RU2274927C1 - Heat sink - Google Patents

Heat sink Download PDF

Info

Publication number
RU2274927C1
RU2274927C1 RU2004128829/28A RU2004128829A RU2274927C1 RU 2274927 C1 RU2274927 C1 RU 2274927C1 RU 2004128829/28 A RU2004128829/28 A RU 2004128829/28A RU 2004128829 A RU2004128829 A RU 2004128829A RU 2274927 C1 RU2274927 C1 RU 2274927C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
mesh
transfer surface
cooling
radiator
Prior art date
Application number
RU2004128829/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Петрович Прилепо (RU)
Юрий Петрович Прилепо
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "МЭТР"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "МЭТР" filed Critical Закрытое акционерное общество "МЭТР"
Priority to RU2004128829/28A priority Critical patent/RU2274927C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2274927C1 publication Critical patent/RU2274927C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

FIELD: semiconductor devices or solid-state cryorefrigerators.
SUBSTANCE: proposed heat sink that can be used as cooling or heating , or ventilating facility and mainly for Peltier-effect cooling or heating devices has developed heat-transfer surface component and cooling agent inlet and outlet pipes. This developed heat transfer component is essentially screen nozzle of woven metal net placed in sealed capsular container provided with pipe connections. Screen nozzle can be made of screens having different size of mesh and different wire diameters. In addition, screen nozzle can be made of separate net blocks and the latter can be separated by distance pieces. Heat sink has enlarged heat-transfer surface and enhanced packing coefficient, that is ratio of heat-transfer surface area to volume occupied by this surface and is capable of transferring high-density heat fluxes.
EFFECT: enhanced heating efficiency, reduced hydraulic and/or aerodynamic drag.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковым приборам или криохолодильным приборам на твердом теле и может быть использовано в качестве охлаждающего, или нагревательного, или вентиляционного приспособления и, прежде всего, в охладительных или нагревательных устройствах с использованием эффекта Пельтье.The invention relates to solid-state semiconductor devices or cryo-refrigeration devices and can be used as a cooling, or heating, or ventilation device, and especially in cooling or heating devices using the Peltier effect.

