УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 1999 года по МПК H05K7/20 H01L23/34 H01C1/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке источников электропитания, в которых требуется принудительное охлаждение мощных полупроводниковых приборов с помощью конвекции воздуха.

Известно устройство для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащее радиатор, состоящий из двух частей, размещенных на основании и образующих вместе с прикрепленной к ним крышкой замкнутую полость, в которую нагнетается хладагент, охлаждающий размещенные в ней полупроводниковые приборы (1).

Однако при компоновке данного радиатора доступ к полупроводниковым приборам затруднен (для осмотра, замены), кроме того, они находятся в воздушном канале, т. е. могут быть подвержены загрязнению и увлажнению. Поток охлаждающего воздуха расходуется вхолостую с минимальным КПД из-за наличия элементов, находящихся внутри полости.

Наиболее близким к данному изобретению является устройство для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащее радиатор с ребрами, образующими его внутренние каналы, боковая наружная поверхность которого служит для прикрепления охлаждаемых полупроводниковых приборов, и вентилятор, соединенный с радиатором, предназначенный для нагнетания хладагента в полость каналов (2).

Недостатком известного устройства (2) является то, что вентилятор непосредственно присоединен к радиатору и его конструктивные части, такие, например, как центральная часть крыльчатки, препятствуют равномерному направлению потока воздуха (хладагента) в полость каналов радиатора, что снижает эффективность охлаждения прикрепленных к его наружной поверхности полупроводниковых приборов. Кроме того, из-за разности площадей поперечного сечения радиатора и вентилятора охлаждающий воздух, нагнетаемый в радиатор, частично возвращается через внутренние каналы, не охваченные площадью вентилятора, что также ведет к снижению эффективности охлаждения при заданной мощности вентилятора.

Технический результат, который может быть достигнут при использовании данного устройства, заключается в повышении эффективности охлаждения полупроводниковых приборов и, как следствие, повышении надежности устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащем радиатор с ребрами, образующими его внутренние каналы, наружная поверхность которого служит для прикрепления охлаждаемых полупроводниковых приборов, и вентилятор, соединенный с радиатором, предназначенный для нагнетания хладагента в его внутренние каналы (2), согласно изобретению вентилятор герметично соединен с радиатором, а его крыльчатка размещена относительно радиатора на расстоянии A=0,2 D, где D - диаметр центральной конструктивной части крыльчатки вентилятора, при этом площадь поперечного сечения внутренних каналов радиатора -S_рад = S_{прох. вент} (0,2+К), где К - коэффициент, выбранный от 0 до 3. Кроме того, геометрические размеры внутренних каналов радиатора могут быть одинаковыми, а во внутренних каналах радиатора могут быть установлены рассекатели потока хладагента, выполненные в виде тонких круглых стержней или сетки.

Герметичное соединение вентилятора с радиатором на расстоянии А, учитывающем размеры диаметра ее центральной конструктивной части, позволяет наиболее полно использовать всю мощность вентилятора, исключая ответвление части воздушного потока наружу. Обеспечение выбранного соотношения между площадью проходного сечения вентилятора (S_{прох. вент)} и площадью поперечного сечения внутренних каналов, так же как и выполнение внутренних каналов радиатора с равными соответствующими геометрическими размерами, позволяет обеспечить максимальный отток тепла от охлаждаемых приборов, т.е. повысить эффективность их охлаждения, следовательно, надежность всего устройства. Введение рассекателей воздушного потока позволяет создать его турбулентность и тем самым еще более усилить отток тепла от охлаждаемых приборов. Выполнение рассекателей в виде тонких круглых стержней или в виде сетки, установленных перпендикулярно потоку хладагента (воздуха), позволяет достичь еще более оптимального оттока тепла. Коэффициент К, определенный экспериментальным путем, позволяет учесть различные конструктивные особенности выполнения радиатора и вентилятора с любым типом и размерами лопастей крыльчатки, скорость и силу нагнетаемого потока хладагента.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема соединения радиатора с вентилятором, вид спереди; на фиг. 2 - то же самое, вид сбоку.

