СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Полезная модель относится к области радиоэлектроники, точнее - к области электропитания радиоэлектронных устройств и может быть использована для конструирования устройства силовой электроники со встроенной системой воздушного охлаждения (СВО).
Известно устройство воздушного охлаждения (В.А.Мельников. Статья «Стандартные конструктивные модули на основе БНК-3 с расширенными функциональными возможностями», журнал «Электропитание», №4, стр.24, 2009 г.), содержащее вентиляторные блоки (ВБ) в виде стандартных конструкционных модулей второго уровня разукрупнения в базовой несущей конструкции (БЫК), вставляемые в стандартный конструкционный модуль третьего уровня разукрупнения (стойка, шкаф) в системе ГОСТ Р 507-56.0 - ГОСТ Р 507-56.8.
Недостатком известного устройства, в ВБ которого входят два или четыре вентилятора осевого типа, используемых для формирования общего воздушного потока, является фиксированное расположение вентиляторов и, как следствие, формирование не оптимального общего воздушного потока для охлаждения внутреннего объема устройства силовой электроники в целом, содержащего в качестве модулей первого уровня разукрупнения ячейки с разным тепловыделением: с относительно большим, например, ячейки преобразователя напряжения, средним -ячейки выпрямителя с корректором коэффициента мощности и относительно небольшим - ячейки контроля и управления. Поэтому простое заимствование ВБ, выполненного на основе известной БНК, не позволяет создать эффективную СВО для устройства силовой электроники.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является СВО на основе 19-дюймового нагнетательного ВБ, выпускаемого фирмой Schroff (Главный каталог Schroff, издание 23, стр.4.13, R 03/2009 г.; электронный ресурс - 2012. - Режим доступа:
http://www. Schroff.ru. свободный), содержащего один тангенциальный вентилятор и воздуховодную панель с патрубками на верхней плоскости ВБ для подключения внешних воздуховодных шлангов, устанавливаемого в многоуровневую стойку с функциональным блоком (в заявляемой полезной модели - блоком силовой электроники), обеспечивающая разделение и необходимые направления общего воздушного потока, создаваемого ВБ.
Основными недостатками известной СВО являются возможность установки ВБ в каркас стойки только под охлаждаемым блоком силовой электроники, что не позволяет создать приточно-вытяжную СВО и, как следствие, снижает эффективность охлаждения, а также применение в ней в качестве конструкционных элементов, обеспечивающих разделение общего воздушного потока и направление раздельных воздушных потоков к охлаждаемым элементам и узлам, патрубков и гибких воздуховодных шлангов, соответственно, что создает конструкционные сложности и нерационально увеличивает массогабаритные характеристики устройства силовой электроники.
Техническим результатом и целью заявляемой полезной модели является устранение недостатков прототипа и создание более эффективной приточно-вытяжной СВО для устройства силовой электроники путем создания ВБ с оригинальной компоновкой вентиляторов, учитывающей конструкционные особенности блока силовой электроники, использования для разделения и направления воздушных потоков вместо патрубков и гибких воздуховодных шлангов встроенных в ВБ и блок силовой электроники конструкционных элементов, не увеличивающих габаритные размеры устройств и образующих совокупно компактные воздушные каналы для охлаждения теплоизлучающих частей блока силовой электроники.
