Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: в устройстве для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающем конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединенный с испарителем, внутри которого располагается интенсификатор кипения, автономный конденсатор располагается на расстоянии 1-3 метров сверху от испарителя, наполненного жидким промежуточным теплоносителем, и соединен с испарителем паропроводом и конденсатопроводом, который соединен с испарителем через сопла. Изобретение позволяет повысить эффективность охлаждающего устройства, улучшить технологичность его изготовления, снизить материалоемкость, дифференцировать конструкцию устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП). 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов.

Известно охлаждающее устройство для силовых полупроводниковых приборов (СПП) на основе цельнометаллических алюминиевых прессованных профилей (Охладители воздушных систем охлаждения для полупроводниковых приборов. - М.: Информэлектро, 1996, с.31).

Однако такие конструкции обладают низкой эффективностью теплоотвода и большой материалоемкостью.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство для 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, жестко соединенного с конденсатором. Испаритель частично заполнена жидким промежуточным теплоносителем (Исакеев А.И. и др. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. Л.: Энергоиздат, 1982, с.105-111).

Недостатком данной конструкции является низкая технологичность изготовления из-за большого количества сварных соединений между конденсатором и испарителем, высокая материалоемкость. Кроме того, данная конструкция не позволяет размещать испаритель и конденсатор в преобразовательных устройствах на некотором расстоянии друг от друга в целях более эффективной конструкторско-технологической компоновки преобразователей.

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

Сущность изобретения достигается тем, что устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов включает конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединен с испарителем, внутри которого расположен интенсификатор кипения. Автономный конденсатор расположен на расстоянии 1-3 метров сверху от испарителя, наполненного жидким промежуточным теплоносителем, и соединен с испарителем паропроводом и конденсатопроводом через сопла. Площадь поперечного сечения паропровода определяется следующим образом:

$$Sn=\frac{0.07\cdot P_{СПП}}{r\cdot {\rho }_n}+\mathrm{8,7}\cdot {10}^{-5}\cdot L$$

где: Sn - площадь сечения паропровода, м²;

Р_СПП - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;

ρ_n - плотность паров жидкого диэлектрика, кг/м³;

r - удельная теплота парообразования жидкого диэлектрика, Дж/кг

L - длина паропровода, м.

Площадь поперечного сечения конденсатопровода определяется следующим образом:

$$Sк=4.5\cdot {10}^{-5}\frac{P_{СПП}}{{\rho }_{ж}}+{10}^{-4}\cdot l$$

где: Sк- площадь поперечного сечения конденсатопровода, м²;

Рспп - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;

ρ_ж плотность жидкого диэлектрика (плотность конденсата, кг/м³;

l - длина конденсатопровода, м.

Количество сопел конденсатопровода определяется следующим образом:

n=1 при Рспп≤1000 Вт;

n=2 1000 Вт<Рспп≤2000 Вт;

n=3 2000 Вт<Рспп≤3000 Вт;

n=4 3000 Вт<Рспп≤4000 Вт;

n=5 4000 Вт<Рспп≤5000 Вт;

n=6 5000 Вт<Рспп≤6000 Вт;

n=7 6000 Вт<Рспп≤7000 Вт;

n=8 7000 Вт<Рспп≤8000 Вт.

где: Рспп - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;

n - количество сопел, шт.

Площадь сечения сопел определяется следующим образом:

$$S\text{соп}=\frac{\left(0.7-0.8\right)S_{К}}{n}$$

где: Sсоп - площадь сечения сопел, м²;

S_К - площадь сечения конденсатопровода, м²;

n - количество сопел, шт.

Интенсификатор кипения в зависимости от рассеиваемой мощности тепловых потерь может иметь следующие конструктивные решения:

элемент из алюминиевого сплава с вертикальными каналами кипения при Р_СПП=2000 Вт;

элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения 2000 Вт<Р_СПП<4000 Вт;

элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения, с пористым покрытием поверхности кипения плазменным напылением меди 4000 Вт<Рспп<4000 Вт;

элемент с пористой структурой, спеченный медной стружки или опилок 6000 Вт<Рспп<4000 Вт.

Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов (фиг.1) содержит испаритель 1, автономный конденсатор 2, имеющий внешнее оребрение 3 и внутренние каналы конденсации 4. Автономный конденсатор 2 расположен на расстоянии 1-3 метров сверху от испарителя 1 и соединен с испарителем 1 паропроводом 5 и конденсатопроводом 6 через сопла 7. Внутри испарителя 1 расположен интенсификатор кипения 8, наполненный жидким промежуточным теплоносителем, например, перфтортриэтиломином, 9. Снаружи к испарителю 1 прижаты один или два силовых полупроводниковых приборов (СПП) 10. Площадь поперечного сечения паропровода 5 определяется следующим образом:

$$Sn=\frac{0.07\cdot P_{СПП}}{r\cdot {\rho }_n}+\mathrm{8,7}\cdot {10}^{-5}\cdot L$$

где: Sn - площадь сечения паропровода, м²;

Рспп - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;

ρ_n - плотность паров жидкого диэлектрика, кг/м³;

r - удельная теплота парообразования жидкого диэлектрика, Дж/кг

L - длина паропровода, м.

Площадь поперечного сечения конденсатопровода 6 определяется следующим образом

$$Sк=4.5\cdot {10}^{-5}\frac{P_{СПП}}{{\rho }_{ж}}+{10}^{-4}\cdot l$$

где: Sк - площадь сечения конденсатопровода, м²;

Рспп - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;

ρ_ж - плотность жидкого диэлектрика (плотность конденсата, кг/м³;

l - длина конденсатопровода, м

Количество сопел 7 определяется следующим образом:

n=1 при Рспп≤1000 Вт;

n=2 1000 Вт<Рспп≤2000 Вт;

n=3 2000 Вт<Рспп≤3000 Вт;

n=4 3000 Вт<Рспп≤4000 Вт;

n=5 4000 Вт<Рспп≤5000 Вт;

n=6 5000 Вт<Рспп≤6000 Вт;

n=7 6000 Вт<Рспп≤7000 Вт;

n=8 7000 Вт<Рспп≤8000 Вт.

Площадь сечения сопел 7 определяется следующим образом:

$$S\text{соп}=\frac{\left(0.7-0.8\right)S_{К}}{n}$$

где: Sсоп - площадь сечения сопел, м²;

Sк - площадь сечения конденсатопровода, м²;

n - количество сопел, шт.

Интенсификатор кипения 8 в зависимости от рассеиваемой мощности тепловых потерь может иметь следующие конструктивные решения:

элемент из алюминиевого сплава с вертикальными каналами кипения при Рспп=2000 Вт;

элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения 2000 Вт<Рспп<4000 Вт;

элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения, с пористым покрытием поверхности кипения плазменным напылением меди 4000 Вт<Рспп<4000 Вт;

элемент с пористой структурой, спеченный медной стружки или опилок 6000 Вт<Р_СПП<4000 Вт.

Устройство работает следующим образом. При работе силовых полупроводниковых приборов (СПП) 10, одного или двух, мощность тепловых потерь Р_СПП передается испарителю 1, далее интенсификатору кипения 8. Промежуточный теплоноситель 9 закипает на поверхностях интенсификатора кипения 8, пары промежуточного теплоносителя 9 поднимаются по паропроводу 5 вверх. Пары промежуточного теплоносителя 9 достигают автономного конденсатора 2, конденсируются во внутренних каналах конденсации 4. Теплота при конденсации пара конденсируется во внутренних каналах конденсации 4, передается к внешнему оребрению 3 и отводится в окружающее пространство. Конденсат из внутренних каналов конденсации 4 стекает вниз по конденсатопроводу 6. Далее конденсат поступает в сопла конденсатопровода 6 и определяется следующим образом:

n=1 при Рспп≤1000 Вт;

n=2 1000 Вт<Рспп≤2000 Вт,

n=3 2000 Вт<Рспп≤3000 Вт;

n=4 3000 Вт<Рспп≤4000 Вт;

n=5 4000 Вт<Рспп≤5000 Вт;

n=6 5000 Вт<Рспп≤6000 Вт,

n=7 6000 Вт<Рспп≤7000 Вт;

n=8 7000 Вт<Рспп≤8000 Вт.

Конденсат из сопел 7 подается внутрь испарителя 1 непосредственно к поверхности интенсификатора кипения 8. Интенсификатор кипения 8 в зависимости от рассеиваемой мощности тепловых потерь может иметь следующие конструктивные решения:

элемент из алюминиевого сплава с вертикальными каналами кипения при Рспп=2000 Вт;

элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения 2000 Вт<Рспп<4000 Вт;

элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения, с пористым покрытием поверхности кипения плазменным напылением меди 4000 Вт<Рспп<4000 Вт;

элемент с пористой структурой, спеченный медной стружки или опилок 6000 Вт<Рспп<4000 Вт.

