Радиоэлектронное устройство с испарительным охлаждением жидким диэлектриком Советский патент 1992 года по МПК H05K7/20 H01L23/46 

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям, интегральным схемам и радиопередатчикам с испарительной жидким диэлектриком системой охлаждения с промежуточным теплообменником, охлаждаемым проточной водой.

При расчете теплообменника расход воды на его охлаждение определяется из условий максимальной ее температуры, а также максимальной величины мощности рассеиваемой электроэлементами. (Исаке- ев А.И., Киселев И.Г., Филатов В.В.. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. -Л.: Энерго- издат, 1982. - 136с.)

Если величина расхода воды, определенная из этих условий, т.е. без учета сезонных колебаний температуры и изменения режима работы устройства, будет поддерживаться неизменной в процессе эксплуатации, то это приведет к существенному перерасходу воды. Механизм влияния этих факторов на величину расхода воды следует из уравнений теплопередачи и теплового баланса:

H K F-AT,(1)

Р V-CPB-PB (Тв2-Тв,), (2) где Р - мощность рассеивания;

К- коэффициент теплопередачи от паров жидкого диэлектрика, конденсирующихся на наружной поверхности труб теплообменника, к воде, охлаждающей их внутреннюю поверхность;

ДТ - средняя разность температур между температурой паров воды в трубах теплообменника;

F - площадь поверхности труб теплообменника;

V - расход воды на охлаждение теплообменника;

СрВ, РВ - теплоемкость и плотность воды;

ТВ1 , Тв2 - температура воды на входе и выходе теплообменника.

При тепловом равновесии в теплообменнике

K-F АТ V-Срв рв ( TBI - ТВ2 ). (3)

С изменением температуры воды на входе в теплообменник или величины мощности рассеивания в кожухе тепловое равновесие в теплообменнике нарушается, что сопровождается изменением давления паров в кожухе соответственно, температуры кипения жидкого диэлектрика и,как следствие этого, изменение температуры электроэлементов, для стабилизации которой необходимо изменить расход воды на охлаждение теплообменника.

Результаты исследований теплообменника с сребренной наружной поверхностью трубок в испарительной жидким диэлектриком системе охлаждения электроэлементов

показали, что с учетом сезонного изменения температуры воды от 4 до 22°С ее расход на охлаждение теплообменника при температуре концентрации в нем паров жидкого диэлектрика, равной 70°С, сокращается в два

раза по сравнению с расходом воды,определенным при ее максимальной температуре 22°С, а с изменением величины мощности рассеивания расход воды на охлаждение теплообменника сокращается

пропорционально величине отношения мощностей рассеивания в степени 0,76,

v(-Ј-)°-76.

Поэтому регулировка расхода воды на

охлаждение теплообменника испарительной жидким диэлектриком системы охлаждения представляет большой практический интерес.

Известно устройство (Заявка Японии Nit

59-25385, 1984), позволяющее регулировать расход воды на охлаждение теплообменника при изменении температуры воды на входе в теплообменник и величины мощности рассеивания полупроводниковых

приборов, охлаждаемых жидким диэлектриком. Устройство содержит герметичный кожух. частично заполненный жидким диэлектриком, ниже уровня которого располагаются силовые полупроводниковые приборы, а выше - трубчатый теплообменник, охлаждаемый проточной водой. Снаружи кожуха, ниже уровня находящегося в нем жидкого диэлектрика, располагаются силь- фон, внутренний объем которого снизу соединен трубкой с герметичным кожухом, а сверху сильфона установлен шток, верхний конец которого прикрепляется к нижнему основанию тарелки клапана возвратного действия, установленного в трубопроводе

водоснабжения теплообменника. Сверху тарелки клапана установлена пружина, плотно прижимающая тарелку клапана к ее посадочному гнезду, перекрывая тем самым доступ воды в теплообменник из трубопровода водоснабжения, подсоединенного к клапану выше его тарелки.

