УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
DEVICE FOR INTENSIVE COOLING POWER SEMICONDUCTOR DEVICES

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.
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 эффективность теплоотвода и большей 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 заполнен 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.
Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства, улучшении технологичности его изготовления, снижении материалоемкости.
Сущность изобретения достигается тем, что в устройстве, включающем конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренним каналом конденсации, соединенный с испарителем, заполненным полностью жидким промежуточным теплоносителем. Испаритель пароконденсаторопроводом жестко соединен с конденсатором, который частично заполнен антифризом 65. В испарителе расположен интенсификатор кипения, выполненный в виде вертикальных ребер. Вертикальные ребра интенсификатора кипения выполнены из высокотеплопроводного металломатричного композиционного материала AlSiC. Размеры интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер определены диаметром основания силового полупроводникового прибора:
осн.спп
D=nb+(n+1)a=h+2,
осн.спп
где D - диаметр основания силового полупроводникового прибора
n - количество вертикальных ребер интенсификатора кипения, шт.,
a, b, h - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.
В качестве жидкого промежуточного теплоносителя используют перфтортриэтиламин. Объем перфтортриэтиламина, которым заполнено внутреннее пространство испарителя, равно:
пт
V=(h+2a)[nb+(n+1)a]2c-h2cn,
пт
3
где V - объем перфтортриэтиламина, мм;
n - количество вертикальных ребер, шт.;
h, a, b, c - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.
Объем антифриза 65, которым частично заполнено внутреннее пространство конденсатора, равно:
,
аф
3
где V - объем антифриза, мм;
пт
3
V - объем перфтортриэтиламина, мм;
конд.
2
a - коэффициент теплоотдачи при конденсации паров промежуточного теплоносителя, Вт/м °C;
r - теплота фазового перехода, Дж/кг;
вн.оребр.
2
S - площадь поверхности внешнего оребрения, мм.
Соотношение плотностей перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:
пт
аф
ρ=1,8ρ,
пт
3
где ρ - плотность перфтортриэтиламина, кг/м;
аф
3
ρ - плотность антифриза 65, кг/м.
А соотношение температур насыщения перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:
s пт
s аф
T=0,6T,
s пт
где T - температура насыщения перфтортриэтиламина, °C;
s аф
T - температура насыщения антифриза 65, °C.
Устройство для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов (фиг.1) включает испаритель 1, конденсатор 2, имеющий внешнее оребрение 3 и внутренний канал конденсации 4. Испаритель 1 соединен с конденсатором 2 жестко парокондесаторопроводом 5. Внутри испарителя 1 расположен интенсификатор кипения виде вертикальных ребер 6, выполненных из высокотеплопроводного металломатричного композиционного материала AlSiC. Испаритель 1 наполнен жидким промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином 7. Внутренний канал конденсации 4 конденсатора 2 частично заполнен антифризом 65 8. Снаружи к испарителю прижаты один или два силовых полупроводниковых прибора СПИ 9. Размеры интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер 6 определены диаметром основания силового полупроводникового прибора СПП 9:
осн.спп
D=nb+(n+1)a=h+2,
осн.спп
где D - диаметр основания силового полупроводникового прибора,
n - количество вертикальных ребер интенсификатора кипения, шт.,
a, b, h - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.
Внутреннее пространство испарителя 1 заполнено промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином 7, объем которого определяется следующим образом:
пт
V=(h+2a)[nb+(n+1)a]2c-h2cn,
пт
3
где V - объем перфтортриэтиламина, мм;
n - количество вертикальных ребер, шт;
h, a, b, c, - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.
Объем антифриза 65 8, которым частично заполнено внутреннее пространство внутреннего канала конденсации 4 конденсатора 2 равно:
,
аф
3
где V - объем антифриза, мм;
пт
3
V - объем перфтортриэтиламина, мм;
конд.
2
a - коэффициент теплоотдачи при конденсации паров промежуточного теплоносителя, Вт/м °C;
r - теплота фазового перехода, Дж/ кг;
вн.оребр.
2
S - площадь поверхности внешнего оребрения, мм.
Соотношение плотностей перфтортриэтиламина 7 и антифриза 65 8 равно:
пт
аф
ρ=1,8ρ,
пт
3
где ρ - плотность перфтортриэтиламина, кг/м;
аф
3
ρ - плотность антифриза 65, кг/м.
Соотношение температур насыщения перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:
s пт
s аф
T=0,6T,
s пт
где Т - температура насыщения перфтортриэтиламин, °C;
s аф
T - температура насыщения антифриза 65, °C.
Устройство работает следующим образом. При работе силового полупроводникового прибора СПП 9, одного или двух, мощность тепловых потерь передается испарителю 1, далее интенсификатору кипения в виде вертикальных ребер 6. Перфтортриэтиламин 7 закипает на поверхностях интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер 6. Пары перфтортриэтиламина 7 через пароконденсаторопровод 5, заполненного антифризом 65 8 попадают в конденсатор 2, внутренний канал конденсации 4 которого частично заполнен антифризом 65 8. Так как соотношение плотностей и температур насыщения перфтортриэтиламина 7 и антифриза 65 8 равно:
,
,
пт
3
где ρ - плотность перфтортриэтиламина, кг/м;
аф
3
ρ - плотность антифриза 65, кг/м;
s пт
T - температура насыщения перфтортриэтиламин, °C;
s аф
T - температура насыщения антифриза 65, °C,
то первое соотношение (1) показывает, что более тяжелый перфтортриэтиламин 7 полностью заполняет внутренний объем испарителя 1, а более легкий антифриз 65 8 располагается выше испарителя 1 и занимает частично внутренний канал конденсации 4 конденсатора 2. Второе соотношение (2) показывает, что более легкокипящий перфтортриэтиламин 7 может автоконденсироваться в объеме антифриза 65 8. В данной конструкции конденсация паров перфтортриэтиламина 7 происходит не только или нисколько на твердой внутренней поверхности конденсатора 2, а в значительной степени в объеме антифриза 65 8, которым частично заполнен конденсатор 2, то есть происходит наряду с конденсацией паров на твердой внутренней поверхности конденсатора 2 автоконденсация паров перфтортриэтиламина 7 в объеме антифриза 65 8, что значительно повышает эффективность процесса конденсации паров перфтортриэтиламина 7. Жидкий конденсат интенсивно стекает в объем перфтортриэтиламина 7, находящегося внутри испарителя 1, турбулизирует префтортриэтиламин 7, тем самым частично увеличивает эффективность теплообмена при кипении, что улучшает технологичность изготовления устройства и его металлоемкость, что в конечном итоге увеличивает эффективность работы устройства для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов.
В ОАО «Электровыпрямитель» были проведены тепловые испытания макетов предлагаемого устройства, результаты которых превосходят на 40-50% результаты прототипа.