ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КРИСТАЛЛА Российский патент 2014 года по МПК H01L23/467 

ОБЛАСТИ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к охлаждающему устройству для охлаждения полупроводникового кристалла. В частности, но не исключительно, изобретение относится к полупроводниковому охлаждающему устройству для охлаждения оптического устройства, содержащего LED.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В полупроводниковых устройствах, таких как Интегральная Схема (ИС) или Светоизлучающие Диоды (LED), производительность и срок службы устройства зависят от температуры PN перехода полупроводникового кристалла или чипа. Таким образом, управление температурой полупроводниковых устройств имеет значение в поддержании надежной работы и долгосрочной эксплуатации. Такое температурное управление полупроводниковыми устройствами имеет практическое значение в приложениях с требованиями долгого срока службы и в приложениях, содержащих ряд полупроводниковых устройств.

Например, в применении освещения оптическое устройство, например светильник, может содержать набор источников света, таких как LED. Количество LED, а также их близость друг к другу, приводят к более существенной выработке тепловой энергии. Таким образом, управляемое охлаждение устройств становится более важным для надежной долгосрочной эксплуатации.

Предложены различные решения для охлаждения полупроводниковых устройств. Например, WO 2008/037992 описывает узел термически управляемой лампой, в корпусе которой установлено некоторое количество LED большой мощности. Недостаток системы, описанный в WO 2008/037992, заключается в том, что коэффициент теплопередачи не оптимизирован, поскольку воздушный поток проходит от узла LED теплоотвода к другому. Кроме того, пыль может быть втянута в корпус во время работы устройства. Наличие этой пыли может быть вредным для деятельности LED. В одной конкретной конструкции каждый LED снабжен вентилятором для создания воздушного потока для охлаждения соответствующего LED. Такая конфигурация страдает тем недостатком, что образование шума от вентиляторов, как правило, создает шумную окружающую среду и может быть вредным для деятельности полупроводникового устройства. Кроме того, с учетом используемого числа вентиляторов устройство в целом может быть дорогим и громоздким.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, требуется обеспечить полупроводниковое охлаждающее устройство, обладающее улучшенной холодопроизводительностью. Также было бы желательно обеспечить полупроводниковое охлаждающее устройство, которое могло бы работать с меньшим поглощением пыли, меньшим шумом и которое компактно по размерам при меньшей стоимости.

Для более эффективного решения одной или более из указанных выше проблем в соответствии с первой особенностью по изобретению предоставлено охлаждающее устройство для охлаждения полупроводникового кристалла, содержащее: радиатор для термического взаимодействия с полупроводниковым кристаллом, выполненный с возможностью рассеивания тепла от полупроводникового модуля; корпус, на котором установлен радиатор; первый канал потока текучей среды для обеспечения принудительного потока текучей среды внутри корпуса; и тракт потока текучей среды, выполненный с возможностью направления текучей среды вдоль первого направления между первым каналом потока текучей среды и радиатором, а также обеспечения принудительного потока текучей среды вдоль радиатора во втором направлении, отличном от первого направления.

В варианте осуществления изобретения корпус содержит: первую панель для поддержки полупроводникового кристалла; и вторую панель, перпендикулярную первой панели, при этом вторая панель снабжена отверстием, выполненным с возможностью приема через нее радиатора, при этом, по меньшей мере, тракт потока текучей среды для направления потока текучей среды вдоль радиатора во втором направлении образован стенками отверстия и стенками радиатора.

В конкретном варианте осуществления первый канал потока текучей среды расположен на боковой стене корпуса перпендикулярно первой панели и второй панели.

В дополнительном варианте осуществления отверстие для приема радиатора формирует второй канал потока текучей среды для вывода потока текучей среды из корпуса. Таким образом, в этом варианте осуществления газ вынужден покинуть корпус путем прохождения вдоль радиатора. Второй канал потока текучей среды может также быть для введения потока текучей среды в корпус.

В варианте осуществления радиатор вытекает из полупроводникового кристалла через отверстие так, что радиатор соприкасается с текучей средой за пределами корпуса.

Тракт потока текучей среды может быть образован узлом канала потока текучей среды. Узел канала может быть образован, например, передней и задней панелями.

В варианте осуществления первый канал потока текучей среды связан по текучей среде с генератором пульсирующих воздушных струй. В конкретном варианте осуществления полый сердечник радиатора соединен по текучей среде с генератором пульсирующих воздушных струй.

В одном из вариантов осуществления радиатор может быть присоединен к корпусу защелкивающимся креплением.

В конкретном варианте осуществления полупроводниковое охлаждающее устройство содержит, по меньшей мере, один радиатор, термически соединенный с множеством полупроводниковых кристаллов, и, по меньшей мере, одно отверстие, образованное в корпусе для приема, по меньшей мере, одного радиатора, и тракт потока текучей среды образован с возможностью направления текучей среды из первого канала потока текучей среды на отдельный или каждый радиатор. В варианте осуществления устройство может содержать множество радиаторов, и каждый радиатор может быть термически соединен с соответствующем полупроводниковым кристаллом, при этом устройство может дополнительно содержать множество отверстий, где, таким образом, каждое отверстие может быть образовано для приема соответствующего радиатора. Например, множество радиаторов может быть организовано в матрицу.

