СИСТЕМА ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2014 года по МПК H01L23/44 H05K7/20 G06F1/20 F28F9/07 

Область техники

Изобретение относится к системам жидкостного охлаждения, предназначенным для охлаждения электронных устройств бортовой аппаратуры космических аппаратов.

Уровень техники

Существует несколько систем охлаждения электронных устройств.

Известны системы, использующие жидкий (вода, масло) или газообразный (воздух) хладагент, циркулирующий естественным путем (конвекция), и не использующие дополнительных устройств для принудительной циркуляции.

Например, известны двухфазные системы (пар - жидкость), в которых хладагент представляет собой легкокипящую жидкость.

Системы, использующие жидкий хладагент и принудительную циркуляцию хладагента, являются наиболее эффективными в условиях высоких мощностей тепловыделения и необходимости особо эффективного охлаждения некоторых компонентов электронных устройств. При этом системы, использующие непосредственное охлаждение электронного устройства охлаждающей жидкостью (погруженного в охлаждающую жидкость), имеют преимущество при работе устройства в условиях космоса (невесомость, вакуум).

Аналогом предлагаемого изобретения является устройство по патенту RU 2273970 С1. Устройство использует для охлаждения электронных устройств теплоотводящее основание, на котором размещены электронные устройства. При этом под местами установки электронных модулей расположены каналы для прохождения диэлектрической охлаждающей жидкости, которые выполнены в форме меандра. Система каналов для охлаждающей жидкости представляет собой параллельно-последовательную схему и организована таким образом, чтобы каждый электронный модуль охлаждался соответственно мощности его тепловыделения, причем с учетом снижения общего гидравлического сопротивления.

Недостатки данной схемы:

недостаточная эффективность охлаждения и отсутствие дополнительной защиты электронных компонентов от космической радиации в случае использования на космических аппаратах.

Другим аналогом предлагаемого изобретения является устройство по патенту RU 2207746 С2. Данное устройство представляет собой установку воздушного охлаждения силовых модулей контейнерного типа. Дополнительная внутренняя стенка разделяет контейнер на два объема - область высокого давления и область низкого давления. Область высокого давления создается втяжными вентиляторами. Разница давлений обеспечивает циркуляцию воздуха. Охлаждение воздуха происходит в пространстве между фальшполом и холодным полом.

Недостатками данной схемы являются:

невозможность эффективного охлаждения отдельных (электронных) компонентов конструкции, нагреваемых в разной степени;

невозможность использования в космическом полете.

Другим наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является устройство по патенту US 8,009,419 В2. Устройство состоит из охлаждаемого электронного устройства, помещенного в резервуар и погруженного в диэлектрическую охлаждающую жидкость, находящуюся в этом резервуаре. Диэлектрическая охлаждающая жидкость циркулирует через входное и выходное отверстия резервуара посредством насоса для циркуляции. Вне резервуара жидкость проходит через теплообменник, крепящийся к внешней стороне резервуара. Теплообменник снабжен вентилятором, предназначенным для отвода тепла от теплообменника.

Недостатками аналога являются:

- недостаточная эффективность охлаждения силовых блоков с различными тепловыделениями;

- неприспособленность к работе в условиях невесомости (частично используется конвекция нагретой охлаждающей жидкости и используется внешний вентилятор для отвода тепла от теплообменника).

Раскрытие изобретения

Целью создания изобретения является повышение эффективности охлаждения устройств, содержащих радиоэлектронные компоненты и силовые модули с различными тепловыделениями, в том числе предназначенных для эксплуатации в условиях невесомости.

