ОХЛАЖДАЮЩИЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
COOLING MODULE FOR COOLING OF ELECTRONIC ELEMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к охлаждению электронных и электрических элементов. В частности, предметом настоящего изобретения является охлаждающий модуль, содержащий конденсатор, силовой модуль, содержащий охлаждающий модуль, и способ охлаждения электрических и/или электронных элементов.
Уровень техники
Системы охлаждения находят широкое применение при эксплуатации электрических и электронных аппаратов и приборов, работающих на низком, среднем и высоком напряжении.
Электронные блоки питания необходимо охлаждать во время работы во избежание повышения температуры выше допустимых пределов и, следовательно, отказа устройств. Характерными особенностями данных устройств является не только высокий уровень тепла, создаваемого ими, но также, высокая плотность энерговыделения, т.е. тепловой поток.
Водоохлаждаемые системы обычно могут хорошо работать при высокой плотности энерговыделения. Однако данные системы могут быть дорогостоящими, а также могут нуждаться в активном подвижном устройстве в виде насоса, который имеет ограниченный ресурс и нуждается в техобслуживании. Кроме того, системы водяного охлаждения обычно являются весьма дорогостоящими.
Обычным системам воздушного охлаждения, состоящим из ряда пластин, выступающих из базовой плиты, может не требоваться насос, но им может требоваться вентилятор для принудительного охлаждения. Однако поскольку коэффициент теплопередачи между поверхностью пластины и воздухом низок, для получения достаточной эффективности охлаждения может требоваться большая площадь поверхности пластины. Кроме того, при необходимости избегать чрезмерно высокой скорости воздуха, перепада давлений и уровня шума необходимо обеспечивать достаточное поперечное сечение воздушного потока. Такие конструкции могут приводить к появлению крупногабаритных теплоотводящих устройств с длинными, толстыми и, следовательно, тяжелыми пластинами для достижения приемлемой эффективности этих пластин. Данная проблема может становиться еще более острой, если заказчик просит обеспечить минимальный зазор между соседними пластинами, чтобы избежать засорения этих зазоров при работе в грязной воздушной среде, что может иметь место в основных областях применения. Двухфазное охлаждающее устройство, описанное в документе ЕР 2031332 А1, представляет собой пассивную систему, работающую на термосифонном принципе.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в создании усовершенствованного, эффективного и гибкого охлаждения для электронных и электрических элементов.
Эта задача решена с помощью охлаждающего модуля, силового модуля, содержащего охлаждающий модуль, и способа охлаждения электрических и/или электронных элементов согласно независимым пунктам формулы изобретения. Дополнительные варианты осуществления изобретения следуют из зависимых пунктов формулы.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения предлагается охлаждающий модуль, содержащий конденсатор, при этом конденсатор содержит по меньшей мере одну панель с двумя листами, скрепленными друг с другом посредством прокатки таким образом, что между данными листами образуется канал, тянущийся в плоскости, образованной этими листами.
Такой охлаждающий модуль может иметь более высокие характеристики, чем обычная система с водяным или воздушным охлаждением, и в состоянии избегать засорения при работе в загрязненной воздушной среде.
Еще одним возможным преимуществом предлагаемого охлаждающего модуля является то, что он может обеспечивать высокую эффективность охлаждения, а также работать с высокой плотностью энерговыделения, т.е. при высокой плотности теплового потока.
Описанному выше охлаждающему модулю может не требоваться активный насос, а в конструкции можно обеспечивать широкие проходы для охлаждающего воздуха, не опасаясь, что произойдет засорение при работе в загрязненной воздушной среде. Охлаждающий модуль может иметь достаточную площадь поперечного сечения потока и площадь поверхности пластин, чтобы обеспечить умеренную скорость воздушного потока, перепад давлений и уровень шума; такую возможность охлаждающему модулю будут, скорее всего, давать легкие и при этом высокоэффективные пластины.
С помощью такого охлаждающего модуля можно осуществлять эффективное охлаждение силовых электронных элементов, таких как биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТ113), используемые в каскадных преобразователях, и вспомогательные преобразователи в метро. В качестве охлаждаемых модулей БТ113 могут быть использованы модули 1500 А/3300 V ABB HiPak.
Описанный выше охлаждающий модуль может обеспечить достаточную эффективность охлаждения электронных элементов, таких как преобразователи метро, чтобы поддерживать температуру и изменение температуры электронных устройств (в частности, температуру соединения БТ113 с диодом) достаточно низкими при динамических нагрузках работы метро, чтобы гарантировать достаточный срок службы электронных устройств. Преобразователи метро, охлаждаемые с помощью вышеупомянутого охлаждающего модуля, могут устанавливаться под кузовом вагона метро, где высота устройства может быть ограничена размером 560-600 мм. Охлаждающий модуль может использовать высоту оптимально, т.е. так, что для него используется минимальное пространство.
Охлаждающий модуль, описанный выше для охлаждения, например, преобразователя, используемого в метро, дает возможность компоновать модули преобразователей близко друг к другу, т.е. устанавливать 6-12 модулей БТ113 в одной плоскости в форме матрицы 2×3, 2×4, 2×5 или 2×6, чтобы избежать больших промежутков между ними. Это дает возможность избежать чрезмерно длинных электронных соединений (шин). Таким образом, будучи в состоянии работать с высокой мощностью (с высокими потерями), охлаждающий модуль может также иметь дело и с высокой плотностью энерговыделения.
Дополнительным преимуществом охлаждающего модуля может являться то, что его уровень акустического шума низок, и он может быть использован для охлаждения преобразователя, используемого метро, например, в то время, когда поезд стоит на станции, что накладывает ограничения на скорость охлаждающего воздуха и применение мощных охлаждающих вентиляторов, чтобы поддерживать низкий уровень шума.
