Устройство для охлаждения полупроводниковых элементов

 

О И И С А Al 9 k

ИЗОБРЕТЕНИЯ

r»r 697() 62

Союз Советских, Социалистических

Республик

{61) Дополнительный к патенту (51) И. Кл.

Н 01 Ь 23/36 (22) Заявлено 2609.77 (21) 2526350/18-25 (23) ()риоритет — (32) 27, 0 9 . 76 (31) 7156-76 (33) Австрия

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 382 (088,8) Опубликовано05.1179. Бюллетень ¹

Дата опубликования описаиия 05.11.79 (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Йозеф хирманн и хельмут Ноэдль (Австрия) Иностранная фирма Элия-Унион AI" фюр электрише Индустри (Австрия) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОхЛАЛДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к полупроводниковым приборам и, в частности к устройствам для охлаждения с помощью жидкости.

Для отвода тепла от полупроводни- 5 ковых элементов известны многочисленные конструкции.

Известно охлаждающее устройство, в котором охлаждение производится с помощью воздуха (1). Ю

Недостаток охлаждения воздухом заключается в том, что у полупроводниковых элементов большой мощности радиатор имеет большие размеры. Эти недостатки особенно проявляются в 15 компактных установках. По этой причине применяют охлаждение жидкостью.

В качестве охлаждающей среды могут быть использованы диэлектрические жидкости, например масло (?). Преиму- 23 шеством масла является высокая изоляционная способность и, кроме того, отсутствие опасности коррозии.

Однако недостатком является низкая удельная теплота масла и поэтому высокое тепловое сопротивление. Известно, что вода в качестве охлаждающей среды обладае — лучшими свойствaми. Однако при использовании воды до настоящего времени не удавалось ре- © шить простыми средствами проблему электролиза, неизбежно возникающего при использовании ее в качестве охлаждающей жидкости.

Наиболее близким к изобретению является устройство для охлаждения полупроводникового элемента, например тиристора, состоящее по крайней мере из одного радиатора, находящегося в тепловом контакте с полупроводниковым элементом и содержащего охлаждающую пластину с каналом для непрерывного протекания охлаждающей жидкости (3).

В данном устройстве в качестве охлаждающей жидкости нельзя использовать воду, так как вода является проводником и поэтому при попадании в радиатор начинает проводить ток. При соприкосновении воды с радиатором, предпочтительно изготовляемым из меди, начинается химическая реакция, причем образующиеся ионы меди осаждаются в охлаждающих каналах, вследствие чего их сечение практически становится равным нулю, Целью изобретения является использование водяного охлаждени я путем устранения электролиза.

Цель достигается тем, что радиатор дополнительно содержит соединенную б970б? с охлаждающей пластиной распределительную пластину, снабженную вход»зй и выходной камерами для охлаждающей жидкости, имеющими большее попереч ное сечение, чем поперечное сечение канала в охлаждающей пластине, причем па крайней мере во входной камере помещен электрод, выполненный из материала, обладающего хорошей проводимостью и химически инертного к охлаждающей жидкости. Охлаждающая пласт:я- () на может быть выполнена из меди, а электрод — из титана, распределительная пластина может быть выполнена HB пластмассы, а электрод электрически соединен с охлаждающей пластиной.

Кроме того, канал в охлаждающей пластине может быть выполнен спиральным, предпочтительно в форме квадрата.

Охлаждающая пластина может быть- разьемно соединена с распределительной пластиной, а уплотнение между ними выполнено посредством у»лотнительнаго кольца, размещенного в пазу охлаждающей пластины. В ме" òå входэ. и выхоца охлаждающей жидкости могут быть расположены соединительные металлические муфты, в которые ввернуты ниппели, распределительная пластина может быть выполнена из металла, причем расстояние ат электрода до ниппеля меньше, чем расстояние ат ни пеля до соеди- 36 нительнай муфты, На фиг. 1 изображено устройство для охлаждения (радиатор в разобран-. ном виде); на фиг. 2 — расположение электрода во входной камере; на фиг. 3 — устройство для охлаждения для двух последовательно соединенных приборов.

Устройство состоит из распределительной l и охлаждающей 2 пластин.

Охлаждающая пластина 2 на стороне, обращенной к распределительной пластине 1 имеет спиральный канал 3 в форме квадрата. Охлаждающая пластина 2 соединяется с распределительной пластиной 1 .винтами 4. Для уплотнения прилегающих друг к другу плоскостей охлаждающая пластина 2 снабжена пазом 5, в который вкладывается

0"образное кольцо б. 50

На распределительной пластине 1 йредусматрены соединительные муфты

8, в которые ввинчиваются ниппели

9 шлангов для охлаждающей жидкости.

