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Abstract

Device for cooling semiconductors by vaporisation of a refrigerant, comprising recipients 2, 3, 4 for vaporisation of this fluid by heat exchange with the semiconductors 1A, 1B, 1C, 1D, a condenser 16 arranged at a level higher than that of the vaporisation recipients, ducts 6, 7, 8 for outlet of the vaporised fluid from the recipients to the condenser, and ducts 9, 13 for gravity return of the condensed fluid to the vaporisation recipients. These recipients are alternated with the semiconductors and are connected to a collector through the outlet and return ducts, this collector itself being connected to the condenser via passages for introducing the refrigerant and for its return.

Description

Dispositif de refroidissement de semi-conducteurs par vaporisation d'un fluide frigorifique
La présente invention concerne un dispositif de refroidissement de semi-conducteurs par vaporisation d'un fluide frigorifique, comprenant des récipients de vaporisation du fluide frigorifique en échange indirect de chaleur avec les semi-conducteurs, un condenseur du fluide frigorifique, muni de moyens d'échange de chaleur avec un fluide plus froid, disposé à un niveau supérieur à celui des récipients de vaporisation, au moins un conduit de départ de fluide frigorifique partiellement vaporisé reliant le haut des récipients de vaporisation au condenseur, et au moins un conduit de retour par gravité du fluide frigorifique condensé dans le bas des récipients de vaporisation.Semiconductor cooling device by vaporization of a refrigerant
The present invention relates to a device for cooling semiconductors by vaporization of a refrigerant, comprising containers for vaporization of the refrigerant in indirect heat exchange with the semiconductors, a condenser of the refrigerant, provided with means heat exchange with a cooler fluid, disposed at a level higher than that of the vaporization containers, at least one partially vaporized refrigerant flow conduit connecting the top of the vaporization vessels to the condenser, and at least one return conduit by gravity of the refrigerant condensed at the bottom of the spray containers.

On a déjà décrit dans le document US-A-3609991 un dispositif de refroidissement de semi-conducteurs comprenant a) des récipients de vaporisation d'un fluide frigorifique en contact indirect de chaleur avec les semi-conducteurs à refroidir, b) des tubes de liaison de la partie supérieure de ces récipients, se raccordant à un tube d'évacuation commun du fluide frigorifique partiellement vaporisé vers un condenseur disposé à un niveau supérieur à celui des récipients de vaporisation, c) un condenseur constitué par une cuve que traverse un serpentin de circulation d'eau froide, muni d'ailettes augmentant sa surface d'échange de chaleur avec le fluide frigorifique à condenser, et d) un tube commun de retour du fluide frigorifique condensé à partir du fond du condenseur, se raccordant à des tubes individuels de retour du fluide condensé dans le fond des récipients de vaporisation. Document US-A-3609991 has already described a semiconductor cooling device comprising a) containers for vaporizing a refrigerant in indirect heat contact with the semiconductors to be cooled, b) tubes for connection of the upper part of these containers, connecting to a common evacuation tube of the partially vaporized refrigerant towards a condenser arranged at a level higher than that of the vaporization containers, c) a condenser constituted by a tank through which a coil passes cold water circulation, provided with fins increasing its heat exchange surface with the refrigerant to be condensed, and d) a common return tube of the refrigerant condensed from the bottom of the condenser, connecting to tubes individual return of the condensed fluid in the bottom of the vaporization containers.

Un tel dispositif est cependant complexe et nécessite un condenseur encombrant et de fabrication relativement coûteuse. Such a device is however complex and requires a bulky condenser and a relatively expensive manufacturing.

La présente invention a pour but de procurer un dispositif de refroidissement de semi-conducteurs relativement simple, comportant un condenseur d'encombrement réduit et de fabrication peu coûteuse. The present invention aims to provide a relatively simple semiconductor cooling device, comprising a compact condenser and inexpensive manufacturing.

Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que les récipients de vaporisation sont disposés en parallèle et alternés avec les semi-conducteurs, et sont reliés à un collecteur, d'une part à la partie supérieure de celui-ci par des conduits de départ de fluide frigorifique partiellement vaporisé, d'autre part à la partie inférieure de celui-ci par des conduits de retour de ce fluide condensé, ce collecteur étant lui-même relié au condenseur par des passages d'introduction du fluide frigorifique partiellement vaporisé et de retour de ce fluide totalement condensé. The device according to the invention is characterized in that the vaporization containers are arranged in parallel and alternate with the semiconductors, and are connected to a collector, on the one hand at the upper part thereof by conduits of flow of partially vaporized refrigerant, on the other hand to the lower part thereof by return conduits of this condensed fluid, this collector itself being connected to the condenser by passages for introducing the partially vaporized refrigerant and return of this fully condensed fluid.