Очистка описанного выше охлаждающего модуля может производиться снаружи, например, с помощью водяного шланга, и он не будет засоряться, а его характеристики не будут снижаться при работе в условиях загрязненной воздушной среды, что является типичным для работы в метро.
Кроме того, предлагаемый охлаждающий модуль можно оптимизировать по весу и габаритам, он может являться оптимальным по соотношению "цена-качество", и может быть модульным, например, его можно выполнить для комплекта 2×1 модулей БТ113. Путем установки n идентичных охлаждающих модулей рядом друг с другом можно, например, получить охлаждающее устройство для 2×n модулей БТ113. Вышеупомянутый охлаждающий модуль может иметь вес, не превышающий 25 кг, что обеспечит простоту транспортировки в процессе производства.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, конденсатор может включать в себя более одной панели, например, по меньшей мере, две панели.
Прокатываемые листы могут быть соединены друг с другом таким образом, что между ними будет образован, как минимум, один канал.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, панель может иметь один или несколько каналов.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал может иметь несколько контуров.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал может иметь контурную форму.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал может быть открытым и незакрытым.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал может быть закрытым.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, охлаждающий модуль может быть термосифонным.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, охлаждающий модуль может быть контурно-термосифонным.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, охлаждающий модуль может быть двухфазным охлаждающим модулем.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, панель может быть преобразована, чтобы образовать пластину или панель конденсатора.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, охлаждающий модуль может быть охлаждающим модулем для охлаждения электронных элементов, например силовых электронных элементов, например БТ113.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, конденсатор может быть установлен на определенном расстоянии от испарителя, то есть он может находиться на определенном расстоянии от точки, где осуществляется сбор тепла посредством испарения, например в верхней части корпуса.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал содержит, по меньшей мере, один контур.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, охлаждающий модуль может включать в себя теплоприемный блок, соединенный с каналом. Теплоприемный блок имеет соединительные приспособления для подсоединения, по меньшей мере, одного источника тепла, таким образом, что тепловая нагрузка может термически передаваться на теплоприемный блок. Теплоприемный блок может быть гидравлически соединенным с каналом.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, охлаждающий модуль может содержать более одного теплоприемного блока.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, панель включает в себя теплоприемный блок.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, панель конденсатора может быть механически и термически соединена с базовой плитой, например, базовая плита может иметь канавку, в которую вставляется панель конденсатора или край панели конденсатора.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, теплоприемный блок получает тепло от более чем одного источника тепла.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, теплоприемный блок получает тепло от источника тепла, такого как электронный элемент низкого, среднего или высокого напряжения. Источник тепла может быть силовым электронным устройством. Электронный элемент высокого напряжения может быть расположен рядом с теплоприемным блоком.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, электронный элемент высокого напряжения может быть прикреплен к теплоприемному блоку.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, охлаждающий модуль дополнительно содержит несколько панелей, установленных на теплоприемном блоке таким образом, что образуется комплект панелей, в котором теплоприемный блок подсоединен, по меньшей мере, к одному каналу каждой панели. Теплоприемный блок может быть гидравлически соединен, по меньшей мере, с одним каналом каждой панели.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, несколько панелей могут быть установлены на теплоприемном блоке или на некотором расстоянии от охлаждаемого элемента, например, так, что комплект панелей, содержащий ряд панелей, может быть установлен сверху отсека, внутри которого установлен теплоприемный блок, напримериспаритель.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, несколько панелей устанавливаются в модуль на теплоприемном блоке, таким образом, что можно произвести замену любой панели.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, одну часть панелей можно согнуть для увеличения ширины комплекта панелей по сравнению с базовой пластиной.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, верх или верх и низ комплекта панелей можно закрыть панелями-крышками или закрывающими конденсаторными панелями. Таким образом, небольшие стороны межпанельных воздушных каналов можно сделать термически активными, повысив, вероятно, тепловые характеристики.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, теплоприемный блок представляет собой теплопроводную базовую пластину.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, базовая пластина может быть алюминиевой или двойной алюминиевой пластиной и может быть прикреплена к прокатанному блоку.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, каждый конденсатор может размещаться рядом с другим конденсатором, образуя конденсаторную пачку, конденсаторы в которой соединены друг с другом путем припаивания базовой пластины каждого конденсатора друг к другу.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, теплоприемный блок представляет собой испаритель.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, охлаждающий модуль дополнительно содержит охладитель в канале для передачи тепла, в котором передача тепла осуществляется за счет испарения первой части испарителя и конденсации второй части испарителя.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, первая часть охладителя является жидкой, а вторая - газообразной. Таким образом, охладитель, заполняющий канал, может находиться в состоянии насыщения.
Отношение количества жидкого охладителя к газообразному может зависеть от типа охладителя, температуры, его давления, тепловой нагрузки (количества тепла, которое необходимо рассеять) и диаметра, а также геометрии канала, в котором находится охладитель.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал, например внутренний канал, может иметь поперечное сечение прямоугольной, многоугольной, треугольной, трапециевидной, круглой и овальной формы, для непульсирующих панелей.
Расстояние между прокатанными панелями может изменяться от нескольких миллиметров, например, при принудительной конвекции до 10 мм и более при свободной конвекции или с целью предотвращения загрязнения.