По дополнительному аспекту изобретения предоставлено электронное устройство, содержащее полупроводниковый модуль и охлаждающее устройство, как описано выше для охлаждения полупроводникового модуля.

Сходный дополнительный аспект изобретения предоставляет оптическое устройство, содержащее, по меньшей мере, один полупроводниковый кристалл со свойствами излучения света. Полупроводниковый кристалл может быть, например, LED.

Согласно дополнительному аспекту изобретения предоставлен способ охлаждения полупроводникового кристалла, содержащий: термическое соединение радиатора с полупроводниковым модулем для рассеивания тепла от полупроводникового модуля; установку полупроводникового модуля на корпус; обеспечение принудительного потока текучей среды внутри корпуса; направление принудительного потока текучей среды вдоль тракта потока текучей среды в первом направлении между первым отверстием, определенным на корпусе, и радиатором; и направление принудительного потока текучей среды во втором направлении вдоль радиатора, при этом второе направление отличается от первого направления. Обеспечение принудительного потока текучей среды в корпусе может включать в себя, например, создание принудительного потока текучей среды и получение принудительного потока текучей среды в корпус.

В конкретном варианте осуществления поток текучей среды является принудительным потоком вдоль радиатора во втором направлении для выхода из корпуса через второе отверстие, в котором расположен радиатор.

В дополнительном варианте осуществления предоставлен принудительный воздушный поток в виде пульсирующих струй текучей среды. Текучая среда может поступать вблизи радиатора и выводится на радиатор. Текучая среда может поступать вблизи полого сердечника радиатора, и текучая среда может быть выведена через полый сердечник радиатора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления изобретения сейчас будут описаны только в качестве примера и со ссылкой на следующие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по первому варианту осуществления изобретения;

Фиг.2 изображает поперечный разрез теплоотвода полупроводникового охлаждающего устройства по фиг.1;

Фиг.3 изображает схематический разрез узла канала полупроводникового охлаждающего устройства по фиг.1;

Фиг.4A изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по первому варианту осуществления изобретения, показывая направление потока текучей среды;

Фиг.4B изображает перпендикулярный вид к схематическому разрезу по фиг.4A, показывая направление потока текучей среды;

Фиг.5 изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по второму варианту осуществления изобретения;

Фиг.6A изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по второму варианту осуществления изобретения, показывая направление потока текучей среды на протяжении такта впуска;

Фиг.6B изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по второму варианту осуществления изобретения, показывая направление потока текучей среды на протяжении такта выдувки;

Фиг.7 изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по третьему варианту осуществления устройства;

Фиг.8A изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по третьему варианту осуществления изобретения, показывая направление потока текучей среды в ходе первой фазы работы;

Фиг.8B изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по третьему варианту осуществления изобретения, показывая направление потока текучей среды в ходе второй фазы работы;

Фиг.9 изображает перспективу узла LED-радиатора по четвертому варианту осуществления изобретения;

Фиг.10 изображает схематический разрез узла LED-радиатора по четвертому варианту осуществления изобретения;

Фиг.11A изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по четвертому варианту осуществления изобретения;

Фиг.11B изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства фиг.11A, показывая поток текучей среды;

Фиг.12A изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по пятому варианту осуществления изобретения;

Фиг.12B изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства фиг.12A, показывая поток текучей среды;

Фиг.13A изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по шестому варианту осуществления изобретения;

Фиг.13B изображает схематический разрез полупроводникового охлаждающего устройства по фиг.13A, показывая поток текучей среды;

Фиг.14A изображает плоский вид внешней стороны передней панели полупроводникового охлаждающего устройства фиг.13A;

Фиг.14B изображает плоский вид внутренней стороны передней панели полупроводникового охлаждающего устройства фиг.13A, показывая уровень узла канала;

Фиг.15 изображает полупроводниковое охлаждающее устройство в разобранном виде по дополнительному варианту осуществления изобретения; и

Фиг.16 изображает полупроводниковое охлаждающее устройство в разобранном виде по альтернативному варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Полупроводниковое охлаждающее устройство по первому варианту осуществления изобретения будет описано со ссылкой на фиг.1-4B.

Со ссылкой на фиг.1 полупроводниковое охлаждающее устройство 100 по первому варианту осуществления изобретения содержит узел 110 LED-радиатора, установленный в узле корпуса 150. Узел LED-радиатора 100 содержит элемент 111 LED для охлаждения, установленный на теплоотводе 112 для рассеивания тепла от элемента 111 LED. Как изображено на фиг.2, теплоотвод 112 снабжен охлаждающими ребрами, указанными ссылочной позицией 1121, простираясь оттуда по радиусу для увеличения площади поверхности теплоотвода 112 для рассеивания тепла, и полым сердечником 1122. Теплоотвод 112 в этом варианте осуществления имеет диаметр приблизительно 1 см. Теплоотвод 112 термически соединен с элементом 111 LED посредством теплового сердечника 114 и сделан из металла или другого подходящего теплопроводного материала, такого как пластмасса или керамика, для обеспечения отвода тепла от элемента 111 LED.