Il répond en outre à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Le condenseur est un récipient plat fabriqué selon la technique "roll- bond" et muni d'ailettes rapportées. It also meets at least one of the following characteristics - The condenser is a flat container manufactured using the "roll-bond" technique and fitted with attached fins.

- Le collecteur est intégré dans le condenseur.- The collector is integrated in the condenser.

- Le condenseur est constitué par un tube métallique aplati, muni d'ailettes rapportées formées à partir d'une tôle métallique ondulée par pliage.- The condenser is constituted by a flattened metal tube, provided with attached fins formed from a metal sheet corrugated by folding.

- Il est interposé dans les tubes de liaison entre les récipients de vaporisation et le collecteur des manchons électriquement isolants en matière céramique.- It is interposed in the connection tubes between the vaporization containers and the collector of the electrically insulating sleeves made of ceramic material.

- Les tubes de liaison entre les récipients de vaporisation et le collecteur sont en une matière plastique souple électriquement isolante - Le collecteur est en un matériau électriquement isolant.- The connecting tubes between the spray containers and the collector are made of an electrically insulating flexible plastic material - The collector is made of an electrically insulating material.

Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, des dispositifs de refroidissement de semiconducteurs de puissance conformes à l'invention. It is described below, by way of example and with reference to the figures of the accompanying drawing, cooling devices for power semiconductors according to the invention.

La figure 1 représente en coupe une première variante de dispositif de refroidissement. Figure 1 shows in section a first variant of the cooling device.

La figure 2 représente une coupe selon l'axe Il-Il de la figure 1. FIG. 2 represents a section along the axis Il-Il of FIG. 1.

La figure 3 représente une vue analogue à celle de la figure 2, à collecteur intégré au condenseur. FIG. 3 represents a view similar to that of FIG. 2, with a collector integrated into the condenser.

Dans la figure 1, les récipients de vaporisation 2, 3, 4 sont intercalés entre les semi-conducteurs de puissance 1A, 1B, 1C, 1D, en constituant ainsi une colonne horizontale. Il n'a été représenté pour plus de clarté que quatre semi-conducteurs, mais on comprendra qu'en pratique leur nombre peut être notablement plus élevé. Chaque récipient est donc en contact thermique indirect avec deux semi-conducteurs. Ces récipients se raccordent par leur partie supérieure à la poutre supérieure du collecteur 5 par des conduits 6, 7, 8, dans lesquels sont interposées des bagues de céramique 9, 10, 11 assurant l'isolation électrique du collecteur.Ces récipients de vaporisation sont également raccordés par leur partie inférieure au fond du collecteur grâce à des conduits 12, 13, 24 (le conduit 24 relatif au récipient 3 étant caché sur la figure 1 mais visible sur la figure 2). In FIG. 1, the vaporization containers 2, 3, 4 are interposed between the power semiconductors 1A, 1B, 1C, 1D, thus constituting a horizontal column. It has been shown for clarity only four semiconductors, but it will be understood that in practice their number can be significantly higher. Each container is therefore in indirect thermal contact with two semiconductors. These containers are connected by their upper part to the upper beam of the collector 5 by conduits 6, 7, 8, in which are interposed ceramic rings 9, 10, 11 ensuring the electrical insulation of the collector. also connected by their lower part to the bottom of the collector by means of conduits 12, 13, 24 (the conduit 24 relating to the container 3 being hidden in FIG. 1 but visible in FIG. 2).

Ces derniers sont également munis de bagues de céramique 14, 15, 25 (cette dernière visible sur la figure 2) d'isolation électrique du cc'#lecteur.  The latter are also provided with ceramic rings 14, 15, 25 (the latter visible in FIG. 2) for electrical insulation of the cc '# reader.

Les récipients de vaporisation peuvent être commodément fabriqués à partir d'un bloc d'aluminium percé de trous parallèles à axe vertical, collectés entre eux par des trous horizontaux en haut et en bas. The vaporization containers can be conveniently made from an aluminum block pierced with parallel holes with a vertical axis, collected together by horizontal holes at the top and bottom.

Le collecteur 5 est relié au condenseur 16 par des conduits latéraux 17, 18 de passage du fluide frigorifique partiellement vaporisé. The manifold 5 is connected to the condenser 16 by lateral conduits 17, 18 for the passage of the partially vaporized refrigerant.