Таким образом, канал может иметь любую геометрию, приспособленную для передвижения охлаждающего агента за счет гравитации, согласно одному варианту осуществления изобретения. Такой канал может иметь несколько контуров и может быть замкнутым, охлаждающий агент в котором нагревается передаваемым теплом от источника тепла и испаряется на испарительном участке канала. Испарившийся охлаждающий агент перемещается в конденсаторную секцию канала под действием силы тяжести. В конденсаторной секции газообразный охлаждающий агент конденсируется, превращаясь в жидкость и отдавая тепло теплоносителю, например воздуху. Под действием гравитации жидкий охлаждающий агент стекает обратно в испарительную секцию, и описанный выше процесс повторяется.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал имеет геометрию, обеспечивающую пульсационное охлаждение, которое не работает под действием гравитации, и, следовательно, охлаждающее устройство может быть произвольно относительно направления ускорения свободного падения. Пульсационный канал может иметь капиллярные размеры, волнообразную форму и соединенные концы. В канале может быть сначала создано разрежение, а затем он может быть заполнен рабочей жидкостью, которая может распределиться сама естественным образом в виде жидкостных и паровых пробок и скоплений внутри капиллярного пульсационного канала. Один конец канала может воспринимать тепло (испарительный участок) и передавать его на другой конец канала (конденсационный участок) за счет пульсирующего действия парожидкостной системы. Между двумя вышеупомянутыми зонами может находиться адиабатическая зона. Таким образом, охлаждающий модуль с пульсационным каналом может быть в значительной степени неравновесным теплообменником, успех работы которого может зависеть, в первую очередь, от непрерывного технического обслуживания этих неравновесных условий в системе. Транспортировка парожидкостной смеси может происходить за счет термически активированных пульсаций давления в соответствующих каналах. Во время работы устройства между испарительным и конденсационным участками может иметь место градиент температуры, обуславливающий неравновесные условия по давлению. Теплопередача на участок испарения может привести к непрерывному росту образования пузырей в испарительном участке, которые будут проталкивать жидкость в сторону участка с низкой температурой (конденсационного участка) вследствие более высокого давления и температуры. Одновременно конденсация на противоположном конце канала приведет к еще большему повышению перепада давлений между этими двумя концами. Итак, между управляющими тепловыми потенциалами может образоваться неравновесное состояние, а система, в свою очередь, будет стремиться уравновесить внутреннее давление.
Если несколько каналов соединены между собой, перемещение пробок жидкости и пузырей пара в одном контуре может привести к возникновению перемещения этих пробок и пузырей в соседних контурах. Взаимодействие между движущей и восстанавливающей силами приводит к возникновению колебаний пузырей пара и жидкостных пробок. Кроме того, неустранимые возмущения, присущие реальным системам, могут приводить к колебаниям давления в системе.
В отличие от обычных отопительных труб, например труб с передвижением жидкости под действием силы тяжести, равновесие стационарного давления не может быть достигнуто для пульсационного охлаждения. Частота и амплитуда колебаний может зависеть от плотности теплового потока и массовой доли жидкости в канале, где происходят пульсации. За счет этих колебаний тепло, поступающее от источника тепла в испарительном участке, может передаваться в конденсационный участок и может быть отведено теплоносителем типа воздуха.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, один канал устроен таким образом, что при работе охлаждающего модуля обеспечивается перемещение охлаждающего агента под действием силы тяжести, или пульсационное охлаждение.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, плотность превратившегося в пар охлаждающего агента может быть ниже плотности охлаждающего агента в виде жидкости.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, диаметр канала для пульсационного охлаждения может составлять менее 2 мм. В общем случае, диаметр канала для пульсационного охлаждения может иметь любой размер, обеспечивающий возможность пульсационного охлаждения, пульсационное охлаждение тепловых труб или пульсационное движение при термосифонном охлаждении.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал для пульсационного охлаждения может быть каналом открытого и незакрытого контура.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал для пульсационного охлаждения может быть каналом закрытого контура.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, канал для пульсационного охлаждения может иметь несколько контуров.
Такой охлаждающий модуль с каналом, обеспечивающим движение охлаждающего агента за счет пульсационного охлаждения, может не зависеть от силы тяжести, и, следовательно, может быть выполнен в любой форме независимо от силы тяжести.
В таком канале может происходить пульсационное перетекание двухфазного охлаждающего агента, например, в снарядном режиме двухфазного потока, что обеспечивает очень высокую теплопередачу.
Пульсирующее течение можно стимулировать с помощью геометрии, когда канал может иметь изгибающуюся форму и контактировать с теплоприемным блоком при изменении направления течения на 180°; при этом изгибающийся канал может иметь либо закрытый, либо открытый контур.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, изгибы канала могут быть, по меньшей мере, частично прямоугольными, для обеспечения максимальной площади контакта с базовой пластиной с целью снижения термического сопротивления на пути к базовой пластине и хорошей механической устойчивости пластины в канавке базовой пластины.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, при работе охлаждающего модуля тепло от участка конденсации передается в окружающую среду теплоносителем.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, роль теплоносителя может выполнять охлаждающий воздух.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, роль теплоносителя может выполнять вода.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, предлагается силовой модуль, содержащий, по меньшей мере, один электрический и/или электронный элемент, термически соединенный с теплоприемным блоком, и охлаждающий модуль, выполненный по любому из вышеперечисленных вариантов осуществления изобретения, с охлаждающим агентом для получения тепла от теплоприемных блоков и отвода его в окружающую среду с помощью теплоносителя при работе охлаждающего модуля.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, обеспечивается возможность использования охлаждающего модуля, выполненного по любому из вышеописанных вариантов осуществления, с целью охлаждения, по меньшей мере, одного электрического и/или электронного элемента.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, данные электронные элементы могут быть силовыми электронными элементами, например БТ113.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, предлагается способ охлаждения электрических и/или электронных элементов. Данный способ включает в себя этапы получения тепла, по меньшей мере, от одного электрического и/или электронного элемента, термически соединенного с теплоприемным блоком охлаждающего модуля, во время работы передающего тепло от теплоприемного блока конденсатору охлаждающего модуля. Данный охлаждающий модуль представляет собой панель, включающую в себя два листа, соединенные путем прокатки таким образом, что между данными листами образуется канал, тянущийся в плоскости, образованной этими листами, при работе охлаждающего модуля.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, данный способ включает в себя также этап передачи тепла от конденсатора в окружающую среду путем испарения первой части охлаждающего агента в канале, конденсации второй части охлаждающего агента в канале и передачи тепла от канала к теплоносителю. По меньшей мере, один канал устроен таким образом, что при работе охлаждающего модуля обеспечивается перемещение охлаждающего агента под действием силы тяжести.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, данный способ включает в себя также этап передачи тепла от конденсатора в окружающую среду путем испарения первой части охлаждающего агента в канале, конденсации второй части охлаждающего агента в канале и передачи тепла от канала к теплоносителю, при котором, по меньшей мере, один канал устроен таким обрезом, что при работе охлаждающего модуля перемещение охлаждающего агента обеспечивается за счет пульсационного охлаждения.