Устройство состоит из радиатора 1 с ребрами, образующими его внутренние каналы с соответствующими равными геометрическими размерами, и соединенного с ним герметично вентилятора 2. Крыльчатка 3 вентилятора 2 размещена на расстоянии А=0,2D относительно торцевой поверхности радиатора 1, представляющего собой прямоугольный параллелепипед, внутренние ребра которого образуют сквозные внутренние каналы. Величина расстояния A зависит от величины диаметра D центральной конструктивной части крыльчатки 3, к которой крепятся ее лопасти. Разница между площадью, ограниченной ободом (внутренним) вентилятора 2 и площадями поперечного сечения лопастей (площадями их толщин) крыльчатки и ее центральной конструктивной части определяет проходное сечение (S_прох) вентилятора 2. Вентилятор 2 может присоединяться к радиатору 1 с помощью переходника, обеспечивающего герметичную состыковку. К наружной боковой поверхности радиатора 1 прикреплены охлаждаемые полупроводниковые приоры 4. Радиатор может быть выполнен в виде цельной конструкции или состоять из нескольких частей, присоединенных друг к другу ребрами внутрь непосредственно или через прокладку. Необходимо, чтобы наружная поверхность радиатора была замкнутой, не пропуская охлаждающий воздух наружу.

В полость внутренних каналов радиатора перпендикулярно направлению нагнетаемому потоку вставлены рассекатели потока, необходимые для создания его турбулентности.

Устройство работает следующим образом.

Вентилятор 2 нагнетает поток воздуха во внутренние каналы радиатора 1. Тепло, выделяемое полупроводниковыми приборами 4, передается в радиатор 1 и через его ребра - охлаждающему воздуху. Без рассекателей во внутренних каналах радиатора 1 обеспечивается ламинарность охлаждающего потока, а с рассекателями - его турбулентность, при которой интенсивность отвода тепла увеличивается.

Таким образом за счет обеспечения выбранного соотношения между площадью поперечного сечения внутренних каналов радиатора и проходным сечением вентилятора, их герметичного соединения, введения рассекателей воздушного потока и выполнения внутренних каналов радиатора с одинаковыми соответствующими геометрическими размерами повышена надежность работы устройства за счет увеличения эффективности охлаждения полупроводниковых приборов.

Источники информации
1. Сварочный аппарат ИНЭУМ, ЕМ-700-130, 1997.

2. Патент RU 2012098 1994.

Изобретение может быть использовано в электротехнике, при проектировании источников питания с полупроводниковыми приборами, требующими принудительного охлаждения. Устройство содержит радиатор с ребрами, образующими его внутренние каналы для прохождения потока охлаждающего воздуха, нагнетаемого вентилятором. Вентилятор герметично прикреплен к радиатору на расстоянии, зависящем от конструкции крыльчатки. Площадь поперечного сечения полости внутренних каналов радиатора и проходное сечение вентилятора связаны заданным соотношением. Для создания турбулентности потока охлаждающего воздуха, увеличивающей эффективность охлаждения полупроводниковых приборов, установленных на поверхности радиатора, предусмотрены рассекатели. Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждения полупроводниковых приборов и повышении надежности устройства. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащее радиатор с ребрами, образующими его внутренние каналы, боковая наружная поверхность которого служит для прикрепления охлаждаемых полупроводниковых приборов, и вентилятор, соединенный с радиатором, предназначенный для нагнетания хладагента в его внутренние каналы, отличающееся тем, что вентилятор герметично соединен с радиатором, причем его крыльчатка размещена относительно радиатора на расстоянии A = 0,2D, где D - диаметр центральной конструктивной части крыльчатки вентилятора, при этом площадь поперечного сечения внутренних каналов радиатора S_сеч и проходное сечение вентилятора определены соотношением
S_сеч = S_{прох. вент} (0,2 + K),
где S_{прох. вент} - проходное сечение вентилятора, определяемое как разность между площадью, ограниченной ободом вентилятора, и площадями поперечного сечения лопастей крыльчатки и ее центральной конструктивной части;
K - коэффициент, находящийся в пределах от 0 до 3. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соответствующие геометрические размеры внутренних каналов радиатора одинаковы. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что во внутренних каналах радиатора установлены рассекатели потока хладагента. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что рассекатели потока хладагента выполнены в виде круглых стержней. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что рассекатели потока хладагента выполнены в виде сетки.