Известны радиаторы для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, основания которых выполнены из двух чередующихся пластин, причем пластины, выступающие за пределы основания, образуют ребра, расположенные параллельно друг другу. Конструкции таких радиаторов отличаются формой или расположением упомянутых пластин. Так в патенте РФ №2137231 (МПК Н 01 L 23/34, опубл. 10.09.99 г., бюл. №25) пластины ребер изогнуты под прямым углом в виде Z-образной фигуры с целью увеличения набора большего числа ребер и просвета между ними. В а.с. СССР №1827697 (МПК Н 01 L 23/34, опубл. 15.07.93 г., бюл. №26) ширина основания радиатора (L) равна высоте (h) этого основания, т.е. L=h, a выступающие пластины развернуты веером. В а.с. СССР №784645 (МПК Н 01 L 23/34, опубл. 10.04.96 г., бюл. №10) радиатор выполнен в виде набора проволочных спиралей с разным направлением навивки и вставленных одна в другую до соприкосновения спиралей с одинаковым направлением навивки так, что отношение лага витка спирали к толщине проволоки составляет 2:1. Однако, несмотря на достигнутые в заявленных конструкциях значительных по площади теплообменных поверхностей, эффективность теплоотвода таких радиаторов недостаточна, особенно для сильноточных полупроводниковых приборов. С целью повышения эффективности теплоотвода в патенте РФ №2093923 (МПК Н 01 L 23/36, Н 05 К 7/20, опубл. 20.10.97 г., бюл. №29) используется охлаждающая жидкость, которую прокачивают по взаимопересекающимся кольцевым каналам, геометрические центры которых расположены на одной геометрической оси, а входные и выходные штуцеры попарно размещены между соседними охлаждаемыми силовыми полупроводниковыми приборами. В а.с. СССР №1624566 (МПК Н 01 L 23/36, опубл. 30.01.91 г., бюл. №4) эта цель достигается введением турбулизирующих вставок в поток охлаждающей жидкости, протекающей по каналу, образованному корпусом с установочными площадками для силовых полупроводниковых приборов. Радиатор по а.с. СССР №730206 (МПК Н 01 L 23/34 г., опубл. 30.07.94, бюл. №14) содержит проволочные спирали противоположного направления навивки. Проволока выполнена полой и концы ее вмонтированы с помощью развальцовки или пайки в общие подводящие и отводящие каналы корпуса с установочными площадками. Однако даже использование радиаторов с жидкостным охлаждением не позволяет решить вопрос эффективного теплоотвода из-за недостаточной теплообменной поверхности и способности отводить тепловые потоки высокой удельной плотности.Known radiators for cooling power semiconductor devices, the bases of which are made of two alternating plates, and the plates protruding beyond the base, form ribs located parallel to each other. The designs of such radiators differ in the shape or arrangement of said plates. So in the RF patent No. 2137231 (IPC N 01 L 23/34, publ. 09/10/999, bull. No. 25) the rib plates are bent at right angles in the form of a Z-shaped figure in order to increase the collection of a larger number of ribs and the clearance between them. In A.S. USSR No. 1827697 (IPC Н 01 L 23/34, publ. 07/15/93, bull. No. 26) the width of the radiator base (L) is equal to the height (h) of this base, i.e. L = h, and the protruding plates are fan-shaped. In A.S. USSR No. 784645 (IPC N 01 L 23/34, publ. 04/10/96, bull. No. 10) the radiator is made in the form of a set of wire spirals with different directions of winding and inserted one into another until the helices come in contact with the same direction of winding so, that the ratio of the lag of the spiral coil to the thickness of the wire is 2: 1. However, in spite of the considerable heat-exchange surface areas achieved in the claimed designs, the heat removal efficiency of such radiators is insufficient, especially for high-current semiconductor devices. In order to increase the efficiency of heat removal in the RF patent No. 2093923 (IPC Н 01 L 23/36, Н 05 К 7/20, publ. 10/20/97, bull. No. 29), a cooling liquid is used, which is pumped through mutually intersecting annular channels, the geometric centers of which are located on the same geometric axis, and the input and output fittings are paired between adjacent cooled power semiconductor devices. In A.S. USSR No. 1624566 (IPC N 01 L 23/36, publ. 01/30/91, bull. No. 4) this goal is achieved by introducing turbulent inserts into the coolant stream flowing through the channel formed by the housing with installation sites for power semiconductor devices. A.S. radiator USSR No. 730206 (IPC H 01 L 23/34, published on 07/30/94, bull. No. 14) contains wire spirals of the opposite direction of winding. The wire is hollow and its ends are mounted by means of flaring or soldering in the common inlet and outlet channels of the housing with installation sites. However, even the use of liquid-cooled radiators does not resolve the issue of effective heat removal due to the insufficient heat exchange surface and the ability to remove heat fluxes of high specific density.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является преобразовательная ячейка по а.с. СССР №991880 (МПК Н 01 L 23/34, опубл. 10.07.99 г., бюл. №19), в которой полупроводниковый прибор установлен на радиатор-охладитель со штуцером для принудительного подвода хладагента, при этом радиатор-охладитель выполнен в виде полого цилиндра со стенками в виде каркаса из пористого металла с открытой пористой структурой, внутрь цилиндра с одной из его торцов встроен штуцер для подвода хладагента, а на другом торце установлен полупроводниковый прибор. Теплота от полупроводникового прибора отводится по элементу с развитой теплопередающей поверхностью - пористой металлической стенке цилиндра, через которую продувают воздух или другой газообразный хладагент. Предложенный металлический каркас, имеющий пористую структуру, обладает развитой теплопередающей поверхностью, однако металлические стенки пор, по которым теплота передается от места контакта СВЧ-прибора к периферии охладителя, имеют значительную длину, а следовательно, высокое термическое сопротивление. Наличие тупиковых пор пористой структуры снижают тепловую эффективность и увеличивают гидравлическое или аэродинамическое сопротивление при прокачке хладагента, а свободный выход хладагента через поры стенки в окружающую среду позволяет применять только газовые хладагенты.Closest to the technical nature of the present invention is a conversion cell on.with. USSR No. 991880 (IPC N 01 L 23/34, published July 10, 1999, bull. No. 19), in which the semiconductor device is mounted on a radiator-cooler with a fitting for forced supply of refrigerant, while the radiator-cooler is made in the form a hollow cylinder with walls in the form of a frame of porous metal with an open porous structure, a fitting for supplying refrigerant is built into the cylinder from one of its ends, and a semiconductor device is installed on the other end. The heat from the semiconductor device is removed through an element with a developed heat transfer surface - a porous metal wall of the cylinder through which air or other gaseous refrigerant is blown. The proposed metal frame having a porous structure has a developed heat transfer surface, however, the metal walls of the pores through which heat is transferred from the contact point of the microwave device to the periphery of the cooler have a considerable length, and therefore, high thermal resistance. The presence of dead-end pores of the porous structure reduces thermal efficiency and increases hydraulic or aerodynamic resistance when pumping refrigerant, and the free exit of refrigerant through the pores of the wall into the environment allows the use of gas refrigerants only.

