РАДИАТОР Российский патент 2006 года по МПК H01L23/46 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам или криохолодильным приборам на твердом теле и может быть использовано в качестве охлаждающего, или нагревательного, или вентиляционного приспособления и, прежде всего, в охладительных или нагревательных устройствах с использованием эффекта Пельтье.

Известны радиаторы для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, основания которых выполнены из двух чередующихся пластин, причем пластины, выступающие за пределы основания, образуют ребра, расположенные параллельно друг другу. Конструкции таких радиаторов отличаются формой или расположением упомянутых пластин. Так в патенте РФ №2137231 (МПК Н 01 L 23/34, опубл. 10.09.99 г., бюл. №25) пластины ребер изогнуты под прямым углом в виде Z-образной фигуры с целью увеличения набора большего числа ребер и просвета между ними. В а.с. СССР №1827697 (МПК Н 01 L 23/34, опубл. 15.07.93 г., бюл. №26) ширина основания радиатора (L) равна высоте (h) этого основания, т.е. L=h, a выступающие пластины развернуты веером. В а.с. СССР №784645 (МПК Н 01 L 23/34, опубл. 10.04.96 г., бюл. №10) радиатор выполнен в виде набора проволочных спиралей с разным направлением навивки и вставленных одна в другую до соприкосновения спиралей с одинаковым направлением навивки так, что отношение лага витка спирали к толщине проволоки составляет 2:1. Однако, несмотря на достигнутые в заявленных конструкциях значительных по площади теплообменных поверхностей, эффективность теплоотвода таких радиаторов недостаточна, особенно для сильноточных полупроводниковых приборов. С целью повышения эффективности теплоотвода в патенте РФ №2093923 (МПК Н 01 L 23/36, Н 05 К 7/20, опубл. 20.10.97 г., бюл. №29) используется охлаждающая жидкость, которую прокачивают по взаимопересекающимся кольцевым каналам, геометрические центры которых расположены на одной геометрической оси, а входные и выходные штуцеры попарно размещены между соседними охлаждаемыми силовыми полупроводниковыми приборами. В а.с. СССР №1624566 (МПК Н 01 L 23/36, опубл. 30.01.91 г., бюл. №4) эта цель достигается введением турбулизирующих вставок в поток охлаждающей жидкости, протекающей по каналу, образованному корпусом с установочными площадками для силовых полупроводниковых приборов. Радиатор по а.с. СССР №730206 (МПК Н 01 L 23/34 г., опубл. 30.07.94, бюл. №14) содержит проволочные спирали противоположного направления навивки. Проволока выполнена полой и концы ее вмонтированы с помощью развальцовки или пайки в общие подводящие и отводящие каналы корпуса с установочными площадками. Однако даже использование радиаторов с жидкостным охлаждением не позволяет решить вопрос эффективного теплоотвода из-за недостаточной теплообменной поверхности и способности отводить тепловые потоки высокой удельной плотности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразовательная ячейка по а.с. СССР №991880 (МПК Н 01 L 23/34, опубл. 10.07.99 г., бюл. №19), в которой полупроводниковый прибор установлен на радиатор-охладитель со штуцером для принудительного подвода хладагента, при этом радиатор-охладитель выполнен в виде полого цилиндра со стенками в виде каркаса из пористого металла с открытой пористой структурой, внутрь цилиндра с одной из его торцов встроен штуцер для подвода хладагента, а на другом торце установлен полупроводниковый прибор. Теплота от полупроводникового прибора отводится по элементу с развитой теплопередающей поверхностью - пористой металлической стенке цилиндра, через которую продувают воздух или другой газообразный хладагент. Предложенный металлический каркас, имеющий пористую структуру, обладает развитой теплопередающей поверхностью, однако металлические стенки пор, по которым теплота передается от места контакта СВЧ-прибора к периферии охладителя, имеют значительную длину, а следовательно, высокое термическое сопротивление. Наличие тупиковых пор пористой структуры снижают тепловую эффективность и увеличивают гидравлическое или аэродинамическое сопротивление при прокачке хладагента, а свободный выход хладагента через поры стенки в окружающую среду позволяет применять только газовые хладагенты.

Техническим результатом, на которое направленно изобретение, является повышение тепловой эффективности радиатора, увеличение его теплоотдающей поверхности и коэффициента упаковки, т.е. отношения площади теплообменной поверхности к объему, занимаемому этой поверхностью, снижение гидравлического и/или аэродинамического сопротивления, обеспечение способности отвода тепловых потоков с высокой удельной плотностью.

Для этого предложен радиатор, содержащий элемент с развитой теплопередающей поверхностью и патрубки для подвида и отвода хладоагента, причем элемент с развитой теплопередающей поверхностью представляет собой сетчатый насадок из тканой металлической сетки, помещенный в герметичный капсюлированный контейнер с патрубками.

При этом сетчатый насадок может быть выполнен из сеток с различным размером ячейки и диаметром проволоки.

Кроме того, сетчатый насадок может быть выполнен из отдельных блоков сеток.

Блоки сеток могут быть отделены дистанциопаторами.

На фиг.1 приведен общий вид радиатора, а на фиг.2 - его поперечное сечение по А-А,

где 1 - герметичный капсюлированный контейнер радиатора, выполненный из металла,

2 - сетчатый насадок из металлической сетки тканевого плетения, которая может быть выполнена с различным размером ячейки и толщиной проволочки, сетчатый насадок находится в тепловом контакте со стенками контейнера, который обеспечивается за счет пайки или сварки периферийной поверхности насадка к стенкам,

3 - зона теплового контакта сетчатого насадка со стенками герметичного контейнера,

4 - патрубки входа и выхода хладагента,

5 - металлический дистанционатор,

6 - блоки из сеток с разными ячейками и/или диаметром проволоки.

