Устройство для охлаждения полупроводниковых элементов

 

1i ц 683648

"А

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 16.09.77 (21) 2521807/18-25 (23) Приоритет — (32) 24.09.76 (51) M. Кл. Н OIL 23/36 осудерствеииый scoMwer (31) Р2643072.8 (33) ФРГ по делаM изogрeтoии„- (43) Оп б:rи ова-со 30.08.79. Бю.. е ень! 32 (53) УДК 621.382 (088.8) и открытий (45) Дата опубликования описания 30.08.79 (72) Автор изобретения

Иностранец

Хериберт Рюгер (ФРГ) Иностранная фирма

«Сименс АГ» (ФРГ) (71) Заявитель (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к устройствам для охлаждения полупроводниковых элементов, например тиристоров.

Известно устройство для охлаждения полупроводниковых элементов, в котором в полом цилиндре, закрытом с обеих сторон, соосно с ним установлен внутренний цилиндр, диаметр которого меньше внутреннего диаметра полого цилиндра. Внутренний цилиндр выполнен так, что путь потока охлаждающей жидкости между внутренним и полым цилиндрами, по существу, касателен к поверхности внутреннего цилиндра. Путь потока может быть при этом, например, спиральным. Вблизи обоих концов полого цилиндра предусмотрены отверстия для впуска и выпуска охлаждающей жидкости. Внутрепний цилиндр снабжен соосными отверстиями для крепления охлаждаемого полупроводникового элемента.

Это устройство пригодно для охлаждения ввинчиваемых полупроводниковых элементов, охлаждаемых с одной стороны. Оно имеет недостаток, заключающийся в том, что в осевом направлении устройства возникает температурный градиент. Кроме того, не все витки спирали эффективны для охлаждения, так как междт охлаждаемым полупроводниковым элементом и более удаленными витками относительно большое расстояние и тем самым создается высокое сопротивление теплопередаче. б Также известно устройство для охлаждения полупроводниковых элементов, например тиристоров, содержащее сердечник с размещенным в нем спиральным змеевиком для прохождения охлаждающей жид10 кости, концы которого выведены во впускное и выпускное отверстия, и имеющий две поверхности, вблизи KQ Top bIx проходят участки змеевика, предназначенные для теплопроводящего соединения с полупро16 водниковыми элементами (2).

В этом устройстве охлаждающая жидкость через впускное отверстие проходит через спиральный участок змеевика, расположенный вблизи одной теплопередающей

20 поверхности, затем идет к спиральному участку змеевика, расположенному вблизи другой теплопередающей поверхности. Таким образом, около теплопередающих поверхностей охлаждающая жидкость прохо26 дит с различной температурой, а также в пределах каждой поверхности имеет место температурный градиент, проходящий радиально. Вследствие этого не только по683648

65 разному охлаждаются тиристоры, пмеющпс тепловой контакт с обеими торцовыми поверхностямп, но и на каждой повсрхпоспi теплоотдачи между охлаждающим устройством и тирпстором имеет место непостоянное распределение температур.

Различие в охлаждении тиристоров на обеих торцовых поверхностях известного охлаждающего устройства особенно отрицательно сказывается при охлаждении нескольких установленных в столб тиристоров и может привести к тому, что с целью устранения тепловой перегрузки тиристоры будут работать только при мощности, которая меньше их допустимой предельной мощности.

Целью изобретения является уменьшение тепловых перегрузок путем обеспечения равномерного охлаждения полупроводниковых элементов.

Цель достигается тем, что змеевик состоит из двух спиралей, концы которых соединены таким образом, что обе спирали имеют вид бифилярной намотки с попеременно близко расположенными друг к другу витками спирали для противоположных направлений потока охлаждающей жидкости, причем участки змеевика, расположенные вблизи поверхностей, предназначенных для теплопроводящего соединения с полупроводниковыми элементами, проходят, по крайней мере частично, по прямой линии.

Кроме того, цель достигается тем, что змеевик выполнен из металла, например из нержавеющей стали, а также тем, что сердечник выполнен из алюминия, или тем, что сердечник выполнен из алюминиевого сплава.

На фиг. 1 схематично показан спиральный бифилярно намотанный змеевик; на фиг. 2 — то же, вид сверху.

Устройство содержит спиральной формы бифилярно намотанный змеевик 1 с впускным штуцером 2 и выходным штуцером 3.

Змеевик 1 вмонтирован в сердечник 4 из геплопроводящего материала, который обозначен штрих-пунктирной линией.

