Шкаф электротехнического устройства с жидкостной системой охлаждения
ELECTROTECHNICAL DEVICE CABINET WITH LIQUID COOLING SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к области электротехники, в частности к электротехническим устройствам шкафного исполнения с жидкостной системой охлаждения.
При охлаждении электротехнического оборудования шкафного исполнения одной из основных проблем является то, что температура окружающей среды на протяжении года, а также потери мощности и связанные с этим тепловые потери находящихся в электротехническом шкафу электронных компонентов имеют значительные колебания, при этом независимо от данных колебаний преобладающая во внутреннем пространстве электротехнического шкафа температура воздуха должна поддерживаться в пределах заданного значения.
Из уровня техники известны различные виды систем охлаждения, каждая из которых имеет свои недостатки и преимущества в зависимости от условий эксплуатации, основными из которых являются системы воздушного охлаждения, жидкостного охлаждения и смешанные.
В условиях эксплуатации с жесткими ограничениями по габаритам, уровню шума и температурным режимам работы оборудования наиболее эффективной считается жидкостная система охлаждения, также, на ряду, с ней может применяться смешанный принцип охлаждения с применением воздушного и жидкостного охлаждения.
Еще одной проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является обеспечение эффективного отвода тепла от электронных компонентов с наибольшим тепловыделением.
Из уровня техники известны комбинированные охлаждающие аппараты, которые дополнительно к активному циркуляционному контуру охлаждения, такому как приводимый в действие нагнетателем циркуляционный контур охлаждения или водоохладительный агрегат, имеют пассивный циркуляционный контур охлаждения или пассивный охлаждающий элемент, например в виде теплообменника жидкость-воздух. В патенте на изобретение RU 2660812 МПК H05K7/20327 раскрыт шкаф электротехнического устройства со смешанной системой охлаждения основанной на применении теплообменника жидкость-воздух. В предпочтительной форме реализации, описанного технического решения, один из двух циркуляционных контуров охлаждающего средства является пассивным, а другой – активным, преимущественным образом, приводимым в действие нагнетателем или циркуляционным насосом. При этом первый теплообменник в первом воздуховоде и второй теплообменник во втором воздуховоде расположены таким образом, что система трубопроводов пассивного циркуляционного контура охлаждающего средства расположена в направлении протекания воздуха перед системой трубопроводов активного циркуляционного контура охлаждающего средства. При этом активный циркуляционный контур охлаждающего средства может быть выполнен жидкостным.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести наличие нескольких воздуховодов, что увеличивает габариты устройства, снижает герметичность, а также требует установки воздушных фильтров с их периодической заменой. Также применение такого оборудования в замкнутом пространстве требует устройства дополнительной вентиляции для отвода подогретого воздуха из помещения.
Из патента на изобретение RU 2650878, МПК H05K7/20254 известен шкаф радиоэлектронной аппаратуры, корпус которого образован боковыми стенками и теплообменниками, верхний теплообменник в крайней верхней секции и нижний теплообменник в крайней нижней секции выполнены из плит с объединением соответствующей им верхней или нижней перегородки корпуса и соответствующего им теплообменника. Внутренние теплообменники выполнены из плит с объединением теплообменников смежных секций и разделяющих их перегородок. Каждая из магистралей выполнена в виде глубокого сквозного отверстия непосредственно в соответствующей ей боковой стенке. Змеевики в каждом из теплообменников образованы пересекающимися, например, взаимно перпендикулярными отверстиями, выполненными непосредственно в плитах и заглушками, установленными по торцевым сторонам плит в отверстиях перпендикулярных этим сторонам в местах до пересечения одного отверстия с другим, кроме отверстий ввода и вывода хладагента. Соединительные элементы для гидравлической связи каждой из магистралей с каждым из теплообменников выполнены в виде частично полых втулок с отверстиями для прохождения хладагента между магистральным отверстием в боковой стенке и соответствующим ей отверстием змеевика плиты, причем частично полые втулки расположены соосно отверстиям ввода и вывода хладагента в каждом из теплообменников.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести не достаточную эффективность отвода тепла от электронных компонентов устройства, а также отсутствие системы циркуляции воздуха в замкнутом пространстве шкафа.
