CH645478A5 - Dispositif pour refroidir un element qui engendre de la chaleur lors de son fonctionnement. - Google Patents

Description

La présente invention a pour objet un dispositif pour refroidir un élément, notamment un élément électrique, qui engendre de la chaleur lors de son fonctionnement, et, plus particulièrement, un dispositif dans lequel le refroidissement de l'élément s'effectue par transfert thermique par ébullition d'un agent de refroidissement condensable tel que le Fréon, l'eau pure, etc.

On va maintenant décrire l'invention en se référant à des convertisseurs électriques utilisant des éléments à semi-conducteurs, par exemple des diodes ou des thyristors, qui engendrent de la chaleur lors de leur fonctionnement.

Parmi les nombreux convertisseurs de puissance connus auxquels on peut associer les dispositifs selon l'invention, on peut citer les convertisseurs de courant alternatif en courant continu (redresseurs), les convertisseurs de courant continu en courant alternatif (onduleurs), les convertisseurs de courant alternatif en courant alternatif (cycloconvertisseurs, commutateurs à thyristor) et les convertisseurs de courant continu en courant continu (vibreurs). Etant donné que l'invention porte sur un dispositif de type nouveau pour refroidir un élément électrique qui engendre de la chaleur lorsqu'il est en fonctionnement, on ne décrira pas la manière dont l'élément en question effectue la conversion d'énergie.

La fig. 1 représente un ensemble refroidisseur de type connu pour éléments semi-conducteurs, tels que des diodes ou des thyristors, utilisés comme éléments convertisseurs d'énergie.

Dans l'ensemble représenté à la fig. 1, les éléments semi-conducteurs 1 A, ainsi que les éléments de refroidissement 2 A et les éléments séparateurs isolants 3 sont serrés les uns contre les autres, au moyen d'un dispositif de fixation 5 comprenant des sièges isolants 4.

Chacun des éléments de refroidissement 2A comprend un réservoir interne de liquide 6 contenant un agent de refroidissement condensable tel que le Fréon. Ce réservoir est raccordé à des tuyaux 7 permettant le passage de l'agent de refroidissement condensable et un condenseur 8 est disposé au-dessus des tuyaux 7. Dans cet appareil, l'agent de refroidissement condensable contenu dans le réservoir 6 est évaporé par la chaleur engendrée par les éléments semi-conducteurs 1 A. L'agent de refroidissement à l'état gazeux remonte dans les tuyaux et atteint les condenseurs 8 dans lesquels le gaz est condensé au moyen d'un agent de refroidissement secondaire 12. L'agent de refroidissement ainsi condensé retourne dans le réservoir 6 et est à nouveau utilisé pour le transfert thermique après ébullition. Le chiffre de référence 14 désigne des bornes servant à la transmission d'énergie électrique. Pour faciliter là compréhension de la description qui précède, on va maintenant décrire l'invention en se référant aux fig. 2, 3 et 4.

La fig. 2 est une vue en élévation, à échelle agrandie, de l'un des éléments de refroidissement 2A,

la fig. 3 est une vue de détail en perspective montrant la disposition des tuyaux de fluide de refroidissement 7, et la fig. 4 est une vue en coupe d'un élément semi-conducteur 1A et des organes de refroidissement 2A disposés de chaque côté de cet élément.

L'élément à semi-conducteur 1A représenté comprend une pastille IAl5 capable d'effectuer une conversion d'énergie, des bornes 1A2,1A3 servant de bornes de sortie électriques, et un élément extérieur isolant 1 A4.

L'ensemble de refroidissement, ainsi agencé, pour l'élément à semi-conducteur 1A a fait l'objet d'études variées en vue d'améliorer l'efficacité de refroidissement des organes de refroidissement 2A, et on a trouvé que la résistance thermique Rth (ailette - milieu ambiant) des organes de refroidissement 2A, par rapport à l'agent de refroidissement secondaire 12, peut avoir une valeur très faible. A cet effet, on utilise, pour effectuer le transfert thermique, l'ébullition d'un agent de refroidissement condensable tel que le Fréon ou l'eau pure. Dans l'ensemble représenté à la fig. 4, les éléments semiconducteurs 1A engendrent, lorsqu'ils effectuent la conversion d'énergie, de la chaleur au niveau de la jonction interne (normalement désignée par le terme jonction PN) dans la pastille lAt. Il est donc important d'obtenir un transfert thermique efficace, par l'inter-. médiaire des bornes 1A2,1A3, entre la pastille et les organes de refroidissement 2A. On ne peut pas obtenir une radiation thermique efficace si la résistance thermique Rth (jonction - ailette) de la jonction interne vers les organes de refroidissement 2A a une valeur élevée, aussi faible que puisse être la résistance thermique Rth (ailette - milieu ambiant), cette dernière résistance thermique étant désignée ci-dessous par le symbole Rth (F—A). Cela apparaît clairement en tenant compte de l'équation suivante :

