Теплоотвод и блок для плоских корпусов, обеспечивающий охлаждение и компоновку
Изобретение относится к силовой электронике, а более конкретно к современному охлаждению силовой электроники. Технический результат - улучшение тепловых характеристик и компоновки блоков силовых преобразователей, в которых используются устройства в плоских корпусах. Это достигается теплоотводом (300), предназначенным для непосредственного охлаждения по меньшей мере одного корпуса (20) электронного устройства. Корпус электронного устройства имеет верхнюю контактную поверхность (22) и нижнюю контактную поверхность (24). Теплоотвод содержит охлаждающий элемент (310), выполненный по меньшей мере из одного теплопроводящего материала. Данный охлаждающий элемент ограничивает впускные коллекторы (12) хладагента и выпускные коллекторы (14) хладагента. Впускные и выпускные коллекторы расположены с чередованием. Охлаждающий элемент дополнительно ограничивает милликаналы (16), выполненные с возможностью приема хладагента из впускных коллекторов и подачи хладагента к выпускным коллекторам. Милликаналы, впускные и выпускные коллекторы дополнительно выполнены с возможностью непосредственного охлаждения одной из контактных поверхностей корпуса электронного устройства, верхней или нижней, благодаря непосредственному контакту с хладагентом, так что данный теплоотвод выполнен в виде единого целого. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение в целом относится к силовой электронике, а более конкретно к современному охлаждению силовой электроники.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Силовые преобразователи, такие как промышленные приводы среднего напряжения, преобразователи частоты для нефтяной и газовой промышленности, фрикционные приводы, универсальные устройства для передачи электроэнергии переменным током (FACT) и другое силовое преобразовательное оборудование, например, выпрямители и инверторы, содержат силовые устройства, как правило, в плоских корпусах с жидкостным охлаждением. К неограничивающим примерам силовых устройств относятся коммутируемые по затвору запираемые тиристоры (IGCT), диоды, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), тиристоры и запираемые тиристоры (GTO). Устройства в плоских корпусах особенно предпочтительны для применения в прикладных системах большой мощности, при этом положительный эффект плоских корпусов заключается в двустороннем охлаждении, а также в отсутствии возможности возникновения взрыва плазмы во время аварии.
При создании цепи силового преобразователя с использованием устройств в плоских корпусах теплоотводы и устройства в плоских корпусах собирают, как правило, в структуру типа «сэндвич» с формированием пакета или блока. В блоках силовых преобразователей существующего уровня техники в обычно используют обычные теплоотводы с жидкостным охлаждением с каналами охлаждения большого диаметра. В блоках силовых преобразователей существующего уровня техники данные теплоотводы и силовые устройства не объединены в единое целое. В некоторых прикладных системах между соответствующими рядами, состоящими из устройства в плоском корпусе и теплоотвода с жидкостным охлаждением, помещены слои термостойкой смазки. В других прикладных системах по меньшей мере несколько данных рядов просто удерживаются вместе под давлением при отсутствии термостойкой смазки между ними. Такое решение, в результате, приводит к значительному контактному сопротивлению. Другие недостатки подобных блоков силовых преобразователей заключаются в сравнительно высоком тепловом импедансе, обусловленном соединением полупроводника с жидкостью, а также сравнительно сложных структуре и способе сборки блока из-за количества используемых деталей.
Соответственно, существует потребность в улучшении тепловых характеристик и компоновки блоков силовых преобразователей, в которых используются устройства в плоских корпусах. Более конкретно, существует потребность в уменьшении теплового импеданса, создаваемого соединением полупроводника с жидкостью, для обеспечения высокой надежности и/или высокой плотности рассеиваемой мощности. Кроме того, существует потребность в создании сравнительно упрощенной структуры сборки блока, предусматривающей высокую эксплуатационную надежность.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В кратком изложении, один аспект данного изобретения заключается в создании теплоотвода, обеспечивающего непосредственное охлаждение по меньшей мере одного корпуса электронного устройства. Корпус электронного устройства имеет верхнюю контактную поверхность и нижнюю контактную поверхность. Данный теплоотвод содержит охлаждающий элемент, выполненный по меньшей мере из одного теплопроводного материала. Охлаждающий элемент ограничивает впускные коллекторы, выполненные с возможностью впуска хладагента, и выпускные коллекторы, выполненные с возможностью выпуска хладагента. Впускные и выпускные коллекторы выполнены с чередованием. Охлаждающий элемент дополнительно ограничивает милликаналы, выполненные с возможностью приема хладагента из впускных коллекторов и подачи хладагента к выпускным коллекторам. Милликаналы и впускные и выпускные коллекторы дополнительно выполнены с возможностью непосредственного охлаждения одной контактной поверхности корпуса электронного устройства, верхней или нижней, благодаря непосредственному контакту с хладагентом, так что данный теплоотвод выполнен в виде единого целого.
