ОХЛАЖДАЮЩИЙ КОНТУР С КОМПАКТНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ

Полезная модель относится к области отвода тепла из силового электронного модуля или содержащего силовой электронный модуль преобразователя, в частности посредством термосифонного теплообменника.
Электрические и электронные элементы силовой электроники часто следует рассматривать как полупроводниковые элементы, например IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором), тиристоры, диоды, резисторы, MOSFET (МОП-транзисторы), а также комбинации таких конструктивных элементов и т.п. Под термином «силовая электроника» ниже следует понимать силовые электронные элементы, которые при работе имеют обычно запирающее напряжение более 500 В. Эти электрические и электронные элементы должны при работе охлаждаться, поскольку из-за очень высоких удельных мощностей они вырабатывают также очень высокие тепловые потоки, которые необходимо эффективно отводить. В современных преобразователях эти силовые электронные элементы объединены в силовых модулях обычно группами. Преобразователь может использоваться, например, для привода промышленной мельницы, транспортного средства, судна и/или вообще для преобразования напряжения.
Если тепло не отводить из полупроводниковых элементов, то они могут быть повреждены, а это, в крайнем случае, может привести к тому, что пользователю преобразователем придется смириться с перерывами в работе вследствие ремонта. Таких перерывов в работе следует избегать, поскольку для пользователя преобразователем они могут привести к значительным экономическим убыткам.
Поскольку по мере миниатюризации преобразователей возрастает удельная мощность преобразователя, все больше возрастает потребность в компактных, однако более мощных системах охлаждения. Отвод тепловых потоков силовой электроники из преобразователя происходит при его работе обычно либо посредством связанного с ним потока охлаждающей воды, либо потока охлаждающего воздуха первичного контура через теплообменник. При этом тепловые потоки силовых электронных элементов передаются посредством вторичного охлаждающего контура через теплообменник на первичный охлаждающий поток.
В случае первичного охлаждающего потока как в виде потока охлаждающей воды, так и в виде потока охлаждающего воздуха мощность, термически передаваемая вторичным охлаждающим контуром через теплообменник на первичный охлаждающий поток, образует критическую величину, поскольку она влияет на потребность в конструктивном объеме для выполнения охлаждающих каналов достаточного сечения, а также насосов, вентиляторов и т.п.
Задачей полезной модели является создание усовершенствованных силового электронного модуля и преобразователя, с помощью которых по сравнению с известными того же класса мощности можно было бы уменьшить конструктивный объем. При этом под термином «конструктивный объем» следует понимать занимаемое место в отношении его пространственных габаритных размеров.
Эта задача решена посредством силового электронного модуля, охарактеризованного признаками п.1 формулы полезной модели.
Известные силовые электронные модули имеют при работе нередко не только первое рабочее состояние, но и второе рабочее состояние (или случай коммутации), в котором электрическая схема силовых электронных элементов отличается от первого рабочего состояния. В соответствии с этим термического охлаждения требуют не только силовые полупроводниковые элементы, соответствующие первому случаю коммутации, но и силовые электронные элементы, соответствующие второму случаю коммутации. Для этой цели первые силовые электронные элементы часто через первые радиаторы для поглощения первого теплового потока термически соединены с первыми силовыми электронными элементами, тогда как вторые силовые электронные элементы через вторые радиаторы для поглощения второго теплового потока термически соединены со вторыми силовыми электронными элементами.
Если при работе определенные силовые электронные элементы как в первом, так и во втором рабочем состоянии вырабатывают тепловой поток, который необходимо отводить через теплообменник на первичный охлаждающий поток, то теплообменник обычно рассчитывался термически на отводимый тепловой поток, который по величине соответствует сумме максимальных первого и второго тепловых потоков. Это приводило к тому, что как теплообменник, так и первичный охлаждающий поток с его канальными элементами и приводного средства для вырабатывания первичного охлаждающего потока, например насоса или вентилятора, рассчитывался соответственно.
Однако при более близком рассмотрении оказалось, что максимальный первый тепловой поток возникает в первом рабочем состоянии силового электронного модуля, тогда как максимальный второй тепловой поток - в его втором рабочем состоянии, смещенном по времени относительно первого рабочего состояния, так что сумма максимальных первого и второго тепловых потоков в действительности вообще никогда не возникает и поэтому их также никогда не требуется отводить на первичный охлаждающий поток, поскольку фактически отводимый тепловой поток был всегда меньше. Вследствие этого оказалось, что прежний первичный охлаждающий поток и все соответствующие ему элементы, такие как сечение каналов, насосы, вентиляторы и т.п., всегда было рассчитаны слишком большими.
