СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО РЕЛЕ
COOLING METHOD OF SOLID-STATE RELAY

Изобретение относится к области электроники и предназначено для отвода тепла от твердотельного реле.
Важным фактором для надежной работы твердотельных реле является его рабочая температура. При работе твердотельного реле на силовых элементах выделяется большое количество тепла, которое необходимо отводить. Выделение тепла вызвано электрическими потерями на силовых элементах реле. Заявленный номинальный ток реле способны коммутировать при его температуре не более 40°С. При увеличении температуры реле снижается его пропускная способность из расчета 20-25% на каждые 10°С. При температуре ≈80°С его пропускная способность по току сводится к нулю и как следствие реле выходит из строя.
Таким образом, тепло, если оно эффективно не рассеивается, оказывает вредное воздействие на твердотельные электронные устройства. Тепло является естественным побочным продуктом полупроводниковых электронных устройств из-за тесной связи между теплом и мощностью. Твердотельное устройство при выполнении задачи, для которого оно предназначено, генерирует тепло.
Из уровня техники известно (см. http://www.power-e.ru/2005_04_54.php) что все способы и системы охлаждения полупроводниковых приборов по методу действия можно разделить на две основные группы: на пассивный и активный методы. Для первого характерен естественный путь отвода тепла при помощи конвекции, теплопроводности и излучения. Для второго - принудительный теплоотвод с применением вентиляторов, термоэлектроохладителей и омывающих жидкостей.
Самый простой и, поэтому часто применяющийся способ - пассивный теплоотвод с применением радиаторов. Этот метод основан на явлениях теплопроводности материалов и естественной конвекции. Размеры полупроводникового кристалла слишком малы, чтобы конвекция была достаточна для его системы охлаждения. Ее можно увеличить, если корпус полупроводникового прибора прикрепить к радиатору, многократно увеличивающему площадь поверхности охлаждения детали. Благодаря теплопроводности тепло от корпуса микросхемы передается массивному радиатору.
2
Применение радиаторов с естественным охлаждением является наиболее дешевым и распространенным способом теплоотвода. Малые размеры и отсутствие шума в работе - главные достоинства этого метода. Однако, за эту простоту приходится расплачиваться громоздкими размерами аппаратуры, так как эффективность такой системы охлаждения невелика. Известно, что в условиях свободного конвекционного теплоотвода необходим радиатор с площадью поверхности примерно 25 см на каждый ватт рассеиваемой мощности.
Намного успешнее с задачей справляются жидкости, теплоемкость которых существенно выше. Система охлаждения при этом выглядит так: миниатюрный резервуар закрепляется на поверхности охлаждаемого чипа. Через шланг, с помощью микропомпы, охлаждающая жидкость перекачивается в герметичный наружный радиатор. Радиатор, в свою очередь может обдуваться струей воздуха от специального вентилятора. Достоинством жидкостной системы охлаждения полупроводниковых приборов является ее более высокая эффективность и относительно невысокая энергоемкость. Однако неудобств, связанных с данной системой охлаждения тоже достаточно. Они вызваны прежде всего, опасностью протечек. Ведь малейшая утечка охлаждающей жидкости способна привести к полному выходу из строя всей аппаратуры. Присутствие двух движущихся частей (насос и вентилятор) в составе электронной аппаратуры резко снижает ее надежность, и кроме того, повышает ее шумность.
Очень надежны и абсолютно бесшумны термоэлектроохладители, действие которых основано на эффекте Пельтье. Продолжительность их безотказной работы превышает 200 тысяч часов. Термоэлектроохладители имеют маленькие габариты, что позволяет сделать аппаратуру компактной. Однако, данная технология не лишена недостатков. Так из-за высокого токопотребления модули сами являются источником тепла. Ток, поступающий в термоэлектроохладители, зависит от размеров модуля и желаемой разницей температур, но в любом случае, он сравнительно большой - в диапазоне от единиц до десятков ампер, то есть для работы модулей термоэлектроохладителей необходим мощный источник питания. Есть и термоэлектроохладителей еще одна проблема - необходимость охлаждения внешней горячей стороны модуля, только в этом случае можно добиться хорошей разницы температур. Это достигается тем, что на бесшумный, высоконадежный и малогабаритный полупроводниковый модуль устанавливается большой радиатор и шумный вентилятор.
Из уровня техники известен способ охлаждения твердотельного реле, заключающийся в его установке на металлический корпус, благодаря чему реле будет рассеивать тепло через данный корпус (см. статью «Выбор твердотельного реле.» на стр. в сети Интернет https://kulibin.su/survey/Kak_vibrat_rele/ дата публ. 14.13.2017 г.
Однако данный метод охлаждения, применим только при небольших токах нагрузки.
Из уровня техники известен способ охлаждения трехфазного твердотельного реле на 40 А, корпус которого выполнен металлическим, выбранный в качестве ближайшего аналога, заключающийся в креплении пластины радиатора к задней стенке корпуса данного твердотельного реле. В этом случае весь корпус твердотельного реле будет являться большим радиатором (см. https://sdelaysam-svoimirukami.ru/4522-trehfaznoe-tverdotelnoe-rele-na-40-a.html опубл. 26 июля 2018 г.).
