УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 2015 года по МПК H01L23/34 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может использоваться в статистических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов и модулей.

Известно охлаждающее устройство для силовых полупроводниковых приборов (СПП) на основе цельнометаллических алюминиевых прессованных профилей (см. Охладители воздушных систем охлаждения для полупроводниковых приборов. - М.: Информэлектро, 2000, с.31).

Однако такие конструкции обладают низкой эффективностью теплоотвода и большей материалоемкостью.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство 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, соединяемого с конденсатором сваркой. Испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, вверху конденсатора расположен паровой коллектор. Устройство частично заполнено жидким промежуточным теплоносителем (Исакеев А.И. и др. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. - Л.: Энергоиздат, 1982, с.103-105).

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

Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства, улучшении технологичности изготовления, снижении материалоемкости устройства, дифференцировании конструкции устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП).

Сущность изобретения достигается тем, что в устройстве для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающем термосифон, содержащий конденсатор с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединенный с испарителем, заполненным жидким промежуточным теплоносителем. Испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, а сверху над конденсатором расположен паровой коллектор. Дополнительно содержит второй идентичный термосифон. В испарителях расположены внутренние вертикальные ребра. Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка. В каждом термосифоне трубчатый конденсатор состоит из пучка вертикальных трубок, каждая из которых имеет внутреннее спиралевидное ребро. Сверху к паровым коллекторам термосифонов жестко прикреплены клапаны избыточного давления. Количество вертикальных трубок и геометрические размеры вертикальных трубок в пучке трубчатого конденсатора одного термосифона определяются следующими соотношениями:

N=ΣS_конд/S_конд,

где N - количество вертикальных трубок в трубчатом конденсаторе одного термосифона, шт.;

ΣS_конд - общая внутренняя площадь трубчатого конденсатора всех вертикальных трубок одного термосифона, м²;

S_конд - внутренняя площадь конденсации одной вертикальной трубки с учетом спиралевидного ребра м²;

Р_спп - мощность тепловых потерь, отводимая от СПП, Вт;

α_конд - коэффициент теплоотдачи при конденсации в зависимости от типа промежуточного теплоносителя, Вт/(м²·°С);

T_s - температура насыщения промежуточного теплоносителя, °С;

T_c - температура внутренней поверхности вертикальных трубок трубчатого конденсатора, °С;

S_op - площадь внешней поверхности оребрения одного трубчатого конденсатора, м²;

α_конд - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности к охлаждаемому воздуху в зависимости от скорости воздуха, Вт/(м²·°С);

T_cf - температура охлаждающего воздуха, °С;

Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка из пресс-материала следующих размеров:

(А+40)(В+40)5,

где А - высота трубчатого конденсатора, мм;

В - ширина трубчатого конденсатора, мм.

Испарители термосифонов заполнены жидким промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости.

Каждая из вертикальных трубок трубчатого конденсатора имеет внутреннее спиралевидное ребро, высота которого определяется следующим образом:

h=(0.1÷0.2)d_вн,

где h - высота спиралевидного ребра, мм;

d_вн - внутренний диаметр вертикальных трубок трубчатого конденсатора, мм.

На фиг.1 изображена конструкция устройства, на фиг.2 - устройство, вид сбоку.

Устройство (фиг.1) состоит из двух одинаковых термосифонов, каждый из которых содержит испаритель 1 с внутренними вертикальными ребрами 2 (фиг.2). Трубчатый конденсатор 3 (фиг.1) состоит из пучка вертикальных трубок 4 с единым внешним оребрением 5. Снизу вертикальные трубки 4 соединены с испарителем 1 с помощью расходного коллектора 6. Сверху вертикальные трубки 4 соединены между собой паровым коллектором 7. Каждая из вертикальных трубок 4 имеет внутреннее спиралевидное ребро 8. Испаритель 1 (фиг.2) каждого термосифона частично заполнен жидким промежуточным теплоносителем 9, перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра 2 находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости. Вверху каждого термосифона (фиг.1) в паровом коллекторе 7 расположен клапан 10 избыточного давления. Между трубчатыми конденсаторами 3 термосифонов установлена изоляционная вставка 11. Количество вертикальных трубок 4 в пучке трубчатого конденсатора 3 и геометрические размеры (фиг.2) вертикальных трубок 4 каждого термосифона определяются следующими соотношениями:

N=ΣS_конд/S_конд,

где N - количество вертикальных трубок 4 в трубчатом конденсаторе 3 одного термосифона, шт.;

ΣS_конд - общая внутренняя площадь трубчатого конденсатора 3 всех вертикальных трубок 4 одного термосифона, м²;

S_конд - внутренняя площадь конденсации одной вертикальной трубки 4 с учетом спиралевидного ребра 8, м²;

Р_спп - мощность тепловых потерь, отводимая от СПП, Вт;

α_конд - коэффициент теплоотдачи при конденсации в зависимости от типа промежуточного теплоносителя 9, Вт/(м²·°С);

T_s - температура насыщения промежуточного теплоносителя 9, °С;

T_c - температура внутренней поверхности вертикальных трубок 4 трубчатого конденсатора 3, °С;

S_op - площадь внешней поверхности оребрения одного трубчатого конденсатора 3, м²;

α_конв - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности 5 к охлаждаемому воздуху в зависимости от скорости воздуха, Вт/(м²·°С);

T_cf - температура охлаждающего воздуха, °С.

Изоляционная вставка 11 между трубчатыми конденсаторами 3 термосифонов выполнена из пресс-материала следующих размеров:

(А+40)(В+40)5,

где А - высота трубчатого конденсатора, мм;

В - ширина трубчатого конденсатора, мм.

Все элементы устройства выполнены из одинаковых материалов, например меди, алюминиевого сплава АД-31, латуни.

Каждая вертикальная трубка 4 трубчатого конденсатора 3 имеет внутреннее спиралевидное ребро 8, высота которого определяется следующим образом:

h=(0.1÷0.2)d_вн,

где h - высота внутреннего спиралевидного ребра 8, мм;

d_вн - внутренний диаметр вертикальных трубок 4 трубчатого конденсатора 3, мм.

Устройство работает следующим образом. При работе силового полупроводникового прибора 12 мощность тепловых потерь передается равномерно испарителям 1, внутренние вертикальные ребра 2 в которых нагреваются, жидкий промежуточный теплоноситель 9 закипает на поверхностях внутренних вертикальных ребер 2. Пары промежуточного теплоносителя 9 в каждом термосифоне поднимаются вверх и через расходный коллектор 6 поступают в трубчатый конденсатор 3. Пары промежуточного теплоносителя 9 равномерно распределяются по вертикальным трубкам 4 с помощью верхнего парового коллектора 7 и конденсируются на внутренних поверхностях вертикальных трубок 4 и внутренних спиралевидных ребрах 8. Кроме того, внутренние спиралевидные ребра 8 интенсифицируют стекания конденсата со стенок вертикальных трубок 4 в объем промежуточного теплоносителя 9. Тепловая мощность потерь через стенки вертикальных трубок 4 передается к внешнему оребрению 5 и далее за счет естественной или принудительной конвекции передается в окружающее пространство. Для эффективного кипения промежуточного теплоносителя 9, например перфтортриэтиламина, испарители термосифонов заполнены данной жидкостью таким образом, что 70-75% по высоте внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости. Для сбрасывания избыточного давления пара в вертикальных трубках 4 трубчатого конденсатора 3, которое может возникнуть вследствие краткосрочного аварийного скачка силового тока через СПП 12. Клапаны 10 избыточного давления настроены на срабатывание при повышении давления паров до 1,2-1,3 кг/см. Все это в целом значительно увеличивает эффективность работы устройства при охлаждении силовых полупроводниковых приборов.