Другой аспект данного изобретения заключается в создании обеспечивающего охлаждение и компоновку блока, содержащего по меньшей мере один теплоотвод. Данный теплоотвод содержит охлаждающий элемент, ограничивающий впускные коллекторы, выполненные с возможностью впуска хладагента, и выпускные коллекторы, выполненные с возможностью выпуска хладагента, и милликаналы, выполненные с возможностью приема хладагента из впускных коллекторов и подачи хладагента к выпускным коллекторам. Впускные и выпускные коллекторы выполнены с чередованием. Данный блок дополнительно содержит по меньшей мере один корпус электронного устройства, имеющий верхнюю контактную поверхность и нижнюю контактную поверхность. Данные коллекторы и милликаналы расположены вблизи соответствующей одной контактной поверхности, верхней или нижней, с возможностью непосредственного охлаждения соответствующей поверхности посредством непосредственного контакта с хладагентом, так что данный теплоотвод выполнен в виде единого целого.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие свойства, аспекты и преимущества данного изобретения будут более понятны при прочтении последующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые детали, на которых
Фиг.1 показывает корпус электронного устройства с верхним и нижним теплоотводами;
Фиг.2 показывает теплоотвод с милликаналами и коллекторами, включенными в один охлаждающий элемент;
Фиг.3 показывает сечение радиального милликанала для теплоотвода, показанного на Фиг.2 или 4, и;
Фиг.4 показывает конструкцию теплоотвода с увеличенным количеством радиальных каналов;
Фиг.5 показывает обеспечивающий охлаждение и компоновку блок, предназначенный для нескольких корпусов электронных устройств;
Фиг.6 иллюстрирует в разрезе расположение коллекторов, показанных на Фиг.2 или 4;
Фиг.7 иллюстрирует расположение уплотнений для двустороннего теплоотвода согласно данному изобретению; и
Фиг.8 иллюстрирует в разрезе расположение смещенных коллекторов для варианта выполнения двустороннего теплоотвода согласно данному изобретению.
Несмотря на то, что вышеуказанные чертежи представляют альтернативные варианты выполнения, могут быть также предусмотрены и другие варианты выполнения данного изобретения, как отмечено в данном описании. Во всех случаях это описание представляет проиллюстрированные варианты выполнения данного изобретения путем примера, а не ограничения. Специалистами в данной области техники возможна разработка других многочисленных модификаций и вариантов выполнения, которые подпадают под объем правовой охраны и сущность этого изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теплоотвод 300, обеспечивающий непосредственное охлаждение по меньшей мере одного корпуса 20 электронного устройства, описан со ссылкой на Фиг.1-4. Как показано на Фиг.1, иллюстративный корпус 20 электронного устройства имеет верхнюю контактную поверхность 22 и нижнюю контактную поверхность 24. Теплоотвод 300 содержит охлаждающий элемент 310, выполненный по меньшей мере из одного теплопроводного материала. Например, как показано на Фиг.2 и 4, охлаждающий элемент 310 ограничивает ряд впускных коллекторов 12, выполненных с возможностью впуска хладагента, и ряд выпускных коллекторов 14, выполненных с возможностью выпуска хладагента. Как показано, например, на Фиг.2, 4, 6 и 8, впускные и выпускные коллекторы выполнены с чередованием (встречно-гребенчатая конструкция). Охлаждающий элемент 310 дополнительно ограничивает ряд милликаналов 16, обеспечивающих прием хладагента из впускных коллекторов и подачу хладагента к выпускным коллекторам. Милликаналы 16, а также впускной и выпускной коллекторы 12, 14 дополнительно обеспечивают непосредственное охлаждение одной контактной поверхности 22, 24 корпуса 20 электронного устройства, верхней или нижней, благодаря непосредственному контакту с хладагентом, так что данный теплоотвод выполнен в виде единого целого. Более конкретно, коллекторы 12, 14 и милликаналы 16 расположены вблизи соответствующей одной контактной поверхности 22, 24, верхней или нижней, для охлаждения соответствующей поверхности благодаря непосредственному контакту с хладагентом. В соответствии с более конкретными вариантами выполнения милликаналы 16 и впускные коллекторы 12, 14 обеспечивают равномерную подачу хладагента к соответствующей одной контактной поверхности 22, 24 охлаждаемого корпуса электронного устройства, верхней или нижней.
