Brevet FR2544918A1 — publié le 19841026

? 544918 i L'invention concerne un dispositif de refroi- dissement par vaporisation pour éléments semiconducteurs de puissance qui sont empilés avec des boîtes de refroi- dissement alternativement en une colonne, les boites de refroidissement présentant alors des cavités d'évapora- teurs destinées à recevoir un liquide de refroidissement électriquement isolant et s'évaporant lors du fonctionne- ment des éléments semiconducteurs, et un circuit de fluide de refroidissement étant formé entre les boîtes de refroi- dissement et un élément de réfrigération en retour, en amenant la vapeur produite dans les boites de réfrigération à l'élément de réfrigération en retour par l'intermédiaire de conduites tubulaires et en dérivant le condensat déposé dans l'élément de réfrigération en retour par l'intermé- diaire de conduites tubulaires aux boites de réfrigération. Un tel dispositif de réfrigération par vapori- sation comportant des boîtes, pour des éléments semi- conducteurs de puissance est connu de par le document DE-OS 24 14 270 Dans ce document, des chaînes d'éléments semiconducteurs montés en série ayant un circuit de réfri- gération commun pour dissiper la puissance perdue des éléments semiconducteurs sont formées Chaque élément semi- conducteur est mis en contact thermiquement avec deux boîtes de réfrigérationde sorte que si on utilise n éléments semiconducteurs, n+ 1 boites de réfrigération sont nécessaires Pour la mise en contact d'une colonne consti- tuée par un ensemble de différents éléments semiconducteurs, on n'a besoin que d'un dispositif de tension commun. Comme les différents éléments semiconducteurs se trouvent à des potentiels électriques distincts, il est indispensable que les éléments semiconducteurs soient isolés électriquementmais cependant connectés hydrau- liquement les uns par rapport aux autres ainsi que par rapport à l'élément de réfrigération en retour Ceci signifie la présence de trajets isolants électriques entre les boîtes de réfrigération et l'élément de réfrigération en retour Comme on travaille lors d'une réfrigé- ration par vaporisation comportant des boîtes avec des conduites de vapeur et de condensat, il est nécessaire, lorsqu'on utilise N éléments semiconducteurs,d'avoir 2 (n+ 1) trajets d'isolation. Avec la structure à colonne, il faut tenir compte de tolérances de construction pour ce qui concerne l'axe de la colonne et de tolérances de longueur des différentes liaisons hydrauliques De ce fait, les con- duites hydrauliques doivent pouvoir se déplacer par des joints à cardan et longitudinalement. Les pressions et températures qui ont lieu lors de l'ébullition en relation avec le comportement,qui la plupart du temps n'est pas inerte, des liquides d'ébulli- tion et de leurs vapeurs, nécessitent, lors de l'uti- lisation de flexibles électriquement isolants, des matériaux qui ne conviennent aux exigences de mobilité que sur de grandes longueurs Ceuxci ne sont cependant pas toujours réalisables Comme la technique de liaison -une étanchéité au gaz est nécessaire-est problématique avec des flexibles,une autre réalisation peut être choisie en alternance Elle est caractérisée par ce qu'on appelle des tubes ondulés métalliques avec intercalation de tubes d'isolation Pour garantir l'étanchéité au gaz, on utilise alors pour joindre de telles pièces et de façon appropriée la technique de brasage Ceci signifie une isolation électrique qu'on peut braser, comme celle connue par exem- ple généralement sous la forme de tubes en oxyde d'alu- minium. De tels emplacements de brasage sont probléma- tiques pour ce qui concerne l'étanchéité De plus, ils sont très coûteux relativement-au traitement En outre, s'ajoute le fait qu'avec des appareils devant être construits de façon compacte, la longueur des tubes d'isolation peut fortement influencer la hauteur de structure. Le problème qui est à la base de la présente invention est de développer à partir de cette base de départ un dispositif dé réfrigération par vaporisation comportant des boites pour des éléments semiconducteurs de puissance du type mentionné ci-dessus, qui garantisse une bonne liaison hydraulique, mais cependant électrique- ment isolante entre les différents éléments semiconducteurs se trouvant à des potentiels distincts, les uns par rapport aux autres et par rapport à l'élément de réfrigération en retour, et compense en même temps les