Данная и другие особенности настоящего изобретения станут понятными и будут пояснены при рассмотрении вариантов осуществления, описываемых ниже.
Краткое описание чертежей
Поясним объект изобретения более подробно в приведенном ниже описании со ссылками на примеры осуществления данного изобретения, иллюстрируемые с помощью прилагаемых чертежей.
На фиг.1 схематично представлено перспективное изображение охлаждающего модуля с конденсатором и испарителем, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.2 схематично представлено перспективное изображение панели конденсатора на фиг.1.
На фиг.3 схематично представлено перспективное изображение панели испарителя на фиг.1.
На фиг.4 схематично представлено перспективное изображение поперечного сечения испарителя на фиг.1.
На фиг.5 схематично представлено перспективное изображение охлаждающего модуля с конденсатором и испарителем, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.6 схематично представлено перспективное изображение панели испарителя на фиг.5.
На фиг.7 схематично представлено перспективное изображение охлаждающего модуля с конденсатором и испарителем, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.8 схематично представлено перспективное изображение поперечного сечения охлаждающего модуля с конденсатором и испарителем, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.9 схематично представлено перспективное изображение еще одного поперечного сечения охлаждающего модуля на фиг.8.
На фиг.10 схематично представлено перспективное изображение охлаждающего модуля с конденсатором с симметрично установленными панелями и испарителем, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.11 схематично представлено перспективное изображение конденсатора с базовой пластиной, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.12 схематично представлено перспективное изображение базовой пластины на фиг.11, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.13 схематично представлено перспективное изображение базовой пластины на фиг.11, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.14 схематично представлено перспективное изображение охлаждающего модуля с конденсатором и базовой пластиной, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.15 схематично представлено перспективное изображение охлаждающего модуля с конденсатором и базовой пластиной, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.16 схематично представлено перспективное изображение охлаждающего модуля с несколькими конденсаторами, образующими комплект панелей с базовыми пластинами, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.17 схематично представлено перспективное изображение одной панели с базовой пластиной на фиг.16.
На фиг.18 схематично представлен вид сбоку панели конденсатора до прикрепления к базовой пластине охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.19 схематично представлена панель, прикрепленная к базовой пластине охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.20 схематично представлено перспективное изображение панели охлаждающего модуля с испарительным и конденсаторным участками, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.21 схематично представлено перспективное изображение панели охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.22 схематично представлено поперечное сечение охлаждающего модуля с базовой пластиной и несколькими панелями, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.23 схематично представлено поперечное сечение охлаждающего модуля с базовой пластиной и несколькими панелями, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.24 схематично представлено поперечное сечение охлаждающего модуля с базовой пластиной и несколькими панелями, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.25 схематично представлено поперечное сечение охлаждающего модуля с базовой пластиной и несколькими панелями, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.26 схематично представлено увеличенное поперечное сечение двух листов панели охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.27 схематично представлено увеличенное поперечное сечение двух листов панели охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.28 схематично представлено поперечное сечение панели охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.29 схематично представлено поперечное сечение панели охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.30 схематично представлено поперечное сечение панели охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.31 схематично представлено поперечное сечение панели охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.32 схематично представлено изображение панели с закрытым контуром и показан испарительный участок охлаждающего модуля для пульсационного охлаждения, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.33 схематично представлено изображение панели с открытым контуром и показан испарительный участок охлаждающего модуля для пульсационного охлаждения, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.34 схематично представлено увеличенное поперечное сечение испарительного участка панели охлаждающего модуля, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.35 схематично представлена часть поперечного сечения А-А базовой пластины на фиг.34, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.36 представлена блок-схема способа охлаждения электрических и/или электронных элементов, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
Ссылочные позиции, используемые на чертежах, и их обозначения приведены ниже в виде списка обозначений. Как правило, аналогичным деталям на чертежах присваиваются одинаковые обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематически показан охлаждающий модуль 100, содержащий конденсатор 1 с панелью 11, состоящей из двух листов, скрепленных друг с другом посредством прокатки таким образом, что между данными листами образуется канал 113, расположенный в плоскости, образованной этими листами. Канал 113 включает в себя несколько контуров 1130. Конденсатор 1 содержит несколько панелей 11 с каналами 113, причем каждый канал 113 ведет к конденсатному трубопроводу 12, идущему от отдельных панелей 11 или пластин 11 к коллектору 121 конденсата. Один конденсатный патрубок 122 идет от коллектора 121 конденсата к теплоприемному блоку 2, 2А, выполненному в виде испарителя 2А. Испаритель 2А гидравлически соединен с каналом 113 посредством паровых трубопроводов 21, каждый из которых ведет к каналу 113 одной пластины 11 или панели 11.
