Рідинний охолоджувач для силових напівпровідникових приладів

1. Рідинний охолоджувач для силових напівпровідникових приладів, що містить корпус у вигляді пластини з високотеплопровідного металу, що обмежена верхньою і нижньою площинами, а також передньою, тильною і двома бічними торцевими гранями, в якій виконані два некрізних розташованих під кутом один до одного прямолінійних канали з вхідними отворами на передній торцевій грані пластини, причому осі каналів розташовані під кутом одна до одної в 3 на передньому і тильному торцях пластини корпуса і необхідність підключення до них рідинних магістралей обмежує можливості сполучення такого охолоджувача із суміжними конструкціями. Зокрема, виникають труднощі в сполученні силової шини з корпусом охолоджувача, що повинна бути приєднана до передньої або тильної торцевої поверхні пластини корпуса, оскільки доступ до бічних торцевих поверхонь пластини корпуса охолоджувача, як правило, обмежений кріпильними елементами. Відомий також водяний охолоджувач СНП, що містить корпус у вигляді пластини з високо теплопровідного металу, що обмежена верхньою і нижньою площинами, а також передньою, тильною і двома бічними торцевими гранями. У пластині виконані два некрізних розташованих під кутом один до іншого прямолінійних канали для проходження охолодної рідини [див. Радіатори для охолодження напівпровідникових модулів. Симметрон, Жовтень 2006, с. 16]. Канали мають вхідні отвори на передній торцевій стороні пластини і їх осі розташовані під кутом близько 60° так, що їх осі розташовані під кутом одна до одної в площині, рівнобіжній верхній і нижній площинам пластини, і перетинаються в тілі пластини. Оскільки в більшості випадків поверхня СНП, що прилягає до пластини, є струмонесучою і підключення СНП до зовнішніх електричних ланцюгів здійснюється через токову шину, якою обладнана бічна торцева грань пластини. Перевага такого охолоджувача в порівнянні з відомим з ТУ 16-729. 111-78 полягає в тому, що він забезпечує більш високу ефективність тепловідводу від СНП за рахунок того, що при перетіканні охолодної рідини з одного каналу в іншій у місці їх сполучення в тілі пластини відбувається турбулізація потоку рідини, що приводить до активізації процесу теплообміну між рідиною і стінками каналу. Крім того, у такого охолоджувача тільки одна - передня - торцева поверхня містить отвори, до яких потрібно підключати рідинні магістралі, тоді як інші три торці залишаються вільними для сполучення з будьякими іншими конструкціями електронного пристрою, частиною якого є охолоджувач із встановленим на ньому СНП. Однак, при дослідженні теплових процесів, що відбуваються в такому охолоджувачі з'ясувалося, що розташування каналів у ньому не є оптимальним, у результаті чого не забезпечується рівномірний тепловідвід від різних ділянок поверхні теплового контакту СНП з охолоджувачем (для зручності викладу будемо розглядати випадок, коли на охолоджувачі встановлений один СНП, що має кругову зону теплового та електричного контакту, тобто прилягає до охолоджувача по поверхні у формі кола). Умовно цю зону контакту можна розділити на три ділянки: - центральна ділянка, обмежена гострим кутом між проекціями осей каналів на поверхню пластини; - дві бічних ділянки, що лежать поза центральною ділянкою з боків від неї. 29224 4 При куті в 60° між осями каналів площа центральної ділянки більш ніж на 20% перевищує сумарну площу бічних ділянок. У результаті відвід тепла від центральної ділянки зони контакту здійснюється помітно гірше, ніж від бічних ділянок цієї зони. Перекіс в охолодженні різних ділянок зони контакту приводить до нерівномірності охолодження СНП, що негативно позначається на його експлуатаційних характеристиках. Крім того, у цій конструкції охолоджувача електричний струм, що відводиться від СНП через зону контакту і розташовану на бічний торцевій грані пластини струмовідвідну шину, розподіляється на три основних потоки: - перший потік, що відводиться через бічну ділянку зони контакту, суміжний з струмовідвідною шиною. Цей потік практично не викликає виділення джоулева тепла, оскільки протікає через товстостінні елементи пластини, що мають низький електричний опір; - другий потік, що відводиться через центральну ділянку зони контакту. Цей потік проходить через локальні звуження перетину пластини, утворені каналом у її тілі, і частково через локальне звуження, утворене зоною сполучення каналів і тильною торцевою гранню пластини, що супроводжується виділенням помітної кількості джоулева тепла; - третій потік, що відводиться через другу, віддалену від струмовідвідної шини, бічну ділянку зони контакту. Цей потік також проходить через локальні звуження перетину пластини, утворені зоною сполучення каналів і тильною торцевою гранню пластини, що також супроводжується виділенням джоулева тепла. Таким чином, бічне розташування струмовідвідної пластини приводить до того, що відбувається виділення додаткового тепла, яке порушує однорідність теплового режиму СНП і яке необхідно відводити від охолоджувача крім тепловиділень самого СНП. Задачею даної корисної моделі є створення рідинного охолоджувача для силових напівпровідникових приладів, що забезпечує більш рівномірний тепловідвід від усіх ділянок поверхні силового напівпровідникового