На фиг. 1 направление втекающего потока жидкости обозначено стрелкой А, а вытекающего потока — стрелкой В. На фиг. 1 видно, что витки спирали A и В поочередно чередуются. Этим самым рядом расположенные витки спирали попеременно заполняются горячей и холодной охла>кдающей жидкостью, поддерживая, по крайней мере приближенно, постоянное среднее значение температуры по всей спирали.

На фиг. 2 показан вид сверху спирали змеевика 1 в направлении впускного штуцсра 2 н выпускного штуцера 3. На фиг. 2 показано, что в сердечнике 4 находятся две плоскости 5 и 6, причем каждая плоскость расположена вблизи одной из торцовых плоскостей 7 и 8, которые предусмотрены для теплопроводящего соединения с тири5

50 стором. Отдельные участки 9 и 10 змеевика 1, ко" îðûå проходят в плоскостях 5 и 6, по существу проходят по прямой линии, так что достигается равномерное охлаждение торцовых поверхностей 7 и 8, одинаковое для обоих торцовых поверхностей без появления на их градиента температуры. Благодаря прямолинейному ходу участков 9 и

10 спиральной формы змеевик 1 принимает в плоскостях 5 и 6 сплющенную форму.

Из фиг. 1 и 2 видно, что в приведенном примере исполнения исключен поворот змеевика 1 для бифилярной намотки в конце спирали на 360 . Такой сильный поворот мог привести как к технологическим трудностям, так и к сложности условий для протекания охладителя. В примере исполнения по фиг. 1 и 2 поворот (точка 11) осуществляется на участке 12, который соединяет друг с другом на конце спирали участки 9 и 10, которые лежат в плоскостях 5 и 6.

Этим самым реализуется существенно меньшая кривизна поворота 11.

Выполнением змеевика в виде бифилярной намотки достигается то, что по расположенным рядом спиральным виткам с противоположным направлением потока проходит холодная и горячая охлаждающая жидкость. Тем самым средняя температура остается постоянной по всей спирали и на обеих торцОвых повсрхностях, служащих теплопередающими поверхностями, и поэтому осуществляется равномерное охлаждение тиристоров, закрепленных на этих поверхностях охлаждающего устройства, кроме того, в торцовых поверхностях не возникает температурный градиент.

Материал сердечника может быть теплопроводящим синтетическим материалом.

Преимущественно сердечник изготавливают из металла, причем особенно пригоден алюминий или сплав алюминия, например сплав алюминия — кремния — магния, благодаря чему получают хорошую теплопроводность и тем самым малое тепловое сопротивление в сердечнике.

Змеевик преимущественно изготавливают из стойкого к коррозии металла, например из нержавеющей стали, допустим сталь с содержанием хрома, никеля и титана.

Благодаря этому можно применять охлаждающие жидкости с окислительным действием.

Формула изобретения

1. Устройство для охлаждения полупроводниковых элементов, например тиристоров, содержащее сердечник из теплопроводящего материала с размещенным в нем спиральным змеевиком для прохождения охлаждающей жидкости, концы которого выведены во впускное и выпускное отверстия, и имеющий две поверхности, вблизи которых проходят участки змеевика, пред683648

В,г о

Диг. Я (Риг 1

Составитель А. Прохорова

Техред Н. Строганова

Корректор Л. Брахнииа

Редактор Н, Коляда

Заказ 2373 17 Изд. № 492 Тираж 969 Подписное

11ПО «Поиск>. Государствен ого комитета СССР ио делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35. Раугиская наб., д. 1/5

Типография, ир. Сапунова, 2 назначенные для теплопроводящего соединения с полупроводниковыми элементами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения тепловых перегрузок путем обеспечения равномерного охлаждения полупроводниковых элементов, змеевик состоит из двух спиралей, концы которых соединены таким образом, что обе спирали имеют вид бифилярной намотки с попеременно близко расположенными друг к другу витками спирали для противоположных направлений потока охлаждающей жидкости, причем участки змеевика, расположенные вблизи поверхностей, предназначенных для теплопроводящего сосдинения с полупроводниковыми элементами, проходят, по крайней мере частично, по прямой линии.

5 2. Устройство по п. 1, отличающеес я тем, что змеевик выполнен из металла, например пз нержавеющей стали.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что сердечник выполнен из

1Î алюминия.

4. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что сердечник выполнен из алюминиевого сплава.