Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов



Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов
Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов
Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов
Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов

 


Владельцы патента RU 2548052:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва" (RU)

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может использоваться в статистических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов и модулей. Сущность изобретения достигается тем, что устройство включает термосифон, содержащий конденсатор с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединенный с испарителем, заполненным жидким промежуточным теплоносителем. Испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, а сверху над конденсатором расположен паровой коллектор. Дополнительно содержит второй идентичный термосифон. В испарителях расположены внутренние вертикальные ребра. Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка. В каждом термосифоне трубчатый конденсатор состоит из пучка вертикальных трубок, каждая из которых имеет внутреннее спиралевидное ребро. Сверху к паровым коллекторам термосифонов жестко прикреплены клапаны избыточного давления. Количество вертикальных трубок и геометрические размеры вертикальных трубок в пучке трубчатого конденсатора одного термосифона определяется по формуле. Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка из пресс-материала определенных размеров. Испарители термосифонов заполнены жидким промежуточным теплоносителем, перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости. Каждая вертикальная трубка трубчатого конденсатора имеет внутреннее спиралевидное ребро, высота которого определяется по формуле. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждающего устройства, улучшить технологичность изготовления, снизить материалоемкость устройства, дифференцировать конструкцию устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП). 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может использоваться в статистических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов и модулей.

Известно охлаждающее устройство для силовых полупроводниковых приборов (СПП) на основе цельнометаллических алюминиевых прессованных профилей (см. Охладители воздушных систем охлаждения для полупроводниковых приборов. - М.: Информэлектро, 2000, с.31).

Однако такие конструкции обладают низкой эффективностью теплоотвода и большей материалоемкостью.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство охлаждения силовых полупроводниковых приборов таблеточного типа на основе двухфазного термосифона (ДТС), состоящего из отрезка прессованного профиля из алюминиевого сплава с внешним оребрением и внутренними каналами, являющегося конденсатором, и испарителя из алюминиевого сплава, соединяемого с конденсатором сваркой. Испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, вверху конденсатора расположен паровой коллектор. Устройство частично заполнено жидким промежуточным теплоносителем (Исакеев А.И. и др. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. - Л.: Энергоиздат, 1982, с.103-105).

Недостатком данной конструкции является низкая технологичность изготовления из-за большего количества сварных соединений между конденсатором и испарителем, высокая материалоемкость.

Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства, улучшении технологичности изготовления, снижении материалоемкости устройства, дифференцировании конструкции устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП).

Сущность изобретения достигается тем, что в устройстве для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающем термосифон, содержащий конденсатор с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединенный с испарителем, заполненным жидким промежуточным теплоносителем. Испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, а сверху над конденсатором расположен паровой коллектор. Дополнительно содержит второй идентичный термосифон. В испарителях расположены внутренние вертикальные ребра. Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка. В каждом термосифоне трубчатый конденсатор состоит из пучка вертикальных трубок, каждая из которых имеет внутреннее спиралевидное ребро. Сверху к паровым коллекторам термосифонов жестко прикреплены клапаны избыточного давления. Количество вертикальных трубок и геометрические размеры вертикальных трубок в пучке трубчатого конденсатора одного термосифона определяются следующими соотношениями:

N=ΣSконд/Sконд,

где N - количество вертикальных трубок в трубчатом конденсаторе одного термосифона, шт.;

ΣSконд - общая внутренняя площадь трубчатого конденсатора всех вертикальных трубок одного термосифона, м2;

Sконд - внутренняя площадь конденсации одной вертикальной трубки с учетом спиралевидного ребра м2;

Рспп - мощность тепловых потерь, отводимая от СПП, Вт;

αконд - коэффициент теплоотдачи при конденсации в зависимости от типа промежуточного теплоносителя, Вт/(м2·°С);

Ts - температура насыщения промежуточного теплоносителя, °С;

Tc - температура внутренней поверхности вертикальных трубок трубчатого конденсатора, °С;

Sop - площадь внешней поверхности оребрения одного трубчатого конденсатора, м2;

αконд - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности к охлаждаемому воздуху в зависимости от скорости воздуха, Вт/(м2·°С);

Tcf - температура охлаждающего воздуха, °С;

Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка из пресс-материала следующих размеров:

(А+40)(В+40)5,

где А - высота трубчатого конденсатора, мм;

В - ширина трубчатого конденсатора, мм.

Испарители термосифонов заполнены жидким промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости.

Каждая из вертикальных трубок трубчатого конденсатора имеет внутреннее спиралевидное ребро, высота которого определяется следующим образом:

h=(0.1÷0.2)dвн,

где h - высота спиралевидного ребра, мм;

dвн - внутренний диаметр вертикальных трубок трубчатого конденсатора, мм.

