УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПАРИТЕЛЬНО-ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G12B15/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии.

Известен силовой полупроводниковый модуль, состоящий из силовых полупроводниковых приборов таблеточного исполнения и алюминиевых теплоотводов, соединенных между собой с помощью прижимного устройства из шпилек, гаек и пружинистых траверс. (Технические условия ТУ 18-729 111-81, охладители воздушных систем охлаждения). Данный модуль обладает низкой нагрузочной способностью из-за неэффективного воздушного охлаждения и громоздким прижимным устройством.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является силовой полупроводниковый модуль с испарительным охлаждением, содержащий герметичный корпус, частично заполненный жидким диэлектриком, в котором размещены силовые полупроводниковые приборы, соединенные с оребренными теплоотводами общим прижимным устройством. Вверху модуля находится наклоненный теплообменник, соединенный с герметичным корпусом паропроводом и конденсатопроводом [1].

Недостатком данной конструкции является то, что силовые полупроводниковые приборы с различными предельными температурами переходов находятся при одинаковой температуре окружающей среды - кипящей диэлектрической жидкости, рассчитанной для приборов с наименьшей температурой переходов, что приводит к снижению нагрузочной способности приборов с высокой предельной температурой переходов и оптимальности тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов.

Целью изобретения является повышение нагрузочной способности и оптимизация тепловых режимов силовых полупроводниковых приборов, находящихся в силовом полупроводниковом модуле с комбинированным испарительно-жидкостным охлаждением.

Достигается это тем, что силовой полупроводниковый модуль с комбинированным испарительно-жидкостным охлаждением, содержащий герметичный корпус; частично заполненный жидким диэлектриком, с температурой насыщения на 20-30^оС меньшей температуры корпуса высокотемпературных приборов, в котором размещены высокотемпературные силовые полупроводниковые приборы, с высокой предельной температурой переходов, соединенные с оребренными теплоотводами общим прижимным устройством, вверху модуля находится основной наклонный теплообменник, соединенный с герметичным корпусом паропроводом и конденсатопроводом, имеет дополнительный теплообменник, через который протекает вода, охлаждающий конденсат в конденсатопроводе до температуры на 25-30^оС меньшей температуры корпусов низкотемпературных силовых полупроводниковых приборов, которые сочленены с жидкостным охладителем, охлаждаемым конденсатом, дополнительным прижимным устройством. Дополнительный теплообменник имеет внутреннее оребрение, ребра теплообменника имеют турбулизирующие отверстия, расположенные на двух соседних ребрах в шахматном порядке, и соединен с основным наклонным теплообменником водопроводящем патрубком. Сочетание температуры и расхода охлаждающей воды на входе в дополнительный теплообменник должно обеспечивать температуру воды на входе в основной наклонный теплообменник на 20-25^оС ниже температуры насыщения жидкого диэлектрика в герметичном корпусе модуля.

Конденсат должен иметь температуру на 25-30^оС ниже температуры корпусов низкотемпературных полупроводниковых приборов для того, чтобы они эффективно охлаждались жидкостным охладителем. Например, наиболее распространенные силовые тиристоры имеют предельную температуру корпуса 85^оС и мощность тепловых потерь 1500-2000 Вт. Чтобы рассеять это количество тепла, необходимо создать градиент температуры между корпусом прибора и охлаждающей жидкостью, равный 25-30^оС.

Температура воды в теплообменнике-конденсаторе должна быть ниже на 25-30^оС температуры насыщения жидкого диэлектрика для интенсивной и полной конденсации его паров и отсутствия аварийного избыточного давления паров в герметичном корпусе.

На фиг.1 представлен модуль; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1.

Силовой полупроводниковый модуль с испарительно-жидкостным комбинированным охлаждением состоит из герметичного корпуса 1, заполненного жидким диэлектриком 2, в котором находятся силовые высокотемпературные полупроводниковые приборы 3, соединенные с оребренными теплоотводами 4 с помощью общего прижимного устройства 5. Корпус соединен с наклонным теплообменником 6 паропроводами 7. Наклонный теплообменник, заполненный конденсатом 8, имеет конденсатопровод 9, который соединен с дополнительным теплообменником 10 с внутренним оребрением 11. Далее конденсатопровод соединен с жидкостным охладителем 12 и герметичным корпусом. Низкотемпературные силовые полупроводниковые приборы 13 прижаты к жидкостному охладителю дополнительным прижимным устройством 14. Дополнительный теплообменник соединен с основным наклонным теплообменником с помощью водопроводного патрубка 15.

