УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к оборудованию для охлаждения мощных полупроводниковых преобразователей и их компонентов, а также может найти применение в других областях техники, где необходимым является создание потока воздуха в канале ограниченного сечения.
Мощные полупроводниковые приборы в настоящее время широко применяются в самых различных областях техники. При этом обеспечение оптимальных тепловых режимов указанных электротехнических устройств является одной из важнейших проблем их разработки и конструирования. Превышение допустимых температур эксплуатации полупроводниковых приборов значительно снижает надежность их работы и срок их эксплуатации. Потому актуальной проблемой остается проблема тепловой стабилизации подобных устройств. Наиболее распространенным видом охлаждения мощных полупроводниковых преобразователей является воздушное (естественное или принудительное) охлаждение. Подобный тип охлаждения обладает рядом существенных преимуществ в сравнении с другими видами охлаждения. Такими преимуществами является, например, отсутствие утечек охлаждающей среды, сравнительная простота конструктивного исполнения, низкая стоимость и широкая область применения.
Конструкции, применяемые для реализации описанного типа охлаждения, обеспечивают прохождение потока воздуха через шахту или канал, где размещены тепловыделяющие элементы полупроводниковых приборов, при этом поток воздуха омывает указанные тепловыделяющие элементы, охлаждая их тем самым; затем поступает в диффузор через его входное сечение, проходит его и удаляется с помощью вентилятора. Однако при увеличении угла раскрытия диффузора может происходить отрыв потока от стенок, что приводит к значительному вихреобразованию, при этом коэффициент сопротивления диффузора очень сильно возрастает. На преодоление возросшего гидродинамического сопротивления в таком случае затрачивается значительная часть мощности вентилятора, что в свою очередь приводит к значительному снижению эффективности охлаждения. Таким образом, актуальной задачей остается разработка устройства для воздушного охлаждения объекта, снабженного тепловыделяющими элементами, в конструкции которого описанные выше недостатки будут в значительной мере устранены, а эффективность охлаждения будет обеспечена на должном уровне.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является устройство для воздушного охлаждения тепловыделяющих элементов, описанное в патенте Украины №55321 и содержащее корпус, выполненный с возможностью размещения в нем тепловыделяющих элементов объекта, и вентиляторный блок, при этом в корпусе выполнен внутренний канал, сообщающийся с вентиляторным блоком и содержащий прямой участок и диффузор, расширяющийся в направлении потока воздуха, в стенках которого выполнены отверстия.
К недостаткам описанного решения можно отнести недостаточно эффективное охлаждение тепловыделяющих элементов за счет конфигурации воздушного потока и установившегося температурного режима, при котором не обеспечивается равномерное охлаждение всех охлаждаемых элементов, что в свою очередь обусловлено конструктивным исполнением устройства для воздушного охлаждения.
В основу полезной модели поставлена задача создания такого устройства для воздушного охлаждения тепловыделяющих элементов, конструктивное исполнение которого обеспечит достижение технического результата, заключающегося, наряду с прекращением нежелательного вихреобразования в устройстве, также и в выравнивании температурного режима, что в свою очередь позволит обеспечить эффективное и равномерное охлаждение указанных тепловыделяющих элементов.
Поставленная задача решается тем, что разработано устройство для воздушного охлаждения тепловыделяющих элементов, содержащее корпус, выполненный с возможностью размещения в нем тепловыделяющих элементов, и вентиляторный блок, при этом в корпусе выполнен внутренний канал, сообщающийся с вентиляторным блоком и содержащий прямой участок и диффузор, расширяющийся в направлении потока воздуха к вентиляторному блоку, причем в стенках диффузора выполнены отверстия, где отношение ширины корпуса к ширине внутреннего канала составляет около 3:1, а отверстия в стенках диффузора выполнены ближе к входному сечению диффузора.
Заявляемое устройство выполнено с возможностью размещения основных тепловыделяющих элементов и дополнительных тепловыделяющих элементов. При этом основные тепловыделяющие элементы размещены во внутреннем канале корпуса, а дополнительные тепловыделяющие элементы размещены в пространстве между стенками внутреннего канала и стенками корпуса с обеспечением зазора между указанными элементами и стенками корпуса.
Дополнительно заявляемое устройство содержит теплоотводящие ребристые радиаторы, установленные во внутреннем канале корпуса, что позволяет обеспечить эффективный теплообмен.
Описанная выше реализация полезной модели позволяет обеспечить ряд преимуществ. В частности, указанное отношение ширины корпуса к ширине внутреннего канала позволяет организовать достаточное внутреннее пространство в корпусе, ограниченное обшивкой или стенками корпуса и стенками внутреннего канала. В указанном пространстве размещают дополнительные тепловыделяющие элементы, выделяющие меньшее количество тепла, и, как следствие, через данное пространство организован меньший поток воздуха. При этом предпочтительно основные источники отводимого тепла размещают во внутреннем канале, через который проходит основная часть охлаждающего потока воздуха, а тепловыделяющие элементы, размещенные во внутреннем пространстве корпуса, располагают в непосредственной близости от стенок внутреннего канала и с обеспечением зазора между указанными элементами и стенками корпуса.
