Охладитель

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Сониалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 17.01.77 (21) 2442531i18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.08.79. Бюллетень № 32

Дата опубликования описания 30.08.79 (51) М. Кл.2

Н 011 23/34

Государственный комитет (53) УДК 621.382 (088.8) по делам изобретений н открытий (72) Авторы изобретения

Ю. Н. Прохоров и Н. fl. Шелков (71) Заявитель (54) ОХЛАДИТЕЛЬ

Изобретение относится к области полупроводниковой техники и, в частности, к конструкциям охладителей, например, для полупроводниковых приборов, входящих в состав электронных схем, например, систем автоматического регулирования и управления транспортными и промышленными энергетическими установками.

Известны типовые, выпускаемые промышленностью охладители, которые представляют собой литую конструкцию из алюминиевых или медных сплавов, выполненную в виде массивного основания с плоскими ребрами охлаждения и монтажной поверхностью для крепления полупроводниковых приборов (1).

Однако такие охладители имеют сравнительно низкий коэффициент теплоотдачи, являются крупногабаритными и тяжелыми и практически достигли своего предела по мощности теплосъема с единичного полупроводникового прибора.

Наиболее близким техническим решением является охладитель, например, для полупроводниковых приборов, содержащий охлаждаемые воздухом пластины с отверстиями и монтажные поверхности для крепления (2).

Недостатком известного устройства является то, что он не может быть использован для охлаждения полупроводниковых приборов с достаточно большим тепловыделением, так как пластины охлаждения в нем, разделенные полупроводниковыми прибора5 ми, работают как одиночные и потому при недостаточно высоком коэффициенте теплоотдачи имеют малую величину теплоотдающей поверхности, что приводит к недостаточной эффективности охлаждения, а так10 же к значительным габаритам и весу охладителя.

Целью изобретения является увеличение эффективности охлаждения при одновременном уменьшении веса и габаритов охла15 дителя.

Цель достигается тем, что каждая монтажная поверхность связана с набором пластин, заключенных по периметру в кожух так, что поток воздуха направлен пер20 пендикулярно к их плоскостям, а зазор между пластинами равен 0,2 — 1 диаметра отверстий в них, а также тем, что оси отверстий в соседних пластинах смещены одна относительно другой на расстояние, равное

25 половине шага между отверстиями. Кроме того, тем, что стенки кожуха отстоят от кромок пластин на расстояние, меньшее удвоенного зазора между пластинами. А также тем, что кожух связан тепловым контактом

30 с набором пластин и имеет дополнительные

682970 монтажные поверхности для крепления приборов:. Кожух с пластинами может состоять из двух частей, жестко закрепленных одна относительно другой. Между пластинами и контактирующими с ними частями кожуха может быть проложена фольга из мягкого металла, например, отожженной меди.

С целью гальванической развязки полупроводниковых приборов между пластинами и контактирующими с ними частями кожуха может быть прокладка из изоляционного материала, например окиси бериллия.

На фиг. 1 показан предлагаемый охладитель в разрезе вместе с полупроводниковым прибором штыревого типа; на фиг. 2 — то же, вид в плане со снятым прибором; на фиг. 3 — представлен другой вариант выполнения охладителя: с кожухом, состоящим из двух частей, в изометрической проекции.

Охладитель (фиг. 1) содержит основание

1 с монтажной поверхностью 2 и резьбовым отверстием 3. На основании 1 перпендикулярно его продольной оси 4 установлены с зазором охлаждаемые воздухом пластины

5, закрепленные, например, холодным прессованием. Оси отверстий 6 и 7 соседних пластин смещены на расстояние, равное половине шага между отверстиями. Верхняя пластина 8 является несущей механическую нагрузку и имеет три ушка 9 с отверстиями

10 для крепления охладителя. Шпилька 11 прибора 12 вкручивается в резьбовое отверстие 3 основания 1, прижимая полупроводниковый прибор 12 торцовой поверхностью 13 к монтажной поверхности 2 основания 1 через медную пластину 14, имеющую отверстие 15 для токосъема. Зазор

16 между пластинами 5 составляет четверть диаметра отверстий 6 и 7. Стенки 17 по периметру окружают пластины 5 и отстоят от них на расстоянии, равном зазору между пластинами. Эти стенки 17 образуют кожух, который вместе с пластинами 5 составляет воздушный канал 18, Двигаясь внутри канала 18 параллельно оси 4, охлаждающий воздух проходит через все пластины 5 и пластину 8, омывая также и периферийные кромки 19 пластин 5.

