УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может использоваться для эффективного охлаждения и термостатирования силовых полупроводниковых приборов (СПП), в частности, модульных сборок импульсных тиристоров, имеющих плоскую контактную поверхность.
7
Известно устройство для охлаждения СПП типа двухфазного термосифона, содержащее корпус из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением, внутренними вертикальными каналами конденсации и каналом-паропроводом. В нижней части внутреннего вертикального канала-паропровода (в зоне кипения) расположен оребренный прямыми кольцами испаритель, к торцевым поверхностям которого прижаты один или два СПП. Каналы конденсации и канал-паропровод вверху соединены паровым коллектором, внизу -коллектором конденсата. Нижняя часть канала - паропровода (зона кипения) и частично нижние части каналов конденсации заполнены жидким промежуточным теплоносителем (Патент РФ №2201014, on. 20.03.2000, МПК Н 01 L 23/34, 23/36. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов).
Данное техническое решение направлено на решение задачи охлаждения единичных полупроводниковых приборов, например, мощных транзисторов, работающих в статическом режиме. Известная конструкция обладает большими габаритами, сложна в технологическом и конструктивном исполнении, является материалоемкой, дорогостоящей и
не предназначена для охлаждения полупроводниковых приборов, работающих в импульсном режиме, таких как тиристорные модули.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство для охлаждения и термостатирования СПП, на основе тепловых труб (ТТ), имеющих зону испарения и зону конденсации. Охлаждаемые элементы располагают между тепловыми трубами с обеспечением теплового контакта между ними. Тепловая труба представляет собой полый медный корпус, к внутренней поверхности которого припечена капиллярная структура из порошковой меди. Капиллярная структура ТТ заполнена водой. Наружная поверхность ТТ снабжена винтовым или пластинчатым оребрением из деформируемого алюминия (Шелег В.К., Мазюк В.В. Расчет транспортной способности порошковых капиллярных структур тепловых труб с учетом осушения.// Тепловые трубы: теория и практика: Материалы Международной школы -семинара, ч. 1 - Минск: ИТМО им. А.В. Лыкова. АН БССР, 1990, с.106 -112).
Недостатком данной конструкции являются ее большие габариты и связанные с этим проблемы, возникающие при размещении тиристорных модулей в приборной силовой стойке, которая имеет ограниченные размеры. Например, отсутствие возможности обеспечить необходимый зазор между смежными ТТ может вызвать электрический пробой при работе тиристорного модуля. Кроме того, данное устройство достаточно сложно в исполнении из-за большого количества технологических операций, а наличие разнородных материалов, таких как медь и алюминий, служит причиной возникновения электрохимической коррозии, которая отрицательно сказывается на ресурсе работы.
Перед авторами стояла задача уменьшить габариты устройства для условий работы при свободной конвекции в воздушной среде и ограниченных габаритах приборных стоек, а также увеличить его ресурс работы и надежность.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для охлаждения и термостатирования полупроводниковых приборов, выполненном в виде сборки тепловых труб с оребрением, имеющих зону испарения и зону конденсации, и охлаждаемых элементов, расположенных между трубами с обеспечением теплового контакта, тепловые трубы выполнены на основе профиля, снабженного внутренней капиллярной структурой в виде аксиально расположенных канавок, наружное оребрение сформировано с образованием параллельных контактных поверхностей в зоне испарения, а тепловая труба вне зоны испарения изогнута так, что зона конденсации тепловых труб расположена выше зоны теплового контакта.
В заявляемом устройстве зона испарения может быть расположена в центре профиля тепловой трубы с образованием двух симметричных зон конденсации, расположенных относительно зоны испарения (зоны теплового контакта) под углом α=5-50°, который является оптимальным и обеспечивает наиболее эффективную работу ТТ.
Угол изгиба тепловых труб в сборке может возрастать от нижней тепловой трубы к верхней. Такая компоновка сборки «СПП - ТТ» повышает теплосъем за счет улучшения условий свободной конвекции.
В зависимости от внешних условий для улучшения теплопередачи ТТ в сборке могут располагаться параллельно друг другу или же быть смещенными в горизонтальной плоскости относительно друг друга на угол Р=180/п, где n - количество охлаждаемых элементов.
Для увеличения теплосъема с охлаждающего устройства путем увеличения площади оребренной поверхности и улучшения условий свободной конвекции наружное оребрение в зоне конденсации может быть выполнено в виде сегментов, разведенных в противоположные стороны на угол у не более 45(для сегментов, разведенных к оси ТТ, и (не более 90°-для сегментов, разведенных на внешнюю сторону ТТ. При этом ширина
разрыва между соседними сегментами не должна превышать среднюю толщину ребра.
Для обеспечения минимального термического сопротивления между ТТ и СПП рекомендуемая чистота поверхностей в зоне теплового контакта должна быть не хуже Ra 1,25.
Выполнение тепловых труб на основе профиля, снабженного наружным оребрением, позволяет уменьшить габариты устройства и его материалоемкость. Тепловые трубы, изготавливаемые на основе алюминиевых профилей с внутренней капиллярной структурой в виде аксиальных канавок прямоугольной, трапецеидальной и др. формы, обеспечивают высокую теплопередающую способность при минимальных размерах и массе. Заявляемая конструкция является более является более простой в технологическом и конструктивном исполнении, поскольку позволяет исключить целый ряд технологических операций таких как: изготовление вставной пористой структуры, изготовление ребер с последующим их размещением на поверхности ТТ. Использование однородного материала (алюминиевого профиля) и таких теплоносителей, как аммиак и органические жидкости позволяет исключить коррозионные процессы, которые неизбежно возникают при применении разнородных материалов. Использование этих теплоносителей, в первую очередь, определяется их хорошей совместимостью с материалом профиля.
