УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ
DEVICE FOR COOLING OF POWER ELECTRONIC MODULES

Назначение
Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам охлаждения силовых электронных устройств.
Уровень техники
Тенденции развития силовой электроники в последние годы требуют повышения эффективности системы охлаждения силовых электронных модулей.
Наиболее полный обзор применяемых приемов охлаждения модулей и их сравнение дан в статье А.Колпакова. «Охлаждение силовых модулей: проблемы и решения. (Части 1 и 2)». Силовая электроника. №3 и 4, 2012 г. Наиболее высокую эффективность теплоотвода показывают жидкостные охладители. Конструкция таких охладителей показана в обзоре весьма схематично, однако этот вопрос подробно освещен в патентной литературе.
Известен жидкостной охладитель, имеющий каналы, образованные параллельно расположенными направляющими элементами. В каналах непосредственно под охлаждаемыми модулями располагается группа штырей, обеспечивающая повышенный теплоотвод в этой зоне канала. Патент США №6457514.
Конструкция такого охладителя сложна, нетехнологична и трудоемка в изготовлении, имеет относительно низкие параметры теплоотвода, поскольку используется малоэффективный поток жидкости, параллельный охлаждаемой поверхности.
Известно устройство для охлаждения модулей (патент США №6351384), состоящее из основания и крышки. К основанию с внешней стороны крепятся электронные модули, с внутренней стороны вкладыш, имеющий многочисленные ребра, образующие систему параллельных каналов. В крышке имеют отверстия для подвода и отвода хладагента. С внутренней стороны крышки над каналами располагаются выступы, способствующие турбулизации потока хладагента.
Это устройство также содержит значительное число конструктивных элементов, требует гидравлического уплотнения по периметру значительной длины, трудоемко в изготовлении, обладает низкой ремонтопригодностью при засорении каналов и также использует поток жидкости, направленный параллельно охлаждаемой поверхности.
Наиболее эффективным методом теплосъема является использование струй жидкости, направленных перпендикулярно охлаждаемой поверхности.
Согласно европейскому патенту ЕР0484320 плоская поверхность каждого электронного тепловыделяющего элемента охлаждается струей жидкости, направленной из трубки малого сечения перпендикулярно к этой поверхности. Затем жидкость возвращается по коаксиальной трубке большего сечения в общий коллектор циркуляции хладагента. Для исключения механических повреждений и утечек стенка каждого тепловыделяющего элемента подсоединена к коллектору через сильфон, внутри которого находятся и обе вышеуказанные трубки. Конструкция является сложной, некомпактной, содержит значительное число конструктивных элементов.
Более эффективного охлаждения можно добиться при использовании истечения струй хладагента из сопел. В самом общем виде это техническое решение сформулировано в патенте РФ 2012174, где пластина с группой сопел делит камеру охладителя на две камеры.
Более детальная проработка этой идеи осуществлена в патенте США 7884468. Внутри полости охладителя установлена перегородка с соплами, делящая ее на две зоны. Перегородка установлена с наклоном по отношению к охлаждаемой поверхности и соответственно к дну полости охладителя. Концы всех сопел установлены на одном и том же расстоянии от охлаждаемой поверхности, поэтому все сопла имеют разную длину вдоль направления потока жидкости. Минимальную длину имеют сопла на входном участке потока жидкости. К недостаткам охладителей с соплами является увеличенное гидравлическое сопротивление, низкая надежность из-за более высокой вероятности засорения сопел, сложность и нетехнологичность изготовления.
Более простое решение предложено авторами изобретения по авторскому свидетельству 571679. В канале для циркуляции хладагента, к стенкам которого прилегает охлаждаемая аппаратура, размещается вставка, выполненная в виде стержня с укрепленными на ней насадками с заданным шагом, выполненными в виде стаканов с входным раструбом, имеющих на стенках отверстия для выхода хладагента в виде струй в направлении охлаждаемой стенки. Использование вместо системы сопел перфорированных элементов позволяет повысить надежность функционирования охладителя. Однако указанное техническое решение неконструктивно для создания большого охладителя для размещения значительного числа силовых электронных модулей, так как если длину охладителя за счет увеличения длины вставки можно увеличивать неограниченно, то на диаметр вставок, очевидно, существуют ограничения, поскольку при цилиндрической поверхности вставок часть струй будет вытекать под некоторым углом к поверхности, снижая теплоотвод. Кроме того увеличиваются поперечные размеры канала. Недостатком также является значительное число элементов конструкции.
Целью изобретения является увеличение эффективности охлаждения путем создание прочной и надежной конструкции охладителя с большой площадью для размещения охлаждаемых элементов, а также упрощение конструкции, улучшение технологичности изготовления, упрощение процесса ремонта при засорении.
