УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ
COOLING DEVICE FOR HEAT DISSIPATING EQUIPMENT

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам охлаждения полупроводниковых приборов, и может быть использовано в силовых электротехнических элементах, а также электросиловых элементах с высоким тепловыделением.
Известен «Охладитель для полупроводниковых приборов» (Климов В.Л., а.с. СССР №983838, МПК H01L 23/36, Н05К 7/20, бюл. №47 от 23.12.82), содержащий радиатор с вертикальными полыми цилиндрическими ребрами, между которыми расположены закрытые камеры, заполненные жидким легкокипящим охладителем.
Недостатками этого устройства являются слабая эффективность теплоотвода закрытых камер, т.к. конструктивное выполнение устройства не обеспечивает в полном объеме его функциональные возможности в процессе испарения, конденсации и возврата жидкого конденсата обратно в полость камеры, а также отсутствие возможности оперативного контроля за необходимым уровнем жидкого охладителя в каждой индивидуальной закрытой камере; отсутствие возможности дозаправки жидкого охладителя (при необходимости); отсутствие возможности слива жидкого охладителя (например, при ремонте или при замене на другой тип жидкого охладителя или их смесей); отсутствие возможности замены одной неисправной закрытой камеры на исправную (или новую) или замены нескольких (или всех) закрытых камер; отсутствие надежного охлаждения при различных наклонах и поворотах всей системы, что в целом снижает эффективность и надежность устройства охлаждения.
Наиболее близким техническим решением и взятым в качестве прототипа является «Устройство охлаждения элементов тепловыделяющей аппаратуры (Коченков А.Г., Лопатин А.А., Щелчков А.В. и др.: патент на изобретение РФ №2334378, МПК Н05Л 7/20, БИ №26 от 20.09.2008), содержащее корпус, плато - диэлектрическую плиту, установочную площадку с охлаждаемым прибором, радиальные ребра с интенсификаторами теплообмена, выполненными в виде выпуклостей на одной стороне и лунок - на другой, кольцевой дефлектор, установленный на ребра между корпусом и платой, вентилятор, установленный в верхней части корпуса.
Недостатками этого устройства являются малая эффективность охлаждения из-за конструктивного ограничения функциональных возможностей, заложенных в устройстве, а именно отсутствие между ребрами закрытых камер с жидким легкокипящим охладителем; отсутствие конструктивно возможного обеспечения охлаждения номенклатуры элементов с высоким тепловыделением (например, отличных по габаритам, по форме или сразу и то и другое); отсутствие возможности смены ребра (например, при его поломке); недостаточная эффективность ребра из-за конструктивного наличия на одной его стороне только выпуклостей, а на другой стороне - только лунок, что снижает поверхностную интенсификацию теплообмена, а в целом - эффективность и надежность устройства.
Решаемой задачей изобретения является повышение эффективности устройства путем интенсификации теплоотдачи и качественного отвода пара и его конденсата через радиальные ребра и теплоотводные трубки съемных камер за счет расширения функциональных возможностей и повышения надежности устройства.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности устройства путем интенсификации теплообмена за счет расширения функциональных возможностей и повышения надежности устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве охлаждения элементов тепловыделяющей электроаппаратуры, содержащем корпус, диэлектрическую плиту, установочную площадку с внутренней полой формой под охлаждаемый элемент, радиальные ребра с интенсификаторами теплообмена, выполненными в виде выпуклостей на одной стороне и лунок на другой, кольцевой дефлектор, установленный на ребра между корпусом и диэлетрической плитой, вентилятор, установленный в верхней части корпуса, согласно которому между радиальными ребрами установлены съемные камеры с жидким легкокипящим охладителем с возможностью организации процесса кипения, испарения, конденсации и возврата жидкого конденсата обратно в полость камеры, при этом радиальные ребра выполнены составными из стационарных и съемных ребер, а каждая съемная камера конструктивно имеет наклонную верхнюю стенку в виде конусного удлинения и снабжена окном визуализации с горизонтальной пунктирной линией контроля уровня заправки жидким легкокипящим охладителем, заливной и сливной горловинами с герметичными винтовыми крышками, отводящей трубкой и боковыми фланцами с отверстиями для болтового соединения, при этом радиальные стационарные ребра выполнены заодно с установочной площадкой, а на концах каждого стационарного ребра выполнен паз для установки радиального съемного ребра, и отверстия для болтового крепления съемного ребра, а также двух боковых фланцев соседних съемных камер.
На каждом радиальном съемном ребре выполнены на обеих сторонах и лунки, и выпуклости.
Установочная площадка с радиальными стационарными и съемными ребрами выполнена из меди или медных сплавов.
