Brevet FR2604028A1 — publié le 19880318

Dispositif de refroidissement de semi-conducteurs par vaporisation d'un fluide frigorifique La présente invention concerne un dispositif de refroidissement de semi-conducteurs par vaporisation d'un fluide frigorifique, comprenant des récipients de vaporisation du fluide frigorifique en échange indirect de chaleur avec les semi-conducteurs, un condenseur du fluide frigorifique, muni de moyens d'échange de chaleur avec un fluide plus froid, disposé à un niveau supérieur à celui des récipients de vaporisation, au moins un conduit de départ de fluide frigorifique partiellement vaporisé reliant le haut des récipients de vaporisation au condenseur, et au moins un conduit de retour par gravité du fluide frigorifique condensé dans le bas des récipients de vaporisation. On a déjà décrit dans le document US-A-3609991 un dispositif de refroidissement de semi-conducteurs comprenant a) des récipients de vaporisation d'un fluide frigorifique en contact indirect de chaleur avec les semi-conducteurs à refroidir, b) des tubes de liaison de la partie supérieure de ces récipients, se raccordant à un tube d'évacuation commun du fluide frigorifique partiellement vaporisé vers un condenseur disposé à un niveau supérieur à celui des récipients de vaporisation, c) un condenseur constitué par une cuve que traverse un serpentin de circulation d'eau froide, muni d'ailettes augmentant sa surface d'échange de chaleur avec le fluide frigorifique à condenser, et d) un tube commun de retour du fluide frigorifique condensé à partir du fond du condenseur, se raccordant à des tubes individuels de retour du fluide condensé dans le fond des récipients de vaporisation. Un tel dispositif est cependant complexe et nécessite un condenseur encombrant et de fabrication relativement coûteuse. La présente invention a pour but de procurer un dispositif de refroidissement de semi-conducteurs relativement simple, comportant un condenseur d'encombrement réduit et de fabrication peu coûteuse. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que les récipients de vaporisation sont disposés en parallèle et alternés avec les semi-conducteurs, et sont reliés à un collecteur, d'une part à la partie supérieure de celui-ci par des conduits de départ de fluide frigorifique partiellement vaporisé, d'autre part à la partie inférieure de celui-ci par des conduits de retour de ce fluide condensé, ce collecteur étant lui-même relié au condenseur par des passages d'introduction du fluide frigorifique partiellement vaporisé et de retour de ce fluide totalement condensé. Il répond en outre à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Le condenseur est un récipient plat fabriqué selon la technique "roll- bond" et muni d'ailettes rapportées. - Le collecteur est intégré dans le condenseur. - Le condenseur est constitué par un tube métallique aplati, muni d'ailettes rapportées formées à partir d'une tôle métallique ondulée par pliage. - Il est interposé dans les tubes de liaison entre les récipients de vaporisation et le collecteur des manchons électriquement isolants en matière céramique. - Les tubes de liaison entre les récipients de vaporisation et le collecteur sont en une matière plastique souple électriquement isolante - Le collecteur est en un matériau électriquement isolant. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, des dispositifs de refroidissement de semiconducteurs de puissance conformes à l'invention. La figure 1 représente en coupe une première variante de dispositif de refroidissement. La figure 2 représente une coupe selon l'axe Il-Il de la figure 1. La figure 3 représente une vue analogue à celle de la figure 2, à collecteur intégré au condenseur. Dans la figure 1, les récipients de vaporisation 2, 3, 4 sont intercalés entre les semi-conducteurs de puissance 1A, 1B, 1C, 1D, en constituant ainsi une colonne horizontale. Il n'a été représenté pour plus de clarté que quatre semi-conducteurs, mais on comprendra qu'en pratique leur nombre peut être notablement plus élevé. Chaque récipient est donc en contact thermique indirect avec deux semi-conducteurs. Ces récipients se raccordent par leur partie supérieure à la poutre supérieure du collecteur 5 par des conduits 6, 7, 8, dans lesquels sont interposées des bagues de céramique 9, 10, 11 assurant l'isolation électrique du collecteur.Ces récipients de vaporisation sont également raccordés par leur partie inférieure au fond du collecteur grâce à des conduits 12, 13, 24 (le conduit 24 relatif au récipient 3 étant caché sur la figure 1 mais visible sur la figure 2). Ces derniers sont également munis de bagues de céramique 14, 15, 25 (cette dernière visible sur la figure 2) d'isolation électrique du cc'#lecteur. Les récipients de vaporisation peuvent être commodément fabriqués à partir d'un bloc d'aluminium percé de trous parallèles à axe vertical, collectés entre eux par des trous horizontaux en haut et en bas. Le collecteur 5 est relié au condenseur 16 par des conduits latéraux 17, 18 de passage du fluide frigorifique partiellement vaporisé. Des chicanes verticales 19, 20 assurent que le fluide partiellement vaporisé passe au contact de toute la surface du condenseur, avant de revenir dans la zone centrale 21 de celui-ci vers le conduit 22 de retour du fluide