Таким образом, теплоотвод 300 выполнен в виде интегральной части корпуса 20, то есть теплоотвод 300 охлаждает корпус 20 благодаря непосредственному контакту с хладагентом. Другими словами, милликаналы 16, а также коллекторы 12, 14 выполненного в виде единого целого теплоотвода 300 открыты на стороне, обращенной к корпусу 20, так что хладагент, проходящий через милликаналы 16, может входить в непосредственный контакт с корпусом 20. Такое расположение является определенным улучшением по сравнению с изолированными теплоотводами предшествующего уровня техники, в которых хладагент заключен внутри теплоотвода и, таким образом, должен охлаждать данные устройства опосредованно через корпус теплоотвода. Вследствие устранения этих дополнительных термостойких слоев предложенный выполненный в виде единого целого теплоотвод 300 обеспечивает усиленное охлаждение силовых устройств.
Охлаждающий элемент 310 может быть выполнен с использованием различных теплопроводных материалов, к неограничивающим примерам которых относятся медь, алюминий, никель, молибден, титан, их сплавы, композиционные материалы с металлической матрицей, такие как карборунд с алюминиевой матрицей (AlSiC), графит, содержащий алюминий, и керамика, например, керамика из нитрида кремния. Охлаждающий элемент может быть выполнен литьем и/или механической обработкой. Например, охлаждающий элемент 310 может быть выполнен способом литья, а затем обработан механическим способом для дополнительного обеспечения точных характеристик и удовлетворения требований к поверхности.
К неограничивающим примерам хладагента относятся деионизированная вода и другие не проводящие электрический ток жидкости.
В конкретных вариантах выполнения коллекторы 12, 14 имеют относительно больший диаметр по сравнению с милликаналами 16. В одном неограничивающем примере ширина милликаналов составляет от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 2,0 мм, а глубина - от приблизительно 0,5 мм до приблизительно 2 мм. В частности, диаметр каналов может быть задан таким, чтобы обеспечивать равномерное распределение давления на полупроводник. При создании более равномерного распределения давления на полупроводник характеристики данного полупроводника не ухудшаются. Далее, следует отметить, что милликаналы 16 и коллекторы 12, 14 могут иметь сечение различной формы, включая, но, не ограничиваясь этим, закругленную, круговую, трапецеидальную, треугольную и квадратную/прямоугольную форму поперечного сечения. Форму каналов выбирают, исходя из ограничений, налагаемых областью применения и производством, а также воздействия применяемых способов производства, а также потока хладагента. Положительный эффект от выполнения милликаналов 16 в теплоотводе 10 заключается в существенном увеличении площади поверхности отведения тепла от полупроводникового устройства 20 к хладагенту.
В показанных схемах расположения впускные и выпускные коллекторы 12, 14 имеют круговое расположение (в данном описании также упоминается как осевое направление), а милликаналы 16 имеют радиальное расположение. В другом примере (который не показан) впускные и выпускные коллекторы 12, 14 имеют радиальное расположение, а милликаналы 16 имеют круговое расположение (в осевом направлении). Следует понимать, что используемые в данном описании формулировки «круговое расположение» и «расположение в осевом направлении» охватывают как изогнутые, так и прямые "круговые" проходы (либо коллекторов, либо милликаналов, в зависимости от варианта выполнения), соединяющие радиальные проходы (милликаналов или коллекторов, в зависимости от варианта выполнения).
В показанных на Фиг.2 и 4 схемах расположения охлаждающий элемент 310 дополнительно ограничивает канавку 302 для размещения уплотнительной прокладки 304 (см. Фиг.7), например, уплотнительного кольца. Как показано на Фиг.7, прокладка 304 используется для герметичного прикрепления теплоотвода 300 к смежному корпусу 20 электронного устройства. Например, как показано на Фиг.6, подача хладагента к теплоотводу 300 выполняется через впускную камеру 3. Затем данный хладагент проходит во впускные коллекторы 12 (концентрические перемежающиеся секции милликаналов) через впускные отверстия 11, как показано на Фиг.6. После прохождения через милликаналы 16 (см. Фиг.2 или 4) хладагент выпускается из выпускных коллекторов 14 (другие концентрические перемежающиеся секции милликаналов) через выпускные отверстия 13 выпускной камеры 5, как, например, показано на Фиг.6.
Фиг.3 показывает поперечное сечение радиального канала 16, например, радиального милликанала. Фиг.4 показывает конструкцию, обеспечивающую увеличенное количество радиальных каналов, способствующее уменьшению падения давления с соответствующим улучшением эффективности охлаждения. Более конкретно, в примере схемы расположения, показанном на Фиг.4, количество радиальных каналов около периферии охлаждающего элемента 310 превышает количество радиальных каналов около его центра. Такая схема расположения допускает введение дополнительных радиальных каналов при заданных ограничениях, налагаемых занимаемым пространством и механической обработкой.
