ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ПУЛЬСАЦИОННОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ
HEAT EXCHANGE DEVICE BASED ON PULSATING HEAT PIPE

Область техники
Изобретение относится к теплообменному устройству на основе пульсационной тепловой трубы и системе охлаждения, по меньшей мере, с одним теплообменным устройством для охлаждения электронных компонентов.
Уровень техники
В документе ЕР 2444 770 А1 описано теплообменное устройство на основе пульсационной тепловой трубы. Теплообменное устройство содержит испарительные каналы и конденсационные каналы, проходящие между первым и вторым концами этого теплообменного устройства. В непосредственной близости от первого конца теплообменного устройства расположен первый теплопереносящий элемент, предназначенный для переноса тепловой нагрузки в текучую среду, находящуюся в испарительных каналах. Аналогичным образом, в непосредственной близости от второго конца теплообменного устройства расположен второй теплопереносящий элемент, предназначенный для переноса тепловой нагрузки из текучей среды, находящейся в конденсационных каналах, в дополнительную охлаждающую среду, например, воздух. Теплообменное устройство содержит первый элемент распределения текучей среды на первом конце соединительных частей и второй элемент распределения текучей среды на втором конце соединительных частей. Первый и второй элементы распределения текучей среды направляют текучую среду из одного или более заранее определенных каналов из первой группы каналов в один или более заранее определенных каналов из второй группы каналов. Как первый элемент распределения текучей среды, так и второй элемент распределения текучей среды содержат, по меньшей мере, одну пластину, обеспечивающую соединение между первой группой и второй группой соседних каналов. Теплообменное устройство по документу ЕР 2444 770 А1 имеет следующие недостатки. Оно является дорогим в производстве из-за использования слишком большого количества деталей. Кроме того, оно имеет только ограниченную тепловую эффективность.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложить теплообменное устройство, которое легче изготавливать, а также уменьшить затраты на его производство. Другой технической задачей является предложить усовершенствованное теплообменное устройство, охлаждающие свойства которого можно легко адаптировать к различным требованиям охлаждения, зависящим от области применения и от электронных компонентов, которые необходимо охлаждать. Следующей задачей настоящего изобретения является предложить теплообменное устройство, работа которого не зависит от положения, что означает, что теплообменное устройство работает независимо от его положения, в результате чего теплообменное устройство можно адаптировать к различным требованиям охлаждения.
Сущность изобретения
Техническая задача достигается при помощи объекта изобретения, указанного в независимых пунктах Формулы изобретения. Дополнительные варианты его реализации очевидны из зависимых пунктов Формулы изобретения и приведенного далее описания.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения, предлагается теплообменное устройство. Это теплообменное устройство на основе пульсационной тепловой трубы содержит множество трубок для обеспечения путей протекания текучей среды между первым элементом распределения текучей среды и вторым элементом распределения текучей среды теплообменного устройства. Каждая трубка из множества трубок содержит группу каналов. Как первый элемент распределения текучей среды, так и второй элемент распределения текучей среды содержат, по меньшей мере, пластину первого типа, причем каждая пластина первого типа имеет отверстия для обеспечения выравнивания множества трубок, и пластины первого типа имеют одинаковую толщину. Первый элемент распределения текучей среды содержит пластину второго типа, причем пластина второго типа имеет отверстия для обеспечения путей протекания текучей среды между трубками из множества трубок. Пластина второго типа расположена с противоположной стороны пластины первого типа первого элемента распределения текучей среды относительно второго элемента распределения текучей среды.
Теплообменное устройство по настоящему изобретению имеет преимущества, заключающиеся в том, что его легче изготавливать, и в том, что затраты на его производство уменьшаются, так как необходимо меньшее число разных деталей.
Теплообменное устройство можно применять для охлаждения электронных устройств в широком диапазоне областей техники, например, для распределительного устройства и/или приводов в областях применения низких и средних напряжений. Под упомянутым выше "средним напряжением" понимается номинальное напряжение от приблизительно 1000 В вплоть до приблизительно 36000 В (постоянный ток или среднеквадратичное напряжение (rms, root-mean-square) в случае переменного тока). Напряжение ниже 1000 В далее считается "низким напряжением".