AT=Px[Rth(F—A)+Rth (J—F)]... (1)

dans laquelle P est la puissance électrique engendrée dans la pastille

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1 Ai et AT est l'élévation de température de la pastille 1 A! par rapport à l'agent de refroidissement secondaire 12. Par conséquent, il est important, pour refroidir l'élément de conversion d'énergie 1 A, de réduire à la fois la résistance thermique Rth (J—F), c'est-à-dire la résistance thermique jonction - ailette, et la résistance thermique Rth (F—A), c'est-à-dire la résistance thermique ailette - milieu ambiant.

On sait que la réduction de la résistance thermique Rth (J—A) peut être obtenue par augmentation de la surface ou diminution de \a distance à travers lesquelles s'effectue le transfert thermique en direction des bornes 1A2,1A3. L'augmentation de la surface de la section des bornes 1A2,1A3 (surface par laquelle s'effectue le contact entre ces bornes et les organes de refroidissement 2A) se traduit par une augmentation de la taille des éléments à semiconducteur 1A et elle est, par conséquent, soumise à une limitation imposée par les caractéristiques constructives du convertisseur d'énergie. D'autre part, pour réduire la distance de transfert thermique à une valeur minimale, il est seulement nécessaire de réduire la distance entre la pastille 1 Aj et l'élément de refroidissement 2A, à travers l'une des bornes 1A2 ou 1A3, c'est-à-dire de rendre ces bornes aussi minces que possible. Comme représenté à la fig. 4, l'élément extérieur 1A4 est normalement disposé de manière à empêcher la production d'une décharge électrique entre les organes de refroidissement 2A lorsqu'on applique une tension dont la valeur est comprise entre quelques centaines et quelques milliers de volts entre les organes de refroidissement 2A. L'épaisseur de l'élément extérieur 1A4 doit être réduite conformément à la réduction d'épaisseur des bornes 1A2,1A3, ce qui rend impossible le maintien d'un parcours antidécharge approprié pour résister à la tension appliquée. Comme décrit ci-dessus, dans le dispositif de refroidissement connu pour les éléments qui engendrent de la chaleur, tels que les éléments semiconducteurs, on a pu réaliser une réduction de la résistance thermique Rth (F—A) des organes de refroidissement mais il a été impossible de réduire la résistance thermique Rth (J—F) des éléments engendrant la chaleur, à cause des limitations structurelles de ces derniers. Par conséquent, le dispositif de refroidissement connu présente l'inconvénient de permettre difficilement l'obtention d'un refroidissement efficace d'un organe générateur de chaleur.

La présente invention a donc pour objet de permettre l'obtention d'un dispositif de refroidissement d'un élément générateur de chaleur dans lequel les résistances thermiques de l'élément générateur de chaleur et de l'organe de refroidissement sont réduites en bloc, ce qui permet d'améliorer l'efficacité de refroidissement de ce dispositif.

A cet effet, le dispositif selon l'invention présente les caractéristiques spécifiées dans la revendication 1.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée qui va suivre, faite à titre d'exemple, de formes d'exécution du dispositif selon l'invention, en se référant au dessin annexé dans lequel les fig. 5 et 6 sont des vues en coupe d'ensembles constituant des formes d'exécution du dispositif selon l'invention, la forme de représentation utilisée à la fig. 5 étant semblable à celle de la fig. 4.

Dans le dessin, des parties identiques ou correspondantes se retrouvant dans des figures différentes sont désignées par les mêmes chiffres de référence.

Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 5, le dispositif comprend un élément à semi-conducteur 1B et des organes de refroidissement 2B. L'élément à semi-conducteur 1B comprend une pastille à semi-conducteur lBj, des bornes 1B2,1B3 et un élément extérieur 1B4. L'épaisseur des bornes 1B2,1B3 est bien inférieure à celle des bornes 1A2, 1A3 du dispositif représenté à la fig. 4. Par conséquent, l'élément semi-conducteur 1B est muni de parties creuses 1BS, 1B6 sur chacune de ses faces latérales.

Chaque organe de refroidissement 2B comprend une partie principale 2Bj, correspondant à l'organe de refroidissement 2A représenté à la fig. 4, et un prolongement 2B2, de chaque côté de la partie principale, ce prolongement étant disposé de manière à venir en contact avec l'une des bornes 1B2, 1B3 dans l'une des parties creuses 1B5, 1Bs de l'élément semi-conducteur 1B.

Les parties creuses à l'intérieur de la partie principale 2B! et du prolongement 2B2 sont raccordées entre elles de manière à former une chambre commune qui est fermée à l'exception des tuyaux 7. La partie de cette chambre commune située à l'intérieur de l'organe de refroidissement 2B forme un réservoir de liquide 6B contenant un agent de refroidissement condensable. Cet agent de refroidissement condensable arrive au voisinage des plans où les prolongements 2B2 des organes de refroidissement 2B sont au contact des bornes 1B2, 1B3 de l'élément semi-conducteur 1B.

Pour une augmentation de température AT de la pastille lBj donnée par l'équation (1), on maintient à une valeur minimale la résistance thermique Rth (J—F) de la pastille lBt par rapport aux organes de refroidissement 2B en réduisant l'épaisseur des bornes 1B2, 1B3. D'autre part, il est à remarquer qu'un simple remplacement d'une partie des bornes ordinaires 1A2,1A3 par les prolongements 2B2 de l'organe de refroidissement 2B se traduit par une simple addition d'une partie de la résistance thermique Rth (J—F) à la résistance thermique Rth (F—A) des organes de refroidissement 2B vers l'agent de refroidissement secondaire 12, ce qui se traduit par l'impossibilité de réduire l'élévation de température AT. En vue d'améliorer l'efficacité de refroidissement des organes de refroidissement 2B, ceux-ci sont agencés de façon que l'agent de refroidissement condensable enfermé dans les organes de refroidissement 2B arrive au voisinage du plan où les prolongements 2B2 de l'organe de refroidissement 2B sont maintenus en contact avec les bornes 1B2, 1B3 de l'élément à semi-conducteur 1B, en réduisant ainsi la distance entre la pastille lBt et l'agent de refroidissement condensable. Par rapport au dispositif antérieurement connu, le dispositif selon la présente invention permet d'améliorer le transfert thermique entre la pastille lBj et l'agent de refroidissement condensable.

Par exemple, dans le dispositif de type connu représenté à la fig. 4, la résistance thermique Rth (J—F) est de 0,02° C/W et Rth (F—A) est égale à 0,02° C/W de sorte que la résistance thermique [Rth (J—F)+Rth (F—A)] de la pastille 1 Aj par rapport à l'agent de refroidissement secondaire 12 est de 0,04° C/W. D'autre part, dans le dispositif représenté à la fig. 5, pour une pastille similaire lAj, la résistance thermique Rth (J—F) est réduite à 0,005° C/W et la résistance thermique Rth (F—A) est approximativement de 0,02° C/W. Ainsi, la résistance thermique [Rth (J—F)+Rth (F—A)] de la pastille 1B j par rapport à l'agent de refroidissement secondaire 12 est de 0,025° C/W. La résistance thermique de la pastille 1B! par rapport à l'agent de refroidissement secondaire 12 est ainsi réduite dans une mesure bien plus large que dans le cas du dispositif antérieurement connu, et on diminue l'élévation de température AT à laquelle est soumise la pastille lBj. L'élément se-mi-conducteur 1B devient ainsi apte à effectuer la conversion d'une plus grande quantité d'énergie électrique. Il en résulte que l'on peut rendre ce convertisseur d'énergie plus compact et moins coûteux, tout en augmentant sa capacité.

