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

Изобретение относится к электротехнике, а именно к полупроводниковой преобразовательной технике, и может использоваться в статистических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов и модулей.
Известно охлаждающее устройство для силовых полупроводниковых приборов (СПП) на основе цельнометаллических алюминиевых прессованных профилей (см. Охладители воздушных систем охлаждения для полупроводниковых приборов. - М.: Информэлектро, 2000, с.31).
Однако такие конструкции обладают низкой эффективностью теплоотвода и большей материалоемкостью.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство 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, соединяемого с конденсатором сваркой. Испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, вверху конденсатора расположен паровой коллектор. Устройство частично заполнено жидким промежуточным теплоносителем (Исакеев А.И. и др. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. - Л.: Энергоиздат, 1982, с.103-105).
Недостатком данной конструкции является низкая технологичность изготовления из-за большего количества сварных соединений между конденсатором и испарителем, высокая материалоемкость.
Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства, улучшении технологичности изготовления, снижении материалоемкости устройства, дифференцировании конструкции устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП).
Сущность изобретения достигается тем, что в устройстве для охлаждения силовых полупроводниковых приборов, включающем термосифон, содержащий конденсатор с внешним оребрением и внутренними каналами конденсации, соединенный с испарителем, заполненным жидким промежуточным теплоносителем. Испаритель с конденсатором соединены через расходный коллектор, а сверху над конденсатором расположен паровой коллектор. Дополнительно содержит второй идентичный термосифон. В испарителях расположены внутренние вертикальные ребра. Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка. В каждом термосифоне трубчатый конденсатор состоит из пучка вертикальных трубок, каждая из которых имеет внутреннее спиралевидное ребро. Сверху к паровым коллекторам термосифонов жестко прикреплены клапаны избыточного давления. Количество вертикальных трубок и геометрические размеры вертикальных трубок в пучке трубчатого конденсатора одного термосифона определяются следующими соотношениями:
конд
конд
N=ΣS/S,
где N - количество вертикальных трубок в трубчатом конденсаторе одного термосифона, шт.;
конд
2
ΣS - общая внутренняя площадь трубчатого конденсатора всех вертикальных трубок одного термосифона, м;
конд
2
S - внутренняя площадь конденсации одной вертикальной трубки с учетом спиралевидного ребра м;
спп
Р - мощность тепловых потерь, отводимая от СПП, Вт;
конд
2
α - коэффициент теплоотдачи при конденсации в зависимости от типа промежуточного теплоносителя, Вт/(м·°С);
s
T - температура насыщения промежуточного теплоносителя, °С;
c
T - температура внутренней поверхности вертикальных трубок трубчатого конденсатора, °С;
op
2
S - площадь внешней поверхности оребрения одного трубчатого конденсатора, м;
конд
2
α - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности к охлаждаемому воздуху в зависимости от скорости воздуха, Вт/(м·°С);
cf
T - температура охлаждающего воздуха, °С;
Между трубчатыми конденсаторами термосифонов расположена изоляционная вставка из пресс-материала следующих размеров:
(А+40)(В+40)5,
где А - высота трубчатого конденсатора, мм;
В - ширина трубчатого конденсатора, мм.
Испарители термосифонов заполнены жидким промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости.
Каждая из вертикальных трубок трубчатого конденсатора имеет внутреннее спиралевидное ребро, высота которого определяется следующим образом:
вн
h=(0.1÷0.2)d,
где h - высота спиралевидного ребра, мм;
вн
d - внутренний диаметр вертикальных трубок трубчатого конденсатора, мм.
На фиг.1 изображена конструкция устройства, на фиг.2 - устройство, вид сбоку.
