DE3307703C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Siedekühlein­ richtung für Leistungshalbleiterelemente gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.

Eine solche Dosen-Siedekühleinrichtung für Leistungs­ halbleiterelemente ist aus der DE-OS 24 14 270 bekannt. Dort werden Ketten von in Reihe geschalteten Halbleiter­ elementen mit gemeinsamem Kühlkreislauf zur Abführung der Verlustleistung der Halbleiterelemente gebildet. Jedes Halbleiterelement ist dabei mit zwei Kühldosen thermisch kontaktiert, so daß bei Einsatz von n Halblei­ terelementen n+1 Kühldosen nötig sind. Zur Kontaktierung einer aus einer Vielzahl von einzelnen Halbleiterelemen­ ten bestehenden Säule ist nur eine gemeinsame Spannein­ richtung notwendig.

Aus der US-PS 40 36 291 sind verschiedenartige Siedekühleinrichtungen bekannt, bei denen jeweils Halb­ leiterelemente zwischen Kühldosen angeordnet sind. Der in einer Kühldose während des Betriebs entstehende Kühl­ mitteldampf wird über eine vertikale Verbindungsleitung zu einem Kondensator geführt. Zur Rückführung des ge­ kühlten Kondensats in die Kühldose ist eine in der ver­ tikalen Verbindungsleitung selbst angeordnete Hilfslei­ tung vorgesehen, deren oberes offenes Ende in die Kühl­ flüssigkeit des Kondensators ragt und deren unteres of­ fenes Ende unmittelbar über dem Boden der Kühldose mün­ det.

Aus der DE-OS 24 17 031 ist eine flüssigkeitsgekühlte Thyristorsäule mit gestapelten Scheibenthyristoren be­ kannt, bei der jeder Kühlkörper mit einem seitlich ab­ stehenden Wärmerohr ausgerüstet ist, das an seinem frei­ en Ende an einer Kühlmittelleitung befestigt ist. Jedes Wärmerohr weist ein Zwischenstück aus elektrisch isolie­ rendem Material auf. Die Befestigung zwischen Wärmerohr und Kühlmittelleitung sowie zwischen Kühlkörper und Wär­ merohr kann jeweils über ein Wellrohr erfolgen.

Da die einzelnen Halbleiterelemente auf unterschiedli­ chen elektrischen Potentialen liegen, besteht die Anfor­ derung, die Halbleiterelemente untereinander sowie in Bezug zum Rückkühler elektrisch zu isolieren, jedoch hydraulisch zu verbinden. Das bedeutet elektrische Iso­ lierstrecken zwischen den Kühldosen und dem Rückkühler. Da bei einer Dosen-Siedekühlung mit Dampf- und Konden­ satleitungen gearbeitet wird, sind bei Einsatz von n Halbleiterlementen 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 longi­ tudinal beweglich sein.

Drücke und Temperaturen, welche beim Sieden in Verbin­ dung mit dem meist nicht inerten Verhalten der Siede­ flüssigkeiten und ihrer Dämpfe auftreten, bedingen beim Einsatz von elektrisch isolierenden Schläuchen Materia­ lien, 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 problema­ tisch ist, kann alternativ hierzu eine andere Ausführung gewählt werden. Sie ist durch sogenannte metallische Wellrohre unter Einschaltung von Isolierrohren gekenn­ zeichnet. Um die Gasdichtheit zu gewährleisten, wird dann zum Fügen solcher Teile zweckmäßigerweise die Löt­ technik angewendet. Das bedeutet eine lötbare elektri­ sche Isolation, wie sie z. B. in Form von Rohren aus Alu­ miniumoxid 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 Bau­ höhe stark beeinflussen kann.

Der Erfindung liegt davon ausgehend, die Aufgabe zugrun­ de, 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 wäh­ rend des Betriebes ausgleicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß durch die Verschächtelung von Dampf- und Kondensatleitungen eine erhebliche Vereinfa­ chung des Aufbaues der Kühleinrichtung erreicht wird. Da die horizontalen Dampfsammelleitungen bzw. Kondensatsam­ melleitungen allein die elektrische Isolierung gewähr­ leisten, dienen die vertikalen Leitungen nur noch zum Toleranzausgleich. Dies hat den Vorteil, daß Erdungspro­ bleme vereinfacht werden können und leicht zur Schutz­ isolierung übergegangen werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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

Es zeigen:

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

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Seitenansicht dieser Säule.

In Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Halb­ leitersäule 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 Leistungsthyri­ storen 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 Halb­ schalen bestehen, in deren inneren Hohlräumen von den Kühldosenböden 3 aus sich zur Vergrößerung der Siedeflä­ chen Rippen 4 erstrecken. Die Halbschalen der Kühldosen 2 sind dann stoffschlüssig miteinander verbunden. Zum elektrischen Anschluß sind die Kühldosen 2 mit min­ destens einem Gewindeloch 5 versehen.

