Узел охлаждения Советский патент 1982 года по МПК F28D15/02 H01L23/34 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для улучшения теплового режима полупроводникового кристалла в устройстве охлаждения силового полупроводниково го прибора, охлаждаемого тепловой трубой. Известно устрюйство охлаждения, содержащее вентильныйэлемент-, выполненный в виде моноблока, что позволяет его замену. При этом для создания хорошего электрического и теплового контакта с кристаллом использовано значительное осевое усилие между катодом и анодом 1. Однако в данном устройстве не предусмотрена центровка осевого ус лия, что требует большого внимания при затяжке. Толстая прижимная пластина созда ет дополнительное тепловое сопроти вление между кристаллом и поверхностью испарения. Наиболее близким к изобретению по технической суижости является узел охлаждения, выполненный в виде полупроводникового прибора, расположенного между охладителями термосифонного типа и чашеобразными элементами, образующими поверхности испарения жидкостного хладагента . Недостаток данного устройства состоит в том, что на поверхности испарения выполнены шипы. Данные шипы увеличивают эквивалентную толщину дна чашеобразного элемента, тем самым увеличивая расстояние от поверхности тепловыделяющего элемента - полупроводникового кристалла до поверхности испарюния, что повышает термическое сопротивление- на этом участке. Развитие поверхности кипения за счет цилов приводит к повышению температуры в основании шипов. Кроме того, присоединение мoнoблo ка к двум массивным охладителям термосифонам выполнено без компенса ционного элемента. В результате любая несоосность присоединительных концов правого и левого охладителя создает механические напряжения в: паяных или сварных соединениях устройства. Особенно это проявляется при использовании устройства р трай спортных средствах,как правило,подверженных различным вибрациям. Цель изобретения - повышение эффективности теплообмена. Поставленная цель достигается тем что узел охлаждения, выполненный в виде полупроводникового прибо ра, расположенного между охладителя ми термосифонного типа с чашеобразными элементами, образующими поверх ности испарения жидкостного хдадаг та, снабжен перфорированной власти ной, размещенной с зазором относите льно поверхности испарения, причем диаметр отверстий перфорированной пластиныИ зазор/ между ней и поверхностью испарения не превышает отры ного диаметра парового пузыря жидкостного хладагента. При этом один из чашеобразных эл ментов выполнен гофрированным. На фиг. 1 изображен узел, общий вид; на фиг. 2 - полупроводниковый элемент, выполненный в виде моно. блока; на фиг. 3 - конструкция присоединения моноблока с наконечникам; на фиг. k - схема, поясняющая физику кипения при наличии перфорированной пластины. Полупроводниковый элемент имеет керамический корпус 1, удлиняющий путь электрического пробоя между электрическими контактами 2 и 3. Пр вый электринеский контакт 2.выполнен в виде сильфона, левый контакт 3 - а виде тонкостенного конуса. Контакты 2 и 3 соединены, соответт ственно, с наконечниками k л S- Нак нечники i и 5 имеют силовые фланцы 6 и 7. Через фланцы 6 и 7 можно осуществить токоподвод к прибору, а I также присоединение электрических KOHTaKt OB 2 и 3 прибора к наконечникам 4 и 5 с использованием групп силовых болтов 8,9 и прижимных колец 10, 11. Наконечники j и 5 с no мощью шайб 12 и 13 электрически изо лированы от корпусов И и 15 охлади делей термосифонного типа. Охладители частично заполнены жидким тепл носителем 16, остальная часть полостей охладителей заполнена насыщенным паром 17 теплоносителя. К полупроводниковому кристаллу 18 присоединены чашеобразные элеменг ты 19 и 20. Чашеобразные элементы 19 и 20 соединены с керамическим корпусом 1 моноблока посредством торцевых поверхностей контактов 2 и 3. При этом образуется герметичная кольцевая полость, ограниченная внутренней поверхностью керамического корпуса 1, внешними торцевыми поверхностями контактов 2 и 3, внешними боковыми поверхностями чашеобразных элементов 19, 20 и боковой поверхностью полупроводникового кристалла 18. В данн1ую полость помещен наполнитель 21 с высокими диэлектрическими качествами. На кристалле 18 нанесен кольцевой управляющий слой 22, к которому подведен управляющий электрод 23 через отверстие в керамическом корпусе 1 . Параллельно внешней поверхности чашеобразных элементов 19 и 20 установлены с зазором перфорированные пластины 2 и 25. Зазор обеспечивается кольцевыми дистансорами 26 и 27. Пластины 2 и 25 фиксируются в заданном положении фиксаторами 28 и 29, изготовленными из упругой проволоки в виде колец. В силовых фланцах б и 7 предусмотрены резьбовые соединения для групп болтов 8 и 9. Фланцы 6 и 7 жестко соединены с наконечниками + и 5- Контакты 2 и 3 моноблока помещены между конусными поверхностями наконечников 4,5 и прижимных колец 10 и 11. Группы болтов 8 и 9 затянуты. Толщина донышек чашеобразных элементов 19 и 20 минимальна настолько, чтобы можно было обеспечить равномерный токоподвод по поверхности полупроводникового кристалла 18 и зависит от электропроводности материала чашеобразного элемента. На практике может составлять от 0,05 мм до 0,25 мм. Соединение чашас разных элементов 19 и 20 с полупроводниковым кристаллом 18 можно выполнить, например, диффузионной сваркой. Внешние поверхности чашеобразных элементов 19 и 20 являются поверхностями испарения термосифонов, Параллельно поверхностям испарения с зазором установлены перфорированные пластины 2А и 25. Величина зазора не превышает отрывного диаметра пузыря, равно как и диаметр отверстий перфорации в пластине. В период роста парового пузыря в отверстии накладки образуется полость заполнения паром 17 (фиг. k), которая с одного торца ограничена поверхностью испарения, с другого- жидкостью 16,и боковая поверхность полости в основном ограничена поверхностью отверстия перфорации пластины 24. Таким образом, на поверхности испарения образуется граница раздела трех фаз в форме окружности под каждым отверстием перфорации.