Указанные технический результат и цель достигаются тем, что СВО для устройства силовой электроники содержит два идентичных ВБ, устанавливаемые в каркас стойки совместно с блоком силовой электроники, в котором размещены силовые ячейки с тепловыделяющими элементами и теплоотводящими ребристыми радиаторами, а также ячейки контроля и управления, не создающие значительного тепловыделения, при этом ВБ, содержащие каждый необходимое количество осевых вентиляторов, размещаются над и под блоком силовой электроники, а в блоке силовой электроники установлены конструкционные элементы СВО, обеспечивающие разделение и направление воздушных потоков, создаваемых ВБ, а также тем, что в качестве конструкционных элементов СВО в блоке силовой электроники используют конфузор, диффузор, воздушный экран и саму конструкцию блока силовой электроники, а в каждом ВБ - секции вентиляторов с обратным клапаном у каждого вентилятора и отдельный вентилятор без обратного клапана, а также - щетки, с помощью указанных конструкционных элементов СВО создают изолированные друг от друга воздушные каналы, подающие потоки охлаждающего воздуха непосредственно в межреберную зону радиатора каждой из силовых ячеек, причем ВБ являются взаимозаменяемыми, нижний ВБ является приточным, а верхний ВБ - вытяжным, вентиляторы в ВБ скомпонованы с учетом расположения силовых ячеек в блоке силовой электроники и разделены на секции в количестве, соответствующем количеству пар функционально и пространственно сопряженных силовых ячеек, каждая секция состоит из п однотипных вентиляторов, ограждена от соседней секции кожухом и формирует групповой воздушный поток для одной из т пар силовых ячеек, один вентилятор того же типа размещен в ВБ отдельно, в нижнем ВБ отдельный вентилятор является приточным и формирует общий поток воздуха для двух ячеек контроля и управления, не создающих значительного тепловыделения, в блоке силовой электроники под каждой парой силовых ячеек установлен конфузор для разделения группового потока воздуха от каждой секции вентиляторов ВБ на два индивидуальных потока, направленных в межреберную зону радиатора каждой из силовых ячеек пары, над каждой парой силовых ячеек в блоке силовой электроники установлен диффузор для объединения двух раздельных воздушных потоков в групповой воздушный поток для подачи его на вентиляторы соответствующей по расположению в пространстве секции вентиляторов в верхнем ВБ, один отдельный вентилятор того же типа в верхнем ВБ является вытяжным и осуществляет отвод общего потока воздуха от двух ячеек контроля и управления, не создающих значительного тепловыделения, приточные и вытяжные вентиляторы при установке обоих ВБ в каркас стойки устройства силовой электроники расположены попарно соосно, при этом в силовых ячейках блока силовой электроники со стороны, противоположной стороне установки радиатора, размещен воздушный экран, образующий совместно с ребрами радиатора установленной рядом силовой ячейки воздушный канал для эффективного охлаждения межреберной зоны радиатора только этой ячейки индивидуальным воздушным потоком, сформированным с помощью конфузора, причем на каждый вентилятор в секциях вентиляторов каждого ВБ установлен обратный клапан, открывающийся под воздействием напора воздуха, создаваемого этим вентилятором, и закрывающийся при отсутствии такого напора, кроме того, по периметру внешней и внутренней сторон в верхней части кожуха секции вентиляторов, а также по периметру, соответствующему периметру внешней стороны кожуха, под вентиляторами секции установлены щетки, закрывающие щели, образуемые в групповом воздушном канале при механическом сопряжении ВБ с блоком силовой электроники в каркасе стойки.
На фиг.1 представлен эскиз СВО для устройства силовой электроники, реализованного, например, в конструктиве блока с восемью ячейками и использующего два идентичных ВБ, установленных вместе с блоком в каркас стойки, который не показан, чтобы не затенять более существенные элементы.
На фиг.2,…5 представлены соответственно эскизы наиболее важных конструкционных элементов СВО: конфузора и диффузора (фиг.2), секции вентиляторов с открытым и закрытым клапанами (фиг.3), секции вентиляторов в разобранном виде (фиг.4) и соответствующей им пары смежных ячеек, изъятых из блока (фиг.5).
В СВО условно включены элементы устройства силовой электроники (блок и ячейки), т.к. они конструктивно участвуют в формировании воздушных потоков.