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

Die aus Halbleiterelementen 1 und Kühldosen 2 bestehende Säule wird über eine Kontakteinrichtung 10 (Spannein­ richtung 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 Jochplat­ ten 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 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 Rohrverschraubungsan­ schlusses der vertikalen Dampfleitung 7 mit einem Stutzen 18 erfolgt über eine Überwurfmutter 17. Der Stutzen 18 ist formschlüssig durch hinterdrehte Vieleck­ rippen 19 in einer horizontalen Dampfsammelleitung 20 (Gassammelleitung) eingebettet. Über diese Dampfsammel­ leitung 20 wird beim Sieden der aufsteigende Dampf abge­ leitet. Die Leitung 20 ist an einen nicht dargestellten Rückkühler bzw. Wärmetauscher angeschlossen, wobei sich der Dampfstrom zum Rückkühler hin bewegt und dort kondensiert.

In die horizontale Dampfsammelleitung 20 wird vor dem Verschließen der Leitung eine horizontale Kondensatsam­ melleitung 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 hori­ zontalen Dampfsammelleitung 20 fixiert. Zu jeder Kühl­ dose 2 führt dabei eine vertikale Kondensatleitung 23. Die Kondensatleitungen 23 liegen konzen­ trisch in den vertikalen Dampfleitungen 7. Durch die Kondensatleitungen 23 wird die kondensierte Siede­ flüssigkeit 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 (Flüssigkeits­ niveau) genügend hoch ist. Die Versorgung kann aber auch direkt vom Rückkühler her erfolgen.

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 verti­ kaler Dampfleitung 7, Überwurfmutter 17, Stutzen 18, horizontaler Dampfsammelleitung 20, horizontaler Konden­ satsammelleitung 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 dar­ gestellt.

Da im interessierenden Temperaturbereich das Volumenver­ hältnis 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 gehal­ ten 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 (Boh­ rungen 22) zwischen horizontalen Kondensatsammellei­ tungen 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 vorhan­ den. 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 Poly­ amidrohre.

Als Isolationsmaterial der horizontalen Dampfsammellei­ tung 21 wird vorzugsweise ein hochtemperaturfestes, me­ chanisch stabiles Thermoplast eingesetzt, das auch gegen die Siedeflüssigkeit resistent ist. Dabei ist zu beach­ ten, 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 Verdrehungssi­ cherheit wird durch entsprechende Gestaltung der Rohr­ verschraubungsstutzen 18 leicht sichergestellt. Nachdem dieses Material auch hohe Kriechstromfestigkeit auf­ weist, bereitet es kein Problem, die beschriebene Dosen-Siedekühleinrichtung als "schutzisoliert" einzu­ stufen.

Alternativ zum Gußpolyamid kann auch ein strangge­ spritztes 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.

Claims (5)

1. Siedekühleinrichtung für Leistungshalbleiterele­ mente, die mit Kühldosen abwechselnd zu einer horizontal angeordneten Säule ge­ stapelt sind, wobei die Kühldosen Verdampfer-Hohlräume zur Aufnahme einer elektrisch isolierenden, beim Betrieb der Halbleiterelemente verdampfenden Kühlflüssigkeit aufweisen und ein Kühlmittelkreislauf zwischen den Kühl­ dosen und einem Rückkühler gebildet wird, indem der in den Kühldosen entstehende Dampf dem Rückkühler über Dampfsammel­ leitungen zugeleitet und das im Rückkühler nieder­ geschlagene Kondensat über Kondensatleitungen an die Kühldo­ sen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Trennung der spannungsführenden Kühldosen (2) untereinander und gegebenüber dem Rückkühler durch elektrisch isolierende, hori­ zontale Dampfsammelleitungen (20) und horizontale Kon­ densatsammelleitungen (21) erfolgt, an die jeweils ver­ tikale Dampfleitungen (7) bzw. vertikale Kondensatlei­ tungen (23) für die einzelnen Kühldosen (2) angeschlos­ sen sind, daß die horizontalen Kondensatsammelleitungen (21) in den horizontalen Dampfsammelleitungen (20) ange­ ordnet sind, daß die vertikalen Kondensatleitungen (23) konzentrisch in den vertikalen Dampfleitungen (7) lie­ gen, daß die vertikalen Dampfleitungen (7) als metalli­ sche Wellrohre ausgeführt sind, die über Rohrverschrau­ bungsanschlüsse mit den horizontalen Dampfsammelleitun­ gen (20) verbunden sind und daß die vertikalen Konden­ satleitungen (23) bis kurz über den Grund der Kühldosen (2) geführt sind.

2. Siedekühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatleitungen (23) und die horizontalen Kondensatsammelleitungen (21) als Kunststoffrohre ausgeführt sind.

3. Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anschluß der Rohrverschraubungen Stutzen (18) in die horizontalen Dampfsammelleitungen (20) eingegossen sind.

4. Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen Dampfsammelleitungen (20) aus Gußpolyamid bestehen.

5. Siedekühleinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikalen Kondensatleitungen (23) mit den horizontalen Kondensat­ sammelleitungen (21) über Bohrungen (22) formschlüssig verbunden sind.