Из уровня техники известен вариант реализации ячеек с силовыми электронными компонентами, который раскрыт в патенте US9113579 МПК H05K 7/20 согласно которому шкаф, содержит окна для ввода вывод охлаждающего воздуха. Внутри корпуса расположены, по меньше мере, два модуля с силовыми электронными компонентами, которые расположены таким образом, что разделенные потоки воздуха направляются непосредственно в каждый модуль, при этом, по меньшей мере, два потока пересекаются параллельно  и вместе выходят из шкафа через соответствующие отверстия. При этом указанные модули содержат термосифонный охладитель, который содержит испаритель для приема первой тепловой нагрузки, от функционирования каждого модуля, при этом термосифонный охладитель содержит конденсатор для передачи большей части первой тепловой нагрузки потоку охлаждающего воздуха при функционировании шкафа. Термосифонный охладитель включает в себя конденсатор и испаритель с множеством первых трубопроводов, который гидравлически соединен с множеством вторых трубопроводов конденсатора. Множество первых трубопроводов механически и термически связаны с тепло-передаточным элементом, на поверхности которого установлены силовые электронные компоненты.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести необходимость обеспечения отвода подогретого воздуха из помещения где установлено данное оборудование, особенно условиях существенного ограничения пространства (например машинное отделение корабля либо серверная), также воздушного охлаждения хладагента может быть не достаточно для полного отвода выделяемого тепла, что  может привести к снижению эффективности работы устройства.
В качестве ближайшего аналога принята система жидкостного охлаждения радиотехнических устройств, которая известна из патента на полезную модель №38842 МПК H05K7/20. Система жидкостного охлаждения радиотехнических устройств, содержащая пополнительный бак, соединенный с расширительным баком, подключенную к пополнительному баку своими выходом и входом жидкостную магистраль, которая оснащена насосным агрегатом, датчиками давления и температуры, и теплообменники соответствующих радиотехнических устройств, подключенные к жидкостной магистрали. В жидкостную магистраль введен охлаждаемый теплообменник, размещенный в коробе с циркулирующей забортной водой, при этом корпус, в котором размещены пополнительный и расширительный баки и теплообменник передатчика, а также корпус в котором размещены насосный агрегат и теплообменник микроэлектронных блоков, выполнены в герметичном исполнении. Участок жидкостной магистрали между корпусом устройства и внешним теплообменником выполнен в виде гибкого двухканального трубопровода из шарнирных звеньев, а насосный агрегат содержит шестеренный насос и приводной электродвигатель, ротор которого установлен на общей оси с ведущей шестерней шестеренного насоса и помещен в герметичный стакан, отделяющий полость ротора от статора приводного электродвигателя.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести отсутствие циркуляции воздуха внутри герметичного электротехнического устройства, а также недостаточно эффективный отвод тепла от электронных компонентов ввиду отсутствия непосредственного контакта с теплоносителем.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является реализация эффективной системы охлаждения электронных компонентов электротехнического устройства с распределенной системой вентилирования и охлаждения силовых ячеек электротехнического шкафа с обеспечением прямого отвода тепла при помощи хладагента.
Технический результат, достигаемый от реализации заявляемого технического решения, заключается в повышении эффективности системы охлаждения посредством улучшения теплообмена между электронными компонентами и носителем хладагента, а также улучшения циркуляции охлаждающего воздуха внутри замкнутого корпуса электротехнического устройства, достигаемых посредством обеспечения прямого контакта электронных компонентов с поверхностью теплоносителя, а также размещения теплообменников жидкость-воздух, на пути движения направленного потока воздуха, что в свою очередь позволяет компактно разместить электронные компоненты внутри шкафа, и приводит к уменьшению его габаритов.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что система охлаждения шкафа электротехнического устройства включает первичный и вторичный контуры с хладагентом. Первичный контур выполнен замкнутым и включает ячейки с электронными компонентами, которые оснащены теплообменником «жидкость-воздух», обдуваемым посредством рециркуляционного вентилятора, установленного в ложементе соответствующей ячейки. По меньшей мере, часть электронных компонентов ячеек уставлены на поверхности охладителей в непосредственном контакте с поверхностью носителя хладагента, одна из плоскостей которого находится в плоскости поверхности охладителя. При этом вторичный контур связан с внешним источником хладагента и находится в термическом контакте с первичным посредством пластинчатого теплообменника «жидкость-жидкость».