Теплообменное устройство по настоящему изобретению может использоваться для охлаждения одиночного электронного устройства, например, полупроводникового устройства коммутации питания, которое установлено на теплообменном устройстве. Однако также можно установить в комплект множество теплообменных устройств для охлаждения множества полупроводниковых устройств.
Дополнительным преимуществом усовершенствованного теплообменного устройства является то, что это устройство работает в любом положении.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что теплообменное устройство в предпочтительном случае может охлаждаться воздухом. Однако можно использовать и другие охлаждающие среды, например, воду или масло.
Варианты реализации изобретения
Согласно одному варианту изобретения, второй элемент распределения текучей среды содержит множество пластин первого типа, причем пластины первого типа установлены одна сверху другой, и отверстия в пластинах первого типа, кроме того, обеспечивают протекание потока с постоянной площадью сечения между каналами из группы каналов каждой трубки. Возможность установки в комплект множества пластин первого типа имеет то преимущество, что качество охлаждения теплообменным устройством можно индивидуально и легко адаптировать к требованиям охлаждения в области применения. Кроме того, множество пластин первого типа в предпочтительном случае выполнены одинаковой геометрической формы.
Согласно следующему варианту изобретения, во втором элементе распределения текучей среды множество пластин первого типа установлены непосредственно одна сверху другой.
Согласно еще одному варианту изобретения, второй элемент распределения текучей среды содержит пластину второго типа, причем пластина второго типа имеет отверстия. Это имеет преимущество, заключающееся в обеспечении протекания потока с постоянной площадью по пути между каналами соседних трубок.
Согласно следующему варианту изобретения, отверстия пластины второго типа расположены в этой пластине таким образом, что центральные точки этих отверстий геометрически соединены периодической ломаной линией, причем периодическая ломаная линия содержит множество угловых точек, и центральная точка каждого отверстия совпадает с угловой точкой из множества угловых точек периодической ломаной линии.
Согласно еще одному варианту изобретения, пластина второго типа второго элемента распределения текучей среды расположена с противоположной стороны пластины первого типа из пластин второго элемента распределения текучей среды относительно первого элемента распределения текучей среды.
Согласно следующему варианту изобретения, пластины первого типа могут иметь одинаковую толщину. В другом варианте изобретения пластины первого типа и пластины второго типа могут иметь одинаковую толщину.
Согласно еще одному варианту изобретения, первый элемент распределения текучей среды и/или второй элемент распределения текучей среды содержат, по меньшей мере, одну закрывающую пластину, предназначенную для закрывания пути протекания текучей среды. Закрывающая пластина или множество закрывающих пластин, установленных одна сверху другой, предотвращают утечку охлаждающей жидкости. Кроме того, закрывающая пластина может иметь отверстие для впускного элемента, который может быть использован для введения или выпуска охлаждающей среды.
Согласно следующему варианту изобретения, трубки из множества трубок установлены параллельно. Однако установка трубок не ограничивается параллельным расположением. Могут быть возможны и другие расположения, которые не ограничивают описанные здесь положительные эффекты настоящего изобретения.
Согласно еще одному варианту изобретения, теплообменное устройство содержит первый теплопереносящий элемент, предназначенный для переноса тепловой нагрузки в текучую среду, находящуюся в упомянутом множестве трубок, и второй теплопереносящий элемент, предназначенный для переноса тепловой нагрузки из текучей среды, находящейся в упомянутом множестве трубок, во внешнюю охлаждающую среду, причем первый теплопереносящий элемент установлен в области конца первого элемента распределения текучей среды или в области конца второго элемента распределения текучей среды, и второй теплопереносящий элемент установлен с противоположной стороны первого теплопереносящего элемента. Внешняя охлаждающая среда может представлять собой, например, воздушный поток, который направлен к теплообменному устройству и от него.
Согласно следующему варианту изобретения, первый теплопереносящий элемент содержит множество пазов для приема части трубки из упомянутого множества трубок, и эта часть трубки полностью вставлена в паз. Внутри первого теплопереносящего элемента создано множество пазов. Необходимо отметить, что в предпочтительном варианте изобретения все трубки вставлены. Преимущество пазов можно проиллюстрировать следующим вариантом полезного применения теплообменного устройства: когда множество теплообменных устройств установлено в комплект с другими элементами, трубки, которые вставлены в пазы внутри первого теплопереносящего элемента, не повреждаются, если, например, в комплекте применяются зажимные средства.
