ЖИДКОСТНОЙ ОХЛАДИТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H01L23/36 H01L23/42 H05K7/20 

Назначение

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для охлаждения силовых модулей электронной аппаратуры.

Уровень техники

Тенденции развития силовой электроники в последние годы требуют повышения эффективности системы охлаждения силовых электронных модулей.

Наиболее полный обзор применяемых приемов охлаждения модулей и их сравнение дан в статье А. Колпакова. «Охлаждение силовых модулей: проблемы и решения. (Части 1 и 2)» Силовая электроника. №3 и 4, 2012 г. Наиболее высокую эффективность теплоотвода показывают жидкостные охладители. Конструкция таких охладителей показана в обзоре весьма схематично, однако этот вопрос подробно освещен в патентной литературе.

Известен жидкостной охладитель, имеющий каналы, образованные параллельно расположенными направляющими элементами. В каналах непосредственно под охлаждаемыми модулями располагается группа штырей, обеспечивающая повышенный теплоотвод в этой зоне канала. Патент США №6457514.

Конструкция такого охладителя сложна, нетехнологична и трудоемка в изготовлении.

Известно устройство для охлаждения модулей (патент США №6351384), состоящее из основания и крышки. К основанию с внешней стороны крепятся электронные модули, с внутренней стороны - вкладыш, имеющий многочисленные ребра, образующие систему параллельных каналов. В крышке имеют отверстия для подвода и отвода хладагента. С внутренней стороны крышки над каналами располагаются выступы, способствующие турбулизации потока хладагента.

Это устройство также содержит значительное число конструктивных элементов, требует гидравлического уплотнения по периметру значительной длины, трудоемко в изготовлении, обладает низкой ремонтоспособностью при засорении каналов.

Согласно полезной модели РФ 89318 охладитель, работающий в системе жидкостного охлаждения тягового преобразователя локомотивов, содержит крышку и теплоотводящее основание с каналами для прохождения хладагента, причем основание имеет под местами установки модулей полости с установленными в них вкладышами, формирующими каналы. Указанные каналы выполнены в виде расположенных в разных плоскостях и связанных между собой прямолинейных участков и меандрических секций, реализующих последовательно-параллельную схему движения хладагента. Полости в основании под модулями обеспечивают малую толщину стенки в этой зоне и повышенный теплоотвод. В то же время за счет большей толщины стенки основания в зонах вне модулей обеспечивается жесткость конструкции.

Такая конструкция близка к рассмотренным выше и обладает теми же недостатками. Кроме того, меандрические секции каналов могут легко засоряться при длительной эксплуатации.

Наиболее простой конструкцией охладителя по числу используемых элементов сборки и принимаемому за прототип является групповой теплоотвод (синоним термина охладитель) по патенту РФ 2064715. Патентуемый теплоотвод содержит корпус из высокотеплопроводного материала, в котором выполнены группы взаимопересекающихся концентрических каналов. Каждая группа состоит из внешнего наиболее продолжительного канала, внутреннего - наименее продолжительного канала и нескольких промежуточных каналов. Для создания замкнутой гидравлической системы на корпус напаивается крышка, на которой закреплены подводящий и отводящий штуцера. Из подводящего штуцера жидкий хладагент поступает первоначально в первую группу каналов, а затем от нее последовательно и в каналы других групп, а затем в выводной патрубок. Поперечные размеры всех каналов выбираются одинаковыми. Изготовление каналов производится токарной обработкой одной операцией с помощью фигурного резца. Эта конструкция охладителя более проста и менее трудоемка в изготовлении, чем остальные аналоги. Однако конструкция прототипа также состоит из двух основных деталей - корпуса и крышки, требует обеспечения герметичности по всему периметру корпуса. Корпус и крышка требуют при изготовлении трудоемких либо штамповочных, либо фрезерных работ. Токарная нарезка каналов требует фигурного резца и высокой квалификации токаря. Конструкция обладает низкой ремонтоспособностью при ликвидации засорений, особенно при использовании турбулизаторов, поскольку требует повторной герметизации по всему периметру корпуса.

