Brevet FR2125379A1 — publié le 19720929

La présente invention concerne un dispositif pour le refroidissement de composants à semi-conducteurs de puissance, constitué par un tube radiateur muni d'ailettes de refroidissement. Le développement dans le domaine de l'électronique de puissance conduit à des densités énergétiques toujours plus grandes dans les composants à semi-conducteurs en particulier dans les thyristors. les densités énergétiques élevées exigent des dispositions de réfrigération particulièrement intensives, afin d'évacuer rapidement des composants à semi-conducteurs, les quantités de chaleur considérables qui correspondent aux pertes dissipées. Avec les dispositifs de réfrigération traditionnels, on assemble les composants à semi-conducteurs avec des refroidisseurs massifs, bons conducteurs de la chaleur, refroidis à l'air, ou avec des refroidisseurs creux parcourus par des liquides. Comme cependant du fait de leur conductivité thermique limitée, la résistance thermique des éléments refroidisseurs connus est relativement élevée, la capacité énergétique des thyristors ne peut pas être exploitée complètement. n est connu (Scientific America, Mai 1968, page 38), de monter un thyristor sur chacune des faces frontales d'un tube radiateur, présentant le long de son enveloppe des ailettes de refroidissement par air, disposées radialement. La surface interne du tube radiateur, sur l'enveloppe et sur les faces frontales, est revêtue d'une structure capillaire qui est remplie d'un liquide de travail. les faces frontales, adjacentes aux composants à semi-conducteurs, sont échauffées par les quantités de chaleur correspondant aux pertes dissipées, de sorte que le liquide de travail se vaporise et s'évapore de la structure capillaire avoisinante.Le liquide de travail vaporisé s' écoule à travers le tube radiateur, dans le sens axial, et se condense sur la surface interne de son enveloppe. Le-liquide de travail restitue alors aux ailettes de refroidissement la quantité de chaleur absorbée à la vaporisation. La conductibilité thermique, et par conséquent la capacité de réfrigération du dispositif connu, est bien supérieure au moins d'un "ordre de grandeur' à celle des dispositifsae refroidissement traditionnels, mais il faut néanmoins prévoir un tube radiateur séparé pour chaque groupe de deux composants à semai conducteurs. L'invention se propose de fournir un dispositif de réfrigération particulièrement simple, pour plusieurs composants à semi-conducteurs, qui évite les inconvénients des dispositifs connus. Avec un dispositif du type précité, selon la présente invention ce problème est résolu en ce que le tube radiateur présente une zone chaude ayant la forme d'un caisson, sur laquelle sont montés, d'unemanière amovible, au moins deux composants à semi-conducteurs, et en ce que la- zone froide du tube radiateur se compose d'un certain nombre de tubes de condensation pour le liquide vaporisé. Dans la réalisation de l'invention, il est proposé que, le long de la-surface extérieure de l'enveloppe des tubes de conden- sation soit réparties des ailettes balayées par un arpent réfrigérant. Une autre proposition prévoit que les composants à semiconducteurs sont montés sur la zone chaude avec un isolement électrique. Dans une forme de réalisation de l'inyention, les surfaces internes de la zone chaude et des tubes de condensation présentent, dans les deux cas, une structure capillaire. Dans une variante avantageuse, la structure capillaire de la zone chaude comporte une surface structurée en forme de méandres. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, les tubes de condensation ont une surface interne lisse. L'avantage du dispositif de refroidissement selon l1inven- tion doit être vu dans le fait qu'en utilisant l'excellente conductibilité des tubes radiateurs, on peut, avec un tube radiateur minuscule, transférer aux ailettes de refroidissement la chaleur des pertes d'un grand nombre de composants à semi-conducteurs. Du fait de l'utilisation d'un grand nombre de tubes de condensation, on évite, dans le balayage des ailettes de refroidissement, les espaces morts de stagnation de l'écoulement et, par conséquent, les surchauffages locales. De plus, en cas de défaillance d'un composant à semi-conducteur, on peut procéder à un remplacement sans difficulté; L'invention sera expliquée plus en détail, avec d'autres particularités et avantages, à l'aide de l'exemple de réalisation représenté sur les dessins, qui montrent respectivement la Fig. I, une vue en perspective du dispositif de refroidissement selon l'invention, la Fig. 2, une vue en perspective et en coupe dlun tube radiateur selon l'invention; la Fig. 3, une vue en coupe, à travers la structure capillaire, de la zone chaude du tube radiateur selon l'invention. Les composants d' semi-conducteurs qu'il s'agit de refroidir 1 (piu. 1) sont montés sur