Положительный эффект от выполнения милликаналов и впускных/выпускных коллекторов в одном охлаждающем элементе 310, как показано, например, на Фиг.2-4, заключается в упрощении процесса сборки. В частности, использование одного охлаждающего элемента 310 исключает необходимость в скреплении двух компонентов. Вместо этого, теплоотвод 300 может быть герметично прикреплен к смежному корпусу 20 с помощью прокладки 304, например, узла уплотнительного кольца, который обеспечивает надежную и простую герметизацию между смежными компонентами.
В иллюстративных вышеописанных вариантах выполнения со ссылкой на Фиг.1-4, верхняя контактная поверхность 22 и нижняя контактная поверхность 24 могут иметь в поперечном сечении круговую форму, а охлаждающий элемент 310 может иметь цилиндрическую форму (т.е. форму диска или хоккейной шайбы). Однако возможно использование других геометрических форм, включая, без ограничения, квадратные и прямоугольные формы поперечных сечений. В изображенном на Фиг.1 примере корпус 20 является плоским корпусом 20. Несмотря на то, что данное изобретение не ограничивается какой либо конструкцией устройства, последующие примеры конструкции плоского корпуса приведены с иллюстративной целью. В данном примере плоский корпус 20 содержит по меньшей мере одно полупроводниковое устройство 21, выполненное на подложке 23, верхнюю и нижнюю пластины 25, 27 с согласованным коэффициентом теплового расширения (КТР), и верхний и нижний электроды 28, 29. Подложка 23 расположена между КТР пластинами 25, 27, верхний электрод 28 расположен над верхней КТР пластиной 25, а нижняя КТР пластина 27 расположена над нижним электродом 29, как показано, например, на Фиг.1. Для данного варианта выполнения плоского корпуса каждая подложка 23, КТР пластины 25, 27 и электроды 28, 29 могут иметь круговое поперечное сечение. К неограничивающим примерам полупроводниковых устройств относятся IGCT, GTO и IGBT. Данное изобретение находит применение в полупроводниковых устройствах, изготовляемых из различных полупроводников, неограничивающими примерами которых являются кремний (Si), карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN) и арсенид галлия (GaAs). Плоский корпус обычно содержит изолирующий (например, керамический) корпус 26, как показано на Фиг.1. Несмотря на то, что на Фиг.1 показаны теплоотводы, проходящие снаружи корпуса 26, в других вариантах выполнения охлаждающие элементы 310 теплоотводов 300 расположены внутри корпуса 26. Кроме того, электроды 28, 29 могут проходить вертикально за пределы корпуса 26, например, с соответствующим уплотнением, расположенным между наружной периферией электродов 28 (и 29) и корпусом 26. Дополнительно, теплоотводы 300 могут выходить из корпуса (как показано) для обеспечения электрических соединений и для установки других устройств, для которых требуется охлаждение. Таким образом, охлаждающие элементы 310 могут иметь диаметр, превышающий диаметр корпуса 26.
Теплоотвод 300 может быть односторонним или двусторонним. Например, в схеме расположения, изображенной на Фиг.5, верхний и нижний теплоотводы 300 изображены в виде односторонних теплоотводов, тогда как промежуточный теплоотвод 300 является двусторонним. Двусторонний теплоотвод выполнен с возможностью непосредственного охлаждения нескольких (в частности, двух) корпусов 20 электронных устройств. Как показано на Фиг.5, при двустороннем теплоотводе 300 охлаждающий элемент 310 имеет первую поверхность 2 и вторую поверхность 4. Первая подгруппа милликаналов 16, впускные коллекторы 12 и выпускные коллекторы 14 выполнены на первой поверхности 2 охлаждающего элемента 310. (См., например, схему расположения на Фиг.2 и 4). Аналогично, вторая подгруппа милликаналов 16, впускные коллекторы 12 и выпускные коллекторы 14 выполнены на второй поверхности 4 охлаждающего элемента 310. (См., например, схему расположения на Фиг.2 и 4). Первая подгруппа милликаналов выполнена с возможностью непосредственного охлаждения верхней контактной поверхности 22 одного из корпусов 20 благодаря непосредственному контакту с хладагентом, а вторая подгруппа милликаналов выполнена с возможностью непосредственного охлаждения нижней контактной поверхности 24 другого из корпусов 20 благодаря непосредственному контакту с хладагентом.
