Охладитель полупроводникового прибора

 

Использование: для создания систем теплоотвода при внешнем воздушном или жидкостном охлаждении. Сущность изобретении охладитель содержит корпус 1, связанную с ним теплопередающую диафрагму 2, установленную с возможностью контакта ее внутренней поверхности с теплоносителем 3. Внешнее сжимающее усилие Р приложено к полупроводниковому прибору и основанию сжимающего устройства 8. При этом в качестве эластичной пружинной опоры применен упругий в осевом направлении диск 5 с выступами в виде усеченного конуса или пирамиды, примыкающими своими вершинами 6 к внутренней поверхности теплопередающей диафрагмы 2. а основанием 7 - к внутренней поверхности задней стенки корпуса 1 охладителя. Такая конструкция охладителя обеспечивает повышение теплоотдачи и снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления охладителя, а также позволяет отводить тепло сразу от двух полупроводниковых приборов. 9 з.п. ф-лы. 9 ил. 7 7 СО С со ю CJ о со VI 8

СОЮЗ СОВГТСКИХ социАлистических

РЕСГ1УБЛИК

ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) «BENIN - Еь"б Ч 0 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

,Ъ1 ТГ (21) 4943366/21 (22) 16.05.91 (46) 23.06.93. Бюл. М 23 . (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте (72) И.А.Тепман, В.Л. Феоктистов, В.В. Комаленков, И,В.Воронин, А.И.Коган, В.М,Никитин и В.В.Чибиркин (56) Каталог "Охладители серии ОА и ОМ для полупроводниковых приборов". 1987 г., Москва. Информэлектро.

Авторское свидетельство СССР

М 1443700, кл. Н 01 L 23/36, 1988 г,. (54) ОХЛАДИТЕЛЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА (57) Использование: для создания систем теплоотвода при внешнем воздушном или жидкостном охлаждении. Сущность изобре50 1823037 А1 (я)5 Н 01 l 23/36, Н 05 К 7/20 тения. охладитель содержит корпус 1, связанную с ним теплопередающую диафрагму

2, установленную с возможностью контакта ее внутренней поверхности с теплоносителем 3. Внешнее сжимающее усилие P npuno ei

1823037

Заявляемое техническое решение относится к устройствам для отвода тепла, а именно — к охладителю полупроводникового прибора таблеточного исполнения.

Цель изобретения — повышение теплоотдачи при одновременном снижении материялоемкости и трудоемкости изготовления охладителя, а также обеспечение возможности отвода от двух полупроводниковых приборов.

На фиг. 1 изображен охладитель с пластичной опорой в виде диска с выступами, име>ащими форму усеченного конуса, пирамиды или цилиндра: на фиг. 2 — охладитель с составной опорой с пружинной диафрагмой между диском и теплопередающей диафрагмой; на фиг. 3 — охладитель с составной опорой с пружинной диафрагмой, установленной между основанием диска и корпусом; на фиг. 4 — охладитель с опорой с пружиной снаружи корпуса: на фиг. 5 — охладитель с опорой с упругим элементом снаружи корпуса; на фиг, 6 — охладитель с эластичной составной опорой с дисками, выступы которых поджимают две гибкие теплопередающие диафрагмы к основаниям полупроводниковых приборов; на фиг, 7 изображен охладитель с эластичной составной опорой с пружинными волнообразными диафрагмами, установленными между вершинами дисков и теплопередающими диафрагмами; на фиг. 8 — охладитель с эластичной составной опорой с пружинной диафрагмой между основаниями; на фиг. 9 изображен охладитель с эластичной составной опорой с промежуточной жесткой дистанционной прокладкой, Предлагаемый охладитель полупроводникового прибора, изображенный на фиг. 1, содержит корпус 1, связанную с ним теплопередающую диафрагму 2, установленную с воэможностью контакта ее внутренней поверхности с теплоносителем 3. Внеш><ее сжимающее усилие Р приложено к полупроводниковому прибору и основанию сжимающего устройства 8. При этом о ка<естое пластичной опоры применен упругий о осевом направлении диск 5 с выступами в виде усече;ного конуса или пирамиды, примыкающими своими вершинами 6 к внутренней поверхности теплопередающей диафрагмы

