CS233062B1 - Liquid cooler for power semiconductor elements cooling - Google Patents

Description

Vynález se týká kapalinového chladiče pro chlazení výkonových polovodičových součástek, sestávajícího z komory protékané chladicím médiem od vstupního k výstupnímu otvoru, přičemž oba otvory leží v jedné rovině a svírají vzájemně libovolný úhel a komora chladiče je ve styku s aspoň jednou teplosměnnou plochou součástky generující teplo· Komora sestává z nejméně dvou vík a alespoň jedné spirálovité přepážky, tvoříce! spolu s víky kanál pro chladicí ímédium· Alternativně může být chladicí Lkanál tvořen buč spirálovitou přepážkou vinutou bifilárně nebo dvěma samostatnými do sebe vloženými přepážkami· polovodičových součástek

233 0β2

Vynález se týká kapalinového chladiče pro chlazení výkonových polovodičových součástek, sestaveného z komory protékané chladícím mediem od vstupního к výstupnímu otvoru, přičemž oba otvory leží v jedné rovině a svírají vzájemně libovolný úhel» Komora chladiče je ve styku s alespoň jednou teplosměnnou plochou součástky generující teplo»

Kapalinové chladiče jsou dnes již pro chlazení výkonových polovodičových součástek známé» Zvyšování parametrů polovodičových součástek je provázeno generací vyššího ztrátového tepla a rostou tedy nároky na rozměry a hmotnost vzduchových chladičů, v některých případech se již dosahuje mezních možností chlazení vzduchem» Nezbytným důsledkem je nutnost použít jiného účinnějšího způsobu chlazení, jímž je kapalinové chlazení# Kapalinové chladiče poskytují obecně větší reservu chladícího výkonu, vyrovnávají se snadněji s nárazovými a přechodnými stavy vzhledem к tomu, že jejich tepelná setrvačnost dovoluje vyrovnávat krátké tepelné impulsy jen s nepatrným vzrůstem teploty# Další předností kapalinového chladiče je omezení a v některých případech i vyloučení hlučnosti, která je u vzduchového chlazení vyvolávána zamontovanými ventilátory. Naopak je třeba připomenout, že kapalinové chlazení je poněkud, složitější a náročnější na údržbu# Chladiče jsou v mnoha případech konstruovány jako

233 062 tělesa válcového nebo kvádrového tvaru s přívodním a odvodním nátrubbm, Uvnitř tělesa je vytvořena soustava bu3. paralelních či různě propojených kanálů. Někdy jsou takové kanály vytvořeny přímo v proudových pasnicích a v některých případech se rozvod chladící kapaliny provádí pomocí vytvořených příček, nebo jsou proudu kapaliny stavěny do cesty různé sestavy kolíků. Všechny tyto úpravy slouží ke zvětšení stykové plochy předávající teplo chladící kapalině. Existují i řešení obsahující prázdnou vyplachovanou chladící komoru.

Všechny tyto koncepce a konstrukce se vyznačují společným znakem, jímž je nutnost používat při výrobě strojního opracování což zvyšuje náklady na výrobu. Mnohé konstrukce kapalinových chladičů jsou velmi složité, sestávající z několika dílů a neobejdou se bez dokonalého těsnění. Tento problém je, jak dobře známo, při dodržení požadavku dlouhé životnosti náročný a může způsobovat nenadálé poruchy s rozsáhlými následky. Nevýhodou jiných řešení je existence oblastí nedokonale vyplachovaných chladící kapalinou, kde se dosahuje nižšího chladícího účinku s celkově sníženým chladícím efektem. Dalším z nedostatků je nemožnost libovolného nastavení úhlu mezi vstupním a výstupním nátrubkem chladící kapaliny podle potřeby přizpůsobit se ostatním přídavným zařízením.

Uvedené nedostatky řeší kapalinový chladič pro chlazení výkonových polovodičových součástek podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že komora chladiče sestává z nejméně dvou vík a alespoň jedné spirálovité přepážky, tvořící spolu s víky kanál pro chladící medium.

Alternativně je kanál pro chladící medium vytvořen bifilárně vinutou spirálovitou přepážkou s přepouštěcími otvory a “V ý alespoň dvěma víky.

Další alternativou je kanál pro chladící médium vytvořený dvěma samostatnými,shodnými a do sebe vloženými spirálovitými přepážkami a alespoň dvěma víky.

Výhodné je řešení, kde alespoň jedno z vík tvoří se spirálovitou přepážkou integrální celek. Vnitřní povrch stěn kanálu pro chladící médium je zvětšen např, zdrsněním nebo zvlněním.

233 062

Výhoda řešení kapalinového chladiče podle vynálezu, spočívá v jednoduchosti koncepce a v malém množství spotřebované mechanické a strojírenské práce₀ Rovněž obtékání celé teplosměnné plochy chladícím médiem je dokonalé. Další výhodou je možnost libovolného nastavení úhlu mezi vtokovým a výtokovým nátrubkem»

Na připojeném výkresu je znázorněn kapalinový chladič podle vynálezu v několika provedeních.

Na obr.l je kapalinový chladič v příčném řezu, na obr.2 je v pohledu v provedení s bifiláxně vinutou spirálovitou přepážkou, na obx.3 je jednoduchá spirálovitá přepážka, na obr.4 je chladící kanál tvořen dvěma samostatnými,shodnými a do sebe vloženými spirálovými přepážkami a na obr. 5 je chladící kanál ve shodném provedení, kde boční stěny komory jsou tvořeny přímo jednou ze spirálovitých přepážek.