Фиг.8 изображает смещенное расположение коллекторов для двустороннего теплоотвода. Как показано на Фиг.8, впускные коллекторы 12 в первой подгруппе расположены со смещением относительно впускных коллекторов во второй группе. Аналогично, выпускные коллекторы 14 в первой подгруппе расположены со смещением относительно выпускных коллекторов во второй группе. Более конкретно, впускные коллекторы в первой подгруппе расположены напротив выпускных коллекторов во второй подгруппе. Аналогично, выпускные коллекторы в первой подгруппе расположены напротив впускных коллекторов во второй подгруппе. Такая схема расположения со смещением обладает рядом преимуществ. При расположении коллекторов, переносящих нагретую текучую среду (выпускные коллекторы) на первой охлаждающей поверхности, напротив коллекторов, переносящих холодную текучую среду (выпускные коллекторы) на второй охлаждающей поверхности, в коллекторах достигается лучшее «рассеяние тепла» по сравнению со случаем расположенных на одной линии впускных и выпускных коллекторов. Кроме того, схема расположения со смещением улучшает скорость и распределение давления хладагента, что в совокупности способствуют улучшению эксплуатационных качеств теплоотвода.
Положительный эффект такого решения заключается в том, что теплоотводы 300 обеспечивают улучшенную передачу тепла по сравнению с обычным охлаждением силовых устройств. Традиционные теплоотводы не выполнены за единое целое с частью плоских корпусов, а являются автономными, поэтому хладагент не входит в контакт с силовыми устройствами, а заключен внутри теплоотвода. Таким образом, традиционные теплоотводы содержат корпусы, которые, как правило, присоединены к плоским корпусам посредством слоев термостойкой смазки, которая увеличивает тепловое сопротивление. Соответственно, традиционные теплоотводы содержат дополнительные термостойкие слои (корпус), которые затрудняют передачу тепла. В противоположность этому теплоотводы 300, являясь интегральной частью плоских корпусов, выполняют непосредственное охлаждение силовых устройств благодаря непосредственному контакту с хладагентом с усилением, таким образом, передачи тепла. Кроме того, чередующиеся впускные и выпускные каналы обеспечивают равномерную подачу хладагента к поверхности охлаждаемых устройств, а милликаналы увеличивают площадь поверхности отвода тепла от силового устройства к хладагенту в данном выполненном в виде единого целого теплоотводе. В вариантах выполнения, показанных на Фиг.1-4, теплоотводы 300 выполнены с возможностью использования с существующими корпусами 20 электронных схем, такими, как плоские корпусы 20. Соответственно, теплоотводы 300 могут использоваться для интегрального охлаждения силовых устройств в обычных плоских корпусах без модификации корпусов устройств. Кроме того, включение милликаналов и впускных/выпускных коллекторов в один охлаждающий элемент 310 упрощает процесс сборки.
Вариант выполнения обеспечивающего охлаждение и компоновку блока 100 согласно данному изобретению описан со ссылкой на Фиг.5. Данный блок 100 содержит по меньшей мере один теплоотвод 300, содержащий охлаждающий элемент 310, ограничивающий ряд впускных коллекторов 12, выполненных с возможностью впуска хладагента, ряд выпускных коллекторов 14, выполненных с возможностью выпуска хладагента, и ряд милликаналов 16, выполненных с возможностью приема хладагента от впускных коллекторов и подачи хладагента к выпускным коллекторам. Поскольку теплоотводы 300 были рассмотрены выше, то описание различных деталей различных вариантов выполнения данного теплоотвода, соответственно, не будет повторяться. Блок 100 дополнительно содержит по меньшей мере один корпус 20 электронного устройства, содержащий верхнюю контактную поверхность 22 и нижнюю контактную поверхность 24. Коллекторы 12, 14 и милликаналы 16 расположены вблизи соответствующей одной контактной поверхности 22, 24, верхней или нижней, с возможностью непосредственного охлаждения соответствующей поверхности благодаря непосредственному контакту с хладагентом, так что данный теплоотвод выполнен в виде единого целого.
Иллюстративные материалы для теплоотвода 300 рассмотрены выше. Впускной и выпускной коллекторы 12, 14 были рассмотрены выше со ссылкой на Фиг.2, 6 и 8. В варианте выполнения, показанном на Фиг.6, подача хладагента к теплоотводам 300 выполняется через впускную камеру 3, а выпуск осуществляется через выпускную камеру 5. Различные конфигурации милликаналов 16 рассмотрены выше со ссылкой на Фиг.2-4. Сравнительные схемы расположения данных коллекторов и милликаналов рассмотрены выше со ссылкой на Фиг.2 и 4. В одном варианте выполнения впускные и выпускные коллекторы 12, 14 имеют радиальное расположение, а милликаналы 116 имеют круговое расположение (или, в более общем случае, в осевом направлении). В показанных на Фиг.2 и 4 вариантах выполнения милликаналы 16 имеют радиальное расположение, а впускные и выпускные коллекторы 12, 14 имеют круговое расположение.