У места входа и выхода охлаждающей 55 жидкостИ, т.е, у соединительных муфт 7, 8, расгределительная пластина 1 имеет камеры 10, 11, по крайней мере в одну из которых входит электрод 12. 60

Расположение электрода 12 для рабаты охлаждающего устройства представляет важное значение, так как при проходе тока через воду в распределительной пластине 1 возникают 65 химические реакции, следствием которых является то, что поддержание нормаль»огc охлаждения не мажет быть гарантировано. Если в камере 10 электрод располагается -. аким образом, что вода, поступающая в распределительную камеру, вначале соприкасается с электродом, то химические реакции и прежде всего коррозионные реакции происходят у электрода. В качестве материала для электрода могут применяться многие вещества, в частности пригодны все благородные металлы. Титан в качестве материала для электрода являе..".ñÿ наиболее приемлемым.

При выполнении распределительной пластины из металла, в частности из меди, необходимо, ч .обы вода, подаваемая в распределительную пластину, вначале соприкасалась с титановым электродом, поэтому расстояние L от ниппеля 9 до - ;òðîäà 12 должно быть меньше расстоя»ия Ь от внут1 реннего диаметра ниппеля 9 до ближайшей металлической поверхности, т.е. до соединительной муфты. Если распределительная пластина 1 изготовлена из пластмассы, то для выравнивания потенциала титановый электрод должен бь1ть электрически соединен с охлаждающей пластиной, изготовленной из меди*

Ниппель 9 внутри должен быть покрыт пластмассой, точно так же как шланги

13 для охлаждающей среды., так как в противном случае на этих местах может развиваться коррозия. Ниппель 9 должен быть изготовлен таким образом, чтобы он только чуть выступал в камеру 10.

На фиг. 3 устройство показано на примере двух последовательно соединенных тиристоров 14 и 15, причем каждый тиристор охлаждается с обеих сторон. Для этого они расположены между двумя радиаторами, причем радиатор, расположенный между тиристорами, снабжен двумя охлаждающими пластинами 1б, 17 и только одной распределительной пластиной 18.

Устройство работает следующим образом.

Вода поступает у соединения 19 в распределительную пластину 20, соприкасается с титановым электродом 12, проходит охлаждающую пластину 21 и выходит снова через соединение 22 из распределительной пластины 20. Пас. редством шлангового соединения вода подается к распределительной пластине тиристора, имеющего одинаковый потенциал, проходит там охлаждающую пластину и до того, как используемая в качестве охлаждающей среды вода выйдет и вернется в сборник, она

697062 еще раз соприкоснется с титановым электродом.

Подаваемая в распределительную пластину 18 у соединения 23 вода со" прикасается точно так же с титановым электродом 12 и затем протекает по 5 охлаждающей пластине 16. Распределительная пластина 18 сконструирована таким образом, что выходящая из охлаждающей пластины 16 вода проходит через нее и попадает в охлаждающую пластину 17. После прохода охлаждающей пластины 17 вода снова соприка" сается с расположенным в распределительной пластине 18 титановым электродом, а затем стекает в сборник. 15

Охлаждение второй стороны тиристора 15 производится аналогично охлаждению тиристора 14 на той стороне, гдв расположена охлаждающая пластина

21, Другое преимущество этого располо.жения заключается также в том, что охлаждающие пластины 16 и 24 могут соразмеряться с размерами тиристоров или размерами распределительной пластины, так что сопротивления могут размещаться непосредственно на охлаждающей пластине. Омываемые водой охлаждаемые пластины заменяют другие радиаторы, необходимые для сопротивлений, включенных в схему тиристоров. 3Q

Посредством общей конструкции и эффективного расположения сопротивлений на охлаждаемом корпусе обеспечивается компактное расположение, что является большим преимушеством 35 для установок с малой площадью.

В конструкции изобретения электролиз не возникает„ поскольку еще до соприкосновения с медью, из которой предпочтительно изготовляется охлаж- 4Q дающая пластина, вода, являющаяся проводящей жидкостью, встречается с расположенным во входной камере электродом. Электрод обеспечивает выравнивание потенциала воды до по- 45 твнциала охлаждающего элемента, благодаря чему не образуется ток между охлаждающей водой и медью радиатора.

По этой причине в охлаждающих каналах нв происходит осаждение ионов металла что гарантирует нормальное охлаждение.

