ГРУППОВОЙ ТЕПЛООТВОД С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ ДЛЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И МОДУЛЕЙ Российский патент 1996 года по МПК H01L23/36 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных преобразовательных агрегатах в качестве индивидуальных и групповых жидкостных охладителей для силовых полупроводниковых приборов и модулей.

Известен жидкостной (водяной) холодноштамповочный охладитель, имеющий один неразветвленный канал для прохождения охлаждающей жидкости ( Охладители водяных систем охлаждения силовых полупроводниковых приборов - ТУ16-729.111-78).

Однако, такие конструкции имеют высокие тепловые сопротивления, значительные габариты и массы, низкую эффективность теплоотвода.

Наиболее близким техническим решением является водяной охладитель, содержащий корпус из высокотеплопроводного материала с несколькими ромбовидными каналами для прохождений охлаждающей жидкости, крышку, входной и выходной штуцеры (а.с. СССР N 860176).

Недостатками данного охладителя являются значительное гидравлическое и тепловое сопротивление из-за большого количества ромбовидных вставок, обтекаемых водой, неравномерности водяных потоков в каналах, т.к. вода на входе в охладитель устремляется в центральные каналы и, практически, не попадает в крайние (боковые) каналы. Кроме того, изготовление охладителя весьма трудоемко, т.к. здесь, в основном, фрезеровочные, операции.

Изобретение направлено на повышение эффективности теплоотвода и снижение трудоемкости изготовления. Для решения поставленной задачи предлагается групповой теплоотвод с жидкостным охлаждением, содержащий корпус из высокотеплопроводного материала с несколькими каналами для прохождения охлаждающей жидкости, крышку, входной и выходной штуцеры, имеются несколько групп взаимнопересекающихся концентрических каналов, соединенных между собой, а входной и выходной штуцеры расположены напротив непересеченных участков концентрических каналов первой и последней групп таким образом, что охлаждающая жидкость поступает одновременно во все концентрические каналы групп, при этом наибольший диаметр первого, внешнего канала групп Dmax1

равен диаметру контактной поверхности корпуса силового полупроводникового прибора. Количество групп концентрических каналов определяется как K≥2m-1, где К- количество групп концентрических каналов, m- количество охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов, размещенных на теплоотводе, а количество концентрических каналов в одной группе определяется следующим образом:
n = 0,06 ÷ 0,07Dmax1,,
где n количество концентрических каналов в группе.

Чтобы охлаждающая жидкость из штуцеров поступала одновременно во все концентрические каналы групп, внутренний диаметр штуцера D_шт должен быть
,
где Dminn

наименьший диаметр внутреннего канала в группе.

Расстояние между центрами групп концентрических каналов L определяется как L = 0,5÷0,7Dmax1

. Диаметры одномерных каналов во всех группах соответственно равны между собой.

На фигурах изображен групповой теплоотвод: на фиг.1 вид спереди, на фиг. 2 разрез А-А.

Теплоотвод с жидкостным охлаждением содержит корпус 1 из высокотеплопроводного материала, в котором расположены группы взаимопересекающихся концентрических каналов 2. Каждая группа состоит из внешнего наибольшего канала 3, внутреннего (наименьшего ) канала 4 и нескольких промежуточных каналов 5. Для создания замкнутой гидравлической системы на корпус напаивается крышка 6, на которой закреплены подводящий штуцер 7 и отводящий штуцер 8.

Групповой теплоотвод с жидкостным охлаждением работает следующим образом: охлаждающая жидкость, например, вода поступает через подводящий штуцер 5 одновременно во все концентрические каналы 3,4,5, которые находятся в корпусе теплоотвода 1 и закрыты крышкой 6, благодаря тому, что внутренний диаметр штуцера 8 равен:

т. е. внутренний диаметр штуцера полностью перекрывает все концентрические каналы первой группы каналов 2. Далее охлаждающая жидкость из концентрических каналов первой группы поступает также одновременно во все каналы второй группы, т.к. диаметры одномерных каналов во всех группах соответственно равны между собой, далее в каналы третьей группы и т.д. до последней группы каналов. Из каналов последней группы жидкость поступает в отводящий штуцер 7. Для того, чтобы тепловой поток эффективно отводился от силового полупроводникового прибора, наибольший диаметр внешних каналов каждой группы Dmax1