При включении устройства полупроводниковые приборы,расположенные в герметичном кожухе, выделяют тепло. Жидкий

диэлектрик, отбирая это тепло, закипает и превращается в пар, при этом давление в герметичном кожухе начинает повышаться. Когда давление паров достигнет такой величины, при которой сила, создаваемая им в

сильфоне и сообщаемая посредством штока тарелке клапана, превысит суммарную силу, создаваемую пружиной и давлением воды, .приложенную к противоположной стороне тарелки клапана, сильфон перемещает шток кверху и поднимает тарелку клапана над посадочным гнездом, вследствие чего вода из трубопровода водоснабжения поступает в теплообменник, охлаждая поверхность его труб до температуры ниже температуры конденсации паров жидкого диэлектрика, вследствие чего начинается теплопередача от паров к воде, сопровождающаяся конденсацией паров на наружной поверхности труб теплообменника, При этом давление пэров в герметичном кожухе стабилизируется, а образовавшийся конденсат паров под действием сил тяжести стекает вниз к месту повторного испарения.

Недостатками устройства являются снижение надежности полупроводниковых приборов и увеличение массогабаритных характеристик кожуха, вызванное повышенным давлением паров о кожухе при кипении жидкого диэлектрика, вследствие того, что сила давления воды, поступающей из трубопровода водоснабжения, приложена сверху тарелки клапана, т.е. с той же стороны, что и сила давления пружины, создавая тем самым дополнительное сопротивление сильфону при подъеме тарелки клапана и конденсируемое за счет роста избыточного давления паров жидкого диэлектрика в кожухе. Повышение давления паров в герметичном кожухе приводит к росту температуры кипящего жидкого диэлектрика соответственно, к росту температуры полупроводниковых приборов, охлаждаемых жидким диэлектриком, из-за чего снижается надежность их работы.

Повышение давления паров приво - дит также к необходимости увеличения толщины стенок кожуха и,соответственно,его массогабаритных характеристик,

Целью изобретения является повышение надежности электроэлементов радиоэлектронной и силовой полупроводниковой техники, охлаждаемых кипящим жидким диэлектриком, а также уменьшение массогабаритных характеристик устройства охлаждения вследствие снижения величины давления паров жидкого диэлектрика в герметичном кожухе.

Поставленная цель достигается тем, что клапан, регулирующий расход воды на охлаждение теплообменника, устанавливается в трубопроводе водоснабжения теплообменника таким образом, что поток воды подводит ся не сверху, а снизу тарелки клапана, при этом сила давления воды, поступающей из трубопровода водоснабжения, и сила давления паров жидкого диэлектрика, передаваемая из кожуха с помощью сильфона, оказываются приложены с одной

стороны тарелки клапана, вследствие чего уменьшается сила сопротивления при подъеме сил ьфоном тарелки клапана над ее гнездом, что приводит к. снижению давления паров жидкого диэлектрика в кожухе, кроме .

0 этого, между сильфоном и тарелкой клапана устанавливается горизонтальный шток, один конец которого прикрепляется к вертикальному штоку, соединяющему сильфон с тарелкой клапана, а на противоположном

5 его конце устанавливается нормально разомкнутый контакт, который при перемещении сильфоном штока в крайнее верхнее положение, соответствующее превышению величины предельно допустимого давления

0 паров в герметичном кожухе, вызванного сокращением расхода воды на охлаждение . теплообменника или полным прекращением ; ее подачи и трубопровода водоснабжения, замыкает контакт цепи блокировки, отклю5 чающей охлаждаемые жидким диэлектриком электроэлементы.

На чертеже показано устройство с испа- рительным охлаждением жидким диэлектриком элементов радиоэлектронной и

0 силовой полупроводниковой техники.

Устройство содержит герметичный кожух 1, частично заполненный жидким диэлектриком 2. Ниже уровня жидкого диэлектрика в кожухе расположены охлаж5 даемые электрорадиоэлементы 3, а выше уровня трубчатый теплообменник 4 с водяным охлаждением. К теплообменнику подсоединен трубопровод водоснабжения 5. в котором установлен клапан возвратного

0 действия 6, регулирующий расход воды, поступающей на охлаждение теплообменника.