Устройство (фиг.1) состоит из двух одинаковых термосифонов, каждый из которых содержит испаритель 1 с внутренними вертикальными ребрами 2 (фиг.2). Трубчатый конденсатор 3 (фиг.1) состоит из пучка вертикальных трубок 4 с единым внешним оребрением 5. Снизу вертикальные трубки 4 соединены с испарителем 1 с помощью расходного коллектора 6. Сверху вертикальные трубки 4 соединены между собой паровым коллектором 7. Каждая из вертикальных трубок 4 имеет внутреннее спиралевидное ребро 8. Испаритель 1 (фиг.2) каждого термосифона частично заполнен жидким промежуточным теплоносителем 9, перфтортриэтиламином, таким образом, что 70-75% по высоте их внутренние вертикальные ребра 2 находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости. Вверху каждого термосифона (фиг.1) в паровом коллекторе 7 расположен клапан 10 избыточного давления. Между трубчатыми конденсаторами 3 термосифонов установлена изоляционная вставка 11. Количество вертикальных трубок 4 в пучке трубчатого конденсатора 3 и геометрические размеры (фиг.2) вертикальных трубок 4 каждого термосифона определяются следующими соотношениями:
конд
конд
N=ΣS/S,
где N - количество вертикальных трубок 4 в трубчатом конденсаторе 3 одного термосифона, шт.;
конд
2
ΣS - общая внутренняя площадь трубчатого конденсатора 3 всех вертикальных трубок 4 одного термосифона, м;
конд
2
S - внутренняя площадь конденсации одной вертикальной трубки 4 с учетом спиралевидного ребра 8, м;
спп
Р - мощность тепловых потерь, отводимая от СПП, Вт;
конд
2
α - коэффициент теплоотдачи при конденсации в зависимости от типа промежуточного теплоносителя 9, Вт/(м·°С);
s
T - температура насыщения промежуточного теплоносителя 9, °С;
c
T - температура внутренней поверхности вертикальных трубок 4 трубчатого конденсатора 3, °С;
op
2
S - площадь внешней поверхности оребрения одного трубчатого конденсатора 3, м;
конв
2
α - коэффициент теплоотдачи от оребренной поверхности 5 к охлаждаемому воздуху в зависимости от скорости воздуха, Вт/(м·°С);
cf
T - температура охлаждающего воздуха, °С.
Изоляционная вставка 11 между трубчатыми конденсаторами 3 термосифонов выполнена из пресс-материала следующих размеров:
(А+40)(В+40)5,
где А - высота трубчатого конденсатора, мм;
В - ширина трубчатого конденсатора, мм.
Все элементы устройства выполнены из одинаковых материалов, например меди, алюминиевого сплава АД-31, латуни.
Каждая вертикальная трубка 4 трубчатого конденсатора 3 имеет внутреннее спиралевидное ребро 8, высота которого определяется следующим образом:
вн
h=(0.1÷0.2)d,
где h - высота внутреннего спиралевидного ребра 8, мм;
вн
d - внутренний диаметр вертикальных трубок 4 трубчатого конденсатора 3, мм.
Устройство работает следующим образом. При работе силового полупроводникового прибора 12 мощность тепловых потерь передается равномерно испарителям 1, внутренние вертикальные ребра 2 в которых нагреваются, жидкий промежуточный теплоноситель 9 закипает на поверхностях внутренних вертикальных ребер 2. Пары промежуточного теплоносителя 9 в каждом термосифоне поднимаются вверх и через расходный коллектор 6 поступают в трубчатый конденсатор 3. Пары промежуточного теплоносителя 9 равномерно распределяются по вертикальным трубкам 4 с помощью верхнего парового коллектора 7 и конденсируются на внутренних поверхностях вертикальных трубок 4 и внутренних спиралевидных ребрах 8. Кроме того, внутренние спиралевидные ребра 8 интенсифицируют стекания конденсата со стенок вертикальных трубок 4 в объем промежуточного теплоносителя 9. Тепловая мощность потерь через стенки вертикальных трубок 4 передается к внешнему оребрению 5 и далее за счет естественной или принудительной конвекции передается в окружающее пространство. Для эффективного кипения промежуточного теплоносителя 9, например перфтортриэтиламина, испарители термосифонов заполнены данной жидкостью таким образом, что 70-75% по высоте внутренние вертикальные ребра находятся в среде жидкости, остальные части внутренних вертикальных ребер - вне жидкости. Для сбрасывания избыточного давления пара в вертикальных трубках 4 трубчатого конденсатора 3, которое может возникнуть вследствие краткосрочного аварийного скачка силового тока через СПП 12. Клапаны 10 избыточного давления настроены на срабатывание при повышении давления паров до 1,2-1,3 кг/см. Все это в целом значительно увеличивает эффективность работы устройства при охлаждении силовых полупроводниковых приборов.
По сравнению с известным устройством предлагаемое позволяет повысить эффективность охлаждающего устройства, улучшить технологичность изготовления, снизить материалоемкость устройства, дифференцировать конструкцию устройства в зависимости от уровней мощностей тепловых потерь охлаждаемых силовых полупроводниковых приборов.
В ОАО «Электропреобразователь» в июне-июле 2012 г. были проведены тепловые испытания макетов предлагаемого устройства, результаты которых превосходят на 40-50% результаты прототипов.