СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
COOLING METHOD OF POWER SEMICONDUCTOR DEVICES

Способ охлаждения силовых полупроводниковых приборов
Изобретение относится к системам воздушного охлаждения электронных устройств, в частности к способу охлаждения силовых полупроводниковых приборов.
Воздушное охлаждение является одним из основных способов обеспечения теплового режима работы электронных устройств. Это объясняется простотой конструкций, надежностью и удобством эксплуатации.
В большинстве случаев силовые полупроводниковые приборы, устанавливаются на охладитель, помещенный в приделах воздуховода системы охлаждения, обдуваемый направленным потоком воздуха. В зависимости от способа подачи воздуха на блоки охладителя различают два типа конструкции:
- с последовательным продувом блоков охладителя, при котором, общий поток воздуха проходит последовательно ряд блоков, при этом холодный воздух, поступая из первого блока в каждый последующий, все более нагревается;
- с параллельным продувом блоков охладителя, при котором воздух из общего канала параллельно распределяется между блоками, в каждый блок поступает холодный воздух, при этом количество воздуха, продуваемого через блок, меньше, чем поступает в воздуховод и поток воздуха неравномерно распределяется между блоками охладителя.
Известны следующие технические решения.
Из заявки на изобретение DE 102012020229 A1 от 17.04.2014 МПК Н05К 7/20, патентообладателем которого является ABB AG [DE], известен способ охлаждения электронных компонентов распределительного устройства, согласно которому, блоки охладителя расположены вертикально в свободной области между двумя выдвижными элементами. Часть воздуховода выполнена с возможностью пропускания охлаждающего воздуха через воздухозаборное отверстие в нижней части корпуса. Нагретый отработанный воздух передается в другую часть воздуховода и выводится через выхлопное отверстие в верхней части корпуса. Охлаждающий воздух пропускают через охладители и отводят без смешивания воздушных потоков подогретого и холодного воздуха.
К недостаткам описанного способа можно отнести высокое сопротивление потоку воздуха из-за его преломления практически под прямым углом, что требует установки более мощного нагнетающего вентилятора.
Также из патента на полезную модель RU 158897 от 20.01.2016 МПК Н05К 7/20, патентообладателем которого является ООО НПП «Экра», известен способ охлаждения силовых полупроводниковых приборов, согласно которому, указанные приборы, устанавливают на поверхности охладителя, помещенного в воздуховоде электронного устройства, при этом охлаждающий контур содержит направляющие воздуховоды, которые формируют подачу нагнетаемого воздуха непосредственно на блоки охладителя силовых полупроводниковых приборов. Подача охлаждающего воздуха в контуре охлаждения производиться отдельно на каждый вертикальный ряд блоков по общему направляющему воздуховоду, снабженному выходными отверстиями напротив каждого охладителя.
К недостаткам описанного способа можно отнести то, что количество воздуха, продуваемого через блоки охладителей, меньше, чем поступает в воздуховод, при этом поток охлаждающего воздуха получает значительное сопротивление в результате резкого изменения направления и как результат неравномерно распределяется между блоками охладителей, что может привести к нерациональному использованию ресурса нагнетающего вентилятора.
Принимаем данное техническое решение за ближайший аналог.
Задачей, на решение которой, направлен заявляемый способ, является реализация эффективного охлаждения силовых полупроводниковых приборов электронного устройства.
Технический результат, достигнутый от реализации, заявляемого способа заключается, в повышении эффективности охлаждения силовых полупроводниковых приборов электронного устройства, уменьшении габаритов воздуховода, а также снижении температуры охлаждающего воздуха на входе во второй по направлению движения воздушного потока охладитель, что приводит к рациональному использованию ресурса нагнетающего вентилятора.
Сущность заявляемого способа заключается в том, что при охлаждении силовых полупроводниковых приборов, установленных на поверхности охладителей, помещенных на пути движения направленного потока воздуха, указанные охладители разносят, по длине воздуховода, образуя между ними зону смешения воздушных потоков. При этом, над по меньшей мере, одним охладителем устраивают обводной воздушный канал, посредством которого обеспечивают подачу холодного воздуха в зону смешения, и снижают температуру охлаждающего воздуха на входе в следующий, по направлению движения воздушного потока, охладитель. Обводной воздушный канал, выполняют с возможностью регулирования движения воздушного потока, посредством частичного перекрывания входного отверстия регулирующей заслонки. Зону смешения воздушных потоков реализуют в пространстве между охладителями с частичным использованием их внутреннего объема.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами: фиг.- схема подмешивания воздуха во второй охладитель.
