Спосіб охолодження та термостабілізації напівпровідникового приладу

Спосіб охолодження та термостабілізації напівпровідникового приладу шляхом установлювання та підтримування за допомогою термоелектричної батареї в припустимих границях температури в критичній зоні, передачі теплоти за допомогою замкненого випаровувально-конденсаційного циклу у паровій камері та скидання теплоти, що передана у оточуюче середовище, що її по 38931 підтримування температури металевого п'єдесталу, на якому встановлений напівпровідни-ковий кристал, на завданому рівні за допомогою термоелектричної батареї, термодатчика та фотодіоду зворотного зв'язку, що наведені у статті: Осинський В.И., Вербицкий В.Г., Николаенко Ю.Е, Жук C.К., Бобженко С.В., Мержвинский П.А. Тепловые процессы в микролазерных устройствах информационных систем // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2000. - № 2-3. - С. 27 - 35, рис. 6-б на с. 31). Термоелектрична батарея своєю гарячою пластиною контактує з внутрішньою поверхнею теплопровідного корпусу лазерного модуля, від якого тепловий потік розсіюється в оточуюче середовище (повітря). В цьому способі теплота від напівпровідникового кристалу спочатку передається теплопровідністю через металевий п'єдестал та шар припою до холодної пластини термоелектричної батареї, а з її гарячої пластини через шар припою та стінку корпусу до оточуючого середовища. Стабілізація температури за допомогою термоелектричної батареї та діоду зворотного зв'язку дозволяє підтримувати температуру п'єдесталу у заданих границях. До недоліків наведеного способу охолодження та термостабілізації лазерного модуля слід віднести значний термічний опір на шляху проходження теплового потоку високої щільності від напіпровідникового кристалу з незначними геометричними розмірами, наприклад 0,5 х 0,3 х 0,2 мм, через відносно великі за розмірами та масивні контактуючі елементи (п'єдестал, термоелектрична батарея, корпус) зі значною теплоємністю до оточуючого середовища та значну інерційність у часі способу, що призводить до підвищення рівня температури кристала лазера та зменшення його надійності при значній потужності лазерного модуля та підвищенні частоти випромінювання. Відомий спосіб охолодження та термостабілізації напівпровідникових приладів з використанням для передачі теплоти на окремих ділянках теплового тракту замкненого випаровувально-конденсаційного циклу у паровій камері, що зменшує загальну різницю температур від джерела теплоти до поглинаючого її середовища. З таких відомих способів найбільш близьким до запропонованого за сукупністю ознак і технічному результату є спосіб, що відомий з патенту Японії № 05167143 А від 1993 p. МПК H01S 3/043, H01S 3/18. У способіпрототипі охолодження та термостабілізацію матричного лазерного напівпровідникового кристалу здійснюють шляхом установлювання та підтримування за допомогою термоелектричної батареї в припустимих границях температури в критичній зоні, за яку обирають мідну підкладинку під напівпровідниковим кристалом, передачі теплоти теплопровідністю на ділянках від напівпровідникового кристалу до холодної пластини термоелектричної батареї через мідну підкладинку та шар контактуючого матеріалу та від гарячої пластини термоелектричної батареї до парової камери через мідний, відносно масивний, тепловідвід, і за допомогою замкненого випаровувально-конденсаційного циклу у паровій камері - на ділянці від мідного тепловідводу до зовнішнього теплообмінника та наступного скидання теплоти, що передана, за допомогою зовнішнього теплообмінника, у оточуюче середовище, що її поглинає. Наведений спосіб в деякій мірі дозволяє зменшити температуру матричного лазерного напівпровідникового кристалу, завдяки використанню для передачі теплоти високоефективного замкненого випаровувально-конденсаційного циклу у паровій камері, якому притаманний низький термічний опір. Недоліками способу-прототипу є недостатня ефективність охолодження та термостабілізації, значна теплова інерційность у часі способу, обмеженість функціональних можливостей напівпровідникового приладу, що обумовлене значним термічним опором передачі теплоти теплопровідністю від джерела зі значною щільностю теплової потужності, яким є лазер, на найбільш теплонавантажених дільницях тракту передачі теплоти, недосконалим вибором критичної зони для регулювання температури. Зазначене призводить до зниження надійності роботи напівпровідникового приладу в умовах експлуатації. В основу винаходу поставлено задачу створити такий спосіб охолодження та термостабілізації напівпровідникових приладів з термостабілізацією температури у критичній