УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к конструктивным элементам, обеспечивающим охлаждение электронных схем, например, электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА) для газоразрядных и светодиодных светильников, и защиту от воздействия неблагоприятных факторов внешней среды, таких как кислотные дожди, выхлопные газы автомобилей, промышленные газы и аэрозоли и др.
Известна секция шкафа радиоэлектронной аппаратуры, предназначенная для улучшения охлаждения электронных модулей (см. патент на изобретение RU 2294065, МПК Н05К 7/20). Устройство содержит верхнее и нижнее основания, боковые и заднюю стенку, передние крышки, направляющие и установленные на них радиоэлектронные модули. В корпусе в зазорах между модулями установлены вертикально, перпендикулярно направляющим трубки, уплотненные по наружному диаметру относительно верхнего и нижнего оснований. Тепловыделение работающих модулей нагревает воздух внутри корпуса и трубки. Нагретый в трубке воздух имеет меньшую плотность, чем воздух, окружающий прибор, и поэтому поднимается по трубке вверх, создавая теплообмен и способствуя охлаждению модулей.
Однако формирование и использование для охлаждения электронных модулей конвекционных потоков воздуха недостаточно эффективно в связи с затрудненностью теплопередачи от нагретых элементов к теплоотводящим трубкам. К тому же устройство не обеспечивает равномерного отвода тепла от всех тепловыделяющих элементов, а высокое напряжение на элементах схемы способствует притягиванию пыли, образующей токопроводящие мостики, приводящие к пробою электронной схемы, расположенной в таком шкафу.
Известно устройство, представляющее собой замкнутую емкость и предназначенное для осуществления способа охлаждения оборудования с вертикальными теплонагруженными каналами в замкнутом объеме (см. патент на изобретение RU 2019892, МПК H01L 23/34, Н05К 7/20). Охлаждаемое оборудование, имеющее внутри себя температуронагруженные каналы (например трансформаторно-дроссельное оборудование, где роль каналов играют межобмоточные пространства, а также пространство между обмоткой и магнитопроводом, при проектировании оборудования такие каналы могут быть образованы специально путем применения разного рода кожухов, полых проводников и т.п.) частично погружают в теплоноситель на 20-40% от его высоты, после чего оборудование выводят в рабочий режим. В рабочем режиме в нижней части каналов происходит интенсивное кипение с испарением теплоносителя, в результате чего испаряющийся теплоноситель увлекает частицы жидкости и с большой скоростью устремляется вверх по каналам. Частицы жидкости из парожидкостной струи теплоносителя орошают стенки каналов и испаряются еще раз, понижая тем самым температуру стенок. В то же время в нижней части каналов образуется зона разрежения, в которую постоянно засасываются новые порции теплоносителя. Так как все происходит в замкнутом объеме, то, охлаждаясь, теплоноситель конденсируется в капли, которые, падая, орошают остальную часть охлаждаемого оборудования.
Недостатком такого устройства для охлаждения является нестабильность охлаждающих параметров при изменении его пространственного расположения. Изменение пространственного положения может привести к тому, что электронные компоненты, требующие охлаждения окажутся за пределами теплоносителя заполняющего 20-40% объема корпуса и эффективность их охлаждения будет значительно снижена. Применительно к ЭПРА для газоразрядных ламп и светодиодных блоков фиксирование пространственного положения недопустимо, поскольку корпуса светильников в большинстве случаев должны предусматривать возможность изменения их пространственного положения с целью направления светового потока в заданную область, требующую освещения. Кроме того, давление пара кипящего теплоносителя создает значительную механическую нагрузку на корпус.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является система охлаждения трансформатора, включающая металлический бак с крышкой и дном, заполняемый маслом, теплообменники (см. патент на изобретение RU 2349979, МПК H01F 27/12). Металлический бак выполнен расширенным в нижней части с образованием по периметру бака над дном горизонтальной площадки с отверстиями, в которых закреплены равномерно по периметру бака теплообменники, выполненные в виде цилиндрических вертикальных тепловых труб с зонами нагрева и охлаждения.
Однако в таком устройстве возможен перегрев электрооборудования, расположенного в верхней части бака, так как отвод тепла происходит на уровне горизонтальной площадки. Такая система не допускает изменения пространственного положения (наклона, переворота), что сильно ограничивает возможность ее применения для охлаждения ЭПРА. К тому же для компенсации теплового расширения масла необходимы дополнительные расширительные бачки-консерваторы.
Задачей настоящей полезной модели является комплексное обеспечение защиты ЭПРА от неблагоприятных воздействий окружающей среды - влажности воздуха, попадания токопроводящей пыли, кислотных дождей, выхлопных газов, а также насекомых, привлекаемых светом и теплом. Предотвращение перегрева тепловыделяющих компонентов (транзисторов, диодов, конденсаторов, дросселей, трансформаторов и др.) в процессе эксплуатации.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении эффективности и равномерности отвода тепла от тепловыделяющих компонентов ЭПРА при любом пространственном положении корпуса.
Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для охлаждения, включающее корпус с крышкой, заполненный охлаждающей жидкостью, по крайней мере, один тепловыделяющий электронный элемент, расположенный в корпусе, согласно решению содержит дополнительно, по крайней мере, один демпфирующий элемент, расположенный в корпусе, компенсирующий тепловые расширения охлаждающей жидкости. В качестве охлаждающей жидкости применяется трансформаторное масло с регламентированными электроизоляционными свойствами. В качестве охлаждающей жидкости применяется силиконовая жидкость, обладающая электроизоляционными свойствами. Демпфирующий элемент выполнен из губчатого порозамкнутого материала. Демпфирующий элемент представляет собой полое герметичное изделие из термостойкого эластичного полимера, заполненного воздухом или инертным газом. Тепловыделяющими элементами являются компоненты электронной пускорегулирующей аппаратуры для газоразрядных или светодиодных светильников.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором схематично показано заявляемое устройство. Позициями на чертеже обозначены:
1 - корпус;
2 - герметично закрываемое заливное отверстие;
3 - ребро-теплообменник;
4 - крышка;
5 - печатная плата ЭПРА;
6 - тепловыделяющий компонент;
7 - охлаждающая жидкость;
8 - демпфирующий элемент.
Предлагаемое устройство содержит корпус 1 из теплопроводящего материала, снабженный рассеивающими тепло ребрами-теплообменниками 3, печатную плату ЭПРА 5 с тепловыделяющими электронными компонентами 6 (транзисторами, диодами, дросселями, конденсаторами и др.), демпфирующий элемент 8, охлаждающую жидкость 7. Корпус герметично закрыт крышкой 4 и снабжен герметично закрываемым отверстием 2 для заливания охлаждающей жидкости. В качестве теплообменников вместо ребер или в дополнение к ним для рассеивания тепла на корпусе могут быть выполнены любые другие конструктивные элементы, увеличивающие площадь контакта с окружающей средой. Возможно выполнение теплообменников на крышке вместо, либо в дополнение к теплообменникам на корпусе. Демпфирующий элемент представляет собой тело произвольной формы (выбираемой в соответствии с особенностями компоновки ЭПРА) из мягкого, например губчатого порозамкнутого материала и предназначен для компенсации тепловых расширений охлаждающей жидкости и мягкой фиксации печатной платы внутри корпуса. Примером иного выполнения демпфирующего элемента может служить полое герметичное изделие из термостойкого эластичного полимера (резины, силиконового пластика и др.), заполненное воздухом или инертным газом. Печатная плата ЭПРА размещена внутри корпуса, заполненного охлаждающей жидкостью. Охлаждающая жидкость обладает относительно невысокой вязкостью, химической инертностью по отношению к материалам, из которых изготовлены корпус, печатная плата и электронные компоненты ЭПРА, высокой электрической прочностью, препятствующей пробою высоким напряжением запуска газоразрядной лампы. Примерами таких охлаждающих жидкостей могут служить трансформаторное масло с регламентированными электроизоляционными свойствами, либо силиконовые жидкости с подходящим параметрами.
Устройство работает следующим образом. Охлаждающая жидкость эффективно и равномерно отводит тепло от всех тепловыделяющих компонентов ЭПРА и отдает его стенкам корпуса. Применение жидкости в качестве теплоносителя позволяет обеспечить надежный тепловой контакт со всеми тепловыделяющими компонентами ЭПРА независимо от их геометрической формы и расположения внутри корпуса, при этом отсутствует механическая нагрузка на печатную плату, что значительно увеличивает ресурс ее работы. Теплопроводящая жидкость обеспечивает все виды теплопередачи - радиационный, конвекционный и контактную теплопроводность. При этом самой эффективной составляющей является конвекционная теплопередача, отсутствующая в случае отвода тепла твердыми прокладками или компаундами. Демпфирующий элемент компенсирует тепловые расширения жидкости. Благодаря этому объем корпуса всегда заполнен маслом, это позволяет исключить воздушные пузыри, обеспечить отсутствие конденсата и надежный тепловой контакт при любом пространственном положении ЭПРА. Демпфирующий элемент позволяет полностью исключить контакт охлаждающей жидкости с внешней средой, чем обеспечивает неизменность ее электроизолирующих свойств на протяжении всего срока службы ЭПРА. Герметичный оребренный корпус с развитой внешней поверхностью обеспечивает эффективную отдачу тепла в окружающую среду и защищает компоненты ЭПРА и теплоноситель от неблагоприятных внешних воздействий - влажности воздуха, попадания токопроводящей пыли, кислотных дождей, выхлопных газов и др., а также насекомых, привлекаемых светом и теплом.
Ключевыми отличиями предлагаемого устройства является защита и охлаждение всех элементов схемы, включая силовые полупроводники (транзисторы, диоды, тиристоры и др.), конденсаторы, дроссели, трансформаторы. В этом случае конвекционные потоки охлаждающей жидкости обеспечивают не только перенос тепла от тепловыделяющих элементов схемы к корпусу, но и выравнивание теплового режима всех компонентов ЭПРА. Кроме того, использование демпфирующего элемента позволяет выполнить корпус герметичным и полностью исключить возможность попадания влаги и других веществ из окружающей среды в охлаждающую жидкость.
Полезная модель позволяет снизить трудоемкость изготовления ЭПРА за счет исключения операций защитной пропитки индуктивных элементов и лакирования печатных плат, а также повысить ее ремонтопригодность.