dilatations thermiques des différents composants pendant le fonctionne- ment. Ce problème est résolu en ce que la séparation électrique des bottes de réfrigération conduisant la ten- sion les unes par rapport aux autres et vis-à-vis de l'élé- ment de réfrigération en retour a lieu par des conduites collectrices de vapeur ou des conduites collectrices de condensat horizontales, électriquement isolantes, auxquelles des conduites de vapeur ou des conduites de condensat verticales respectives pour les différentes boites de réfri- gération sont raccordées. Les avantages qu'on peut obtenir avec la pré- sente invention consistent en particulier en ce quedu fait de l'imbrication des conduites de vapeur et des conduites de condensation atteint une simplification impor- tante de la structure du dispositif de réfrigération Comme les conduites collectrices de vapeur ou les conduites collectrices de condensa-t horizontales garantissent seules l'isolation électrique, les conduites verticales ne ser- vent alors seulement que pour compenser les tolérances. Ceci a l'avantage que des problèmes de mise à la terre peuvent être simplifiés et qu'on peut passer facilement à l'isolation de protection. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention résulteront de la description qui va - suivre d'une forme de réalisation donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins, sur lesquels: la figure 1 est une vue de dessus d'une par- tie d'une colonne d'éléments semiconducteurs ayant un dispositif de réfrigération par vaporisation comportant des boîtes; et la figure 2 est une coupe d'une vue latérale de cette colonne. La figure 1 représente une vue de dessus d'une partie d'une colonne d'éléments semiconducteurs ayant un dispositif de réfrigération par vaporisation avec boîtes Plusieurs éléments semiconducteurs de puissance 1 sont empilés pour former une colonne alternativement avec des boites de réfrigération métalliques 2 qui sont consti- tuées par un matériau de bonne conductibilité électrique et thermique A titre d'éléments semiconducteurs 1, on entend dans ce contexte des diodes de puissance ou des thyristors de puissance dans des boîtiers métal-céramique. La colonne ainsi formée présente N éléments semiconducteurs 1 et n+ 1 boîtes de réfrigération 2. Les boîtes de réfrigération 2 peuvent par exem- ple être constituées par deux demi-coquilles égales respectives dans les cavités internes desquelles des ner- vures 4 s'étendent depuis les fonds 3 des boîtes de réfri- gération pour agrandir les faces de vaporisation Les demi-coquilles des boîtes de réfrigération 2 sont alors reliées les unes aux autres de matière Pour le raccorde- ment électrique, les boîtes de réfrigération 2 sont munies d'au moins un trou taraudé 5. Dans un alésage 6 se trouvant dans la partie supérieure des boîtes de réfrigération 2 et destinées au raccordement hydraulique, on a brasé une conduite de vapeur verticale 7 (conduite de gaz), de préférence un tube métallique ondulé, avec l'une de ses extrémités 8. La colonne constituée par des éléments semi- conducteurs 1 et des boîtes de réfrigération 2 est mise en contact par l'intermédiaire d'un dispositif de contact 10 dans une relation de force (dispositif de tension pour mise -en contact thermique et électrique) Le dispositif de mise en contact 10 peut être constitué par exemple par trois barres de traction 11 qui relient deux plaques formant traverses 12 (on ne représente qu'une seule des plaques 12) Dans ce but, on utilise des écrous 13 Pour appliquer la force de contact de façon définie, des ressorts à disques non représentés s'appuient à l'inté- rieur des plaques formant traverses 12 Leurs forces de réaction sont appliquées par des vis 14 et des isolateurs sur les boîtes de réfrigération 2 Les isolateurs 15 peuvent être supprimés lorsque les barres de traction 11 sont réalisées pour être électriquement isolantes et que la fixation de la colonne a lieu également de façon élec- triquement isolante. La conduite verticale de vapeur 7 est réalisée sur sa deuxième extrémité 16 comme le raccordement d'un vissage tubulaire La liaison de force du raccordement de vissage tubulaire de la conduite verticale de vapeur 7 avec un raccord 18 a lieu par un écrou-raccord 17 Le raccord 18 est immergé du fait de sa configuration par des nervures 19 polygonales dépouillées dans une conduite collectrice de vapeur horizontale 20 (conduite collectrice de gaz) Par