Теплоприемный блок 2, 2А в виде испарителя 2А снабжен соединительными устройствами для соединения, по меньшей мере, одного источника 3 тепла с испарителем 2А таким образом, чтобы тепловая нагрузка от источника 3 тепла могла термически передаваться на теплоприемный блок 2, 2А. Источником 3 тепла может являться используемый в метро преобразователь, например полупроводниковый переключатель, или любой другой электрический и/или электронный элемент, термически соединенный с теплоприемным блоком 2, 2А.
Вариант осуществления изобретения, представленный на фиг.1, так же как и все другие варианты, показанные на других чертежах, предназначен для решения проблемы ограниченной эффективности пластины, с которой приходится встречаться при использовании обычных пластинчатых радиаторов с воздушным охлаждением для охлаждения преобразователей метро, когда теплопроводность является единственным механизмом передачи тепла в пластине. В обычных системах пограничные условия с высокой эффективностью охлаждения, высокой плотностью энерговыделения, ограниченной скоростью воздуха (вследствие ограничений по уровню шума на станциях метро) и достаточно широкие каналы между пластинами могут приводить к большой длине пластин. Для обеспечения достаточно высокой эффективности пластин их необходимо делать довольно толстыми, что приводит к большому весу и габаритам теплоотводящего устройства. Данная проблема решается с помощью варианта изобретения, представленного на фиг.1, и других вариантов, представленных на последующих чертежах, поскольку в данном случае теплопередача внутри пластин усиливается за счет конвекции.
Согласно вариантам осуществления изобретения, представленным на приведенных чертежах, для решения проблемы можно использовать контурный термосифон с двухфазным охлаждающим агентом, перемещение охлаждающего агента в котором осуществляется под действием силы тяжести, без применения какого-либо активного насоса. Контурный термосифон может состоять из контурных каналов 113, 1130, содержащих охлаждающий агент, работающий в двухфазном диапазоне. На одном участке канала 113 может происходить испарение охлаждающего агента, в то время как на другом участке данного канала может происходить конденсация охлаждающего агента. Перемещение охлаждающего агента может происходить под действием силы тяжести, так как плотность пара намного ниже плотности жидкости. В соответствии с предлагаемыми вариантами осуществления системы охлаждения, представленными на чертежах, испарительный участок термосифонного канала воспринимает тепло от электронного устройства 3, в то время как конденсационный участок термосифонного канала передает тепло к охлаждающему воздуху или какой-либо другой охлаждающей среде.
Экономичные охлаждающие устройства могут включать соединенные способом прокатки пластины и/или солнечные термопоглотители. Соединенные способом прокатки панели могут хорошо подходить как пластины для охлаждения электрических или электронных элементов 3, так как они являются дешевыми, тонкими, легкими, и имеется большая гибкость касательно реального расположения каналов 113 в панели 11. Соединенные способом прокатки панели 11 могут рассматриваться как высокоэффективные пластины 11.
При соединении прокаткой два листа металла могут быть соединены вместе посредством прокатки под высоким давлением. При этом определенные области листов могут быть пропущены, например, посредством обработки изолирующим агентом, таким как графитовый порошок, чтобы листы не могли соединяться в этих областях. После соединения листов производится их раздувание с целью образования каналов в областях, обработанных изолирующим агентом.
Такие соединенные способом прокатки панели 11 могут использоваться в качестве конденсатора 1 контурного термосифона или охлаждающего модуля 100. Для завершения создания контурного термосифона 100 в конструкцию можно добавить отдельный испаритель 2А, к которому подсоединяются силовые электронные устройства 3. Как описывается ниже, испаритель 2А можно устанавливать не отдельно, а в секции каналов 113 в пластинах 11. Все пластины 11 могут непосредственно подсоединяться к базовой пластине 2В, к которой могут присоединяться электронные устройства 3 (см., например, фиг.11).
Одним конкретным преимуществом использования соединенных прокаткой панелей 11 в качестве пластин 11 может быть то, что поверхность панели 11 является не ровной, а имеет приподнятые участки от каналов 113 внутри панели 11. Данные приподнятые участки оказывают влияние на распределение воздушного потока, усиливая интенсивность турбулентности и, следовательно, усиливая теплопередачу между поверхностью панели и воздухом.
На фиг.2 схематично показана отдельная панель 11 или пластина 11 по п.1 с каналом 113 с несколькими контурами 1130; таким образом, канал 113 имеет изгибающуюся форму.
На фиг.3 схематично представлено перспективное изображение теплоприемного блока 2, 2А из фиг.1 в виде испарителя 2А с конденсатным патрубком 122.
На фиг.4 схематично показано перспективное изображение поперечного сечения теплоприемного блока 2, 2А в виде показанного на фиг.1 испарителя 2А с конденсатным патрубком 122 для приема конденсата от конденсатора, а также несколько паровых трубопроводов 21, ведущих к каналам конденсатора, для приема испарившегося охлаждающего агента от испарителя 2А.
На фиг.5 схематично показано перспективное изображение представленного на фиг.1 охлаждающего модуля 100 с той разницей, что у него отсутствует коллектор конденсата и имеется не один конденсатный патрубок 122, а несколько конденсатных патрубков 122, каждый из которых ведет из канала 113 каждой панели 11 конденсатора 1 через конденсатные трубопроводы 12 непосредственно к испарителю 2А.
На фиг.6 схематично представлено перспективное изображение теплоприемного блока 2 в виде испарителя 2А с конденсатными патрубками 122, соответствующими конструкции, показанной на фиг.5.