СВО содержит блок 1, ячейки 2,…9 с радиаторами 10 и воздушными экранами 11 (фиг.1 и 5), приточный 12 с отдельным вентилятором 12.1 и вытяжной 13 с отдельным вентилятором 13.1 ВБ (фиг.1), три конфузора 14 и три диффузора 15 по одному на каждую пару ячеек 2,…7 (фиг.2), шесть секций 16 вентиляторов с двумя вентиляторами 16.1 и 16.2, кожухом 16.3 и щетками 16.4 и 16.5 и шесть секций 17 обратных клапанов 17.1 и 17.2 с подвижными лепестками 18 по две пары указанных секций (одна снизу и одна сверху) на каждую пару ячеек 2,…7 (фиг.3 и 4).
Для пояснения на фиг.1, 2, 3 и 5 стрелками 19 обозначены направления движения воздуха по воздушным каналам с относительно большой теплоотдачей от ячеек 2,…7, а на фиг.1 стрелками 20 - с относительно небольшой теплоотдачей от ячеек 8 и 9.
Цепи электропитания, крепеж, направляющие и фиксирующие элементы ячеек 2, …9, блока 1, ВБ 12 и 13, а также каркас стойки и наружные воздухозаборники графически не представлены, т.к. выходят за рамки рассматриваемого в данной заявке технического решения.
Используемые в полезной модели элементы и материалы широко применяются в РФ.
СВО для устройства силовой электроники, содержащая два идентичных ВБ 12 и 13, устанавливаемые в каркас стойки совместно с блоком силовой электроники 1, в котором размещены силовые ячейки 2,…7 с тепловыделяющими элементами и теплоотводящими ребристыми радиаторами 10, а также ячейки контроля и управления 8 и 9, не создающие значительного тепловыделения, при этом ВБ 12 и 13, содержащие каждый необходимое количество осевых вентиляторов 16.1 и 16.2, размещаются над и под блоком силовой электроники 1, а в блоке силовой электроники 1 установлены конструкционные элементы СВО, обеспечивающие разделение и направление воздушных потоков 19, создаваемых ВБ 12 и 13. В качестве конструкционных элементов СВО в блоке силовой электроники 1 используют конфузор 14, диффузор 15, воздушный экран 11 и саму конструкцию блока силовой электроники 1, а в каждом ВБ 12 и 13 - три секции 16 вентиляторов 16.1 и 16.2, три секции 17 обратных клапанов 17.1 и 17.2 для каждого вентилятора и отдельный вентилятор 12.1 и 13.1 без обратного клапана, а также для каждой секции вентиляторов - кожух 16.3 и щетки 16.4 и 16.5. С помощью указанных конструкционных элементов СВО создают изолированные друг от друга воздушные каналы, подающие потоки 19 охлаждающего воздуха непосредственно в межреберную зону радиатора 10 каждой из силовых ячеек 2,…7, причем ВБ 12 и 13 являются взаимозаменяемыми, нижний ВБ 12 является приточным, а верхний ВБ 13- вытяжным, вентиляторы в ВБ 12 и 13 скомпонованы с учетом расположения силовых ячеек 2,…7 в блоке силовой электроники 1 и разделены на три секции 16, соответственно трем парам функционально и пространственно сопряженных силовых ячеек 2,…7. Каждая секция 16 состоит из двух однотипных вентиляторов, ограждена от соседней секции кожухом 16.3 и формирует групповой воздушный поток для одной из трех пар силовых ячеек, один вентилятор того же типа размещен в ВБ отдельно, в нижнем ВБ 12 отдельный вентилятор 12.1 является приточным и формирует общий поток 20 воздуха для двух ячеек 8 и 9 контроля и управления, не создающих значительного тепловыделения, в блоке силовой электроники 1 под каждой парой силовых ячеек 2,...7 установлен конфузор 14 для разделения группового потока 19 воздуха от каждой секции 16 вентиляторов ВБ 12 на два индивидуальных потока, направленных в межреберную зону радиатора 10 пары 2 и 3 силовых ячеек (также пары 4 и 5 и пары 6 и 7), над каждой парой силовых ячеек 2,…7 в блоке силовой электроники 1 установлен диффузор 15 для объединения двух раздельных воздушных потоков в групповой воздушный поток 19 для