Потоки конденсата, вытекающие из сопел конденсатопровода 5, направлены непосредственно к поверхностям кипения интенсификатора кипения 8, они турбулируют приповерхностный слой жирного промежуточного теплоносителя 9 около поверхности интенсификатора кипения 8, тем самым улучшают процессы кипения жидкого диэлектрика на поверхностях интенсификатора кипения 8. Эффективность устройства повышается за счет того, что автономный конденсатор 2 может размещаться вне преобразовательного агрегата, например, на крыше электроподвижного состава, вне помещений, где расположен преобразовательный агрегат; окружающая температура около конденсатора в этом случае значительно ниже, чем внутри самого агрегата. Использование нескольких сопел 7 конденсатопровода 5, расположенных в непосредственной близости к интенсификатору кипения 8, турбулизируют приповерхностный слой жидкого промежуточного теплоносителя 9, что в значительной мере повышает интенсивность теплоотдачи при кипении промежуточного теплоносителя 9 на поверхностях интенсификатора кипения 8.

Кроме того, дифференцирование конструкции интенсификатора кипения 8 в зависимости от уровней тепловых потерь охлаждаемых СПП также повышает эффективность устройства. Технологичность изготовления и эксплуатации устройства повышается за счет того, что из его конструкции по сравнению с прототипом исключается большое количество сварных швов для соединения испарителя с конденсатором: сварка деталей из алюминиевых сплавов весьма трудоемка и энергоемка.

1. Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающее автономный конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединен с испарителем, внутри которого расположен интенсификатор кипения, отличающееся тем, что автономный конденсатор, расположенный на расстоянии 1-3 м сверху от испарителя, наполненного жидким промежуточным теплоносителем, соединен с испарителем паропроводом и конденсатопроводом через сопла.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения паропровода определяется следующим образом
$$Sn=\frac{0.07\cdot P_{СПП}}{r\cdot {\rho }_n}+\mathrm{8,7}\cdot {10}^{-5}\cdot L,$$
где Sn - площадь сечения паропровода, м²;
Р_СПП - мощность тепловых потерь СПП, Вт;
ρ_n - плотность паров жидкого диэлектрика, кг/м³;
r - удельная теплота парообразования жидкого диэлектрика, Дж/кг;
L - длина паропровода, м.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения конденсатопровода определяется следующим образом
$$S_{К}=4.5\cdot {10}^{-5}\frac{P_{СПП}}{{\rho }_{ж}}+{10}^{-4}\cdot l,$$
где S_K - площадь поперечного сечения, м²;
ρ_ж - плотность жидкого диэлектрика (плотность конденсата), кг/м³;
l - длина конденсатопровода, м.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество сопел конденсатопровода определяется следующим образом
N=1 при Р_СПП<1000 Вт;
n=2 1000 Вт<Р_СПП≤2000 Вт;
n=3 2000 Вт<Р_СПП≤3000 Вт;
n=4 3000 Вт<Р_СПП≤4000 Вт;
n=5 4000 Вт<Р_СПП≤5000 Вт;
n=6 5000 Вт<Р_СПП≤6000 Вт;
n=7 6000 Вт<Р_СПП≤7000 Вт;
n=8 7000 Вт<Р_СПП≤8000 Вт,
где n - количество сопел, шт.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь сечения сопел определяется следующим образом
$$S_{\text{СОП}}=\frac{\left(\mathrm{0,7}-\mathrm{0,8}\right)S_{К}}{n},$$
где S_СОП - площадь сечения сопел, м²;
S_K - площадь поперечного сечения, м²;
n - количество сопел, шт.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что интенсификатор кипения в зависимости от рассеиваемой мощности может иметь следующие конструктивные решения:
элемент из алюминиевого сплава с вертикальными каналами кипения при Р_СПП=2000 Вт;
элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения 2000 Вт<Р_СПП<4000 Вт;
элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения, с пористым покрытием поверхности кипения плазменным напылением меди 4000 Вт<Р_СПП<4000 Вт;
элемент с пористой структурой, спеченный из медной стружки или опилок 6000 Вт<Р_СПП<4000 Вт.