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

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Isolierkühldose in geschnittener Darstellung,

Fig. 2 einen Kühlkörper der Isolierkühldose im Detail,

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Isolierkühldose in geschnittener Darstellung,

Fig. 4 einen Spannverband,

Fig. 5 eine alternative Anordnung des Kühlflüssigkeits-Eintritts und -Austritts,

Fig. 6 eine alternative Ausbildung eines Kühlflüssigkeits-Eintritts oder -Austritts,

Fig. 7 eine alternative Ausbildung des äußeren Isoliergehäuses,

Fig. 8 eine alternative Ausbildung der Kühlkorper.

In Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Isolierkühldose in geschnittener Darstellung gezeigt. Im Zentrum der Isolierkühldose befinden sich zwei spiegelsymmetrisch ausgebildete, halbschalenförmige, sich direkt gegenüberliegende und gegeneinander gepreßte Kühlkörper 1, 2 aus Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden Material. Die Kühlkörper 1, 2 bestehen jeweils aus einer Kreisscheibe 3 (siehe Fig. 2) mit einer Vielzahl von runden, viereckigen oder rechteckigen Kühlnoppen 4, wobei die Kühlnoppen 4 der beiden Kühlkörper gegeneinander gepreßt sind. Auf diese Weise werden zahlreiche, zur Durchströmung einer Kühlflüssigkeit geeignete Zwischenräume 22 gebildet und die in die Kühlkörper eingeleitete Wärmeleistung kann über eine große wirksame Oberfläche (= Kühlnoppen und Innenflächen der Kreisscheibe 3) an die strömende Kühlflüssigkeit abgegeben werden.

Gegen die planebenen, nach außen gerichteten Hauptflächen der Kühlkörper 1 bzw. 2 sind elektrisch gut isolierende und thermisch gut leitfähige Keramikscheiben 5 bzw. 6 gepreßt. Die Keramikscheiben 5, 6 bestehen vorzugsweise aus Aluminiumnitrid und sind kreisscheibenförmig ausgebildet, wobei die Außenkanten mit Anfasungen 7 zu beiden Hauptflächen versehen sind. Der Durchmesser der Keramikscheiben 5, 6 ist größer als der Durchmesser der Kühlkörper 1, 2. Die Stärke einer Keramikscheibe 5, 6 ist mit a bezeichnet.

Der derart gebildete Sandwich-Aufbau Keramikscheibe 5 - Kühlkörper 1 - Kühlkörper 2 - Keramikscheibe 6 wird an seiner zylinderförmigen Außenfläche mittels eines hohlzylinderförmigen äußeren Isoliergehäuses 12 zusammengehalten. Das vorzugsweise aus Duroplast bestehende und auf den vorstehend beschriebenen Sandwich-Aufbau "aufgeschrumpfte" äußere Isoliergehäuse 12 preßt die Einzelbauteile des Sandwich-Aufbaus gegeneinander, indem es kraftschlüssig über die Anfasungen 7 der Keramikscheiben 5, 6 greift. Trotzdem ist eine relativ weiche Einbettung der Keramikscheiben 5, 6 in das äußere Isoliergehäuse 12 gewährleistet.

Zur elektrischen Isolierung und hydraulischen Abdichtung sind eine Reihe von Dichtungen 9, 10 sowie ein inneres Isoliergehäuse 8 zwischen Kühlkörper/Keramikscheibe einerseits und äußerem Isoliergehäuse 12 andererseits vorgesehen. Ein im Querschnitt U-förmiges, elektrisch isolierendes inneres Isoliergehäuse 8 umkleidet vollständig den randseitigen, kreisringförmigen Bereich zwischen den Kühlkörpern 1, 2, den Keramikscheiben 5, 6 und dem äußeren Isoliergehäuse 12. Das innere Isoliergehäuse 8 besteht aus einem elastischen Material mit sehr guten elektrisch isolierenden Eigenschaften, das in sehr hohem Maße wasserdampfundurchlässig ist. Als Material eignet sich z. B. ein Thermoplast, z. B. glasfaserverstärktes Polyamid oder glasfaserverstärktes Polyester oder auch PPS Polyphenylensulfid.