Техническим результатом, на которое направленно изобретение, является повышение тепловой эффективности радиатора, увеличение его теплоотдающей поверхности и коэффициента упаковки, т.е. отношения площади теплообменной поверхности к объему, занимаемому этой поверхностью, снижение гидравлического и/или аэродинамического сопротивления, обеспечение способности отвода тепловых потоков с высокой удельной плотностью.The technical result, which the invention is directed to, is to increase the thermal efficiency of the radiator, increase its heat transfer surface and packing coefficient, i.e. the ratio of the area of the heat exchange surface to the volume occupied by this surface, the reduction of hydraulic and / or aerodynamic drag, providing the ability to remove heat fluxes with a high specific density.

Для этого предложен радиатор, содержащий элемент с развитой теплопередающей поверхностью и патрубки для подвида и отвода хладоагента, причем элемент с развитой теплопередающей поверхностью представляет собой сетчатый насадок из тканой металлической сетки, помещенный в герметичный капсюлированный контейнер с патрубками.For this, a radiator is proposed comprising an element with a developed heat transfer surface and nozzles for a subspecies and removal of a refrigerant, the element with a developed heat transfer surface being a mesh nozzle made of a woven metal mesh placed in an airtight encapsulated container with nozzles.

При этом сетчатый насадок может быть выполнен из сеток с различным размером ячейки и диаметром проволоки.In this case, the mesh nozzles can be made of nets with different cell sizes and wire diameters.

Кроме того, сетчатый насадок может быть выполнен из отдельных блоков сеток.In addition, the mesh nozzles can be made of separate blocks of nets.

Блоки сеток могут быть отделены дистанциопаторами.Blocks of grids can be separated by remote controllers.

На фиг.1 приведен общий вид радиатора, а на фиг.2 - его поперечное сечение по А-А,Figure 1 shows a General view of the radiator, and figure 2 - its cross section along aa,

где 1 - герметичный капсюлированный контейнер радиатора, выполненный из металла,where 1 is a sealed encapsulated radiator container made of metal,

2 - сетчатый насадок из металлической сетки тканевого плетения, которая может быть выполнена с различным размером ячейки и толщиной проволочки, сетчатый насадок находится в тепловом контакте со стенками контейнера, который обеспечивается за счет пайки или сварки периферийной поверхности насадка к стенкам,2 - mesh nozzles from a metal mesh fabric weaving, which can be made with different cell sizes and wire thicknesses, mesh nozzles are in thermal contact with the walls of the container, which is provided by soldering or welding the peripheral surface of the nozzle to the walls,

3 - зона теплового контакта сетчатого насадка со стенками герметичного контейнера,3 - zone of thermal contact of the mesh nozzle with the walls of the sealed container,

4 - патрубки входа и выхода хладагента,4 - pipe inlet and outlet of the refrigerant,

5 - металлический дистанционатор,5 - metal remote control,

6 - блоки из сеток с разными ячейками и/или диаметром проволоки.6 - blocks of grids with different cells and / or wire diameter.

На фиг.3 приведен вариант применения радиаторов в устройствах с элементами Пельтье 7.Figure 3 shows an application of radiators in devices with Peltier elements 7.

На фиг.4 приведен вариант использования радиатора в виде капсюлированного контейнера для охлаждения силового полупроводникового прибора 8.Figure 4 shows the use of a radiator in the form of an encapsulated container for cooling a power semiconductor device 8.