Des chicanes verticales 19, 20 assurent que le fluide partiellement vaporisé passe au contact de toute la surface du condenseur, avant de revenir dans la zone centrale 21 de celui-ci vers le conduit 22 de retour du fluide reliquéfié au collecteur.Vertical baffles 19, 20 ensure that the partially vaporized fluid passes in contact with the entire surface of the condenser, before returning to the central zone 21 thereof towards the conduit 22 for return of the fluid reliquified to the collector.

La circulation du fluide frigorifique dans le dispositif est représentée par les flèches. Elle s'effectue selon le principe du thermosiphon biphasique. Ce fluide peut être par exemple un hydrocarbure aliphatique halogéné, tel que le trichloromonofluorométhane ou le trichlorotrifluoroéthane. Le fluide partiellement vaporisé s'élève dans les récipients de vaporisation sous l'effet de la diminution de densité, passe par les conduits 6, 7, 8 dans la partie supérieure du collecteur, puis par les conduits 17, 18 dans le condenseur 16. Reliquéfié au contact de la surface d'échange de celui-ci, il redescend par le conduit 22 dans la partie inférieure du collecteur, puis de là par les conduits 12, 13, 24 dans la partie inférieure des récipients de vaporisation. The circulation of the refrigerant in the device is represented by the arrows. It is carried out according to the principle of the biphasic thermosiphon. This fluid can for example be a halogenated aliphatic hydrocarbon, such as trichloromonofluoromethane or trichlorotrifluoroethane. The partially vaporized fluid rises in the vaporization containers under the effect of the reduction in density, passes through the conduits 6, 7, 8 in the upper part of the manifold, then through the conduits 17, 18 in the condenser 16. Reliquified in contact with the exchange surface thereof, it descends through the conduit 22 in the lower part of the collector, then from there by the conduits 12, 13, 24 in the lower part of the vaporization containers.

La figure 2 montre de façon plus claire la structure du condenseur ainsi que la circulation du fluide frigorifique dans l'appareil entre une boucle de vaporisation (flèche en bas à gauche) et une boucle de condensation (flèche en haut à droite). Celui-ci a été fabriqué par la technique "roll-bond" et comporte donc une série de canaux parallèles tels que 16. Il est muni d'ailettes 23 rapportées sur lui par soudure à l'étain, augmentant sa surface d'échange de chaleur avec l'air ambiant.  Figure 2 shows more clearly the structure of the condenser as well as the circulation of the refrigerant in the device between a vaporization loop (arrow at the bottom left) and a condensation loop (arrow at the top right). This one was manufactured by the "roll-bond" technique and therefore includes a series of parallel channels such as 16. It is provided with fins 23 attached to it by soldering with tin, increasing its exchange surface by warmth with ambient air.

Ces ailettes ont été représentées verticales, mais elles pourraient aussi être horizontales, notamment si l'échange de chaleur avec l'air ambiant était assuré par convection forcée à l'aide d'un ventilateur.These fins have been shown to be vertical, but they could also be horizontal, in particular if the heat exchange with the ambient air was ensured by forced convection using a fan.

De la partie inférieure du condenseur, le conduit 22 assure le retour du fluide reliquéfié au collecteur 5. From the lower part of the condenser, the conduit 22 ensures the return of the reliquified fluid to the manifold 5.

La colonne de semi-conducteurs et de récipients de vaporisation, ainsi que le collecteur et leurs conduits de jonction, sont contenus dans un coffrage 26 et séparés du condenseur par une cloison 27. Ils sont ainsi à l'abri des poussières amenées par la ventilation. The column of semiconductors and vaporization containers, as well as the collector and their junction conduits, are contained in a formwork 26 and separated from the condenser by a partition 27. They are thus protected from the dust brought in by the ventilation. .

On peut également fabriquer le condenseur à partir d'un tube d'aluminium aplati, sur lequel on rapporterait par soudure une tôle d'aluminium ondulée par pliage. One can also manufacture the condenser from a flattened aluminum tube, on which one would bring by welding a corrugated aluminum sheet by bending.