Также согласно предпочтительному варианту реализации технического решения, первичный контур системы охлаждения содержит емкость компенсации температурного расширения хладагента.
Согласно возможным вариантам реализации, электронные компоненты преимущественно установлены на поверхности охладителей выполненных в виде алюминиевых плит, с по меньшей мере, одним продольным пазом сложной формы под установку носителя хладагента.
Также, согласно еще одному предпочтительному варианту реализации технического решения поверхность носителя хладагента и охладителя формируют одну плоскость под установку электронных компонентов.
Сущность заявляемого технического решения поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами:
фиг.1 – шкаф электротехнического устройства, общий вид;
фиг.2 – компоновка электротехнического шкафа;
фиг.3 – охладитель дросселя;
фиг.4 – охладитель силовых ключей IGBT;
фиг.5 – охладитель с носителем хладагента в разрезе;
фиг.6 – охладитель дросселя в сборе;
фиг.7 – ячейка шкафа электротехнического устройства, в разрезе.
Согласно заявляемому варианту реализации заявляемого технического решения, шкаф электротехнического устройства (фиг.1) выполнен в моноблочном корпусе 1 рамной конструкции разделенной на герметичные отсеки, среди которых можно выделить:
- отсек вводной коммутации 2;
- отсек выпрямителя 3;
-отсек инвертора 4;
- отсек вывода 5;
- отсек шкафа чиллера 6.
Отсек 2 вводной коммутации включает вводные автоматы с поворотным включателем 7 (фиг. 1, 2), универсальный микропроцессорный контроллер 8 верхнего уровня, с панелью управления вынесенной на лицевую панель отсека 2, также указанный отсек содержит фильтр 9 электромагнитной совместимости (ЭМС) и трансформатор 10.
После отсека 2 вводной коммутации расположен отсек выпрямителя 3, который содержит ячейки 11 выпрямителя связные с указанным отсеком 2 через набор предохранителей 12. Ячейки выпрямителя включены в первичный контур 13 системы жидкостного охлаждения посредством подводящих и отводящих трубопроводов 14, 15 связывающих ячейки с трубопроводом 16, 17 подачи и отвода хладагента, соответственно.
Рядом с отсеком выпрямителя 3 размещен отсек инвертора 4, который имеет компоновку схожую с отсеком выпрямителя 3. Ячейки инвертора 18, также включены в первичный контур системы жидкостного охлаждения посредством подводящих 19 и отводящих 20 трубопроводов связывающих ячейки 18 с трубопроводом 16, 17 подачи и отвода хладагента, соответственно. Отсек вывода 5 установлен вслед за отсеком инвертора 4 и выполняет функции подключения управляемого оборудования. Также согласно одному из возможных вариантов реализации, заявляемое техническое решение содержит отдельный отсек чиллера 6. Отсек чиллера 6 включает теплообменник 21 жидкость-жидкость обеспечивающий термический контакт первичного 13 и вторичного 22 контуров системы жидкостного охлаждения. Первичный контур выполнен замкнутым и может быть заправлен различными типами хладагентов, в частности полипропиленгликолем либо дистиллированной водой. Теплообменник 21 выполнен пластинчатым и обеспечивает разделение жидкостных контуров. Вторичный контур 22 может быть связан с любым внешним источником хладагента через фланцы 23 (фиг.1,2) в нижней части отсека. Также указанный отсек 6 включает емкость 24 компенсации температурного расширения жидкости в первичном контуре, циркуляционный насос 25 обеспечивающий движение хладагента в замкнутом цикле, устройствами 26 измерения параметров теплоносителя на входе и выходе циркуляционного насоса 25. Трубопроводы оснащены запорной арматурой, в частности, автоматизированной заслонкой 27, позволяющей постепенно изменять температуру хладагента в первичном контуре.