Заявляемый способ, предусматривает различные варианты и альтернативные формы реализации. Конкретный вариант осуществления раскрыт в описании и показан посредством, приведенных графических материалов. Описанный способ не ограничивается конкретной раскрытой формой и может охватывать все возможные варианты исполнения, эквиваленты и альтернативы, в рамках существенных признаков, раскрытых в формуле изобретения.
Заявляемое изобретение может быть реализовано в системе принудительного воздушного охлаждения электронного устройства, которое включает, замкнутый корпус 1 (фиг.) с помещенными в нем силовыми полупроводниковыми приборами 2, установленными на поверхности охладителей (радиаторов) 3, 4 помещенных на пути движения направленного потока воздуха 5, преимущественно в пределах воздуховода 6, оснащенного нагнетающим вентилятором 7.
При последовательном размещении охладителей в воздуховоде электронного устройства, охлаждающий воздух, проходя первый охладитель, снимает с него тепло и поступает в следующий по направлению движения воздушного потока, охладитель, уже достаточно подогретым, что снижает эффективность его охлаждения.
Также, резкое изменение направления воздушного потока, как это реализовано в приведенных аналогах, увеличивает сопротивление его движению, что потребует установки нагнетающего вентилятора значительной мощности, и приведет к не рациональному использованию его ресурса.
Исходя из изложенных конструктивных особенностей, согласно заявляемому изобретению, охлаждение силовых полупроводниковых приборов 2, заключается в том, что указанные приборы устанавливают на поверхности охладителей (радиаторов) 3, 4 помещенных на пути движения направленного потока воздуха, преимущественно в воздуховоде электронного устройства. При этом охладители разносят по длине воздуховода, образуя между ними зону смешения 8 воздушных потоков. С целью уменьшения габаритов воздуховода по длине и обеспечения оптимальных размеров зоны смешения воздушных потоков, ее реализуют в пространстве между охладителями с частичным использованием их внутреннего объема.
Один из указанных воздушных потоков проходит непосредственно через первый охладитель, а другой идет в обход по обводному воздушному каналу 11, устроенному над, по меньшей мере, одним охладителем 3, который является первым по ходу движения воздушного потока, при этом указанный охладитель образует одну из стенок данного обводного канала, хотя не исключен вариант устройства отдельного обводного воздуховода. При этом, обводной воздушный канал, выполняют с возможностью регулирования движения воздушного потока, посредством частичного перекрывания входного отверстия, регулирующей заслонкой 12.
Посредством, указанного обводного канала, обеспечивают подачу холодного воздуха в зону смешения, в обход первого охладителя 3 без смешивания потоков холодного 13 и подогретого 14 воздуха, чем снижают температуру охлаждающего воздуха на входе в следующий, по направлению движения воздушного потока, охладитель 4.
Система охлаждения силовых полупроводниковых приборов, при реализации заявляемого способа работает следующим образом. Охлаждающий воздух 5 под воздействием нагнетающего вентилятора 7 подается в воздуховод 6 где поступает на первый охладитель 3, причем, часть холодного воздуха попадают в обводной воздушный канал 11, по которому поступает в зону смешивания 8 потоков холодного 13 и подогретого 14 воздуха. После прохождения зоны смешения 8 воздушных потоков, охлажденный воздух попадает в следующий, по направлению движения воздушного потока охладитель 4 и выводится наружу через отверстия 15 в нижней части корпуса электронного устройства.
Реализация заявляемого изобретения, способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая эффективное охлаждение силовых полупроводниковых приборов в результате подачи холодного воздуха во второй по ходу движения воздушного потока охладитель.
Также выполнение воздуховода электронного устройства согласно описанному способу позволяет уменьшить габаритные размеры воздуховода, и снизить сопротивление движению воздушного потока, что приводит к рациональному использованию ресурса нагнетающего вентилятора.