Узел 150 корпуса, в котором установлен узел LED-радиатора в 110, содержит переднюю панель 151, заднюю панель 152 и входное отверстие 153 воздушного потока, расположенное на их боковой стенке 154 для получения принудительного потока текучей среды в виде струи принудительного воздушного потока в корпус 150 и введения потока охлаждающего воздуха, созданного между передней панелью 151 и задней панелью 152. Передняя панель 151 имеет внешнюю поверхность 1511 и внутреннюю поверхность 1512. Элемент 111 LED выходит наружу из внешней поверхности 1511. Тепловой сердечник 114 образует часть передней панели 151 и термически соединяет элемент 111 LED с теплоотводом 112 через переднюю панель 151. Элемент 111 LED снабжен электропитанием через электрические соединения (не показаны) в передней панели 151. Передняя панель 151 может быть образована посредством печатной продукции (ПП) или любой подходящей подложкой, поддерживающей электрические соединения с элементом 111 LED. В этом варианте осуществления радиатор может быть установлен на передней панели посредством пайки или любыми подходящими способами крепления.

Внутренняя поверхность 1512 передней панели 151 снабжена узлом канала 155 для направления воздушного потока со стороны 154 корпуса 150 через входное отверстие 153 воздушного потока в поперечном направлении между передней панелью 151 и задней панелью 150 на теплоотвод 112. Узел канала 155 соединен любыми подходящими способами фиксации, таким как сварка с передней панелью 151. Изоляция между узлом канала 155 и передней панелью 151 герметична для минимизации потерь воздуха, поступающего к теплоотводу 112. Фиг.3 изображает плоский вид узла канала 155. Узел канала 155 сконфигурирован для направления воздушного потока из входного воздушного отверстия 153 к периферической области вблизи теплоотвода 112 так, чтобы воздух был направлен к теплоотводу 112 в верхней области теплоотвода 112 ближе к элементу 111 LED. Длина и поперечное сечение узла канала 155 может быть выбрана для регулировки потока. В этом конкретном варианте осуществления узел канала 155 сделан из пластмассы и произведен литьем под давлением. Это помогает уменьшить стоимость производства устройства.

Задняя панель 152 снабжена отверстием 1522, которое приспособлено для приема теплоотвода 112 таким образом, что теплоотвод 112 проходит через него от элемента 111 LED, так что теплоотвод 112 соприкасается с воздухом за пределами корпуса 150. Таким образом, тепло может быть перенесено с теплоотвода 112 к воздуху за пределами корпуса. Стенки отверстия 1522 и стенки теплового потока 112 определяют канал для ухода воздушного потока за пределы корпуса вдоль радиатора 112.

Воздушный поток создан генератором воздушного потока (не показан) соединенным по текучей среде с входным отверстием 153 воздушного потока. Воздушная струя от генератора воздушного потока входит в корпус 150 через входное отверстие 153 воздушного потока и направляется по узлу канала 155, определяющему тракт потока текучей среды внутри корпуса 150 между передней панелью 151 и задней панелью 152 на теплоотвод 112 элемента 111 LED. Генератором воздушного потока в этом варианте осуществления изобретения может быть вентилятор или насос или любое похожее устройство генерации воздушного потока, известное в данной области как способное создать вынужденный стабильный воздушный поток. Также будет понятно, что стабильный поток воздуха через узел канала 150 для теплоотвода 112 может быть создан любыми подходящими способами создания перепада давлений между входным отверстием воздушного потока и выходным отверстием воздушного потока от входного отверстия вдоль радиатора к выходному отверстию.

Со ссылкой на фиг.4A и 4B воздушный поток, дойдя от входного отверстия 153 воздушного потока до периферической области теплоотвода 112 через узел канала 155, ориентируют на верхнюю область теплоотвода 112 ближе к элементу 111 LED для протекания по длине или большой оси теплоотвода 112 между ребрами 1121 в осевом направлении, от передней панели 151 к задней панели 152, и выходит из корпуса 150 через отверстие 1522, которое формирует выход для выходного потока.

Тепло переносят от теплоотвода 112 в воздушный поток, охлаждая тем самым элемент 111 LED. Поскольку в этом варианте осуществления охлаждающий воздушный поток вынужден проходить вдоль длины теплоотвода 112 для достижения выходного отверстия 1522, чтобы выйти из корпуса 150, при этом контакт между входным потоком и теплоотводом 112 увеличен, и может быть достигнуто улучшение в эффективности охлаждения. Кроме того, поскольку для предоставления охлаждающего потока не требуются внутренние вентиляторы, устройство в целом может быть менее громоздким и менее шумным. Поскольку воздушный поток получен через входное отверстие боковой стенки корпуса, генератор воздушного потока может быть размещен на стороне устройства, что приводит к более плоскому и более компактному в целом устройству. Кроме того, по сравнению с устройством известного уровня техники может быть уменьшено потребление пыли для устройства.

