CH662444A5

CH662444A5 - Dosen-siedekuehleinrichtung fuer leistungshalbleiterelemente.

Info

Publication number: CH662444A5
Application number: CH883/84A
Authority: CH
Inventors: Erwin Klein
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1983-03-04
Filing date: 1984-02-23
Publication date: 1987-09-30
Also published as: US4574877A; FR2544918B1; FR2544918A1; DE3307703A1; DE3307703C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dosen-Siedekühleinrich-tung für Leistungshalbleiterelemente gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Dosen-Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterelemente ist aus der DE-OS 2 414 270 bekannt. Dort werden Ketten von in Reihe geschalteten Halbleiterelementen mit gemeinsamem Kühlkreislauf zur Abführung der Verlustleistung der Halbleiterelemente gebildet. Jedes Halbleiterelement ist dabei mit zwei Kühldosen thermisch kontaktiert, so dass bei Ein-sastz von n Halbleiterelementen n +1 Kühldosen nötig sind. Zur Kontaktierung einer aus einer Vielzahl von einzelnen Halbleiterelementen bestehenden Säule ist nur eine gemeinsame Spanneinrichtung notwendig.

Da die einzelnen Halbleiterelemente auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen, besteht die Anforderung, die

Halbleiterelemente untereinander sowie in Bezug zum Rückkühler elektrisch zu isolieren, jedoch hydraulisch zu verbinden. Das bedeutet elektrische Isolierstrecken zwischen den Kühldosen und dem Rückkühler. Da bei einer Dosen-Siedekühlung mit Dampf- und Kondensatleitungen gearbeitet wird, sind bei Einsatz von n Halbleiterelementen 2(n +1) Isolierstrecken erforderlich.

Bei der Säulenbauweise sind Bautoleranzen in Richtung der Säulenachse und Längentoleranzen der einzelnen hydraulischen Verbindungen zu berücksichtigen. Deshalb müssen die hydraulischen Leitungen kardanisch und longitudinal beweglich sein.

Drücke und Temperaturen, welche beim Sieden in Verbindung mit dem meist nicht inerten Verhalten der Siedeflüssigkeiten und ihrer Dämpfe auftreten, bedingen beim Einsatz von elektrisch isolierenden Schläuchen Materialien, welche den Beweglichkeitsanforderungen nur durch grosse Längen gerecht werden. Diese sind jedoch nicht immer realisierbar. Da auch die Verbindungstechnik — es wird Gasdichtheit gefordert — bei Schläuchen problematisch ist, kann alternativ hierzu eine andere Ausführung gewählt werden. Sie ist durch sogenannte metallische Wellrohre unter Einschaltung von Isolierrohren gekennzeichnet. Um die Gasdichtheit zu gewährleisten, wird dann zum Fügen solcher Teile zweckmässigerweise die Löttechnik angewendet. Das bedeutet eine lötbare elektrische Isolation, wie sie z.B. in Form von Rohren aus Aluminiumoxid allgemein bekannt ist.

Derartige Lötstellen sind problematisch bezüglich der Dichtigkeit. Auch sind sie in der Verarbeitung recht teuer. Desweite-ren kommt hinzu, dass gerade bei gedrängt zu bauenden Geräten die Länge der Isolierrohre die Bauhöhe stark beeinflussen kann.

Der Erfindung liegt davon ausgehend, die Aufgabe zugrunde, eine Dosen-Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterelemente der eingangs genannten Art anzugeben, die eine gute hydraulische, jedoch elektrisch isolierende Verbindung zwischen den einzelnen auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Halbleiterelementen untereinander und zum Rückkühler gewährleistet und dabei gleichzeitig die thermischen Ausdehnungen der einzelnen Bauteile während des Betriebes ausgleicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verschachtelung von Dampf- und Kondensatleitungen eine erhebliche Vereinfachung des Aufbaues der Kühleinrichtung erreicht wird. Da die horizontalen Dampfsammelleitungen bzw. Kondensatsammelleitungen allein die elektrische Isolierung gewährleisten, dienen die vertikalen Leitungen nur noch zum Toleranzausgleich. Dies hat den Vorteil, dass Erdungsprobleme vereinfacht werden können und leicht zur Schutzisolierung übergegangen werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer Halbleitersäule mit Dosen-Siedekühleinrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Seitenansicht dieser Säule.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Halbleitersäule mit Dosen-Siedekühleinrichtung dargestellt. Mehrere Leistungshalbleiterelemente 1 sind abwechselnd mit metallischen Kühldosen 2, welche aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material bestehen, zu einer Säule geschichtet. Als Halbleiterelemente 1 werden in diesem Zusammenhang Leistungsdioden oder Leistungsthyristoren in Metall-Keramik-Gehäusen verstanden. Die so entstandene Säule weist n Halbleiterelemente 1 und n +1 Kühldosen 2 auf.