2. а основанием 7 к внутренней поверхности задней стенки корпуса 1 охладителя, На фиг. 2 иэображе>< охладитель полупроводникового прибора с составной эластичной пружинной опорой, одной иэ составляющих которой является диск 5 саыступами, а между их вершинами 6 и внутренней поверхностью теплопередающей .диафрагмы 2 о, контакте с ними уста <овлена вторая часть—

55 пружинная волнообразная диафрагма 9 с пазами для доступа теплоносителя 3 в зону теплообмена. На фиг. 3 изображен охладитель полупроводникового прибора с составной пластичной пружинной опорой, одной иэ составляющих которой является диск 5 с выступами. примыкающими вершинами 6 к внутренней поверхности гибкой теплопередающей диафрагмы, а между основанием диска 7 и внутренней поверхностью части стенки корпуса 1, противолежащей гибкой теплопередающей диафрагме 2, в контакте с ними установлена вторая часть — пружинная волнообразная диаграмма 9. На фиг. 4 изображен охладитель полупроводникового прибора с опорой о виде диска 5, а между внешней поверхностью части гибкой стенки корпуса 1, противолежащей гибкой теплопередающей диафрагме 2, и основанием сжимающего устройства 8 в контакте с ними размещена пружинная волнообразная диафрагма 9, На фиг. 5 также, как и на фиг. 4> изображен охладитель полупроводникового прибора с опорой в виде диска 5, а между внешней поверхностью части гибкой стенки корпуса 1, противолежащей гибкой теплопередающей диафрагме 2, и основанием сжимающего устройства 8 в контакте с ними установлена резиновая или пластичная прокладка 10.

Работа охладителя, изображенного на фиг. 1.

При приложении внешнего сжимающего усилил Р к полупроводниковому прибору

4 и основанию сжимающего устройства 8 в конических выступах возникают сжимающие усилия, при этом их вершины 6 поджимают гибкую теплопередающую диафрагму

2 к основанию полупроводникового прибора 4, Сечение материала конической части вершин опоры 5 выбрано таким, что приложение сжима<ощего усилия P приводит к частичной пластичной деформации материала опоры, осадке выступающих ее вершин, после чего нагрузки на выступах выравниваются, текучесть прекращается, обеспечивается равномерное и многоэонное поджатие внешней поверхности теплопередающей диафрагмы 2 к основанию полупроводникового прибора даже в случае его неплоскостности. Предлагаемая конструкция пластичной опоры обеспечивает создание плотного облегающего контакта между полупроводниковым прибором и охладителем с низким значением его теплового сопротивления, чем обеспечивается высокая теплопередающая способность контакта.

Количество выступов опоры 5 и их геометрические размеры на фиг. 1 показаны условно.

При и рохожден и и тока в пол уп роооднико5 1823037

15 внешнего сжимающего усилия P в охладителе фиг. 2 расположенная между вершина-. ми выступов 6 и внутренней поверхностью теплопередающей диафрагмы 2 пружина 9

20 вом приборе 4 выделяемое в его полупроводниковой структуре тепло передается через основание и плотный облегающий контакт теплопередающей диафрагме, проходит по ней и на ее внутренней поверхности отдается теплоносителю, благодаря чему поддерживается необходимый тепловой режим охлаждаемого полупроводникового прибора 4 и обеспечивается его работоспособность. Предлагаемая конструкция охладителя обладает низкой материалоемкостью и трудоемкостью и может быть широко использована в охладителях с внутренней жидкостной и испарительной системой теплопередачи. При приложении с пазами для доступа теплоносителя в зону теплообмена обеспечивает многоместное плотное поджатИе внешней поверхности гибкой теплопередающей диафрагмы 2 к основанию полупроводникового прибора 4 с повторением конфигурации последнего и с образованием между ними хорошего теплового контакта. Теплопередача и работа охладителя, изображенного на фиг. 2, аналогичны охладителю на фиг. 1. Предлагаемая на фиг. 2 конструкция охладителя обеспечивает эффект облегающего контакта беэ необходимости пластичной деформации выступов дисков 5, а ее применение особенно эффективно в случае испарительного охлаждения, т.к. наличие узких щелей между внутренней поверхностью теплопередающей диафрагмы и пружиной интенсифицирует процесс закипания жидкости, что ведет к росту теплоотдачи. При приложении внешнего сжимающего усилия в охладителе фиг. 3 волнообразная пружинная диафрагма 9, расположенная между основанием диска 7 и внутренней стороной части корпуса 1 охладителя, обеспечивает плотное поджатие конусных вершин 6 гибкого в поперечном направлении диска 5 к внутренней стороне теплопередающей диафрагмы