Le dispositif de refroidissement représenté en figure 3 diffère essentiellement de celui des figures 1 et 2 en ce que le collecteur est intégré au condenseur, et en ce qu'il est raccordé aux récipients de vaporisation par des tubes souples en matière électriquement isolante, tel qu'un copolymère de tétrafluoréthylène et d'hexafluoropropylène. Le collecteur est disposé à la partie inférieure du condenseur. Il comprend une partie supérieure SA reliée à des tubes souples d'amenée du fluide partiellement vaporisé tels que 28, se raccordant par des embouts en aluminium sertis 29, 30 d'une part à un récipient de vaporisation, d'autre part au collecteur. Ce tube traverse la cloison de séparation 27 à l'intérieur d'un joint d'étanchéité 31. La partie inférieure 5B est reliée à des tubes souples de retour de fluide condensé aux récipients de vaporisation, tels que 32, munis d'embouts de raccordement en aluminium 33, 34 et traversant la cloison 27 à l'intérieur d'un joint d'étanchéité 35.  The cooling device shown in Figure 3 differs essentially from that of Figures 1 and 2 in that the collector is integrated into the condenser, and in that it is connected to the vaporization containers by flexible tubes of electrically insulating material, such as 'a copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene. The collector is located at the bottom of the condenser. It comprises an upper part SA connected to flexible tubes for supplying the partially vaporized fluid such as 28, connected by crimped aluminum end pieces 29, 30 on the one hand to a vaporization container, on the other hand to the collector. This tube passes through the partition 27 inside a seal 31. The lower part 5B is connected to flexible tubes for the return of condensed fluid to the vaporization containers, such as 32, fitted with end caps. aluminum connection 33, 34 and passing through the partition 27 inside a seal 35.

Claims (6)

REVENDICATIONS 1/ Dispositif de refroidissement de semi-conducteurs par vaporisation d'un fluide frigorifique, comprenant des récipients (2, 3, 4) de vaporisation du fluide frigorifique en échange indirect de chaleur avec les semi-conducteurs (1A, lB, 1C, 1D), un condenseur (16) du fluide frigorifique, muni de moyens d'échange de chaleur avec un fluide plus froid, disposé à un niveau supérieur à celui des récipients de vaporisation, au moins un conduit de départ de fluide frigorifique partiellement vaporisé reliant le haut des récipients de vaporisation au condenseur, et au moins un conduit de retour par gravité du fluide frigorifique condensé dans le bas des récipients de vaporisation, caractérisé en ce que les récipients de vaporisation sont disposés en parallèle et alternés avec les semi-conducteurs, et sont reliés à un collecteur (5), d'une part à la partie supérieure de celui-ci par des conduits de départ de fluide frigorifique partiellement vaporisé (6, 7, 8), d'autre part à la partie inférieure de celui-ci par des conduits de retour de ce fluide condensé (9, 13), ce collecteur étant lul-meme relié au condenseur par des passages d'introduction du fluide frigorifique partiellement vaporisé (17, 18) et de retour de ce fluide totalement condensé (22).1 / Semiconductor cooling device by vaporization of a refrigerant, comprising containers (2, 3, 4) for vaporization of the refrigerant in indirect heat exchange with the semiconductors (1A, lB, 1C, 1D ), a condenser (16) of the refrigerating fluid, provided with means for exchanging heat with a cooler fluid, disposed at a level higher than that of the vaporization receptacles, at least one conduit for the departure of partially vaporized refrigerating fluid connecting the top of the vaporization containers to the condenser, and at least one return pipe by gravity of the condensed refrigerant in the bottom of the vaporization containers, characterized in that the vaporization containers are arranged in parallel and alternate with the semiconductors, and are connected to a manifold (5), on the one hand at the upper part of this by partially refrigerant starting pipes (6, 7, 8), on the other hand to the lower part re of this by return conduits of this condensed fluid (9, 13), this collector being lul-same connected to the condenser by passages for introducing the partially vaporized refrigerant (17, 18) and return of this fully condensed fluid (22). 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condenseur est un récipient plat fabriqué selon la technique "roll-bond", et muni d'ailettes rapportées (23, fig.2, 3).2 / Device according to claim 1, characterized in that the condenser is a flat container manufactured according to the "roll-bond" technique, and provided with attached fins (23, fig.2, 3). 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le collecteur est intégré dans le condenseur 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le condenseur est constitué par un tube métallique aplati, muni d'ailettes rapportées formées à partir d'une tôle métallique ondulée par pliage.3 / Device according to claim 2, characterized in that the collector is integrated in the condenser 4 / Device according to claim 1, characterized in that the condenser is constituted by a flattened metal tube, provided with attached fins formed from 'a metal sheet corrugated by folding. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il est interposé dans les tubes de liaison entre les récipients de vaporisation et le collecteur des manchons électriquement isolants en matière céramique (9, 10, 11).  5 / Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it is interposed in the connecting tubes between the spray containers and the collector of electrically insulating sleeves made of ceramic material (9, 10, 11). 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les tubes de liaison (28, 32, fig.3) entre les récipients de vapo risation et le collecteur sont en une matière plastique souple électriquement isolante.6 / Device according to one of claims 1 to 4 characterized in that the connecting tubes (28, 32, fig.3) between the vaporization containers and the collector are made of a flexible electrically insulating plastic. 7/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le collecteur (5) est en un matériau électriquement isolant. 7 / Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the collector (5) is made of an electrically insulating material.
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