По сравнению с традиционными решениями с помощью предложенного решения можно поддерживать конструктивный объем теплообменника меньшим за счет того, что силовой электронный модуль содержит следующие элементы в следующей конфигурации:
- первый силовой электронный элемент, который при работе силового электронного модуля вырабатывает первый тепловой поток;
- второй силовой электронный элемент, который при работе силового электронного модуля вырабатывает второй тепловой поток;
- вторичный охлаждающий контур с первым и вторым радиаторами и теплообменником, причем первый радиатор для поглощения первого теплового потока термически связан с первым силовым электронным элементом, а второй радиатор для поглощения второго теплового потока - со вторым силовым электронным элементом;
- теплообменник выполнен для переноса, по меньшей мере, части первого и второго тепловых потоков при работе силового электронного модуля на первичный охлаждающий поток;
- предложенный теплообменник термически рассчитан на отводимый тепловой поток, который по величине меньше суммы максимальных первого и второго тепловых потоков.
Как уже было кратко упомянуто выше, одно преимущество такого силового электронного модуля заключается в том, что предложенный теплообменник требует меньшего конструктивного объема, чем известные теплообменники силовых электронных модулей такого же класса мощности. Вследствие этого можно достичь более компактных по объему силовых электронных модулей.
Другое преимущество заключается в том, что по сравнению с известными теплообменниками силовых электронных модулей такого же класса мощности предложенный теплообменник требует меньшей мощности первичного охлаждающего потока. Вследствие этого можно снизить требуемые мощности средств для вырабатывания первичного потока, например вентиляторов в случае воздушного охлаждения или насосного блока в случае жидкостного охлаждения. Это позволяет, например, использовать вентиляторы или насосы более низкого класса мощности, чем прежде. Такие вентиляторы или насосы часто не только более компактны, но и значительно дешевле, чем используемые до сих пор типы более высокого класса мощности.
В зависимости от выполнения силового электронного модуля вторичным охлаждающим контуром может быть контур охлаждающей жидкости, в котором рабочая среда всегда остается в жидком состоянии, или термосифонный охлаждающий контур, в котором рабочая среда испаряется, по меньшей мере, в одном испарителе, а затем конденсируется в конденсаторе и в жидком виде возвращается в испаритель для повторного прохождения цикла. В этом случае первый радиатор образован первым испарителем, а второй радиатор - вторым испарителем, причем теплообменник содержит конденсатор для разжижения рабочей среды вторичного охлаждающего контура.
Особенно в том случае, когда вторичный охлаждающий контур является термосифонным охлаждающим контуром, в отношении термического к.п.д. предпочтительно, если вторичный охлаждающий контур выполнен в виде замкнутой петли (loop-type thermosiphon).
Особенно в том случае, когда несколько радиаторов и несколько силовых электронных элементов объединены в один блок, например штабель (в английском языке известен как «press-pack stack»), рекомендуется, чтобы первый радиатор был расположен по текучей среде всегда параллельно второму радиатору в охлаждающем контуре. Это справедливо, в частности, тогда, когда первый и второй радиаторы одинакового типа и имеют, поэтому приблизительно одинаковое падение давления над радиатором, т.е. между первым охлаждающим выводом (вход) и вторым охлаждающим выводом (выход). Другое преимущественно заключается в том, что в отличие от последовательного расположения радиаторов во вторичном охлаждающем контуре оба они получают рабочую среду приблизительно одинаковой входной температуры, а не рабочую среду, уже подогретую расположенным вверх по потоку радиатором, так что термический к.п.д. сравнительно выше.
С помощью предложенного силового электронного модуля хорошие термические результаты достигаются особенно тогда, когда второй силовой электронный элемент отличается от первого силового электронного элемента, в частности по типу. Это справедливо особенно тогда, когда первый и второй силовые электронные элементы расположены и конфигурированы таким образом, что максимальный первый тепловой поток возникает в первом рабочем состоянии силового электронного модуля, а максимальный второй тепловой поток - в его втором рабочем состоянии, смещенном по времени относительно первого рабочего состояния. При этом в зависимости от выполнения силового электронного модуля первый тепловой поток в первом рабочем состоянии по величине может быть больше первого теплового потока во втором рабочем состоянии, а второй тепловой поток во втором рабочем состоянии - по величине больше второго теплового потока в первом рабочем состоянии.
Приведенные аргументы в отношении силового электронного модуля соответственно относятся также к преобразователю.
Если должны быть реализованы высокие удельные мощности, то рекомендуется расположить силовые электронные элементы и испарители таким образом, чтобы они образовали штабель. В зависимости от его выполнения силовые электронные элементы и испарители расположены в чередующейся последовательности.