2, которая, в свою очередь, плотно поджимается к поверхности основания полупроводникового прибора 4 с образованием многозонного теплового контакта между ними, Конструкция обеспечивает эффект облегающего контакта беэ необходимости пластичной деформации выступов диска 5, обладает низкой материалоемкостью и трудоемкостью и особенно эффективна для охладителей с жИдкостным охлаждением.

Работа охладителя аналогична работе охлэдителя, изображенного на фиг. 1. Работа охладителя фиг. 4 и его теплопередача ана25

55 логичны охладителям, представленным на фиг. 2 и 3, Предлагаемая на фиг, 4 конструкция с вынесенной наружу пружинной волнообразной диафрагмой 9 позволяет решить проблему коррозиостойкости и совместимости материалов, находящихся внутри корпуса 1 охладителя, наряду с высокой теплоотдающей способностью охладителя, благодаря наличию эффекта облегающего контакта, при этом нагрузки, возникающие в опоре, могут лежать вне эОны пластичной деформации материала. Такие конструкции эффективны как при жидкостном, так и при испарительном теплообмене и могут быть использованы для охладителей с внешним воздушным и жидкостным охлаждением. В ряде случаев целесообразно применение конструкции охладителя, изображенного на фиг. 5 с внешним пластичным элементом, в качестве которого может быть использована резина или пластичная прокладка 10, например, из фторопласта, свинца или пластичного материала. Работа охладителя фиг.

5 аналогична работе охладителя, изображенного на фиг, 2 и 3. Применение таких конструкций упрощает решение проблемы коррозионной стойкости и совместимости материалов внутри охладителя при одновременном снижении материалоемкости и трудоемкости его изготовления. Изображенный на фиг. 6 охладитель полуп роводникового прибора содержит корпус 1. связанные с ним гибкие теплопередающие диафрагмы 2 с возможностью контакта их внутренних поверхностей с теплоносителем

3, а на их внешних поверхностях размещены полупроводниковые приборы 4. Между внутренними поверхностями гибких теплопередающих диафрагм 2, примыкая к ним, размещена составная эластичная опора 11, состоящая из 2-х дисков 5 с выступами в форме усеченного конуса, призмы или сферы, вершины 6 которых контактируют с внутренней поверхностью гибких теплопередающих дифрагм 2, а основания 7 соприкасаются друг с другом. При необходимости увеличения высоты опоры количество последовательно установленных дисков 6 может быть увеличено до и штук, где п = 1, 2, 3, 4, ... n. Изображенный на фиг. 7 охладитель аналогичен охладителю на фиг. 1 с той лишь разницей, что между внутренними поверхностями гибких теплопередающих диафрагм 2 и вершинами 6 дисков 5 установлены в контакте с ними две пружинные волнообразные диафрагмы 9 с пазами.

Охладитель, изображенный на фиг. 8, аналоги:ен охладителю на фиг. 1 с той лишь разницей, что между основаниями 7 дисков

6 составной опоры |1 c o ;åíà в контак1823037 ладитель, изображенный на фиг. 9, 5 о личаетсл от охладителл на фиг. 1 только

15

25 приборов 4 даже в случае иХ неплоскостно- 30 сти, Предлагаемая конструкция обеспечи-те r.ними пружинная волнообразная диафрагма 9. Взамен пружинной волнообразной диафрагмы 9 может быть установлен резиновый или упругий эластичный диск 10. Охтем. что между основаниями 7 дисков 5 составной oflopM 11 размещен жесткий дистанционный диск 12 иэ металла. керамики или пластмассы. При приложении внешних сжимающих усилий P к полупроводниковым приборам 4 на фиг. 6 благодаря гибкости теплопередающей диафрагмы 3 и поперечной гибкости дисков 5 составной опоры 11, в конических выступах возникают сжимающие усилия, при этом их вершины 6 поджимают гибкие теплопередающие диафрагмы

