Устройство жидкостного охлаждения термоэлектрогенератора Российский патент 2023 года по МПК H05K7/20 H01L23/367 H01L23/38 H01L23/473 

Изобретение относится к средствам, улучшающим охлаждение силовых полупроводниковых элементов, преимущественно к полупроводниковым термоэлектрогенераторам, основанным на эффекте Пельтье, и может использоваться при получении электроэнергии в автономных условиях.

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) все более широко применяются для выработки электричества в отдаленных от линии электропередач (ЛЭП) местах, особенно для необслуживаемого оборудования, где предпочтителен минимум движущихся энергонапряженных узлов. Несмотря на низкий по сравнению с поршневыми и турбинными генераторами КПД, термоэлектрогенераторы существенно превосходят их по надежности и по времени автономной работы. По рабочим температурам и протекающим токам они относятся к силовым полупроводниковым элементам.

Известен ряд термоэлектрогенераторов, основу конструкции которых составляют сборки элементов Пельтье, выпускаемых российскими и зарубежными производителями. Содержательный обзор на эту тему представлен в публикации ведущего российского производителя - компании «Криотерм» [https://static.chipdip.ru/lib/386/DOC001386708.pdf].

Наиболее популярны элементы Пельтье на основе теллурида висмута, не требующие экстремальных рабочих температур и обладающие умеренным КПД. Элементы Пельтье обычно содержат 127 или 199 кубиков полупроводника р и n проводимости, размещенные между керамическими пластинами с нанесенными электродами. Выходное напряжение элемента в первой степени приближения пропорционально разности температур холодной и горячей пластин, соответственно выходная мощность элемента в первой степени приближения пропорциональна квадрату разности температур. Однако в реальности ЭДС полупроводника нелинейно зависит от температуры. На фиг. 1 приведен график зависимости выходного напряжения экспериментального термоэлектрогенератора от температуры. Из графика можно видеть, что в диапазоне от комнатных температур до максимальных рабочих температур термоэлемента (порядка 200°С для теллурида висмута) крутизна зависимости ЭДС от температуры уменьшается в 3 раза. Это обстоятельство свидетельствует о том, что для достижения максимальной мощности желательно не столько повышать эффективность нагрева горячей стороны термоэлемента, сколько повышать эффективность охлаждения его холодной стороны. Вместе с тем, остается актуальной тенденция поддерживать температуру горячей стороны на максимально возможном уровне.

Типичный термоэлектрогенератор содержит батарею термоэлектрических модулей, помещенных между нагреваемой пластиной и охлаждаемой пластиной. Охлаждение производится, как правило, жидкостным охладителем, отводящим поток тепла к радиатору с развитой поверхностью. Воздушные охладители, как указано в публикации [«Общие вопросы охлаждения радиоаппаратуры. Проблема охлаждения» - https://vuzlit.com/2213826/obschie_voprosy_ohlazhdeniya_radioapparatury?ysclid=14z9gdjqza6 08591215], в десятки раз уступают по эффективности жидкостным охладителям. На втором месте по эффективности находятся тепловые трубы. Сравнительные оценки эффективности систем охлаждения на тепловых трубах и активных жидкостных охладителей приводятся в статье [А. Колпаков. Охлаждение в системах высокой мощности // Силовая электроника, №3, 2010, с. 62-66]. В частности, отмечается, что увеличением скорости прокачки можно существенно увеличивать интенсивность отвода тепла. Тепловые трубы привлекательны удобством переноса потока тепла в удобное для размещения радиатора место. Вместе с тем, относительно большие уровни мощности, отводимой от современных термоэлектрогенераторов, вступают в противоречие с возможностями тепловых труб, которые по необходимости приходится выполнять с относительно большим сечением. При этом в массиве металла (чаще всего алюминия), заключающем в себе трубы, создаются заметные градиенты температуры, снижающие эффективность функционирования термоэлектрогенератора. Указанные градиенты могут считаться некритичными для общераспространенных полупроводниковых элементов, однако для термоэлектрогенераторов, функционирующих преимущественно при температурах, близких к предельно допустимым, играют решающую роль. В тех участках охлаждаемой поверхности термоэлементов, где эффективность отвода тепла снижена, противолежащие участки нагреваемой поверхности подвергаются перегреву. Поскольку контроль температуры нагреваемой поверхности производится в локальных точках, существует опасность перегрева в неконтролируемых участках с другой локализацией. В связи с этим наиболее мощные термобатареи нуждаются в системах с прокачкой охлаждающей жидкости в относительно более тонких канальных структурах, для которых проблема температурных градиентов снижается пропорционально сечению.