Клапан установлен таким образом, что поток воды из трубопровода водоснабже5 ния подведен с той же стороны тарелки 7, плотно прижимаемой сверху к посадочному гнезду клапана пружиной 8, которой прикреплен верхний конец вертикального штока 9, нижний конец которого прикреплен

0 сверху к сильфону 10, установленному вер- тикально снаружи герметичного кожуха ниже уровня находящегося в нем жидкого диэлектрика и присоединенному к герметичному кожуху трубопроводом 11. Проти5 воположный конец этого трубопровода соединен с герметичным кожухом ниже уровня находящегося там жидкого диэлектрика. Если вода из трубопровода водоснабжения подводится сверху тарелки клапана, как это сделано в рассмотренном изобретении, то даоление паров в герметичном кожухе будет равняться сумме давлений, создаваемых водой Рв и пружиной Рпр, умноженной на отношение площадей тарелки клапана Зтар и сильфона Зсильф.:

(Рпр + Р.в)(1)

nap-vmp; r.B; при подводе воды снизу тарелки клапана, т.е. с противоположной стороны, давление паров в герметичном кожухе будет равняться разности давлений, создаваемых пружиной и водой Рв, умноженной на то же отношение площадей тарелки клапана STap и сильфона Зсильф

nl /D1 D утар. tn Рпар-(Рпр-Рв)Тс(2)

Из отношения (1) и (2) находим, что величина давления паров в герметичном кожухе при

подводе охлаждающей воды снизу тарелки р i p

клапана в раз меньше, чем при

пр в подводе воды сверху тарелки и равно

р1Рпар

Кпар Рпр. + Рв/( Pf,p - Ре ) Например, при подводе воды сверху тарелки клапана, ее давлении Рв 2 104кг/м2, давлении, создаваемом пружиной Рпр 1 10 кг/м , и величине отношения 5тар/5сильф 0,1 избыточное давление паров в герметичном кожухе будет

Рпар (2+ 1).1040,1 0,3-104 кг/м2, а при подводе воды снизу тарелки клапана, той же величине давления воды и давлении, создаваемом пружиной 3-Ю4 кг/м2, давление паров в кожухе снизится в 3 раза,

Т.е. ДО Р1пар 0, КГ/М2.

К вертикальному штоку между сильфо- ном и клапаном прикрепляется горизонтальный шток (12), противоположный конец которого снабжен нормально разомкнутым контактом 13, который замыкает контакт 14 цепи блокировки, отключающей охлаждаемые жидким диэлектриком электрорадиоэлементы.

Устройство работает следующим образом. При включении устройства электрорадиоэлементы, расположенные в герметичном кожухе, начинают выделять тепло. Отбирая это тепло, жидкий диэлектрик нагревается, закипает и превращается в пар. который поднимается кверху и, достигая наружной поверхности трубок теплообменника, внутренняя поверхность трубок при этом не охлаждается водой, так как клапан, установленный в трубопроводе водоснабжения и регулирующий расход воды на охлаждение теплообменника, закрыт.

Поэтому в кожухе начинает расти давление паров жидкого диэлектрика. Когда давление достигнет такой величины, при которой создаваемая им в сильфоне сила

растяжения, а также сила давления воды из трубопровода водоснабжения, приложенные с нижней стороны тарелки клапана, превысят силу сжатия пружины, приложенную сверхутарелки клапана,последняя поднимается над своим гнездом, открывая тем самым через образовавшуюся кольцевую щель доступ воды из трубопровода водоснабжения в теплообменник, которая охлаждает поверхности трубок

теплообменника до температуры ниже температуры конденсации паров жидкого диэлектрика, после чего начинается теплопередача от паров к воде, сопровождающаяся конденсацией паров на наружнойповерхности трубок

теплообменника, вследствие чего давление паров жидкого диэлектрика в кожухе стабилизируется.

С увеличением температуры воды на

входе в теплообменник или с увеличением мощности рассеивания электроэлементов расход воды на охлаждение теплообменника увеличивается за счет большого открытия сильфоном регулировочного клапана вследствие повышения давления паров в герметичном кожухе. Со снижением температуры воды на входе в теплообменник или с уменьшением величины мощности рассеивания электроэлементов расход воды на охлаждение теплообменника автоматически снижается путем уменьшения открытия сильфоном регулировочного клапана вследствие снижения давления паров в герметичном кожухе.

