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

Изобретение относится к электротехнике, 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 эффективностью теплоотвода и большой 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 заполнена 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. Кроме того, данная конструкция не позволяет размещать испаритель и конденсатор в преобразовательных устройствах на некотором расстоянии друг от друга в целях более эффективной конструкторско-технологической компоновки преобразователей.
Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства, улучшении технологичности его изготовления, снижении материалоемкости, дифференцировании конструкции устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП).
Сущность изобретения достигается тем, что устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов включает конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединен с испарителем, внутри которого расположен интенсификатор кипения. Автономный конденсатор расположен на расстоянии 1-3 метров сверху от испарителя, наполненного жидким промежуточным теплоносителем, и соединен с испарителем паропроводом и конденсатопроводом через сопла. Площадь поперечного сечения паропровода определяется следующим образом:
<mrow><mi>S</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0.07</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>r</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>8,7</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>L</mi></mrow>
2
где: Sn - площадь сечения паропровода, м;
СПП
Р - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;
n
3
ρ - плотность паров жидкого диэлектрика, кг/м;
r - удельная теплота парообразования жидкого диэлектрика, Дж/кг
L - длина паропровода, м.
Площадь поперечного сечения конденсатопровода определяется следующим образом:
<mrow><mi>S</mi><mi>к</mi><mo>=</mo><mn>4.5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>l</mi></mrow>
2
где: Sк- площадь поперечного сечения конденсатопровода, м;
Рспп - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;
ж
3
ρ плотность жидкого диэлектрика (плотность конденсата, кг/м;
l - длина конденсатопровода, м.
Количество сопел конденсатопровода определяется следующим образом:
n=1 при Рспп≤1000 Вт;
n=2 1000 Вт<Рспп≤2000 Вт;
n=3 2000 Вт<Рспп≤3000 Вт;
n=4 3000 Вт<Рспп≤4000 Вт;
n=5 4000 Вт<Рспп≤5000 Вт;
n=6 5000 Вт<Рспп≤6000 Вт;
n=7 6000 Вт<Рспп≤7000 Вт;
n=8 7000 Вт<Рспп≤8000 Вт.
где: Рспп - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;
n - количество сопел, шт.
Площадь сечения сопел определяется следующим образом:
<mrow><mi>S</mi><mtext>соп</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0.7</mn><mo>−</mo><mn>0.8</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>S</mi><mi>К</mi></msub></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
2
где: Sсоп - площадь сечения сопел, м;
К
2
S - площадь сечения конденсатопровода, м;
n - количество сопел, шт.
Интенсификатор кипения в зависимости от рассеиваемой мощности тепловых потерь может иметь следующие конструктивные решения:
СПП
элемент из алюминиевого сплава с вертикальными каналами кипения при Р=2000 Вт;
СПП
элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения 2000 Вт<Р<4000 Вт;
элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения, с пористым покрытием поверхности кипения плазменным напылением меди 4000 Вт<Рспп<4000 Вт;
элемент с пористой структурой, спеченный медной стружки или опилок 6000 Вт<Рспп<4000 Вт.
Устройство для охлаждения силовых полупроводниковых приборов (фиг.1) содержит испаритель 1, автономный конденсатор 2, имеющий внешнее оребрение 3 и внутренние каналы конденсации 4. Автономный конденсатор 2 расположен на расстоянии 1-3 метров сверху от испарителя 1 и соединен с испарителем 1 паропроводом 5 и конденсатопроводом 6 через сопла 7. Внутри испарителя 1 расположен интенсификатор кипения 8, наполненный жидким промежуточным теплоносителем, например, перфтортриэтиломином, 9. Снаружи к испарителю 1 прижаты один или два силовых полупроводниковых приборов (СПП) 10. Площадь поперечного сечения паропровода 5 определяется следующим образом:
<mrow><mi>S</mi><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0.07</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>r</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>ρ</mi><mi>n</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>8,7</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>L</mi></mrow>
2
где: Sn - площадь сечения паропровода, м;
Рспп - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;
n
3
ρ - плотность паров жидкого диэлектрика, кг/м;
r - удельная теплота парообразования жидкого диэлектрика, Дж/кг
L - длина паропровода, м.
Площадь поперечного сечения конденсатопровода 6 определяется следующим образом
<mrow><mi>S</mi><mi>к</mi><mo>=</mo><mn>4.5</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>5</mn></mrow></msup><mfrac><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>С</mi><mi>П</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>ж</mi></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>4</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><mi>l</mi></mrow>
2
где: Sк - площадь сечения конденсатопровода, м;
Рспп - мощность тепловых потерь силовых полупроводниковых приборов (СПП), Вт;
ж
3
ρ- плотность жидкого диэлектрика (плотность конденсата, кг/м;
l - длина конденсатопровода, м
Количество сопел 7 определяется следующим образом:
n=1 при Рспп≤1000 Вт;
n=2 1000 Вт<Рспп≤2000 Вт;
n=3 2000 Вт<Рспп≤3000 Вт;
n=4 3000 Вт<Рспп≤4000 Вт;
n=5 4000 Вт<Рспп≤5000 Вт;
n=6 5000 Вт<Рспп≤6000 Вт;
n=7 6000 Вт<Рспп≤7000 Вт;
n=8 7000 Вт<Рспп≤8000 Вт.
