Устройство для охлаждения полупроводниковых элементов

11 ц 683648 ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ Союз Советских Социалистических Республик. Бюллетень М 3) но 30.0 621.382 (088.8) ло делам изобретени и открытий(72) Автор изобретени Иностранец Хериберт Рюгер 1 ФРГ) ностранная фирм Сименс АГ(54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Изобретение относится к устройствам для охлаждения полупроводниковых элементов, например тиристоров.Известно устройство для охлаждения полупроводниковых элементов, в котором в полом цилиндре, закрытом с обеих сторон, соосно с ним установлен внутренний цилиндр, диаметр которого меньше внутреннего диаметра полого цилиндра. Внутренний цилиндр выполнен так, что путь потока охлаждающей жидкости между внутренним и полым цилиндрами, по существу, касателен к поверхности внутреннего цилиндра. Путь потока может быть при этом, например, спиральным. Вблизи обоих концов полого цилиндра предусмотрены отверстия для впуска и выпуска охлаждающей жидкости. Внутрепний цилиндр снабжен соосными отверстиями для крепления охлаждаемого полупроводникового элемента.Это устройство пригодно для охлаждения ввинчиваемых полупроводниковых элементов, охлаждаемых с одной стороны. Оно имеет недостаток, заключающийся в том, что в осевом направлении устройства возникает температурный градиент. Кроме того, не все витки спирали эффективны для охлаждения, так как междг охлаждаемым полупроводниковым элементом и более удаленными витками относительно большое расстояние и тем самым создается высокое сопротивление теплопередаче.б Также известно устройство для охлаждения полупроводниковых элементов, например тиристоров, содержащее сердечник с размещенным в нем спиральным змеевиком для прохождения охлаждающей жид кости, концы которого выведены во впускное и выпускное отверстия, и имеющий две поверхности, вблизи которых проходят участки змеевика, предназначенные для теплопроводящего соединения с полупро 1 б водниковыми элементами 12.В этом устройстве охлаждающая жидкость через впускное отверстие проходит через спиральный участок змеевика, расположенный вблизи одной теплопередающей 20 поверхности, затем идет к спиральномуучастку змеевика, расположенному вблизи другой теплопередающей поверхности. Таким образом, около теплопередающих поверхностей охлаждающая жидкость прохо 2 б дит с различной температурой, а также впределах каждой поверхности имеет место температурный градиент, проходящий радиально. Вследствие этого не только по55 60 65 разному охлаждаются тиристоры, имеющие тепловой контакт с обеими торцовыми поверхностямп, но и на каждой поверхности теплоотдачи между охлаждающим устройством и тирпстором имеет место непостоянное распределение температур.Различие в охлаждении тиристоров на обеих торцовых поверхностях известного охлаждающего устройства особенно отрицательно сказывается при охлаждении нескольких установленных в столб тиристоров и может привести к тому, что с целью устранения тепловой перегрузки тиристоры будут работать только при мощности, которая меньше их допустимой предельной мощности.Целью изобретения является уменьшение тепловых перегрузок путем обеспечения равномерного охлаждения полупроводниковых элементов.Цель достигается тем, что змеевик состоит из двух спиралей, концы которых соединены таким образом, что обе спирали имеют вид бифилярной намотки с попеременно близко расположенными друг к другу витками спирали для противоположных направлений потока охлаждающей жидкости, причем участки змеевика, расположенные вблизи поверхностей, предназначенных для теплопроводящего соединения с полупроводниковыми элементами, проходят, по крайней мере частично, по прямой линии.Кроме того, цель достигается тем, что змеевик выполнен из металла, например из нержавеющей стали, а также тем, что сердечник выполнен из алюминия, или тем, что сердечник выполнен из алюминиевого сплава.На фиг. 1 схематично показан спиральный бифилярно намотанный змеевик; на фиг. 2 - то же, вид сверху.Устройство содержит спиральной формы бифилярно намотанный змеевик 1 с впускным штуцером 2 и выходным штуцером 3. Змеевик 1 вмонтирован в сердечник 4 из геплопроводящего материала, который обозначен штрих-пунктирной линией.