зоні за допомогою термоелектричної батареї та шляхом передачі теплоти на окремих дільницях теплопередаючого тракту за допомогою замкненого випаровувально-конденсаційного циклу у паровій камері та скидання теплоти у оточуюче середовище за допомогою зовнішнього теплообмінника, які б шляхом нового вибору критичної зони та удосконалення процесів передачі теплоти на окремих дільницях теплового тракту, нового вибору дільниці, до якої теплоту передають за допомогою замкненого випаровувально конденсаційного циклу у паровій камері, забезпечили б підвищення ефективності охолодження та зниження інерційності термостабілізації, розширення функціональних можливостей напівпровідникового приладу та підвищену надійність його роботи в умовах експлуатації. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі охолодження та термостабілізації напівпровідникового приладу шляхом установлювання та підтримування за допомогою термоелектричної батареї в припустимих границях температури в критичній зоні, передачі теплоти за допомогою замкненого випаровувально-конденсаційного циклу у паровій камері та скидання теплоти, що передана, у оточуюче середовище, що її поглинає, за допомогою зовнішнього теплообмінника, який відрізняється тим, що як критичну зону обирають зону у паровому просторі парової камери, а за допомогою термоелектричної батареї установлюють та підтримують в припустимих границях температуру насиченої пари теплоносія у паровій камері, при цьому передачу теплоти за допомогою замкненого випаровувально-конденсаційного циклу здійснюють на дільниці від напівпровідникового кристалу до холодної пластини термоелектричної батареї, а скидання теплоти, що передана, за допомогою зовнішнього теплообмінника здійснюють безпосередньо з гарячої пластини термоелектричної батареї. Реалізація запропонованого способу пояснюється кресленнями. На фіг. 1 наведена схема реа 2 38931 лізації способу охолодження та термостабілізації потужного напівпровідникового приладу з передачею теплоти на дільниці від напівпровідникового кристалу до холодної пластини термоелектричної батареї шляхом замкненого випаровувальноконденсаційного ціклу у паровій камері, всередині якої розташовані напівпровідникові кристали, що охолоджуються, та рідкий теплосій; на фіг. 2 - схема реалізації запропонованого способу з передачею теплоти на дільниці від напівпровідникового кристалу до холодної пластини термоелектричної батареї шляхом замкненого випаровувальноконденсаційного ціклу у паровій камері, що виконана у вигляді теплової труби, на поверхні якої розміщений напівпровідниковий кристал лазеру, що охолоджується. Пристрій для реалізації способу охолодження та термостабілізації напівпровідникового приладу (фіг. 1) містить у своєму складі напівпровідникові кристали 1 потужного напівпровідникового приладу (або декількох приладів), термоелектричну батарею 2 з холодною пластиною 3 та з гарячою пластиною 4, парову камеру 5 з рідким діелектричним теплоносієм. Кількість рідкого теплоносія обрана такою, що його рівень повністю покриває всі напівпровідникові кристали 1, але до верхньої основи парової камери ще залишається парова зона. Перед заповненням теплоносієм парова камера вакуумується. Парова камера 5 знаходиться у тепловому контакті з холодною пластиною 3 термоелектричної батареї 2. Гаряча пластина 4 термоелектричної батареї 2 знаходиться у тепловому контакті з зовнішнім теплообмінником 6. Критична зона 7 (на фіг. 1 та на фіг. 2 показана точкою), температуру в якій в умовах експлуатації підтримують стабільною, розміщена у паровій зоні парової камери. В критичній зоні 7 розміщений термодатчик 8 (на кресленнях показаний стрілкою), наприклад, термопара, який забезпечує зворотний температурний зв'язок з блоком керування 9 термоелектричною батарею 2. Спосіб охолодження та термостабілізації напівпровідникового приладу (або декількох приладів), здійснюють наступним чином. Під впливом теплоти, що виділяється в потужних напівпровідникових кристалах 1 (див. фіг. 1) при роботі напівпровідникового приладу, рідкий теплоносій починає випаровуватися (або кипіти). Температура насиченої пари у паровій зоні, у тому числі і у критичній зоні 7, підвищується і перевищує температуру верхньої основи парової камери 5, що знаходиться у тепловому контакті з холодною пластиною 3 термоелектричної батареї 2. Насичена пара конденсується на внутрішній поверхні верхньої основи парової камери і віддає їй заховану теплоту пароутворення. Конденсат під дією сили тяжіння повертається до рідкого теплоносія. Температура рідкого теплоносія дорівнює температурі насиченої пари, яка вимірюється за допомогою