Brevet FR2122413A1 — publié le 19720901

i 2122413 L'invention concerne un dispositif de refroidissement pour éléments semi-conducteurs de puissance, dispositif comportant un corps de refroidissement,servant d'évaporateur, en contact thermique avec le corps semi-conducteur, ce corps de 5 refroidissement contenant un liquide de refroidissement qui se vaporise lors du fonctionnement de l'élément. D'après le modèle d'utilité allemand n° 1 766 192, on connaît déjà un dispositif de refroidissement de ce type dans lequel le corps de refroidissement forme un ballon fermé 10 dont la partie supérieure est réalisée sous forme de condenseur. Avec ce dispositif de refroidissement, le corps semi-conducteur ne peut céder qu'une quantité de chaleur limitée au liquide de refroidissement qui se vaporise, car, pour les charges élevées.) il se forme un film de vapeur entraînant une transmission de 15 chaleur considérablement réduite. En outre, ce dispositif de refroidissement a pour inconvénient que le ballon prend une grande place à l'intérieur du montage électrique dans lequel l'élément semi-conducteur est incorporé. L'invention a pour but d'éviter les inconvénients 20 des dispositifs de refroidissement connus du type indiqué précédemment. L'invention a,en particulier, pour but de constituer un dispositif de refroidissement capable d'une puissance plus élevée convenant pour le refroidissement d'éléments semi-conducteurs de puissance, princxpalement dans les 25 véhicules électriques. L'invention concerne,à cet effet, un dispositif de refroidissement du type ci-dessus caractérisé en ce que le corps de refroidissement est réalisé sous forme de pompe à bulles, en ce qu'il est prévu un collecteur-séparateur sé-30 paré dans l'espace du corps de refroidissement ainsi qu'un condensateur, la tubulure de sortie de la pompe à bulles étant reliée à la tubulure d'entrée du collecteur-séparateur, et la tubulure de sortie de vapeur du collecteur-séparateur étant reliée à la tubulure d'entrée du condenseur, le liquide 35 de refroidissement séparé dans le collecteur-séparateur et dans le condenseur étant introduit dans une tubulure d'amenée raccordée .. la tubulure d'entrée de la pompe à bulles. On obtient ainsi que le liquide de refroidissement est vaporisé, condensé et mis en circulation. En raison de la kO circulation du liquide de refroidissement, la densité de flux 71 46863 2 2122413 massique sur les nervures de refroidissement du corps de refroidissement est fortement augmentée et on obtient ainsi une très forte augmentation de la densité de flux thermique et du coefficient de transmission de chaleur. La tubulure de sortie du con-5 denseur peut alors être reliée à la partie inférieure du collecteur- séparateur et la tubulure de sortie de liquide du collecteur-séparateur peut être directement reliée à la tubulure d'amenée allant à la pompe à bulles. Au lieu de cela, on peut, pour améliorer le passage 10 du liquide de refroidissement dans le condenseur, relier,par l'intermédiaire d'un injecteur de liquide, la tubulure de sortie de liquide du collecteur-séparateur à la tubulure d'amenée allant à la pompe à bulles, la troisième tubulure de raccordement de 1'injecteur de liquide étant reliée à la tubulure de sortie du 15 condenseur. Pour assurer le retour de pression dans le condenseur-séparateur, on peut en outre réaliser,en tant que diffuseur de vapeur•1'extrémité supérieure de la tubulure d'entrée du collecteur-séparateur. On obtient ainsi une amélioration supplémentaire de la circulation de l'agent de refroidissement. 20 La description ci-après et les dessins annexés re présentant des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels : - La figure 1 est une vue latérale schématique, en coupe partielle, d'un premier exemple de réalisation du 25 dispositif de refroidissement conforme à l'invention ; - La figure 2 est une vue latérale,en coupe partielleid'un second exemple de réalisation du dispositif de refroidissement conforme à l'invention ; - La figure 3 est une vue en coupe horizontale 30 d'un corps de refroidissement réalisé sous forme de pompe à bulles ; - La figure k est une coupe effectuée suivant la ligne IV-IV de la figure 3 ; - La figure 5 est une vue en coupe horizontale 35 d'un corps de refroidissement réalisé sous forme de pompe à bulles, suivant la figure 2 et la figure 7 ; - La figure 6 est une coupe effectuée suivant la ligne VI-VI de la figure 5 ; - La figure 7 est une vue schématique d'un 40 troisième exemple de réalisation du dispositif de refroidissement conforme à l'invention, partiellement en élévation, par 71 46863 3 2122413 tiellement en perspective et en coupe ; - La figure 8 est une vue fortement agrandie du collecteur-séparateur suivant la figure 2 avec injecteur de liquide mis en place. 