UNIDAD DE REFRIGERACIÓN CON ELEMENTO DISTRIBUIDOR DE FLUJO.

Una unidad de refrigeración (1) que comprende al menos una placa (3) y al menos un elemento de distribución (4),

especialmente para la refrigeración por líquido de elementos semiconductores, de tal modo que dicha unidad refrigera componente(s) dispuesto(s) en el lado o cara superior (2) de dicha al menos una placa (3), siendo el lado o cara inferior de dicha al menos una placa refrigerado por un líquido, el cual es guiado a lo largo de dicha placa por medio de dicho elemento de distribución (4), estando el elemento de distribución (4) dividido en al menos dos celdas (7), de manera que las celdas se definen por dicha al menos una placa (3) y unas paredes (22, 23) que se extienden completamente de parte a parte, caracterizada por que cada celda tiene una entrada (5) de líquido y una salida (6) de líquido, dispuestas perpendicularmente a dicha placa, en la cual el lado o cara del elemento de distribución enfrentado en dirección opuesta a dicha al menos una placa está provisto de una pared de separación (10) que crea una primera cámara (8), la cual conecta todas las entradas de líquido unas con otras, y una segunda cámara (9), que conecta todas las salidas de líquido unas con otras, cuando dicho elemento de distribución se monta en una placa de fondo (11), de tal forma que el líquido pasa a través de las celdas en paralelo

Esta invención se refiere a una unidad de refrigeración que comprende al menos una placa y al menos un elemento de distribución, especialmente para la refrigeración por líquido de semiconductores de potencia, en la que el componente que se ha de refrigerar se dispone en el lado o cara superior de dicha placa, y en la cual el lado o cara de fondo o inferior de la placa es refrigerado por un líquido, el cual es guiado a lo largo de la placa por medio de dicho elemento de distribución, de tal manera que el elemento de distribución está dividido en al menos dos celdas, de tal modo que las celdas están definidas por dicha al menos una placa y paredes que se extienden de parte a parte.

Los dispositivos semiconductores generan calor durante su funcionamiento, y este calor actúa habitualmente degradando o deteriorando el funcionamiento del dispositivo semiconductor. Para los dispositivos semiconductores de potencia, es necesario que estos sean refrigerados durante su funcionamiento con el fin de mantener aceptable el rendimiento del dispositivo, y para los semiconductores de alta potencia se aplica a menudo la refrigeración por líquido.

El documento US 5.269.372 describe una placa fría para la refrigeración de módulos de potencia. El líquido se hace pasar a través de una entrada a una cámara, en la que un distribuidor reparte el líquido a través de varios orificios, al interior de una placa de refrigeración que presenta conductos de entrada y conductos de retorno. La placa, preferiblemente fabricada de cobre, está dividida en una matriz de 6  6 cubículos. Entre cada dos cubículos, un canal de fluido conecta un conducto de entrada y un conducto de retorno. Esta solución consigue una reducción en el gradiente de temperatura, pero es cara como consecuencia de la necesidad de una placa fría conductora del calor. Es de interés, por tanto, fabricar una construcción de refrigeración que evite la necesidad de una placa fría. Por otra parte, debido a los estrechos canales y entradas, la resistencia al flujo es alta, por lo que se limita un incremento en la capacidad de refrigeración.

El documento US 5.841.634 divulga un dispositivo semiconductor refrigerado por líquido, que tiene una unidad de refrigeración de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Los semiconductores se colocan, aquí, dentro de un alojamiento dispuesto en una pared, la cual se ha de refrigerar. El dispositivo presenta una lumbrera de entrada de fluido y una lumbrera de salida de fluido, así como un deflector colocado en una cámara, dentro del alojamiento. El deflector incluye una pared que divide la cámara en una porción superior y una porción inferior, así como paredes que separan cada porción en compartimientos. Un cierto número de orificios existentes en la pared, entre una porción superior y una porción de fondo, proporcionan comunicación de fluido entre las porciones. El fluido se hace pasar desde la lumbrera de entrada a un primer compartimiento inferior y, a continuación, a través de los orificios, a un primer compartimiento superior. En el compartimiento superior, el fluido se hace pasar a lo largo de la pared que se ha de refrigerar, y a través de los orificios, hasta un segundo compartimiento inferior. Desde el segundo compartimiento inferior, el fluido se hace pasar a un segundo compartimiento superior, en el que refrigera otra área de la pared que ha de ser refrigerada. Tras haber pasado por tres compartimientos superiores, el fluido se hace pasar a la lumbrera de salida de fluido y al exterior del dispositivo. Así, pues, los compartimientos de refrigeración del dispositivo están conectados en serie.