la zone chaude 2 d'un tube raisa- teur 3. La zone chaude 2 est fixée à la partie inférieure ifun empilage d'ailettes de refroidissement 4, la zone froide du tube radiateur 3 formée par les tubes de condensation 5 passant à travers l'empilage d'ailettes de refroidissement 4. Les ailettes de refroidissement individuelles de l'empilage d'ailettes 4 forment, avec les tubes de condensation 5 un contact bon conducteur de la chaleur, sur toute leur étendue axiale.L'empilage d'ailettes de refroidissement 4 peut être balayé de l'extérieur par un écoulement de fluide réfrigérant, gazeux ou liquide, ou bien on peut canaliser un agent réfrigérant à travers les ailettes de refroidissement réalisées sous la forme d'un corps creux. La structure et le fonctionnement du tube radiateur 3 sont expliqués plus en détail sur la figure 2. La zone chaude 2 du tube radiateur 3 est constituée par un corps creux en forme de caisson, dont la surface interne est revêtue d'une structure capillaire métallique 6. La structure capillaire est remplie avec un liquide de travail dont le point de vaporisation peut être fixé à l'intérieur d'un domaine de températures compris entre 7000 et 1300 C. Dans la plaque de fermeture supérieure de la zone chaude 2, on a inséré un grand nombre de tubes de condensation 5 disposés perpendiculairement qui, pour un montage vertical du tube radiateur 3, présentent des parois à surface interne lisse. Si, pour des raisons constructives, il n'est pas possible de monter le tube radiateur 3 dans la-position verticale, la surface interne des tubes de condensation 3 est revêtue d'une structure capillaire, de même que la surface interne de la zone chaude 2. La chaleur des pertes, engendrée par le composant à semiconducteur 1, échauffe le liquide de travail de la zone chaude 2, de sorte que celui-ci se vaporise et monte dans les tubes de condensation 5, disposés parallèlement entre eux. Le liquide de travail vaporisé se dépose régulièrement sur toute la surface interne des tubes de condensation 5, et restitue alors aux ailettes de refroidissement la chaleur qu'il avait absorbée à la vaporisation. Le liquide de travail, après condensation, revient dans la zone chaude 2; lorsque les tubes de condensation 5 sont disposés verticalement, ce retour se faisant par gravité, et, si les tubes de condensation 5 sont disposés obliquement ou horizontalement, il se fait par capillarité, en cheminant dans la structure capillaire 5 disposée sur la surface interne des tubes de condensation 5. Le transfert de chaleur, depuis le composant à semi-conducteur 1 jusqu'aux ailettes de l'empilage d'ailettes de refroidissement 4, que l'on vient de décrire, est particulièrement favorisé du fait que l'on prévoit un nombre aussi grand que possible de tubes de condensation 5 et, par conséquent, une surface effective maximale assurant l'évacuation de la chaleur. Pour augmenter la surface interne de la zone chaude 2, on peut donner à cette surface une structure en méandres (figure 3). Dans la mesure où les composants à semi-conducteurs sont portés à des potentiels différents, entre la zone chaude 2 et chaque composant à semi-conducteurs 2, on peut disposer une mince couche 7 de matériau isolant du point de vue électrique, mais relativement bon conducteur thermique. On peut utiliser, pour cela, des couches d'oxyde de berrylium ou des feuilles minces en résines de synthèse, telles par exemple celles que l'on trouve dans le commerce sous le nom de Nomex. REVENDICATIONS I - Dispositif pour le refroidissement de composants à semi-conducteurs de puissance, constitué par un tube radiateur pourvu d'ailettes de refroidissement, caractérisé en ce que le tube radiateur (3) présente une zone chaude (2) en forme de caisson, sur laquelle on peut monter, d'une manière amovible, au moins deux composants à semi-conducteurs (1); et en ce que la zone froide du tube radiateur (3) est constituée par un certain nombre de tubes de condensation (5) pour le liquide de travail vaporisé. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que, le long de llenveloppe extérieure des tubes de condensation (5), sont réparties des ailettes de refroidissement balayées par un agent de refroidissement. 3 - Dispositif selon l'ensemble des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les composants à semi-conducteurs (1) sont montés sur la zone chaude (2) avec un isolement électrique. 4 - Dispositif selon l'ensemble des revendications précédentes caractérisé en ce que les surfaces internes de la zone chaude (2) et des tubes de condensation (5) présentent, chacune, une structure capillaire. 5 - Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que la structure capillaire (6) de la zone chaude (2) possède une surface agencée en forme de méandres. 6 - Dispositif selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les tubes de condensation (5) ont une surface interne lisse.