УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2004 года по МПК H01L23/36 H05K7/20 

Изобретение относится к электротехнике, а именно:

1. К статическим преобразователям с жесткими требованиями по степени защиты по коду IP (система кодификации, применяемая для обозначения степеней защиты, обеспечиваемых оболочкой, от доступа к опасным частям, попадания внешних твердых предметов, воды, а также для предоставления дополнительной информации, связанной с такой защитой) в соответствии с ГОСТ 14254-96.

2. К статическим преобразователям, работающим в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С.

3. К мощным статическим полупроводниковым преобразователям электроэнергии с принудительным комбинированным охлаждением.

При степенях защиты статических преобразователей IP34, IP44, значение для защиты электрооборудования от проникновения внешних твердых предметов диаметром больше или равном, соответственно 2,5 мм, 1,0 мм, соответствует тому, что отверстия в оболочке преобразователей могут быть диаметром не больше, равном 2,5 мм и 1,0 мм, а при степенях защиты IP54, IP64, то есть, пылезащищенном, пыленепроницаемом исполнениях, оболочка преобразователей должна быть практически герметичной, в связи с чем отвод тепла от силовых блоков при естественном и особенно при принудительном воздушном охлаждении становится затруднительным, даже у преобразователей средней мощности, не говоря уже о преобразователях большой мощности, так как тепло, выделяемое силовыми полупроводниковыми приборами, передается охладителю, а от охладителя отвод тепла ограничен, так как воздух находится в замкнутом ограниченном пространстве и нет выхода нагретому воздуху и притока охлаждающего воздуха, а значит и нет эффективного охлаждения, в результате чего силовые полупроводниковые приборы перегреваются.

При низкой наружной температуре воздуха перед началом работы преобразователь должен быть нагрет до температуры, при которой возможна нормальная работа силового блока и преобразователя в целом, с целью предотвращения повреждения электрорадиоэлементов при включении преобразователя при низкой температуре.

Основным фактором, вызвавшим в последнее десятилетие резкое расширение разработок и объемов производства статических преобразователей, является прогресс в области силовых полупроводниковых приборов.

Силовые блоки в преобразователях выполняются на тиристорно-диодных, диодно-тиристорных, диодных, тиристорных, симисторных модулях, на быстродействующих ключах: IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) или ГРМ (Intelligent Power Modules) модулях.

Вторым направлением совершенствования статических преобразователей является тщательная отработка конструкции преобразователя и особенно систем подогрева и охлаждения силовых блоков.

При выборе вариантов конструкции и компоновки статических преобразователей наряду с задачами обеспечения монтажно-коммутационных требований, помехоустойчивости, необходимо решение задачи обеспечения нормального теплового режима.

Необходимость комплексного решения проблемы нагрева и охлаждения всех элементов, а не только силовых модулей связана с тем, что одним из важнейших условий надежной работы силовых модулей является обеспечение минимальной длины линий связи между ячейками управления и силовыми модулями. Для выполнения этого условия ячейки управления необходимо размещать на минимальном расстоянии от управляемых приборов. При допустимой температуре кристалла силовых модулей, равной 150°С, температура корпуса прибора и поверхности теплоотвода достигает 100°С-120°С, в связи с чем расположенные в непосредственной близости к управляемым приборам ячейки управления наряду с собственными тепловыделениями испытывают тепловое воздействие, обусловленное теплоизлучением конвективными тепловыми потоками у поверхности нагретых до высокой температуры силовых приборов и теплоотвода. А учитывая то, что потребности в увеличении мощности преобразователей непрерывно возрастают, задача отвода тепла от силовых блоков у преобразователей становится особенно актуальной.

Известно устройство фирмы Semikron International (Standard SKiiPSTACK high power configurations with SKiiPPACK @ s for drive applications, например SKiiP 1242 GB 120) (1).

Устройство представляет собой мощный алюминиевый охладитель на котором установлены SRiiPPACK 4 - GB модули, над модулями установлены электролитические конденсаторы, в нижней части охладителя установлены три радиальных вентилятора, которые служат для охлаждения охладителя с установленными на нем силовыми модулями. Самое мощное устройство с выходным напряжением 400 В -SKiiP 1242 GB 120 с максимальной мощностью подключаемого электродвигателя 370 кВт.

Недостатком данного устройства является то, что на нем нельзя выполнить преобразователи с жесткими требованиями по степени защиты, например ГР54, ГР64, так как в нем установлены три радиальных вентилятора высокого давления с высокой производительностью 1880 м³/ч на каждый вентилятор, то есть через силовой блок нужно продуть 5640 м³/ч воздуха и обеспечить его приток и выход.

Невозможно обеспечить нормальную работу устройства в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С.

В одношкафном конструктивном исполнении выполняются, как правило, преобразователи мощностью до 370 кВт, преобразователи мощностью свыше 370 кВт отличаются от преобразователей меньшей мощности составом шкафов, схемой управления и силовой частью и представляют собой щит шкафов, собранный из шкафов обеспечивающих одинаковую выходную мощность: 260, 320 или 370 кВт. Количество шкафов в щите зависит от мощности электропривода. Силовая часть всех шкафов щита одинакова и, в отличие от преобразователей мощностью 260...370 кВт, обязательно в каждом шкафу имеется входной и выходной фильтры. Система управления всех силовых шкафов идентичны. В одном из шкафов имеется ведущий блок системы управления, который синхронизирует работу всех систем управления, контролирует и, в случае отказа в одном из шкафов, позволяет работать оставшемуся оборудованию, снижая соответственно выходную мощность электропривода. Поэтому конструкция электроприводов мощностью 400... 1600 кВт щитовая и состоит из нескольких состыкованных шкафов, имеющих одинаковую глубину, длину и высоту. Размеры одного шкафа по высоте значительно увеличиваются за счет расположенных в его нижней части входного и выходного фильтров. Конструктивно все шкафы щита выполнены одинаково. Корпуса шкафов в щите скреплены между собой, боковые плоскости корпусов крайних шкафов закрыты металлическими крышками. Щит шкафов имеет напольное исполнение, в качестве опорной конструкции сборки шкафов используется рама из прокатных профилей, позволяющая установить щит на кабельный канал.

Такое конструктивное исполнение увеличивает габариты, вес и стоимость преобразователя. Одной из основных причин построения преобразователей мощностью выше 370 кВт в щитовом исполнении является затруднительный отвод тепла от силовых блоков и преобразователя в целом.

Фирма ABB AC Drives является одним из лидеров на мировом рынке регулируемых электроприводов.

В мощных приводах SAMI MEGASTAR фирма использует запираемые тиристоры GTO, где используется эффективное жидкостное охлаждение.

Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является устройство для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, представляющее собой замкнутый контур, заполненный хладагентом и включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, сливную линию от объекта, воздушно-жидкостный радиатор с вентилятором и емкость для хладагента, с целью поддержания заданного температурного режима в широком интервале температур в контур последовательно введен блок нагрева, соединенный через электроприводные клапаны с линиями всасывания и нагнетания насоса, сливной линией и емкостью для хладагента и снабженный блоком управления, электрически связанным с терморегулятором, установленном на входе в блок нагрева. (2).

Недостатком данного устройства для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры является то, что предложена только функциональная схема, нет конструкторского решения устройства. Кроме того, данное устройство громозкое, так как имеются отдельные три устройства: емкость для хладагента, введенный последовательно блок нагрева, воздушно-жидкостный радиатор, обводная линия, много клапанов. При наличии воздушно-жидкостного радиатора сложно изготовить преобразователи со степенью защиты IP54, IP64.

Задача изобретения - создание устройства, с эффективной системой нагрева и охлаждения, обеспечиваемых жесткие требования по степени защиты преобразователей по коду IP, обеспечение работоспособности силового блока и преобразователя в целом в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С, возможность создания мощных преобразователей в одношкафном исполнении, уменьшение массогабаритных показателей и стоимости преобразователя.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, представляющее собой замкнутый контур, заполненный незамерзающей жидкостью и включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, системами нагрева и охлаждения жидкости, снабженное блоком управления, электрически связанным с датчиком температуры, системами нагрева и охлаждения, и состоящее из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами и датчиком температуры, насосом, емкостью с жидкостью, блоками нагрева и охлаждения, расширительным бачком, причем в охладителе, имеющем под каждым ребром на всю длину охладителя сквозные каналы, на верхней и нижней торцевых поверхностях охладителя выполнены ступенчатые проточки, проточки выполненные в верхней и нижней торцевых поверхностях и расположенные ближе к середине охладителя служат для соединения соседних сквозных каналов, причем проточки соседних сквозных каналов на верхней и нижней торцевых поверхностях выполнены в шахматном порядке, а в проточки, выполненные в верхней и нижней торцевых поверхностях и расположенные ближе к наружным поверхностям охладителя, установлены заглушки, в результате чего в охладителе образуется канал, заполненный жидкостью, с началом в нижней части одной боковой поверхности, последовательно проходящий под каждым ребром охладителя и заканчивающийся в другой боковой поверхности, а блок нагрева установлен непосредственно в емкости с жидкостью, а охлаждение жидкости происходит в сливном трубопроводе, который проходит внутри настенной холодильной установки.

В технически обоснованных случаях, для более равномерного отвода тепла от силовых полупроводниковых приборов, в охладителе выполнено несколько каналов, заполненных жидкостью, с началом в нижней части торцевой поверхности охладителя, последовательно проходящих под ребрами охладителя и заканчивающихся в верхней части торцевой поверхности охладителя, а охлаждение жидкости происходит непосредственно в емкости, которая является холодильной камерой холодильной установки.

В некоторых случаях представляется целесообразным охлаждение емкости с жидкостью и дополнительное охлаждение охладителя с силовыми полупроводниковыми приборами производить одновременно вентиляторами.

Предложен также вариант устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, где в сквозные каналы охладителя установлены термоэлектрические блоки, которые одной поверхностью соприкасаются с внутренней поверхностью основания охладителя, а противоположной поверхностью соприкасаются с внутренней поверхностью ребер охладителя.

На фиг.1 показана функциональная схема предложенного устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры с охлаждением жидкости холодильной установкой. На фиг.2 показан охладитель с установленными силовыми полупроводниковыми элементами. На фиг.3 показан вид сверху охладителя с установленными заглушками. (В левой части, для лучшего восприятия заглушки не показаны). На фиг.4 показана заглушка. На фиг.5 показан вид сбоку устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры. На фиг.6 показана функциональная схема устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, с охлаждением жидкости непосредственно в емкости, которая является холодильной камерой холодильной установки. На фиг.7, 8, 9 показана конструкция данного устройства. На фиг.10 показана функциональная схема устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, с охлаждением емкости с жидкостью и дополнительным охлаждением охладителя вентиляторами. На фиг.11, 12, 13 показана конструкция данного устройства. На фиг.14 показана функциональная схема устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры термоэлектрическими модулями, а на фиг.15, 16, 17, 18 показана конструкция данного устройства.

Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры состоит из охладителя 1, на котором установлены силовые полупроводниковые элементы 2, датчик температуры 3, под охладителем установлена емкость 4, заполненная незамерзающей жидкостью 5 (например, метанолом, тасолом или spectrol anti-freeze), в емкости с жидкостью установлен электронагреватель 6, рядом с емкостью установлен насос 7, напорный трубопровод 8, в верхней части над охладителем установлен расширительный бачок 9, с жидкостью 5 и сливной трубопровод 10, проходящий внутри холодильной установки 11. (например, полупроводниковая термоэлектрическая холодильная установка или абсорбционно-диффузинная холодильная установка).

Устройство имеет блок автоматического управления 12, электрически связанный с датчиком температуры 3, электронагревателем 6, насосом 7 и холодильной установкой 11, и регулирует температуру жидкости 5 и охладителя 1 в режиме нагрева и охлаждения. В охладителе 1, имеющем под ребрами на всю длину охладителя сквозные каналы 13, на верхней 14 и нижней 15 торцевых поверхностях охладителя выполнены ступенчатые проточки 16 и 17, проточки 16 выполнены в верхней и нижней торцевых поверхностях и расположены ближе к середине охладителя, служат для соединения соседних сквозных каналов, причем проточки соседних сквозных каналов на верхней и нижней торцевых поверхностях выполнены в шахматном порядке. Проточки 17, выполненные на верхней 14 и нижней 15 торцевых поверхностях и расположенные ближе к наружным поверхностям охладителя, служат для установки в них заглушек 18. В результате чего в охладителе образуется канал 19 с началом в одной боковой поверхности, последовательно проходящий под каждым ребром охладителя и заканчивающийся в другой боковой поверхности.

Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры работает следующим образом. При низкой температуре окружающего воздуха по команде с блока автоматического управления 12 включается программно-управляемый электронагреватель 6, после нагрева жидкости 5 (например до + 2-5°С) включается насос 7 и нагретая жидкость 5 через насос 7 и напорный трубопровод 8 поступает в охладитель 1 и по каналу 19 последовательно проходит под каждым ребром охладителя, нагревая его, тепло с охладителя передается силовым полупроводниковым приборам и преобразователю в целом. После нагрева охладителя 1 сигнал с датчика температуры 3 поступает в блок автоматического управления 12, который отключает электронагреватель 6 и насос 7 и включает преобразователь. При работе преобразователя силовые полупроводниковые приборы нагреваются, нагревают охладитель, после нагрева охладителя (например, до 30°С) сигнал с датчика температуры 3 подается на блок автоматического управления 12, который включает насос 7, и жидкость 5 из емкости 4 через напорный трубопровод 8 поступает в охладитель 1, проходя по каналу 19, отводя от охладителя тепло и через сливной трубопровод 10, расположенный внутри настенной холодильной установки 11, жидкость 5 поступает в емкость 4. При достижении определенной температуры охладителя (например, 50°С) сигнал с датчика температуры 3 подается на блок автоматического управления 12, который включает холодильную установку 11, в результате чего жидкость 5, проходя по сливному трубопроводу 10 через холодильную установку 11, охлаждается и охлажденная жидкость 5 поступает в емкость 4. Далее процесс повторяется.

Работа устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, изображенной на фиг.6, 7, 8, 9, отличается тем, что канал 19 разделен на несколько каналов, заполненных жидкостью, с началом в нижней части торцевой поверхности 15 охладителя 1, последовательно проходящих под ребрами охладителя и заканчивающихся в верхней части торцевой поверхности 14 охладителя 1, а охлаждение жидкости происходит непосредственно в емкости 4, которая является холодильной камерой холодильной установки 11.

Таким образом, данные устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры характеризуются высокой эффективностью, так как позволяют применять одноконтурный нагрев и охлаждение недиэлектрической жидкостью и использовать его в широком диапазоне температур окружающей среды, с жесткими требованиями по степени защиты по коду IP.

Работа устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, изображенной на фиг.10, 11, 12, 13, отличается тем, что при достижении определенной температуры охладителя (например, 50°С), сигнал с датчика температуры 3 подается на блок автоматического управления 12, который включает вентиляторы 20, которые подают охлаждающий поток воздуха в межреберное пространство охладителя 1 и вдоль вертикальной оребренной поверхности емкости 4 с жидкостью 5, дополнительно охлаждая одновременно охладитель 1 и емкость 4 с жидкостью 5, снижая температуру охладителя и преобразователя в целом.

Работа устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, изображенной на фиг.14, 15, 16, 17, 18, отличается тем, что в сквозные каналы, находящиеся под каждым ребром охладителя, установлены термоэлектрические блоки 21, состоящие из термоэлектрических модулей 22 (например ТЕС 1-127040-40), которые одной поверхностью соприкасаются с внутренней поверхностью основания охладителя 23, а противоположной поверхностью - с внутренней поверхностью 24 ребер охладителя 1.

Термоэлектрические блоки 21 электрически связаны с блоком автоматического управления 12. При низкой температуре окружающего воздуха по команде с блока автоматического управления 12 подается напряжение на термоэлектрические блоки 21, по термоэлектрическому блоку 21 проходит электрический ток, который нагревает основание охладителя 1 и установленные на нем силовые полупроводниковые элементы 2. После нагрева охладителя 1 сигнал с датчика температуры 3 поступает в блок автоматического управления 12, который отключает термоэлектрические блоки 21 и включает преобразователь. При работе преобразователя силовые полупроводниковые приборы нагреваются, нагревают охладитель, после нагрева охладителя сигнал с датчика температуры 3 подается на блок автоматического управления 12, который подает напряжение на термоэлектрические блоки 21, меняя полярность напряжения на противоположную, по термоэлектрическому блоку пойдет электрический ток противоположного направления, в результате чего внутренняя поверхность основания охладителя 23 будет охлаждаться, охлаждая основание охладителя 1 и силовые полупроводниковые элементы 2, а внутренняя поверхность ребер 24 охладителя 1 будет нагреваться. Тепло с внутренней поверхности ребер 24 передается на развитую поверхность ребер охладителя 1, а с них - в окружающее пространство.

Таким образом, данная конструкция устройства для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры позволяет использовать его в широком диапазоне температур окружающей среды с жесткими требованиями по степени защиты по коду IP. Преимущество данной конструкции по сравнению с конструкциями, использующими жидкостное охлаждение и принудительное воздушное охлаждение, состоит в компактности устройства, в отсутствии вращающихся деталей, в отсутствии вибрации, в бесшумности работы, в высокой надежности, а также в простоте перехода из режима нагрева в режим охлаждения.

Источники информации

1. SEMTKRON innovation + service. Partners in Power 2000. (SKiiP 1242 GB 120).

2. Авторское свидетельство СССР №708439, М. Кл.² Н 01 L 23/46 (прототип).

Использование: в электротехнике, в статических преобразователях, работающих в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С, а также в статических преобразователях с жесткими требованиями по степени защиты по коду IP54, IP64 в соответствии с ГОСТ 14254-96. Техническим результатом изобретения является создание устройств с эффективной системой нагрева и охлаждения, обеспечивающих жесткие требования по степени защиты по коду IP, обеспечение работоспособности силового блока и преобразователя в целом в широком диапазоне температур окружающего воздуха от -60°С до +50°С, возможность создания мощных преобразователей в одношкафном исполнении, уменьшение массогабаритных показателей и стоимости преобразователя. Сущность изобретения: устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры представляет собой замкнутый контур, заполненный незамерзающей жидкостью и включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, системами нагрева и охлаждения жидкости, устройство снабжено блоком управления, электрически связанным с датчиком температуры, системами нагрева и охлаждения, и состоит из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами и датчиком температуры, насосом, емкостью с жидкостью, блоками нагрева и охлаждения, расширительным бачком. В охладителе, имеющем под каждым ребром на всю длину охладителя сквозные каналы, на верхней и нижней торцевых поверхностях выполнены ступенчатые проточки, расположенные ближе к середине охладителя и служащие для соединения соседних сквозных каналов. При этом проточки соседних сквозных каналов на верхней и нижней торцевых поверхностях выполнены в шахматном порядке, а в проточки, выполненные в верхней и нижней торцевых поверхностях и расположенные ближе к наружным поверхностям охладителя, установлены заглушки, в результате чего в охладителе образуется канал, заполненный жидкостью, с началом в нижней части одной боковой поверхности, последовательно проходящий под каждым ребром охладителя и заканчивающийся в другой боковой поверхности. Блок нагрева может быть установлен непосредственно в емкости с жидкостью, а охлаждение жидкости может происходить в сливном трубопроводе, который проходит внутри настенной холодильной установки. Охлаждение емкости с жидкостью и дополнительное охлаждение охладителя с силовыми полупроводниковыми приборами может производиться одновременно вентиляторами. 3 з.п.ф-лы, 18 ил.

1. Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры, представляющее собой замкнутый контур, заполненный жидкостью и включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, системами нагрева и охлаждения жидкости, снабженное блоком управления, электрически связанным с датчиком температуры, системами нагрева и охлаждения, и состоящее из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами и датчиком температуры, насосом, емкостью с жидкостью, блоками нагрева и охлаждения, расширительным бачком, отличающееся тем, что в охладителе, имеющем под каждым ребром, на всю длину охладителя сквозные каналы, на верхней и нижней торцевых поверхностях охладителя выполнены ступенчатые проточки, проточки, выполненные в верхней и нижней торцевых поверхностях и расположенные ближе к середине охладителя, служат для соединения соседних каналов, причем проточки соседних каналов на верхней и нижней торцевых поверхностях выполнены в шахматном порядке, а в проточки, выполненные в верхней и нижней торцевых поверхностях и расположенные ближе к наружным поверхностям охладителя, установлены заглушки, в результате чего в охладителе образуется канал, заполненный жидкостью, с началом в нижней части одной боковой поверхности, последовательно проходящий под каждым ребром охладителя и заканчивающийся в другой боковой поверхности.2. Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры по п.1, отличающееся тем, что блок нагрева установлен непосредственно в емкости с жидкостью.3. Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры по п.1, отличающееся тем, что охлаждение жидкости происходит в сливном трубопроводе, который проходит внутри холодильной установки.4. Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной аппаратуры по п.1, отличающееся тем, что охлаждение емкости с жидкостью и дополнительное охлаждение охладителя с силовыми полупроводниковыми приборами производится одновременно вентиляторами.