cette conduite 20 collectrice de vapeur, on dérive la vapeur montante lors de l'ébullition La conduite 20 peut être raccordée à un élément de réfrigé- ration en retour ou échangeur de chaleur, non représenté, le courant de vapeur se dirigeant alors vers l'élément de réfrigération en retour et s'y condensant. On a introduit dans la conduite collectrice de vapeur horizontale 20 avant la fermeture de la conduite, une conduite collectrice de condensat horizontale 21 (conduite collec- trice de liquide) La conduite 21 présente des alésages 22 dans lesquels des conduites de condensat 23 verticales sont introduites par une liaison de forme à travers les raccords 18 de la conduite collectrice de vapeur 20 et la conduite verticale de vapeur 7 Au moyen de supports 24, la conduite collectrice de condensat 21 horizontale est fixée dans la conduite collectrice de vapeur horizon- tale 20 A chaque boite de réfrigération 2 arrive une conduite verticale de condensat 23 Les conduites de condensat 23 sont de préférence concentriques dans les conduites verticales de vapeur 7 Par les conduites collectrices de condensat 21 on amène le liquide de vapo- risation condensé à la boîte de réfrigération 2 de la zone inférieure, le liquide sortant alors de préférence non pas dans la direction axiale, mais par plusieurs alésages latéralement dans la cavité des boites de réfrigéra- tion. L'alimentation des conduites collectrices de condensat 21 par du liquide de vaporisation peut avoir lieu directement depuis la conduite collectrice de vapeur lorsque le niveau de condensat 26 (niveau de liquide) est suffisamment élevé L'alimentation peut cependant également avoir lieu directement depuis l'élément de réfri- gération en retour lorsque la conduite collectrice de condensat 21 est reliée à celui-ci Le dispositif de réfrigération dans sa totalité présente alors un élément de réfrigération en retour qui alimente plusieurs de telles conduites collectrices de condensat 21 et qui est relié avec plusieurs conduites collectrices de vapeur 20 destinées à plusieurs colonnes d'éléments semiconducteurs. La figure 2 représente une coupe d'une vue latérale d'une colonne d'éléments semiconducteurs On trouve individuellement un élément semiconducteur de puissance 1, une boîte de réfrigération 2 avec une conduite verticale de vapeur 7, un écrou-raccord 17, des raccords 18, une conduite collectrice de vapeur horizontale 20, une conduite collectrice de condensat horizontale 21, une conduite de condensat verticale 23 et des supports 24 Le niveau de condensat est désigné par-le numéro de référence 26 En outre, le dispositif de mise en contact constitué par trois barres de traction 11 et des pla- ques formant traverses 12 est représenté. Etant donné que dans la gamme concernée des températures, le rapport entre les volumes de vapeur (gaz) et liquide (condensat) est très grand, par exemple d'environ 140 pour une température de 60 'C avec le liquide de vaporisation R 113 selon les normes DIN 8962, les conduites de condensat 21 et 23 peuvent avoir un diamètre petit,si bien qu'il n'en résulte aucun obstacle'pour les courants de vapeur à la suite des conduites de liquide 21, 23 insérées dans les conduites de vapeur 7, 20. Les conduites verticales de condensat 23 s'étendent de préférence jusque près du sol des boîtes de réfrigération 2 Ici, aucune étanchéité particulière aux raccordements (alésages 22) entre les conduites collectrices horizontales de condensat 21 et les conduites verticales de condensat 23 n'est nécessaire Comme les conduites verticales de condensat 23 peuvent être très minces et être réalisées en matière plastique, on a suffi- samment de mobilité pour compenser les tolérances De ce fait, les conduites de condensat 21, 23 doivent être réalisées en matière plastique pour présenter une grande résistance thermique On empêche ainsi que le liquide d'arrivée ne se mette à bouillir avant de circuler à l'intérieur des bottes de réfrigération Des tubes en polyamide fabriqués par extrusion sont préférés comme tubes en matière plastique destinés aux conduites de condensat 21, 23. Comme matière d'isolation de la conduite col- lectrice horizontale de vapeur 21 on utilise de préférence une matière thermoplastique mécaniquement stable résis- tant aux températures élevées et qui offre également une résistance contre le liquide-de vaporisation Il est à noter alors que la fondation des raccords 18 au moyen des nervures