Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано в статистических преобразователях электрической энергии. Сущность: устройство содержит испаритель, который имеет вертикальные каналы кипения, соединенные между собой сверху горизонтальным паровым коллектором и снизу горизонтальным коллектором конденсата, герметичный корпус с внешним вертикальным оребрением и конденсатор с внутренними каналами конденсации, имеющими верхние входные отверстия пара и нижние выходные отверстия конденсата. Горизонтальный паровой коллектор соединен с верхними входными отверстиями пара паропроводом. Коллектор конденсата соединен с нижними выходными отверстиями конденсата наклонным конденсатопроводом. Каналы кипения и частично каналы конденсации заполнены жидким промежуточным теплоносителем. К испарителю с внешней стороны прикреплены один или несколько силовых полупроводниковых приборов. Внешнее оребрение корпуса выполнено параллельно каналам кипения и каналам конденсации. Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства типа двухфазного термосифона и снижении расхода дорогостоящего жидкого диэлектрика. 11. з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии.

Известно охлаждающее устройство для силовых полупроводниковых приборов (СПП) на основе цельнометаллических алюминиевых прессованных профилей (см. Охладители воздушных систем охлаждения для полупроводниковых приборов. М., Информэлектро, 1966, с. 31).

Однако такие конструкции обладают низкой эффективностью теплоотвода и большой материалоемкостью.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство типа двухфазного термосифона для охлаждения СПП, состоящее из герметичного корпуса, частично заполненного промежуточным теплоносителем, испарителя с горизонтальными каналами кипения, полностью заполненными промежуточным теплоносителем и конденсатором, находящимся внутри герметичного корпуса. Испаритель, к внешней поверхности которого присоединен охлаждаемый СПП, соединен с конденсатором общим пароконденсатопроводом, расположенным в нижней части устройства (Исакеев А.И. и др. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. Л., Энергоиздат, 1982, с.105-111).

Недостатком данной конструкции является то, что пары промежуточного теплоносителя и конденсат движутся встречно по одному гидравлическому пути, что значительно снижает эффективность устройства. Кроме того, данное устройство требует значительного расхода дорогостоящего жидкого легкокипящего диэлектрика, используемого в качестве промежуточного теплоносителя.

Технический эффект заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства типа двухфазного термосифона и снижении расхода дорогостоящего жидкого диэлектрика.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, содержащем герметичный корпус, частично заполненный промежуточным теплоносителем, внутри которого расположен конденсатор, испаритель с каналами кипения и конденсации, заполненными промежуточным теплоносителем, соединенный своей внешней поверхностью с охлаждаемым силовым полупроводниковым прибором, каналы кипения и конденсации, расположенные вертикально и параллельно друг другу, соединены между собой независимыми паропроводом сверху через паровой коллектор и наклонным конденсатопроводом снизу через коллектор конденсата, при этом внешнее оребрение корпуса выполнено параллельно каналам кипения и конденсации. Высота каналов кипения определена как H_к = (1,0 - 1,3)·D_СПП, м где H_к - высота каналов кипения, м; D_СПП - диаметр контактной поверхности СПП, м.

В качестве промежуточного теплоносителя использован диэлектрик-перфтортриэтиламин, при этом общая площадь каналов кипения определена как S_к = (2 - 4)·10^-5·P_СПП, м² где S_к - общая площадь каналов кипения, м²; P_СПП - мощность тепловых потерь СПП, Вт.

Количество вертикальных каналов кипения в ряду составляет N = (0,1 - 0,12)·D_СПП·10³ где N - количество вертикально каналов кипения в ряду.

Количество рядов n вертикальных каналов определено как n = 1 при S_к ≅ π·d·N·H_к
n > 1 при S_к > π·d·N·H_к
где n - количество рядов вертикальных каналов кипения;
d - диаметр каналов кипения, м, d = 0,008 - 0,01 м.

Площадь сечения вертикального паропровода равна

где S_пар- площадь сечения паропровода, м²;
r - удельная теплота парообразования жидкого диэлектрика, Дж/кг;
ρ - плотность паров жидкого диэлектрика, кг/м³.

Соотношение площадей входных отверстий пара в каналы конденсации и сечения паропровода равно
(1,0 - 1,2)·S^*·m≥S_пар
где S^* - площадь входного отверстия пара в канал конденсации, м²;
m - количество каналов конденсации.

Вертикальные каналы кипения имеют внутреннее оребрение в виде резьбы с высотой и шагом зубьев 0,5 - 1 мм. Соотношение площадей сечения конденсатопровода и сечения нижнего выходного канала конденсации равно
(1,0 - 1,2)·S^**·m≥S_{конд.пр}
где S_{конд.пр} - площадь сечения конденсатопровода, м²;
S^** - площадь нижнего выходного отверстия канала конденсации, м².