Научной новизной предлагаемого устройства является повышение эффективности устройства путем интенсификации теплообмена за счет:
1) наличия съемных камер с окнами визуализации, с наклонными верхними стенками, с отводящими трубками;
2) наличия и лунок и выпуклостей на обеих сторонах каждого радиального съемного ребра;
3) конструктивной особенности съемной камеры, позволяющей интенсифицировать теплоотвод от охлаждаемого элемента путем создания оптимальных условий кипения, парообразования и конденсации используемой охлаждающей жидкости;
4) расширения функциональных возможностей устройства по охлаждению нагреваемых съемных деталей различной формы и размеров;
5) возможности наклона при различных углах и поворота всего устройства совместно с охлаждаемым элементом;
6) повышения надежности, ресурса и ремонтопригодности всего устройства из-за наличия составных, съемных и заменяемых деталей.
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи:
фиг. 1 - общий вид устройства - вид сверху (без вентилятора);
фиг. 2 - вид сбоку устройства по сечению (А-А);
фиг. 3 - съемная камера с легкокипящим жидким охладителем - вид сбоку (с внешней стороны бокового фланца);
фиг. 4 - съемная камера с легкокипящим жидким охладителем - вид со стороны внутренней вогнутой боковой стенки;
фиг. 5 - съемная камера с легкокипящим жидким охладителем - вид со стороны наружной выпуклой боковой стенки;
фиг. 6 - установочная площадка с радиальными стационарными ребрами - вид сверху (внутренняя часть - в виде окружности);
фиг. 7 - съемное ребро - вид сверху;
фиг. 8 - съемное ребро - вид сбоку;
где 1 - охлаждаемый элемент;
2 - диэлектрическая плита;
3 - установочная площадка с радиальными стационарными ребрами охлаждения;
4 - радиальное составное ребро;
5 - лунка (показана на примере горизонтального разреза одного из съемного ребра 22, приведенного на фиг. 1);
6 - выпуклость (показана на примере горизонтального разреза одного съемного ребра 22, приведенного на фиг. 1);
7 - корпус;
8 - вентилятор;
9 - кольцевой дефлектор;
10 - съемная камера;
11 - заливная горловина;
12 - винтовая герметичная крышка заливной горловины;
13 - отводящая трубка;
14 - сливная горловина;
15 - винтовая герметичная крышка сливной горловины;
16 - окно визуализации;
17 - боковой фланец съемной камеры;
18 - отверстие для болтового соединения бокового фланца съемной камеры и съемного ребра к стационарному ребру;
19 - внутренняя вогнутая боковая стенка съемной камеры;
20 - наружная выпуклая боковая стенка съемной камеры;
21 - радиальное стационарное ребро;
22 - радиальное съемное ребро.
Перед началом работы всего устройства его необходимо собрать, закрепить и установить на охлаждаемый элемент 1 (см. фиг 1, 2) до начала его нагрева. При сборке необходимо слева и справа от стационарного ребра 21 установить две соседние съемные камеры 10, а в паз радиального стационарного ребра 21 установить радиальное съемное ребро 22, затем через отверстия 18 болтами и гайками плотно закрепить все четыре детали (см. фиг. 1-8). Дальнейшую сборку необходимо производить в такой же последовательности. При полной сборке получится конструкция, показанная на фиг. 1, где обеспечивается плотный контакт между соприкасаемыми поверхностями стационарных и съемных деталей. Собранную конструкцию можно установить на охлаждаемый элемент 1 (см. фиг. 1).
Далее необходимо осуществить заправку съемных камер 10 (см. фиг. 1, 3-5) жидким легкокипящим охладителем. Заправка осуществляется через заливную горловину 11 (см. фиг. 1, 3, 4) до уровня, показанного на окне визуализации 16 (см. фиг. 5) в виде горизонтальной пунктирной линии. После заправки камер 10 (см. фиг. 1, 3-5) герметичность обеспечивается закруткой герметичных винтовых крышек 12, 15 совместно с отводящими трубками 13 на заливной 11 и сливной 14 горловинах соответственно (см. фиг. 1-5). Заправку можно осуществлять как до установки всего устройства на охлаждаемый элемент 1, так и после (см. фиг. 1, 2). После заправки всех съемных камер необходимо осуществить общий контроль их герметичности - путем наклона всей системы на различные углы, переворачиванием и выдержкой в каждом состоянии в течение нескольких минут. Контроль герметичности можно осуществлять до  и после установки устройства на охлаждаемый элемент 1 - в зависимости от конструкции всего объекта (двигателя, прибора, техносистемы и т.д.), куда входит охлаждаемый элемент 1 (см. фиг. 1).