2 к основаниям полупроводниковых приборов 4. Сечение конической части выступов дисков 5 выбрано таким, что приложение сжимающегоусилиФ P приводит к частичной пластичной деформации материала дисков, осадке ее выступающих вершин, что наряду с наличием упругих свойств дисков, приводит к выравниванию нагрузок на их вершинах б. Текучесть материала прекращается и обеспечивается равномерное и многозонное поджатие гибких теплопередающих диафрагм 2 к основаниям полупроводниковых вает создание плотного облегающего контакта с низким тепловым сопротивлением, При прохождении в полупроводниковом приборе 4 тока выделяемое. в нем тепло передается через плотный тепловой контакт гибкой теплопередающей диафрагме 2, на внугренней поверхности которой происходит активный теплообмен за счет кипения жидкости при испарительном охлаждении или передачи тепла теплоносителю при жидкостном охлаждении. Предлагаемал конструкция охладителя с составной опорой обеспечивает свободный доступ теплоносителя в зону теплообмена и отвод выделяемого тепла при низкой материалоемкости и трудоемкости его изготовления, При приложении сжимающего усилил Р к полупроводниковым приборам 4 на фиг. 7 возникающие между теплопередающими диафрагмами 2 и вершинами 6 дисков 5 усилия сжимают пружинные волнообразные диафрагмы 9, которые плотно поджимают гибкие теплопередающие диафрагмы 2 к основаниям полупроводниковых приборов 4 с образованием плотных многозонных тепловых KohTBKTQD между ними,с низкими тепловыми сопротивлениями. Наличие пружинных свойств у волнообразны диафрагм позволяет обеспечить многозонное

55 поджатие теплопередающих диафрагм 2 к основаниям полупроводниковых приборов

4 без необходимости пластинчатой деформации дисков 5 опоры 11, а возникающие между теплопередающей диафрагмой 2 и пружинной диафрагмой 9 с пазами узкие щели интенсифицируют процесс кипения жидкости, что также ведет к росту теплопередачи, В остальном работа охладителей на фиг. 2 аналогична фиг. 6. При приложении усилия сжатия P к полупроводниковым приборам 4 на фиг. 2 пружинная волнообразная диафрагма 9 своими вершинами поджимается к основаниям 7 дисков 5 гибких в поперечном направлении и плотно поджимает все вершины 6 дисков 5 к внутренним поверхностям гибких теплопередающих диафрагм 2, которые плотно и многозонно поджимаются к основаниям полупроводниковых приборов, обеспечивая облегающий тепловой контакт с низким тепловым сопротивлением. Такая конструкция опоры не требует пластичной деформации материала дисков, обладает высокой проницаемостью для теплоносителя и может успешно применяться как для жидкостного, так и длл испарительноcO теплообмена, обладает низкой материалоемкостью и трудоемкостью. Во всем остальном работа охладителей фиг. 8 аналогична работе охладителей фиг, 6. Взамен пружинной волнообразной диафрагмы охладителей фиг. 8 может быть использован резиновый диск или диск из упругого пластика, что также упрощает конструкцию, снижает ее трудоемкость и материалоемкость. Работа охладителей фиг, 9 полностью аналогична работе охладителей фиг. б,обеспечивает экономию материалов и снижение трудоемкости, открывает возможность для увеличения высоты опоры в соответствии с требованиями. Конструкция высокотехнологична, так как жесткие дистанционные диски 12 могут быть прессованными либо штампованными. Таким образом, предлагаемые конструктивные решения позволяют создать охладители для жидкостного или испарительного теплоотвода al. полупроводниковых приборов таблеточной конструкции с выступающими или уплотнительными основаниями с высокой теплоотдающей способностью при низкой материалоемкости и трудоемкости с высокой технологичностью, Предлагаемые конструкции охладителей обеспечивают возможность теплоотвода как от одного, так и от 2 х полупроводниковых приборов с мощностью тепловыделений от 20 до 20000 Вт в единице, что открывает воэможности для создания мощных преобразовательных устройств

1823037 беэ параллельного соединения полупроводниковых приборов, повышает надежность преобразовательной техники и ведет к снижению ее стоимости.