Направление воздуха на входе и выходе охладителя показано стрелками.

Такая конструкция технологична в изготовлении, так как состоит из основания простейшей формы и пластин с отверстиями, которые могут изготовляться методом простой штамповки; она позволяет применять любые материалы, в том числе дешевые и легкие алюминиевые сплавы, а также использовать пластины весьма малой толщины (1 мм и менее) и устанавливать их с любыми зазорами между собой.

Холодное прессование обеспечивает надежный тепловой контакт между основанием и пластинами охлаждения. Квадратное ребро с центральным тсплоподводом явля)

)о

1ä

6О

65 ется наилучшим с точки зрения эффективности ребра.

На фиг. 3 представлен второй вариант конструктивного выполнения охладителя в разобранном виде, предназначенный для охлаждения одного полупроводникового прибора.

Охладптель состоит из двух частей (верхней и нижней), вставленных друг в друга.

Каждая из нпх представляет единую отливку и содержит основание 1 с монтажной поверхностью 2 для крепления прибора, пластин 5 с отверстиями 6 и 7 и боковую стенку 17. Основание 1 верхней части с монтажной поверхностью 2 выполнено более толстым по сравнению с основанием нижней части, на которой отсутствует монтажная поверхность. В основании 1 верхней части имеются пазы 20 и 21, в которые входят удлиненные крайние пластины 22 и 23 нижней части, обеспечивающие фиксацию частей друг относительно друга, а в отверстие

24, находящееся на монтажной поверхности 2, вставляется штифт для фиксации таблетки полупроводникового прибора.

Прижатие частей друг к другу обеспечивается либо одновременно с полупроводниковым прибором, либо независимо от него. В собранном виде основания 1 и боковые стенки 17 обеих частей образуют кожух.

Зазор 16 между пластинами одной части равен толщине пластины 5 плюс удвоенный зазор между соседними пластинами охладителя в собранном виде.

В процессе работы воздух, двигаясь внутри кожуха, проходит через все отверстия пластин 5 в направлении, перпендикулярном их плоскостям.

Конструкция охладителя позволяет осуществить крепление приборов со всех четырех или даже с шести сторон, Для этого кожух должен иметь дополнительные монтажные поверхности на четырех гранях (например, в схеме с общим катодом), а в случае крепления приборов с шести сторон крайние пластины (например, в верхней части) должны помимо отверстий для прохождения воздуха иметь монтажные поверхности и быть более толстыми.

Конструкция позволяет при массовом производстве применить литье, при этом кокиль для каждой части охладителя должен содержать стойку со стержнями, обеспечивающими перфорацию в пластинах.

Каждый из представленных на фиг. 1 и 3 конструктивных вариантов может быть использован для охлаждения приборов как таблеточного, так и штыревого типов.

Предлагаемый охладитель при высокой эффективности тсплосъема с единицы поверхности позволяет свести зазоры между пластинами охлаждения до весьма малых значений. Это само по себе обеспечивает охладитслю малыс габариты и, что еще болсс важно, позволяет максимально приблп682970 зить теплоотдающие поверхности к источнику тепловыделения и за счет этого использовать пластины весьма малой толщины (1 мм и менее) при достаточно высоком значении эффективности ребра, что, в свою очередь, значительно снижает габариты охладителя и его вес.

С точки зрения компактности охладителя, чем меньше зазор между пластинами охлаждения, тем лучше. Однако, существует предел, меньше которого выбирать указанный зазор не имеет смысла.