На фиг. 1 направление втекающего потока жидкости обозначено стрелкой А, а вытекающего потока - стрелкой В. На фиг. 1 видно, что витки спирали А и В поочередно чередуются. Этим самым рядом расположенные витки спирали попеременно заполняются горячей и холодной охлаждающей жидкостью, поддерживая, по крайней мере приближенно, постоянное среднее значение температуры по всей спирали.На фиг. 2 показан вид сверху спирали змеевика 1 в направлении впускного штуцсра 2 н выпускного штуцера 3. На фиг, 2 показано, что в сердечнике 4 находятся две плоскости 5 и 6, причем каждая плоскость расположена вблизи одной из торцовых плоскостей 7 и 8, которые предусмотрены для теплопроводящего соединения с тири 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 стором. Отдельные участки 9 и 10 змеевика 1, которые проходят в плоскостях 5 и 6,по существу проходят по прямой линии, такчто достигается равномерное охлаждениеторцовых поверхностей 7 и 8, оди наковоедля обоих торцовых поверхностей без появления на них градиента температуры. Благодаря прямолинейному ходу участков 9 и10 спиральной формы змеевик 1 принимаетв плоскостях 5 и 6 сплющенную форму,Из фиг. 1 и 2 видно, что в приведенномпримере исполнения исключен поворот змеевика 1 для бифилярной намотки в концеспирали на 360. Такой сильный поворотмог привести как к технологическим трудностям, так и к сложности условий для протекания охладителя. В примере исполненияпо фиг. 1 и 2 поворот (точка 11) осуществляется на участке 12, который соединяетдруг с другом на конце спирали участки 9и 10, которые лежат в плоскостях 5 и 6.Этим самым реализуется существенно меньшая кривизна поворота 11.Выполнением змеевика в виде бифилярной намотки достигается то, что по расположенным рядом спиральным виткам с противоположным направлением потока проходит холодная и горячая охлаждающая жидкость. Тем самым средняя температура остается постоянной по всей спирали и наобеих торцОвых повсрхностях, служащихтеплопередающими поверхностями, и поэтому осуществляется равномерное охлаждение тиристоров, закрепленных на этих поверхностях охлаждающего устройства, кроме того, в торцовых поверхностях не возникает температурный градиент,Материал сердечника может быть тепло.проводящим синтетическим материалом.Преимущественно сердечник изготавливаютиз металла, причем особенно пригоден алюминий или сплав алюминия, напримерсплав алюминия - кремния - магния, благодаря чему получают хорошую теплопроводность и тем самым малое тепловое сопротивление в сердечнике.Змеевик преимущественно изготавливаютиз стойкого к коррозии металла, напримериз нержавеющей стали, допустим сталь ссодержанием хрома, никеля и титана,Благодаря этому можно применять охлаждающие жидкости с окислительнымдействием. Формула изобретения 1. Устройство для охлаждения полупроводниковых элементов,например тиристоров, содержащее сердечник из теплопроводящего материала с размещенным в нем спиральным змеевиком для прохождения охлаждающей жидкости, концы которого выведены во впускное и выпускное отверстия, и имеющий две поверхности, вблизи которых проходят участки змеевика, пред683648 назначенные для теплопроводящего соединения с полупроводниковыми элементами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения тепловых перегрузок путем обеспечения равномерного охлаждения полупроводниковых элементов, змеевик состоит из двух спиралей, концы которых соединены таким образом, что обе спирали имеют вид бифилярной намотки с попеременно близко расположенными друг к другу витками спирали для противоположных направлений потока охлаждающей жидкости, причем участки змеевика, расположенные Риг. А. Прохорова Строганова оставител орректор Л. Брахнина Коля ехр акто Подписноетений и открытий 2 Тираж 969 тета СССР ио делам изоб Ж.35, Раугпская наб., д. 15 ииографи 51, пр. унова, 2 Заказ 2373/17 Изд. Мя 4 1 ПО Поиск. Государственного ко113035, Москва,вблизи поверхностей, предназначенных для теплопроводящего сосдинения с полупроводниковыми элементами, проходят, по крайней мере частично, по прямой линии.5 2, Устройство по п. 1, отл и ч а ю щеес я тем, что змеевик выполнен из металла, например пз нержавеющей стали.3. Устройство по пп. 1 и 2, отл и ч а ющ е е с я тем, что сердечник выполнен из 10 алюминия.4, Устройство по пп. 1 и 2, отл и ч а ющеес я тем, что сердечник выполнен из алюминиевого сплава.