Расположение зоны конденсации тепловых труб выше зоны испарения обеспечивает устойчивый режим отекания пленки теплоносителя по внутренней поверхности профиля и дополнительный приток теплоносителя в зону испарения за счет действия сил гравитации, увеличивая передаваемую тепловую мощность ТТ.
На фиг.1 изображена конструкция устройства с изменяющимся углом изгиба ТТ в сборке и имеющего одну зону конденсации.
На фиг.2 - разрез устройства, изображенного на фиг.1, на основе ТТ одноканального типа.
На фиг.3 - разрез устройства, изображенного на фиг.1, на основе двух ТТ одноканального типа, соединенных при помощи сварки.
На фиг.4 изображена конструкция устройства с параллельно расположенными трубами и имеющего две зоны конденсации, расположенные симметрично относительно зоны испарения.
На фиг.5 изображена конструкция устройства со смещенными в горизонтальной плоскости друг относительно друга трубами на угол β=180/n, где n - количество охлаждаемых элементов.
На фиг.6 изображен вариант выполнения наружного оребрения в виде сегментов, разведенных в противоположные стороны на углы (- не более 45(и (- не более 90°. Ширина разрезов между соседними сегментами (b) должна быть меньше средней толщины ребра (а).
Устройство для охлаждения и термостатирования полупроводниковых приборов содержит тепловые трубы 1, имеющие зону испарения 2 и зону конденсации 3, охлаждаемые элементы 4, которые расположены между трубами 1 с обеспечением теплового контакта. Тепловые трубы выполнены на основе профиля и снабжены внутренней капиллярной структурой 5 в виде аксиально расположенных канавок, как это изображено на фиг.2 и фиг.3. Тепловые трубы имеют наружное оребрение 6, которое сформировано с образованием параллельных контактных поверхностей (зона теплового контакта) 7, расположенных в зоне испарения 2. Тепловые трубы вне зоны испарения изогнуты так, что их зона конденсации 3 расположена выше зоны теплового контакта 7, как это показано на фиг.1 и фиг.4.
Устройство работает следующим образом.
Во время включения охлаждаемых полупроводниковых приборов 4 тепловые потери с них передаются через контактную поверхность 7 в зону испарения 2 тепловой трубы 1. Испаряющийся в капиллярной структуре 5 теплоноситель, например ацетон, переносит пар в зону конденсации 3, где конденсируясь отдает тепло на стенку зоны конденсации. С внешней
поверхности зоны конденсации и, особенно с поверхностей оребрения 6, тепло рассеивается воздухом за счет свободной конвекции в окружающее пространство. В результате рассеивания тепловых потерь с полупроводниковых элементов допустимая температура их эксплуатации не превышает заданных значений.
Для обеспечения эксплуатационных характеристик охлаждаемых элементов, в частности, тиристорного модуля были изготоавлены два типа канавочных ТТ на основе профиля АЦ-КРА7,3-Р2 (одноканального) и профиля ТР50-13 (двухканального). В качестве материаля профилей использовался алюминиевый сплав АД31 ГОСТ 4784-97. В качестве теплоносителя для ТТ применялся ацетон, прошедший глубокую очистку. Конструкция устройства для охлаждения и термостатирования тиристорного модуля на основе ТТ, выполненных из профиля АЦ-КРА7,3-Р2, представляет собой сборку из шести тиристоров и семи (фиг.4) двухтрубных ТТ, каждая из которых сварена из двух одноканальных ТТ, имеющих выгнутую сварную конструкцию с прямоугольной двухсторонней плоской контактной площадкой размером 70х50 мм, которая является зоной подвода тепла, выделяемого тиристорами (зоной теплового контакта). Зоны конденсации ТТ, симметрично расположенные относительно зоны теплового контакта (зоны испарения) наклонены к плоскости контактной площадки под углом 5(для обеспечения устойчивого режима отекания теплоносителя по внутренней поверхности профиля.
Тиристорный модуль выполнен из шести последовательно соединенных тиристоров ТЗ53-80-32 и работает в пакетно-импульсном режиме.
Габаритные размеры устройства в сборке с тиристорным модулем ограничиваются размерами 500 мм по высоте и 500х150 мм в поперечном сечении. Зазор между двумя любыми смежными ТТ, собранными в сборку, составляет не более 10 мм. Для обеспечения необходимого теплового
контакта устройство собиралось с приложением осевого усилия 2000 кгс.Контактные поверхности ТТ, соприкасающиеся с тиристорами, обрабатывались с неплоскосностью не более 0,03 мм и шероховатостью не выше 2 мкм.
Второй вариант устройства на основе двухканальных ТТ, выполненных из цельного профиля ТР50-13, конструктивно аналогичен первому.
Тепловая мощность, выделяемая тиристорами при их эксплуатации, воспринимается ТТ и рассеивается за счет свободной конвекции в условиях производственного помещения. При этом температура стыка «ТТ - тиристор» при температуре окружающего воздуха до 298 К не превышает 333 К.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает возможность воздушного охлаждения полупроводниковых приборов в условиях пакетно-импульсного их нагружения и габаритных ограничений. Данная конструкция обладает большей компактностью и простотой по сравнению с прототипом за счет использования серийного профиля, более проста в технологическом исполнении и менее материалоемка. Использование однородного материала профиля, совместимого с теплоносителем, исключает появление коррозии и увеличивает ресурс.Выбранное сочетание конструкции ТТ и ее теплопередающих характеристик позволяет оптимально решать задачу организации теплового режима работы полупроводниковых приборов.