Устройство для охлаждения полупроводниковых приборов

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции охладителей для мощных полупроводниковых приборов, охлаждаемых принудительной конвекцией воздуха. Сущность изобретения: устройство для охлаждения полупроводниковых приборов содержит радиатор с ребрами прямоугольного сечения и охлаждаемые элементы. Для снижения массогабаритных показателей в корпус радиатора полностью погружен вентилятор и установлен в выемках цилиндрической формы, размер одной из которых соответствует размеру лопастей крылатки вентилятора, а размеры другой - габаритам выступающей по отношению к лопастям части вентилятора, причем вентилятор закреплен на паре утолщенных ребер радиатора. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкции охладителей для мощных полупроводниковых приборов, охлаждаемых принудительной конвекцией воздуха.

Известен радиатор для охлаждения мощных транзисторов, содержащий оребренную по краям пластину с монтажной поверхностью для крепления охлаждаемого элемента (авт. св. СССР N 873310, кл. Н 01 L 23/34). Такой радиатор прост конструктивно, технологичен при исполнении, не требует дорогостоящего оборудования.

Однако при компоновке данных радиаторов в преобразовательных ячейках доступ к полупроводниковым элементам (для осмотра, замены и т. д. ) затруднен. При этом полупроводниковый прибор находится в воздушном канале, т. е. подвержен загрязнению и увлажнению. Кроме того, при компоновке приборов с радиаторами в ячейку будет наблюдаться смещение каналов прохождения хладагента (воздуха) друг относительно друга, что создаст различие в условиях охлаждения отдельных приборов и может привести к перекосу температур корпусов охлаждаемых элементов. Использование же группового охлаждения приборов на одной пластине с двусторонним оребрением уменьшает число охладительных каналов и также не является достаточно эффективным.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является теплоотвод для электронных приборов, состоящий из радиатора, на поверхности которого выполнены отверстия для установки полупроводниковых приборов, и вентилятора, установленного в выемке, выполненной на наружной поверхности ребер радиатора (патент США N 4513812, кл. Н 01 L 23/36, 1985).

Недостаток известной конструкции состоит в том, что эффективность охлаждения является относительно невысокой, а массогабариты теплоотвода завышены из-за неполного погружения вентилятора в тело радиатора. Кроме того, предлагаемое в рассматриваемом патенте размещение охлаждаемых электронных приборов внутри воздушного канала, образованного между группами ребер, сопряжено с неудобством обслуживания (замены) приборов, а также ведет к загрязнению и увлажнению охлаждаемых приборов хладагентом.

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения полупроводниковых приборов.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащем радиатор с ребрами, на поверхности которого выполнены отверстия для закрепления приборов, и вентилятор, установленный в выемке на наружной поверхности ребер радиатора, выемка для размещения вентилятора выполнена в виде соединенных между собой цилиндрических полостей, габаритные размеры одной из которых соответствуют габаритным размерам крыльчатки, а габаритные размеры другой соответствуют габаритным размерам части вентилятора, расположенной над лопастями крыльчатки. Отверстия для крепления полупроводниковых приборов выполнены на наружной боковой поверхности радиатора.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства для охлаждения полупроводниковых приборов (охладителя) является наличие вмонтированного в радиатор вентилятора, что позволяет уменьшить объем, необходимый для установки радиатора с полупроводниковыми приборами при принудительном охлаждении.

Части, составляющие радиатор, разделены диэлектрическими прокладками. Каналы частей для тока хладагента (воздух) состыкованы между собой таким образом, что обеспечивается ламинарное течение воздушного потока путем соединения сквозных каналов частей радиатора соосно достигают того, что все поверхности, находящиеся в контакте с полупроводниковыми приборами, удерживаются при одной и той же температуре, что повышает эффективность охладителя.

Вынесение полупроводниковых элементов за пределы движения хладагента, т. е. установка их на наружной боковой поверхности радиатора, исключает загрязнение и увлажнение приборов, а также облегчает ремонтно-диагностические работы над ними.

На фиг. 1 изображена одна из теплопередающих частей радиатора без присоединения вентилятора, вид спереди, на фиг. 2 - охладитель в целом (совмещенные в одной конструкции радиатор и вентилятор, вид сверху; на фиг. 3 - крепление радиатора к текстолитовому основанию, вид сбоку.