Следует отметить, что выполнение отверстий в стенках диффузора, а также наличие зазора между указанными тепловыделяющими элементами и стенками корпуса позволяют вводить дополнительные локальные потоки воздуха в полость диффузора, что в свою очередь позволяет прекратить вихреобразование, снизить гидродинамическое сопротивление диффузора, а, следовательно, обеспечить высокую эффективность охлаждения тепловыделяющих элементов. При этом описанная локализация отверстий в стенках диффузора, а именно ближе к входному сечению диффузора, позволяет скорректировать параметры потока воздуха во внутреннем пространстве корпуса наиболее оптимальным образом. За счет описанной реализации заявляемой полезной модели поток воздуха интенсифицируется и при перемещении по направлению к диффузору охлаждает установленные по потоку первыми тепловыделяющие элементы, при этом нагреваясь. За счет указанного отношения ширины корпуса к ширине внутреннего канала обеспечено наличие описанного выше зазора между дополнительными тепловыделяющими элементами и стенками корпуса, и, соответственно, обеспечен приток свежего воздуха во внутреннее пространство корпуса, что позволяет стабилизировать температуру охлаждающего потока воздуха по мере его продвижения, а, следовательно, выровнять температурный режим внутри устройства, обеспечив тем самым равномерное охлаждение тепловыделяющих элементов на всех уровнях их размещения относительно продольной оси устройства без увеличения производительности вентиляторного блока, расхода охлаждающего воздуха и увеличения габаритов и массы заявляемого устройства.
Указанное отношение ширины корпуса к ширине внутреннего канала, составляющее около 3:1, является оптимальным и выбрано опытным путем. Так при соотношении меньше указанного внутреннее пространство корпуса является недостаточным как для размещения подлежащих охлаждению тепловыделяющих элементов и организации необходимого зазора между дополнительными тепловыделяющими элементами и стенками корпуса, что не позволит обеспечить стабилизацию температурного режима во внутреннем пространстве устройства, а, следовательно, эффективное и равномерное охлаждение всех тепловыделяющих элементов. При соотношении больше указанного конструкция не будет выполнена оптимальным образом, не будет обеспечено эффективное использование внутреннего пространства устройства, будет наблюдаться повышенный расход охлаждающего воздуха без возможности обеспечения требуемой интенсивности потока воздуха.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью фигуры, на которой представлен схематический вид устройства для воздушного охлаждения тепловыделяющих элементов, содержащего корпус 1, выполненный с возможностью размещения в нем основных тепловыделяющих элементов 2 и дополнительных тепловыделяющих элементов 3 объекта, и вентиляторный блок 4, при этом в корпусе выполнен внутренний канал 5, сообщающийся с вентиляторным блоком 4 и содержащий прямой участок 6 и диффузор 7, расширяющийся в направлении потока воздуха к вентиляторному блоку 4, в стенках которого ближе к входному сечению выполнены отверстия 8. Также во внутреннем канале 5 корпуса 1 установлены теплоотводящие ребристые радиаторы.
Заявляемое устройство для воздушного охлаждения тепловыделяющих элементов работает следующим образом. Обеспечивают принудительное движение потока воздуха как во внутреннем канале 5, так и в пространстве корпуса 1, ограниченном обшивкой или стенками корпуса 1 и стенками внутреннего канала 5, при этом вентилятор (не показан), которым снабжен вентиляторный блок 4, отбирает воздух из диффузора 7, выходное сечение которого примыкает к вентиляторному блоку 4, и направляет его в окружающую среду. В диффузоре 7 поток воздуха создает разряжение, что позволяет обеспечить интенсификацию потока воздуха в устройстве, при этом через отверстия 8 в стенках диффузора 7 в его полость поступают локальные потоки воздуха из внутреннего пространства корпуса 1, посредством чего прекращают или значительно уменьшают вихреобразование и снижают гидродинамическое сопротивление диффузора, а также интенсифицируют поток во внутреннем объеме корпуса, обеспечивая поступление холодного воздуха для стабилизации температуры охлаждающего потока воздуха по мере его продвижения, что позволяет охлаждать подогретый ранее вследствие процесса теплообмена воздух, а, следовательно, выровнять температурный режим внутри устройства, обеспечив тем самым равномерное охлаждение тепловыделяющих элементов 2 и 3 на всех уровнях их размещения относительно продольной оси устройства.
Таким образом, заявляемая полезная модель представляет собой устройство для воздушного охлаждения тепловыделяющих элементов, конструктивное исполнение которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося наряду с прекращением нежелательного вихреобразования в устройстве также и в выравнивании температурного режима, что в свою очередь позволяет обеспечить эффективное и равномерное охлаждение указанных тепловыделяющих элементов.