Ячейки отсеков выпрямителя 3 и инвертора 4 (фиг.3) оснащены теплообменником «жидкость-воздух» 28, обдуваемым посредством рециркуляционного вентилятора 29 установленного под ложементом 30 соответствующей ячейки, при этом теплообменник 28 встроен в ложемент 30 сконфигурированный с возможность обеспечения направленного потока воздуха, по средством направляющей 39. Также заявляемое устройство дополнительно оснащено элементами 40 подогрева, обеспечивающими защиту от образования конденсата внутри оболочки. По меньшей мере, часть электронных компонентов указанных ячеек, установлены на поверхности охладителей 31 (фиг. 4,5) в непосредственном контакте с поверхностью носителя хладагента, одна из плоскостей которого находится в плоскости поверхности охладителя, который может быть выполнен в виде радиатора или другого теплопроводящего элемента. Другая часть электронных компонентов ячейки, преимущественно слаботочных, установлены над поверхностью охладителя жидкость-воздух и охлаждаются направленным потоком воздуха, от вентилятора 29 установленного в ложементе 30 ячейки.
Указанное конструктивное выполнение ячеек повышает эффективность системы охлаждения посредством улучшения теплообмена между электронными компонентами и носителем хладагента, а также улучшения циркуляции охлаждающего воздуха внутри замкнутого корпуса электротехнического устройства, что позволяет компактно разместить электронные компоненты внутри шкафа и приводит к уменьшению его габаритов.
Согласно предпочтительному варианту реализации, на поверхности охладителей устанавливают преимущественно силовые электронные компоненты, в частности дроссель 32 (фиг.6) ячейки выпрямителя, вариант выполнения охладителя 31 которого показан на фиг.4. Охладитель 31 ячейки инвертора может иметь вид, приведенный на фиг.5, данное выполнение охладителя предусматривает установку силовых ключей  IGBT 41 инвертора. В приведенных вариантах реализации охладителя 31, электронные компоненты преимущественно установлены на его поверхности, с частности, поверхности алюминиевых плит 33 (фиг.7), с по меньшей мере, одним продольным пазом 34 сложной формы под установку носителя 35 хладагента. Приведенный вариант выполнения паза позволяет осуществить надежную фиксации носителя 35 хладагента с возможностью компенсации его температурного расширения в пределах паза посредством зубца 36 устроенного в верхней части паза и образованных зон 42 компенсации деформации. При этом поверхность 37 носителя 35 хладагента и поверхность 38 охладителя формируют одну плоскость под установку электронных компонентов.
Заявляемое техническое решение согласно описанному варианту реализации работает, следующим образом.
Внутри первично жидкостного контура 13 под воздействием рециркуляционного насоса в замкнутом цикле циркулирует хладагент, который проходя жидкостной теплообменник 21, отдает тепло во вторичный контур системы охлаждения, связанный с внешним источником хладагента. Далее по трубопроводу 16 через подводящие трубопроводы 14, 19 хладагент подается в ячейки отсеков выпрямителя и инвертора где распределяется и поступает на охладители 31 силовых электронных компонентов, а также теплообменник 28 жидкость воздух, проходя через который охлаждает поток воздуха от вентилятора 29, установленного в ложементе ячейки. После прохождения ячеек хладагент через отводящие трубопроводы 15, 20, по трубопроводу 17 подается в отсек чиллера 6, где после прохождения жидкостного теплообменника 21 повторно поступает в систему охлаждения.
Указанная система жидкостного охлаждения оснащена интеллектуальной системой автоматического регулирования температуры внутри шкафа электротехнического устройства, основанной на командах программируемого микропроцессорного контроллера, который формирует управляющие сигналы на основе показаний устройств измерения параметров хладагента (теплоносителя) и температуры внутри оболочки.
Совокупность существенных признаков заявляемого технического решения способствует достижению указанного технического результата повышая эффективность системы охлаждения шкафа электротехнического устройства посредством улучшения теплообмена между электронными компонентами и носителем хладагента, а также улучшения циркуляции охлаждающего воздуха внутри замкнутого корпуса электротехнического устройства. Достижение указанного технического результат исходя из явной причинно следственной связи, позволяет компактно разместить электронные компоненты внутри корпуса указанного устройства, что приводит к уменьшению его габаритов.