Устройство работает следующим образом. При прохождении электрического тока через высокотемпературные силовые полупроводниковые приборы 3, например силовые диоды с температурой перехода 175-190^оС и температурой корпуса 125-150^оС, в них выделяется мощность тепловых потерь, которая передается за счет теплопроводности оребренным теплоотводам 4, соединенным с приборами с помощью общего прижимного устройства 5, и далее за счет теплообмена при кипении жидкому диэлектрику 2, например, перфтортриэтиламину с температурой насыщения 100^оС, находящемуся в герметичном корпусе 1. Жидкий диэлектрик закипает, пары его по паропроводу 7 поступают в основной наклонный теплообменник 6, конденсируются и под действием силы тяжести конденсатов попадают в конденсатопровод 9. В последнем конденсат охлаждается дополнительным теплообменником 10 до температуры на 25-30^оС ниже температуры корпуса низкотемпературных силовых полупроводниковых приборов, например силовых тиристоров с температурой перехода 125^оС и корпуса 85^оС. Охлажденный конденсат достигает жидкостного охладителя 12, с которым сочленены низкотемпературные силовые полупроводниковые приборы 13 с помощью дополнительного прижимного устройства 14. Далее конденсат попадает обратно в герметичный корпус. Дополнительный теплообменник, имеющий внутренние ребра 11 с отверстиями, расположенными в соседних ребрах в шахматном порядке для турбулизации охлаждающей воды, охлаждается проточной водой, причем сочетание температуры и расхода воды на входе в дополнительный теплообменник должно обеспечивать температуру воды на входе в основной наклонный теплообменник, в который она поступает через водопроводящий патрубок 15, на 20-25^оС ниже температуры насыщения жидкого диэлектрика для эффективной конденсации его паров. Поэтому охлаждающая вода должна сначала поступать в дополнительный теплообменник, и только затем - в основной.

Предлагаемая конструкция силового модуля позволяет всем силовым полупроводниковым приборам работать в номинальных режимах. Высокотемпературные приборы могут достигать предельной температуры корпусов 125 - 150^оС при температуре кипения окружающей их жидкости 100^оС. Пары жидкости конденсируются, температура конденсата при этом на 2-5^оС ниже температуры насыщения, то есть 95-98^оС.

Конденсат охлаждается до температуры на 25-30^оС ниже температуры корпусов низкотемпературных приборов, т.е. до 55-60^оС, при этом низкотемпературные приборы - силовые тиристоры - могут достигать предельной температуры - 85^оС, т.е. достигается оптимальный тепловой режим всех приборов. Если бы все приборы находились в общей емкости, пришлось бы использовать диэлектрическую жидкость с температурой насыщения, соответствующей температуре корпуса низкотемпературных приборов, например фреон 113, с температурой насыщения 47,6^оС. При этом условии температура корпусов высокотемпературных приборов могла бы быть не выше 90-100^оС. Дальнейшее увеличение температуры корпуса приведет к кризису кипения фреона 113, резкому ухудшению теплового состояния приборов.

Сущность изобретения: устройство состоит из герметичного корпуса, заполненного жидким диэлектриком, в котором находятся силовые высокотемпературные полупроводниковые приборы. Корпус соединен с наклонным теплообменником паропроводами. Наклонный теплообменник имеет конденсатопровод, на котором установлены дополнительный теплообменник с внутренним оребрением и жидкостной охладитель для низкотемпературных приборов. Дополнительный теплообменник соединен с основным. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПАРИТЕЛЬНО-ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ, содержащее герметичный корпус, частично заполненный жидким диэлектриком, в котором размещены оребренные теплоотводы с прижимным механизмом для высокотемпературных полупроводниковых приборов, и верхний основной наклонный теплообменник, соединенный с корпусом паро- и конденсатопроводами, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным теплообменником с внутренним оребрением, выполненным с турбулизирующими отверстиями, и жидкостным охладителем с прижимным механизмом для низкотемпературных полупроводниковых приборов, причем дополнительный теплообменник расположен на конденсатопроводе до жидкостного охладителя и подключен на входе основного теплообменника. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на внутреннем оребрении дополнительного теплообменника турбулизирующие отверстия соседних ребер расположены в шахматном порядке. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расход и температура охлаждающей теплообменники жидкости выбраны из условия превышения допустимой температуры в жидкостном охладителе над температурой поступающего в него конденсата на 25 - 30^oС. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расход и температура охлаждающей теплообменники жидкости выбраны из условия превышения температуры насыщения жидкого диэлектрика над температурой охлаждающей жидкости на входе в основной теплообменник на 20 - 25^oС.