[实用新型]大功率半导体器件的冷却装置

说明书

本实用新型涉及一种适用于大功率半导体器件的冷却装置。它尤其适用于电力变流设备中各种大功率半导体模块的冷却。

在大功率半导体器件的冷却装置中应用热管技术(通过密闭装置内液态工质的相变来吸收、传输和散发热量)，比起使用实体金属散热器来说具有总体热阻小、散热功率大、易于把热量传输和散发到设备机柜之外等优点；比起使用循环或直流水冷散热器来说具有装置简单(无须泵和纯水处理系统)，可靠性高、有利于高压设备大功率半导体器件分组串联时的电绝缘布置等优点。然而已有的用于半导体器件的热管式或汽化冷却装置，有的设计将半导体器件放在冷却器内部的液态工质中(例如中国专利申请CN 86 1 02472A所公开的冷却装置)，这样虽然给器件创造了较好的冷却条件，但也存在以下不足：一是难以解决由冷却器内部引出多个电极长期可靠的电绝缘和密封问题，二是更换器件极为不便、费工费时，三是为抵抗内外压力差必须将体积较大的密封冷却器制造得十分坚固因而其重量大、成本高；有的设计须改变半导体器件自身的封装结构并与冷却装置制成一体(例如中国专利公告CN 2062116U所公开的冷却装置)，这使得半导体器件在该装置中几乎没有互换性而导致维修或更改设计十分困难、费用高昂。再一方面，以上两例和已有的其他热管式冷却装置均被认为体积较大，不便于机柜内多个器件的安装和维修，而且散发的热量往往以热风形式流过机柜空间，使设备温升较高。中国专利申请CN 86 1 08500A公开了一种可以排出多个电子器件损耗热的方法和设备，该方法和设备可以实现较大的器件安装密度，并能把热量传输到机柜顶端散去。但该方法和设备至少由于以下原因而使其冷却能力十分有限：一是自半导体器件至蒸发器之间需经两次以上间接传热，尤其垂直于蒸发器的“导热板”热阻很大；二是蒸发器的液、固相换热面积小而且只从单面吸收热量。

本实用新型的目的在于提供一种适用于大功率半导体器件(尤其适用于各种大功率半导体模块)的冷却装置，它不仅能以较小的温差把器件所产生的大功率热流散至机柜以外，而且重量轻、体积小、坚固可靠，在机柜中安装布置方便、易于更换半导体器件。

本实用新型的目的是这样实现的：所述适用于大功率半导体器件的冷却装置应用热管技术，它采用分离型结构，主要由蒸发器、位于蒸发器上方的冷凝器以及二者之间的连通管道所组成。其中，平板形蒸发器〔1〕相互平行的两个最大侧平面〔11〕均作为工作台面安装需冷却的大功率半导体器件〔5〕。蒸发器内部除上、下各留有横向流体通道〔12〕、〔13〕外，其主要吸热部分制成蜂窝状结构〔14〕，最好在此蜂窝结构的壁面上制出密集的竖向槽道〔15〕和肋片〔16〕，以使蒸发器既有足够的强度和刚性，又有较大的单位重量(或单位体积)沸腾换热面积。蒸发器内充有液态工质〔17〕，该工质通过液、固两相接触壁面吸收半导体器件〔5〕工作中产生的热量并蒸发生成饱和蒸汽。此饱和蒸汽经单调向上的连通管〔3〕或〔4〕进入冷凝器〔2〕，在外部风冷作用下放出热量凝结为液态，沿连通管〔3〕回流至蒸发器中。如此循环往复，把大功率半导体器件工作中产生的热量散发到冷凝器之外，实现上述本实用新型的目的。

由上述可见，本实用新型冷却装置中两面均可安装大功率半导体器件且内部呈蜂窝结构的平板形蒸发器具有体积小、重量轻、吸热能力强、坚固可靠、器件安装密度大以及易于更换器件的优点。由于只要求冷凝器高于蒸发器而无须把二者安装在同一垂面或同一垂线上，因而使得设备机柜内大功率半导体器件的安装和冷却风管、冷却风扇的布置非常灵活方便。实施例1以甲醇为液态工质，在蒸发器壳温不超过70℃、冷凝器冷却风温30℃且风速3-4m/s条件下，其单位重量散热功率和单位体积散热功率分别达到300w/kg和250w/dm³以上。显然，本实用新型能够提供一种适用于大功率半导体器件的高效冷却装置。

附图1示出本实用新型的实施例1，它使用两根连通管连通蒸发器与冷凝器。

附图2示出本实用新型的实施例2，它使用一根连通管连通蒸发器与冷凝器。

附图3是实施例1的内部剖面示意。

附图4给出了四种典型的蒸发器内部蜂窝结构横断面图案。其中图a为上述两个实施例所采用。

下面结合附图详述本实用新型的最佳实现方式：蒸发器〔1〕用导热性好的金属(例如铜、铝)制成，其内部蜂窝状结构的横断面图案由许多重复的简单几何图形(例如附图4示出的图形)构成，最好在此蜂窝结构的壁面上制出密集的竖向槽道〔15〕和肋片〔16〕。蒸发器内部充注的液态工质可以是水、乙醇、甲醇或丙酮，也可以用氟利昂或氨，当用氨为工质时，必须注意铜与氨的不相容性。用水、乙醇、甲醇为工质时，最好将工质经过低温真空处理以脱除工质中的不凝生气体。冷凝器〔2〕由多根相互平行且基本为竖向安置的翅片式冷凝管〔21〕构成，这些冷凝管的上、下两端分别通过横向管道〔22〕、〔23〕并联连通(见附图1示出的实施例1)，或仅仅下端通过横向管道〔23〕并联连通(见附图2示出的实施例2)。蒸发器与冷凝器之间经过两根连通管(实施例1)或仅仅一根连通管(实施例2)连通起来，与外界气密隔绝，并保持由蒸发器向冷凝器单调向上的布置形状。连通管〔3〕的下端与蒸发器上部连通，上端与冷凝器下部横向管道〔23〕的最低点连通；连通管〔4〕的下端与蒸发器上部连通，上端则与冷凝器上部横向管道〔22〕连通，管〔4〕的横截面积最好大于管〔3〕。仅仅使用一根连通管〔3〕时，管〔3〕的截面积应尽可能大些。为在蒸发器侧平面〔11〕上安装大功率半导体器件〔5〕，可以采用以下方法：在蒸发器上制出与内部气密隔绝的管孔或螺纹孔；在蒸发器上预先焊装螺丝；或利用外部装置把半导体器件顶压在蒸发器平面上。当大功率半导体器件是安装面绝缘于电极的模块时，每个蒸发器可以方便地安装多个这种模块。