С целью усиления охлаждения в теплоотводах 300 в блоке 100 может использоваться конструктивное решение милликаналов, показанное на Фиг.4. Как изложено выше, Фиг.4 изображает конструктивное решение, обеспечивающее увеличение количества радиальных каналов, которое способствует уменьшению падения давления с соответствующим улучшением эффективности охлаждения. Более конкретно, в примере схемы расположения, показанном на Фиг.4, количество радиальных каналов около периферии охлаждающего элемента 310 превышает количество радиальных каналов около его центра. Такое расположение допускает введение дополнительных радиальных каналов при заданных ограничениях, налагаемых занимаемым пространством и механической обработкой.
Пример схемы расположения, показанный на Фиг.5, иллюстрирует охлаждающую конструкцию с односторонними верхним и нижним теплоотводами 300 и двусторонним промежуточным теплоотводом 300. В показанном варианте выполнения блок 100 содержит несколько теплоотводов 300 и несколько корпусов 20. Как показано, теплоотводы 300 и корпусы 20 расположены с чередованием. Более конкретно, и как отмечено выше, в варианте выполнения, показанном на Фиг.5, по меньшей мере один из теплоотводов 300 выполнен в виде двустороннего теплоотвода. Данный двусторонний теплоотвод содержит охлаждающий элемент 310, имеющий первую поверхность 2 и вторую поверхность 4. Первая подгруппа милликаналов 16, впускные коллекторы 12 и выпускные коллекторы 14 выполнены на первой поверхности 2 охлаждающего элемента 310. Аналогично, вторая подгруппа милликаналов 16, впускные коллекторы 12 и выпускные коллекторы 14 выполнены на второй поверхности 4 охлаждающего элемента 310. Первая подгруппа милликаналов 16 выполнена с возможностью охлаждения хладагентом верхней контактной поверхности 22 одного из корпусов 20 электронных устройств. Аналогично, вторая подгруппа милликаналов 16 выполнена с возможностью охлаждения хладагентом нижней контактной поверхности 24 другого из корпусов 20. Как изложено выше со ссылкой на Фиг.8, для дополнительного улучшения характеристик теплоотвода в двустороннем теплоотводе расположение впускных и выпускных коллекторов может быть выполнено со смещением.
В блоке 100 теплоотвод 300 (теплоотводы) герметично прикреплен (прикреплены) к соответствующей одной контактной поверхности 22, 24 корпуса 20, верхней или нижней, так что хладагент, проходящий через милликаналы, непосредственно охлаждает соответствующую одну контактных поверхностей корпуса 20, верхнюю или нижнюю, благодаря ее непосредственному контакту с хладагентом. В показанной на Фиг.2 и 7 иллюстративной схеме расположения каждый охлаждающий элемент 310 дополнительно ограничивает по меньшей мере одну канавку 302. Как показано, например, на Фиг.7 блок 100 дополнительно содержит по меньшей мере одну уплотнительную прокладку 304, помещенную в канавку 302 (канавки) для герметичного прикрепления теплоотвода 300 к соответствующему корпусу 20 (корпусам). В конкретных вариантах выполнения прокладка 304 выполнена в виде уплотнительного кольца. Положительный эффект от такого процесса монтажа заключается в его относительной простоте и надежности, который требует незначительного количества производственных этапов и исключает необходимость в более сложных способах монтажа, например, пайке или других способах прикрепления с использованием металла.
Следует отметить, что конкретная схема расположения, показанная на Фиг.5, является чисто иллюстративной, при этом блок 100 может содержать любое количество корпусов 20 и соответствующих теплоотводов 300, обеспечивающих их охлаждение. Один из многих положительных эффектов данного изобретения заключается в гибкости и модульном принципе охлаждения требуемого количества корпусов устройств.
В иллюстративных вышеописанных вариантах выполнения со ссылкой на Фиг.5 каждая из контактных поверхностей 22 и 24, верхняя и нижняя, может иметь в поперечном сечении круговую форму, а каждый охлаждающий элемент 310 может иметь цилиндрическую форму (т.е. форму диска или хоккейной шайбы). Однако, как отмечено выше, возможно использование других геометрических форм, включая, без ограничения, квадратные и прямоугольные формы поперечных сечений. В соответствии с более конкретными вариантами выполнения корпус 20 является плоским корпусом 20. Как отмечено выше, данное изобретение не ограничивается какой-либо конкретной конструкцией устройства. Однако, следующий пример конструкции плоского корпуса приведен для иллюстративных целей. В данном примере плоский корпус 20 содержит по меньшей мере одно полупроводниковое устройство 21, выполненное на подложке 23, как показано, например, на Фиг.1. Плоский корпус 20 дополнительно содержит верхнюю и нижнюю пластины 25, 27 с согласованным коэффициентом теплового расширения (КТР), и верхний и нижний электроды 28, 29, как, например, показано на Фиг.1. Подложка 23 расположена между КТР пластинами 25, 27. Верхний электрод 28 расположен над верхней КТР пластиной 25, а нижняя КТР пластина 27 расположена над нижним электродом 29. Каждая подложка 23, КТР пластины 25, 27 и электроды 28, 29 имеют круговое поперечное сечение. В показанных вариантах выполнения плоского корпуса блок 100 дополнительно содержит изолирующий (например, керамический) корпус 26, как показано, например, на Фиг.1 и 5. Несмотря на то, что на Фиг.1 и 5 показаны теплоотводы, проходящие снаружи корпуса 26, в других вариантах выполнения охлаждающие элементы 310 теплоотводов 300 расположены внутри корпуса 26, как изложено выше.