En outre, du fait que les prolongements 2B2 et l'organe de refroidissement 2B sont introduits dans les éléments externes 1B4, l'élément semi-conducteur 1B, qui a une forme cylindrique, peut être facilement maintenu en position temporairement, de manière à éviter sa chute, au moment du remplacement des éléments semi-conducteurs et de leur assemblage dans l'ensemble de refroidissement, comme représenté à la fig. 1. Cela se traduit par une augmentation de l'efficacité et de la sécurité de fonctionnement.

La fig. 6 représente une vue en coupe d'un ensemble selon une autre forme d'exécution du dispositif selon l'invention. L'ensemble représenté à la fig. 6 comprend trois éléments semi-conducteurs 1B, deux organes de refroidissement 2B et deux organes de refroidissement additionnels 2C. Chacun des organes de refroidissement 2C comprend une partie principale 2Q et deux prolongements 2C22 placés chacun d'un côté de la partie principale. Les prolongements 2C2 sont disposés de manière à être en contact avec les bornes 1B2, 1B3 des éléments semi-conducteurs 1B, de chaque côté de chacun

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d'eux. Ces prolongements sont creux et ils forment une chambre commune avec la partie creuse de la partie principale.

Bien que, dans la description qui précède, on ait décrit l'utilisation du dispositif selon l'invention en relation avec des convertisseurs d'énergie utilisant des éléments semi-conducteurs comme élément engendrant de la chaleur, il est clair que l'utilisation du dis4

positif selon l'invention n'est nullement limitée aux convertisseurs d'énergie, mais qu'elle peut également être envisagée pour refroidir des éléments engendrant de la chaleur de types très variés.

C'est pourquoi de nombreuses formes d'exécution et variantes

5 du dispositif décrit ci-dessus entrent clairement dans le cadre de l'invention.

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2 feuilles dessins

Claims (10)

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1. Dispositif pour refroidir un élément qui engendre de la chaleur lors de son fonctionnement, ce dispositif comprenant une chambre fermée, à l'exception d'au moins un tuyau sortant de cette chambre et se prolongeant jusqu'à un condenseur, cette chambre renfermant un agent de refroidissement condensable, caractérisé en ce que ce dispositif de refroidissement (2B, 2C) comprend une partie principale (2Bls 2Ct) et au moins une partie (2B2, 2C2) qui constitue un prolongement de cette partie principale et qui est agencée de manière à être, lors du fonctionnement, plus rapprochée de l'élément à refroidir que la partie principale, la chambre (6) renfermant l'agent de refroidissement s'étendant dans ce prolongement.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux prolongements (2C2) faisant respectivement saillie à partir de chacun des côtés opposés de la partie principale (2Q), la chambre (6), qui renferme l'agent de refroidissement, s'étendant dans ces deux prolongements.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'agent de refroidissement condensable est un Fréon.

4. Ensemble comprenant au moins une paire de dispositifs de refroidissement (2B), selon la revendication 1, chacun de ces dispositifs (2B) ayant un seul prolongement (2B2) s'étendant d'un côté de la partie principale ^Bj), et au moins un élément (1B) à refroidir, ces dispositifs de refroidissement et ces éléments à refroidir étant disposés, en alternance, en positions adjacentes.

5. Ensemble selon la revendication 4, comprenant un seul élément à refroidir, caractérisé en ce qu'il comprend une paire de dispositifs de refroidissement (2B) ayant chacun un prolongement (2B2) s'étendant d'un côté de leur partie principale (2Bj), les dispositifs de refroidissement (2B) étant disposés de manière que leurs prolongements (2B2) respectifs soient en regard l'un de l'autre, chacun d'entre eux étant en contact avec l'un des côtés opposés de l'élément (1B) à refroidir.

6. Ensemble selon la revendication 4, comprenant au moins deux éléments (1B) à refroidir, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, au moins un dispositif de refroidissement (2C), ayant deux prolongements (2C2) faisant respectivement saillie à partir de chacun des côtés opposés de la partie principale (200, chacun des prolongements (2C2) de chaque dispositif de refroidissement (2C) étant en contact avec un élément (1B) à refroidir autre que celui avec lequel l'autre prolongement (2C2) du même dispositif de refroidissement est en contact.

7. Ensemble selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que l'élément (1B) à refroidir est un convertisseur d'énergie électrique.

8. Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément (1B) à refroidir est un convertisseur à semi-conducteurs.

9. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément (1B) à refroidir est un thyristor.

10. Ensemble selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément (1B) à refroidir est une diode.