Вблизи границы раздела 3-х осуществляется отвод больших удельных тепловых потоков с относительно малыг. перепадом между температурой поверхности (Т) и температурой насыщенных жидкостей (Тг). Генерирование пара 17 в полость способствует росту этой полости и формированию парового пузыря на внешней поверхности перфорированной пластины 2k, После отрыва парового пузыря приток жидкости 16, ввиду малости диаметра отверстия перфорации, не способен нарушить границу раздела 3-х фаз и таким образом генерация пара происходит непрерывно. Диаметр границы раздела 3-х фаз меняется в зависимости от величины удельного телового потока.

Образовавшийся пар 17, в поле сил тяжести проходит по каналу, образованному контактами 2 и 3, наконецниками t и 5, шайбами 13, 12 и конусами 1A, 15 в зону конденсации. Коденсат стекает по стенкам охладителя в зону испарения.

Токоподвод к кристаллу 18 осуществляется через фланцы 6 и 7, к которым присоединяются токоподводящие шины.

. Внутренняя поверхность прижимных колец 10 и 11, присоединительная поверхность наконечников Ц и 5 и присоединительные части контактов 2 и 3 имеют равную конусность небольшой величины,например,от 10 до 20. Это позволяет при сборке конструкции одевать кольца 10 и 11 на контакты

2 и 3 при легкой деформации последних, а также обеспечивает хорошую герметичность соединения и хороший электрический контакт.

Изобретение целесообразно использовать в электротехнике о целью охлаждения силовых полупроводниковых элементов в преобразовательных устройствах. Электрические параметры полупроводников сильно зависят от температурного режима.Улучшенный теплоотвод от полупроводникового элемента позволяет повысить его электрическую нагрузку. Применение Изобретения в теплотехнике позволит осуществить более благоприятный температурный режим поверхностей испарений, так как посредством перфорированной пластины удаляется перепад между температурой поверхности кипения и температурой насьвцения теплоносителя, что позволяет использовать теплоносители с большей температурой насыения и с большей теплотой парообразования при неизменной температуре поверхности испарения.

Формула изобретения

1. Узел охлажденияJвыполненный в виде полупроводникового прибора,расположенного между охладителями термосифонного типа с чашеобразными элементами, образующими поверхности испаренип жидкостного хладагента, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности теплообмена, охладитель снабжен перфорированной пластиной, размещенной с зазором относительно поверхности испарения, причем диаметр отверстий перфорированной пластины и зазор между ней и поверхностьюиспарения не превышает отрывного диаметра парового пузыря жидкостного хладагента.

2. Узел по п. 1,отличаюи и с я тем, что один из чашеобразных элементов выполнен гофрированным.

Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе

1.Патент Франции V 2288396, л. Н 01 L 23/3+, 1976.

2.Патент США № 3852805, л. F 28 D 15/00, Э7.