5 La figure 1 représente schématiquement un élément semi-conducteur réalisé sous forme de thyristor, cet élément étant muni d'un dispositif de refroidissement conforme à l'invention mis en place. Par sa plaque de base 2, le corps semi-conducteur 1 est alors monté de façon à bien conduire l'électricité et 10 la chaleur sur un corps de refroidissement 3 servant d'évapora-teur. Le corps de refroidissement 3 est réalisé sous forme de pompe à bulles et comporte une cavité d'évaporateur 4 dans laquelle pénètrent des nervures de refroidissement 5 faisant partie du corps de refroidissement 3 et qui s'étendent vers le 15 bas à partir de la face du corps de refroidissement 3 reliée à la plaque de base. Dans la cavité d'évaporateur 4 se trouve un liquide de refroidissement électriquement non conducteur et se vaporisant lors du fonctionnement de l'élément- Il est-, en outre ,prévu un collecteur-séparateur 6 séparé dans l'espace du 20 corps de refroidissement et un condenseur 8 refroidi par un ventilateur 7* La tubulure de sortie 9 de la pompe à bulles est reliée à une tubulure d'amenée 11 par un tronçon de tube souple 10 électriquement non conducteur» La tubulure 25 d'amenée 11 est raccordée à la tubulure d'entrée du collec-teur-séparateur 6. La tubulure de sortie de liquide 13 du collecteur-séparateur 6 est reliée à une seconde tubulure d'amenée l4 qui, par un second tronçon de tube souple 15 non conducteur de l'électricité, est raccordée à la tubulure 30 d'entrée l6 de la pompe à bulles. La tubulure de sortie de vapeur 17 du collecteur-séparateur 6 est reliée à la tubulure d'entrée 19 du condenseur 8 par une troisième tubulure d'amenée l8. La tubulure de sortie 20 du condenseur 8 est reliée à la partie inférieure du collecteur-séparateur 6 par une qua-35 trième conduite d'amenée 21. La vapeur mélangée à du liquide de refroidissement sort de la pompe à bulles 3 par la tubulure de sortie 9, elle passe dans le tronçon de tube souple 10,puis dans la conduite 11 et pénètre ensuite par la tubulure d'entrée 12 40 dans le collecteur-séparateur 6 où le liquide entraîné par les 71 46863 4 2122413 bulles de vapeur est séparé de la vapeur. La partie supérieure de la tubulure d'entrée 12 est réalisée sous forme de diffuseur de vapeur 22 pour reconvertir en-énergie de pression une partie de l'énergie d'é-5 couleraent élevée de la vapeur qui entre. Cette énergie de pression charge le liquide de refroidissement 23 séparé dans le collecteur-séparateur. Par cette énergie de pression et par une faible pression statique supplémentaire créée par la différence de niveau entre le collecteur-séparateur 6 et le 10 corps de refroidissement 3, le liquide de refroidissement 23 est refoulé dans la tubulure d'amenée l4. Ce liquide parcourt l'élément de tube souple non conducteur 15 puis revient dans le corps de refroidissement 3 par le tube d'entrée l6. La vapeur séparée du liquide de refroidissement 15 dans le collecteur séparateur 6 sort de celui-ci par la tubulure de sortie de vapeur 17 et s'écoule par la conduite l8 dans le condenseur 8 refroidi par air. Le séparateur de liquide 24, constitué sous forme de bouclier, évite alors que du liquide de refroidissement soit entraîné dans la conduite l8 et dans 20 le condenseur 8. Le condensât 25 qui se forme dans le condenseur 8 sort du condenseur par la tubulure de sortie 20 et revient dans le collecteur séparateur 6 en s'écoulant dans la conduite 21 par suite de la différence statique de niveau. Ce condensât revient donc dans le circuit de refroidissement. 