Согласно предложенному техническому решению все конструктивные элементы охлаждаемого электронного устройства размещаются в корпусе, состоящем из двух частей. Первая («верхняя») часть представляет собой полый металлический цилиндр с полусферической торцовой стенкой с одной стороны и фланцем с другой стороны, в котором размещены радиоэлектронные компоненты. Она является крышкой. Вторая («нижняя») часть представляет собой платформу, на которой закреплен групповой охладитель с тепловыделяющими силовыми модулями. Она является основанием. Обе части герметично соединены между собой. В крышке имеется входное отверстие для подачи внутрь корпуса диэлектрической охлаждающей жидкости, которая, протекая внутри корпуса, омывает все электронные компоненты, охлаждая их, затем поступает в каналы группового охладителя и выходит через выходное (сливное) отверстие, расположенное в основании. Охлаждающая жидкость полностью заполняет все полости внутри корпуса, находясь в непосредственном контакте со всеми элементами электронного устройства, что имеет следующие преимущества:

1) эффективное охлаждение всех элементов электронного устройства (охлаждающая жидкость подается в корпус под высоким давлением с помощью насоса, что способствует эффективному охлаждению, не зависящему от эффектов конвекции, отсутствующей в условиях невесомости в космическом пространстве, при этом корпус и способ соединения его фрагментов позволяют выдерживать это высокое давление);

2) охлаждающая жидкость является диэлектрической, что обеспечивает дополнительную защиту от замыканий в цепи;

3) охлаждающая жидкость может являться дополнительной защитой устройства от космической радиации.

Компоненты охлаждаемого устройства размещены в корпусе следующим образом: в верхней части корпуса расположены электронные платы; в нижней части корпуса расположены силовые модули и другие компоненты с большими тепловыделениями. Таким образом, электронные платы, на которых обычно реализованы электрические схемы управления устройством, постоянно находятся в контакте с наиболее холодной диэлектрической охлаждающей жидкостью, поступающей со стороны входного отверстия. Это обеспечивает наиболее эффективное охлаждение электронных элементов схем управления, что критически важно для стабильной работы устройства в целом.

Силовые модули смонтированы на групповом охладителе в нижней части корпуса. Групповой охладитель имеет внутренние каналы для протекания по ним охлаждающей жидкости, обеспечивая основной отвод тепла от силовых модулей. Групповой охладитель может быть выполненным сборным, состоящим из отдельных единичных охладителей, каждый из которых представляет собой металлическую пластину определенной конфигурации. При соединении этих пластин образуются внутренние каналы. Форма канала может быть выбрана извилистой, например в виде меандра, с целью увеличения протяженности канала. За счет большой длины канала охладитель эффективнее отдает тепло охлаждающей жидкости (теплоносителю). Сборный характер группового охладителя позволяет подобрать нужное количество единичных охладителей соответственно выделяемой тепловой мощности силовых модулей. Таким образом, силовые модули охлаждаются двояко: через непосредственный контакт с диэлектрической охлаждающей жидкостью, омывающей их, и через контакт с групповым охладителем, имеющим внутренние каналы, по которым протекает охлаждающая жидкость.

Такая система с принудительным движением потока охлаждающей жидкости под большим давлением, направленным сначала на компоненты с незначительными тепловыделениями, а затем на компоненты с большими тепловыделениями, обеспечивает высокую эффективность охлаждения электронного устройства и позволяет ее использование в условиях космического полета.

В верхней части крышки корпуса установлен перфорированный экран, на котором смонтированы радиоэлектронные компоненты. Отверстия в экране служат для прохождения охлаждающей жидкости в нижнюю часть корпуса. При этом из-за уменьшения проходного сечения канала значительно возрастает скорость потока, что приводит к повышению эффективности охлаждения.

Кроме того, экран может служить защитой от электромагнитного излучения силовых компонентов.

Чертежи

На фигуре 1 представлен общий вид конструкции в разрезе, реализующей систему охлаждения электронного устройства (в данном случае высокочастотного инвертора).

Обозначение позиций:

1 - крышка;

2 - основание;

3 - соединительный болт;

4 - прокладка;

5 - групповой охладитель;

6 - высокочастотный трансформатор;

7 - конденсатор;

8 - стойка;

9 - экран перфорированный;

10 - электронные платы (система управления);

11 - входной штуцер;

12 - выходной штуцер.