Die Kühldosen 2 können z.B. aus je zwei gleichen Halbscha5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

len bestehen, in deren inneren Hohlräumen von den Kühldosenböden 3 aus sich zur Vergrösserung der Siedeflächen Rippen 4 erstrecken. Die Halbschalen der Kühldosen 2 sind dann stoffschlüssig miteinander verbunden. Zum elektrischen Anschluss sind die Kühldosen 2 mit mindestens einem Gewindeloch 5 versehen.

In einer im oberen Teil der Kühldosen 2 befindlichen Bohrung 6 für hydraulischen Anschluss ist eine vertikale Dampfleitung 7 (Gasleitung), vorzugsweise ein metallisches Wellrohr, mit ihrem einen Ende 8 eingelötet.

Die aus Halbleiterelementen 1 und Kühldosen 2 bestehende Säule wird über eine Kontakteinrichtung 10 (Spanneinrichtung für thermische und elektrische Kontaktierung) kraftschlüssig kontaktiert. Die Kontakteinrichtung 10 kann z.B. aus drei Zugstäben 11 bestehen, die zwei Jochplatten 12 verbinden (es ist nur eine der Jochplatten 12 dargestellt). Hierzu dienen Muttern 13. Um die Kontaktkraft definiert aufzubringen, stützen sich in den Jochplatten 12 nicht dargestellte Tellerfedern ab. Deren Reaktionskräfte werden über Schrauben 14 und Isolatoren 15 auf die Kühldosen 2 aufgebracht. Die Isolatoren 15 können entfallen, wenn die Zugstäbe 11 elektrisch isolierend ausgeführt werden und auch die Befestigung der Säule elektrisch isolierend erfolgt.

Die vertikale Dampfleitung 7 ist an ihrem zweiten Ende 16 als Anschluss einer Rohrverschraubung ausgebildet. Die kraftschlüssige Verbindung des Rohrverschraubungsanschlusses der vertikalen Dampfleitung 7 mit einem Stutzen 18 erfolgt über eine Überwurfmutter 17. Der Stutzen 18 ist formschlüssig durch hinterdrehte Vieleckrippen 19 in einer horizontalen Dampfsammelleitung 20 (Gassammelleitung) eingebettet. Über diese Dampfsammelleitung 20 wird beim Siedem der aufsteigende Dampf abgeleitet. Die Leitung 20 kann an einen nicht dargestellten Rückkühler bzw. Wärmetauscher angeschlossen sein, wobei sich der Dampfstrom zum Rückkühler hin bewegt und dort kondensiert.

In die horizontale Dampfsammelleitung 20 wird vor dem Verschliessen der Leitung eine horizontale Kondensatsammelleitung 21 (Flüssigkeitssammelleitung) eingebracht. Die Leitung 21 weist Bohrungen 22 auf, in die durch die Stutzen 18 der Dampfsammelleitung 20 und die vertikale Dampfleitung 7 hindurch vertikale Kondensatleitungen 23 formschlüssig eingesteckt werden. Mittels Halter 24 wird die horizontale Kondensatsammelleitung 21 in der horizontalen Dampfsammelleitung 20 fixiert. Zu jeder Kühldose 2 führt dabei eine vertikale Kondensatleitung 23. Die Kondensatleitungen 23 liegen vorzugsweise konzentrisch in den vertikalen Dampfleitungen 7. Durch die Kondensatsammelleitungen 21 wird die kondensierte Siedeflüssigkeit der Kühldose 2 im unteren Bereich zugeführt, wobei die Flüssigkeit vorzugsweise nicht in axialer Richtung, sondern durch mehrere Bohrungen 25 seitlich in den Hohlraum der Kühldosen austritt.

Die Versorgung der Kondensatsammelleitungen 21 mit Siedeflüssigkeit kann direkt aus der Dampfsammelleitung 20 erfolgen, wenn das Kondensatniveau 26 (Flüssigkeitsniveau) genügend hoch ist. Die Versorgung kann aber auch direkt vom Rückkühler her erfolgen, wenn die Kondensatsammelleitung 21 mit diesem verbunden wird.

Die Gesamt-Kühleinrichtung weist dabei einen Rückkühler

662 444

auf, der mehrere derartiger Kondensatsammelleitungen 21 speist und mit mehreren Dampfsammelleitungen 20 für eine Vielzahl von Halbleitersäulen verbunden ist.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Seitenansicht einer Halbleitersäule dargestellt. Im einzelnen sind ein Leistungshalbleiterelement 1, eine Kühldose 2 mit vertikaler Dampfleitung 7, Überwurfmutter 17, Stutzen 18, horizontaler Dampfsammelleitung 20, horizontaler Kondensatsammelleitung 21, vertikaler Kondensatleitung 23 und Halter 24 gezeigt. Das Kondensatniveau ist mit 26 bezeichnet. Desweiteren ist die Kontakteinrichtung 10, bestehend aus drei Zugstäben 11 und Jochplatten 12 dargestellt.

Da im interessierenden Temperaturbereich das Volumenverhältnis von Dampf (Gas) zu Flüssigkeit (Kondensat) sehr gross ist — z.B. bei der Siedeflüssigkeit R 113 nach DIN 8962 etwa 140 bei einer Temperatur von 60°C — können die Kondensatleitungen 21 und 23 im Durchmesser klein gehalten werden, so dass keine Behinderung der Dampfströme infolge der in die Dampfleitungen 7, 20 eingelegten Flüssigkeitsleitungen 21, 23 auftritt.