На фиг.1 изображена конструкция устройства, на фиг.2 - устройство, вид сбоку.

Устройство (фиг.1) состоит из двух одинаковых термосифонов, каждый из которых содержит испаритель 1 с внутренними вертикальными ребрами 2 (фиг.2). Трубчатый конденсатор 3 (фиг.1) состоит из пучка вертикальных трубок 4 с единым внешним оребрением 5. Снизу вертикальные трубки 4 соединены с испарителем 1 с помощью расходного коллектора 6. Сверху вертикальные трубки 4 соединены между собой паровым коллектором 7. Каждая из вертикальных трубок 4 имеет внутреннее спиралевидное ребро 8. Испаритель 1 (фиг.2) каждого термосифона частично заполнен жидким промежуточным теплоносителем 9, перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра 2 находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости. Вверху каждого термосифона (фиг.1) в паровом коллекторе 7 расположен клапан 10 избыточного давления. Между трубчатыми конденсаторами 3 термосифонов установлена изоляционная вставка 11. Количество вертикальных трубок 4 в пучке трубчатого конденсатора 3 и геометрические размеры (фиг.2) вертикальных трубок 4 каждого термосифона определяются следующими соотношениями:

N=ΣSконд/Sконд,

где N - количество вертикальных трубок 4 в трубчатом конденсаторе 3 одного термосифона, шт.;

ΣSконд - общая внутренняя площадь трубчатого конденсатора 3 всех вертикальных трубок 4 одного термосифона, м2;

Sконд - внутренняя площадь конденсации одной вертикальной трубки 4 с учетом спиралевидного ребра 8, м2;

Рспп - мощность тепловых потерь, отводимая от СПП, Вт;

αконд - коэффициент теплоотдачи при конденсации в зависимости от типа промежуточного теплоносителя 9, Вт/(м2·°С);

Ts - температура насыщения промежуточного теплоносителя 9, °С;

Tc - температура внутренней поверхности вертикальных трубок 4 трубчатого конденсатора 3, °С;

Sop - площадь внешней поверхности оребрения одного трубчатого конденсатора 3, м2;

αконв - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности 5 к охлаждаемому воздуху в зависимости от скорости воздуха, Вт/(м2·°С);

Tcf - температура охлаждающего воздуха, °С.

Изоляционная вставка 11 между трубчатыми конденсаторами 3 термосифонов выполнена из пресс-материала следующих размеров:

(А+40)(В+40)5,

где А - высота трубчатого конденсатора, мм;

В - ширина трубчатого конденсатора, мм.

Все элементы устройства выполнены из одинаковых материалов, например меди, алюминиевого сплава АД-31, латуни.

Каждая вертикальная трубка 4 трубчатого конденсатора 3 имеет внутреннее спиралевидное ребро 8, высота которого определяется следующим образом:

h=(0.1÷0.2)dвн,

где h - высота внутреннего спиралевидного ребра 8, мм;

dвн - внутренний диаметр вертикальных трубок 4 трубчатого конденсатора 3, мм.

Устройство работает следующим образом. При работе силового полупроводникового прибора 12 мощность тепловых потерь передается равномерно испарителям 1, внутренние вертикальные ребра 2 в которых нагреваются, жидкий промежуточный теплоноситель 9 закипает на поверхностях внутренних вертикальных ребер 2. Пары промежуточного теплоносителя 9 в каждом термосифоне поднимаются вверх и через расходный коллектор 6 поступают в трубчатый конденсатор 3. Пары промежуточного теплоносителя 9 равномерно распределяются по вертикальным трубкам 4 с помощью верхнего парового коллектора 7 и конденсируются на внутренних поверхностях вертикальных трубок 4 и внутренних спиралевидных ребрах 8. Кроме того, внутренние спиралевидные ребра 8 интенсифицируют стекания конденсата со стенок вертикальных трубок 4 в объем промежуточного теплоносителя 9. Тепловая мощность потерь через стенки вертикальных трубок 4 передается к внешнему оребрению 5 и далее за счет естественной или принудительной конвекции передается в окружающее пространство. Для эффективного кипения промежуточного теплоносителя 9, например перфтортриэтиламина, испарители термосифонов заполнены данной жидкостью таким образом, что 70-75% по высоте внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости. Для сбрасывания избыточного давления пара в вертикальных трубках 4 трубчатого конденсатора 3, которое может возникнуть вследствие краткосрочного аварийного скачка силового тока через СПП 12. Клапаны 10 избыточного давления настроены на срабатывание при повышении давления паров до 1,2-1,3 кг/см. Все это в целом значительно увеличивает эффективность работы устройства при охлаждении силовых полупроводниковых приборов.