В технике жидкостного охлаждения полупроводниковых элементов массово представлены устройства для охлаждения мощных полупроводниковых элементов в силовой электронике, а также для охлаждения компьютерных процессоров и видеокарт, характеризующихся большим тепловыделением на единицу площади. Известен ряд устройств, содержащих прилегающую к охлаждаемой поверхности кювету с жидкостью, прокачиваемой с помощью помпы через радиатор, например, как в источнике [Жидкостная система охлаждения мощного электронного компонента, RU 73765 U1]. Размеры охлаждаемой площадки для компьютерных чипов обычно составляют 40×40 мм, что не создает особых затруднений с обеспечением равномерности охлаждения поверхности. Тем не менее, в них приходится предусматривать элементы турбуляризации потока жидкости и равномерного направления ее ко всем участкам охлаждаемой поверхности. В качестве турбуляризаторов часто используют помещаемые в кювету проволочные спирали. Проблема равномерности усложняется при совместном размещении в термоэлектрогенераторе нескольких элементов, например, 6, 8 и т.д. Площадь, на которой требуется создать равномерное охлаждение, соответственно увеличивается, что требует специальной проработки конфигурации структур, направляющих поток жидкости к периферийным участкам охлаждаемой поверхности.

Среди близких аналогов предлагаемого изобретения известно находящееся в массовой продаже устройство жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых элементов, доступное, например, по ссылке [Блок водяного охлаждения G14 GPU универсальный http://lyvi.ru/p-4001122089637], содержащее прямоугольную кювету, представленную контактирующей с полупроводниковой структурой охлаждаемой пластиной с бортами и с крышкой, в которую проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости. Под крышкой, на ее внутренней стороне, расположен направляющий элемент для равномерного распределения потока жидкости. Направляющий элемент представляет собой выступ на крышке, замедляющий прямой поток жидкости между каналами и отклоняющий его к периферии кюветы. Ряд проведенных экспериментов показал, что типичные конфигурации направляющих элементов, подобные данному аналогу, принятому за прототип, не обеспечивают достаточной равномерности распределения температуры между тепловыделяющими элементами. Существует ряд конфигураций радиаторов с протеканием охлаждающей жидкости по меандру, спирали, по системе параллельных каналов или в калиброванном плоском канале, как в вышеупомянутом патенте [RU 73765 U1]. Их общим недостатком является постепенный нагрев и соответствующее снижение охлаждающей способности жидкости по мере ее протекания по каналу, что так или иначе создает нежелательный градиент температуры на охлаждаемой поверхности. Очевидное и тривиальное решение, состоит в увеличении количества и скорости прокачиваемой жидкости, при этом удается несколько интенсифицировать отвод тепла. Однако это решение неприемлемо в ситуации с термоэлектрогенераторами, поскольку недопустимо тратить на охлаждение существенную часть генерируемой мощности. Между тем, физика работы термоэлектрогенераторов такова, что градиент всего лишь в несколько градусов сопровождается дефицитом располагаемой мощности порядка 10%. Если пытаться повышать температуру горячей стороны до компенсации указанного дефицита, неизбежно произойдет перегрев отдельных элементов, сопровождаемый преждевременным выходом их из строя.

Задача изобретения состоит в снижении неблагоприятного эффекта дефицита мощности, обусловленного неравномерностью распределения температуры по охлаждаемой поверхности силовых полупроводниковых элементов, в особенности термоэлектрогенераторов.

Технический результат состоит в повышении располагаемой мощности, а также в повышении эксплуатационной надежности за счет снижения риска перегрева отдельных элементов.

