УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА СОПЛА ОТ ВЫСОКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 1994 года по МПК H05K7/20 H01L23/34 

Изобретение относится к радиопередающим устройствам и может быть использовано в системах охлаждения импульсных модуляторов радиолокационных станций, при создании новых конструкций модуляторных ламп и других элементов радиоэлектронной аппаратуры большой мощности.

Известны различные устройства теплоотвода от высокопотенциальных теплонагруженных узлов. В частности, известен силовой полупроводниковый блок с принудительным охлаждением, содержащий обдуваемый потоком воздуха теплообменник конденсационного типа, соединенный с геометрической емкостью, частично заполненный диэлектрической жидкостью, в которую погружены мощные таблеточные полупроводниковые приборы с теплоотводящими элементами, расположенными между ними [1] . В этом устройстве используется механизм теплоотвода тепла от полупроводниковых приборов, расположенных на изоляторах в диэлектрической жидкости, обладающей изоляционными свойствами. Диэлектрическая жидкость выполняет функцию теплоносителя и изолятора. Пар диэлектрической жидкости за счет высокой энергии парообразования обеспечивает низкое тепловое сопротивление на участке поверхность диэлектрической жидкости-внутренняя поверхность теплообменника конденсационного типа. В работе [2] описано дальнейшее усовершенствование силового полупроводникового блока путем заполнения внутренней полости теплоотводящих элементов теплоносителя с температурой кипения более высокой, чем температура кипения диэлектрической жидкости, где каждый теплоотводящий элемент выполнен в виде тепловой трубы. Недостатками обоих аналогов [1,2] является сложность замены высокопотенциальных устройств, погруженных в диэлектрическую жидкость.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту устройством теплоотвода является изолирующий двухконтурный стенд [5] , состоящий из длинных эластичных труб из диэлектрического материала, намотанных каждая на свой цилиндрический каркас, выполненный также из диэлектрического материала с высокими изолирующими свойствами, например, стеклопластика. Недостатками известного решения являются: большие габариты изолирующего стенда. Кроме того, вода во время эксплуатации может терять свои диэлектрические свойства (деградировать) вследствие взаимодействия с материалами трубопровода, действия бактерий, так как двухконтурная схема охлаждения, в которой внутренний контур охлаждения с малым объемом очень чистой воды и чистым водопроводом через теплообменник соединяется с внешним контуром, что приводит к усложнению системы охлаждения, а также увеличению массы и габаритов.

Целью изобретения является повышение электрического сопротивления изоляции теплоносителя, снижение массы и габаритов изолирующего стенда, а также упрощение системы охлаждения в целом.

Цель достигается тем, что изолирующий стенд выполнен в виде предварительно вакуумированной вертикально расположенной тепловой трубы, тонкостенный диэлектрический корпус которой герметично соединен в верхней части с заземленным теплообменником конденсационного типа, а в нижней, заполненной жидким теплоносителем части - с высокопотенциальным теплонагруженным узлом. Известны различные конструкции тепловых труб, в частности с корпусами, выполненными как из металла, так и из керамики и других материалов [6,7] . По своему назначению известно применение тепловых труб для переноса теплоты, трансформации тепловых потоков, терморегулирования, термостатирования. Использование тепловой трубы как изолирующего стенда в устройстве теплоотвода от высокопотенциальных теплонагруженных узлов из доступных авторам источников неизвестно и возможно благодаря удачному сочетанию высокой их электрической прочности и удельного сопротивления водяного пара, а также высокой псевдотеплопроводимости системы испаритель - паровой канал-теплообменник конденсационного типа, и поэтому предлагаемое устройство по мнению авторов удовлетворяет критерию "существенные отличия" и новизне.

Промышленное применение устройства теплоотвода от высокопотенциальных теплонагруженных узлов радиоэлектронной аппаратуры обусловлено возможностью использования их в конструкциях модуляторных ламп импульсных радиопередатчиков и в конструкциях импульсных модуляторов.

На фиг. 1 изображена схема системы охлаждения высокопотенциального теплонагруженного узла с изолирующим стендом; на фиг. 2 показан макет изолирующего стенда; на фиг. 3 показана схема электрических испытаний макета изолирующего стенда.