В альтернативных вариантах осуществления изобретения воздушный поток для теплоотвода можно поставлять в виде импульсов или струй воздуха. Например, со ссылкой на фиг.5 во втором варианте осуществления изобретения полупроводниковое охлаждающее устройство 200 похоже на полупроводниковый охлаждающий блок первого варианта осуществления, но генератор воздушного потока первого варианта осуществления заменен модулем 220 преобразователя искусственных струй, и тракт потока от входного отверстия 253 воздушного потока на боковой стенке 254 корпуса 250 к теплоотводу 212 определяют посредством передней панели 251 и задней панели 252. Модуль преобразователя искусственных струй создает воздушный поток в виде воздушных струй с турбулентной пульсацией, которые можно направить на теплоотвод 212. В работе на протяжении такта впуска, как проиллюстрировано на фиг.6A, модуль 220 преобразователя искусственных струй засасывает вдоль тракта потока вблизи теплоотвода 212 охлажденный воздух через область, определенную ребрами 2121 и отверстием 2522, тем самым унося тепло с теплоотвода 212. Как изображено на фиг.6B, на протяжении такта выдувки работы воздух вытесняют за пределы в струе подобном направлении вдоль тракта потока через теплоотвод 212, обеспечивая воздушный поток вдоль теплоотвода 212 через область, определенную ребрами 2121 и отверстием 2522, тем самым опять унося тепло с теплоотвода 212 и, таким образом, с элемента 211 LED.

Параметры режима работы преобразователя искусственных струй сделаны корректируемыми для настройки воздушного потока.

Турбулентность потока, созданного модулем 220 преобразователя искуственных струй, приводит к более эффективной электропроводности от теплоотвода 212 к воздушному потоку. Будучи более термически эффективным, количество воздушного потока, необходимое для охлаждения того теплоотвода, может быть уменьшено. Кроме того, пульсирующая природа воздушного потока увеличивает смешивание между пограничным слоем и средним потоком.

Во втором варианте осуществления использование модуля 220 преобразователя синтетических струй приводит к теплопроводности более высокой эффективности. Кроме того, такие модули могут обеспечить более тихую работу, чем вентилятор или насос, уменьшенное потребление энергии, более компактный размер и более длинный срок службы.

Третий вариант осуществления изобретения сейчас будет описан со ссылкой на фиг.7-8B. Третий вариант осуществления похож на второй вариант осуществления. В этом варианте осуществления используют модуль 220 генератора синтетических струй, похожий на модуль 220 генератора синтетических струй второго варианта осуществления, и узел газового канала определяют задняя панель 352 и задняя панель 351. Однако в третьем варианте осуществления синтетический генератор 320 соединен с входным отверстием 353 потока текучей среды на боковой стенке 354 корпуса 350 через его переднюю стенку и по его тыльной стороне с полым сердечником 3122 теплоотвода 312 через газовый канал 322. В этой конфигурации могут быть использованы обе стороны модуля 320 генератора синтетических струй таким образом, что в дополнение к ребрам 3121 теплоотвода 312 сердечник 3122 (который также может быть предоставлен ребрами) также может быть охлажден всасыванием или выдувкой воздуха аналогично предыдущему варианту осуществления. Всасывание воздуха из сердечника 3122 теплоотвода может происходить одновременно с выдувкой воздуха в ребра 3121 теплоотвода и наоборот. Дополнительное преимущество заключается в том, что поскольку струи не совпадают по фазе, шум частоты возбуждения может быть устранен. Таким образом, эффективность теплопроводности может быть дополнительно увеличена и шум дополнительно уменьшен. Конструкция устройства по этому варианту осуществления такова, что всасывание нагретого выведенного воздуха одновременно с всасыванием втянутого охлаждающего воздуха минимизировано или предотвращено.

Полупроводниковое охлаждающее устройство 400 по четвертому варианту осуществления изобретения сейчас будет описано со ссылкой на фиг.9-11B. В этом варианте осуществления изобретения узел 410 LED-радиатора содержит радиатор 412, термически соединенный с элементом 411 LED и дополнительно снабжен пластмассовым держателем 413 с боковыми приставками 4131 для обеспечения защелкивающегося крепления к узлу корпуса 450 и элементами 4132 для электрического контакта для передачи электропитания элементу 411 LED от подходящего источника питания (не изображен) через переднюю панель 451.

Как описано на фиг.11A, узел 410 LED-радиатора второго варианта осуществления подвижно прикреплен защелкивающимся креплением к передней панели 451 узла 450 корпуса. Боковые приставки 4131 предоставляют основание для объединения с передней панелью 451 для соединения LED-радиатора в сборе с передней панелью 451. Механизм фиксации 4134 прикрепляет канал в сборе 455 к передней панели 451. Канал в сборе 455 имеет тот же вид, как канал в сборе 155 первого варианта осуществления. Радиатор в сборе 410 установлен так, что теплоотвод 412 проходит от элемента 411 LED через отверстие 4522 нижней платы 452 так, чтобы теплоотвод 412 был в контакте с воздухом вне корпуса 450.