Соотношение площадей каналов кипения, каналов конденсации и внешней оребренной поверхности корпуса равно
S_к≈(0,2 - 0,5)·S_вн≈(0,01 - 0,02)·S_ор
где S_к - суммарная площадь внутренних поверхностей каналов кипения, м²;
S_вн - суммарная площадь внутренних поверхностей каналов конденсации, м²;
S_ор - площадь внешней оребренной поверхности корпуса, м².

Соотношение площадей сечений паропровода и конденсатопровода равно
S_{конд.пр} = (0,4 - 0,5)·S_пар.
где S_{конд.пр} - площадь сечения наклонного конденсатопровода, м²;
S_пар - площадь сечения вертикального паропровода, м².

При работе уровень жидкого диэлектрика в каналах кипения на 30-40% выше, чем в каналах конденсации.

На фиг. 1 изображена конструкция устройства.

На фиг. 2 - разрез устройства.

Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов содержит испаритель 1, который имеет вертикальные каналы кипения 2, соединенные между собой сверху горизонтальным паровым коллектором 3 и снизу горизонтальным коллектором конденсата 4. Герметичный корпус 5 с внешним вертикальным оребрением 6 и конденсаторы с внутренними каналами конденсации 7, имеющими верхние входные отверстия пара 8 и нижние выходные отверстия конденсата 9. Горизонтальный паровой коллектор 3 соединен с верхними входными отверстиями 8 пара паропроводом 10. Коллектор конденсата 4 соединен с нижними выходными отверстиями 9 конденсата наклонным конденсатопроводом 11. Каналы кипения 2 и частично каналы конденсации 7 заполнены жидким промежуточным теплоносителем 12. К испарителю 1 с внешней стороны прикреплены один или несколько силовых полупроводниковых приборов 13. Внешнее оребрение 6 корпуса 5 выполнено параллельно каналам кипения 2 и каналам конденсации 7.

Устройство работает следующим образом. При работе СПП 13 (одного или нескольких) мощность тепловых потерь P_СПП передается испарителю 1, вертикальные каналы 2 которого заполнены промежуточным теплоносителем 12, например, диэлектрической жидкостью перфтортриэтиламином. Высота вертикальных каналов 2 H_к определена как
H_к = (1,0 - 1,3)·D_СПП, м
где D_СПП - диаметр контактной поверхности СПП, м.

Суммарная площадь внутренних поверхностей вертикальных каналов 2 при использовании перфтортриэтиламина определена как
S_к = (2 - 4)·10^-5·P_СПП, м²
Количество вертикальных каналов 2 устройства N в одном ряду определено как
N = (0,1 - 0,12)·D_СПП·10^-3
Количество рядов вертикальных каналов 2 кипения данного устройства определено как
n = 1 при S_к ≅ π·d·N·H_к
n > 1 при S_к > π·d·N·H_к
Промежуточный теплоноситель 12 закипает в вертикальных каналах кипения 2, пар собирается в горизонтальном паровом коллекторе 3 и далее поступает в паропровод 10, площадь сечения которого S_пар как

где r - удельная теплота парообразования жидкого диэлектрика, Дж/кг;
ρ - плотность паров жидкого диэлектрика, кг/м³.

Через паропровод 10 пар достигает входных отверстий 8 пара в каналы конденсации 7. Соотношение между площадью сечения паропровода 10 и площадями входных отверстий 8 пара
(1,0 - 1,2)·S^*·m≥S_пар
где m - количество каналов конденсации.

В каналах конденсации 7 пар конденсируется за счет разности температур пара и внешней оребренной поверхности 6 герметичного корпуса 5. Соотношение между суммарной площадью поверхностей каналов кипения 2 S_к, суммарной площадью внутренних каналов конденсации 7 S_вн и площадью внешней оребренной поверхности 6 S_ор равно:
S_к≈(0,2 - 0,5)S_вн≈(0,01 - 0,02)·S_ор
Конденсат через выходные отверстия 9 конденсата попадает в наклонный конденсатопровод 11. Площадь сечения наклонного конденсатопровода S_{конд.пр} определена из условия
S_{конд.пр} = (0,4 - 0,5)·S_пар
Соотношение между S_{конд.пр} и площадью выходных отверстий 9 конденсата S^** определено:
(1,0 - 1,2)·S^**·m≥S_{конд.пр}
Далее конденсат по наклонному конденсатопроводу 11 поступает в коллектор конденсата 4, который соединен с вертикальными каналами кипения 2. При работе устройства уровень жидкого диэлектрика в вертикальных каналах кипения 2 на 30-40% выше, чем в каналах конденсации 7. Причиной этому является следующее. Площадь сечения паропровода 10 значительно меньше суммарной площади сечений каналов конденсации 7. Соответственно скорость движения пара в паропроводе 10 значительно выше, чем в каналах конденсации 7. В динамичном режиме для обеспечения равенства давлений в паропроводе 10 и конденсаторе жидкость в каналах кипения "устремляемся" за выходящим с большой скоростью паром и уровень ее повышается.