Система охлаждения высокопотенциального теплонагруженного узла с изолирующим стендом выполнена в виде тепловой трубы, которая состоит из вертикально расположенной герметичной полости, образованной герметичным соединением теплонагруженного узла 1, цилиндрического корпуса 2 из диэлектрика с высокими изолирующими свойствами, теплообменника 3 конденсационного типа, а также насоса 4 и внешнего теплообменника 5. Герметичная полость предварительно вакуумирована и частично залита водой, полностью покрывающей область теплонагруженного узла. В статике наступает момент, когда пар находится в равновесии со своей жидкостью, и это состояние для данной жидкости при данной температуре характеризуется давлением насыщенных паров. Устройство работает следующим образом. В динамическом режиме после включения источника нагрева, расположенного в высокопотенциальном теплонагруженном узле 1, равновесие нарушается и избыточный пар из испарительной зоны устремляется по паровому каналу 2 к холодному концу (теплообменнику 3), где давление насыщенного пара не изменилось. На холодном конце пар конденсируется, превращаясь в жидкость и отдавая тепло через теплообменник и систему охлаждения (насос 4 и внешний теплообменник 5) в окружающее пространство. Обратная транспортировка теплоносителя в испарительную зону теплонагруженного узла осуществляется с помощью гравитации. Количество отводимого тепла пропорционально массе теплоносителя и теплоте парообразования. Для воды значение измеренного осевого теплового потока составляет Р_z= 0,67 кВт/см² и поверхностного потока Р_s = 14,8 Вт/см² [6,7] . Эти данные приведены для материала стенок тепловой трубы - меди и никеля.

Для случая, когда цилиндрическая боковая поверхность корпуса тепловой трубы изготовлена из диэлектрика, например фторопласта, аналогичных данных не имеется. Однако можно предположить, что на порядок величины предельной плотности осевого теплового потока это обстоятельство не влияет и поэтому в наших расчетах мы будем использовать значение Р_z= 0,67 кВт/см².

Приведенные выше размеры изолирующего стенда (диаметр 400 и высота 1000), служащего в качестве прототипа, относятся, например, к изолирующему стенду, анода модуляторных ламп ГМИ-18А или ГМИ-43А, на которых рассеивается средняя мощность порядка 20 кВт, что требует расхода воды в системе охлаждения 10. . . 20 л/мин. Данная мощность может быть отведена осевым потоком тепловой трубы, используемой в качестве изолирующего стенда, с площадью сечения и диаметром, равными соответственно
S = 30 см²; D = 60 мм
Принимая диаметр тепловой трубы изолирующего стенда D= 100 мм, имеем почти трехкратный запас по приводимому выше (П_z= 0,67 кВт/см²) значению осевого теплового потока П_z= 0,26 кВт/см², что согласуется с примером из [7] .

На фиг. 2 показан макет изолирующего стенда, состоящий из теплонагруженного элемента - электронагревателя 1, диэлектрической трубы 2, теплообменника 3 конденсационного типа. Диаметр диэлектрического корпуса из фторопласта составляет 100 мм и высота - 300 мм. В качестве теплонагруженного узла использовался погруженный в теплоноситель электронагреватель мощностью 1 кВт. Таким образом моделировался анодный узел модуляторной лампы.