Воздушный поток создается генератором воздушного потока (не показан) в канале для движения газов с входным воздушным отверстием, похожим на входной воздушный поток 153 первого варианта осуществления. Генератор воздушного потока может быть генератором воздушного потока, похожим на него по первому варианту осуществления, в котором создан стабильный воздушный поток к теплоотводу 412. Альтернативно, воздушный поток может быть предоставлен в виде пульсаций воздуха посредством генератора пульсирующего воздуха, похожего на генератор синтетических струй второго и третьего вариантов осуществления. Воздушный поток направляют узлом канала 455 через корпус 450 между передней панелью 451 и задней панелью 452 в поперечном направлении в верхнюю область теплоотвода 412 элемента 411 LED, как проиллюстрировано на фиг.11B. Поток воздуха затем принудительно направляется в продольном направлении вдоль длины теплоотвода 412 между ребрами 4121, в осевом направлении, от верхней панели 451 к нижней панели 452, и выходит из корпуса 450 через отверстие 4522, которое формирует выход для воздушного потока.

Тепло переносят от теплоотвода 412 в воздушный поток, тем самым охлаждая элемент 411 LED. Поскольку в этом варианте осуществления охлаждающий воздух вынужден проходить вдоль длины теплоотвода в осевом направлении для достижения выходного отверстия корпуса 450, может быть достигнуто улучшение в эффективности охлаждения.

Полупроводниковое охлаждающее устройство 500 по пятому варианту осуществления изобретения будет описано со ссылками на фиг.12A и 12B.

Полупроводниковое охлаждающее устройство 500 похоже на полупроводниковое охлаждающее устройство 400 четвертого варианта осуществления. В дополнение к структурам 5131 защелкивающихся креплений для закрепления узла LED-радиатора 510 к передней панели 551 держатель 513 дополнительно снабжен нижними боковыми приставками 5133 для соединения узла LED-радиатора 5190 с узлом канала 555. Такая конструкция помогает дополнительно прикрепить узел канала 555 к передней панели 551.

Отверстие 556 определено в передней панели 551 для образования тракта воздушного потока от узла канала 555 в верхнюю область теплоотвода 512. Тракт входного потока изолирован дополнительным боковым расширением 5135 держателя 513. Таким образом, первая панель 551 определяет отверстие 556, создающее часть тракта потока текучей среды для принудительного направления текучей среды в конечную область радиатора 512 ближе к элементу 411 LED и боковое расширение образует изолятор для изоляции тракта потока текучей среды.

Воздушный поток создан генератором воздушного потока (не показано), связанным по текучей среде с входным воздушным отверстием, похожим на входное воздушное отверстие 153 первого варианта осуществления. Генератор воздушного потока может быть генератором, похожим на него по первому варианту осуществления, в котором создан стабильный воздушный поток к теплоотводу 512. Альтернативно, воздушный поток может быть предоставлен в виде пульсаций воздуха пульсаций воздуха посредством генератора пульсирующего воздуха, похожего на генератор синтетических струй второго и третьего вариантов осуществления. Воздушный поток направляют через канал в сборе 555 между передней панелью 551 и задней панелью 552 и через отверстие 556 в верхнюю область теплоотвода 512 элемента 511 LED. Поток воздуха затем принудительно направляется вдоль длины теплоотвода 512 между ребрами 5121, в осевом направлении от верхней панели 551 к нижней панели 552, и выходит из корпуса 550 через отверстие 5522.

Шестой вариант осуществления изобретения будет сейчас описан со ссылкой на фиг.13A-14B. В шестом варианте осуществления множество узлов LED-радиаторов 610 установлено в наборе в узле корпуса 650. Каждый узел LED-радиатора 610 похож на узел LED-радиатора 110 первого варианта осуществления и содержит элемент 611 LED, термически соединенный с соответствующим теплоотводом 612 посредством теплового сердечника 614.

Узел корпуса 650 содержит переднюю панель 651, заднюю панель 652 и входное отверстие 653 воздушного потока, предоставленное на его боковой стенке 654 для получения струи принудительного воздуха в корпус 650 и введения потока охлаждающего воздуха, созданного между передней панелью 651 и задней панелью 652. Печатная плата (ПП) или любая подходящая подобная плата образует переднюю панель 651, которая имеет внешнюю поверхность 6511 и внутреннюю поверхность 6512. Каждый элемент 611 LED выходит наружу из внешней поверхности 6511 и снабжен электропитанием через электрические соединения в передней панели 651.

Внутренняя поверхность 6512 передней панели 651 снабжена узлом канала 655 для направления воздушного потока от общего входа теплоотводов 653 на каждый теплоотвод 612. Изоляция между узлом канала 655 и передней панелью 651 герметична для минимизации потерь охлаждающего воздуха для теплоотводов 612.