В том случае, когда подача воды из трубопровода водоснабжения в теплообменник снижается или прекращается вовсе, при неизмененной величине мощности рассеивания в теплообменнике давление паров в

герметичном кожухе начинает расти, при этом сильфон, удлиняясь, перемещает кверху закрепленный между сильфоном и клапаном горизонтальный шток с нормально разомкнутым контактом до положения, соответствующего предельно допустимой величине давления паров в герметичном кожухе. При этом подвижный кон гакт замыкает контакт цепи блокировки, отключающей охлаждаемые жидким диэлектриком

электроэлементы.

При выключении электроэлементов процесс преобразования жидкого диэлектрика в кожухе прекращается и даоление в кожухе снижается до исходной величины.

Формула изобретения 1. Радиоэлектронное устройство с испарительным охлаждением жидким диэлектриком, содержащее герметичный кожух, частично заполненный жидким диэлектри- ком, электрорадиоэлементы, расположенные в герметичном кожухе ниже уровня жидкого диэлектрика, трубчатый теплообменник водяного охлаждения, установленный внутри герметичного кожуха в его свободной от жидкого диэлектрика части над уровнем жидкого диэлектрика и соединенный с системой водоснабжения размещенным с внешней стороны герметичного кожуха трубопроводом с расположенным внутри него на его выводе и входе трубы теплообменника подпружиненным клапаном возвратного действия, который выполнен с тарелками торцевыми и ориентирован своими тарелками в плоскости, перпендику- лярной продольной геометрической оси герметичного кожуха, сильфон, установленный с внешней стороны герметичного кожуха вдоль его продольной геометрической оси ниже уровня жидкого диэлектрика в нем и соединен с внутренней полостью герметичного кожуха в его части с жидким диэлектриком трубопроводом своей одной торцевой частью, а своей другой торцевой частью - с нижней тарелкой клапана воз-

вратного действия посредством штока, ориентированного параллельно продольной геометрической оси, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и улучшения массогабаритных характеристик путем снижения давления паров жидкого диэлектрика в герметичном кожухе, вход и выход трубопровода размещен в плоскости перпендикулярной поршню сильфона, а выход трубопровода размещен под нижней тарелкой клапана возвратного действия, в месте соединения поршня сильфона с нижней тарелкой клапана возвратного действия, при этом клапан возвратного действия подпружинен со стороны своей верхней тарелки относительно входа трубы теплообменника.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е- е с я тем, что сильфон снабжен дополнительным штоком, установленным перпен- дикулярно относительно основного штока и закрепленного на нем одним своим концом, и нормально разомкнутым контактом для подключения к цепи блокировки электрорадиоэлементов, причем нормально разомкнутый контакт установлен на свободном конце дополнительного поршня.

Использование: изобретение относится к полупроводниковым преобразователям, интегральным схемам и радиопередатчикам с испарительным охлаждением жидким диэлектриком, системой охлаждения с промежуточным теплообменником, охлаждаемым проточной водой. Сущность изобретения: с целью повышения надежности и улучшения массогабаритных характеристик путем снижения величины давления паров жидкого диэлектрика в герметичном кожухе устройство содержит герметичный кожух 1, частично заполненный жидким диэлектриком 2. Выход Ьоды 77 Ниже уровня жидкого диэлектрика в кожухе расположены охлаждаемые электрорадиоэлементы 3, а выше уровня трубчатый теплообменник 4 с водяным охлаждением. К теплообменнику подсоединен трубопровод водоснабжения 5, в котором установлен клапан возвратного действия 6, регулирующий расход воды, поступающей на охлаждение теплообменника. Клапан установлен таким образом, что поток воды из трубопровода водоснабжения подведен с той же стороны тарелки 7, плотно прижимаемой сверху к посадочному гнезду клапана пружиной 8, к которой прикреплен верхний конец вертикального штока 9, нижний конец которого прикреплен сверху к сильфону 10, установленному вертикально снаружи герметичного кожуха ниже уровня находящегося в нем жидкого диэлектрика и присоединенному к герметичному кожуху трубопроводом 11. Противоположный конец этого трубопровода соединен с герметичным кожухом 1 ниже уровня находящегося там жидкого диэлектрика. 1 з.п. ф-лы. 1 лп. 1 Ё VI VI VI ю ел ел