По сравнению с известным устройством предлагаемое позволяет повысить эффективность охлаждающего устройства, улучшить технологичность изготовления, снизить материалоемкость устройства, дифференцировать конструкцию устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов.

В ОАО «Электропреобразователь» в июне-июле 2012 г. были проведены тепловые испытания макетов предлагаемого устройства, результаты которых превосходят на 40-50% результаты прототипов.

1. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающее термосифон, содержащий конденсатор с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединенный с испарителем, заполненным жидким промежуточным теплоносителем, испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, а сверху над конденсатором расположен паровой коллектор, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй идентичный термосифон, в испарителях которых расположены внутренние вертикальные ребра, между трубчатыми конденсаторами термосифонов вставлена изоляционная вставка, при этом в каждом термосифоне трубчатый конденсатор состоит из пучка вертикальных трубок, каждая из которых имеет внутреннее спиралевидное ребро, кроме того, сверху к паровым коллекторам термосифонов жестко прикреплены клапаны избыточного давления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество вертикальных трубок и геометрические размеры вертикальных трубок в пучке трубчатого конденсатора одного термосифона определяются следующими соотношениями:
N=ΣSконд/Sконд,
,
,
где N - количество вертикальных трубок в трубчатом конденсаторе одного термосифона, шт.;
ΣSконд - общая внутренняя площадь трубчатого конденсатора всех вертикальных трубок одного термосифона, м2;
Sконд - внутренняя площадь конденсации одной вертикальной трубки с учетом внутреннего спиралевидного ребра, м2;
Рспп - мощность тепловых потерь, отводимая от СПП, Вт;
αконд - коэффициент теплоотдачи при конденсации в зависимости от типа промежуточного теплоносителя, Вт/(м2·°С);
Ts - температура насыщения промежуточного теплоносителя, °С;
Тс - температура внутренней поверхности вертикальных трубок трубчатого конденсатора, °С;
Sop - площадь внешней поверхности оребрения одного трубчатого конденсатора, м2;
αконв - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности к охлаждаемому воздуху в зависимости от скорости воздуха, Вт/(м2·°С);
Tcf - температура охлаждающего воздуха, °С.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изоляционная вставка между термосифонами выполнена из пресс-материала следующих размеров:
(А+40)(В+40)5,
где А - высота конденсатора, мм;
В - ширина конденсатора, мм.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что испарители термосифонов заполнены жидким промежуточным теплоносителем, перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая вертикальная трубка трубчатого конденсатора имеет внутреннее спиралевидное ребро, высота которого определяется следующим образом:
h=(0.1÷0.2)dвн,
где h - высота ребра, мм;
dвн - внутренний диаметр вертикальных трубок трубчатого конденсатора, мм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной технике. Процесс изготовления многокристальных трехмерных ИС методом вертикальной сборки с применением технологии TSV включает в себя формирование в кристаллах на кремниевой пластине сквозных медных проводников с выступами над лицевой или тыльной стороной утоненных пластин.

Изобретение относится к электротехническим средствам обеспечения рабочих характеристик интегральных схем (ИС) в защищенной бортовой аппаратуре, в частности, микропроцессоров и микроконтроллеров, путем термостабилизации поверхности корпуса ИС.

Изобретение относится к охлаждающему устройству, использующему искусственные струи. Технический результат - улучшение активного охлаждения посредством принудительной конвекции.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для поддержания и регулирования температуры. Изобретение позволяет повысить быстродействие регулирования температуры при сохранении устойчивости микронагревателя к термоудару, его надежностных и ресурсных характеристик.

Группа изобретений относится к охлаждающему блоку мощного полупроводникового устройства (100). Блок содержит теплоотвод с активным охлаждением (102) и контроллер (208; 300), контроллер (208; 300) выполнен с возможностью регулирования эффективности охлаждения теплоотвода (102) в зависимости от температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, содержащегося в мощном полупроводниковом устройстве (100), причем контроллер (208; 300) выполнен с возможностью приема сигнала температуры, определяющего фактически измеренное значение температуры полупроводникового перехода, проводящего большой ток, при этом контроллер (208; 300) содержит модуль выбора, выполненный с возможностью выбора между режимом управления с обратной связью и режимом управления с упреждением для регулирования эффективности охлаждения.

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к регулировке температурных режимов теплонагруженных устройств, и может быть использовано в твердотельной и вакуумной электронике, в авиационном двигателестроении, а также других областях техники.

Изобретение относится к системам охлаждения и теплоотвода, например к устройствам для охлаждения компьютерного процессора. Технический результат - получение сверхнизких температур в процессе охлаждения и теплоотвода.