На фиг. 3 показана схема электрических испытаний макета изолирующего стенда, состоящая из теплонагруженного узла 1, диэлектрической трубы 2, теплообменника 3 конденсационного типа, насоса 4, внешнего теплообменника 5, вакуумметра (Па), киловольтметра (кВ), емкости С (0,4 мкФ), сопротивления утечки R, зарядного сопротивления R₂' (39 МОм), разделительного трансформатора Т. Электрические испытания состояли в измерении сопротивления утечки. Во время испытаний измерялись постоянные времени разряда конденсатора С = 0,4 мкФ, и через параллельно соединенные сопротивление изоляции изолирующего стенда R и зарядное сопротивление R₂' = 39 МОм, соединенное последовательно с сопротивлением изоляции R₂'' высоковольтного источника и через цепочку R₂= R₂'+R₂'' при отключенном от цепи конденсатора изолирующем стенде соответственно. Перед подачей высокого напряжения вторичная обмотка разделительного трансформатора теплоэлектронагревателя отключалась на время измерений. При этом давление в тепловой трубе измерялось манометром и в течение измерений оставалось практически постоянным. Из результатов измерений постоянных времени τ₁ = 620 с и τ₂ = 2205 с определено сопротивление изоляции, которое оказалось равным R= 2,156 109 Ом для изолирующего стенда с тепловой трубой высотой Н = 300 мм. Испытания проводились при напряжении, до которого заряжался конденсатор, U= 50 кВ. Давление, измеренное в верхней части тепловой трубы, составляло Р= 38 мм рт. ст. Изолирующий стенд предлагаемого устройства теплоотвода может быть рассмотрен как внутренний контур системы охлаждения. В самом деле, он имеет теплообменник конденсационного типа, малое количество двухфазного теплоносителя (жидкость, пар), а также механизм перемещения теплоносителя пара от испарителя к теплообменнику за счет силы Архимеда и жидкости от теплообменника к испарителю за счет силы гравитации. Таким образом, внутренний контур охлаждения имеет минимальные размеры и не содержит насоса, что является упрощением системы охлаждения в целом. Из вышесказанного видно, что в соответствии с поставленной целью достигается положительный эффект по всем характеристикам предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом и, следовательно, изобретение удовлетворяет критерию "положительный эффект".

В таблице приведены сравнительные характеристики изолирующего стенда для прототипа и предлагаемого изобретения, где М - масса; D - диаметр; Н - высота; R - сопротивление изоляции. (56) Авторское свидетельство СССР N 970515, кл. Н 01 L 23/34, 1980.

Авторское свидетельство СССР N 1129673, кл. Н 01 L 23/34, 1985.

Выпрямитель ВТМ-200/70.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

Импульсный модулятор ИМ2-50/50.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М. , НИИ "Титан".

Модулятор импульсный широкодиапазонный на 2-х ГМИ-18А. (паспорт И066.0011 II). Техническое описание и инструкция по эксплуатации. г. Саратов-40.

Гелль П. П. , Иванов-Есипович Н. К. . Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры.

Преснухин Л. П. , Шахнов В. А. . Конструирование электронных вычислительных машин и систем.

Область использования: изобретение может быть применено в системах охлаждения импульсных модуляторов радиолокационных станций, а также для охлаждения других высокопотенциальных теплонагруженных узлов радиоэлектронной аппаратуры большой мощности. Целью изобретения является повышение электрического сопротивления изоляции теплоносителя, снижение массы и габаритов изолирующего устройства, а также упрощение системы охлаждения в целом. Сущность изобретения: заключается в том, что устройство теплоотвода от высокопотенциальных теплонагруженных узлов радиоэлектронной аппаратуры содержит электроизолирующий стенд теплоносителя, выполненный в виде предварительно вакуумированной вертикально расположенной тепловой трубы, тонкостенный диэлектрический корпус которой герметично соединен в верхней части с заземленным теплообменником конденсационного типа, а в нижней части, заполненной жидким теплоносителем, - с теплонагруженным высокопотенциальным узлом, размещенным в камере. 3 ил. , 1 табл.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА ОТ ВЫСОКОПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ТЕПЛОНАГРУЖЕННЫХ УЗЛОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ, содержащее камеру для размещения теплонагруженных узлов радиоэлектронной аппаратуры, теплообменник, электрически соединенный с шиной нулевого потенциала, и электроизолирующий стенд теплоносителя, размещенный между указанными камерой и теплообменником и соединенный с ними своими противоположными концами соответственно, отличающееся тем, что камера для размещения теплонагруженных узлов радиоэлектронной аппаратуры расположена под теплообменником на одной с ним геометрической оси, электроизолирующий стенд теплоносителя выполнен в виде предварительно вакуумированной тепловой трубы с тонкостенным корпусом из диэлектрического материала, а теплообменник выполнен конденсаторного типа, при этом тепловая труба ориентирована своей продольной геометрической осью вдоль геометрической оси расположения камеры и теплообменника одна относительно другого и герметично соединена своим тонкостенным корпусом с одной стороны с теплообменником, а со стороны теплоносителя - с камерой соответственно.