Фиг.14B изображает плоский вид внутренней стороны 6512 передней панели 651 полупроводникового охлаждающего устройства фиг.13A, показывая плоский вид узла канала 655. Узел канала 655 сконфигурирован для образования тракта воздушного потока от входного воздушного отверстия 653 к периферической области каждого теплоотвода 612 так, чтобы воздух направлялся на каждый теплоотвод 612 в верхней области теплоотвода ближе к соответствующему элементу 611 LED.

Задняя панель 652 корпуса 650 снабжена множеством отверстий 6522, через каждое из которых соответствующий теплоотвод проходит от соответствующего элемента 611 LED так, что каждый теплоотвод соединен с воздухом, вне корпуса, тем самым позволяя перенести тепло от каждого теплоотвода 612 в воздух вне корпуса.

Воздушный поток создается генератором воздушного потока, соединенным по текучей среде с входным воздушным отверстием 653. Генератор воздушного потока может быть генератором воздушного потока, похожим на генератор первого варианта осуществления, предоставляя стабильный воздушный поток к каждому теплоотводу 612. Альтернативно, воздушный поток может быть предоставлен в виде пульсаций воздуха посредством генератора пульсирующего воздуха, похожего на генератор синтетических струй второго и третьего вариантов осуществления. Можно выбрать длину и поперечное сечение каналов, образующих узел канала 655, таким образом, питание привода преобразователя синтетических струй, используемое для генерации воздушного потока, минимизировано. Воздушный поток направлен узлом канала 655 через корпус 650 между передней панелью 651 и задней панелью 652 на каждый теплоотвод 612 соответствующего элемента 611 LED. Принудительный поток воздуха направлен в верхнюю область каждого теплоотвода 612 для протекания вдоль длины теплоотвода 612 между ребрами 6121, в осевом направлении, от верхней панели 651 к нижней панели 652, и выходит из корпуса 650 через отверстие 6522. Каждое отверстие 5522 формирует выходное отверстие для воздушного потока.

Тепло переносят от каждого теплоотвода 612 в воздушный поток, тем самым охлаждая каждый элемент 611 LED. Поскольку в этом варианте осуществления охлаждающий воздух вынужден проходить вдоль длины каждого теплоотвода 612 к соответствующему отверстию 6522, может быть достигнуто улучшение в эффективности охлаждения. Кроме того, поскольку для предоставления охлаждающего потока не требуются внутренние вентиляторы, устройство в целом может быть менее громоздким и менее шумным. Кроме того, уменьшенный размер каждого теплоотвода позволяет разметить LED ближе друг к другу и достичь большей плотной упаковки LED.

В этом варианте осуществления эффективное охлаждение элементов LED чрезвычайно желательно в связи с количеством тепловой энергии, создаваемой множеством LED, их близостью друг к другу. Поскольку охлаждающий воздух вынужден проходить на каждый теплоотвод и вынужден проходить вдоль теплоотвода для выхода из корпуса, может быть достигнуто улучшение в эффективности охлаждения. Поскольку теплоотводы 612 делят общее входное отверстие 653 воздушного потока, размер устройства в целом уменьшен. Дополнительно, поскольку входное отверстие воздушного потока 653 расположено на боковой стенке 654 корпуса, можно получить более плоское в целом устройство.

Хотя в шестом варианте осуществления узел LED-радиатора похож на первый вариант осуществления, следует понимать, что устройство может иметь множество узлов LED-радиаторов, похожих на четвертый или пятый варианты осуществления, в которых узел LED-радиатора снабжен защелкивающимся креплением.

Дополнительный вариант осуществления изобретения проиллюстрирован на фиг.14. Этот вариант осуществления похож на шестой вариант осуществления изобретения и отличается от него тем, что внутреннее пространство корпуса 750 между передней панелью 751 и задней панелью 752 образует канал, предоставляющий тракт потока текучей среды от входного отверстия воздушного потока 753 к каждому теплоотводу 712. В этом варианте осуществления полость, предоставляющая равномерное давление на всем протяжении внутреннего пространства между передней панелью 751 и задней панелью 752, образована посредством корпуса. Поток воздуха в корпус через входное отверстие 753 направлен посредством полости к отверстиям 7522 и идет по длине соответствующих теплоотводов 712, перенося тепло с теплоотводов 712 в воздушный поток.

Хотя в предшествующих вариантах осуществления корпус снабжен отдельным входным отверстием входного потока, следует понимать, что корпус может быть снабжен любым числом или расположением входных отверстий воздушных потоков. Например, альтернативный вариант осуществления проиллюстрирован на фиг.16. Этот вариант осуществления похож на вариант осуществления фиг.15, но имеет два входных отверстия воздушного потока 853 на противоположных стенках корпуса 850.

Хотя в описанных выше вариантах осуществления изобретения каждый элемент LED снабжен соответствующим радиатором, следует понимать, что в альтернативных вариантах осуществления радиатор могут совместно использовать два или более элемента LED. Кроме того, следует понимать, что два или более радиатора могут проходить через одно и то же отверстие.