Кроме того, вырывающаяся с большой скоростью струя пара захватывает с собой частицы жидкости, которые забрызгивают (орошают) верхние (сухие в статике) участки каналов кипения, что также увеличивает эффективную площадь поверхности испарения. Все это позволяет сократить расход жидкого диэлектрика на 40-50%.

В настоящее время в АО "Электровыпрямитель" (г. Саранск) проводятся исследования опытных образцов данного устройства. Предварительные результаты показывают, что предлагаемая конструкция имеет совокупные технико-экономические показатели на 20-25% выше по сравнению с существующими отечественными и зарубежными аналогами. Расход дорогостоящего жидкого диэлектрика снижается на 40-50%.

Формула изобретения

1. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, содержащее герметичный корпус, частично заполненный промежуточным теплоносителем, внутри которого расположен конденсатор, испаритель с каналами кипения и конденсации, заполненными промежуточным теплоносителем, соединенный своей внешней поверхностью с охлаждаемым силовым полупроводниковым прибором, отличающееся тем, что каналы кипения и конденсации, расположенные вертикально и параллельно друг другу, соединены между собой независимыми паропроводом сверху через паровой коллектор и наклонным конденсатопроводом снизу через коллектор конденсата, при этом внешнее оребрение корпуса выполнено параллельно каналам кипения и конденсации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высота каналов кипения определена как
H_к = (1,0 - 1,3) · D_спп,
где H_к - высота каналов кипения, м;
D_спп - диаметр контактной поверхности силового полупроводникового прибора, м.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве промежуточного теплоносителя использован диэлектрик-перфтортриэтиламин, при этом общая площадь каналов кипения равна
S_к = (2 - 4) · 10^-5 · P_спп,
где S_к - общая площадь каналов кипения, м²;
P_спп - мощность тепловых потерь силового полупроводникового прибора, Вт.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество вертикальных каналов кипения в ряду равно
N = (0,1 - 0,12) · D_спп · 10^-3,
где N - количество вертикальных каналов кипения в ряду.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что количество рядов вертикальных каналов кипения равно
n = 1 при S_к≅ π·d·N·H_к,
n ≥ 1 при S_к> π·d·N·H_к,
где n - количество рядов вертикальных каналов кипения;
d - диаметр каналов кипения, м;
d = 0,008 - 0,01 м.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь сечения вертикального паропровода равна

где S_пар - площадь сечения паропровода, м²;
r - удельная теплота парообразования жидкого диэлектрика, Дж/кг;
ρ - плотность паров жидкого диэлектрика, кг/м³.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение площадей входных отверстий пара в каналы конденсации и сечения паропровода равно
(1,0 - 1,2) · S* · m ≥ S_пар,
где S* - площадь входного отверстия пара в канал конденсации, м²;
m - количество каналов конденсации.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальные каналы кипения имеют внутреннее оребрение в виде резьбы с высотой и шагом зубьев 0,5 - 1 мм.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение площадей сечения конденсатопровода и сечения нижнего выходного канала конденсации равно
(1,0 - 1,2) · S** · m ≥ S_{конд.пр},
где S_{конд.пр} - площадь сечения конденсатопровода, м²;
S** - площадь нижнего выходного отверстия канал конденсации, м².

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение площадей каналов кипения, каналов конденсации и внешней оребренной поверхности корпуса равно
S_к ≈ (0,2 - 0,5) · S_вн ≈ (0,01 - 0,02) S_ор,
где S_к - суммарная площадь внутренних поверхностей каналов кипения, м²;
S_вн - суммарная площадь внутренних поверхностей каналов конденсации, м²;
S_ор - площадь внешней оребренной поверхности корпуса, м².

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что соотношение площадей сечений паропровода и конденсатопровода равно
S_{конд.пр} = (0,4 - 0,5) · S_пар,
где S_{конд.пр} - площадь сечения наклонного конденсатопровода, м²;
S_пар - площадь сечения вертикального паропровода, м².

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при работе уровень жидкого диэлектрика в каналах кипения на 30 - 40% выше, чем в каналах конденсации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2