A medida que el fluido pasa por el primer compartimiento superior, el efecto de refrigeración ocasionado por el fluido habrá dado lugar a una temperatura de salida superior a la temperatura de entrada. Cuando el fluido llega, seguidamente, al segundo compartimiento superior, se producirá un calentamiento adicional del fluido, y esto conducirá a una diferencia de temperatura en la pared refrigerada desde el extremo de la lumbrera de entrada de fluido hasta el extremo de la lumbrera de salida de fluido. Como los semiconductores de alta potencia son muy sensibles a las variaciones de la temperatura y son también sensibles a la magnitud o grado de temperatura, condiciones de refrigeración iguales para todos los semiconductores de un dispositivo semiconductor de potencia tendrán un gran impacto el tiempo de vida del dispositivo.

También, la conexión en serie de múltiples compartimientos de refrigeración presentará, como resultado, una elevada resistencia al flujo, lo que llevará a una alta caída de presión o pérdida de carga, o a un bajo caudal de flujo, del fluido a través del dispositivo de refrigeración.

Es un propósito de esta invención mejorar las condiciones de refrigeración de un dispositivo semiconductor, de manera que se obtenga una temperatura interna más uniforme.

Es un propósito de esta invención reducir la resistencia al flujo, con lo que se incrementará el caudal de flujo, conduciendo a una capacidad de refrigeración más alta.

El propósito de esta invención se consigue gracias a una unidad de refrigeración de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1, en la que cada celda tiene una entrada de líquido y una salida de líquido dispuestas perpendicularmente a la placa, de tal manera que el lado o cara del elemento de distribución enfrentado en dirección opuesta a dicha al menos una placa, está dotado de una pared de separación que lo divide en una primera cámara, que conecta entre sí todas las entradas de líquido, y una segunda cámara, que conecta entre sí todas las salidas de líquido, cuando el elemento de distribución se monta en una placa inferior o de fondo, de tal manera que el líquido pasa a través de las celdas en paralelo. Con ello, el líquido fluirá al interior de todas las celdas con sustancialmente la misma temperatura de entrada, por lo que se mejoran las condiciones de refrigeración para los semiconductores del dispositivo y se obtiene una temperatura interna más uniforme. Adicionalmente, la resistencia al flujo se ve reducida, ya que el líquido solo pasa por una celda en su camino a través de la unidad. Se obtiene con ello que el líquido, gracias al propio elemento de distribución, es guiado desde una lumbrera de entrada común del dispositivo a todas las entradas de líquido, y desde todas las salidas de líquido a una lumbrera de salida común del dispositivo. La geometría de la parte inferior de la unidad de refrigeración puede estar forma, con ello, por un elemento de placa, y la lumbrera de entrada y la lumbrera de salida comunes pueden realizarse simplemente añadiendo un orificio en la estructura, que conduce a la primera cámara, y otro orificio que conduce a la segunda cámara.

En una realización de la invención, la unidad de refrigeración contiene más de uno de los elementos de distribución. La unidad de refrigeración es, en este caso, una parte de base que es capaz de contener un número dado de elementos de distribución y un número dado de placas, por lo que las unidades más grandes pueden hacerse divididas en secciones para el montaje de los componentes refrigerados.