В другом варианте изобретения почти перед тем, как охлаждающая жидкость выходит из радиатора, В распределительной пластине крепится другой электрод, который в случае необходимости изготовляется из того же металла, из которого изготовлен электрод, находящийся во входной камере, .Эта конструкция оказывается необходимой во всех схемах соединений тиристоров, которые находятся под различными потенциалами, так как за счет этого выравниваются разности потенци- О5 алов, возникающие вследствие соединения охлаждающих трубопроводов.

Важным преимуществом изобретения является то, что радиатор выполнен из меди, а электроды — из титана, который является химически устойчивым по отношению к воде и к тому же хорошим проводником, так что корро1зия возникает преимущественно за счет титана.

Распределительная пластина может быть изготовлена из пластмассы, а охлаждающая пластина — из меди. Изготовленная из пластмассы распределительная пластина проста в производстве и может вырабатываться посредством литья под давлением.

Канал в радиаторе имеет форму спирали, предпочтительно форму квадрата. Благодаря этому в уголках квадрата образуются завихрения охлаждающей жидкости, что гарантирует хорошее ох" лажденив.

В другом варианте изобретения охлаждающая и распределительная пластины сделаны разъемными, а уплотнение производится посредством уплотнительного кольца, размещенного в пазу охлаждающей пластины. Возможность разборки радиатора предпочтительна потому, что конструкции часто используются в установках, где существует опасность загрязнения, например в литейном производстве. Но этой причине . возникает необходимость очистки радиатора. При разборном выполнении устройства это можно сделать быстро и просто.

Выполнение ниппелей и шлангов из пластмассы обусловлено тем, что этот материал хорошо зарекомендовал себя в решении проблемы электролиза, кроме того, он обладает высокой прочностью

Необходимо, чтобы при выполнении распределительной пластины из металла, расстояние от электрода до ниппеля было меньше, чем от ниппеля до металла распределительной пластины.

Благодаря этому гарантируется то, что подаваемая в распределительную пластину охлаждающая -среда вначале соприкасается с электродом. Образующиеся при коррозии частицы осаждаются при прохождении тока на электроде, который предусмотрен как быстроизнашивающаяся деталь. У самой охлаждающей пластины не происходят какиелибо химические реакции.

Если распределительная пластина изготовлена из пластмассы, то электрод должен быть электрически соединен для выравнивания потенциала с охлаждающей пластиной, изготовленной из меди.

Формула изобретения

1. устройство для охлаждения полу" проводниковых элементов, например ти697062 ристоров, состоящее по крайней мере из одного радиатора, находяшегося в тепловом контакте с полупроводниковым элементом и содержащего охлаждающую пластину с каналом для непрерывного протекания охлаждающей жидкости,о -.-. — 5 л и ч а ю щ е е с я тем,. что, с целью обеспечения возможности использования водяного охлажцения путем устранения электролиза, радиатор дополнительно содержит соединенную с охлаждающей пластиной распределительную пластину, снабженную входной и выходной камерами для охлаждающей жидкости, имеющими большее поперечное сечение, чем поперечное сечение кана- 5 ла в охлаждающей пластине, причем по крайней мере во входной камере помещен электрод, выполненный из материала, обладающего хорошей проводимостью и химически инертного к охлаждающей жидкости. (2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что охлаждающая пластина выполнена из меди, а электрод — из титана.

3. Устройство по пп. 1-2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что распределительная пластина выполнена из пластмассы, а электрод электрически соединен с охлаждающей пластиной. 30

4. Устройство по пп. 1 — 3, о т л на ю щ е е с я тем, что канал в охлаждающей пластине выполнен спиральным, предпочтительно в форме квадрата.

Устоойство по пп. 1-4. о т л ич а ю щ е е с я тем, что охлаждающая пластина разъемно соединена с распределительной пластиной, а уплотнение между ними выполнено посредством уплотнительного кольца, размещенного в пазу охлаждающей пластины.

6. Устройство, о т л и ч а ю щ ее с я тем,что в месте входа и выхода охлаждающей жидкости расположены соединительные металлические муфты, которые ввернуты ниппели.

7, устройство по пп„1-2,о т л ич а ю щ е е с я тем, что распреде— лительная пластина выполнена из металла, причем расстояние от электрода. до ниппеля меньше, чем расстояние от ниппеля до соединительной муфты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 3947868, кл. 317-234, опублик. 1975, 2. Патент Франции 9 1498377, кл. Н 01 Р, опублик. 1967, 3. Патент Японии Р 48 †246, кл. 99151 С 4, опублик, 1969 (прототип) .

Составитель А. Прохорова

Техред М. Келемеи Корректор В.

Реда к тор Б. Фельдман

Бутяга

Заказ бб1В/бО

Тираж 923 Подписное

ЦНИИПИ Рэсударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва Ж-35 Разыская наб. д, 4(5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектная,4