Известно, что, с точки зрения эффективности охлаждения, определяющим фактором при выборе конструктивных параметров охладителя является отношение коэффициента теплоотдачи к коэффициенту аэродинамического сопротивления.

Исследования показывают, что при коридорном расположении отверстий для охлаждающего воздуха это отношение растет с уменьшением межпластинчатого зазора, достигая максимума при величине зазора, равной примерно одной четверти диаметра отверстий. Дальнейшее уменьшение зазора приводит к снижению указанного отношения, так как течение воздуха при этом все более приближается к течению в гладкой трубе.

Для пластин с шахматным расположением отверстий, когда воздух из отверстий одной пластины попадает на сплошную стенHv соседней пластины под прямым углом, коэффициент теплоотдачи очень слабо меняется с изменением межпластинчатого зазора. Аэродинамическое сопротивление при этом складывается в основном из потерь на внезапное сужение и внезапное расширение в отверстиях пластин. Эти потери падают с уменьшением зазора и достигают минимума при величине зазора, равной одной четверти диаметра отверстий, когда скорость воздуха в зазоре у отверстий сравнивается со скоростью воздуха в отверстиях. Дальнейшее уменьшение зазора приводит к резкому возрастаншо потерь, так как скорость воздуха в зазорах начинаст превалировать над скорость|о воздуха в отверстиях.

Таким образом, как при корридорном, так и при шахматном расположении отверстий в пластинах, минимальный межпластинчатый зазор должен быть равным или немного меньшим одной четверти диаметра отверстий (т. с. 0,2), тем более, что дальнейшее уменьшение зазора не приводит к существенному снижению гаоаритов охладителя.

Реальные же зазоры между пластинами будут определяться технологией изготовления охладителя. Кроме того, для охладителей, работающих в очень запыленной атмосфере, могут потребоваться большие зазоры.

Из всего вышесказа?:ного следует, что в ахладителях зазор между пластинами дол 3

2, 30

6.7 жен находиться в пределах от 0,2 до 1 диаметра отвсрстий в пластинах. При этом по возможности следует стремиться к меньшим значениям зазора.

В си.7у хорошей тсплоотдачи и достаточной повсрхности тсплосъсм а наружныс

КРОМКИ П.Ч 3CTIIH ОХЛ11 ЖДСН II Я AIОГE T BHCCTII существенный вклад в процесс теплоотвода, и потому кожух относительно этих кромок целесообразно располагать с нскотоpbIM зазором. Этот зазор должен быть достаточным, чтобы пропускать нужный расход воздуха. Однако, как показывают расчеты, он не должен превышать удвосш?ого расстояния между пластинами охлаждения, так как это нс приводит к существенному росту мощности тсплосъсма. но увеличиваст затраты на прокачку охлаждающего воздуха.

ПО сво11м технико-экономичсcliHAI IIQK333тслям данный охладитель значительно превосходит как типовыс рсбр1?стыс охладитсли, так и известный охладитсль перфорированного типа. Причем это превосходство проявляется не только B весогабаритных показателях, но также и в затратах мощности на прокачку охлаждающего воздуха. В таких охладителях осуществляется эффективный теплосъсм при малых скОрОстях и расходах охлаждающего воздуха, и потому, несмотря на значительное сопротивление перфорированных пластин, мощность прокачки остается малой.

Сравнительные данные предлагаемой конструкции охладителя и известных конструкций следующие: выполненный по первому конструктивному варианту охладитсль при одинаковой с типовым охладителем А-7 мощности теплоотвода в 330 Вт, в 4,2 раза легче и в 5,6 раза компактнее. При этом мощность на прокачку охлаждающего воздуха в 1,8 раза меньше.

Спроектированный по второму варианту охладитель, при одинаковой мощности теплосъема с типовым охладителем для тиристора Т9-200, в 4,16 раз легче и в,7 раз компактнее при соответственно меньших (в 1, 1 7 p33 ) 33Tp 3ТВх мои?ности H3 Ох 73жден.