Согласно еще одному варианту изобретения, первый элемент распределения текучей среды или второй элемент распределения текучей среды содержат, по меньшей мере, две пластины с отверстиями для соединения трубок из множества трубок, расположенных на противоположных сторонах первого элемента распределения текучей среды или второго элемента распределения текучей среды. Это имеет то преимущество, что теплообменное устройство может также работать в режиме закрытого контура.
Согласно следующему варианту изобретения, пластины второго типа имеют одинаковую толщину.
Согласно еще одному варианту изобретения, толщина пластин второго типа равна толщине пластин первого типа.
Согласно следующему варианту изобретения, толщина пластин первого типа и/или толщина пластин второго типа, по меньшей мере, почти равна толщине трубки, причем толщина трубки задается как ширина трубки, и направление по ширине трубки перпендикулярно как направлению расположения друг за другом каналов трубки, так и направлению протекания текучей среды в трубке.
Согласно еще одному варианту изобретения, в первом элементе распределения текучей среды упомянутая, по меньшей мере, одна пластина первого типа и пластина второго типа установлены непосредственно одна сверху другой.
Согласно следующему варианту изобретения, во втором элементе распределения текучей среды упомянутая, по меньшей мере, одна пластина первого типа и пластина второго типа установлены непосредственно одна сверху другой.
Согласно еще одному варианту изобретения, может быть создана первая система охлаждения, которая содержит, по меньшей мере, одно теплообменное устройство и, по меньшей мере, одно устройство коммутации, причем устройство коммутации находится в физическом контакте с упомянутым, по меньшей мере, одним теплообменным устройством для переноса тепловой нагрузки из устройства коммутации в упомянутое, по меньшей мере, одно теплообменное устройство. Такая система охлаждения может быть получена путем монтажа полупроводникового устройства коммутации питания, такого как запираемый тиристор с интегрированным блоком управления (IGCT, Integrated Gate Commutated Thyristor) или биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor), либо любого другого полупроводникового устройства коммутации питания на теплообменном устройстве.
Согласно следующему варианту изобретения, может быть создана вторая система охлаждения, содержащая множество блоков, которые механически соединены друг с другом, причем каждый блок содержит, по меньшей мере, одно теплообменное устройство и, по меньшей мере, одно устройство коммутации, устройство коммутации находится в физическом контакте с упомянутым, по меньшей мере, одним теплообменным устройством для переноса тепловой нагрузки из устройства коммутации в упомянутое, по меньшей мере, одно теплообменное устройство, и между двумя соседними блоками обеспечен электроизолирующий элемент. Такие системы охлаждения можно использовать в областях применения автоматов защиты цепи постоянного тока на основе полупроводниковых устройств коммутации питания.
Краткое описание чертежей
Объект изобретения будет рассмотрен более подробно в приведенном далее тексте со ссылкой на примерные варианты, которые изображены на приложенных чертежах.
На чертежах:
на Фиг.1 схематично показано теплообменное устройство, соответствующее первому варианту изобретения;
на Фиг.2 схематично показано теплообменное устройство, соответствующее второму варианту изобретения;
на Фиг.3 схематично показано теплообменное устройство, соответствующее третьему варианту изобретения;
на Фиг.4 схематично показана конструкция элемента распределения текучей среды, соответствующего одному из вариантов изобретения;
на Фиг.5 приведен подробный вид части теплопереносящего элемента, соответствующего одному из вариантов изобретения;
на Фиг.6 схематично показана первая система охлаждения для теплообменного устройства, соответствующего изобретению; и
на Фиг.7 схематично показана вторая система охлаждения для теплообменного устройства, соответствующего изобретению.
Ссылочные обозначения, используемые на чертежах, и их значения перечислены в обобщающем виде в списке ссылочных обозначений. В принципе, одни и те же части на чертежах снабжены одними и теми же ссылочными обозначениями. Любой описанный вариант представляет собой пример объекта изобретения и не накладывает каких-либо ограничений.
На Фиг.1 показан первый вариант теплообменного устройства 1 на основе пульсационной тепловой трубы, содержащего множество трубок 9, чтобы обеспечить пути протекания текучей среды между первым элементом 10 распределения текучей среды и вторым элементом 11 распределения текучей среды теплообменного устройства 1. Каждая трубка 9 из множества трубок содержит группу каналов 12. Как первый элемент 10 распределения текучей среды, так и второй элемент 11 распределения текучей среды содержат пластину 13 первого типа, причем каждая из пластин 13 первого типа имеет отверстия 14. Дополнительно необходимо отметить, что каждая трубка может представлять собой многопортовую экструдированную трубку (МРЕ). Кроме того, необходимо отметить, что пластины 13 первого типа имеют одинаковую толщину.