подачи его на вентиляторы соответствующей по расположению в пространстве секции 16 вентиляторов в верхнем ВБ 13, один отдельный вентилятор 13.1 того же типа в верхнем ВБ 13 является вытяжным и осуществляет отвод общего потока 19 воздуха от двух ячеек 8 и 9 контроля и управления, не создающих значительного тепловыделения, приточные и вытяжные вентиляторы при установке обоих ВБ 12 и 13 в каркас стойки устройства силовой электроники расположены попарно соосно, при этом в силовых ячейках 2,…7 блока силовой электроники 1 со стороны, противоположной стороне установки радиатора 10, размещен воздушный экран 11, образующий совместно с ребрами радиатора 10 установленной рядом силовой ячейки воздушный канал для эффективного охлаждения межреберной зоны радиатора 10 только этой ячейки индивидуальным воздушным потоком, сформированным с помощью конфузора 14, причем на каждый вентилятор в секциях 16 вентиляторов 16.1 и 16.2 каждого ВБ 12 и 13 установлен обратный клапан 17.1 и 17.2, открывающийся под воздействием напора 19 воздуха, создаваемого этим вентилятором, и закрывающийся при отсутствии такого напора, кроме того, по периметру внешней и внутренней сторон в верхней части кожуха 16.3 секции 16 вентиляторов, а также по периметру, соответствующему периметру внешней стороны кожуха, под вентиляторами секции установлены щетки 16.4 и 16.5, закрывающие щели, образуемые в групповом воздушном канале при механическом сопряжении ВБ с блоком силовой электроники 1 в каркасе стойки.
СВО работает следующим образом
Вентиляторы СВО в трех секциях приточного ВБ 12 и в трех секциях вытяжного ВБ 13 (на фиг.3 для примера показаны вентиляторы 16.1 и 16.2 секции 16 - одной из шести одинаковых секций блока 1) включаются совместно с включением устройства силовой электроники в целом и создают требуемый напор воздушного потока 19 (фиг.1, 2, 3 и 5), который направляется с помощью трех конфузоров 14 в зазоры между ребрами радиаторов 10 и воздушными экранами 11 смежных ячеек 2 и 3 (фиг.5), для других пар ячеек аналогично. Нагретый воздух через три диффузора 15 захватывается вентиляторами всех секций вытяжного ВБ 13 и выносится наружу, охлаждая, таким образом, внутренний объем блока силовой электроники. При этом работают три изолированных друг от друга воздушных канала. Первый составляют первая секция ВБ 12, конфузор 14, межреберные зоны радиаторов первой пары ячеек, диффузор 15 и первая секция ВБ 13. Аналогично второй (третий) воздушные каналы составляют соответственно вторые (третьи) секции ВБ 12 и 13 и вторая (третья) пары ячеек с своими конфузором 14 и диффузором 15. Причем конфузор 14 на входе каждого из трех воздушных каналов блока 1 по каждой паре ячеек делит в необходимой пропорции поступающий воздушный поток 19 и направляет его двумя потоками в две межреберные зоны данной пары ячеек, а диффузор 15 на выходе каждого из трех воздушных каналов блока 1 объединяет эти потоки для подачи результирующего потока на соответствующие секции вентиляторов ВБ 13.
Если один из вентиляторов секции произвольно прекращает работу, например, вентилятор 16.2 (фиг.3), то лепестки 18 обратного клапана 17.2 опустятся под собственной тяжестью и заблокируют утечку части воздушного потока 19 через вентилятор 16.2, предотвращая его существенное ослабление. При этом продолжает работать вентилятор 16.1 через открытый клапан 17.1 с поднятыми лепестками 18 (фиг.3). Аналогично работают и другие вентиляторы.
СВО работает аналогично при других количествах п вентиляторов в секции, при другом количестве m пар силовых ячеек в блоке 1, как и в рассмотренном случае при n=2 и m=3,а также при других типах БНК, ВБ, вентиляторов и другом устройстве силовой электроники.