Рассмотрим работу устройства в статике, т.е. перед началом нагрева охлаждаемого элемента 1 (см. фиг. 1). В таком режиме все детали устройства, включая охлаждаемый элемент и охлаждающую жидкость в съемных камерах, находятся при температуре, равной температуре окружающей среды. Давление в съемных камерах является нормальным. Все соприкасаемые детали плотно прилегают друг к другу. Вентилятор 8 (см. фиг. 2) находится в неподвижном (выключенном) состоянии, поэтому движения наружного охлаждающего воздуха не происходит.
Рассмотрим работу устройства в динамике. При таком режиме начнет нагреваться охлаждаемый элемент 1 (см. фиг. 1, 2). Тепло будет передаваться во всех направлениях. Произойдет нагрев установочной площадки 3 с радиальными стационарными ребрами 21, корпусов съемных камер 10 с жидким легкокипящим охладителем, радиальных съемных ребер 22 (см. фиг. 1, 2). Эти детали начнут работу по отводу тепла от охлаждаемого элемента 1 (см. фиг. 1, 2). Одновременно с этими процессами должен быть включен вентилятор 8 (см. фиг. 2), который должен обеспечивать дополнительную интенсификацию охлаждения всего устройства путем вынужденной конвекции окружающего воздуха, прокачивая его снизу-вверх через кольцевой дефлектор 9, омывая все нагретые наружные открытые стенки радиальных съемных ребер 22 (см. фиг. 1, 2, 7, 8), верхних стенок съемных камер 10 (см. фиг. 1), наружных стенок 20 съемных камер 10 (см. фиг. 5) и боковых фланцев 17 (см. фиг. 5), отводящих трубок 13 с заливными 11 (см. фиг. 4) и сливными 14 (см. фиг. 5) горловинами, с герметичными винтовыми крышками 12, 15 (см. фиг. 4, 5). При больших плотностях теплового потока возможно закипание охлаждающей жидкости в съемных камерах 10 (см. фиг. 1, 3-5). В таком случае будет происходить парообразование с некоторым повышением давления. Пар начнет свое движение через заливную горловину 11 (см. фиг. 3, 4) вверх по отводящей трубке 13 (см. фиг. 1, 3-5), в которой будет происходить процесс конденсации, а также слив капель конденсата обратно в съемную камеру 10 (см. фиг. 1, 3, 4) через сливную горловину 14 (см. фиг. 5). Наличие отводящей трубки 13 (см. фиг. 1, 3-5) позволит интенсифицировать процесс теплоотвода от нагретых внутренних стенок 19 съемных камер 10 (см. фиг. 4). Наличие лунок и выпуклостей на обеих сторонах каждого радиального съемного ребра будет значительно интенсифицировать теплоотдачу от их нагретой поверхности к воздуху в условиях естественной конвекции воздуха (при выключенном вентиляторе), а в условиях вынужденной конвекции воздуха (при включенном вентиляторе) эта интенсивность будет увеличиваться еще больше. Наличие наклонной верхней стенки съемной камеры 10 и отводящей трубки 13 (см. фиг. 1, 3-5) позволяет осуществлять теплоотвод при различных углах наклона и поворотах всего устройства (см. фиг. 2).
Преимущество заявляемого изобретения по сравнению с известными аналогами благодаря конструктивным особенностям, а именно:
1) между радиальными ребрами установлены съемные камеры с жидким легкокипящим охладителем с возможностью организации процесса кипения, испарения, конденсации и возврата жидкого конденсата обратно в полость камеры;
2) каждая съемная камера снабжена окном визуализации с горизонтальной пунктирной линией контроля уровня заправки жидким легкокипящим охладителем, заливной и сливной горловинами с герметичными винтовыми крышками, отводящей трубкой и боковыми фланцами с отверстиями для болтового соединения;
3) каждая съемная камера конструктивно имеет наклонную верхнюю стенку в виде конусного удлинения;
4) радиальные ребра выполнены составными из стационарных и съемных ребер;
5) радиальные стационарные ребра выполнены заодно с установочной площадкой и на концах каждого стационарного ребра выполнен паз для установки радиального съемного ребра и отверстия для болтового крепления съемного ребра, а также двух боковых фланцев соседних съемных камер;
6) на каждой стороне радиального съемного ребра выполнены и лунки, и выпуклости;
7) установочная площадка с радиальными стационарными и съемными ребрами выполнена из меди или медных сплавов.
Все это позволит получить эффективное устройство путем повышения теплообмена за счет расширения функциональных возможностей и повышения надежности (работоспособности, ресурса), а также экономичности не только охлаждаемых элементов с большим тепловыделением, но и новых техносистем в целом, куда входят эти охлаждаемые элементы.