25 La figure 2 représente un dispositif de re froidissement conforme à l'invention et un peu modifié par rapport au précédent. Contrairement à ce qui a lieu dans le dispositif de refroidissement suivant la figure 1, la tubulure de sortie de liquide 13 du collecteur séparateur 6 30 est alors reliée par l'intermédiaire d'un injecteur de liquide 26 à la tubulure d'amenée l4 allant à la pompe à bulles. La troisième tubulure de raccordement 27 de 1'injecteur de liquide 26 est alors reliée à la tubulure de sortie 20 du condenseur 8 par la tubulure d'amenée 21. 35 Contrairement à la figure 1, la figure 2 représente le condenseur 8 en détail. En raison de la disposition supplémentaire de 1'injecteur de liquide 26, représenté sur la figure 8 à une échelle fortement agrandie avec le collecteur-séparateur 6, la dépression se formant dans 40 le condenseur 8 ,lors de la condensation du liquide de refroidis- •V"»' 71 46863 5 2122413 sementfest vaincue. Il en résulte que le passage du liquide de refroidissement dans le condenseur est fortement amélioréo En outre, dans l'exemple de réalisation suivant la figure 2, le séparateur de liquide 24 est, contrairement à ce qui a 5 lieu dans le cas de la figure 1, formé par cintrage de l'extrémité inférieure de la tubulure de sortie de liquide 17= Les figures 3 et 4 représentent schématiquement le corps de refroidissement 3 utilisé dans l'exemple de réalisation suivant la figure 1. La constitution du corps de re-10 froidissement 3,en tant que pompe à bulles,se reconnaît de façon particulièrement claire dans ce cas. Le point essentiel est constitué par la disposition des nervures de refroidissement 5 telle qu'il se produise une section d'écoulement allant en s'élargissant dans le sens d'écoulement de la tubulure d'entrée 15 16 vers la tubulure de sortie 9« Il en résulte que la vapeur qui se forme avec une augmentation de volume considérable ne peut s'écouler que dans ce sens prédéterminé. Le corps de refroidissement 3, utilisé dans l'exemple de réalisation suivant la figure 2, est représenté sché-20 matiquement sur les figures 5 et 6. Dans ce cas, les nervures de refroidissement 5 sont disposées parallèlement à la direction de l'écoulement. Les intervalles ne vont pas en s'élargissant» L'élargissement de la section est obtenu par une conformation en forme de coin de la cavité d'évaporation 4 (figure 6). 25 A titre de troisième exemple de réalisation, la figure 7 représente un thyristor 1 en forme de disque refroidi des deux côtés. Le thyristor 1 en forme de disque est muni de corps de refroidissement 3 des deux côtés, ces corps de refroidissement servant en même temps de conducteurs d'a-30 menée de courant électrique. Chacun des corps de refroidissement 3 est constitué sous forme de pompe à bulles et est, comme indiqué sur la figure 7, du type représenté de façon plus précise sur les figures 5 et 6. Au lieu de cela, on peut cependant utiliser aussi une pompe à bulles suivant les fi-35 gures 3 et 4. La disposition suivant la figure 7 fonctionne, comme les dispositions suivant les figures 1 et 2 5avec un seul collecteur-séparateur 6 et un seul condenseur 8. Les raccords 9 et l6 des deux corps de refroidissement 3, qui forment les tubulures d'entrée et les tubulures de sortie de ces 40 corps de' refroidissement,sont disposés en parallèle, chaque fois 71 46863 6 2122413 avec interposition d'un tronçon de conduite isolant 10, 15° Pour donner une plus grande résistance mécanique au système d'électrodes formé par les corps de refroidissement 3, ces deux corps de refroidissement 3 sont assemblés l'un avec l'autre par des éléments de fixation électriquement non conducteurs, chaque élément étant formé par une cheville 28 et une rondelle belleville 29. Il est aussi possible de refroidir simultanément plusieurs corps semi-conducteurs. On peut alors disposer sur chacun des corps semi-conducteurs,soit un, soit deux corps de refroidissement. Il est alors judicieux de raccorder plusieurs corps de refroidissement à un collecteur-séparateur commun. Contrairement à ce qui a lieu dans l'exemple de réalisation suivant la figure 7, on peut,dans ce cas,affecter dans le collecteur-séparateur une tubulure d'entrée 12 et une tubulure de sortie de liquide particulière 13 à chacun des corps de refroidissement raccordés à ce collecteur séparateur commun. Pour augmenter le coefficient de transmission de chaleur, le corps de refroidissement 3 peut être monté directement sur la plaque de contact 2 du corps