Однако и в данном случае, для осуществления эффективного отвода тепла от твердотельного реле, корпус которого выполнен металлическим, в случае больших токов нагрузки, опять же требуется наличие радиатора. При этом, отвод тепла на массивный радиатор - лишь частичное решение проблемы системы охлаждения полупроводникового прибора. Если сам радиатор остывает за счет естественной конвекции где-то снаружи, то при затрудненном обмене воздуха и малой разнице температур между радиатором и окружающей средой возможен перегрев прибора. В этом случае требуется усиленная принудительная конвекция - обдув радиатора воздушной струей от вентиляторов.
Таким образом, техническим результатом, на решение которого направлено заявляемое изобретение, является создание нового, простого, надежного и эффективного способа охлаждения твердотельного реле.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе охлаждения твердотельного реле, заключающемся в том, что твердотельное реле содержащее полупроводниковый прибор с P-N переходом и управляющую схему, размещенные в корпусе из алюминия или алюминиевого сплава, к которому изнутри прикреплен полупроводниковый прибор с P-N переходом, утапливают в заполненном плиточным клеем или строительным раствором углублении, предварительно выполненном во внешней стене здания с ее внутренней или наружной стороны, с последующим нанесением на размещенное в углублении твердотельное реле дополнительного слоя клея или строительного раствора, исключающих наличие пустот между корпусом твердотельного реле и внутренней поверхностью углубления и выступание элементов корпуса над поверхностью стены, оставляя при этом выступающими из стены с внутренней ее стороны силовые и управляющие провода твердотельного реле, причем, в случае его размещения в углублении, выполненном с наружной стороны внешней стены, вывод силовых и управляющих проводов во внутреннюю часть здания осуществляют через сквозной канал, предварительно выполненный внутри внешней стены здания и связывающий данное углубление с внутренней поверхностью стены, при этом, твердотельное реле предусматривает монолитную герметизирующую заливку внутри его корпуса полимерным компаундом.
А для дополнительной защиты от перегрева прибора, способ предусматривает установку термопредохранителя, который в случае перегрева отключит прибор и осуществит повторного его включение только после того, как прибор остынет на 5-10°.
Именно размещение твердотельного реле в углублении, заполненном плиточным клеем или строительным раствором, предварительно выполненном с внутренней или наружной стороны внешней стены здания, с последующим нанесением в данное углубление дополнительного слоя клея или строительного раствора, исключающих наличие пустот между металлическим корпусом твердотельного реле и внутренней поверхностью углубления и выступание элементов корпуса над поверхностью стены, оставляя при этом, выступающими из стены с внутренней ее стороны силовые и управляющие провода твердотельного реле, причем, силовые и управляющие провода твердотельного реле, в случае его размещения в углублении, выполненном с наружной стороны внешней стены, выводятся во внутреннюю часть здания через сквозной канал, предварительно выполненный внутри внешней стены и связывающий данное углубление с внутренней поверхностью стены здания, позволяет достичь заявленного технического результата.
Это обеспечивается за счет того, что материал стены (из кирпича, бетона) превосходит по теплопроводности воздух, по меньшей мере, в 4 раза, поэтому возможность перегрева в последующим выходом твердотельного реле из строя минимальна. При этом, металлический корпус твердотельного реле отдает тепло всеми шестью поверхностями, материал стены снимает тепло в 6 раз лучше воздуха.
Данные выводы заявителя подтверждаются выполненными им расчетами, проведенными для двух вариантов охлаждения твердотельного реле:
А) при установке в электрическом щите на DIN рейку в помещении; Б) при установке в бетонную стену (наружную или внутреннюю).
В качестве объекта исследования выбрано твердотельное реле, корпус которого выполнен из алюминия форма корпуса параллелепипед со сторонами 50×50×32 мм.
Рабочая температура реле - 50°С.
Температура воздуха в помещении - 20°С.
Температура воздуха снаружи помещения: -10°С.
Расчет проводился методом вычисления количества теплоты, которое необходимо затратить объекту для поддержания стационарного теплового режима при заданных условиях. Чем выше это количество теплоты - тем эффективней охлаждается объект в данной ситуации. Случай А был рассчитан для варианта охлаждения параллелепипеда с фиксированной температурой 50°С в воздухе. Так как размеры щита многократно превышают размеры Реле, а теплообмен через DIN рейку и подводящие в реле провода - пренебрежительно мал, расчет был произведен как охлаждение тела в незамкнутом воздушном пространстве. Поскольку материала корпуса объекта - алюминий, имеет крайне низку. Степень черноты, лучистой составляющей теплообмена также пренебрегли.
Для решения данной задачи, каждая сторона параллелепипеда была рассмотрена как пластина с фиксированным положением в пространстве. Таким образом объект был разбит на 3 случая - пластина обращенная теплоотводящей стороной вниз (нижняя грань объекта), пластина, обращенная теплоотводящей стороной вверх)верхняя грань объекта), вертикальная теплоотдающая пластина (4 вертикальных грани объекта). По результатам расчета, общее количество теплоты, выделяемое объектом при этих условиях составила:
возд
Q.=0,164 Вт.
