Воздушное естественное и принудительное охлаждение
Способы охлаждения полупроводниковых приборов
Отведение от полупроводниковых приборов греющей мощности, достигающей сотен ватт и даже нескольких киловатт, осуществляется системой охлаждения, в которую входят охладитель и охлаждающая среда. В качестве охлаждающей среды используется воздух, масло или вода. Основные физические константы, характеризующие теплотехнические свойства охлаждающих сред, приведены в табл. 9.1. Сравнительная теплопередача системы, в которой используется в качестве охлаждающей среды воздух, масло, вода, характеризуется соотношением 1:10:100, т. е. наилучший отвод теплоты достигается при передаче от металла охладителя к охлаждающей воде.
Таблица 9.1
Основные физические константы, характеризующие теплотехнические
свойства охлаждающих сред
| Физические константы | Воздух | Масло | Вода |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) | 0,028 | 0.12 | 0,624 |
| Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К) | |||
| Плотность, кг/м | 1,09 | ||
| Кинематическая вязкость, м2/с | 18·10-6 | 9,3·10-4 | 0,55·10-6 |
| Коэффициент теплопередачи "металл-охлаждающая среда", Вт/(м2·К) | 35 при v = 6 м/с |
Передача тепла (в газах, жидкостях и твердых телах) происходит от молекулы к молекуле. При конвекции передача тепла происходит в результате взаимодействия масс материальных частиц. Различают свободную и принудительную конвекцию. В принудительной конвекции охлаждающая среда перемещается посредствам вентилятора или насоса. При тепловом излучении тепло передается благодаря распространению электромагнитных волн в области инфракрасного спектра. Излучение является видом передачи тепла, которая может осуществляться, в том числе и вакууме.
В зависимости от вида охлаждающей среды системы охлаждения принято разделять на воздушные, жидкостные и испарительные.
Способы охлаждения полупроводниковых приборов разнообразны и могут основываться на их прямом (непосредственном) взаимодействии с внешней охлаждающей средой или на применении промежуточного контура с теплоносителем. В зависимости от реализации движения охлаждающей среды относительно охладителя различают естественное и принудительное охлаждение.
Естественное охлаждение достигается благодаря конвекции и излучению при свободном движении воздушного потока вдоль поверхностей охладителя и самого прибора.
В воздушной системе охлаждения для таблеточных СПП большой мощности (рис. 9.1) таблеточный СПП 2 крепится между двумя охладителями 1 и 3 с помощью двух болтов 4. Болты изолированы друг от друга втулками 5. Требуемое усилие сжатия обеспечивается траверзой 6 из закаленной стали. Для обеспечения равномерного давления на контактные поверхности таблетки усилие сжатия от траверзы передается через промежуточный полусферический элемент (на рис. 9.1 не показан). Охладители с продольными ребрами 7 представляют собой элементы с сильно развитой поверхностью из стандартных алюминиевых профилей разнообразного сечения. В комплексе с охладителем имеются токопроводящие шины 8 и детали крепления. В табл. 9.2 приведены технические данные типовых охладителей для воздушного охлаждения таблеточных СПП.
Рис. 9.1. Охладитель О243-150
Таблица 9.2
Технические данные типовых охладителей для воздушного
охлаждения таблеточных СПП
| Параметр | О243-150 | О135- | О343- | О353- | О123- | О143- | О273- | О173- |
| Тепловое сопротивление Rthha, ºС/Вт, при охлаждении: | ||||||||
| естественном | 0,28 (220) | 0,27 (220) | – | 0,34 (220) | 0,7 (120) | 0,5 (120) | 0,13 (460) | 0,15 (460) |
| принудительном (v = 6 м/с) | 0,08 | 0,075 | 0,097 | 0,095 | 0,21 | 0,12 | 0,043 | 0,045 |
| Наибольший диаметр трубки СПП, мм | ||||||||
| Основное усилие сжатия, кН | ||||||||
| Масса, кг | 5.8 | 6,0 | 5,3 | 5,7 | 2,0 | 3,0 | 20,0 | 17,0 |
| Размеры, мм: | ||||||||
| B | ||||||||
| L | ||||||||
| H1 | ||||||||
| H2 |
Буквенно-цифровое обозначение воздушных охладителей содержит: букву О, трехзначную цифру для обозначения конструктивного исполнения (для приборов штыревого исполнения последняя цифра 1, для приборов таблеточного исполнения – 3); трехзначную цифру соответствующую длине L охладителя в мм; климатическое исполнение и категорию размещения. Например, полное обозначение охладителя О131-60У2 означает охладитель для прибора штыревого исполнения длиной 60 мм, исполнение для умеренного климата, категория размещения 2.
Охладитель воздушного охлаждения при размерах примерно 150 x 150 x 150 мм обеспечивает при естественном охлаждении рассеивание мощности 2201Вт. Применение принудительного охлаждения позволяет с помощью этих же охладителей рассеивать мощность большую в 3-4 раза.
Принудительное охлаждение может быть воздушным и жидкостным, чаще всего водяным. Водяное охлаждение позволяет рассеивать большие мощности, чем воздушное охлаждение.
Упрощенная конструкция водяного охладителя (рис. 9.2) содержит основание 1 с двумя штуцерами, корпус 2 с внутренней полостью в виде сложного лабиринта для повышения теплопередачи и резьбовое отверстие 3 для крепления прибора 4. Для подвода и отвода охлаждающей воды на штуцеры крепятся шланги 5. При двустороннем водяном охлаждении таблеточных приборов водяные охладители позволяют рассеивать мощности до 3 кВт и более. В качестве водопроводящих труб могут использоваться шины, на которых крепятся СПП.
Рис. 9.2. Охладитель для полупроводникового прибора штыревого
исполнения с водяным охлаждением