Eine hydraulische Abdichtung erfolgt durch zwei ringförmige hydraulische Dichtungen 9, wobei die Dichtungen 9 die Verbindungsflächen zwischen Kühlkörpern 1, 2, Keramikscheiben 5, 6 sowie innerem Isoliergehäuse 8 abdichten. Elektrische Dichtungen 10 sind an den Verbindungsflächen zwischen Keramikscheiben 5, 6, innerem Isoliergehäuse 8 und äußerem Isoliergehäuse 12 angeordnet und greifen auch in den spitzwinkligen Bereich zwischen Anfasung 7 und äußerem Isoliergehäuse 12 ein. Die hydraulischen Dichtungen 9, 10 bestehen aus einem in sehr hohem Maß absolut wasserdampfundurchlässigen Material, z. B. FKM Fluor Elastomer, wobei keinesfalls elektrisch leitfähige Additive (z. B. Ruß) beigemengt werden dürfen, um eine hohe elektrische Isolierfähigkeit sicherzustellen. Die elektrisch isolierenden Eigenschaften der hydraulischen Dichtungen 9 sind insofern von Bedeutung, da sie eine elektrische Fußpunktisolierung darstellen (abgedeckter möglicher Lichtbogenfußpunkt für die Kühlkörper 1, 2).

Im Unterschied zu den hydraulischen Dichtungen 9 sind die elektrisch sehr gut isolierenden elektrischen Dichtungen 10 wasserdampfundurchlässig. Als Material eignet sich z. B. EPDM Athylen, Propylen oder VMQ Silikon. Die elektrischen Dichtungen realisieren aufgrund ihrer "Flächendichtung" eine hohe Durchschlagspannung.

Die derart gestaltete Isolierkühldose ist durch das stabile, sehr kriechstromfeste äußere Isoliergehäuse 12 gegen mechanische Beanspruchungen geschützt, wobei die erforderlichen Kriechwege zu beachten sind (siehe auch Fig. 7). Zur Herstellung des äußeren Isoliergehäuses 12 wird das innere Isoliergehäuse z. B. mit Duroplast umgossen oder mit Polyester umspritzt.

Da durch das äußere Isoliergehäuse 12 eine radiale Zusammenpressung der Bauteile erzielt wird, ist es nicht möglich, daß sich eventuell während des Betriebes der Isolierkühldose ausbildende Risse in den Keramikscheiben verbreitern. Derartige Risse können deshalb lediglich in Form feiner Haarrisse entstehen. Unter Fig. 8 wird eine Möglichkeit angeführt, wie derartige Risse "geheilt" werden können.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, ergibt sich durch Einsatz der beiden Isoliergehäuse 8, 12 eine Verbundwerkstoffkühldose in Zweischalentechnik, d. h. aus zwei Kunststoffgehäusen ineinander. Zweckmäßig weist das äußere Isoliergehäuse 12 zwei, drei oder vier am Umfang verteilte randseitige Haltenoppen 13 zur Arretierung von mit den Keramikscheiben 5 bzw. 6 in Kontakt tretenden Stromführungsblechen 14, 15 auf. Diese Stromführungsbleche 14, 15 wiederum treten in direkten Kontakt mit den zu kühlenden Halbleiterbauelementen, so daß der vom Halbleiterbauelement produzierte Wärmestrom über das thermisch gut leitfähige Stromführungsblech, die Keramikscheibe und den Kühlkörper zur durch die Isolierkühldose strömenden Kühlflüssigkeit fließt. Zur Arretierung der Halbleiterbauelemente sind die Stromführungsbleche vorteilhaft mit Zentrierschubstanzungen versehen, die in entsprechende Ausnehmungen der Halbleiterbauelemente eingreifen (siehe auch Fig. 4).

In Fig. 2 ist ein Kühlkörper der Isolierkühldose im Detail dargestellt. Es ist die mit einer Vielzahl von Kühlnoppen 4 versehene Kreisscheibe 3 zu erkennen.

Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf eine Isolierkühldose in geschnittener Darstellung. Dabei sind insbesondere Kühlflüssigkeits-Eintritt 16 und -Austritt 17 zu erkennen. Der rohrförmig ausgebildete Eintritt 16 und der ebenfalls rohrförmige Austritt 17 münden direkt in den von den Kühlkörpern 1, 2 und dem inneren Isoliergehäuse 8 begrenzten Innenraum der Isolierkühldose. Der Kühlflüssigkeitsstrom ist mit Pfeilen gekennzeichnet.