На фиг.7 схематично представлено перспективное изображение охлаждающего модуля 100, показанного на фиг.1, с той разницей, что данный охлаждающий модуль 100 дополнительно содержит паросборник 211 или паровой коллектор 211, в который поступает охлаждающий агент в виде пара из теплоприемного блока 2 в виде испарителя 2А, и поступает через несколько паровых трубопроводов 21 в каналы 113 панелей 11 конденсатора 1 охлаждающего модуля 100.
Охлаждающий воздух 4 из различных мест может обтекать каналы 113 пластин 11 или панелей 11, как показано стрелками 4а, 4b, 4с и 4d.
Электронные устройства 3 могут крепиться либо к обеим сторонам испарителя 2А, как показано на фиг.7, либо только к одной стороне.
Поток воздуха через пластины 11 может происходить как за счет принудительной конвекции посредством использования вентилятора или воздуходувки, так и за счет свободной конвекции. При использовании на составе или, в более общем смысле, на любом транспортном средстве пластины 11 могут быть ориентированы с целью использования набегающего потока воздуха. Оси каналов 113 между пластинами или каналы 113 могут быть расположены по направлению движения.
На фиг.8 схематично представлено перспективное изображение поперечного сечения охлаждающего модуля 100 с конденсатором 1, состоящим из нескольких панелей 11, имеющих два листа, соединенных друг с другом способом прокатки, при котором между данными листами образуется канал 113, расположенный в плоскости между этими листами; каждый канал ведет в конденсатный трубопровод, соединяющийся с конденсатным коллектором 121. Конденсатный патрубок 122 соединяет конденсатный коллектор 121 с теплоприемным блоком 2, 2А, выполненным в виде испарителя 2А. Паровая трубка 212 служит для передачи парообразного охлаждающего агента от испарителя 2А в паросборник 211 или паровой коллектор 211.
На фиг.9 схематично показано поперечное сечение охлаждающего модуля 100, представленного на фиг.8.
На фиг.10 схематично показан представленный на фиг.1 охлаждающий модуль 100 с той разницей, что конденсатор 1 содержит несколько симметрично расположенных панелей 11. Пар охлаждающего агента передается от испарителя 2А в паросборник 211 или паровой коллектор 211, и отсюда через несколько трубок - в каждый канал 113 каждой из симметрично расположенных панелей 11 конденсатора 1.
На фиг.11 схематично показано перспективное изображение охлаждающего модуля 100 с конденсатором 1, состоящим из нескольких панелей 11, имеющих два листа, соединенных друг с другом способом прокатки, при котором между данными листами образуется канал 113, расположенный в плоскости между этими листами. Охлаждающий модуль 100 дополнительно содержит теплоприемный блок 2, 2В в виде базовой пластины 2В, снабженной соединительными устройствами для присоединения как минимум одного источника 3 тепла таким образом, что тепловая нагрузка термически передается к теплоприемному блоку 2, 2В, соединенному с каналом 113 каждой панели 11, так что тепловая нагрузка может передаваться от теплоприемного блока 2, 2В к каналу 113.
Базовая пластина 2В может быть теплопроводной базовой пластиной 2В, передающей тепловую нагрузку каналу 113 каждой панели 11 конденсатора 1.
Пластины 11 или панели 11 могут быть механически и термически соединены с базовой пластиной 2В. Согласно фиг.11, данное соединение создается с помощью базовой пластины 2В с канавками 20, в которые вставляются пластины 11. Для обеспечения оптимального теплового контакта канавки 20 могут быть настолько глубокими, что они полностью окружают испарительную секцию каналов 113. Соответствующие пластины 11 могут иметь шпоночную форму. Одним из способов изготовления базовой пластины 2В с канавками является прессовка выдавливанием алюминиевого сплава. Однако прессовка выдавливанием шпоночных канавок 20 может являться затруднительной, поскольку данные канавки 20 могут быть узкими на выходе, и инструмент может ломаться. Для улучшения экструдируемости испарительную секцию канала 113 можно выполнить более широкой. Соответствующие канавки 20 могут больше не иметь узкого сечения. Один из способов обеспечения плотного контакта между пластинами 11 или панелями 11 и базовой пластиной 2В, дающий минимальное термическое сопротивление, заключается в том, чтобы вставлять пластины 11 в канавки 20 базовой пластины 2В до надувания, а уже затем выдувать каналы 113 пластин, в результате чего каналы 113 в канавках 20 будут приобретать точно такую же форму, что и канавки 20 базовой пластины 2В.
Еще одним возможным способом соединения пластин 11 с базовой пластиной 2В является пайка. Этот способ является особенно интересным, если в канавку 20 базовой пластины вставляется лишь плоский гладкий конец соединенной способом прокатки панели 11, а не испарительный канал 113, поскольку в данном случае обеспечение плотного контакта не является проблемой.
Базовая пластина 2В может быть расположена на одной стороне нескольких пластин 11, как это показано на фиг.11, или в нижней части нескольких пластин (не показано).
На фиг.12 схематично показано перспективное изображение теплоприемного блока 2, 2В в виде базовой пластины 2В, представленной на фиг.11, включающего в себя несколько канавок 20 в виде шпоночных канавок, предназначенных для того, чтобы вставлять в них панели конденсатора.
На фиг.13 схематично показано перспективное изображение базовой пластины 2В, представленной на фиг.12, с той разницей, что канавки 20 выполнены в виде шпоночной канавки не с узким горлышком, а без узкого горлышка.
На фиг.14 схематично показано перспективное изображение охлаждающего модуля 100, представленного на фиг.11, в котором базовая пластина 2В частично окружает испарительный участок каждого канала 113 панелей 11.