По сравнению с известным устройством предлагаемое позволяет повысить эффективность охлаждающего устройства, улучшить технологичность изготовления, снизить материалоемкость устройства, дифференцировать конструкцию устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов.

В ОАО «Электропреобразователь» в июне-июле 2012 г. были проведены тепловые испытания макетов предлагаемого устройства, результаты которых превосходят на 40-50% результаты прототипов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может использоваться в статистических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов и модулей. Сущность изобретения достигается тем, что устройство включает термосифон, содержащий конденсатор с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединенный с испарителем, заполненным жидким промежуточным теплоносителем. Испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, а сверху над конденсатором расположен паровой коллектор. Дополнительно содержит второй идентичный термосифон. В испарителях расположены внутренние вертикальные ребра. Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка. В каждом термосифоне трубчатый конденсатор состоит из пучка вертикальных трубок, каждая из которых имеет внутреннее спиралевидное ребро. Сверху к паровым коллекторам термосифонов жестко прикреплены клапаны избыточного давления. Количество вертикальных трубок и геометрические размеры вертикальных трубок в пучке трубчатого конденсатора одного термосифона определяется по формуле. Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка из пресс-материала определенных размеров. Испарители термосифонов заполнены жидким промежуточным теплоносителем, перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости. Каждая вертикальная трубка трубчатого конденсатора имеет внутреннее спиралевидное ребро, высота которого определяется по формуле. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждающего устройства, улучшить технологичность изготовления, снизить материалоемкость устройства, дифференцировать конструкцию устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП). 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающее термосифон, содержащий конденсатор с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединенный с испарителем, заполненным жидким промежуточным теплоносителем, испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, а сверху над конденсатором расположен паровой коллектор, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй идентичный термосифон, в испарителях которых расположены внутренние вертикальные ребра, между трубчатыми конденсаторами термосифонов вставлена изоляционная вставка, при этом в каждом термосифоне трубчатый конденсатор состоит из пучка вертикальных трубок, каждая из которых имеет внутреннее спиралевидное ребро, кроме того, сверху к паровым коллекторам термосифонов жестко прикреплены клапаны избыточного давления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество вертикальных трубок и геометрические размеры вертикальных трубок в пучке трубчатого конденсатора одного термосифона определяются следующими соотношениями:
N=ΣS_конд/S_конд,
,
,
где N - количество вертикальных трубок в трубчатом конденсаторе одного термосифона, шт.;
ΣS_конд - общая внутренняя площадь трубчатого конденсатора всех вертикальных трубок одного термосифона, м²;
S_конд - внутренняя площадь конденсации одной вертикальной трубки с учетом внутреннего спиралевидного ребра, м²;
Р_спп - мощность тепловых потерь, отводимая от СПП, Вт;
α_конд - коэффициент теплоотдачи при конденсации в зависимости от типа промежуточного теплоносителя, Вт/(м²·°С);
T_s - температура насыщения промежуточного теплоносителя, °С;
Т_с - температура внутренней поверхности вертикальных трубок трубчатого конденсатора, °С;
S_op - площадь внешней поверхности оребрения одного трубчатого конденсатора, м²;
α_конв - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности к охлаждаемому воздуху в зависимости от скорости воздуха, Вт/(м²·°С);
T_cf - температура охлаждающего воздуха, °С.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что изоляционная вставка между термосифонами выполнена из пресс-материала следующих размеров:
(А+40)(В+40)5,
где А - высота конденсатора, мм;
В - ширина конденсатора, мм.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что испарители термосифонов заполнены жидким промежуточным теплоносителем, перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая вертикальная трубка трубчатого конденсатора имеет внутреннее спиралевидное ребро, высота которого определяется следующим образом:
h=(0.1÷0.2)d_вн,
где h - высота ребра, мм;
d_вн - внутренний диаметр вертикальных трубок трубчатого конденсатора, мм.