In Fig. 3 ist zu erkennen, daß das innere Isoliergehäuse 8 den Eintritt 16 sowie den Austritt 17 bildet, die teilweise vom äußeren Isoliergehäuse 12 umhüllt sind, was zum Schutz gegen Beschädigungen und zur Festigkeit beiträgt. Zum hydraulischen Anschluß der Isolierkühldose werden Anschlußrohre 19 oder Adapter jeweils auf die mittels der inneren Isoliergehäuse 8 gebildeten Stutzen von Eintritt 16 und Austritt 17 geschoben, wobei einer oder mehrere hydraulische Dichtringe 20, 21 zwischen Stutzen und Anschlußrohr 19 vorgesehen sind.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß eine elektrisch leitfähige Kühlflüssigkeit, insbesondere Brauchwasser, auch dann verwendet werden kann, wenn die Stromführungsbleche 14, 15 mit potentialbehafteten Halbleiterbauelementen kontaktiert werden. Durch die Keramikscheiben 5, 6 und das innere Isoliergehäuse 8 wird eine lückenlose elektrische Isolation gewährleistet. Durch die in sehr hohem Maße wasserdampfundurchlässigen hydraulischen Dichtungen 9 und das innere Isoliergehäuse wird unter anderem sichergestellt, daß die Kühlflüssigkeit nicht zu den potentialbehafteten Stromführungsblechen 14, 15 gelangen kann. Da die elektrischen Dichtungen 10 wasserdampfdurchlässig sind, wird verhindert, daß sich dennoch eingedrungene Kühlflüssigkeit im Bereich zwischen den Dichtungen 9, 10 und dem inneren Isoliergehäuse 8 ansammeln kann. Die zwischen innerem Isoliergehäuse 8, äußerem Isoliergehäuse 12 und Keramikscheiben 5, 6 eindringende Kühlflüssigkeit kann durch die elektrische Dichtung 10 und die Grenzflächen zwischen äußerem Isoliergehäuse 12 und Keramikscheiben 5, 6 nach außen "ausdunsten".

Auch wenn die Keramikscheiben 5, 6 Risse aufweisen sollten, ist die elektrische Isolation zuverlässig gewährleistet. Da zwischen jeder Keramikscheibe und der Kühlflüssigkeit ein Kühlkörper bzw. die hydraulische Dichtung 9 angeordnet sind, kann auch bei einem Riß in der Keramikscheibe keine Kühlflüssigkeit zum Stromführungsblech hin gelangen. Die Stärke a einer Keramikscheibe ist in Abhängigkeit des zwischen einem Stromführungsblech und der Kühlflüssigkeit anstehenden elektrischen Potentials derart zu bemessen, daß die elektrische Feldstärke im durch einen Riß gebildeten Luftspalt unterhalb der kritischen Feldstärke bleibt, bei der ein "Glimmen" möglich ist und bei der die Gefahr eines elektrischen Durchschlages zwischen Stromführungsblech und Kühlkörper besteht. Bei einem Potential von z. B. 3000 V und einer Stärke a der Keramikscheibe von z. B. 0,4 cm beträgt die Feldstärke im Luftspalt 7,5 kV/cm und liegt damit wesentlich unter der kritischen Feldstärke von 18 . . . 20 kV/cm, bei der ein "Glimmen" beginnt.

Um einen guten Wärmeübergang von den Keramikscheiben 5, 6 zu den Kühlkörpern 1, 2 zu ermöglichen, sollte die Keramikscheibe mit einer relativ hohen Kraft gegen die Kühlkörper drücken, wie vorstehend bereits erwähnt ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn die als Weichrohling gepreßten und anschließend gesinterten Keramikscheiben absolut planeben geschliffen werden. Die Anfasungen 7 erleichtern dabei vorteilhaft den Schleifvorgang, da sie die Fixierung und Anpressung der Keramikscheibe an die Schleifeinrichtung erleichtern. Durch den Schleifvorgang werden feine Unebenheiten der Keramikscheiben beseitigt, wodurch hohe, punktförmige mechanische Spannungen vermieden werden, die bei Einsatz einer ungeschliffenen Keramikscheibe im Spannverband der Isolierkühldose mit Halbleiterbauelementen entstehen können. Dies wirkt sich günstig auf die Wärmeübertragung, die Rüttelfestigkeit und Langzeitfestigkeit der Isolierkühldose aus.

