СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
FLUID COOLING SYSTEM FOR SEMICONDUCTOR DEVICES

Изобретение относится к области приборостроения, теплоснабжения и холодоснабжения, где может найти применение в системах термостатирования с жидким теплоносителем.
Известно устройство для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащее жидкостный теплоотвод, состоящий из охлаждаемой пластины, являющейся токоотводом, и расположенного на ней радиатора, на двух противоположных сторонах которого располагаются полупроводниковые приборы, и последовательно размещенные между траверсами центрирующие упоры, изоляторы, охлаждающие реакторы с токоотводами, установленные на токоведущих поверхностях полупроводниковых приборов, которые прижаты к жидкостному теплоотводу с помощью шпилек. Шпильки жестко крепятся к охлаждаемой пластине жидкостного теплоотвода (RU №74010, МПК H01L 23/34, опубл. 10.06.2008 г., Бюл. 16).
Среди недостатков данного устройства охлаждения полупроводниковых приборов можно отметить относительно низкую эффективность охлаждения, обусловленную наличием большого термического сопротивления - полупроводниковый прибор передает тепло радиатору, от него тепло передается охлаждающей пластине посредством теплопередачи через стенки и только потом передается охлаждающей жидкости.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков является установка жидкостного охлаждения аппаратуры, содержащая циркуляционный контур, в котором установлены насосы, теплообменник и ионообменный фильтр, подпиточную емкость и измерительные приборы. Подпиточная емкость и ионообменный фильтр подключены к всасывающей линии насосов параллельно, при этом подпиточная емкость расположена выше любого участка циркуляционного контура (RU №3157, МПК F25B 19/04, опубл. 16.11.1996 г.).
Недостатками известной конструкции являются относительно низкая эффективность охлаждения полупроводникового прибора, склонность охладителя полупроводникового прибора к отложениям и наносам, содержащимся в деионизированной воде, которые снижают общую эффективность охлаждения но мере эксплуатации.
Технический результат заключается в повышении надежности и эффективности системы жидкостного охлаждения полупроводникового прибора.
Технический результат достигается тем, что в системе жидкостного охлаждения полупроводниковых приборов, включающей циркуляционный контур, в котором установлены насосы, теплообменник, ионообменный фильтр, включенный параллельно насосам, охладитель полупроводникового прибора, подпиточную емкость, расположенную выше любого участка циркуляционного контура и подключенную к всасывающей линии насосов, и измерительные приборы, дополнительно установлены пульсатор, гидроаккумулятор, обратный клапан, подающий и обратный вентили. Параллельно пульсатору, включенному последовательно в циркулярный контур через падающий и обратный вентили, включен охладитель, в подающем трубопроводе которого установлен обратный клапан, а в его обратном трубопроводе перед обратным вентилем - гидроаккумулятор.
Предлагаемый вариант конструкции системы жидкостного охлаждения полупроводниковых приборов иллюстрируется чертежом, который представлен на фиг.1. Система включает циркуляционный контур 1, в котором установлены насосы 2, теплообменник 3, ионообменный фильтр 4, включенный параллельно насосам 2, охладитель 5 полупроводникового прибора, подпиточную емкость 6, расположенную выше любого участка циркуляционного контура 1 и подключенную к всасывающей линии насосов 2, измерительные приборы 7, пульсатор 8, гидроаккумулятор 9, обратный клапан 10, подающий 11 и обратный 12 вентили. Пульсатор 8 включен последовательно в циркуляционный контур 1. Параллельно пульсатору 8 через подающий 11 и обратный 12 вентили в циркуляционный контур 1 включен охладитель 5. В подающем трубопроводе охладителя 5 установлен обратный клапан 10. В обратном трубопроводе охладителя 5 перед обратным вентилем 12 установлен гидроаккумулятор 9.
Система работает следующим образом. Изначально циркуляционный контур 1 заполняется деионизированной водой до полного удаления воздуха. Затем в работу включаются насосы 2, после чего деионизированная вода начинает циркулировать через ионообменный фильтр 4, а также по циркуляционному контуру 1 через пульсатор 8 и теплообменник 3. При открытии подающего 11 и обратного 12 вентилей в охладителе 5 полупроводникового прибора, подключенного по зависимой схеме к циркуляционному контуру 1 параллельно пульсатору 8, возникнет движение деионизированной воды и тем самым будет обеспечен процесс теплоотвода от охладителя 5 полупроводникового прибора. Для наиболее эффективного охлаждения осуществляют запуск пульсатора 8 (автоматически или в ручном режиме), который при работе начинает периодически перекрывать проходное сечение циркуляционного контура 1 и, таким образом, создавать импульсы количества движения деионизированной воды, которая под избыточным давлением положительной волны локального гидравлического удара будет импульсно поступать через подающий вентиль 11, обратный клапан 10, охладитель 5, гидроаккумулятор 9 и обратный вентиль 12 в циркуляционный контур 1 деионизированной воды на вход теплообменника 3, после которого деионизированная вода вновь поступает на вход насосов 2, а положительная волна гидравлического удара сменяется отрицательной, в результате этого проходное сечение пульсатора 8 открывается и процесс повторится в описанной выше последовательности.
При импульсной циркуляции деионизированной воды в охладителе 5 полупроводникового прибора, а также в теплообменнике 3 от эффекта локальных гидравлических ударов за счет дополнительной турбулизации деионизированной воды в пограничных, с поверхностью теплопередачи, слоях интенсифицируется процесс теплопередачи, а также реализуется эффект самоочищения поверхностей теплопередачи.
Гидроаккумулятор 9 обеспечивает сглаживание пульсаций деионизированной воды на выходе с охладителя 5 полупроводникового прибора и может быть включен или выключен при помощи вентиля или задвижки (на фиг.1 не указаны). Обратный клапан 10 организует ток деионизированной воды только в направлении, описанном выше. Подающий 11 и обратный 12 вентили предназначены для отключения охладителя 5 полупроводникового прибора от циркуляционного контура 1 в случае ремонта или отсутствия необходимости его работы. Кроме того, обратный вентиль 12 может быть использован для создания располагаемого напора на охладителе 5 выше значения располагаемого напора, создаваемого насосами 2 в циркуляционном контуре 1. Для этого его проходное сечение обратного вентиля 12 прикрывается, а контроль за температурным и гидравлическим режимами в циркуляционном контуре 1 и контуре охладителя 5 осуществляется при помощи измерительных приборов 7. В случае необходимости поддержания располагаемого напора в контуре охладителя 5 выше располагаемого напора в циркуляционном контуре 1 вместо обратного вентиля 11 или совместно с ним может быть использован регулятор давления (на фиг.1 не указан).
Количество деионизированной воды, циркулирующей через ионообменный фильтр 4, регулируется вентилями (на фиг.1 не указаны). Подпиточная емкость 6 предназначена для создания запаса деионизированной воды в системе жидкостного охлаждения полупроводниковых приборов, а также для отражения положительной волны гидравлического удара с последующим созданием фронта отрицательной волны, способствующей автоматическому открытию пульсатора 8, а также для сглаживания пульсаций деионизированной воды в циркуляционном контуре 1 на входе насосов 2.
В результате использования данной конструкции системы жидкостного охлаждения полупроводниковых приборов повышается надежность и эффективность охлаждения полупроводникового прибора за счет принудительной интенсификации теплоотвода от реализации импульсной подачи деионизированной воды и обеспечения эффекта самоочищения внутренних пространств циркуляции деионизированной воды в охладителе полупроводникового прибора.