Радиатор Р представляет собой прямоугольный параллелепипед 1, разделенный на три части, с прямоугольными ребрами 2 и сквозными каналами 3 между ними равной ширины, проходящими от одной торцовой поверхности к противоположной. При этом ребра 2 имеют переменную высоту вследствие выполнения в корпусе радиатора Р соединенных между собой концентрических цилиндрических полостей (выемок) 4, 5, размер одной 4 из которых соответствует размеру лопастей крылатки вентилятора, а размеры другой 5 - габаритам выступающей по отношению к лопастям части вентилятора В. Вентилятор В закреплен на паре утолщенных ребер 6, 7 радиатора. Части радиатора крепятся на текстолитовом основании 8, имеющем непосредственно под вентилятором отверстие диаметром, соответствующим диаметру лопастей вентилятора. Полупроводниковые элементы 9 крепятся на боковых поверхностях 10 радиатора.

Охлаждение силового полупроводникового прибора осуществляется следующим образом. Вентилятор В осуществляет осевое всасывание и радиальный выброс воздуха в направлении вдоль ребер 2 (перпендикулярно плоскости чертежа 1 на фиг. 2). Тепло, выделяемое в полупроводниковом приборе 9, передается в радиатор Р, а затем через ребра 2 - охлаждаемому воздуху. Воздушные каналы частей радиатора Р совмещены с целью обеспечения ламинарного потока воздуха.

Поверхность охлаждения предлагаемого устройства для охлаждения полупроводниковых приборов может быть определена по формуле S₀= 4(H(NL-ml₁-nl₂)+2l+2l, где Н - высота ребра радиатора; L - ширина ребра радиатора; b - толщина ребра радиатора; 2N - число ребер радиатора; 2m, 2n - количество ребер радиатора, попадающих в окружности радиусов R₁ и R₂; 2r = a + b - шаг ребер радиатора; а - межреберное расстояние; l₁ - ширина крыльчатки вентилятора; l₂ - длина выступающей части двигателя вентилятора.

Для радиатора (фиг. 2, 3) с размерами:
Н = 70 мм; N = 14; R₁ = 65 мм;
L = 95 мм; m = 12; R₂ = 35 мм;
b = 3 мм; n = 7; l₁ = 20 мм;
а = 7 мм; r = 5 мм; l₂ = 15 мм имеем
S₀= 4[70(14·95-12·20-7·15)+2·20+
+2·15= 338590,28 мм²
Количество ребер радиатора в устройстве-прототипе, необходимое для обеспечения такой же поверхности охлаждения при L = const, H = const
Nʹ= = = 12.7≈13
Длина такого радиатора будет меньше длины радиатора предлагаемой конструкции А = 136 мм на шаг ребер а + b
A' = L_Σ - (a + b) = (A - (a + b) = 136 - (3 + 7) = 126 мм.

Габаритные размеры радиатора предлагаемого устройства А = 136 мм, H_Σ= 156 мм, L = 95 мм. Собственно объем
V= AH_ΣL= 136·156·95= 2015520 мм³
Габаритные размеры радиатора с вентилятором в прототипе равны: A' = 126 мм; H_Σ= 156 мм; L' = L + l₁ + l₂ = 95 + 20 + 15 = 130 мм. Объем, необходимый для размещения радиатора с вентилятором
Vʹ= AʹH_ΣLʹ= 126·156·130= 2555280 мм³
Эффективность предлагаемой конструкции доказывает соотношение объемов V и V'
k = = ≈ 1,268
Таким образом, при использовании предлагаемой конструкции выигрыш в объеме, необходимом для размещения радиатора с вентилятором, составит 26,8% .

Предлагаемое устройство для охлаждения полупроводниковых приборов характеризуется довольно высокой степенью автоматизации при изготовлении, так как все конструктивные части отливаются или изготавливаются на токарных автоматах, после чего требуется доработка на сверлильных и фрезерных станках, а монтируемый вентилятор является покупным изделием.

Радиатор может быть изготовлен из любого проводящего материала и, тем самым использоваться в качестве проводника тока, как и требуется при параллельном соединении полупроводниковых приборов.

Использование предлагаемого устройства позволяет обеспечить эффективное охлаждение полупроводниковых приборов, выравнивая температурные условия их работы. Конструктивное исполнение позволяет погружать вентилятор в радиатор, дает возможность экономить 26,8% объема, необходимого для размещения устройства для охлаждения обычной конструкции в случае принудительного охлаждения. Устройство технологично как в изготовлении, так и в монтаже.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, содержащее радиатор с ребрами, на поверхности которого выполнены отверстия для закрепления приборов, и вентилятор, установленный в выемке, выполненной на наружной поверхности ребер радиатора, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса охлаждения, выемка для размещения вентилятора выполнена в виде соединенных между собой цилиндрических полостей, габаритные размеры одной из которых соответствуют габаритным размерам крыльчатки, а габаритные размеры другой - габаритным размерам части вентилятора, расположенной над лопастями крыльчатки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отверстия для крепления полупроводниковых приборов выполнены на наружной боковой поверхности радиатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3