На фигуре 2 представлена схема протекания диэлектрической охлаждающей жидкости в системе охлаждения электронного устройства:

13 - внутренний канал группового охладителя;

14 - коллектор.

На фигуре 3 представлен вид группового охладителя в разрезе:

15 - единичный охладитель (металлическая пластина).

Осуществление изобретения

Осуществление изобретения поясняется на конкретном примере выполнения конструкции высокочастотного инвертора, который размещен в корпусе, состоящем из двух частей: крышки 1 и основания 2. Крышка 1 представляет собой полый металлический цилиндр (например, из титанового сплава), имеющий полусферическую торцовую стенку с одной стороны и снабженный фланцем с другой. Основание 2, на котором крепится все электронное устройство, представляет собой металлическую платформу, на которой смонтированы все элементы инвертора. Основание 2 герметично соединено с крышкой с помощью болтов 3. В месте соединения установлена уплотнительная прокладка 4 из мягкого металла, например меди.

Элементы инвертора смонтированы внутри корпуса следующим образом: на основании 2 закреплен групповой охладитель 5, на котором размещены компоненты с большими тепловыделениями (силовые модули 4, высокочастотный трансформатор 6, компенсационные конденсаторы 7). Также на основании 2 закреплены вертикальные стойки 8, поддерживающие горизонтальный экран 9, выполненный в виде перфорированного диска, на котором сверху закреплены радиоэлектронные компоненты с незначительными тепловыделениями, но требовательные к температурным режимам - электронные платы 10 системы управления. Экран 9 конструктивно разделяет корпус электронного устройства на 2 части: верхнюю, содержащую платы с электронными элементами системы управления, и нижнюю часть, содержащую блоки силовых модулей, установленные на групповом охладителе. Такое разделение позволяет осуществить эффективное охлаждение компонентов обеих частей с различными тепловыделениями. В крышку верхней части и в основание нижней части вмонтированы штуцеры 11 и 12 соответственно для подачи и выведения охлаждающей жидкости.

Работа системы жидкостного охлаждения электронного устройства поясняется схемой протекания диэлектрической охлаждающей жидкости внутри корпуса (Фиг.2). После окончательной сборки корпус с размещенным в нем электронным устройством заполняется диэлектрической охлаждающей жидкостью, например кремнийорганической жидкостью - тетракрезилоксисилан (CH₃C₆H₄O)Si. Направление движения потока охлаждающей жидкости задается со стороны верхней части корпуса с целью более эффективного охлаждения плат системы управления, поскольку охлаждение радиоэлементов должно осуществляться теплоносителем с более низкой температурой. На фиг.2 стрелками показано прохождение охлаждающей жидкости внутри корпуса электронного устройства. В групповом охладителе 5 имеется канал 13, по которому протекает охлаждающая жидкость, обеспечивая более эффективный теплоотвод от силовых элементов.

Охлаждающая жидкость поступает в корпус под давлением, с помощью внешнего насоса (не показан), обеспечивающего заданное рабочее давление.

По мере прохождения потока охлаждающей жидкости, омывающей все компоненты электронного устройства, осуществляется теплосъем с тепловыделяющих элементов (для инвертора - с печатных плат, затем с обмоток и магнитопровода трансформатора, соединительных шин и проводов, с наружных поверхностей силовых модулей и конденсатора) и с теплоотдающих поверхностей каналов группового охладителя. При этом основная часть тепловых потерь (порядка 70%) отводится через групповой охладитель 5, на котором закреплены наиболее тепловыделяющие силовые компоненты электронного устройства.

Затем уже нагретая охлаждающая жидкость сливается в общий коллектор 14 и выводится через выходной штуцер 12 во вне, например во внешний замкнутый контур с общим внешним теплообменником (радиационным холодильником), после которого может опять подаваться насосом в систему охлаждения электронного устройства через входной штуцер 11.

Групповой охладитель 5 может быть выполнен сборным, состоящим из отдельных единичных охладителей 15 (фиг.3), каждый из которых представляет собой металлическую пластину определенной конфигурации, при соединении которых друг с другом образуется внутренний канал 13, имеющий, например, форму меандра для более длительного протекания по нему охлаждающей жидкости.

