DE3307703A1 - Dosen-siedekuehleinrichtung fuer leistungshalbleiterelemente - Google Patents

Dosen-siedekuehleinrichtung fuer leistungshalbleiterelemente

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Description

BBC Aktiengesellschaft BROWN,BOVERI & CIE
Baden 2. März 1983
Mp.-Nr, 520/83 ZPT/P3~Pn/Bt
Dosen-Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterelemente
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dosen-Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterelemente gemäß dem Ober» begriff des Anspruchs 1.
Eine solche Dosen-Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterelemente ist aus der DE-OS 24 14 270 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 Einsatz von η 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
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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 Konden-B satleitungen gearbeitet wird, sind bei Einsatz von η Halbleiterlementen 2(n+1) Isolierstrecken erforderlich.
Fei 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 Verbin-' dung 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. Desweiteren 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 Leistungshalb·= leiterelemente 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.
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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 Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform erläutert«
Es zeigen;
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Teil einer Halblei-.
tersäule mit Dosen-Siedekühleinrichtung, Fig. 2 einen Schnitt durch eine Seitepansicht 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 η Halbleiterelemente 1 und n+1 Kühldosen 2 auf.
Die Kühldosen 2 können z.B. aus je zwei gleichen Halbschalen 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 iso-
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lierend 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 1.8 ist formschlüssig durch hinterdrehte Vieleck-
1Θ rippen 19 in einer horizontalen DampfSammelleitung 20 (Gassammelleitung) eingebettet. Über diese Dampfsammelleitung 20 wird beim Sieden 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 2.4 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 Kondensat-Sammelleitung 21 mit diesem verbunden wird.
Die Gesamt-Kühleinrichtung weist dabei einen Rückkühler 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 vertikaier 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 erfor-
derlich. 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 PoIy-1UQ amidrohre.
Als Isolationsmaterial der horizontalen Dampfsammeileitung 21 wird vorzugsweise ein hochtemperaturfestes, mechanisch stabiles Thermoplast eingesetzt, das auch gegen die Siedeflüssigkeit resistent ist. Dabei ist zu beachten, daß die Fundamentierung der Stutzen 18 mittels Vieleckrippen 19 in der horizontalen DampfSammelleitung 21 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 Dampfsammelleitungsan-Schlüsse Flansche mit Innengewinde für die in diesem Fall mit Außengewinde zu versehenden Stutzen vorgesehen
werden. Die Flansche können dann mittels "Spiegelschwei-
ßungen" mit den Dampfsammelleitungen 20 verbunden werden.
- Leerseite -

Claims (1)

  1. Ansprüche
    Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterelemente j 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 gegebenüber 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«
    2ο Siedekühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatleitungen (21,23) in die Dampfleitungen (7,20) eingebracht sind»
    3» Siedekühleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Kondensatleitungen (23) konzentrisch in den vertikalen Dampfleitungen (7) liegen,
    hο Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatlei-
    tungen (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 Rohrverschraubungsanschluß 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.
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