На фиг.15 схематично показано перспективное изображение охлаждающего модуля 100 с теплоприемным блоком 2, 2В в виде базовой пластины 2В, в которую вставляются несколько панелей 11, образующих комплект 111 панелей, причем каждая панель 11 имеет входной патрубок для заполнения ее охлаждающим агентом перед началом работы.
На фиг.16 схематично показан охлаждающий модуль 100, представленный на фиг.15, в исполнении, когда каждая панель 11 с базовой пластиной 2В вставляется в комплект 111 панелей или комплект 111 конденсатора.
На фиг.17 схематично показан один конденсатор 1, представленный на фиг.16, содержащий теплоприемный блок 2,2В в виде базовой пластины 2В, в которую вставляется одна панель 11.
На фиг.18 схематично показано перспективное изображение конденсатора 1, представленного на фиг.17, в котором панель 11 с каналом 113 находится в состоянии перед подсоединением к теплоприемному блоку 2,2В в виде базовой пластины 2В.
На фиг.19 схематично показано перспективное изображение конденсатора 1, представленного на фиг.18, в котором панель 11 с каналом 113 уже подсоединена к теплоприемному блоку 2,2В в виде базовой пластины 2В.
На фиг.20 схематично представлено перспективное изображение панели охлаждающего модуля с каналом 113, на котором показаны испарительный участок 1131 и конденсаторный участок 1132.
Канал 113 для передачи тепла заполнен охлаждающим агентом; передача тепла осуществляется за счет испарения первой части 1134 охлаждающего агента в испарительном участке 1131 и конденсации второй части 1135 охлаждающего агента в конденсаторном участке.
На фиг.21 схематично показано перспективное изображение панели 11 охлаждающего модуля с входным патрубком 1133 для заполнения охлаждающим агентом канала 113 с несколькими контурами 1130 перед началом работы.
На фиг.22 схематично показано поперечное сечение охлаждающего модуля 100 с теплоприемным блоком 2, 2В в виде базовой пластины 2В, в которую вставляются соединенные способом прокатки панели 11 конденсатора, в котором два комплекта по четыре панели 11 с изгибом 112 симметрично устанавливаются по обе стороны одной прямой панели 11 на базовой пластине 2В. Панели 11 с изгибом 112 могут быть использованы для увеличения ширины комплекта панелей 11 по сравнению с шириной базовой пластины 2В. Представленная на фиг.22 конструкция обеспечивает большую площадь поверхности и большую площадь поперечного сечения потока при сохранении малого размера базовой пластины 2В, что необходимо для получения высокой плотности энерговыделения. Изгибы 112 на фиг.22 и 23 могут быть выполнены закругленными.
Панели 11 с изгибами 112 имеют две закругленные кромки. Панели 11 могут иметь несколько закругленных кромок.
На фиг.23 схематично показано поперечное сечение охлаждающего модуля 100, представленного на фиг.22, содержащего два комплекта по шесть панелей 11 с изгибом 112, установленных симметрично на базовой пластине 2В.
На фиг.24 схематично показано поперечное сечение теплоприемного блока 2, 2В в виде базовой пластины 2В, в которую вставляются панели 11 конденсатора, образующие охлаждающий модуль 100, в котором одна закрывающая панель 116 или крышка 116 закрывает несколько панелей 11, причем закрывающая панель 116 выполнена с двумя изгибами 112 таким образом, что малые стороны каналов панелей 11, удаленные от базовой пластины 2В, могут быть выполнены термически активными, в результате чего повышаются термические характеристики. Крышка 116 может также и не быть панелью. Внутренние подканалы 117 выполнены перпендикулярно панелям 11 для обеспечения более эффективного обдувания воздухом. Подканалы 117 могут быть выполнены с помощью пластиковых или металлических пластин, которые могут быть установлены перпендикулярно плоскости панелей 11. Подканалы 117 могут направлять воздушный поток и обеспечивать более высокие скорости при заданной величине расхода, а также возможность получения обдува в противоположных направлениях.
На фиг.25 схематично показан вид сверху охлаждающего модуля 100, представленного на фиг.24.
На фиг.26 схематично показаны два листа 114, 115 панели конденсатора охлаждающего модуля, согласно изобретению, соединенные друг с другом посредством прокатки, таким образом, что между данными листами 114, 115 образуется канал 113, расположенный в плоскости между этими листами 114, 115. Канал 113 для передачи тепла заполнен охлаждающим агентом 5. Первый лист 114 и второй лист 115 согнуты, образуя канал 113.
На фиг.27 схематично показано поперечное сечение двух листов 114 и 115, представленных на фиг.26, где согнут только первый лист 114, образуя канал 113, заполненный охлаждающим агентом 5.
На фиг.28 схематично показано поперечное сечение панели 11 с каналом 113, содержащим несколько контуров 1130. Кромки контура 1130 закруглены. Как показано на фиг.28-30, возможно различное количество параллельных каналов 113. На фиг.28 показан один канал 113.
На фиг.29 схематично показано поперечное сечение панели 11 с каналом 113, содержащим несколько контуров 1130 с закругленными кромками. На фиг.29 показано несколько параллельных каналов 113.
На фиг.30 схематично показано поперечное сечение панели 11 с каналом 113, содержащим несколько контуров 1130 с закругленными кромками. На фиг.30 показаны два параллельных канала 113.
На фиг.31 схематично показано поперечное сечение панели 11 с каналами 113, расположенными с небольшим наклоном с целью оказания содействия перетеканию охлаждающего агента под действием силы тяжести. Может быть выбрана любая геометрическая форма канала 113, способствующая перетеканию охлаждающего агента под действием силы тяжести.
