CS205092B2 - Cooler for the semiconductor element - Google Patents

Description

Vynález se týká chladiče pro polovodičový prvek, zejména pro tyristory na libovolném potenciálu.

Chladič je tvořen nejméně jedním tělesem protékaným průběžně kapalinou, které je v tepelném styku s tělesem polovodiče.

К odvádění ztrátového tepla z polovodičů, je již známo více konstrukcí. V rakouském patentu č. 310 811 je popsáno chlazení vzduchem, přičemž polovodičový prvek je pro zvýšení odvodu tepla ještě obklopen akumulační hmotou. Nevýhoda vzduchového chlazení však spočívá v tom, že u polovodičových prvků o vysokém výkonu má chladič velké celkové rozměry. Tyto nevýhody jsou zvláště výrazné u zařízení, která jsou kompaktní konstrukce. Proto se přechází na chlazení kapalinou. Jako chladicího média se používá oleje. Olej má totiž výhodu spočívající v dobrých izolačních schopnostech a kromě toho při jeho použití nevzniká nebezpečí koroze. Olej, použitý jako chladicí médium, má však velkou nevýhodu spočívající v tom, že má malé měrné teplo, v důsledku čehož je jeho tepelný odpor velmi vysoký.

Jako chladicí médium s lepšími vlastnostmi se nabízí voda. Při použití vody jako chladicího média se však dosud nepodařilo zvládnout problémy s elektrolýzou, které

20S092 při použití vody, jako chladicího média zákonitě vznikají. К zvládnutí tohoto problému dosud nebylo nalezeno jednoduché řešení.

Účelem vynálezu je tedy konstrukce chladiče pro polovodičové prvky, který je zvláště vhodný pro použití vody jako chladicího média.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že těleso chladiče sestává z chladicí desky a rozváděči desky, přičemž v chladicí desce je vytvořena drážka pro průtok chladicí kapaliny a v rozváděči desce je v místě přívodu a odvodu chladicí kapaliny vytvořen prostor o větším průřezu než má drážka, ve kterém je uložena elektroda z materiálu s dobrou vodivostí odolného chemicky vůči chladicímu médiu.

Jak již bylo uvedeno, nepoužívalo se vody jako chladicího média dosud proto, že nebyly známy prostředky ke zvládnutí elektrolýzy. Použitá voda je totiž vodivá, v důsledku čehož vede elektrický proud také v tělese chladiče. Při styku vody s tělesem chladiče vyrobeným s výhodou z mědi, dochází k chemickým reakcím, přičemž tímto způsobem vznikající ionty mědi se ukládají v chladicích kanálech, v důsledku čehož se průřez kanálů zmenšuje prakticky na minimum.

V konstrukci chladiče podle vynálezu se zmíněná nevýhoda - z dále uvedených důvodů neprojevuje.

Vodivá voda vstupující do tělesa chladiče vyrobeného s výhodou z mědi přichází ve vstupním prostoru ve styk s elektrodou umístěnou v tomto prostoru dříve, než přijde ve styk s mědí. Elektroda způsobí, že voda - obdrží 'potenciál tělesa chladiče, takže mezi chladicí vodou a mědí tělesa chladiče nedochází k žádnému vedení proudů. V důsledku toho také nedochází k ukládání iontů kovu v - chladicích kanálech, takže je zajištěno zachování chladicích vlastností.

Podstata vynálezu spočívá dále v tom, že těsně před odvodem chladicí kapaliny z tělesa chladiče je v rozváděči desce uspořádána další elektroda ze stejného materiálu, jako elektroda umístěná ve vstupním prostoru.

Toto konstrukční opatření je zvláště nutné v zapojeních s tyristory, ležícími na nestejném. potenciálu, neboť jsou tím vyrovnány rozdíly potenciálu, vznikající v důsledku spojení hadičkami pro chladicí kapalinu.

Zvláště výhodné provedení vynálezu spočívá v tom, že těleso chladiče je vyrobeno z mědi a elektroda z titanu. Jak je všeobecně známo, je titan vůči vodě mimořádně chemicky -odolný a je současně dobrým vodičem, takže koroze vzniká převážně na titanové elektrodě.

V dalším možném provedení vynálezu je rozváděči deska vyrobena z umělé hmoty a chladící deska z mědi. Výroba rozváděči desky z umělé hmoty je jednoduchá, přičemž je zejména podstatně omezeno dodatečné -opracování desky, neboť rozváděči deska může být vyrobena metodou vstřikovacího lití.

Další význak vynálezu spočívá v tom, že drážka v tělese chladiče má tvar spirály, s výhodou . čtvercově tvarované spirály. Pří tomto- provedení drážky vznikají v rozích tvarované -spirály turbulence v chladicím médiu, v důsledku čehož je zajištěno- dobré chlazení. V dalším výhodném provedení chladiče - .. podle vynáezu je chladicí deska - s rozváděči deskou spojena rozebíratelně a těsnění je tvořeno těsnicím kroužkem uloženým v drážce tělesa chladiče. Rozložitelnost tělesa chladiče je výhodná především proto, že chladič podle vynálezu se často používá v zařízeních, ve kterých je nebezpečí jeho znečištění, což je například případ použití chladiče ve -slévárnách. Může proto vzniknout nutnost vyčištění tělesa chladiče. Při uvedeném provedení chladiče lze toto vyčištění provést rychle a jednoduchým způsobem.