Этот вариант осуществления находит применение и в приложениях с высокой плотностью потока, где количество полупроводниковых кристаллов и их близость друг к другу требует эффективного охлаждения, и в приложениях с низкой плотностью потока с требованиями долгого срока службы, где для стабильной работы имеет значение термическое управление.

Хотя настоящее изобретение описано выше в настоящем документе со ссылкой на конкретные варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничено конкретными вариантами осуществления, и изменения, находящиеся в объеме формулы настоящего изобретения, будут очевидны специалистам в данной области.

Например, хотя в описанных выше вариантах осуществления изобретения устройство описано по отношению к охлаждению LED, следует понимать, что такое охлаждающее устройство можно использовать для охлаждения других типов твердотельных источников света или полупроводниковых кристаллов или чипов. Например, сборку можно использовать для переноса тепла с интегральной схемы (ИС).

В альтернативном варианте осуществления изобретения теплоотвод может состоять из пластмассового или керамического теплопроводного материала. В таком варианте осуществления теплоотвод может быть произведен литьем под давлением. В дополнительном варианте осуществления тепловой сердечник может быть предоставлен отдельным компонентом, а не образовывать часть ПП. Также будет оценено, что в некоторых вариантах осуществления изобретения тепловой сердечник может не присутствовать.

Следует понимать, что теплоотвод не ограничен формой, проиллюстрированной чертежами, и может принимать любую форму для рассеивания тепла с его поверхности. Например, теплоотвод может не быть полым и/или может иметь различную конфигурацию ребер.

В альтернативных вариантах осуществления изобретения для увеличения эффективности теплопроводности теплоотвод может быть оснащен тепловой трубой для переноса тепла от полупроводникового кристалла.

Хотя в четвертом и пятом вариантах осуществления узел LED-радиатора снабжен держателем, понятно, что в альтернативных вариантах осуществления изобретения теплоотвод и сердечник могут образовывать опорные средства для узла LED-радиатора. В дополнительных вариантах осуществления опорные средства могут соединяться с задней платой или как с задней платой, так и с передней платой.

Хотя описанные выше варианты осуществления описаны в отношении воздушного потока, следует понимать, что охлаждающее поток текучей среды может быть течением жидкости или любым другим подходящим газом.

Следует также оценить, что в альтернативных вариантах осуществления изобретения поток текучей среды может быть направлен вдоль теплоотвода в направлении, противоположном осевому, по направлению воздушного потока описанных выше вариантов осуществления. Также будет понятно, что генератор воздушного потока может быть присоединен в любой точке тракта текучей среды с теплоотводом.

Хотя описанные выше варианты осуществления снабжены отверстием для направления воздушного потока в осевом направлении от одного конца радиатора к другому концу, следует понимать, что в любой подходящей конфигурации можно использовать предоставление канала воздушного потока вдоль длины радиатора.

Хотя в некоторых описанных выше вариантах осуществления узел канала выполнен в передней плате, понятно, что в дополнительных вариантах осуществления узел канала может быть выполнен в задней плате.

Много дополнительных модификаций и разновидностей будут сами предложены специалистам в данной области, ссылаясь на описанные выше иллюстрированные варианты осуществления, которые представлены только в качестве примера и не преследуют цель ограничить объем изобретения, который определяется исключительно по формуле изобретения. В частности, разные свойства от разных вариантов осуществления могут быть по необходимости переставлены местами.

В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы и этапы, и неопределенные артикли "a" или "an" не исключают множественность. Сам факт того, что разные свойства изложены во взаимно отличных пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих свойств не может быть предпочтительно использована. Любые обозначения ссылок в формуле изобретения не истолковывают как ограничение объема изобретения.

Изобретение относится к устройству для охлаждения полупроводникового кристалла (111). Охлаждающее устройство для полупроводникового кристалла (111) содержит радиатор (112), термически соединенный с полупроводниковым кристаллом (111) для рассеивания тепла, корпус (150), к которому прикреплен радиатор (112), причем радиатор расположен в корпусе (150), первый канал (153) потока текучей среды для обеспечения принудительного потока текучей среды внутри корпуса (150) и из него и тракт потока текучей среды, выполненный с возможностью направления текучей среды в первом направлении между первым каналом (153) потока текучей среды и радиатором (112), а также для направления потока текучей среды вдоль радиатора (112) во втором направлении из корпуса (150) или в него, отличном от первого направления. Изобретение обеспечивает охлаждающее устройство, обладающее улучшенной хладопроизводительностью, работающее с меньшим поглощением пыли, меньшим шумом, и компактное по размерам при меньшей стоимости. 5 н. и 14 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Охлаждающее устройство для охлаждения полупроводникового кристалла, содержащее:
радиатор (112), термически соединенный с полупроводниковым кристаллом (111) и выполненный с возможностью рассеивания тепла с полупроводникового кристалла (111);
корпус (150), к которому прикреплен радиатор (112), причем радиатор (112) расположен в корпусе (150);
первый канал (153) потока текучей среды для обеспечения принудительного потока текучей среды внутри корпуса (150) и из него; и
тракт потока текучей среды, выполненный с возможностью направления текучей среды в первом направлении между первым каналом (153) потока текучей среды и радиатором (112), а также направления потока текучей среды вдоль радиатора (112) во втором направлении из корпуса (150) или в него, отличном от первого направления.