Целью изобретения является упрощение процесса изготовления и повышение технологичности, а также сокращение сроков проведения ремонтных и профилактических работ.

Раскрытие изобретения

Указанные цели достигаются тем, что в качестве корпуса жидкостного охладителя используется единственный элемент - плита из теплопроводящего материала, обе большие стороны которой могут быть использованы для крепления охлаждаемых силовых электронных модулей или иной тепловыделяющей аппаратуры, например дросселей, реле, трансформаторов и т.п. В одной из боковых граней плиты методом сверления выполнены каналы в виде длинных глухих отверстий для циркуляции жидкого хладагента, герметизируемых с помощью заглушек. Каналы подвода и отвода хладагента выполнены на смежных гранях методом сверления длинных глухих отверстий, пересекающих отверстия с заглушками, причем отверстие на одной из этих смежных граней примыкает к боковой грани с заглушками, а отверстие на другой смежной грани примыкает к грани, противоположной грани с заглушками. Отверстия на всех гранях лежат в одной плоскости.

Заглушки могут быть выполнены на резьбе с использованием уплотняющих прокладок. В каналах с заглушками могут быть установлены турбулизаторы в виде спиралей из плоской ленты. Турбулизаторы одним концом могут опираться в дно глухого отверстия, другим в дно заглушки. Концы турбулизаторов в зонах отверстий для подвода и отвода хладагента могут иметь вид прямолинейного отрезка для уменьшения гидравлического сопротивления в этих зонах.

В отверстия для подвода и отвода тепла могут на резьбе вворачиваться штуцера для крепления шлангов для подвода и отвода хладагента.

Возможен вариант, когда отверстия для подвода и отвода хладагента герметизируются заглушками, а на одной из больших сторон (или на обеих) сверлятся отверстия с глубиной, обеспечивающей пересечение с каналами подвода и отвода хладагента. Эти отверстия на больших сторонах расположены вблизи заглушек, закрывающих эти каналы на смежных боковых гранях. В эти отверстия на больших сторонах могут быть ввернуты штуцера для крепления шлангов для подвода и отвода хладагента.

Таким образом, предложенное техническое решение упрощает конструкцию и повышает технологичность изготовлении. Кроме того, снижает трудозатраты благодаря исключению процессов фрезерования (или штамповки) и токарной обработки. Наличие заглушек упрощает процесс профилактики и ремонта при засорении каналов, обеспечивает возможность применения турбулизаторов, а также обеспечивает возможность параллельного и последовательного соединения охладителей для регулирования перепада давления и расхода хладагента.

Перечень графических фигур

Фиг.1 - Конструкция жидкостного охладителя (вариант 1) в поперечном разрезе.

Фиг.2 - Конструкция жидкостного охладителя (вариант 2).

Осуществление изобретения

Корпус 1 жидкостного охладителя электронных силовых электронных модулей выполнен из алюминиевой плиты размером 200х300 мм толщиной 20 мм. На одной из боковых граней выполнены глухие длинные отверстия 2, 3, 4, 5 диаметром 8 мм, дно которых находится на расстоянии 6 мм от поверхности противоположной грани. Отверстия 2, 3, 4, 5 закрыты резьбовыми заглушками 6. На боковых гранях, смежных с гранью с заглушками, выполнены глухие длинные отверстия 7 и 8 диаметром 8 мм, пересекающие все отверстия 2, 3, 4, 5. Отверстие 7 располагается вблизи грани с заглушками 6, причем расстояние меду стенкой отверстия и поверхностью грани составляет 12 мм. Аналогично отверстие 8 располагается вблизи грани, противоположной грани с заглушками 3. Оси всех отверстий 2, 3, 4, 5, 7, 8 лежат в одной плоскости. По варианту 1 (фиг.1) в отверстия 7 и 8 на резьбе установлены штуцеры 9 и 10 для подсоединения шлангов, подводящих и отводящих жидкий хладагент. Внутри отверстий 2, 3, 4, 5 располагаются спиральные турбулизаторы 11, выполненные из проволоки или плоской ленты. Длина спиралей выбрана такой, что при установке заглушек 6 они жестко фиксируются в отверстиях. При изготовлении соблюдается следующая последовательность сверления отверстий: 7, 2, 3, 4, 5, 8.