Положительный эффект такого решения заключается в том, что блок 100 выполняет улучшенную передачу тепла по сравнению с традиционным охлаждением силовых устройств, с надежной и простой герметизацией. Например, данный теплоотвод может быть герметично прикреплен к смежным корпусам устройств с помощью относительно простых узлов уплотнительных колец. Кроме того, в конкретных вариантах выполнения передача тепла может быть усилена за счет контактного воздействия хладагента непосредственно на верхнюю и нижнюю контактные поверхности 22, 24 плоского корпуса 20. Далее, путем размещения узких и глубоких милликаналов 16 непосредственно под силовыми устройствами, поверхность, отводящая тепло от места контакта данного устройства с жидкостью, может быть максимально увеличена. По сравнению с обычным пакетным узлом в устройствах в плоских корпусах и теплоотводов с жидкостным охлаждением значительно снижено термическое сопротивление при относительно малом падении давления и расходе. При достижении относительно высокой скорости потока с малым падением давления охлаждение усиливается.
Благодаря более высокой надежности и большему диапазону работоспособности, которые обусловлены улучшенными тепловыми характеристиками, теплоотвод 300 и блок 100 являются особенно востребованными для областей применения, в которых требуется высокая надежность, как, например, в приводах, предназначенных для отраслей, связанных с нефтяной и газовой промышленностью, сжижением природного газа, в приводах для трубопроводов, системах перекачки и распределения нефти и газа под водой и приводов. Кроме того, теплоотвод 300 и блок 100 могут использоваться в различных областях применения, к неограничивающим примерам которых относятся системы большой мощности, например, прокатные станы на металлургических заводах, мельницы и валки для протяжки в бумагоделательном производстве и т.д.
Несмотря на то, что в данном документе проиллюстрированы и описаны только некоторые свойства данного изобретения, специалистам в данной области техники будут очевидны многочисленные модификации и изменения. Поэтому, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения распространяется на все подобные модификации и изменения, как подпадающие под сущность данного изобретения.
Спецификация элементов
| Первая поверхность теплоотвода | (2) |
| Впускная камера | (3) |
| Вторая поверхность теплоотвода | (4) |
| Выпускная камера | (5) |
| Теплоотвод | (10) |
| Впускные отверстия | (11) |
| Впускные коллекторы | (12) |
| Выпускные отверстия | (13) |
| Выпускные коллекторы | (14) |
| Милликаналы | (16) |
| Корпус электронного устройства (плоский корпус) | (20) |
| Полупроводниковое устройство | (21) |
| Верхняя контактная поверхность | |
| корпуса электронного устройства | (22) |
| Подложка | (23) |
| Нижняя контактная поверхность | |
| корпуса электронного устройства | (24) |
| Верхняя пластина с согласованным коэффициентом теплового расширения (КТР) | (25) |
| Кожух плоского корпуса | (26) |
| Нижняя пластина с согласованным коэффициентом теплового расширения (КТР) | (27) |
| Верхний электрод | (28) |
| Нижний электрод | (29) |
| Обеспечивающий охлаждение и компоновку блок | (100) |
| Теплоотвод | (300) |
| Канавка для размещения уплотнительного кольца | (302) |
| Уплотнительная прокладка (уплотнительное кольцо) | (304) |
| Охлаждающий элемент | (310) |
1. Теплоотвод (300) для непосредственного охлаждения по меньшей мере одного корпуса (20) электронного устройства, имеющего верхнюю контактную поверхность (22) и нижнюю контактную поверхность (24), содержащий охлаждающий элемент (310), выполненный по меньшей мере из одного теплопроводящего материала и ограничивающий: впускные коллекторы (12), выполненные с возможностью впуска хладагента, выпускные коллекторы (14), выполненные с возможностью выпуска хладагента, причем впускные и выпускные коллекторы расположены с чередованием, и милликаналы (16), выполненные с возможностью приема хладагента из впускных коллекторов и подачи хладагента к выпускным коллекторам, причем милликаналы и впускные и выпускные коллекторы дополнительно выполнены с возможностью непосредственного охлаждения одной из контактных поверхностей корпуса электронного устройства, верхней или нижней, благодаря непосредственному контакту с хладагентом, так что указанный теплоотвод выполнен в виде единого целого.