термодатчика 8. Сигнал від термодатчика 8 передається до блоку керування 9. Блок керування 9 порівнює реальну температуру в критичній зоні 7 з заданою температурою стабілізації напівпровідникових кристалів 1, виробляє сигнал керування і подає його на термобатарею 2, внаслідок чого температура холодної пластини 3 змінюється до рівня, що забезпечує задану температуру насиченої пари, а тим самим і в критичній зоні 7. Температура напівпровідникових кристалів 1 перевищує температуру у критичній зоні 7 на величину, яка визначається коефіцієнтом тепловіддачі від нагрітих напівпровідникових кристалів до рідкого теплоносія. Теплота, що виділена при цьому на гарячій пластині 4, теплопровідностю передається без-посередньо зовнішньому теплообміннику 6, який скидає її конвекцією та частково випромінюванням у оточуюче середовище, наприклад, у повітря. Завдяки вибору критичної точки у паровій зоні та передачі теплоти від напівпровідникових кристалів 1 до холодної пластини 3 термоелектричної батареї 2 шляхом замкненого випаровувальноконденсаційного циклу забезпечується миттєве встановлення заданого рівня температури напівпровідникових кристалів 1 (у т.ч. і при значних щільностях теплової потужності, що виділяється в кристалах) та підтримування її в завданих границях в умовах експлуатації як під впливом зовнішніх чинників (наприклад, температура оточуючого середовища), так і внутрішніх (наприклад, зміна потужності або інших електричних показників). При цьому теплова інерційність способу у часі суттєво зменшується, що дає можливість використовувати його у приладах з імпульсним режимом роботи, що розширює функціональні можливості способу. Відвод теплоти шляхом випаровувально-конденсаційного циклу з малим термічним опором на найбільш теплонавантаженій дільниці знижує температуру напівпровідникових кристалів і підвищує надійність напівровідникових приладів. При виконанні парової камери 5 у вигляді теплової труби (див. фіг. 2) спосіб здійснюється аналогічно описаному з наступними особливостями. При роботі напівпровідникового приладу, наприклад, лазеру, його напівпровідниковий кристал 10 виділяє теплоту, яка передається шляхом теплопровідності через тонку теплопровідну стінку корпуса теплової труби до рідкого теплоносія, що міститься у шарі 11 капілярної структури, наприклад, зі спеченого металічного войлока. Рідкий теплоносій (яким може бути у даному прикладі не тільки діелектрична рідина, а й інша речовина, наприклад, вода, яка має найкращі теплофізичні властивості), що знаходиться у шарі капілярної структури зони випаровування (зона теплової труби, що знаходиться у тепловому контакті з напівпровідниковим кристалом 10), випаровується або закипає (в залежності від величини щільності підведеного теплового потоку), а його пара миттєво рухається до більш холодної поверхні зони конденсації (зона, що знаходиться в тепловому контакті з холодною пластиною 3 термоелектричної батареї 2). При цьому виділяється прихована теплота пароутворення і, за рахунок теплопровідності тонкої верхньої стінки теплової труби, передається до її холодної пластини 3. Конденсат з поверхні зони конденсації, завдяки діям капілярних сил всмоктується в шар 11 капілярної структури і транспортується по ньому знову в зону випаровування. Таким чином, передача теплоти шляхом випаровувально-конденсаційного циклу на найбільш теплонавантаженій дільниці від напівпровідникового кристалу 10 до хололодної пластини 3 термоелектричної батареї повторюється. 3 38931 Встановлення рівня температури насиченої пари в тепловій трубі (і, відповідно, у критичній зоні 7) і підтримування температури у завданих границях здійснюється аналогічно, як описано при реалізації способу за схемою по фіг. 1. Перепад температури між напівпровідниковим кристалом 10 і насиченою парою визначається коефіцієнтом тепловіддачі при пароутворюванні (або кипінні) у шарі 11 капілярної структури в зоні випаровування теплової труби. У іншому здійснення способу та досягнутий позитивний ефект аналогічні описаному за схемою фіг. 1. Промислова придатність запропонованого способу підтверджується промисловою придатністю та освоєністю у виробництві всіх технологічних процесів та пристроїв, що потрібні для реалізації способу. Наприклад, технологія виготовлення парових камер відома з книг: 1. Чи С. Тепловые трубы: Теория и практика / Пер. с англ. В.Я.Сидорова. - М.: Машиностроение, 1981. - 207 с. 2. Технологические основы тепловых труб / Ивановский М.Н., Сорокин. В.П., Чулков Б.А., Ягодкин И.В. – М.: Атомиздат, 1980. - 160 с. Фіг. 1 Фіг. 2 4 38931 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5