Технический результат достигается тем, что в устройстве жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых элементов, содержащем прямоугольную кювету, представленную контактирующей с полупроводниковой структурой охлаждаемой пластиной с бортами и с крышкой, в которую проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости, причем под крышкой расположен направляющий элемент для равномерного распределения потока жидкости, отличие состоит в том, что каналы ввода и вывода выполнены в виде соосных патрубков, первый патрубок установлен по центру крышки и снабжен боковым отводом и концевой заглушкой, сквозь которую внутрь кюветы проведен второй патрубок до уровня половины высоты бортов, при этом направляющий элемент выполнен в виде установленной на конце второго патрубка перпендикулярной ему направляющей пластины, повторяющей по форме внутренний контур кюветы и имеющей зазор с ее бортами, а на средних частях боковых сторон направляющей пластины выполнены уширения, отогнутые в сторону охлаждаемой пластины.

Изобретение поясняется иллюстрациями фиг. 1-3. На фиг. 1 приведена зависимость выходного напряжения термоэлектрогенератора от температуры. На фиг. 2 показано расположение составных частей устройства. На фиг. 3 показано расположение направляющей пластины в кювете.

Устройство жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых элементов, показанное на фиг. 2, содержит прямоугольную кювету, образованную охлаждаемой пластиной 1, контактирующей с силовыми полупроводниковыми элементами термоэлектрогенератора 2, бортами 3 и крышкой 4. В кювету проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости, выполненные в виде соосных патрубков 5 и 6. Первый патрубок 5 установлен по центру крышки 4 и снабжен боковым отводом 7 и заглушкой 8. Сквозь заглушку 8 внутрь кюветы проведен второй патрубок 6, заканчивающийся на уровне половины высоты бортов 3. Под крышкой 4 расположен направляющий элемент для равномерного распределения потока жидкости, выполненный в виде установленной на конце второго патрубка 6 перпендикулярной ему пластины 9. Направляющая пластина 9, как показано на фиг. 3, повторяет по форме внутренний контур кюветы и отделена от бортов 3 зазором 10. На средних частях боковых сторон пластины 9, как показано на фиг. 3, выполнены боковые уширения контура 11, отогнутые в сторону охлаждаемой пластины 1. Направление циркуляции жидкости условно показано стрелками.

Устройство работает следующим образом. В процессе работы силовых полупроводниковых элементов термоэлектрогенератора на охлаждаемую пластину 1 поступает поток тепла, подлежащего отведению. Тепло, благодаря теплопроводности пластины 1, передается потоку жидкости, прокачиваемой по траектории: боковой отвод 7, первый патрубок 5, пространство между крышкой 4 и направляющей пластиной 9, боковой зазор 10, пространство между направляющей пластиной 9 и охлаждаемой пластиной 1, второй патрубок 6. Вне устройства жидкость из патрубка 6 направляется во внешний охладитель (радиатор), после чего возвращается в боковой отвод 7 первого патрубка 5. Циркуляция жидкости обеспечивается помпой.

Радиальное течение жидкости обеспечивает угловую равномерность охлаждения. Расположение направляющей пластины 9 на уровне середины высоты бортов 3 кюветы обеспечивает равенство напоров в промежутках выше и ниже пластины, минимизируя общее гидродинамическое сопротивление. По мере продвижения жидкость поглощает передаваемое охлаждаемой пластиной 1 тепло с интенсивностью, зависящей от перепада температур и скорости потока. С приближением к центру кюветы жидкость нагревается, и перепад температур уменьшается. В то же время с продвижением к центру кюветы сечение радиально сходящегося потока уменьшается, а скорость соответственно увеличивается, благодаря чему увеличивается интенсивность теплообмена. В результате происходит радиальное выравнивание скорости отвода тепла от различных участков пластины. Угловое и радиальное выравнивание скорости отвода тепла обеспечивает решение задачи изобретения. В соответствии с достигаемой равномерностью отвода тепла от охлаждаемой пластины 1 и контактирующих с ней силовых полупроводниковых элементов термоэлектрогенератора 2 удается снизить риск локальных перегревов при работе устройства в области максимально допустимых температур, а следовательно, повысить располагаемую мощность при сохранении высокой эксплуатационной надежности.