Die vertikalen Kondensatleitungen 23 erstrecken sich vorzugsweise bis fast zum Grund der Kühldosen 2. Dabei ist keine besondere Dichtheit an den Anschlüssen (Bohrungen 22) zwischen horizontalen Kondensatsammelleitungen 21 und vertikalen Kondensatleitungen 23 erforderlich. Da die vertikalen Kondensatleitungen 23 sehr dünn sein können und aus Kunststoff bestehen sollten, ist genügend Beweglichkeit zum Toleranzausgleich vorhanden. Aus Kunststoff sollten die Kondensatleitungen 21, 23 deshalb sein, um einen grossen thermischen Widerstand aufzuweisen. Damit wird verhindert, dass die zuströmende Flüssigkeit siedet, bevor sie das Kühldoseninnere umspült. Als Kunststoffrohre für die Kondensatleitungen 21, 23 eignen sich vorzugsweise stranggespritzte Polyamidrohre.

Als Isolationsmaterial der horizontalen Dampfsammelleitung 21 wird vorzugsweise ein hochtemperaturfestes, mechanisch stabiles Thermoplast eingesetzt, das auch gegen die Siedeflüssigkeit resistent ist. Dabei ist zu beachten, dass die Funda-mentierung der Stutzen 18 mittels Vieleckrippen 19 in der horizontalen Dampfsammelleitung 20 so erfolgen muss, dass neben der Gasdichtheit auch die Verdrehungssicherheit beim Betätigen der Überwurfmutter der Rohrverschraubung gewährleistet wird. Deshalb eignet sich als Werkstoff für die Dampfsammelleitung 20 ein Gusspolyamid. Es schrumpft nach dem Giessen so stark, dass die Gasdichtheit der Stutzenanschlüsse auch bei hoher Temperatur gewährleistet wird. Auch die Verdrehungssicherheit wird durch entsprechende Gestaltung der Rohrverschraubungsstutzen 18 leicht sichergestellt. Nachdem dieses Material auch hohe Kriechstromfestigkeit aufweist, bereitet es kein Problem, die beschriebene Dosen-Siedekühleinrichtung als «schutzisoliert» einzustufen.

Alternativ zum Gusspolyamid kann auch ein stranggespritztes Polyamidrohr als Dampfsammelleitung 20 zum Einsatz kommen, wenn für die Dampfsammelleitungsanschlüsse Flansche mit Innengewinde für die in diesem Fall mit Aussengewinde zu versehenden Stutzen vorgesehen werden. Die Flansche können dann mittels «Spiegelschweissungen» mit den Dampfsammelleitungen 20 verbunden werden.

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

V

1 Blatt Zeichnungen

Claims

662 444

1. Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterelemente, die mit Kühldosen abwechselnd zu einer Säule gestapelt sind, wobei die Kühldosen Verdampfer-Hohlräume zur Aufnahme einer elektrisch isolierenden, beim Betrieb der Halbleiterelemente verdampfenden Kühlflüssigkeit aufweisen und ein Kühlmittelkreislauf zwischen den Kühldosen und einem Rückkühler gebildet wird, indem der in den Kühldosen entstehende Dampf dem Rückkühler über Rohrleitungen zugeleitet und das im Rückkühler niedergeschlagene Kondensat über Rohrleitungen an die Kühldosen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Trennung der spannungsführenden Kühldosen (2) untereinander und gegenüber dem Rückkühler durch elektrisch isolierende, horizontale Dampfsammelleitungen (20) bzw. Kondensatsammelleitungen (21) erfolgt, an die jeweils vertikale Dampfleitungen (7) bzw. Kondensatleitungen (23) für die einzelnen Kühldosen (2) angeschlossen sind.

2. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatleitungen (21, 23) in die Dampfleitungen (7, 20) eingebracht sind.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Kondensatleitungen (23) konzentrisch in den vertikalen Dampfleitungen (7) liegen.

4. Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatleitungen (21, 23) als Kunststoffrohre ausgeführt sind.

5. Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Kondensatleitungen (23) mit den horizontalen Kondensatsammelleitungen (21) über Bohrungen (22) formschlüssig und ohne besondere Dichtheitsanforderungen verbunden sind.

6. Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Kondensatleitungen (23) bis kurz über den Grund der Kühldosen (2) geführt sind.

7. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Kondensatleitungen (23) im Kühldosenbereich seitliche Bohrungen (25) zum Austritt des Kondensats aufweisen.

8. Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Dampfleitungen (7) als metallische Wellrohre mit Rohrverschraubungs-anschluss ausgeführt sind.

9. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Anschluss der Rohrverschraubungen Stutzen (18) in die horizontalen Dampfsammelleitungen (20) eingegossen sind.

10. Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Dampfsammelleitungen (20) aus Gusspolyamid bestehen.