Работает радиатор следующим образом. Через патрубки 4, выполненные заедино с герметичным контейнером 1, осуществляется прокачка хладагента, в качестве которого могут служить воздух или различные газы, или капельные жидкости. При прохождении хладагента через сетчатый насадок 2 достигается высокая степень турбулизации потока хладагента и перемешивание его пристеночных слоев с ядром потока. Поскольку характерный размер обтекания равен диаметру проволоки незначительной величины, то даже при низкой скорости движения потока хладагента в сетчатом насадке 2 достигается сравнительно высокий коэффициент теплоотдачи при малом аэро- или гидравлическом сопротивлении движению (см. Г.Гребер, С.Эрк, У.Григуль. «Основы учения о теплообмене» Изд. Инстранной литературы, М., 1958 г., с.325). При этом теплота от силового полупроводникового прибора 8 или элементов Пельтье 7 через стенку контейнера 1 и тепловое сопряжение насадка с контейнером 3 передается по проволоке металлической сетки к сердцевине насадка. В отличие, например, от обычной проволочной набивки или засыпки, благодаря регулярной структуре проволоки в сетках, теплота передается к центру потока теплоносителя по кратчайшему пути при минимальном термическом сопротивлении твердого тела в виде единичной проволоки. В то время как в засыпке в тракте передачи теплоты наличествуют термические сопротивления контактов элементов (зерен) засыпки, а в проволочной набивке тепловой тракт по твердому телу в виде единичной проволоки может оказаться значительно удлиненным из-за хаотичного расположения проволоки. Для сетчатого насадка, также как и для проволочной набивки или засыпке, характерен высокий коэффициент упаковки (отношение поверхности теплообмена к полному объему), который может достигать значений 6857 м2/м3, как, например, для сетки с ячейкой 0,43×0,42 мм и диаметром проволоки 0,19 мм (см. Кейс В.М., Лондон А.Л. «Компактные теплообменники», М - Л. Госэнергоиздат, 1962 г., с.73, табл. 16).The radiator works as follows. Through the nozzles 4, made together with a sealed container 1, the refrigerant is pumped, which can serve as air or various gases, or dropping liquids. When the refrigerant passes through the mesh nozzles 2, a high degree of turbulization of the refrigerant flow and mixing of its wall layers with the flow core is achieved. Since the characteristic size of the flow around is equal to the diameter of the wire of insignificant size, even with a low speed of movement of the refrigerant flow in the mesh nozzle 2, a relatively high heat transfer coefficient is achieved with a small air or hydraulic resistance to movement (see G. Greber, S. Erk, U. Grigul. "Fundamentals of the doctrine of heat transfer" Publishing House of Foreign Literature, M., 1958, p.325). In this case, the heat from the power semiconductor device 8 or the Peltier elements 7 through the wall of the container 1 and the thermal connection of the nozzle with the container 3 is transmitted through a wire of a metal mesh to the core of the nozzle. Unlike, for example, conventional wire packing or backfill, due to the regular structure of the wire in the nets, heat is transferred to the center of the coolant flow along the shortest path with minimal thermal resistance of a solid in the form of a single wire. While in the backfill in the heat transfer path there are thermal resistance of the contacts of the elements (grains) of the backfill, and in the wire packing the heat path through the solid in the form of a single wire can be significantly elongated due to the chaotic arrangement of the wire. The mesh nozzle, as well as for wire packing or filling, is characterized by a high packing coefficient (the ratio of the heat exchange surface to the total volume), which can reach 6857 m 2 / m 3 , as, for example, for a mesh with a cell of 0.43 × 0 , 42 mm and a wire diameter of 0.19 mm (see Case VM, London A. L. “Compact heat exchangers”, M - L. Gosenergoizdat, 1962, p. 73, table 16).

Для снижения аэродинамического или гидравлического сопротивления сетчатый насадок при значительной его длине может быть изготовлен в виде блоков 6, при этом блок набирают из сеток с одинаковой ячейкой. помещаемых между металлическими проставками-дистанционатарами 5. Блоки из мелкоячеистой или крупноячеистой сеток, помещенные чередуясь в контейнер, из-за наличия дистанционаторов 5, образуют между собой свободное не заполненное сеткой пространство. В этом пространстве скорость хладагента снижается до минимальной для данного поперечного сечения контейнера радиатора, при этом происходит полное перемешивание теплоносителя и усреднение его температуры.To reduce aerodynamic or hydraulic drag, mesh nozzles with a considerable length can be made in the form of blocks 6, while the block is recruited from grids with the same cell. placed between metal spacers-remote control 5. Blocks of fine-mesh or coarse-mesh nets, placed alternately in the container, due to the presence of distancers 5, form a free space not filled with net between each other. In this space, the speed of the refrigerant is reduced to the minimum for a given cross-section of the radiator container, while the coolant is completely mixed and its temperature is averaged.

