СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ИСПАРИТЕЛЬНО-КОНВЕКТИВНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК H01L23/34 H01L23/427 H05K7/20 

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в различных преобразовательных устройствах.

Известен статический преобразователь электрической энергии с воздушным естественным или принудительным охлаждением (см. Агрегат выпрямительный ВАЗП 380/260, ТУ 16-37 ИЕАЛ 435.316.096).

Однако, такие конструкции обладают большими габаритными размерами и массами, низкой надежностью из-за неэффективности воздушного охлаждения.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является статический преобразователь с испарительным охлаждением, состоящий из герметичного корпуса, заполненного жидким легкокипящим диэлектрическим промежуточным теплоносителем, в который погружены все тепловыделяющие элементы электрической схемы: силовые полупроводниковые приборы, трансформаторы, дроссели, резисторы. Сверху, вне герметичного корпуса находится теплообменник-конденсатор, соединенный с корпусом паропроводом и конденсатопроводом (см. патент США N 3986550, кл. F 28 D 15/00, 1976 г.).

Недостатком данного преобразователя является то, что все тепловыделяющие элементы с различными рабочими температурами и различными удельными тепловыми нагрузками находятся в условиях одинаковой интенсивности теплообъема. Наиболее теплонагруженные элементы с наименьшими рабочими температурами - силовые полупроводниковые приборы, которые занимают 10-30% от общего объема преобразователя, действительно нуждаются в весьма интенсивном охлаждении, они действительно должны быть погружены в легкокипящий промежуточный теплоноситель, например фторорганическую жидкость МД-3Ф. Трансформаторы, дроссели занимают 70-90% объема преобразователя, менее теплонагружены, имеют более высокие рабочие температуры. Для них можно использовать менее интенсивное охлаждение, но они также погружены в жидкость МД-30Ф. Следовательно, на них расходуется 70-90% очень дорогостоящей жидкости МД-3Ф.

Технический эффект заключается в повышении надежности статического преобразователя с испарительно-конвективным охлаждением и снижение расхода дорогостоящего жидкого легкокипящего диэлектрического теплоносителя.

Сущность изобретения достигается тем, что в статическом преобразователе с испарительно-конвективным охлаждением, содержащем герметичный корпус, в котором размещены силовые полупроводниковые приборы, трансформаторно-дроссельное оборудование, теплообменник-конденсатор, герметичный корпус имеет нижний отсек, заполненный легкокипящим жидким фторосодержащим промежуточным теплоносителем, в котором размещены силовые полупроводниковые приборы, средний отсек, заполненный конвективным жидким кремнийорганическим промежуточным теплоносителем, в котором размещены трансформаторно-дроссельное оборудование и конвективный теплообменник, верхний отсек, в котором размещен теплообменник-конденсатор. Конвективный жидкий кремнийорганический промежуточный теплоноситель имеет температуру кипения не менее чем на 20-30^oC выше, а плотность на 30-50% ниже, чем у легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя. Соотношение объемов легкокипящего и конвективного теплоносителей равно:
,
где V_ф - обьем легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя, м³;
V_кр - обьем конвективного жидкого кремнийорганического промежуточного теплоносителя, м³;
V_спп - габаритный обьем силовых полупроводниковых приборов с оребренными теплоотводами, м³;
V_тр - габаритный объем трансформаторно-дроссельного оборудования, м³.

Соотношение площадей теплопередающих поверхностей теплообменников при условиях равенства расходов и температур воды на входах в теплообменник-конденсатор и в конвективный теплообменник со стороны промежуточных теплоносителей равно:
,
где F_ф ^п - площадь теплопередающей поверхности теплообменника-конденсатора со стороны пара легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя, м²;
F_кр ^п - площадь теплопередающей поверхности конвективного теплообменника со стороны конвективного жидкого кремнийорганического промежуточного теплоносителя, м²;
Р_спп - суммарная мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов, Вт;
P_тр - суммарная мощность тепловых потерь трансформаторно-дроссельного оборудования, Вт,
со стороны охлаждающей воды равно:
,
где - площадь теплопередающей поверхности теплообменника конденсатора со стороны охлаждающей воды, м²;
площадь теплопередающей поверхности теплообменника конденсатора со стороны охлаждающей воды, м².

