Интенсификация теплообмена в системе обеспечения теплового режима полупроводникового электронного прибора

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ТЕПЛООБМЕНА В СИСТЕМЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА В.А. Кораблев, Л.А. Савинцева, А.В. Шарков

Рассмотрено струйное охлаждение бескорпусного электронного прибора. Приведены расчетные зависимости для определения параметров данной системы охлаждения.

Основные технические характеристики и надежная работа силовых полупроводниковых приборов (СПП) во многом зависят от эффективности применяемых систем охлаждения. В настоящее время наибольшее распространение получило воздушное и жидкостное охлаждение.

Воздушными системами охлаждения СПП называются такие системы, в которых в качестве единственного теплоносителя используется воздух, и тепловая энергия конвекцией и излучением передается в окружающую среду. Достоинствами воздушного охлаждения является простота, надежность, удобство в эксплуатации, отсутствие устройства для перемещения охлаждающей среды (для естественного воздушного охлаждения). Недостатки естественного воздушного охлаждения -большие габариты, масса, низкая интенсивность теплоотдачи (коэффициент теплоотдачи не превышает 10-15 Вт/м2К даже при зачерненной поверхности), недоиспользование мощности СПП (применение его эффективно при мощности не более 200 Вт).

Когда естественное воздушное охлаждение не обеспечивает нормального теплового режима, используют принудительное охлаждение. За счет вынужденной конвекции, возникающей при обдуве СПП, можно увеличить нагрузочную способность СПП, уменьшить массу и габариты установок. Для увеличения коэффициента теплоотдачи развивают поверхность теплообмена путем применения больших радиаторов. Но из-за этого передача тепла внутри охладителя осуществляется на все более значительные расстояния, что ведет к увеличению теплового сопротивления охладителя, уменьшению температурного напора, и, следовательно, снижению эффективности работы охладителя. Кроме того, увеличиваются габариты и масса установки.

Более эффективным способом охлаждения является жидкостное охлаждение. Системы охлаждения, в которых отвод тепла от СПП осуществляется при помощи жидкости, называются жидкостными. Название это условно, так как в большинстве выполненных конструкций жидкостью охлаждаются только СПП, а остальные тепловыделяющие элементы отдают тепло воздуху. В процессе эксплуатации систем жидкостного охлаждения имеет место коррозия элементов охлаждающей системы и ухудшение диэлектрических свойств охлаждающей жидкости. Для предотвращения коррозии и сохранения качества жидкости предусматриваются устройства для механической и химической очистки и дегазации жидкости. Поддержание удельного сопротивления, обеспечение содержания кислорода и углекислоты на заданном уровне являются важными задачами при проектировании систем жидкостного охлаждения.

Одним из путей интенсификации теплообмена является применение струйного охлаждения (натекание струи газа или жидкости на твердую поверхность). Сочетание условий высокой плотности тепловыделений на площадях малых размеров и высокой локальной интенсивности теплообмена делает струйное охлаждение весьма эффективным.

В существующих полупроводниковых приборах основной источник теплоты -полупроводниковая структура, которая размещается, как правило, в герметичном корпусе из диэлектрического материала, в котором выполнены токоподводы,

находящиеся в механическом контакте со структурой. Тепловому потоку приходиться преодолевать контактное тепловое сопротивление, кондуктивное тепловое сопротивление токоподвода и тепловое сопротивление пограничного слоя жидкости, охлаждающей прибор. Устранение этих тепловых сопротивлений позволяет существенно повысить мощность коммутируемого тока.

В данной статье рассмотрены способы охлаждения бескорпусных электронных приборов при помощи струй жидкости и газа. Предложен метод уменьшения внутреннего теплового сопротивления за счет отвода теплового потока непосредственно от самой полупроводниковой структуры. Разработана система термостабилизации бескорпусного электронного устройства на основе жидкостного и испарительного охлаждения самой полупроводниковой структуры. Проведены экспериментальные исследования нагрузочных и тепловых параметров. Получены расчетные зависимости для определения основных параметров таких систем охлаждения.

Л

Рис. 1. Конструкция групповой системы охлаждения

Авторами разработана конструкция индивидуальной и групповой систем охлаждения СПП (рис. 1), в которой сама полупроводниковая структура непосредственно охлаждается жидкостью или газом. Структура 1 через токоподводы 2 зажата между контактными пластинами 3, через которые подводится электрический ток. Для предотвращения электрического контакта между структурами, а также формирования потока охлаждающей жидкости между контактными пластинами установлены кольца 4, выполненные из диэлектрического материала, например, фарфора, поликора, фторопласта, капролона. Охлаждающая жидкость или газ через входное отверстие 5 струей натекает на поверхность структуры, протекает через

токоподводы, обтекает структуру с обратной стороны, снова формируется в струю и подается к следующей структуре. Токоподводы 2 выполнены из проволочных пружин, имеющих форму тороидов, вложенных один в другой.

В качестве охлаждающей жидкости может использоваться керосин, хладоны, другие охлаждающие жидкости, обладающие высокими диэлектрическими свойствами. При расчетах в качестве охлаждающей жидкости был использован этиловый спирт.