Инвертор, выбранный в качестве примера системы жидкостного охлаждения электронного устройства, изготовлен в виде опытного образца и имеет следующие параметры: рабочее давление охлаждающей жидкости порядка 4 атм, потребляемая мощность порядка 15 кВт, габариты 260 мм×260 мм×700 мм, масса около 30 кг.

Изобретение предназначено для охлаждения электронных устройств бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА). Технический результат - повышение эффективности охлаждения устройств, содержащих радиоэлектронные компоненты и силовые модули с различными тепловыделениями, в том числе предназначенных для эксплуатации в условиях невесомости. Это достигается тем, что конструкция размещена в герметичном корпусе, состоящем из двух частей. Первая (верхняя) часть является крышкой в виде полого металлического цилиндра с полусферической торцовой стенкой с закрытой стороны и снабженного фланцем - с открытой стороны. Вторая (нижняя) часть представляет собой основание, на котором крепятся все компоненты электронного устройства. Внутри корпуса размещены электронные компоненты следующим образом: на основании установлен групповой охладитель, на котором закреплены наиболее тепловыделяющие компоненты. На основании также установлены стойки, обеспечивающие крепеж над упомянутыми компонентами горизонтального перфорированного экрана, на котором смонтированы остальные компоненты с меньшими тепловыделениями - печатные платы с радиоэлементами. Входное отверстие, расположенное в крышке, предназначено для подачи внутрь корпуса диэлектрической охлаждающей жидкости, которая, проходя внутри корпуса, омывает все электронные компоненты, охлаждая их, и поступает в каналы, имеющиеся в теле группового охладителя, обеспечивая дополнительный съем тепла, затем сливается через выходное отверстие, расположенное в основании. Внутренние каналы увеличивают эффективность теплоотдачи установленных на групповом охладителе компонентов. Охлаждающая жидкость подается в корпус под большим давлением с помощью внешнего насоса и может входить в общий циркулирующий поток охладителя всего космического аппарата. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система жидкостного охлаждения электронного устройства, содержащая герметичный корпус, внутри которого размещены тепловыделяющие компоненты электронного устройства в виде радиоэлементов, электронных плат и силовых блоков, имеющий входное и выходное отверстия для подачи и отвода диэлектрической охлаждающей жидкости, отличающаяся тем, что корпус состоит из двух частей - крышки в форме полого цилиндра и основания, на котором установлен групповой охладитель с закрепленными на нем компонентами с повышенным тепловыделением, причем этот групповой охладитель имеет в своем теле сквозные внутренние каналы, заполняемые охлаждающей жидкостью, циркулирующей в системе, а компоненты с меньшим тепловыделением размещены в верхней части корпуса на крепежных элементах, закрепленных на основании, при этом отверстие для подвода охлаждающей жидкости расположено в верхней части крышки, а отверстие для отвода охлаждающей жидкости - в основании.

2. Система жидкостного охлаждения электронного устройства по п.1, отличающаяся тем, что цилиндрическая крышка корпуса с закрытой стороны имеет форму полусферы, а с открытой - снабжена фланцем с отверстиями под крепеж.

3. Система жидкостного охлаждения электронного устройства по п.1, отличающаяся тем, что групповой охладитель выполнен сборным, состоящим из отдельных единичных охладителей, каждый из которых представляет собой металлическую пластину определенной конфигурации, обеспечивающей при стыковке со следующей пластиной образование внутреннего канала.

4. Система жидкостного охлаждения электронного устройства по п.1, отличающаяся тем, что крепежные элементы для компонентов с меньшим тепловыделением включают перфорированный экран из магнитного материала для размещения на нем радиоэлектронных компонентов, при этом отверстия перфорированного экрана выполнены определенной величины, позволяющей обеспечить беспрепятственное перетекание охлаждающей жидкости из верхней части корпуса в нижнюю, причем с повышенной скоростью.