Первый элемент 10 распределения текучей среды содержит пластину 15 второго типа, причем пластина 15 второго типа имеет отверстия 17 для обеспечения путей протекания текучей среды между трубками из множества трубок 9. Пластина 15 второго типа расположена с противоположной стороны пластины 13 первого типа первого элемента 10 распределения текучей среды относительно второго элемента 11 распределения текучей среды. Термин "со стороны" означает сверху или снизу.
Согласно Фиг.1, пластина 15 второго типа второго элемента 11 распределения текучей среды расположена с противоположной стороны пластины 13 первого типа из пластин второго элемента 11 распределения текучей среды относительно первого элемента 10 распределения текучей среды.
Как первый элемент 10 распределения текучей среды, так и второй элемент 11 распределения текучей среды содержат пластину 18. Пластина 18 имеет функцию герметизации пути протекания текучей среды или теплообменного устройства 1.
Согласно Фиг.1, в первом элементе 10 распределения текучей среды пластина 18 установлена непосредственно сверху пластины 15 второго типа. Согласно Фиг.1, во втором элементе 11 распределения текучей среды пластина 18 расположена непосредственно снизу пластины 15 второго типа.
Кроме того, теплообменное устройство 1 по Фиг.1 содержит первый теплопереносящий элемент 7, предназначенный для переноса тепловой нагрузки в текучую среду, находящуюся во множестве трубок 9, и второй теплопереносящий элемент 8, предназначенный для переноса тепловой нагрузки из текучей среды, находящейся во множестве трубок 9, во внешнюю охлаждающую среду. Первый теплопереносящий элемент 7 установлен в области конца первого элемента 10 распределения текучей среды. Второй теплопереносящий элемент 8 установлен с противоположной стороны первого теплопереносящего элемента 7. Внешняя охлаждающая среда может, например, представлять собой воздушный поток (не показан), который направлен к теплообменному устройству 1 и от него.
Трубки 9 из множества трубок 9 обычно установлены параллельно, но необходимо сказать, что работа изобретения не ограничивается определенной установкой трубок 9.
Согласно варианту по Фиг.1, отверстия 17 пластины 15 второго типа расположены в этой пластине таким образом, что центральные точки этих отверстий геометрически соединены периодической ломаной линией, причем периодическая ломаная линия содержит множество угловых точек, и центральная точка каждого отверстия 17 совпадает с угловой точкой из множества угловых точек периодической ломаной линии. Однако возможны и другие типы расположения отверстий 17 в пластине 15 второго типа.
Толщина пластин 13 первого типа и/или толщина пластин 15 второго типа может быть, по меньшей мере, почти равна толщине трубки 9. Толщина трубки 9 здесь задается как ширина трубки 9, причем направление по ширине трубки 9 перпендикулярно как направлению расположения друг за другом каналов 12 трубки 9, так и направлению протекания текучей среды в трубке 9.
Согласно Фиг.1, в первом элементе 10 распределения текучей среды пластина 13 первого типа и пластина 15 второго типа установлены непосредственно одна сверху другой.
Согласно Фиг.1, во втором элементе 11 распределения текучей среды пластина 13 первого типа и пластина 15 второго типа установлены непосредственно одна сверху другой.
На Фиг.2 показан второй вариант теплообменного устройства 1. Теплообменное устройство 1 аналогично теплообменному устройству 1, изображенному на Фиг.1. Первый элемент 10 распределения текучей среды в теплообменном устройстве 1 на Фиг.2 содержит пластину 13 первого типа с отверстиями 14 и пластину 15 второго типа с отверстиями 17. Второй элемент 11 распределения текучей среды в теплообменном устройстве на Фиг.2 содержит четыре пластины 13 первого типа, установленные одна сверху другой, причем каждая из пластин 13 первого типа имеет идентичные отверстия 14. При использовании множества пластин 13 первого типа можно сохранить постоянной площадь сечения потока между каналами 12 каждой трубки 9. Теплообменное устройство 1, изображенное на Фиг.1 и Фиг.2, работает по схеме открытого контура.