En una realización específica de la invención, el flujo de líquido en cada celda a lo largo de la placa sigue unos pasos que provocan un cambio de dirección del líquido. Se obtiene con ello que la transferencia de calor de la placa al líquido se mejora debido a que el líquido se hace rotar. En algunos casos, pueden producirse turbulencias. El flujo turbulento de líquido se obtiene gracias a estrechos pasos de líquido en cada celda, gracias a una configuración de pasos que conduce a un cambio de dirección en cada celda, o por una combinación de las dos opciones.

En otra realización específica de la invención, la salida de líquido de una de las celda es adyacente a la entrada de líquido de otra celda. Con ello se consigue que el efecto de un incremento en la temperatura del líquido a través de una de las celdas se ve compensado por el suministro de líquido de entrada frío a una celda continua a la salida de otra celda.

En aún otra realización específica de la invención, el tamaño del área cubierta por cada celda se varía a través de la unidad de distribución. Se aumenta con ello la refrigeración en las áreas del dispositivo en las que es mayor la generación de calor, o se reduce en las áreas en las que la generación de calor es baja.

Preferiblemente, el tamaño de las áreas cubiertas por cada celda es mayor a lo largo... [Seguir leyendo]

1. Una unidad de refrigeración (1) que comprende al menos una placa (3) y al menos un elemento de distribución (4), especialmente para la refrigeración por líquido de elementos semiconductores, de tal modo que dicha unidad refrigera componente(s) dispuesto(s) en el lado o cara superior (2) de dicha al menos una placa (3), siendo el lado o cara inferior de dicha al menos una placa refrigerado por un líquido, el cual es guiado a lo largo de dicha placa por medio de dicho elemento de distribución (4), estando el elemento de distribución (4) dividido en al menos dos celdas (7), de manera que las celdas se definen por dicha al menos una placa (3) y unas paredes (22, 23) que se extienden completamente de parte a parte, caracterizada por que cada celda tiene una entrada (5) de líquido y una salida (6) de líquido, dispuestas perpendicularmente a dicha placa, en la cual el lado o cara del elemento de distribución enfrentado en dirección opuesta a dicha al menos una placa está provisto de una pared de separación (10) que crea una primera cámara (8), la cual conecta todas las entradas de líquido unas con otras, y una segunda cámara (9), que conecta todas las salidas de líquido unas con otras, cuando dicho elemento de distribución se monta en una placa de fondo (11), de tal forma que el líquido pasa a través de las celdas en paralelo.

2. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que la unidad de refrigeración contiene más de uno de dichos elementos de distribución.

3. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizada por que el flujo de líquido en cada celda discurre por pasos que provocan un cambio en la dirección del líquido.

4. Una unidad de refrigeración de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada por que la salida de líquido de una celda es adyacente a la entrada de líquido de otra celda.

5. Una unidad de refrigeración de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada por que el tamaño del área cubierta por cada celda varía a través de dicha unidad de refrigeración.

6. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizada por que el tamaño de las zonas cubiertas por cada celda es mayor a lo largo de los bordes (12) que en el centro de la unidad de refrigeración.

7. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 3, o la 4 cuando depende de la reivindicación 3, caracterizada por que el número de cambios en la dirección del flujo es mayor en una de las celdas que en una celda vecina.

8. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que dicha al menos una placa está hecha de un material con una baja resistencia a la conducción del calor.

9. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que dicha al menos una placa es el sustrato en el que se fijan los semiconductores.

10. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada por que el al menos un elemento de puente (52, 53) está montado en dicha al menos una placa (46, 47, 48), de tal modo que el elemento de puente ejerce una fuerza dirigida hacia abajo sobre dicha al menos una placa.

11. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada por que la unidad de refrigeración (30) comprende unos elementos de distribución que están dispuestos formando un cierto ángulo unos con otros.

12. Una unidad de refrigeración de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que el elemento de distribución (35) comprende diversos compartimientos de distribución y zonas de transición (50, 51), de tal manera que las zonas de transición tienen un menor número de entradas (5) y salidas (6) por cm2 que los compartimientos de distribución vecinos (36, 37, 38, 39, 40, 41).