Возможен вариант 2 размещения штуцеров 3 на больших сторонах охладителя (фиг.2). В этом случае отверстия 7 и 8 закрываются заглушками, а на больших сторонах делаются отверстия вблизи указанных заглушек, глубина которых обеспечивает пересечение с отверстиями 7 и 8. В нашем конкретном варианте расстояние между стенкой отверстия и поверхностью боковой грани 12 мм.

В рабочих условиях жидкий хладагент поступает через штуцер 10 в канал, образованный отверстием 7, а затем движется по параллельным каналам, образованным отверстиями 2, 3, 4, 5, а затем собирается в канале, образованном отверстием 8, и выводится наружу через штуцер 11. В процессе движения хладагента по каналам он отводит тепло от больших сторон плиты охладителя, где могут располагаться силовые электронные модули 12.

В соответствии с изобретением был изготовлен опытный образец охладителя и проведены его успешные испытания.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для охлаждения силовых модулей электронной аппаратуры. Технический результат - повышение технологичности и упрощение процесса изготовления, а также сокращение сроков проведения ремонтных и профилактических работ за счет наличия заглушек, обеспечение возможности параллельного и последовательного соединения охладителей для регулирования перепада давления и расхода хладагента. Достигается тем, что в качестве корпуса жидкостного охладителя используется плита из теплопроводящего материала, обе большие стороны которой предназначены для крепления силовых электронных модулей или иной тепловыделяющей аппаратуры. В одной из боковых граней плиты методом сверления выполнены каналы в виде длинных глухих отверстий для циркуляции жидкого хладагента, герметизируемых с помощью заглушек. Каналы подвода и отвода хладагента выполнены на смежных гранях методом сверления длинных глухих отверстий, пересекающих отверстия с заглушками. Отверстия на всех гранях лежат в одной плоскости. В каналах с заглушками могут быть установлены турбулизаторы в виде спиралей из плоской ленты. Концы турбулизаторов в зонах отверстий для подвода и отвода хладагента могут иметь вид прямолинейного отрезка для уменьшения гидравлического сопротивления в этих зонах. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Жидкостной охладитель для силовых электронных модулей и электротехнических устройств, имеющий корпус из высокотеплопроводного материала, в котором имеются отверстия для подвода и отвода жидкого хладагента и несколько лежащих в одной плоскости каналов для его прохождения, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде плиты, две большие грани которой предназначены для размещения тепловыделяющих элементов, а в одной из боковых граней имеется ряд глухих длинных отверстий, служащих каналами для прохождения хладагента и закрытых заглушками, а на каждой смежной с ней грани имеется по одному глухому длинному отверстию, пересекающему все отверстия с заглушками и служащему каналом для подвода и отвода хладагента, причем отверстие на одной из этих граней примыкает к боковой грани с заглушками, а отверстие на другой боковой грани примыкает к грани, противоположной грани с заглушками.

2. Жидкостной охладитель по п. 1, отличающийся тем, что в каналах для хладагента установлены турбулизаторы в виде спирали из проволоки или плоской ленты, жестко зафиксированные в канале с помощью заглушек.

3. Жидкостной охладитель по п. 1, отличающийся тем, что отверстия на смежных боковых гранях герметизируются заглушками, а на одной из больших сторон (или на обеих) сверлятся отверстия с глубиной, обеспечивающей пересечение с каналами подвода и отвода хладагента, причем отверстия на больших сторонах расположены вблизи заглушек, закрывающих эти каналы на смежных боковых гранях.