Kapalinový chladič na obr.l a 2 sestává z komory 1, obsahující dvě víka 2 , 2 » boční stěnu 4 a spirálovitou přepážku jjj. Spirálovitá přepážka 2 spolu s víky 2, J tvoří chladící kanál 6,. Spodní víko 2» boční stěna 4 a spirálovitá překážka £ tvoří v tomto provedení jeden celek.

Komora 1 je opatřena vstupním a výstupním tvorem £ a 8 s nátrubky pro přívod a odvod chladícího média, umístěnými v jedné rovině. Spirálovitá přepážka 3 j^e vinuta bifilárně, takže v tomto případě je třeba průtok chladící kapaliny zajistit přepouštěcími otvory £, ve středové oblasti spirálovité přepážky Směr průtoku chladící kapaliny je znázorněn na obr. 2 šipkami.

V případě použití jednoduché spirálovité přepážky 2 Ú^e jeden z nátrubků prodloužen /obr.3/, prochází všemi závity přepážky a ústí ke středovému konci přepážky. Průtočný prostor kolem prodlouženého nátrubku nutno volit tak, aby neomezoval proudění chladící kapaliny.

Na obr. 4 je kapalinový chladič, jehož kanál 6 pro chlXící médium je vytvořen dvěma samostatnými tvarově i rozměrově shodnými spirálovitými přepážkami 2 ^a i2> které jsou umístěny tak, že se jejich konce dotýkají boční stěny 4 komory 1. u vstupního 2 a výstupního 8 otvoru.

Na obr.5 je kapalinový chladič lišící se od právě popsaného řešení pouze tím, že boční stěna 4 komory 1 je tvořena přímo

233 062 jednou ze spirálovitých přepážek £ a 10 a nátrubky u vstupní2 a výstupního 8 otvoru jsou umístěny tangenciálně к boční stěna Д komory 1«,

V případě potřeby může být komora 2 kapalinového chladiče kvádrového tvaru. Tlouštka spirálovité přepážky £,resp. 10 je volena tak, aby byla zajištěna nutná mechanická pevnost a tuhost při spojení s výkonovou polovodičovou součástkou. Zvolená tlouštka musí také vyhovovat z hlediska rozvodu tepla ode dna komory. Vytvořením kanálu pro chtdící médium ve tvaru spirály se pokryje celá teplosmšnná plocha komory. Zvláší výhodná je sestava dvou spirál, kdy chladící kapalina proudí na jedné straně vstupním otvorem do vytvořeného labyrintu a proudí od kraje chladiče ke středu a potom proti proudně od středu zpět. Tím je dosaženo rovnoměrného a velmi dokonalého oplachování celého teplosměnného povrchu chladící kapalinou. Počet závitů je volen vhodně tak, aby vytvořený kanál labyrintu měl stejný průřez jako vstupní a výstupní otvor pro chladící kapalinu. Tak nedochází ke zbytečnému porušování toku chladivá a snižování nebo zvyšování tlaku chladící kapaliny. Existují ovšem specielní případy, kdy je účelné rozměr kanálu snížit na úkor zvýšení tlaku proudícího chladivá. Pro zvýšení chladícího účinku je možno vnitřní stěny kanálu po délce a ploše různým způsobem zdrsnit.či zvlnit, aby se zvětšil jejich povrch, aby se zvětšila styčná plocha se základnou a aby se rozrušil proud chladící kapaliny a tím se dosáhlo turbulentního proudění.

Kapalinový chladič uvedené konstrukce se vyznačuje velice dobrými chladícími účinky při poměrně nízké průtočné rychlosti chladící kapaliny, malé spotřebě materiálu a nízkých výrobních nákladech.

г 233 062

Předmět vy nálezu

Claims (5)

1. le Kapalinový chladič pro chlazení -výkonových polovodičových součástek, sestávající z komory protékané chladícím médiem od vstupního k výstupnímu otvoru, přičemž oba otvory leží v jedné rovině a svírají vzájemně - libovolný úhel a komora chladiče je ve styku s aspoň jednou teplosměnnou plochou součástky geneeující teplo, ' ' vxzjajiJj^nJ t£m » že komora /1/ s^estává z nejméně dvou vík /2,3/ a alespoň jedné spirálovité přepážky /5/, tvořící spolu ' s víky /2,3/ kanál /6/ ' ' pro chladící médiím.
2. 2® Kpalinový chladič podle bodu 1„, v_y_z_n a_č_e_n_ý jím , že- kanál /6/ pro chladící médium je vytvořen bifiláurně ' vinutou spirálovitou přepážkou /5/ a přepouutěcími otvory /9/ a . alespoň dvěma víky y2,3/e
3. 3. - Kapalinový chladič podle · bodu 1?, vy^Z-rcaL č_e_n_ý tj_m , že kanál /6/ pro chladící médium je vytvořen dvěma samootatnými, shodnými a do sebe vloženými, spirálovitými přepážkami /5,10/ a alespoň dvěma víky /2,3/·
4. 4® Kapalinový chladič podle bodu l. ,2? ,3.,., V_P^Z ,_pa_č-Ojn^ t_í,m , že alespoň jedno z vík /3/ · tvoří se spirálovitou přepážkou /5/ integrální celek.
5. 5® Kapalinový chladič podle bodu 1-, 2_tt 3», 4®, v_y_zji_a.Lč-e jn_ý t^í^m , že vnitrní pcvrcch stě keniáHu /6/ pro chladící médium je zvětšen např. zdrsněním nebo zvlněním.

   5 výkresů

   233 062

   0BR.1

   233 ' 062

   0BR.2

   233 062

   0BR.3

   233 062

   0BR4