ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА Российский патент 1997 года по МПК H05K7/20 H01L23/34 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при конструировании преобразовательных ячеек и решении вопросов охлаждения силовых полупроводниковых приборов, например, тиристоров статических преобразователей или выпрямительных полупроводниковых диодов.

Известна преобразовательная ячейка, содержащая полупроводниковый прибор и охладитель со штуцером для подвода хладагента, в которой в корпусе охладителя выполнены открытые канавки, которые заполнены пористым телом [1]
Недостатком преобразовательной ячейки является низкая интенсивность охлаждения полупроводникового прибора и низкая надежность преобразовательной ячейки.

Известна преобразовательная ячейка, содержащая штуцер для принудительного подвода хладагента, охладитель в виде полого цилиндра со стенками из пористого металла с открытой пористой структурой и установленный на одном торце цилиндра силовой полупроводниковый прибор, в которой внутрь цилиндра с одного из его торцов встроен штуцер для подвода хладагента [2]
Недостатком известной преобразовательной ячейки является большой расход хладагента при заданной интенсивности охлаждения полупроводникового прибора, а также необходимость ручного отключения подачи хладагента при выключении ячейки.

Целью изобретения является снижение расхода хладагента без уменьшения интенсивности охлаждения полупроводникового прибора и автоматическое отключение подачи хладагента при выключении или уменьшении нагрузки на преобразовательную ячейку.

Поставленная цель достигается тем, что преобразовательная ячейка, содержащая штуцер для принудительного подвода хладагента, охладитель в виде полого цилиндра со стенками из пористого металла с открытой пористой структурой и установленный на одном торце цилиндра силовой полупроводниковый прибор, снабжена пружинным предохранительным клапаном, полым вкладышем, пружиной из материала с термопамятью формы и колпачком, выполненным заодно со штуцером и имеющем седло со стороны открытой части, причем в полом цилиндре от полупроводникового прибора последовательно друг за другом установлены пружина с термопамятью формы, полый вкладыш, пружина и затвор пружинного предохранительного клапана, при этом колпачок открытой частью надет на полый цилиндр.

Изобретательский акт при создании преобразовательной ячейки состоит в преодолении технического противоречия. Сущность технического противоречия заключается в следующем. Для отключения подачи хладагента нужно или ручное вмешательство, или специальная автоматика, что приводит к усложнению обслуживания или всей установки от чего снижается надежность ее работы и увеличивается стоимость. Если же уменьшить подачу хладагента, то неизбежно снизится интенсивность охлаждения полупроводникового прибора. В предложенной преобразовательной ячейке это техническое противоречие преодолено: уменьшен расход хладагента без уменьшения интенсивности охлаждения полупроводникового прибора и обеспечено автоматическое отключение подачи хладагента при выключении или уменьшении нагрузки на преобразовательную ячейку без снижения надежности ее работы и существенного повышения стоимости ячейки. Для преодоления технического противоречия необходимы и достаточны отличительные признаки: 1) пружинный предохранительный клапан, 2) полый вкладыш, 3) пружина из материала с памятью формы, 4) колпачок, 5) колпачок выполнен заодно со штуцером и имеет седло со стороны открытой части. 6) в полом цилиндре от полупроводникового прибора последовательно друг за другом установлены пружина из материала с термопамятью формы, полый вкладыш, пружина и затвор пружинного предохранительного клапана, 7) колпачок открытой частью надет на полый цилиндр. Если исключить или заменить на эквивалентный любой из этих 7 отличительных признаков, то поставленная цель не будет достигнута, что однозначно следует из приведенной конструкции описания работы преобразовательной ячейки. Первые 4 признака известны по отдельности каждый сам по себе, однако, ни один из них для достижения поставленной цели ранее не служил. Последние 3 признака не известны даже по отдельности. Поэтому, по мнению авторов, совокупность 7 отличительных признаков соответствует критериям "новизна" и существенные отличия".

На фиг. 1 показана преобразовательная ячейка в продольном осевом разрезе.

Преобразовательная ячейка содержит штуцер 1 для принудительного подвода хладагента, охладитель 2 в виде полого цилиндра со стенками из пористого металла с открытой пористой структурой и установленный на одном торце цилиндра 2 силовой полупроводниковый прибор 3. Ячейка снабжена: пружинным предохранительным клапаном в виде пружины 4, затвора 5 и седла 6, полым вкладышем 7, пружиной 8 из материала с термопамятью формы и колпачком 9, выполненным заодно со штуцером 1 и имеющем седло 6 со стороны открытой части. В полом цилиндре 2 от полупроводникового прибора 3 последовательно друг за другом установлены пружина 8 из материала с термопамятью формы, полый вкладыш 7, пружина 4 и затвор 5 пружинного предохранительного клапана. Колпачок 9 открытой частью 10 надет на полый цилиндр 2.

Полупроводниковый прибор 3 крепится к торцу полого цилиндра 2 через шайбу 11 с помощью резьбы: во внутренней части цилиндра 2 и на ввинчивающейся части 12 полупроводникового прибора 3. Корпус преобразовательной ячейки составлен из изоляционных проставок 12, 13 и 14, кожуха 15 и простенка 16. К корпусу через проставку 14 подсоединен сборник флюида 17. На штуцер 1 надет резиновый шланг 18, через который осуществляется принудительная подача хладагента (флюида). Открытая часть 10 колпачка 9 надета на цилиндр 2 через уплотнение 19. На верхней части снаружи цилиндра 2 выполнена наружная резьба 20, на которую внутренней резьбой 21 навинчена открытая часть 10 колпачка 9. Колпачок 9 дополнительно поджат к цилиндру 2 с помощью контргайки 22. В штуцере 1 выполнено осевое отверстие 23, которое заканчивается седлом 6.