2. Теплоотвод (300) по п.1, в котором впускные и выпускные коллекторы (12, 14) имеют радиальное расположение, а милликаналы (16) имеют круговое расположение.
3. Теплоотвод (300) по п.1, в котором милликаналы (16) имеют радиальное расположение, а впускные и выпускные коллекторы (12, 14) имеют круговое расположение.
4. Теплоотвод (300) по п.1, который предназначен для непосредственного охлаждения набора корпусов (20) электронных устройств и в котором охлаждающий элемент (310) имеет первую поверхность (2) и вторую поверхность (4), причем на первой поверхности (2) охлаждающего элемента выполнена первая подгруппа милликаналов (16), впускных коллекторов (12) и выпускных коллекторов (14), а на второй поверхности охлаждающего элемента выполнена вторая подгруппа милликаналов, впускных коллекторов и выпускных коллекторов, при этом первая подгруппа милликаналов, впускных и выпускных коллекторов выполнена с возможностью непосредственного охлаждения хладагентом верхней контактной поверхности одного из корпусов электронных устройств, а вторая подгруппа милликаналов, впускных и выпускных коллекторов выполнена с возможностью непосредственного охлаждения хладагентом нижней контактной поверхности другого из корпусов электронных устройств.
5. Теплоотвод (300) по п.4, в котором впускные коллекторы (12) в первой подгруппе расположены со смещением относительно впускных коллекторов во второй группе, а выпускные коллекторы (14) в первой подгруппе расположены со смещением относительно выпускных коллекторов во второй группе.
6. Теплоотвод (300) по п.1, в котором охлаждающий элемент (310) дополнительно ограничивает канавку (302) для размещения уплотнительной прокладки.
7. Теплоотвод (300) по п.1, в котором милликаналы (16) имеют радиальное расположение, а впускные и выпускные коллекторы (12, 14) имеют круговое расположение, причем количество радиальных каналов вблизи периферии охлаждающего элемента (310) превышает количество радиальных каналов вблизи его центра.
8. Блок (100), обеспечивающий охлаждение и компоновку, содержащий: по меньшей мере один теплоотвод (300), который содержит охлаждающий элемент (310), ограничивающий впускные коллекторы (12), выполненные с возможностью впуска хладагента, выпускные коллекторы (14), выполненные с возможностью выпуска хладагента, и милликаналы (16), выполненные с возможностью приема хладагента из впускных коллекторов и подачи хладагента к выпускным коллекторам, причем впускные и выпускные коллекторы выполнены с чередованием, и по меньшей мере один корпус (20) электронного устройства, имеющий верхнюю контактную поверхность (22) и нижнюю контактную поверхность (24), при этом коллекторы и милликаналы расположены вблизи соответствующей одной из контактных поверхностей, верхней или нижней, с возможностью непосредственного охлаждения соответствующей поверхности благодаря непосредственному контакту с хладагентом, так что данный теплоотвод выполнен в виде единого целого.
9. Блок (100) по п.8, содержащий набор теплоотводов (300) и набор корпусов (20) электронных устройств, при этом указанные теплоотводы и корпусы расположены с чередованием.
10. Блок (100) по п.9, в котором по меньшей мере один из теплоотводов (300) выполнен в виде двустороннего теплоотвода, содержащего охлаждающий элемент (310), имеющий первую поверхность (2) и вторую поверхность (4), причем на первой поверхности охлаждающего элемента выполнена первая подгруппа милликаналов (16), впускных коллекторов (12) и выпускных коллекторов (14), а на второй поверхности охлаждающего элемента выполнена вторая подгруппа милликаналов, впускных коллекторов и выпускных коллекторов, и первая подгруппа милликаналов, впускных и выпускных коллекторов выполнена с возможностью непосредственного охлаждения верхней контактной поверхности (22) одного из корпусов электронных устройств благодаря непосредственному контакту с хладагентом, а вторая подгруппа милликаналов, впускных и выпускных коллекторов выполнена с возможностью непосредственного охлаждения нижней контактной поверхности (24) другого из корпусов электронных устройств благодаря непосредственному контакту с хладагентом, при этом впускные коллекторы в первой подгруппе расположены со смещением относительно впускных коллекторов во второй группе, а выпускные коллекторы в первой подгруппе расположены со смещением относительно выпускных коллекторов во второй группе.