Площадь сечения сопел 7 определяется следующим образом:
<mrow><mi>S</mi><mtext>соп</mtext><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0.7</mn><mo>−</mo><mn>0.8</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>S</mi><mi>К</mi></msub></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
2
где: Sсоп - площадь сечения сопел, м;
2
Sк - площадь сечения конденсатопровода, м;
n - количество сопел, шт.
Интенсификатор кипения 8 в зависимости от рассеиваемой мощности тепловых потерь может иметь следующие конструктивные решения:
элемент из алюминиевого сплава с вертикальными каналами кипения при Рспп=2000 Вт;
элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения 2000 Вт<Рспп<4000 Вт;
элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения, с пористым покрытием поверхности кипения плазменным напылением меди 4000 Вт<Рспп<4000 Вт;
СПП
элемент с пористой структурой, спеченный медной стружки или опилок 6000 Вт<Р<4000 Вт.
СПП
Устройство работает следующим образом. При работе силовых полупроводниковых приборов (СПП) 10, одного или двух, мощность тепловых потерь Р передается испарителю 1, далее интенсификатору кипения 8. Промежуточный теплоноситель 9 закипает на поверхностях интенсификатора кипения 8, пары промежуточного теплоносителя 9 поднимаются по паропроводу 5 вверх. Пары промежуточного теплоносителя 9 достигают автономного конденсатора 2, конденсируются во внутренних каналах конденсации 4. Теплота при конденсации пара конденсируется во внутренних каналах конденсации 4, передается к внешнему оребрению 3 и отводится в окружающее пространство. Конденсат из внутренних каналов конденсации 4 стекает вниз по конденсатопроводу 6. Далее конденсат поступает в сопла конденсатопровода 6 и определяется следующим образом:
n=1 при Рспп≤1000 Вт;
n=2 1000 Вт<Рспп≤2000 Вт,
n=3 2000 Вт<Рспп≤3000 Вт;
n=4 3000 Вт<Рспп≤4000 Вт;
n=5 4000 Вт<Рспп≤5000 Вт;
n=6 5000 Вт<Рспп≤6000 Вт,
n=7 6000 Вт<Рспп≤7000 Вт;
n=8 7000 Вт<Рспп≤8000 Вт.
Конденсат из сопел 7 подается внутрь испарителя 1 непосредственно к поверхности интенсификатора кипения 8. Интенсификатор кипения 8 в зависимости от рассеиваемой мощности тепловых потерь может иметь следующие конструктивные решения:
элемент из алюминиевого сплава с вертикальными каналами кипения при Рспп=2000 Вт;
элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения 2000 Вт<Рспп<4000 Вт;
элемент из меди с развитой оребренной поверхностью кипения, с пористым покрытием поверхности кипения плазменным напылением меди 4000 Вт<Рспп<4000 Вт;
элемент с пористой структурой, спеченный медной стружки или опилок 6000 Вт<Рспп<4000 Вт.
Потоки конденсата, вытекающие из сопел конденсатопровода 5, направлены непосредственно к поверхностям кипения интенсификатора кипения 8, они турбулируют приповерхностный слой жирного промежуточного теплоносителя 9 около поверхности интенсификатора кипения 8, тем самым улучшают процессы кипения жидкого диэлектрика на поверхностях интенсификатора кипения 8. Эффективность устройства повышается за счет того, что автономный конденсатор 2 может размещаться вне преобразовательного агрегата, например, на крыше электроподвижного состава, вне помещений, где расположен преобразовательный агрегат; окружающая температура около конденсатора в этом случае значительно ниже, чем внутри самого агрегата. Использование нескольких сопел 7 конденсатопровода 5, расположенных в непосредственной близости к интенсификатору кипения 8, турбулизируют приповерхностный слой жидкого промежуточного теплоносителя 9, что в значительной мере повышает интенсивность теплоотдачи при кипении промежуточного теплоносителя 9 на поверхностях интенсификатора кипения 8.
Кроме того, дифференцирование конструкции интенсификатора кипения 8 в зависимости от уровней тепловых потерь охлаждаемых СПП также повышает эффективность устройства. Технологичность изготовления и эксплуатации устройства повышается за счет того, что из его конструкции по сравнению с прототипом исключается большое количество сварных швов для соединения испарителя с конденсатором: сварка деталей из алюминиевых сплавов весьма трудоемка и энергоемка.