reliquéfié au collecteur. La circulation du fluide frigorifique dans le dispositif est représentée par les flèches. Elle s'effectue selon le principe du thermosiphon biphasique. Ce fluide peut être par exemple un hydrocarbure aliphatique halogéné, tel que le trichloromonofluorométhane ou le trichlorotrifluoroéthane. Le fluide partiellement vaporisé s'élève dans les récipients de vaporisation sous l'effet de la diminution de densité, passe par les conduits 6, 7, 8 dans la partie supérieure du collecteur, puis par les conduits 17, 18 dans le condenseur 16. Reliquéfié au contact de la surface d'échange de celui-ci, il redescend par le conduit 22 dans la partie inférieure du collecteur, puis de là par les conduits 12, 13, 24 dans la partie inférieure des récipients de vaporisation. La figure 2 montre de façon plus claire la structure du condenseur ainsi que la circulation du fluide frigorifique dans l'appareil entre une boucle de vaporisation (flèche en bas à gauche) et une boucle de condensation (flèche en haut à droite). Celui-ci a été fabriqué par la technique "roll-bond" et comporte donc une série de canaux parallèles tels que 16. Il est muni d'ailettes 23 rapportées sur lui par soudure à l'étain, augmentant sa surface d'échange de chaleur avec l'air ambiant. Ces ailettes ont été représentées verticales, mais elles pourraient aussi être horizontales, notamment si l'échange de chaleur avec l'air ambiant était assuré par convection forcée à l'aide d'un ventilateur. De la partie inférieure du condenseur, le conduit 22 assure le retour du fluide reliquéfié au collecteur 5. La colonne de semi-conducteurs et de récipients de vaporisation, ainsi que le collecteur et leurs conduits de jonction, sont contenus dans un coffrage 26 et séparés du condenseur par une cloison 27. Ils sont ainsi à l'abri des poussières amenées par la ventilation. On peut également fabriquer le condenseur à partir d'un tube d'aluminium aplati, sur lequel on rapporterait par soudure une tôle d'aluminium ondulée par pliage. Le dispositif de refroidissement représenté en figure 3 diffère essentiellement de celui des figures 1 et 2 en ce que le collecteur est intégré au condenseur, et en ce qu'il est raccordé aux récipients de vaporisation par des tubes souples en matière électriquement isolante, tel qu'un copolymère de tétrafluoréthylène et d'hexafluoropropylène. Le collecteur est disposé à la partie inférieure du condenseur. Il comprend une partie supérieure SA reliée à des tubes souples d'amenée du fluide partiellement vaporisé tels que 28, se raccordant par des embouts en aluminium sertis 29, 30 d'une part à un récipient de vaporisation, d'autre part au collecteur. Ce tube traverse la cloison de séparation 27 à l'intérieur d'un joint d'étanchéité 31. La partie inférieure 5B est reliée à des tubes souples de retour de fluide condensé aux récipients de vaporisation, tels que 32, munis d'embouts de raccordement en aluminium 33, 34 et traversant la cloison 27 à l'intérieur d'un joint d'étanchéité 35. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de refroidissement de semi-conducteurs par vaporisation d'un fluide frigorifique, comprenant des récipients (2, 3, 4) de vaporisation du fluide frigorifique en échange indirect de chaleur avec les semi-conducteurs (1A, lB, 1C, 1D), un condenseur (16) du fluide frigorifique, muni de moyens d'échange de chaleur avec un fluide plus froid, disposé à un niveau supérieur à celui des récipients de vaporisation, au moins un conduit de départ de fluide frigorifique partiellement vaporisé reliant le haut des récipients de vaporisation au condenseur, et au moins un conduit de retour par gravité du fluide frigorifique condensé dans le bas des récipients de vaporisation, caractérisé en ce que les récipients de vaporisation sont disposés en parallèle et alternés avec les semi-conducteurs, et sont reliés à un collecteur (5), d'une part à la partie supérieure de celui-ci par des conduits de départ de fluide frigorifique partiellement vaporisé (6, 7, 8), d'autre part à la partie inférieure de celui-ci par des conduits de retour de ce fluide condensé (9, 13), ce collecteur étant lul-meme relié au condenseur par des passages d'introduction du fluide frigorifique partiellement vaporisé (17, 18) et de retour de ce fluide totalement condensé (22). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condenseur est un récipient plat fabriqué selon la technique "roll-bond", et muni d'ailettes rapportées (23, fig.2, 3). 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le collecteur est intégré dans le condenseur 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condenseur est constitué par un tube métallique aplati, muni d'ailettes rapportées formées à partir d'une tôle métallique ondulée par pliage. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est interposé dans les tubes de liaison entre les récipients de vaporisation et le collecteur des manchons électriquement isolants en matière céramique (9, 10, 11). 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les tubes de liaison (28, 32, fig.3) entre les récipients de vapo risation et le collecteur sont en une matière plastique souple électriquement isolante. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le collecteur (5) est en un matériau électriquement isolant.