Další význak vynálezu -spočívá v tom, že v místě přívodu a -odvodu chdladicí kapaliny - Jsou v tělese chladiče uloženy olivy z umělé hmoty.

Tato volba materiálu se velmi osvědčila s ohledem na řešení problémů spojených s elektrolýzou.

Další provedení vynálezu spočívá v tom, že hadičky připojené na olivy jsou z umělé hmoty.

Tyto hadičky jsou pro přívod chladicího média zvláště vhodné proto, že mají poměrně vysokou pevnost a proto se v popsaných zařízeních nejlépe osvědčily.

Další význak vynálezu spočívá v tom, že vzdálenost -mezi elektrodou a olivou je menší, než vzdálenost mezi olivou a kovem rozváděči desky. Toto konstrukční opatření zajišťuje, že chladicí médium vstupující do rozváděči desky přichází napřed ve styk s elektrodou. Elektrický proud procházející vodou vstupuje přes elektrodu do tělesa chladiče. Koroze vznikající při přechodu proudu vzniká tudíž na elektrodě, která se považuje za část vystavenou opotřebení. Na vlastní chladicí desce tudíž nevznikají žádné chemické reakce.

Pokud je rozváděči deska vyrobena z umělé hmoty, -musí být elektroda za účelem vyrovnání potenciálu elektricky spojena s chladicí deskou z mědi.

Podstata vynálezu bude v dalším objasněna na příkladech jeho provedení, které jsou popsány pomocí připojených výkresů, na nichž je znázorněno:

— na obr. 1 znázorněna základní konstrukce tělesa chladiče, — na -obr. 2 je znázorněno základní uspořádání elektrody a — na obr. 3 je znázorněno chlazení dvou do série zapojených tyristorů.

Na obr. 1 je znázorněno těleso chladiče sestávající z rozváděči desky 1 a chladicí desky 2. Chladicí deska 2 je na straně -obrácené k rozváděči desce 1 opatřena čtvercově tvarovanou - drážkou 3. Chladicí deska 2 je s rozváděči deskou 1 rozebíratelně spojena pomocí šroubů 4. K vzájemnému utěsnění na sebe přiléhajících ploch je chladiči deska 2 opatřena další - drážkou 5, do které se vkládá kruhový kroužek 6.

Rozváděči deska 1 je opatřena připojovacími pouzdry 7, 8, do kterých lze zašroubovat olivy 9 pro hadičky přivádějící chladicí médium. Dále jsou v rozváděči desce 1 vytvořeny kanály, které přivádějí chladicí médium k chladicí desce 2 a odvádějí toto médium. V místě vstupu a výstupu chladicího média, to jest v místě připojovacích pouzder 7, 8 jsou v rozváděči desce 1 vytvořeny prostory 10, 11, do kterých zasahuje elektroda 12, což je blíže vysvětleno pomocí obr. 2.

Na obr. 2 je znázorněno základní uspořádání elektrody 12, které má velký význam pro činnost chladiče. Jak již bylo uvedeno, dochází při přechodu proudu z vody do rozváděči desky 1 k chemickým reakcím, v jejichž -důsledku nelze zajistit zachování chladicích vlastností. Jestliže je elektroda 12 v prostoru desek umístěna tak, že vo205092 da vstupující do rozváděči desky 1 přijde ve styk napřed s touto elektrodou 12, vznikají chemické reakce, to jest především koroze, na elektrodě 12. Elektroda 12 může být teoreticky vyrobena z mnoha materiálů. Vhodné jsou přirozeně všechny vzácné kovy. Jako nejlepší materiál elektrody 12 se však při pokusech osvědčil titan. Při rozhodování o volbě materiálu se přirozeně musí brát ohled na ceny surovin, nebot elektroda 12 je část podléhající opotřebení a tedy část výměnná.

Aby bylo zajištěno, že voda vstupující do rozváděči desky 1 přichází napřed ve styk s titanovou elektrodou 12, musí být vzdálenost L2, to jest vzdálenost mezi olivou 9 a elektrodou 12 menší než vzdálenost Li, to jest mezi vnitřním průměrem olivy 9 a nejbližší mědí. Toto platí přirozeně v tom případě, když je rozváděči deska 1 vyrobena z mědi. Jestliže je rozváděči deska 1 vyrobena z umělé hmoty, musí být titanová elektroda 12 za účelem vyrovnání potenciálu vodivě spojena s chladicí deskou 2 z mědi.

Oliva 9 však musí být uvnitř z umělé hmoty stejně jako hadičky 13 pro chladicí médium neboť by jinak právě v těchto místech vznikala koroze. Kromě toho by oliva 9 měla být provedena tak, aby poněkud zasahovala do prostoru 19.