На фиг.3 приведен вариант применения радиаторов в устройствах с элементами Пельтье 7.

На фиг.4 приведен вариант использования радиатора в виде капсюлированного контейнера для охлаждения силового полупроводникового прибора 8.

Работает радиатор следующим образом. Через патрубки 4, выполненные заедино с герметичным контейнером 1, осуществляется прокачка хладагента, в качестве которого могут служить воздух или различные газы, или капельные жидкости. При прохождении хладагента через сетчатый насадок 2 достигается высокая степень турбулизации потока хладагента и перемешивание его пристеночных слоев с ядром потока. Поскольку характерный размер обтекания равен диаметру проволоки незначительной величины, то даже при низкой скорости движения потока хладагента в сетчатом насадке 2 достигается сравнительно высокий коэффициент теплоотдачи при малом аэро- или гидравлическом сопротивлении движению (см. Г.Гребер, С.Эрк, У.Григуль. «Основы учения о теплообмене» Изд. Инстранной литературы, М., 1958 г., с.325). При этом теплота от силового полупроводникового прибора 8 или элементов Пельтье 7 через стенку контейнера 1 и тепловое сопряжение насадка с контейнером 3 передается по проволоке металлической сетки к сердцевине насадка. В отличие, например, от обычной проволочной набивки или засыпки, благодаря регулярной структуре проволоки в сетках, теплота передается к центру потока теплоносителя по кратчайшему пути при минимальном термическом сопротивлении твердого тела в виде единичной проволоки. В то время как в засыпке в тракте передачи теплоты наличествуют термические сопротивления контактов элементов (зерен) засыпки, а в проволочной набивке тепловой тракт по твердому телу в виде единичной проволоки может оказаться значительно удлиненным из-за хаотичного расположения проволоки. Для сетчатого насадка, также как и для проволочной набивки или засыпке, характерен высокий коэффициент упаковки (отношение поверхности теплообмена к полному объему), который может достигать значений 6857 м²/м³, как, например, для сетки с ячейкой 0,43×0,42 мм и диаметром проволоки 0,19 мм (см. Кейс В.М., Лондон А.Л. «Компактные теплообменники», М - Л. Госэнергоиздат, 1962 г., с.73, табл. 16).

Для снижения аэродинамического или гидравлического сопротивления сетчатый насадок при значительной его длине может быть изготовлен в виде блоков 6, при этом блок набирают из сеток с одинаковой ячейкой. помещаемых между металлическими проставками-дистанционатарами 5. Блоки из мелкоячеистой или крупноячеистой сеток, помещенные чередуясь в контейнер, из-за наличия дистанционаторов 5, образуют между собой свободное не заполненное сеткой пространство. В этом пространстве скорость хладагента снижается до минимальной для данного поперечного сечения контейнера радиатора, при этом происходит полное перемешивание теплоносителя и усреднение его температуры.

Таким образом, такая конструкция позволяет получить радиатор, который способен отводить тепловой поток до 1200 Вт, при скорости потока хладагента в насадке ˜0,05 м/с, и гидравлическом сопротивлении насадка около 53,0 Па. При этом затраты мощности на прокачку составляют не более 30 Вт. Конструктивный объем радиатора составляет 0,005 м³ при его теплообменной поверхности 3,3 м². Конструктивные размеры, тепловая мощность радиатора и коэффициент теплоотдачи рассчитывался по параметру Колборна для сетки №6 (см. Кейс В.М., Лондон АЛ. «Компактные теплообменники». М. - Л. Госэнергоиздат, 1962 г., с.129, рис. 120).

Изобретение относится к полупроводниковым приборам или криохолодильным приборам на твердом теле и может быть использовано в качестве охлаждающего, или нагревательного, или вентиляционного приспособления и, прежде всего, в охладительных или нагревательных устройствах с использованием эффекта Пельтье. Техническим результатом изобретения является повышение тепловой эффективности радиатора, увеличение его теплоотдающей поверхности и коэффициента упаковки, т.е. отношения площади теплообменной поверхности к объему, занимаемому этой поверхностью, снижение гидравлического и/или аэродинамического сопротивления, обеспечение способности отвода тепловых потоков с высокой удельной плотностью. Сущность: радиатор содержит элемент с развитой теплопередающей поверхностью и патрубки для подвода и отвода хладоагента. Элемент с развитой теплопередающей поверхностью представляет собой сетчатый насадок из тканой металлической сетки, помещенный в герметичный капсюлированный контейнер с патрубками. Сетчатый насадок может быть выполнен из сеток с различным размером ячейки и диаметром проволоки. Кроме того, сетчатый насадок может быть выполнен из отдельных блоков сеток, а блоки сеток могут быть отделены дистанционаторами. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Радиатор, содержащий элемент с развитой теплопередающей поверхностью и патрубки для подвода и отвода хладоагента, отличающийся тем, что элемент с развитой теплопередающей поверхностью представляет собой сетчатый насадок из тканой металлической сетки, помещенный в герметичный капсюлированный контейнер с патрубками.2. Радиатор по п.1, отличающийся тем, что сетчатый насадок выполнен из сеток с различным размером ячейки и диаметром проволоки.3. Радиатор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что сетчатый насадок выполнен из блоков.4. Радиатор по п.3, отличающийся тем, что блоки сеток отделены дистанционаторами.