На чертеже изображен статический преобразователь с испарительно-конвективным охлаждением, который состоит из герметичного корпуса 1, в нижнем отсеке 2 которого размещены силовые полупроводниковые приборы 3 в сборе с оребренными теплоотводами 4 в среде легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя 5, например диэлектрической жидкости МД-3Ф. В среднем отсеке 6 корпуса 1 размещено трансформаторно-дроссельное оборудование 7, конвективный теплообменник 8 и конвективный жидкий кремнийорганический промежуточный теплоноситель 9, например жидкость типа 115-212. Конденсатор-теплообменник 10 размещен в верхнем отсеке 11, который соединен с корпусом 1 паропроводом 12 и конденсатопроводом 13. Соотношение площадей теплопередающих поверхностей теплообменников 8 и 10 при равенстве расходов и температур воды на входах в теплообменник-конденсатор 10 и в конвективный теплообменник 8 со стороны промежуточных теплоносителей 5 и 9 равно:
,
F_ф ^п - площадь теплопередающей поверхности теплообменника-конденсатора 10 со стороны пара легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя, м²;
F_кр ^п - площадь теплопередающей поверхности конвективного теплообменника 8 со стороны конвективного жидкого кремнийорганического промежуточного теплоносителя, м²;
P_спп - суммарная мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов 3, Вт;
P_тр - суммарная мощность тепловых потерь трансформаторно- дроссельного оборудования 7, Вт,
со стороны охлаждающей воды равно:
,
где площадь теплопередающей поверхности теплообменника-конденсатора 10 со стороны охлаждающей воды, м²;
площадь теплоотдающей поверхности конвективного теплообменника 8 со стороны охлаждающей воды, м².

Устройство работает следующим образом. При прохождении электрического тока через силовые полупроводниковые приборы 3 в сборе с оребренными теплоотводами 4, расположенные в нижнем отсеке 2 герметичного корпуса 1 в среде легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя 5, и трансформаторно-дроссельное оборудование 7, расположенное в среднем отсеке 6, в среде конвективного жидкого кремнийорганического промежуточного теплоносителя 9, выделяются тепловые потери P_спп и Р_тр соответственно. При этом

где V_ф - объем легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя 5, м³;
V_кр - объем конвективного жидкого кремнийорганического промежуточного теплоносителя 9, м³;
V_спп - габаритный объем силовых полупроводниковых приборов 3 с оребренными теплоотводами 4, м³;
V_тр - габаритный объем трансформаторно-дроссельного оборудования 7, м³.

Для эффективной работы устройства конвективный жидкий кремнийорганический промежуточный теплоноситель 9 должен иметь температуру кипения не менее чем на 20-30^oС выше, а плотность на 30-50% ниже, чем у легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя 5.

Мощность тепловых потерь P_спп от силовых полупроводниковых приборов 3 передается к оребренным теплоотводам 4. Легкокипящий жидкий фторосодержащий промежуточный теплоноситель 5 закипает на нагретых поверхностях теплоотводов, пары этого теплоносителя поднимаются сквозь конвективный жидкий кремнийорганический промежуточный теплоноситель 9 и через паропровод 12 достигают конденсатора-теплообменника 10, расположенного в верхнем отсеке 11. На поверхности конденсатора-теплообменника S_конд пары конденсируются и по конденсатопроводу 13 конденсат поступает обратно в нижний отсек 2.

Мощность тепловых потерь конденсаторно-дроссельного оборудования 7 P_тр, расположенного в среднем отсеке 6, передается от теплоотдающих поверхностей этого оборудования к конвективному жидкому кремнийорганическому промежуточному теплоносителю 9, а от него - к конвективному теплообменнику 8, расположенному также в среднем отсеке 6 в объеме конвективного теплоносителя 9. При этом коэффициент теплоотдачи от поверхностей трансформаторно-дроссельного оборудования 7 к конвективному теплоносителю 9, а от теплоносителя - к конвективному теплообменнику 8 существенно увеличивается за счет турбулизирующего эффекта, возникающего при движении паров кипящего теплоносителя 5 около поверхностей теплопередачи, что является одним из достоинств предлагаемого устройства. Тепловые потери от силовых полупроводниковых приборов 3 P_спп через конденсатор-теплообменник 10, а тепловые потери от трансформарно-дроссельного оборудования 7 P_тр, через конвективный теплообменник 8 передаются охлаждающей воде, причем вода на входах обоих теплообменников имеет одинаковые расходы и температуры.

По сравнению с известными решениями предлагаемое устройство позволяет повысить надежность статического преобразователя с испарительно-конвективным охлаждением, а также снизить расход дорогостоящей фторосодержащей легкокипящей жидкости, например МД-3Ф на 70-80%.

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в различных преобразовательных устройствах. Технический результат от использования изобретения заключается в повышении надежности статического преобразователя с испарительно-конвективным охлаждением и снижение расхода дорогостоящего легкокипящего жидкого фторсодержащего промежуточного теплоносителя. Статический преобразователь с испарительно-конвективным охлаждением состоит из герметичного корпуса 1, в нижнем отсеке 2 которого размещены силовые полупроводниковые приборы 3 в сборе с оребренными теплоотводами 4 в среде легкокипящего жидкого фторсодержащего промежуточного теплоносителя 5, в среднем отсеке 6 корпуса 1 размещено трансформаторно-дроссельное оборудование 7, конвективный теплообменник 8 и конвективный жидкий кремнийорганический промежуточный теплоноситель 9. Конденсатор-теплообменник 10 размещен в верхнем отсеке 11. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Статический преобразователь с испарительно-конвективным охлаждением, содержащий герметичный корпус, в котором размещены силовые полупроводниковые приборы, трансформаторно-дроссельное оборудование, теплообменник-конденсатор, отличающийся тем, что герметичный корпус имеет нижний отсек, заполненный легкокипящим жидким фторосодержащим промежуточным теплоносителем, в котором размещены силовые полупроводниковые приборы, средний отсек, заполненный конвективным жидким кремнийорганическим промежуточным теплоносителем, в котором размещены трансформаторно-дроссельное оборудование и конвективный теплообменник, верхний отсек, в котором размещен теплообменник-конденсатор. 2. Статический преобразователь с испарительно-конвективным охлаждением по п.1, отличающийся тем, что конвективный жидкий кремнийорганический промежуточный теплоноситель имеет температуру кипения не менее чем на 20 - 30^oС выше, а плотность на 30 - 50% ниже чем у легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя. 3. Статический преобразователь с испарительно-конвективным охлаждением по п.1, отличающийся тем, что соотношение объемов легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя и конвективного жидкого кремнийорганического промежуточного теплоносителя равно:

где V_ф - объем легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя, м³;
V_кр - объем конвективного жидкого кремнийорганического промежуточного теплоносителя, м³;
V_спп - габаритный объем силовых полупроводниковых приборов с оребренными теплоотводами, м³;
V_тр - габаритный объем трансформаторно-дроссельного оборудования, м³. 4. Статический преобразователь с испарительно-конвективным охлаждением по п.1, отличающийся тем, что соотношение площадей теплопередающих поверхностей теплообменников при равенстве расходов и температур воды на входах в теплообменник-конденсатор и в конвективный теплообменник со стороны промежуточных теплоносителей равно:

где Fпф

- площадь теплопередающей поверхности теплообменника-конденсатора со стороны пара легкокипящего жидкого фторосодержащего промежуточного теплоносителя, м²;
Fпкр - площадь теплопередающей поверхности конвективного теплообменника со стороны конвективного жидкого кремнийорганического промежуточного теплоносителя, м²;
P_спп - суммарная мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов, Вт;
P_тр - суммарная мощность тепловых потерь трансформаторно-дроссельного оборудования, Вт, со стороны охлаждающей воды равно:

где площадь теплопередающей поверхности теплообменника-конденсатора со стороны охлаждающей воды, м²;
площадь теплопередающей поверхности конвективного теплообменника со стороны охлаждающей воды, м².