приладу. Поставлена задача вирішується тим, що в рідинному охолоджувачі для силових напівпровідникових приладів, який містить корпус у вигляді пластини з високо теплопровідного металу, обмеженої верхньою і нижньою площинами і передньою, тильною і двома бічними торцевими гранями, у якій виконані два некрізних розташованих під кутом один до одного прямолінійних канали з вхідними отворами на передній торцевій грані пластини, осі каналів розташовані під кутом 43-47° одна до одної в площині, рівнобіжній верхній та нижній площинам пластини, і перетинаються в тілі пластини. Переважно, канали виконані симетричними щодо осі, яка проходить через середину передньої грані пластини і центр зони контакту силового напівпровідникового приладу з площиною пластини, а осі каналів перетинаються один з одним поблизу найбільш віддаленої від входів 5 каналів ділянки границі зони контакту силового напівпровідникового приладу з площиною пластини. При цьому струмовідвідну шину доцільно розмістити на тильній грані пластини. Більш докладно сутність корисної моделі пояснюється за допомогою креслень, на яких представлені: - Фіг.1 - вид охолоджувача зверху; - Фіг.2 - вид охолоджувача попереду. Рідинний охолоджувач для силових напівпровідникових приладів містить корпус у виді пластини 1 з високотеплопровідного металу, наприклад, міді (Фіг.1-3). Пластина 1 обмежена верхньою площиною 2, нижньою площиною З, передньою фігурною або плоскою торцевою гранню 4, тильною торцевою гранню 5, і двома бічними торцевими гранями 6 і 7. У тілі пластини 1 виконані два некрізних прямолінійних канали 8 і 9, вхідні отвори 10 і 11 яких знаходяться на передній торцевій грані 4 пластини. Кінцеві ділянки каналів мають гвинтову нарізку. Центральна частина верхньої площини 2, а часто і нижньої площини 3, призначена для розміщення охолоджуваного СНП, що щільно прилягає до поверхні пластини по круговій зоні контакту 12. Осі каналів 8 і 9 рівнобіжні площинам 2 і 3 пластини 1, розташовані під кутом a=43°-47° одна до одної і перетинаються в тілі пластини 1. Крім того, канали 8 і 9 виконані симетричними щодо осі 13, що проходить через середину передньої грані 4 пластини 1 і центр зони контакту 12 силового напівпровідникового приладу з площиною пластини. Осі каналів перетинаються одна з одною поблизу ділянки границі зони контакту 12, найбільш віддаленого від вхідних отворів 10 і 11 каналів 8 і 9. Тильна торцева грань 5 пластини 1 обладнана струмовідвідною шиною 14. Зона контакту 12 умовно розділена на три ділянки: - центральна ділянка 15, обмежена гострим кутом між проекціями осей каналів 8 і 9 на верхню поверхню пластини 1; - дві однакових по площі зовнішніх ділянки 16 і 17, що лежать поза центральною ділянкою з боків від неї. При куті a=43°-47° між осями каналів 8 і 9 площа центральної ділянки 15 приблизно дорівнює сумарної площі зовнішніх ділянок 16 і 17, тобто площа кожної з зовнішніх ділянок 16 і 17 приблизно дорівнює половині площі центральної ділянки 15. На верхню поверхню 2 пластини 1 встановлюють СНП (на Фіг. не показаний) так, щоб вони щільно прилягали друг до друга по всій поверхні зони контакту 12. До вхідних отворів 10 і 11 каналів 8 і 9 приєднують трубопроводи, через один із яких підводиться, а через другий відводиться охолодне середовище, наприклад, вода. Тепло, що виділяється в процесі роботи СНП, через зону контакту 12 передається пластині 1 і потім відводиться охолодним середовищем, що пропускається по каналах 8 і 9. Тепловий потік, що приходиться на центральну ділянку 15 зони 12 29224 6 розділяється симетрично щодо осі 13 так, що одна його половина відводиться охолодним середовищем, що протікає по каналі 8, а друга половина - охолодним середовищем, що протікає по каналі 9. Тепло від бічних ділянок 16 і 17 відводиться охолодним середовищем, що протікає відповідно по каналі 8 і по каналі 9. Оскільки площа кожної з бічних ділянок 16 і 17 дорівнює половині площі центральної ділянки 15, то забезпечуються рівноцінні умови тепловідвода від усієї площі контакту СНП із пластиною 1 і, отже, рівномірне, без перекосів, охолодження усього СНП. Крім того, у результаті того, що кут між каналами 8 і 9 відносно гострий, у зоні сполучення каналів відбувається посилена турбулізація потоку охолодного середовища. Це сприяє інтенсифікації процесу добору тепла в другому по ходу потоку каналі і дозволяє деякою мірою компенсувати зниження охолодної здатності середовища, викликаної його нагріванням у першому каналі. Тік від СНП відводиться через розташовану на тильній торцевій грані 5 пластини 1 шину 14, якою обладнана пластина 1. При цьому велика частина струму проходить через товстостінні ділянки тіла пластини, розташовані з боків від каналів 8 і 9, що мають низький електричний опір. Інша частина струму, що відводиться від ділянки пластини 1, розміщеної між каналами 8 і 9, не зустрічає на своєму шляху локального звуження між тильною торцевою гранню пластини і зоною сполучення каналів. У результаті, виділення джоулева тепла в цій корисній моделі помітно скорочується, що сприятливо позначається на тепловому режимі СНП. Таким чином, завдяки оптимізації розташування каналів для циркуляції охолодного середовища і струмовідвідної шини в цій корисній моделі забезпечується підвищення рівномірності тепловідводу від СНП. 7 29224 8