В схеме с общим катодом, вес и габариты можно дополнительно снизить, если каждый охладитсль, выполненный по второму конструктивному варианту, использовать для охлаждения нескольких полупроводниковых приборов, прижатых, например, анодами к четырем или даже шести его граням. Такая система охлаждения будет особенно компактна для могцных приборов (например, Т-500), когда необходимо охлаждать и анод и катод. В этом случае для охлаждения катодов целесообразно использовать охладитель, выполненный по первому конструктивному варианту.

Кроме того, с появлением приборов таблеточного типа возникла острая необходи.

682970 мость в создании мощных охладителей для отвода тепла в 500 — 800 Вт и более. Попьпки создать такие охладители на обычном известном принципе оказались неудачными, так как увеличение размеров охладителей 5 при существующих небольших значениях контактных поверхностей таблеточных приборов привели к резкому падению эффективности ребра из-за вынужденной удаленности поверхностей охлаждения от источни- 10 ка тепловыделения.

Охладитель, согласно настоящему изобретению, в силу перечисленных выше преимуществ может быть создан на ве"ьма большие мощности теплосъема при высокой 15 эффективности охлаждения. Так, охладитель по первому конструктивному варианту, рассчитанный на 800 Вт отводимой мощности, при температуре корпуса таблеточного полупроводникового прибора 85 С и 20 при затратах мощности на вентиляцию в

26 Вт оказался в 1,5 раза легче и 1,5 раза меньше по габаритам типового охладителя

А-7, отводимая мощность которого составляет всего 330 Вт. 25

Возможность создания компактных охладителей на отводимую тепловую мощность порядка 1 кВт позволяет отказаться от водяных охладителей в указанном диапазоне мощностей, что привед т к упрощению кон- 30 струкции и повышению надежности устройств, содержащих силовыс полупроводниковые приборы, 35

Формул а изобретения

1. Охладитель,например,для полупроводниковых приборов, содержащий охлаждаемые воздухом пластины с отверстиями и монтажные поверхности для крепления, о т- 40 л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения эффективности охлаждения при одновременном уменьшении веса и габаритов охладителя, каждая монтажная поверхность связана с набором пластин, заключенных по периметру в кожух так, что поток воздуха направлен перпендикулярно к их плоскостям, а зазор между пластинами равен 0,2 — 1 диаметра отверстий в них.

2. Охладитель по п. 1, отличающийс я тем, что оси отверстий в соседних пластинах смещены одна относительно другой на расстояние, равное половине шага между отверстиями.

3. Охладитель по пп. 1 и 2, о т л и ч а юшийся тем, что стенки кожуха отстоят от кромок пластин на расстояние, меньшее удвоенного зазора между пластинами.

4. Охладитель по пп. 1 и 2, о т л и ч а юшийся тем, что кожух связан тепловым контактом с набором пластин и имеет дополнительные монтажные поверхности для крепления приборов.

5. Охладитель по пп. 1, 2 и 4, о т л и ч аю шийся тем, что кожух с пластинами состоит из двух частей, жестко закрепленных одна относительно другой.

6. Охладитель по пп. 1, 2, 4 и 5, от л ич а ю шийся тем, что между пластинами и контактирующими с ними частями кожуха проложена фольга из мягкого металла, например отожженной меди.

7. Охладитель по пп. 1, 2, 4 и 5, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью гальванической развязки полупроводниковых приборов, между пластинами и контактирующими с ними частями кожуха проложена прокладка из изоляционного материала, например окиси бериллия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Аксенов А. И. «Отвод тепла в полупроводниковых приборах. М., «Энергия», 1971, с. 140 — 146.

2. Патент ФРГ ЛЪ 1276209, кл. 2lg 11f02, 1971.

082970 г гю

1пиг ..т

Составитель А. Прохорова

Редактор Н. Коляда Техред А. Камышникова Корректор Т. Добровольская

Заказ 2008/18 Изд. ¹ 492 Тираж 923 Подписное

ИПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, )К-35, Раушская наб., д, 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2