На фиг.32 схематично показано поперечное сечение панели 11 с каналом 113, обеспечивающим возможность работы по принципу пульсационного термосифона. В испарительном участке 1131 охлаждающий агент, присутствующий в канале 113, нагревается и испаряется, перемещаясь в направлении в сторону от испарительного участка 1131.
В таком пульсирующем термосифоне 11 происходит неустойчивое, пульсационное перетекание двухфазного охлаждающего агента в канале 113, например, в снарядном режиме двухфазного потока, что обеспечивает очень высокую теплопередачу. Данное пульсирующее течение стимулируется геометрией, показанной на фиг.32. Изгибающийся канал 113 контактирует с источником тепла, расположенным в районе поворотов 1130 на 180°. Изгибающийся канал 113 может быть либо замкнутым, как показано на фиг.32, либо разомкнутым, как показано на фиг.33. Повороты 1130 на 180° не обязательно должны быть полукруглыми, как показано на фиг.32 и 33. На фиг.34 схематично показано увеличенное изображение части панели 11 в испарительном участке 1131, представленном на фиг.32 или 33, с теплоприемным блоком 2,2В в виде базовой пластины 2В. Почти прямоугольные изгибы 1130 канала 113 могут обеспечить максимальную площадь контакта с базовой пластиной как для снижения термосопротивления при переходе к базовой пластине 2В, так и для повышения механической устойчивости пластины 11 в канавке 20 базовой пластины 2В (показано на фиг.35). Плотный контакт между панелями 11 или пластинами 11 и базовой пластиной 2В можно обеспечить путем выдувания каналов 113 после того, как они будут вставлены в канавки 20 базовой пластины. Базовая пластина 2В все равно может иметь призматическую форму и может изготовляться из экструдированного алюминия.
На фиг.35 показан вид сверху (поперечное сечение А-А, см. фиг.34) канавок 20 теплоприемного блока 2,2В в виде базовой пластины 2В.
Как указывалось выше, на фиг.33 схематично показан вид сбоку панели 11 с открытым каналом 113 для пульсационного охлаждения, при котором происходит пульсирующее движение охлаждающего агента в охлаждающем модуле во время работы.
На фиг.36 представлена блок-схема способа 150 охлаждения электрических и/или электронных элементов, включающего в себя этапы: получения тепла, по меньшей мере, от одного электрического и/или электронного элемента, термически соединенного с теплоприемным блоком охлаждающего модуля, во время работы передающего тепло от теплоприемного блока конденсатору охлаждающего модуля; передачи тепла от теплоприемного блока к конденсатору охлаждающего модуля, включающему в себя панель из двух листов, соединенных друг с другом способом прокатки таким образом, что между данными листами образуется канал, тянущийся в плоскости, образованной этими листами, в процессе работы охлаждающего модуля 152; и передачи тепла от конденсатора в окружающую среду путем испарения первой части охлаждающего агента в канале, конденсации второй части охлаждающего агента в канале, и передачи тепла от канала к теплоносителю. По меньшей мере, один канал может быть устроен таким образом, что, в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, при работе охлаждающего модуля обеспечивается перемещение охлаждающего агента под действием силы тяжести.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, по меньшей мере, один канал может быть устроен таким образом, что при работе охлаждающего модуля обеспечивается перемещение охлаждающего агента за счет пульсационного охлаждения.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было подробно описано выше и проиллюстрировано с помощью приведенных чертежей, данные чертежи и описание следует рассматривать лишь как демонстрационные и пояснительные материалы; они никоим образом не ограничивают список возможных вариантов осуществления данного изобретения. Прочитав описание и формулу изобретения и ознакомившись с приведенными чертежами, специалисты в данной области техники смогут выявить и другие возможные варианты осуществления настоящего изобретения.
Используемый в формуле изобретения термин "содержащий" не исключает возможности наличия других элементов или этапов. Единый охлаждающий модуль или единый силовой модуль может выполнять функцию нескольких элементов, упомянутых в формуле. Сам факт того, что определенные единицы измерения упоминаются во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не говорит о том, что комбинация данных единиц измерения не может использоваться для получения преимущества. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны истолковываться как ограничивающие объем изобретения.
Перечень ссылочных позиций
1 Конденсатор, конденсаторы
2 Теплоприемный блок
2а Испаритель
2b Базовая пластина
3 Источник тепла, электронное устройство/устройства, электронный элемент/элементы, электрический элемент/элементы, БТИЗ(ы), электронный элемент высокого напряжения, силовое электронное устройство
4, 4a, 4b, 4c, 4d Охлаждающий воздух, охлаждающий агент
5 Охлаждающий агент, двухфазный охлаждающий агент
11 Панель/панели, пластина/пластины, панель конденсатора
12 Конденсатный трубопровод/трубопроводы
20 Канавка/канавки базовой пластины
21 Паровой трубопровод/трубопроводы
100 Охлаждающий модуль
111 Блок панелей, комплект панелей, комплект конденсаторов
112 Изгибы, изгибы панелей, изгиб панели
113 Канал, изгибающийся канал/каналы
114 Первый лист, первый металлический лист, лист
115 Второй лист, второй металлический лист, лист
116 Закрывающая панель, крышка
117 Внутренний подканал/подканалы, подканал/подканалы
121 Конденсатный коллектор, коллектор жидкости, патрубок заполнения конденсатом
122 Конденсатный патрубок
211 Паросборник, паровой коллектор
212 Паровая трубка
1130 Контур/контуры, изгиб/изгибы, поворот на 180°, прямоугольный изгиб
1131 Испарительный участок канала в панели
1132 Конденсатный участок канала в панели
1133 Вход, отверстие канала для заполнения охлаждающим агентом
1134 Первая часть охлаждающего агента
1135 Вторая часть охлаждающего агента