semi-conducteur 1. Si l'on doit évacuer des puissances thermiques encore plus importantes, on peut augmenter la transmission thermique du liquide qui se vaporise par augmentation du débit en insérant une pompe dans la tubulure d'amenée l4 allant au corps de refroidissement 3, en conservant l'ensemble du système de refroidissement. La mise en application du dispositif de refroidissement conforme à l'invention pour refroidir des thyristors dans les véhicules électriques s'est révélée particulièrement avantageuse. On a constaté que les liquides de refroidissement les mieux appropriés étaient R 113 (C^F^Cl^) **11 Cl^) R21 (CHF Cl2) et Rll4 (C2F4C12). Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés,à partir desquels on pourra prévoir d'autres variantes sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 71 46863 7 2122413 REVENDICATIONS 1°) Dispositif de refroidissement pour éléments semi-conducteurs de puissance, dispositif comportant un corps de refroidissement servant d1évaporateur,en contact thermique 5 avec le corps semi-conducteur, et contenant un liquide de refroidissement qui se vaporise lors du fonctionnement de l'élément, dispositif caractérisé en ce que le corps de refroidissement est réalisé sous forme de pompe à bulles avec un collecteur séparateur séparé dans l'espace du corps de refroidissement ainsi qu'un 10 condenseur, la tubulure de sortie de la pompe à bulles étant reliée à la tubulure d'entrée du collecteur-séparateur, la tubulure de sortie de vapeur du collecteur-séparateur étant reliée à la tubulure d'entrée du condenseur, le liquide de refroidissement séparé dans le collecteur séparateur et dans le conden-15 seur étant introduit dans une tubulure d'amenée raccordée à la tubulure d'entrée de la pompe à bulles. 2°) Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tubulure de sortie du condenseur est reliée à la partie inférieure du collecteur-20 séparateur ; la tubulure de sortie du liquide du collecteur-séparateur est directement reliée à la tubulure d'amenée allant à la pompe à bulles. 3°) Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tubulure de sortie 25 de liquide du collecteur-séparateur est reliée,par l'intermédiaire d'un injecteur de liquide,à la tubulure d'amenée allant à la pompe à bulles, la troisième tubulure de raccordement de 1'injecteur de liquide étant reliée à la tubulure de sortie du condenseur. 30 k") Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure de la tubulure d'entrée du collecteur-séparateur est réalisée sous forme de diffusion de vapeur. 5°) Dispositif de refroidissement suivant la 35 revendication 1, caractérisé en ce que, de façon en soi connue, le corps semi-conducteur est réalisé en forme de disque, un corps de refroidissement réalisé sous forme de pompe à bulles étant monté sur chacune des deux faces planes du corps semiconducteur en forme de disque, et ces deux corps de refroidis-40 sement étant raccordés à un collecteur séparateur commun avec 71 46863 8 2122413 interposition de deux tronçons de conduite électriquement isolants et en faisant usage d'une tubulure d'entrée unique,commune aux deux corps de refroidissement, ainsi que d'une tubulure de sortie de liquide conique, commune aux deux corps de refroidis-5 sèment. 6°) Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1 ,caractérisé en ce que plusieurs corps de refroidissement réalisés sous forme de pompe à bulles sont raccordés à un collecteur-séparateur commun, une tubulure d'entrée par-10 ticulière et une tubulure de sortie de liquide particulière étant affectées, dans le collecteur-séparateur,à chacun des corps de refroidissement. 7°) Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le 15 corps de refroidissement réalisé sous forme de pompe à bulles est monté directement sur la plaque de contact du corps semiconducteur . 8°) Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une 20 pompe est insérée dans le tubulure d'amenée allant au corps de refroidissement. 9°) Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est adapté à des éléments semi-conducteurs de puissance 25 dans des véhicules électriques. 10°) Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que, en tant que liquide de refroidissement, on utilise C^F^Cl^, C F Cl^, CH F Cl2 ou C2 Clg.