2. Охлаждающее устройство по п.1, в котором корпус (150) содержит:
первую панель для поддержки полупроводникового кристалла (111); и
вторую панель (152) напротив первой панели (151), причем вторая панель снабжена отверстием (1522), выполненным с возможностью приема через него радиатора (112), при этом, по меньшей мере, часть тракта потока текучей среды для принудительного потока текучей среды вдоль радиатора (112) во втором направлении определена стенками отверстия (1552) и стенками радиатора (112).

3. Охлаждающее устройство по п.2, в котором первый канал потока текучей среды расположен на боковой стенке (154) корпуса (150), перпендикулярно первой панели (151) и второй панели (152).

4. Охлаждающее устройство по п.2, в котором отверстие (1522) для приема радиатора (112) образует второй канал потока текучей среды для вывода или ввода потока текучей среды из или в корпус (150).

5. Охлаждающее устройство по п.2, в котором радиатор (112) проходит от полупроводникового кристалла (111) через отверстие (1522) так, что радиатор (112) сообщается с текучей средой вне корпуса (150).

6. Охлаждающее устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, часть тракта потока текучей среды определена узлом канала (155).

7. Охлаждающее устройство по п.1, в котором первый канал потока текучей среды (253) соединен по текучей среде с генератором пульсирующих воздушных струй (220).

8. Охлаждающее устройство по п.7, в котором полый сердечник (3122) радиатора (312) соединен по текучей среде с генератором пульсирующих воздушных струй (320).

9. Охлаждающее устройство по п.1, в котором радиатор (112) присоединен к корпусу (150) защелкивающимся креплением.

10. Охлаждающее устройство по п.1, содержащее, по меньшей мере один радиатор (612), термически соединенный с множеством полупроводниковых кристаллов (611), и, по меньшей мере, одно отверстие (6522), выполненное в корпусе (150) для приема, по меньшей мере, одного радиатора (612), при этом тракт потока текучей среды выполнен с возможностью направления текучей среды между первым каналом (653) потока текучей среды и отверстием каждого радиатора (612).

11. Охлаждающее устройство по п.9, содержащее:
множество радиаторов (612), каждый из которых термически соединен с соответствующим полупроводниковым кристаллом (611); и
множество отверстий (6522), выполненных в корпусе (150), каждое из которых выполнено с возможностью приема через него соответствующего радиатора (612).

12. Электронное устройство, содержащее полупроводниковый кристалл (611) и охлаждающее устройство по п.1.

13. Оптическое устройство, содержащее, по меньшей мере, один полупроводниковый кристалл (111) со свойствами излучения света и охлаждающее устройство по п.1 для охлаждения указанного, по меньшей мере, одного полупроводникового кристалла (111).

14. Способ охлаждения полупроводникового кристалла (111), содержащий:
термическое соединение радиатора (112) с полупроводниковым кристаллом (111) для рассеивания тепла от полупроводникового кристалла (111);
установку радиатора (112) в корпусе (150);
обеспечение принудительного потока текучей среды через первое отверстие (153), образованное в корпусе (150);
направление принудительного потока текучей среды в или из корпуса вдоль тракта потока текучей среды в первом направлении между первым отверстием (153), выполненным в корпусе, и радиатором (112); и
направление принудительного потока текучей среды во втором направлении вдоль радиатора (112), при этом второе направление отличается от первого направления.

15. Способ по п.14, в котором поток текучей среды принудительно направляют вдоль радиатора во втором направлении для выхода через второе отверстие корпуса, в котором расположен радиатор.

16. Способ по п.14, в котором принудительный поток текучей среды образуют в виде пульсирующих воздушных струй.

17. Способ по п.14, дополнительно содержащий всасывание текучей среды вблизи радиатора (212) и/или выведение текучей среды вдоль радиатора (212).

18. Способ по п.14, дополнительно содержащий всасывание текучей среды из полого сердечника (3122) радиатора (312) и/или выведение текучей среды через полый сердечник (3122) радиатора (312).

19. Охлаждающее устройство для охлаждения полупроводникового кристалла, содержащее:
множество радиаторов, при этом каждый радиатор термически соединен с полупроводниковым кристаллом и выполнен с возможностью рассеивания тепла с полупроводникового кристалла;
множество отверстий, каждое из которых выполнено с возможностью приема через него соответствующего радиатора;
корпус, к которому прикреплен радиатор;
первый канал потока текучей среды для обеспечения принудительного потока текучей среды внутри корпуса; и
тракт потока текучей среды, выполненный с возможностью направления текучей среды в первом направлении между первым каналом потока текучей среды и радиатором, а также направления потока текучей среды вдоль радиатора во втором направлении, отличном от первого направления.