Случай Б был рассчитан, как охлаждение параллелепипеда с фиксированной температурой 50°С в твердом материала - стене. Материалом стены был выбран бетон. Толщина стены - 230 мм, а глубина погружения в материал объекта - 100 мм.
Случай разбит на 2 варианта - погружение в наружную и внутреннюю стенку. Оба варианта рассчитывались методом разбития объекта на плоскости и расчета теплообмена через каждую из них. По результатам расчета, общее количество теплоты, при установке во внутреннюю стену составило:
cт.внyтp.
Q=0,659 Вт.
При установке во внешнюю стену:
ст.внешн.
Q=0,950 Вт.
Таким образом, при установке твердотельного реле во внутреннюю стенку, оно охлаждается в 4 раза эффективнее, чем при установке в электрический щит. При установке реле во внешнюю стену, эффективность охлаждения выше почти в 6 раз.
Данные выполненных расчетов сведены в таблицу.
Предусмотренная заявленным способом дополнительная защита от перегрева прибора, заключающаяся в установке термоограничителя (термопредохранителя), который в случае перегрева отключит прибор и осуществит повторного его включение только после того, как прибор остынет на 10° также обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Предусмотренная способом монолитная герметизирующая заливка твердотельного реле внутри корпуса полимерным компаундом предотвращает образование конденсата внутрь корпуса твердотельного реле, что исключает вероятность их повреждения и, как следствие, повышает надежность устройства.
Использование в качестве материала корпуса алюминия или его сплавов, обеспечивает повышение эффективности отвода тепла корпусом прибора. Это обеспечивается за счет того, что алюминий и его сплавы имеют высокий коэффициент теплопроводности λ и при этом, обладают хорошей способностью к механической обработке, а также разумной ценой Алюминий и его сплавы имеют лучшее соотношение этих показателей (λ=247 Вт/К∙м для чистого алюминия), поэтому на практике они используются чаще всего. Качество распределения тепла в высокой степени зависит от способа производства и качества сплава; на практике параметр λ лежит в пределах от 150 Вт/К⋅м (литейный сплав алюминия) до 220 Вт/К⋅м (штампованный сплав AlMgSi).
Еще для изготовления корпуса твердотельного реле может применяться сплав алюминия с кремнием - силумин. Преимущество его использования - дешевле алюминия.
Заявленный способ представлен на рисунках. На фиг. 1 представлен вариант размещения твердотельного реле в несквозном углублении, выполненном с внутренней стороны внешней стены; на фиг. 2 - вариант размещения твердотельного реле в углублении, выполненном с наружной стороны внешней стены; Таблица - данные выполненных расчетов.
Заявленный способ осуществляется следующим образом.
Твердотельное реле предусматривает его монолитную герметизирующую заливку внутри корпуса полимерным компаундом.
Вариант расположения твердотельного реле в корпусе из металла в несквозном углублении, выполненном с внутренней стороны внешней стены.
На внутренней поверхности стены помещения 1, с помощью стандартной коронки для установки подстаканников электрооборудования высверливают не сквозное отверстие 2 диаметром 65 мм. Данное отверстие заполняют плиточным клеем или бетонным раствором 3. В заявляемом способе полупроводник (твердотельное реле) 4 представляет собой алюминиевый корпус в виде параллелепипеда, внутри которого расположен полупроводниковый прибор с P-N переходом и управляющая схема (не обозначен). Полупроводник прикреплен изнутри к алюминиевому корпусу для осуществления теплоотвода. Для предотвращения образования конденсата внутрь алюминиевого корпуса заливается полимерный изоляционный компаунд (не обозначен). Подготовленный таким образом твердотельное реле 4 в алюминиевом корпусе в виде параллелепипеда утапливают в не застывший раствор. Сверху наносится дополнительный слой плиточного клея или строительного раствора, чтобы исключить пустоты и выступание алюминиевого корпуса над поверхностью стены 1. Из стены оставляют выступающими только силовые и управляющие провода 5.
Вариант расположения твердотельного реле в корпусе из металла в углублении, выполненном с наружной стороны внешней стены.
Для образования сквозного канала 6 для вывода силовых и управляющих проводов 5, стена с внешней ее стороны 7, просверливается буром насквозь. После этого на внешней стороне на месте выхода бура перфоратора при помощи коронки по бетону для установки подрозетников высверливается углубление 2 на 10-15 см. После этого в сквозное отверстие пропускают силовой и управляющий провода 5, коммутируют твердотельное реле, затем в углубление 2 закладывают цементный раствор или клей 3 и во влажный раствор запрессовывают твердотельное реле 4 в алюминиевом корпусе.
Для дополнительной защиты от перегрева прибора, способ предусматривает установку термоограничителя (не показаны) (термопредохранителя), который в случае перегрева отключит прибор и осуществит повторного его включение только после того, как прибор остынет на 5-10°.