die aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt
sind, wird die wesentliche, durch Magentfelder anregbare Geräuschquelle beseitigt.
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Zusätzlich können auch noch zumindest Teile des Spannschlosses 15,
das Druckstück 16 und ggf. auch das Joch 13 aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff
her#gestellt sein. Damit werden nicht nur zusätzliche Geräuschquellen vermieden,
sondern auch die elektrische Isolation zwischen den Spannbolzen 10 und 11 und dem
Halbleiterbauelement 1 verbessert. Bei entsprechender Auslegung dieser Bauteile
können sogar die Isolierhülsen 12 eingespart werden.
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Eine zweiseitige Kühlung des schematisch dargestellten, scheibenförmigen
Halbleiterbauelements 1 ist in Figur 3 dargestellt. Im Teilschnitt der Figur 2 ist
das scheibenförmige Halbleiterbauelement 1 wieder zwischen zwei
Kühlkörper
2 und 3 eingespannt. Die Kühlkörper 2 und 3 sind im Ausführungsbeispiel zur Luftkühlung
mit Kühlrippen 2a und 3a an ihrer Außenseite versehen. Mit dem Kühlkörper 2 sind
zwei Spannbolzen 4 und 5 verschraubt.
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Die Spannbolzen 4 und 5 sind durch Bohrungen 3b und 3c des Kühlkörpers
3 geführt. Jeder Gewindebolzen 4 und 5 ist zur elektrischen Isolation mit einer
Isolationshülse 12 umgeben.
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Auf dem Gewindeteil 4a und 5a jedes Spannbolzens 4 und 5 ist ein Führungsteil
19 aufgesteckt, das mit einem Ringflansch 19a versehen ist, der auf der zugehörigen
Isolationshülse 12 aufliegt. Jedes Führungsteil 19 ist Träger einer Tellerfedersäule,
zu der Tellerfedern 18 aufgeschichtet sind. Die Tellerfedern 18 sind aus einem glasfaserverstärkten
Kunststoff hergestellt, wie er oben beschrieben wurde. Jedes Tellerfederpaket stützt
sich auf der einen Seite am Ringflansch 19a des Führungsteils 19 ab. Auf jede Spannschraube
4 und 5 ist eine Schraube 8 bzw. 9 aufgeschraubt. Jede Schraube 8 bzw. 9 besitzt
eine Schulter 8a bzw. 9a, an der das andere Ende des zugehörigen Tellerfederpakets
anliegt.
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Beim Ausführungsbeispiel ist jedes Gewindestück 8 bzw.
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9 noch mit einer Hülse 8b bzw. 9b versehen, die die zugehörigen Tellerfedern
18 umgibt. Zum Verspannen der Kühlkörper 2 und 3 mit dem Halbleiterbauelement 1
werden die Schrauben 8 bzw. 9 soweit angezogen, bis die Hülsen 8b bzw. 9b an den
Isolierhülsen 12 anliegen.
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Auch damit ist ohne besondere Einstellwerkzeuge die Einstellung des
erforderlichen Einspanndrucks gewährleistet.
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Neben den Tellerfedern 18 können selbstverständlich auch bei dieser
Ausführungsform die Isolationshülsen 12, die Führunsteie 19 und die achutzhiilsen
Pb lmd 9b aus
glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt sein.
Bei entsprechender Dimensionierung können damit die Isolierhülsen 12 wiederum entfallen.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Figur 4 die Draufsicht
auf eine Thyristorsäule. Sie enthält mehrere in Reihe geschaltete Scheibenthyristoren
1, wobei an jeder Seite eines Scheibenthyristors 1 ein flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper
2 anliegt. Auf Schlauchtüllen 2d der Kühlkörper 2 sind Schläuche 20 aufgesteckt.
Damit ist ein Strömungsweg für das flüssige Kühlmedium vorgegeben, in dem die Scheibenthyristoren
1 der Thyristorsäule thermisch in Reihe liegen.
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Die Scheibenthyristoren 1 und die Kühlkörper 2 sind in ein Spannsgestell
eingespannt, das von zwei mit Gewinde versehenen Spannbolzen 21 und 22 und zwei
Spannplatten 23 und 24 gebildet ist. Zwischen den Spannplatten 23 und 24 und dem
jeweils letzten Kühlkörper 2 der Thyristorsäule sind Tellerfedern 18 aus glasfaserverstärktem
Kunststoff eingefügt. Zur Verspannung werden die Schrauben 21a und 21b bzw. 22a
und 22b angezogen. In einer Abwandlung kann auch ein Spannschloß für die Tellerfedern
vorgesehen sein, wie es beispielhaft im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben wurde.
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Bei der in Figur 4 gezeigten Thyristorsäule sind die Tellerfedern
18 aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt und damit die Geräuschentwicklung
der Tellerfedern in Magnetfeldern unterbunden. Außerdem wird die Isolationseigenschaft
des glasfaserverstärkten Kunststoffs ausgenutzt, da die Länge s1 bzw. s2 der aus
den Tellerfedern 18 aufgebauten Tellerfederpakete so bemessen ist, daß die Kühlkörper
2 an jedem Ende der Thyristorsäule gegenüber den Spannplatten 22 und 23
elektrisch
isoliert sind. Die elektrische Isolation kann noch verbessert bzw. die Strecken
s1 und s2 verkürzt werden, wenn auch die Spannplatten 23 und 24 aus glasfaserverstärktem
Kunststoff gefertigt sind.
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4 Figuren 3 Patentansprüche
Zusammenfåssung Vorrichtung
zum Einspannen wenigstens eines scheibenförmigen Halbleiterbauel emente s Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zum Einspannen eines oder mehrerer scheibenförmiger Halbleiterbauelemente
(1) beispielsweise von Scheibenthyristoren oder Scheibendioden. Das Halbleiterbauelement
wird mittels einer Blattfeder (6) oder mittels Tellerfedern (18) zwischen zwei Körper
(2, 3) eingespannt, von denen wenigstens einer als Kühlkörper ausgeführt ist. Die
Federn (6, 18) sind aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff hergestellt, um durch
hohe Magnetfelder angeregte Schwingungen und das damit verbundene Brummen auszuschalten.
Zusätzlich können die Federn (6, 18) für die elektrische Isolation spannungsführender
Bauteile (3, 8, 9; 2, 21, 22) ausgelegt sein, womit Isolierstützer oder Isolationshülsen
entfallen. Zur Ausschaltung weiterer Geräuschquellen und zur Verbesserung der elektrischen
Isolation kann auch wenigstens ein Teil der übrigen Bauteile (7; 13, 15; 23, 24)
aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff hergestellt sein.
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(Figur 1)