Раскрытие изобретения
Указанная цель достигается тем, что устройство для охлаждения силовых электронных модулей, выполняется в виде полого корпуса из теплопроводящего материала: меди, алюминия и др.. Внутри корпуса имеется перфорированный элемент для создания струй хладагента, направляемых к охлаждаемой поверхности. Корпус выполнен в виде основания, имеющего прямоугольную полость, и крышки. Большая по площади наружная поверхность основания используется для крепления на ней силовых электронных модулей. В дне основания выполнены сквозные отверстия для подвода и отвода хладагента, которые разнесены по краям полости в области противоположных стенок. Перфорированный элемент выполнен в виде прямоугольной пластины, расположенной параллельно дну основания и разделяющей полость на две камеры. Пластина установлена с отступами от двух противоположных стенок основания, около которых расположены отверстия подвода и отвода хладагента. Причем вдоль краев пластины, обращенных в эти зоны, установлены вертикальные перегородки - одна между пластиной и крышкой, другая между пластиной и дном полости. Другие края перфорированной пластины, как и края перегородок, прилегают вплотную к внутренним поверхностям двух других стенок основания. Для исключения прогиба и вибраций пластины по ее поверхности с обеих сторон расположены дистанционные вставки.
Перфорированная пластина вместе с перегородками и дистанционными вставками прикреплена к дну полости с помощью крепежных элементов, проходящих насквозь через эту пластину и перегородки. Крышка для упрощения ремонта крепится на стенках основания через герметизирующую прокладку.
Таким образом, использование описанного технического решения увеличивает эффективность охлаждения силовых электронных модулей благодаря направленным струям хладагента, поливающим изнутри дно основания корпуса, с обратной стороны которого закреплены эти электронные модули. Вся конструкция является прочной и надежной и обеспечивает возможность размещения большого количества охлаждаемых элементов. Она достаточно проста, технологична и ремонтопригодна.
Изобретение проиллюстрировано рисунком, на котором представлена конструкция устройства для охлаждения силовых электронных модулей в двух проекциях и с двумя разрезами.
Осуществление изобретения
Корпус конкретного варианта охладителя силовых электронных модулей состоит из медного или алюминиевого основания 1, имеющего полость (в нашем случае поперечные размеры полости 110×370 мм, глубина 9 мм) и медной крышки 2. Внешняя (большая) сторона основания используется для крепления силовых электронных модулей 3. Отверстия 4 и 5 для подвода и отвода жидкого хладагента расположены на дне полости вблизи ее противоположных стенок. Перфорированная прямоугольная металлическая пластина 6, изготовлена из нержавеющей стали толщиной 3 мм и ее плоскость параллельна дну полости основания 1. Диаметр отверстий в перфорированной пластине 3 мм. Размеры пластины 6 таковы, что ее края отступают от стенок полости, прилегающим к отверстиям 4 и 5, соответственно для подвода и отвода хладагента. Размер каждого отступа несколько больше диаметра отверстий для подвода и отвода хладагента. Вдоль краев перфорированной пластины 6, обращенных в зоны полости, где расположены отверстия 4 и 5 для подвода и отвода хладагента, установлены перегородки 7 и 8 (их высота ~3 мм). Для обеспечения жесткости конструкции и исключения колебаний пластины 6 по ее поверхности с обеих сторон установлены дистанционные вставки 9, выполненные в виде цилиндрических элементов высотой ~3 мм, закрепленные на перфорированной пластине с помощью винтов 10. На одном из краев пластины 6 имеются отверстия, через которые сквозь перегородку 7, расположенную под пластиной, пропущены винты 11, прикрепляющие пластину 6 к дну основания 1. С другого края пластины 6 перегородка 8 расположена сверху пластины, в ней имеются такие же отверстия, проходящие насквозь через перегородку и стойки. В проекции этих отверстий расположены отверстия втулок 12, предназначенных для упора этого края пластины в дно основания. Через эти отверстия пропущены винты 13, прикрепляющие этот край пластины 6 к дну основания 1. Два других края, как перфорированной пластины 6, так и перегородок 7 и 8, прилегают вплотную к стенкам полости в основании 1. Крышка 2 крепится к основанию 1 через герметизирующую прокладку 14 или приваривается по контуру.
Сборка устройства охлаждения производится в следующей последовательности. Сначала на перфорированной пластине 6 закрепляют дистанционные вставки 9, пластину 6 опускают в полость основания 1, снизу пластины 6 с одного края размещают перегородку 7, с другого края сверху - перегородку 8, снизу - втулки 12. Затем всю конструкцию закрепляют винтами 11 и 13 на дне основания 1 в заранее выполненных резьбовых отверстиях. После этого по периметру стенок основания кладут герметизирующую прокладку 14 и сверху устанавливают крышку 2.
В рабочих условиях жидкий хладагент поступает через отверстие 4 в верхнюю камеру полости основания 1, а затем через отверстия в перфорированной пластине 6 поступает в нижнюю камеру, орошая струями дно полости и снижая температуру дна полости основания 1, а значит, закрепленных с противоположной стороны силовых электронных модулей 3. Из нижней камеры полости основания 1 хладагент выводится через отверстие 5.
В соответствии с изобретением был изготовлен опытный образец устройства охлаждения и проведены его успешные испытания.