Изобретение относится к модулю полупроводникового преобразователя электроэнергии. Технический результат - создание модуля полупроводникового преобразователя электроэнергии с охлаждаемой ошиновкой (8) по меньшей мере двух модулей (2, 4) силовых полупроводниковых приборов, который можно нагружать электрически сильнее по сравнению со стандартным модулем полупроводникового преобразователя электроэнергии, при этом может выдерживаться допустимая температура для изоляционного слоя (32) и материала ламинирования ошиновки (8).

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к металлокерамической связанной подложке и, в частности, к объединенной подложке с жидкостным охлаждением, и к способу ее изготовления. Технический результат - уменьшение затрат на материалы и изготовление, и уменьшение изгиба (деформации формы), повышение прочности и теплоизлучающей производительности. Достигается тем, что объединенная подложка 1 с жидкостным охлаждением, в которой металлическая монтажная плата 15, изготовленная из алюминия или сплава алюминия, соединена с одной поверхностью керамической подложки 10, одна поверхность пластинчатой металлической базовой пластины 20, изготовленной из алюминия или сплава алюминия, соединена с другой поверхностью керамической подложки 10, и радиатор 30 жидкостного типа охлаждения, состоящий из экструзионного материала, соединен с другой поверхностью металлической базовой пластины 20, в которой отношение между толщиной t1 металлической монтажной платы 15 и толщиной t2 металлической базовой пластины 20 удовлетворяет t2/t1≥2, где толщина t1 металлической монтажной платы 15 составляет от 0,4 до 3 мм, а толщина t2 металлической базовой пластины 20 составляет от 0,8 до 6 мм. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 21 ил., 3 табл., 5 пр.

Изобретение имеет отношение в общем к силовой электронике, а более конкретно, к усовершенствованному охлаждению для силовой электроники. Заявленный теплоотвод (60, 70) для охлаждения по меньшей мере одного корпуса (20) электронного устройства включает нижнюю крышку (12), верхнюю крышку (14) и тело (16), сформированные по меньшей мере из одного теплопроводящего материала. Тело (16) расположено между нижней и верхней крышками (12, 14) и герметично соединено с ними, при этом оно ограничивает сужающуюся входную распределительную камеру (136), конфигурированную для приема хладагента, входные С-образные коллекторы (130), конфигурированные для приема хладагента из сужающейся распределительной входной камеры (136), и обратные выходные С-образные коллекторы (132), конфигурированные для выпуска хладагента. Входные и выходные коллекторы чередуются и расположены в круговой конфигурации. Выходные коллекторы проходят вокруг только части тела и заканчиваются рядом с противоположными сторонами (135, 137) входной камеры. Тело теплоотвода также ограничивает сужающуюся выходную камеру (138), конфигурированную для приема хладагента из выходных коллекторов, причем входные коллекторы проходят вокруг только части тела теплоотвода и заканчиваются рядом с противоположными сторонами (131, 133) сужающейся выходной камеры (138). Милликаналы (34) сформированы в теле теплоотвода или по меньшей мере в одной из крышек и конфигурированы для приема хладагента из входных коллекторов и подачи хладагента в выходные коллекторы. Милликаналы расположены радиально, при этом Милликаналы, входные коллекторы и выходные коллекторы конфигурированы так, чтобы охлаждать одну из верхней и нижней контактных поверхностей корпуса электронного устройства. Технический результат заключается в создании улучшенной конструкции теплоотводов, которые препятствуют протеканию хладагента на электронику во время сборки, разборки или обслуживания, а также которые позволяют использовать эффекты рассеяния тепла для улучшенного охлаждения силовой электроники, при этом обеспечены низкие производственные затраты и увеличенная теплопередача высокой надежности, а также большой рабочий запас. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение предназначено для осуществления направленного регулируемого отвода тепла в радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре и поддержания минимальной рабочей температуры теплонагруженных элементов - мощных ЭРИ, узлов, блоков и модулей, что приводит к значительному увеличению их сроков эксплуатации. Технический результат - создание регулируемого по отводу тепловой энергии устройства отвода тепла, содержащего термоэлектрические модули требуемых габаритов и мощности, соединенные нагреваемыми сторонами припоем или приклейкой на высокотеплопроводный клей с двух сторон с Т-образной гипертеплопроводящей системой и охлаждаемыми сторонами с двумя плоскими гипертеплопроводящими системами. На внешние стороны плоских гипертеплопроводящих систем устанавливаются мощные ЭРИ, узлы, блоки и модули для обеспечения теплоотвода и термопары, обеспечивающие регулирование отвода теплового потока за счет электрической обратной связи между термопарами и источниками питания термоэлектрических модулей. Устройство отвода тепла устанавливается и фиксируется на термоплите. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх