УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 2013 года по МПК H01L23/34 

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов.

Известно охлаждающее устройство для силовых полупроводниковых приборов (СПП) на основе цельнометаллических алюминиевых прессованных профилей (Охладители воздушных систем охлаждения для полупроводниковых приборов. - М. Информэлектро, 1996, с.31).

Однако такие конструкции обладают низкой эффективность теплоотвода и большей материалоемкостью.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов таблеточного типа на основе двухфазного термосифона (ДТС), состоящего из отрезка прессованного профиля из алюминиевого сплава с внешним оребрением и внутренними каналами, являющегося конденсатором, и испарителя из алюминиевого сплава, жестко соединенного с конденсатором. Испаритель частично заполнен жидким промежуточным теплоносителем (Исакеев А.И. и др. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. Л., Энергоиздат, 1982, с.105-111).

Недостатком данной конструкции является низкая технологичность изготовления из-за большого количества сварных соединений между конденсатором и испарителем, высокая материалоемкость.

Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства, улучшении технологичности его изготовления, снижении материалоемкости.

Сущность изобретения достигается тем, что в устройстве, включающем конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренним каналом конденсации, соединенный с испарителем, заполненным полностью жидким промежуточным теплоносителем. Испаритель пароконденсаторопроводом жестко соединен с конденсатором, который частично заполнен антифризом 65. В испарителе расположен интенсификатор кипения, выполненный в виде вертикальных ребер. Вертикальные ребра интенсификатора кипения выполнены из высокотеплопроводного металломатричного композиционного материала AlSiC. Размеры интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер определены диаметром основания силового полупроводникового прибора:

D_{осн.спп}=nb+(n+1)a=h+2,

где D_{осн.спп} - диаметр основания силового полупроводникового прибора

n - количество вертикальных ребер интенсификатора кипения, шт.,

a, b, h - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

В качестве жидкого промежуточного теплоносителя используют перфтортриэтиламин. Объем перфтортриэтиламина, которым заполнено внутреннее пространство испарителя, равно:

V_пт=(h+2a)[nb+(n+1)a]2c-h2cn,

где V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;

n - количество вертикальных ребер, шт.;

h, a, b, c - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

Объем антифриза 65, которым частично заполнено внутреннее пространство конденсатора, равно:

,

где V_аф - объем антифриза, мм³;

V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;

a_конд. - коэффициент теплоотдачи при конденсации паров промежуточного теплоносителя, Вт/м² °C;

r - теплота фазового перехода, Дж/кг;

S_{вн.оребр.} - площадь поверхности внешнего оребрения, мм².

Соотношение плотностей перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:

ρ_пт=1,8ρ_аф,

где ρ_пт - плотность перфтортриэтиламина, кг/м³;

ρ_аф - плотность антифриза 65, кг/м³.

А соотношение температур насыщения перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:

T_{s пт}=0,6T_{s аф},

где T_{s пт} - температура насыщения перфтортриэтиламина, °C;

T_{s аф} - температура насыщения антифриза 65, °C.

Устройство для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов (фиг.1) включает испаритель 1, конденсатор 2, имеющий внешнее оребрение 3 и внутренний канал конденсации 4. Испаритель 1 соединен с конденсатором 2 жестко парокондесаторопроводом 5. Внутри испарителя 1 расположен интенсификатор кипения виде вертикальных ребер 6, выполненных из высокотеплопроводного металломатричного композиционного материала AlSiC. Испаритель 1 наполнен жидким промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином 7. Внутренний канал конденсации 4 конденсатора 2 частично заполнен антифризом 65 8. Снаружи к испарителю прижаты один или два силовых полупроводниковых прибора СПИ 9. Размеры интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер 6 определены диаметром основания силового полупроводникового прибора СПП 9:

D_{осн.спп}=nb+(n+1)a=h+2,

где D_{осн.спп} - диаметр основания силового полупроводникового прибора,

n - количество вертикальных ребер интенсификатора кипения, шт.,

a, b, h - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

Внутреннее пространство испарителя 1 заполнено промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином 7, объем которого определяется следующим образом:

V_пт=(h+2a)[nb+(n+1)a]2c-h2cn,

где V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;

n - количество вертикальных ребер, шт;

h, a, b, c, - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

Объем антифриза 65 8, которым частично заполнено внутреннее пространство внутреннего канала конденсации 4 конденсатора 2 равно:

,

где V_аф - объем антифриза, мм³;

V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;

a_конд. - коэффициент теплоотдачи при конденсации паров промежуточного теплоносителя, Вт/м² °C;

r - теплота фазового перехода, Дж/ кг;

S_{вн.оребр.} - площадь поверхности внешнего оребрения, мм².

Соотношение плотностей перфтортриэтиламина 7 и антифриза 65 8 равно:

ρ_пт=1,8ρ_аф,

где ρ_пт - плотность перфтортриэтиламина, кг/м³;

ρ_аф - плотность антифриза 65, кг/м³.

Соотношение температур насыщения перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:

T_{s пт}=0,6T_{s аф},

где Т_{s пт} - температура насыщения перфтортриэтиламин, °C;

T_{s аф} - температура насыщения антифриза 65, °C.

Устройство работает следующим образом. При работе силового полупроводникового прибора СПП 9, одного или двух, мощность тепловых потерь передается испарителю 1, далее интенсификатору кипения в виде вертикальных ребер 6. Перфтортриэтиламин 7 закипает на поверхностях интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер 6. Пары перфтортриэтиламина 7 через пароконденсаторопровод 5, заполненного антифризом 65 8 попадают в конденсатор 2, внутренний канал конденсации 4 которого частично заполнен антифризом 65 8. Так как соотношение плотностей и температур насыщения перфтортриэтиламина 7 и антифриза 65 8 равно:

,

,

где ρ_пт - плотность перфтортриэтиламина, кг/м³;

ρ_аф - плотность антифриза 65, кг/м³;

T_{s пт} - температура насыщения перфтортриэтиламин, °C;

T_{s аф} - температура насыщения антифриза 65, °C,

то первое соотношение (1) показывает, что более тяжелый перфтортриэтиламин 7 полностью заполняет внутренний объем испарителя 1, а более легкий антифриз 65 8 располагается выше испарителя 1 и занимает частично внутренний канал конденсации 4 конденсатора 2. Второе соотношение (2) показывает, что более легкокипящий перфтортриэтиламин 7 может автоконденсироваться в объеме антифриза 65 8. В данной конструкции конденсация паров перфтортриэтиламина 7 происходит не только или нисколько на твердой внутренней поверхности конденсатора 2, а в значительной степени в объеме антифриза 65 8, которым частично заполнен конденсатор 2, то есть происходит наряду с конденсацией паров на твердой внутренней поверхности конденсатора 2 автоконденсация паров перфтортриэтиламина 7 в объеме антифриза 65 8, что значительно повышает эффективность процесса конденсации паров перфтортриэтиламина 7. Жидкий конденсат интенсивно стекает в объем перфтортриэтиламина 7, находящегося внутри испарителя 1, турбулизирует префтортриэтиламин 7, тем самым частично увеличивает эффективность теплообмена при кипении, что улучшает технологичность изготовления устройства и его металлоемкость, что в конечном итоге увеличивает эффективность работы устройства для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов.

В ОАО «Электровыпрямитель» были проведены тепловые испытания макетов предлагаемого устройства, результаты которых превосходят на 40-50% результаты прототипа.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: в устройстве для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающем конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренним каналом конденсации, соединенный с испарителем, заполненным полностью жидким промежуточным теплоносителем, испаритель пароконденсаторопроводом жестко соединен с конденсатором, который частично заполнен антифризом 65, в испарителе расположен интенсификатор кипения, выполненный в виде вертикальных ребер, которые выполнены из высокотеплопроводного металломатричного композиционного материала AlSiC. Размеры интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер определены диаметром основания силового полупроводникового прибора. В качестве жидкого промежуточного теплоносителя используется перфтортриэтиламин. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждающего устройства, улучшить технологичность его изготовления, снизить материалоемкость, дифференцировать конструкцию устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов (СПИ). 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающее конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренним каналом конденсации, соединенный с испарителем, заполненным жидким промежуточным теплоносителем, отличающееся тем, что испаритель, заполненный полностью жидким промежуточным теплоносителем, пароконденсаторопроводом жестко соединен с конденсатором, частично заполненным антифризом 65, при этом в испарителе расположен интенсификатор кипения, выполненный в виде вертикальных ребер.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальные ребра интенсификатора кипения выполнены из высокотеплопроводного металломатричного композиционного материала AlSiC.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размеры интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер определены диаметром основания силового полупроводникового прибора:
D_{осн.спп}=nb+(n+1)a=h+2,
где D_{осн.спп} - диаметр основания силового полупроводникового прибора, мм;
n - количество вертикальных ребер интенсификатора кипения, шт;
a, b, h, - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве жидкого промежуточного теплоносителя использован перфтортриэтиламин.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем перфтортриэтиламина, которым заполнено внутреннее пространство испарителя, равно:
V_пт=(h+2a)[nb+(n+1)a]2c-h2cn,
где V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;
n - количество вертикальных ребер, шт;
h, a, b, c, - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что объем антифриза 65, которым частично заполнено внутреннее пространство конденсатора, равно:
V_аф=V_птa_конд. ^0,24r^0,14S_{вн.оребр.} ^0,63,
где V_аф - объем антифриза, мм³;
V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;
а_конд - коэффициент теплоотдачи при конденсации паров перфтортриэтиламина, Вт/м² °С;
r - теплота фазового перехода, Дж/кг;
S_вн.opeбp. - площадь поверхности внешнего оребрения, мм².

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение плотностей и температур насыщения перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:
ρ_пт=1,8ρ_аф,
T_{s пт}=0,6T_{s аф},
где ρ_пт - плотность перфтортриэтиламина, кг/м³;
ρ_аф - плотность антифриза 65, кг/м³;
T_{s пт} - температура насыщения перфтортриэтиламина, °С;
T_{s аф} - температура насыщения антифриза 65, °C.