Согласно Фиг.2, во втором элементе 11 распределения текучей среды множество пластин 13 установлены непосредственно одна сверху другой.
Согласно Фиг.2, первый элемент 10 распределения текучей среды содержит пластину 18, которая установлена непосредственно сверху пластины 15 второго типа. Кроме того, согласно Фиг.2, второй элемент 11 распределения текучей среды содержит пластину 18, которая установлена непосредственно снизу пластин 13 первого типа.
На Фиг.3 показан третий вариант теплообменного устройства 1. Теплообменное устройство 1 отличается от второго варианта, соответствующего Фиг.2, только тем, каким образом второй элемент 11 распределения текучей среды дополнительно включает пластины 16, 18 и 19. Пластина 18 имеет функцию герметизации пути протекания текучей среды или устройства 1. Пластина 19 с отверстием 20 позволяет теплообменному устройству 1 работать по схеме с закрытым контуром. Отверстие 20 соединяет трубки 9 из множества трубок 9, находящиеся на противоположных сторонах второго элемента 11 распределения текучей среды. В случае, когда необходимо, чтобы теплообменное устройство 1 работало по схеме с открытым контуром, пластина 19 должна быть исключена.
На Фиг.4 показан элемент 10, 11 распределения текучей среды теплообменного устройства 1, содержащий множество пластин, установленных одна сверху другой. Элемент 10, 11 распределения текучей среды содержит пластину 13 первого типа и пластины 16, 18 и 19. Пластина 18 имеет функцию герметизации теплообменного устройства 1 (не показано). Кроме того, пластина 18 имеет отверстие 40 для впускного элемента 41. Впускной элемент 41 представляет собой место заполнения текучей средой. В случае наличия пластины 19 с отверстием 20 теплообменное устройство 1 может работать по схеме закрытого контура.
На Фиг.5 подробно показана часть первого теплопереносящего элемента 7. Первый теплопереносящий элемент 7 содержит множество пазов 35 для приема части трубки 9 из множества трубок 9, содержащей множество каналов 12. Часть трубки 9 вставлена в паз 35, обеспечивающий защиту трубки 9. Внутри теплопереносящего элемента 7 создано множество пазов 35. Преимущество пазов 35 иллюстрируется Фиг.6: когда множество теплообменных устройств 1 собирается в комплект с другими элементами, трубки 9, которые вставлены в пазы 35 внутри первого теплопереносящего элемента 7, не повреждаются, если в комплекте применяются, например, зажимные средства (не показаны).
На Фиг.6 показан первый пример применения теплообменного устройства 1. Два электронных компонента 22 прикреплены к первому теплопереносящему элементу 7 теплообменного устройства 1. Электронные компоненты 22 могут представлять собой полупроводниковые компоненты, такие как IGBT или IGCT, либо любые другие полупроводниковые устройства коммутации питания, в зависимости от области применения.
На Фиг.7 показан второй пример применения теплообменного устройства 1. Система охлаждения, соответствующая Фиг.7, содержит множество теплообменных устройств 1, установленных в комплект. Система 25 охлаждения содержит четыре блока 28, причем каждый блок 28 содержит одно теплообменное устройство 1 и устройство 22 коммутации. Устройство 22 коммутации находится в физическом контакте с теплообменным устройством 1 для переноса тепловой нагрузки из устройства 22 коммутации в теплообменное устройство 1. Такая конфигурация может использоваться для охлаждения автоматов защиты цепи постоянного тока на основе IGBT или IGCT как составных компонентов. Комплект зажат зажимом 30.
Список ссылочных обозначений
1 Теплообменное устройство
7 Первый теплопереносящий элемент
8 Второй теплопереносящий элемент
9 Трубка
10 Первый элемент распределения текучей среды
11 Второй элемент распределения текучей среды
12 Канал
13 Пластина первого типа
14 Отверстие
15 Пластина второго типа
16 Пластина, работающая как крышка
17 Отверстие
18 Пластина
19 Отверстие
20 Пластина для режима закрытого контура
21 Система охлаждения
22 Устройство коммутации
25 Система охлаждения
26 Электроизолирующий элемент
28 Блок
30 Зажим
35 Паз
40 Отверстие
41 Впускной элемент.