Формула изобретения

1. Охладитель полупроводникового прибора таблеточной конструкции, содержащий корпус, связанную с ним гибкую теплопередающую диафрагму, размещенwye с возможностью контакта ее внутренней поверхности с теплоносителем и с воэможностью установки на ее внешней поверхности основания полупроводникового прибора. эластичную пружинную опору, проницаемую для теплоносителя и размещенную с воэможностью контакта с гибкой теилопередающей диафрагмой и корпусом. отличающийся тем, что. с целью повышения теплоотдачи и снижения материалоемкости и трудоемкости изготовления охладителя, эластичная пружинная опора выполнена в виде диска с выступами в форме цилиндра, усеченного конуса или пирамиды, вершины которых примыкают к внутренней поверхности теилопередающей диафрагмы, а основание диска примыкает к внутренней поверхности ч.:сти стенки корпуса, противолежащей гибкой теплоиередающей диафрагме.

2. Охладитель по п. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем. что между вершинами выступов эластичной пружинной опоры и внутренней поверхностью теплопередающей диафрагмы в контакте с ними установлена пружинная волнообразная диафрагма с пазами.

3. Охладитель по п, 1. о т л и ч а ю щ и йс я тем, что между основанием диска эластичной пружинной опоры и внутренней поверхностью части стенки корпуса охладителя. противолежащей гибкой теплопередающей диафрагме, в контакте с ними установлена пружинная волнообразная диафрагма с пазами.

4. Охладитель по п. 1,отл и«ю щи йс я тем, что между внешней поверхностью части гибкой стенки корпуса, противолежащей теплопередающей диафрагме, и основанием сжимающего устройства, примыкая к ним, размещена пружинная волнообразная диафрагма с пазами.

5. Охладитель по и, 1. отл ич а ю щийс я тем, то между внешней иоверкнос1ью части гибкой стенки корпуса, противолежащей теплопередающей диафрагме, и оснс5 ванием сжимающего устройства в контакте с ними размещена прокладка, выполненная из резины чибо упругого пластика. б. Охладитель по п. 1, о т л и ч а ю щи йс я тем, что, с целью обеспечения возмож10 ности отвода тепла от двух полупроводниковых приборов, охладитель выполнен с двумя гибкими теилопередающими диафрагмами. противолежащими друг другу, в контакте с внутренними поверхностями которых рас15 положена составная эластичная пружинная опора, ныиолненная из последовательно устанонленнык дискон. ири этом основания крайник дискон соирцжены друг с другом, либо с нершинами и основаниями промежу20 точных дчскон, а нершииы примыкают к ниутр .нпим поверхностям теилопередающик д 1афparr >.

7. Охладитель ио ип,1 и 6, отличающийся тел, что между выступами крайних

25 дискин составной эластичной пружинной опоры н контакте с ними и внутренними поверхностями теилоиередающих диафparM размещена по меньшей мере одна пру. жинная волнообразная диафрагма с

30 пазал и.

8. Охладитель по пп. 1, 6 и 7, о т л и ч аю шийся тем, что между основаниями крайних дисков составной эластичной пружинной опоры в контакте с ними и промежу35 точныл1и дисками размещена по меньшей мере одна пружинная волнообразная диафрагма.

9. Охладитель по пп. 1 и б, о т л и ч а ю40 шийся тем, что между основаниями крайних дисков, примыкая к ним и промежуточным дискам, размещена по меньшей мере одна прокладка, выполненная из резины либо упругого пластика.

45 10. Охладитель по пп. 1 и б, о т л и ч а юшийся тем, что между основаниями крайних дисков и промежуточными дисками в контакте с ними установлена по меньшей мере одна жесткая дистанционная пласти50 на, 1823037

1823037

Техред М.Моргентал Корректор П.Гереши

Редактор Т.Шагова

Производственно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Эакаэ 2181 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-Э5, Раушская наб., 4/5