In Fig. 4 ist ein Spannverband dargestellt, bestehend aus drei Isolierkühldosen 23 und drei Halbleiterbauelementen 24. Die schematisch gezeigten Kühlflüssigkeits-Eintritte sind mit 16 bezeichnet und können z. B. aus einem gemeinsamen Behälter (Wasserverteiler) oder einer gemeinsamen Rohrzuführung gespeist werden. Die beispielsweise jeweils nach einer Seite geführten Stromzuführungsbleche 14, 15 sind frei zugänglich. Da die einzelnen Isolierkühldosen 23 die elektrische Isolierung zwischen den Stromzuführungsblechen 14, 15 und zur Kühlflüssigkeit hin gewährleisten, können die Stromzuführungsbleche 14, 15 jeweils unterschiedliche Potentiale aufweisen. Die den Spannverband zusammenpressende, nicht dargestellte Spannvorrichtung ist, wie üblich, unter Einsatz von Spannstäben und Federelementen aufgebaut. In Fig. 4 ist desweiteren skizziert, wie eine in der Mitte eines Stromführungsbleches 15 angeordnete Zentrierschubstanzung 30 in eine entsprechende Ausnehmung 31 eines Halbleiterbauelementes 24 eingreift.

In Fig. 5 ist eine alternative Anordnung des Kühlflüssigkeits-Eintritts und -Austritts dargestellt. Eintritt 16 und Austritt 17 der Isolierkühldose 23 weisen V-förmig zur gleichen Seite hin. Je nach konstruktiver Gestaltung der externen Kühlflüssigkeitsführung (Rohrleitungen, Wasserverteiler) sind weitere alternative Ausgestaltungen möglich.

In Fig. 6 ist eine alternative Ausbildung eines Kühlflüssigkeits-Eintritts oder -Austritts dargestellt. Der gezeigte Austritt 17 ist dabei als Flansch ausgebildet und eignet sich deshalb besonders zum Anschluß an einen Wasserverteiler. Das innere Isoliergehäuse 8 ist einstückig mit einer Flanschplatte 25 verbunden. Zur Abdichtung weist die Flanschplatte 25 eine umlaufende Nut auf, in die eine Dichtung 26 eingelegt ist. Bohrungen 27 in der Flanschplatte 25 dienen zur Befestigung. Zur Erhöhung der Stabilität des Flansches (Rüttelfestigkeit) sind vorteilhaft Verstärkungsrippen 28 vorgesehen.

In Fig. 7 ist eine alternative Ausbildung des äußeren Isoliergehäuses dargestellt. Es ist zu erkennen, daß das äußere Isoliergehäuse 12 mit umlaufenden Rippen 29 versehen ist. Durch diese Rippen 29 wird der Kriechweg zwischen den Stromführungsblechen 14, 15 verlängert und die Potentialdifferenz zwischen beiden Stromführungsblechen kann bis 4000 V betragen. Somit eignet sich die Isolierkühldose auch zum Einsatz bei einer fortgeschrittenen GTO-Technik mit integrierten Dioden oder bei direkter phasenweiser Aneinanderschaltung der einzelnen Halbleiterbauelemente. Hierdurch ergeben sich vorteilhaft wesentlich kürzere Spannverbände und es werden zusätzlich Isolatoren eingespart.

In Fig. 8 ist eine alternative Ausbildung der Kühlkörper dargestellt. Dabei sind die Oberflächen der mit den Keramikscheiben 5, 6 kontaktierten Kühlkörper 1, 2 (= nach außen gerichtete Flächen der Kreisscheibe 2 gemäß Fig. 2) mit schmalen Nuten 32 versehen, in die vor der Kontaktierung mit den Keramikscheiben ein Isolieröl - vorzugsweise ein Dielektrika-Öl für Kondensatoren - eingebracht wird. Falls während des Betriebes der Isolierkühldose Haarrisse in den Keramikscheiben auftreten sollten, tritt das Isolieröl aufgrund seiner guten "Kriecheigenschaften" in derartige Haarrisse ein, wodurch eine "selbstheilende" Wirkung erzielt wird. Zusätzlich verbessert das Isolieröl den Wärmeübergang zwischen Keramikscheiben und Kühlkörpern, da es eventuelle feine Unebenheiten der Kontaktflächen ausfüllt und damit ausgleicht. Die schmalen Nuten 32 sind vorzugsweise als konzentrische Ringe angeordnet, können jedoch auch in Form anderer Strukturen ausgeführt sein.