Описываемое устройство имеет малые размеры и массу по сравнению с существующими в настоящее время аналогами.

Рис. 2. Измерительная ячейка

В литературных источниках не удалось обнаружить надежных расчетных зависимостей, позволяющих рассчитать интенсивность конвективного теплообмена при натекании струи жидкости на круглую поверхность, так как ранее проведенные исследования относились к струям диаметром более 1 см, а диаметры поверхностей были до 15 см. В связи с этим использовались данные, которые были получены в ходе проведения исследований на экспериментальной установке, которая представлена на рис. 2. Кремниевая полупроводниковая структура 1 установлена на основании 2, к которому подведен положительный электрод источника постоянного тока. В корпусе 3 имеется вход 4 и выход 5 для теплоносителя, а также подведен отрицательный электрод. Внешняя поверхность полупроводниковой структуры по периметру соединена с корпусом тороидальной пружинной вставкой 6, по которой передается электрический ток. Температура структуры 1 измерялась тремя термопарами "хромель-копель" 7, установленными на различных расстояниях от центра структуры. В шайбе 8, установленной на входе жидкости, сделано отверстие, определяющее диаметр струи. При пропускании через структуру электрического тока в ней выделяется теплота, которая передается жидкости, протекающей от входа 4 через шайбу 8 к теплоотдающей поверхности и к выходу. Диаметр отверстия в шайбе 8 изменялся от 1 до 7 мм. Диаметр полупроводниковой структуры составлял 6,2, 12 и 40 мм. Экспериментальная установка включала также термостат для жидкости, насос и расходомер, соединенные последовательно в замкнутый циркуляционный контур.

Результаты экспериментов представлены на рис. 3. При обработке результатов в качестве определяющего размера в критериях подобия использовался диаметр структуры 1, скорость жидкости бралась во входном отверстии шайбы 8, а мощность тепловыделений определялась через величины электрического тока и напряжения на полупроводниковой структуре. Коэффициент теплообмена определялся для разности средней температуры поверхности структуры и теплоносителя на входе.

Ми

20 18

16 14 12 10

8 6

4

3

103 2 4 6 8 104

Рис. 3. Результаты исследований интенсивности конвективного теплообмена при натекании струи на тепловыделяющую поверхность

На рис. 3 экспериментальные результаты 1, 2 и 3 получены при течении воздуха, результаты 4 - для течения воды. Для результатов 1 соотношение диаметров струи и структуры составляло 0.083, для точек 2 - 0.162, для 3 - 0.23 и для 4 - 0.58.

Результаты экспериментов обобщены зависимостями:

Ш = 0.16Яе 065(^Ш) 09Рг 04 ,

Ш = а*Б/^,

Яе =

где Яе и Рг - коэффициенты Нуссельта, Рейнольдса и Прандтля; а - коэффициент конвективного теплообмена, Вт/м2К; V - скорость теплоносителя во входном отверстии, м/с; и - динамическая вязкость, Н-с/м ; ^ и Б - диаметры входного отверстия и структуры, м.

Формула (1) описывает экспериментальные данные для воды и воздуха с погрешностью 18 % при доверительной вероятности 0.95.

Результаты экспериментальных и расчетных исследований показали, что применение струйного охлаждения с использованием диэлектрических жидкостей позволило обеспечить нормальный тепловой режим СПП при плотностях теплового потока до 6-105 Вт/м2. Разработанное устройство имеет малые размеры и массу по сравнению с существующими аналогами.

Литература

1. Евзеров И.Х., Фейгельман И.И., Ткаченко А.А. Конструирование мощных тиристорных электроприводов. М.: Энергоатомиздат, 1992.

2. Рабинерсон А.А., Ашкинази Г.А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1976.

3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1980.

4. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в РЭА. М.: Высшая школа, 1984.

5. Кутателадзе С.С., Основы теории теплообмена. М.: Атомиздат, 1979.

6. Ройзен Л.И., Дулькин И.Н. Тепловой режим оребренных поверхностей. М.: Энергия, 1977.

7. Калинин Э.К., Дрейцер Г.А., Копп И.З., Мякочин А.С. Эффективные поверхности теплообмена. М.: Энергоатомиздат, 1998.

8. Монд, Кусуда, Уехара. Критический тепловой поток при кипении в условиях естественной конвекции в вертикальных каналах, погруженных в насыщенную жидкость. // Тр. Амер.О-ва инж.-мех. Сер.С. Теплопередача. 1982. Т.104. №2.

9. Бар, Коэн, Швейцер. Кипение в вертикальных каналах при естественной циркуляции. // Тр. Амер.О-ва инж.-мех. Сер. С. Теплопередача. 1985. Т.107. №4.

10. Керн Д., Краус А., Развитые поверхности теплообмена. М.: Энергия, 1977.

11. Воздушное, жидкостное и испарительное охлаждение силовых полупроводниковых приборов и преобразовательных агрегатов на их основе. // Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Таллин, 1982. 140с.