polygonales 19 dans la conduite collectrice horizontale de vapeur 21 doit avoir lieu de manière qu'on assureen plus de l'étanchéité au gaz,également le blocage en rotation lors de l'actionnement de l'écrou-raccord du vissage tubulaire De ce fait, un polyamide coulé est approprié comme matière pour la conduite collectrice de vapeur 20 Il rétrécit suffisamment après la coulée pour qu'on assure l'étanchéité au gaz des liaisons par raccord même à une température élevée Le blocage en rotation est également assuré facilement par une conforma- tion correspondante des raccords de vissage tubulaire 18 Comme cette matière présente aussi une grande résis- tance aux courants de fuite, il n'y a aucun problème pour classer le dispositif de réfrigération par vaporisa- tion à boîtes décrit comme étant isolé et protégé. En alternance avec le polyamide de coulée, on peut mettre en oeuvre également un tube en polyamide obtenu par extrusion en tant que conduite collectrice de vapeur 20 lorsque pour les raccordements de la conduite collectrice de vapeur, on prévoit des brides avec filetage interne pour les raccords à munir dans ce cas de filetage externe Les brides peuvent alors être reliées aux conduites collectrices de vapeur 20 au moyen de "soudures miroir". 254491 8 REVENDICATIONS 1 Dispositif de refroidissement par vaporisa- tion pour éléments semiconducteurs de puissance qui sont empilés avec des boîtes de refroidissement ( 2) alternati- vement en une colonne, les boîtes de refroidissement ( 2) présentant alors des cavités d'évaporateurs destinées à revevoir un liquide de refroidissement électriquement isolant et s'évaporant lors du fonctionnement des éléments semiconducteurs, et un circuit de fluide de refroidisse- ment étant formé entre les boîtes de refroidissement et un élément de réfrigération en retour, en amenant la vapeur produite dans les boîtes de réfrigération à l'élément de réfrigération en retour par l'intermédiaire de conduites tubulaires et en dérivant le condensat déposé dans l'élément de réfrigération en retour par l'intermédiaire de conduites tubulaires aux boîtes de réfrigération, caractérisé en ce que la séparation électrique des boites de réfrigération ( 2) conduisant la tension les unes par rapport aux autres et vis-à-vis de l'élément de réfrigération en retour a lieu par des conduites collectrices de vapeur ( 20) ou des conduites collectrices de condensat ( 21) horizontales, électriquement isolantes, auxquelles des conduites de vapeur ( 7) ou des conduites de condensat ( 23) verticales respectives pour les différentes boîtes de réfrigération ( 2) sont raccordées. 2 Dispositif de réfrigération selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que les conduites de conden- sat ( 21, 23) sont disposées dans les conduites de vapeur ( 7, 20). 3 Dispositif de réfrigération selon la reven- dication 2, caractérisé en ce que les conduites de conden- sat verticales ( 23) sont situées concentriquement dans les conduites de vapeur verticales ( 7). 4 Dispositif de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduites de condensat ( 21, 23) sont réalisées sous forme de tubes de matière plastique. Dispositif de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduites de condensat ( 23) verticales sont réunies aux conduites collectrices de condensat horizontales ( 21) par l'intermédiaire d'alésages ( 22) selon une relation de forme et sans exigence particulières d'étanchéité. 6 Dispositif de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les con- duites verticales de condensat ( 23) arrivent tout près au-dessus du sol des boites de réfrigération ( 2). 7 Dispositif de réfrigération selon la reven- dication 6, caractérisé en ce que les conduites de conden- sat verticales ( 23) présentent au voisinage des bottes de réfrigération des alésages latéraux ( 25) pour la sortie du condensat. 8 Dispositif de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduites verticales de vapeur ( 7) sont réalisées sous forme de tubes métalliques ondulés avec raccordement tubulaire par vis. 9 Dispositif de réfrigération selon la reven- dication 8, caractérisé en ce que, pour raccorder les vissages tubulaires, des raccords ( 18) sont coulés dans les conduites collectrices de vapeur ( 20) horizontales. 10 Dispositif de réfrigération selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conduites collectrices de vapeur ( 20) horizontales sont en polyamide coulé.