Na obr. 3 je znázorněno chlazení dvou tyristorů zapojených v sérii. Každý z tyristorů 14, 15 je oboustranně chlazen. Diskové tyristory 14, 15 jsou za účelem oboustranného chlazení umístěny mezi dvěma tělesy chladičů, přičemž těleso chladiče umístěné mezi tyristory 14, 15 sestává ze dvou chladicích desek 2b, 2c s pouze jednou rozváděči deskou 1b. Vhodná konstrukce rozváděči desky lb, která umožňuje, aby byly obě chladicí desky 2b, 2c protékány chladicím médiem, je rutinní záležitostí a nevyžaduje žádného dalšího vysvětlení.

Tok . chladicího média je zde následující:

Voda vstupuje do prvé rozváděči desky la vstupem 1S a setkává se s titanovou elektrodou 12, protéká prvou chladicí deskou 2a a vývodem 17 z rozváděči desky la opět vystupuje. Chladicí médium je pomocí hadičkového spoje vedeno k rozváděči desce tyristorů na stejném potenciálu, protéká tam chladicí deskou a dříve než z příslušné rozváděči desky vystoupí a je odvedeno do sběrného zásobníku, naráží ještě jednou na titanovou elektrodu.

Voda vstupující do rozváděči desky lb přívodem 18 naráží na titanovou elektrodu 12 a protéká potom chladicí deskou 2b. Rozváděči de-ska lb je konstruována tak, že voda vystupující z chladicí desky 2b protéká rozváděči deskou lb a vstupuje do chladicí desky 2c. Po průtoku touto chladicí deskou 2c přichází voda opět ve styk s titanovou elektrodou umístěnou v rozváděči desce lb a je pak odvedena do sběrného zásobníku.

Chlazení druhé strany tyristorů 15 probíhá stejným způsobem jako chlazení tyristoru 14 na straně, kde je umístěna chladicí deska 2a.

Další výhoda tohoto uspořádání spočívá také v tom, že chladicí desky 2b a 2d mohou být větší než tyristory popřípadě rozváděči desky, takže na chladicí desky lze přímo umístit · odpory. Vodou protékané chladicí desky tak nahrazují další vlastní chlazení odporů potřebných pro spínání tyristorů. Společnou konstrukcí a výhodným uspořádáním odporů chlazených touto konstrukcí se tak dosáhne kompaktního provedení, což je velká výhoda zejména v zařízeních, která jsou prostorově stísněna.

Claims (10)

1. PŘEDMĚT

   1. Chladič pro polovodičový prvek, zejména pro tyristor na libovolném potenciálu, který je tvořen nejméně jedním tělesem protékaným průběžně kapalinou, které je v tepelném styku s tělesem polovodiče, vyznačující se tím, že těleso chladiče sestává z chladicí desky (2) a rozváděči desky (1), přičemž v chladicí desce (2) je vytvořena drážka (3) pro průtok chladicí kapaliny a v rozváděči desce (1) v místě přívodu a odvodu chladicí kapaliny vytvořen prostor (10, 11] o větším průřezu, než má · drážka (3), ve kterém je uložena elektroda (12), z materiálu s dobrou vodivostí odolného chemicky vůči chladicímu médiu.
2. 2. Chladič podle bodu 1, vyznačující se tím, že těsně před odvodem chladicí kapaliny z tělesa chladiče je v rozváděči desce (1) uspořádána další elektroda ze stejného materiálu, jako elektroda (12) umístěná ve vstupním prostoru (10).

   VYNÁLEZU
3. 3. Chladič podle bodů 1 nebo 2, vyznačující se tím, že těleso chladiče je z mědi a elektroda (12) z titanu.
4. 4. Chladič podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že rozváděči deska (1) je z umělé hmoty a chladicí deska (2) je z mědi.
5. 5. Chladič podle bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že drážka (3) v tělese chladiče má tvar spirály, s výhodou čtvercově tvarované spirály.
6. 6. Chladič podle bodů 1 až 5, vyznačující se tím, že chladicí deska (2) je s rozváděči deskou (1) spojena rozebíratelně a těsnění je tvořeno těsnicím kroužkem (6) uloženým v drážce (5) tělesa chladiče.
7. 7. Chladič podle bodů 1 až 6, vyznačující se tím, že v místě přívodu a odvodu chladicí kapaliny jsou v tělese chladiče uloženy olivy (9) z umělé hmoty.
8. 8. Chladič podle bodů 1 až 7, vyznačující se tím, že hadičky připojené na olivy (9) jsou z umělé hmoty.
9. 9. Chladič podle bodů 1 až 8, vyznačující se tím, že vzdálenost (L2) mezi elektrodou (12) a olivou (9) je menší, než vzdálenost (Li) mezi olivou (9) a kovem rozváděči desky (1).
10. 10. Chladič podle bodů 1 až 9, vyznačující se tím, že na chladicí desce (2) jsou přímo uloženy odpory pro spínání tyristoru.