Конкретные соотношения размеров определяются конкретной конфигурацией кюветы, количеством и расположением генерирующих модулей. Вне зависимости от конкретики заявленное техническое решение обеспечивает возможность направления потока за счет отогнутых боковых уширений контура 11 к наименее омываемым жидкостью угловым областям крайних термоэлементов, а также возможность углового выравнивания скоростей подбором профиля отогнутых боковых участков отгибов.

Следует отметить неравнозначность направления потока охлаждающей жидкости. Техническим решением предусмотрена подача жидкости по первому патрубку 5. В этом случае первоочередный отвод тепла происходит на периферии, температура жидкости увеличивается. Вместе с тем по мере приближения к центру кюветы увеличивается скорость потока и тем самым скорость отвода тепла, несмотря на повышенную температуру. В результате распределение температуры по поверхности охлаждающей пластины остается в целом равномерным, что и позволяет с меньшим риском приближаться к верхнему пределу рабочей температуры. Если предположить ввод жидкости по центральному второму патрубку 6, то в этом случае наибольший отбор тепла происходит из центральной области, в то время как периферийные области, куда жидкость поступает с уже повышенной температурой и с меньшей скоростью, перегреваются. Таким образом, вариант подачи охлаждающей жидкости по центральному патрубку 6 следует считать неактуальным.

Пример реализации. Экспериментально исследована кювета для охлаждения четырех термоэлектрогенераторных модулей, расположенных рядами 2×2. Предварительно модули были испытаны по отдельности, показав разброс генерируемого напряжения в пределах ±3%, вполне объяснимых разбросом индивидуальных характеристик. При осуществлении охлаждения по принципу прототипа разброс напряжений между элементами достигал ±15%, что в условиях протекания через элементы одного и того же тока соответствует такому же разбросу по мощности, а также в первом приближении по температуре. Таким образом, в четверке модулей присутствовали как перегретые, так и переохлажденные модули. При осуществлении охлаждения в устройстве, выполненном в соответствии с заявляемым техническим решением, разброс напряжений был снижен до ±5%, то есть существенно приблизился к индивидуальному разбросу 3%. Соответственно степень перегрева отдельных элементов относительно среднего уровня в заявляемом устройстве значительно снижается. Это позволяет повысить среднюю рабочую температуру и связанную с ней располагаемую мощность без риска выхода из строя перегретых элементов.

Изобретение относится к средствам, улучшающим охлаждение силовых полупроводниковых элементов, преимущественно к полупроводниковым термоэлектрогенераторам, основанным на эффекте Пельтье, и может использоваться при получении электроэнергии в автономных условиях. Технический результат - повышение располагаемой мощности, а также повышение эксплуатационной надежности за счет снижения риска перегрева отдельных элементов. Технический результат достигается тем, что устройство жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых элементов содержит прямоугольную кювету, представленную контактирующей с полупроводниковой структурой охлаждаемой пластиной с бортами и с крышкой. Через крышку в кювету проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости, выполненные в виде соосных патрубков. Первый патрубок установлен по центру крышки и снабжен боковым отводом и концевой заглушкой, сквозь которую внутрь кюветы проведен второй патрубок до уровня половины высоты бортов. На конце второго патрубка перпендикулярно ему установлен направляющий элемент, выполненный в виде пластины, повторяющей по форме внутренний контур кюветы и имеющей зазор с ее бортами. На средних частях боковых сторон пластины выполнены уширения контура, отогнутые в сторону охлаждаемой пластины. 3 ил.

Устройство жидкостного охлаждения термоэлектрогенератора, содержащее прямоугольную кювету, представленную контактирующей с полупроводниковой структурой охлаждаемой пластиной с бортами и с крышкой, в которую проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости, причем под крышкой расположен направляющий элемент для равномерного распределения потока жидкости, отличающееся тем, что каналы ввода и вывода выполнены в виде соосных патрубков, первый патрубок установлен по центру крышки и снабжен боковым отводом и концевой заглушкой, сквозь которую внутрь кюветы проведен второй патрубок до уровня половины высоты бортов, при этом направляющий элемент выполнен в виде установленной на конце второго патрубка перпендикулярной ему направляющей пластины, повторяющей по форме внутренний контур кюветы и имеющей зазор с ее бортами, а на средних частях боковых сторон направляющей пластины выполнены уширения, отогнутые в сторону охлаждаемой пластины.