Таким образом, такая конструкция позволяет получить радиатор, который способен отводить тепловой поток до 1200 Вт, при скорости потока хладагента в насадке ~0,05 м/с, и гидравлическом сопротивлении насадка около 53,0 Па. При этом затраты мощности на прокачку составляют не более 30 Вт. Конструктивный объем радиатора составляет 0,005 м3 при его теплообменной поверхности 3,3 м2. Конструктивные размеры, тепловая мощность радиатора и коэффициент теплоотдачи рассчитывался по параметру Колборна для сетки №6 (см. Кейс В.М., Лондон АЛ. «Компактные теплообменники». М. - Л. Госэнергоиздат, 1962 г., с.129, рис. 120).Thus, this design allows you to get a radiator that is able to divert heat flux up to 1200 W, with a flow rate of refrigerant in the nozzle of ~ 0.05 m / s, and a hydraulic resistance of the nozzle of about 53.0 Pa. Moreover, the power consumption for pumping is not more than 30 watts. The structural volume of the radiator is 0.005 m 3 with a heat exchange surface of 3.3 m 2 . The design dimensions, the heat output of the radiator, and the heat transfer coefficient were calculated using the Colborn parameter for grid No. 6 (see Case VM, London AL. “Compact heat exchangers.” M. - L. Gosenergoizdat, 1962, p. 129, fig. . 120).

Claims (4)

1. Радиатор, содержащий элемент с развитой теплопередающей поверхностью и патрубки для подвода и отвода хладоагента, отличающийся тем, что элемент с развитой теплопередающей поверхностью представляет собой сетчатый насадок из тканой металлической сетки, помещенный в герметичный капсюлированный контейнер с патрубками.1. A radiator comprising an element with a developed heat transfer surface and nozzles for supplying and discharging a refrigerant, characterized in that the element with a developed heat transfer surface is a mesh nozzle of a woven metal mesh placed in an airtight encapsulated container with nozzles. 2. Радиатор по п.1, отличающийся тем, что сетчатый насадок выполнен из сеток с различным размером ячейки и диаметром проволоки.2. The radiator according to claim 1, characterized in that the mesh nozzles are made of nets with different cell sizes and wire diameters. 3. Радиатор по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что сетчатый насадок выполнен из блоков.3. The radiator according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the mesh nozzles are made of blocks. 4. Радиатор по п.3, отличающийся тем, что блоки сеток отделены дистанционаторами.4. The radiator according to claim 3, characterized in that the grid blocks are separated by spacers.
RU2004128829/28A 2004-10-01 2004-10-01 Heat sink RU2274927C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004128829/28A RU2274927C1 (en) 2004-10-01 2004-10-01 Heat sink

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004128829/28A RU2274927C1 (en) 2004-10-01 2004-10-01 Heat sink

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2274927C1 true RU2274927C1 (en) 2006-04-20

Family

ID=36608182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004128829/28A RU2274927C1 (en) 2004-10-01 2004-10-01 Heat sink

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2274927C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7189903B2 (en) Chillers and cooling systems using chillers
CN110631301B (en) Immersed self-turbulent-flow shell-and-tube heat exchanger
US20190093966A1 (en) Phase transition suppression heat transfer plate-based heat exchanger
CN100450336C (en) Single-phase ultrahigh heat flow micro-column heat exchanger
JPH10197097A (en) Manifold for thermoelectric system
US20190234627A1 (en) Electric controller based on thermally superconductive heat dissipating plate and air conditioner outdoor unit
CN109520101B (en) Heat recovery fresh air system and working method
CN106855741A (en) A kind of heat abstractor and system for blade server chip
WO2017171076A1 (en) Heat exchanger and magnetic heat pump device
CN105486128A (en) Integrated flat single-face phase-change restraining heat conducting board type heat exchanger and manufacturing method thereof
CN102748903B (en) Heat exchanger and flat heat exchange tube thereof
CN101776357B (en) Heat exchanger
KR101408236B1 (en) Heating and Cooling Water Device Using the Heat Transfer Convergence Technology
CN102201639B (en) Cooling system and method for solid state laser
CN206724766U (en) A kind of loop soaking plate
RU2274927C1 (en) Heat sink
CN111207612A (en) Composite loop heat pipe and heat exchange assembly thereof
CN214891554U (en) Radiator and air condensing units
CN104582419A (en) Heat exchanger for communication cabinet
CN210579840U (en) Turbulent flow type radiator, air conditioner frequency converter with same and electronic equipment
CN209861429U (en) Radiator cooled by medium, air-conditioning frequency converter with radiator and electronic equipment
KR20040050326A (en) Passive cooling type cooling apparatus having multiple cooling pin structure using phase change materials and passive cooling system thereof
CN211012569U (en) Heat insulation and temperature reduction wall unit
CN217082989U (en) Novel refrigerant heat exchanger
KR20060126888A (en) An air conditioner for heat exchanger

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121002