должен быть равен диаметру контактной поверхности корпуса силового полупроводникового прибора. Для того, чтобы концентрические каналы всех групп образовывали единую разветвленную гидравлическую цепь с минимальным гидравлическим сопротивлением, а теплоотвод обладал минимальным тепловым сопротивлением и в тоже время достаточной механической прочностью для сжатия теплоотвода с силовым полупроводниковым прибором, количество концентрических каналов в группе составляет в зависимости от Dmax1:
n = 0,06÷0,07Dmax1,
а расстояние между центрами групп должно быть: L = 0,5÷0,7Dmax1.
Количество групп концентрических каналов К определяется количеством охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов данным охладителем следующим образом: K≥2m-1, где m количество силовых полупроводниковых приборов.

Высокая эффективность группового теплоотвода достигается высокой степенью развития поверхности каналов, по которым протекает охлаждающая жидкость, за счет предлагаемой схемы построения гидравлической цепи теплоотвода. Снижение трудоемкости изготовления предлагаемого теплоотвода по сравнению с аналогами (теплоотводами, изготовленными методами штамповки или фрезерованием) достигается за счет того, что концентрические каналы одной группы выполняются токарной обработкой одной операцией с помощью фигурного резца.

В настоящее время в акционерном обществе "ЭСТА" изготовлена опытная партия данных теплоотводов, проводятся испытания.

Групповой теплоотвод содержит корпус из высокотеплопроводного материала с несколькими группами взаимопересекающихся концентрических каналов. Каждая группа состоит из внешнего наибольшего канала, внутреннего наименьшего канала и нескольких промежуточных каналов. Для создания замкнутой гидравлической системы напаивается крышка, на которой закреплены подводящий штуцер и отводящий. Входной и выходной штуцеры расположены напротив непересеченных участков концентрических каналов первой и последней групп таким образом, что охлаждающая жидкость поступала одновременно во все концентрические каналы групп. При этом наибольший диаметр внешнего канала группы равен диаметру контактной поверхности корпуса силового полупроводникового прибора. Количество групп концентрических каналов, количество каналов, расстояние между центрами групп каналов, и диаметр штуцера выбраны из определенных выражений. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Групповой теплоотвод с жидкостным охлаждением для силовых полупроводниковых приборов и модулей, содержащий корпус из высокотеплопроводного материала с несколькими каналами для прохождения охлаждающей жидкости, крышку, входной и выходной штуцеры, отличающийся тем, что теплоотвод имеет несколько групп взаимопересекающихся концентрических каналов, которые все соединены между собой и лежат в одной плоскости, входной и выходной штуцеры расположены перпендикулярно этой плоскости в местах непересеченных участков концентрических каналов первой и последней групп с возможностью обеспечения поступления охлаждающей жидкости одновременно во все концентрические каналы групп.

2. Теплоотвод по п.1, отличающийся тем, что наибольший диаметр первого, внешнего, канала группы Dmax1 равен диаметру контактной поверхности корпуса силового полупроводникового прибора. 3. Теплоотвод по п.1, отличающийся тем, что количество групп концентрических каналов определено из выражения: K ≥2m-1, где K - количество групп взаимопересекающихся концентрических каналов; m количество охлаждаемых приборов, размещенных на теплоотводе. 4. Теплоотвод по п.1, отличающийся тем, что количество n концентрических каналов в группе определяется следующим образом:
n = 0,06÷ 0,07 Dmax1
где n количество концентрических каналов в группе. 5. Теплоотвод по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр штуцеров определен соотношением
D_шт= (Dmax1 -Dminn)•0,5 ,
где D_шт внутренний диаметр штуцеров:
Dminn наименьший диаметр внутреннего канала в группе, мм. 6. Теплоотвод по п. 1, отличающийся тем, что расстояние L между центрами групп концентрических каналов определено из соотношения
L = 0,5÷ 0,7Dmax1.
7. Теплоотвод по п. 1, отличающийся тем, что диаметры одномерных каналов во всех группах соответственно равны между собой.