Пружина из материала с термопамятью формы выполнена таким образом, чтобы она укорачивалась в осевом направлении при ее нагреве выше заданной температуры, например выше 60^oC, и удлинялась при уменьшении температуры ниже заданной, например ниже 50^oC. Жесткость пружины 8 из материала с термопамятью формы выбрана из условий: при температуре выше заданной, жесткость пружины 8 меньше жесткости пружины 4; при температуре ниже заданной, жесткость пружины 8 выше жесткости пружины 4, а усилий обоих пружин достаточно для плотного поджатия острия затвора 5 к седлу 6 так, чтобы перекрыть принудительную подачу хладагента.

Работа преобразовательной ячейки осуществляется следующим образом. При выключенном полупроводниковом приборе 3 или при недостаточной нагрузке на прибор температура прибора 3 пружины 8, цилиндра 2 и других деталей ячейки будет ниже заданной, так как прибор 3 не нагревается из-за прохождения по нему большого тока. В этом случае жесткость пружины 8 высока и она вместе с пружиной 4 поджимает затвор 5 к седлу 6 и хладагент не поступает под колпачок 9. При этом пружина 8 давит на полый вкладыш 7, который может свободно возвратно-поступательно перемещаться вдоль цилиндра 2. Полый вкладыш 7 снизу вверх давит на пружину 4 и в результате затвор 5 перекроет седло 6 и хладагент через отверстие 6 не будет поступать под колпачок 9.

При повышении температуры выше заданной, когда нагрузка на полупроводниковый прибор велика произойдет следующее. Пружина 8 сократится, полый вкладыш под действием собственного веса опустится ниже показанного на фиг. 1 положения. Силы пружины 4 будет недостаточно для прижатия затвора 5 к седлу 6 и хладагент будет поступать под колпачок 9. Далее хладагент будет попадать внутрь полого цилиндра 2 через осевое отверстие 23, далее через седло 6, затем мимо затвора 5 через пружину 4, через отверстие в полом вкладыше 7 и после через пружину 8. Хладагент будет поступать также и через верхний торец полого цилиндра 2. Хладагент будет проходить через поры полого цилиндра 2 наружу и в результате теплообмен полого цилиндра с хладагентом будет происходить не только по его поверхности, но и по всей его структуре, что значительно увеличит интенсивность охлаждения полого цилиндра 2. Полый цилиндр выполнен из металла с высокой теплопроводностью. Поэтому от полого цилиндра через резьбу и через металлическую шайбу 11 будет интенсивно охлаждаться и полупроводниковый прибор 3.

В данной конструкции преобразовательной ячейки нарушение теплового контакта между прибором и охладителем пустотелым цилиндром исключено, а давление хладагента создает еще более тесный контакт хладагента с прибором, непосредственно соприкасающимся с пористым пустотелым цилиндром.

После нагрева в пористом цилиндре 2 хладагент выходит в корпус ячейки и далее поступает в сборник флюида 17, например на обогрев кабины машиниста и т.п.

Изобретение позволяет интенсифицировать и полностью автоматизировать охлаждение, снизить до минимального расход хладагента, исключить необходимость ручного отключения подачи хладагента при выключении ячейки и утилизировать тепло от нагрева хладагента при охлаждении полупроводникового прибора.

Область использования изобретения: изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при конструировании преобразовательных ячеек и решении вопроса охлаждения силовых полупроводниковых вентилей, например тиристоров статических преобразователей или мощных выпрямительных диодов. Сущность изобретения: целью изобретения является снижение расхода хладагента без уменьшения интенсивности охлаждения полупроводникового прибора и автоматическое отключение подачи хладагента при выключении или уменьшении нагрузки на преобразовательную ячейку. Поставленная цель достигается тем, что преобразовательная ячейка, содержащая штуцер 1 для принудительного подвода хладагента, охладитель 2 в виде полого цилиндра со стенками из пористого металла с открытой пористой структурой и установленный на одном торце цилиндра 2 силовой полупроводниковый прибор 3, снабжен пружинным предохранительным клапаном, полым вкладышем 7, пружиной 8 из материала с термопамятью формы и колпачком 9, выполненным заодно со штуцером 1 и имеющим седло 6 со стороны открытой части, причем в полом цилиндре 2 от полупроводникового прибора 3 последовательно друг за другом установлены пружина 8 из материала с термопамятью формы, полый вкладыш 7, пружина 4 и затвор 5 пружинного предохранительного клапана, при этом колпачок 9 открытой частью надет на полый цилиндр 2. 1 ил.

Преобразовательная ячейка, содержащая штуцер для принудительного подвода хладагента, охладитель в виде полого цилиндра со стенками из пористого металла с открытой пористой структурой и установленный на одном торце полого цилиндра силовой полупроводниковый прибор, отличающаяся тем, что, с целью снижения расхода хладагента, она снабжена пружинным предохранительным клапаном с затвором, полым вкладышем, пружиной из материала с термопамятью формы и колпачком, выполненным заодно со штуцером с седлом со стороны его открытой части, причем в полом цилиндре со стороны полупроводникового прибора последовательно один за другим установлены пружина из материала с термопамятью формы, полый вкладыш, пружина и затвор пружинного предохранительного клапана, при этом колпачок своей открытой частью надет на полый цилиндр.