В зависимости от того, как уже выглядит окружающее преобразователь и/или силовой электронный модуль пространство через возможные устройства для охлаждения другой аппаратуры, может быть предпочтительным, если эти устройства для охлаждения используются также для создания охлаждающего силовые электронные элементы действия. Таким образом, первичным охлаждающим потоком может быть поток охлаждающей жидкости с содержанием воды или газообразный охлаждающий поток. В зависимости от выполнения газообразного охлаждающего потока им может быть, например, поток отработанных газов или воздушный поток.
В случае если в преобразователе требуется удобная, рациональная заменяемость силовых электронных модулей, хорошие результаты достигаются тогда, когда, по меньшей мере, один силовой электронный модуль выполнен с возможностью вдвигания наподобие ящика в преобразователь и выдвигания из него, причем теплообменник расположен на этом силовом электронном модуле. Это преимущество возрастает дополнительно тогда, когда преобразователь содержит несколько таких силовых электронных модулей, которые выполнены таким образом с возможностью вставки в преобразователь и извлечения из него.
Ниже несколько вариантов осуществления полезной модели подробно поясняются с помощью чертежей, на которых схематично представлено следующее:
фиг.1 - вариант силового электронного модуля в первом рабочем состоянии;
фиг.2 - вариант силового электронного модуля по фиг.1 во втором рабочем состоянии;
фиг.3 - диаграмма тепловой поток-время силового электронного модуля с двумя разными силовыми электронными элементами при переходе из первого рабочего состояния во второе;
фиг.4 - сравнение тепловых потоков двух разных силовых электронных элементов силового электронного модуля для традиционного определения максимального теплового потока.
В принципе, одинаковые части обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты выполнения являются примером объекта полезной модели и не ограничивают объем правовой охраны.
На фиг.1 представлен первый вариант силового электронного модуля 1 с тремя силовыми электронными элементами в первом рабочем состоянии. Модуль 1 содержит три силовых электронных элемента, которые попеременно с несколькими радиаторами стянуты между собой в штабеле 3, а на фиг.2 показано второе рабочее состояние модуля 1.
Для последующего пояснения из трех силовых электронных элементов расположенный в самом низу будет называться «первым силовым электронным элементом» 5, а следующий за ним в вертикальном направлении штабеля 3 силовой электронный элемент - «вторым силовым электронным элементом» 6. Расположенный в штабеле 3 на самом верху третий силовой электронный элемент 7 может быть типа первого силового электронного элемента 5, однако это необязательно. Для пояснения следует еще упомянуть, что второй силовой электронный элемент 6 может иметь два коммутационных положения, а именно пропускание номинального тока в своем первом коммутационном положении и запирание его в своем втором коммутационном положении. В первом рабочем состоянии модуля 1 второй силовой электронный элемент 6 находится в первом коммутационном положении, а во втором рабочем состоянии - во втором коммутационном положении. При этом переход из первого рабочего состояния во второе может происходить очень быстро, т.е. в течение долей секунды.
Описанные выше конструкцию и функционирование модуля 1 следует рассматривать как пример. В вариантах модуля вторым силовым электронным элементом может быть, например, снабберный диод и дополнительный полупроводниковый элемент, которые могут защитить третий силовой электронный элемент 7 и подключенные к нему элементы от случайного повреждения вследствие перенапряжения за счет того, что они направляют поступающий в штабель ток в другую токовую цепь (в большинстве случаев временно). В этом случае конструкция штабеля 3 была бы тогда иной, нежели показанная на фиг.1, за счет того, что она имело бы традиционные внутренние шины и изоляторы, так что три силовых электронных элемента 5, 6, 7 электрически не были бы включены последовательно так, как это показано на фиг.1 и 2. Поскольку более подробные изображение и описание были бы только во вред пониманию идеи полезной модели, дана ссылка на сильно упрощенные коммутационные возможности модуля 1.
В штабеле 3 на фиг.1 под первым силовым электронным элементом 5 расположен первый радиатор 10 для поглощения его теплового потока. Между первым 5 и вторым 6 силовыми электронными элементами расположен второй радиатор 11, который служит как для поглощения тепловых потоков обоих силовых электронных элементов 5, 6. Между вторым 6 и третьим 7 силовыми электронными элементами расположен третий радиатор 12, который служит для поглощения тепловых потоков обоих силовых электронных элементов 6, 7. На обращенной от третьего радиатора 12 стороне третьего силового электронного элемента 7 расположен четвертый радиатор 13, который также служит для поглощения его теплового потока.
Другими словами, все силовые электронные элементы 5, 6, 7 расположены наподобие сэндвича между парами 10, 11; 11, 12; 12, 13 радиаторов.
Каждый радиатор 10, 11, 12, 13 имеет присоединительную лапку 24 для электрического съема электрического тока. Однако в модуле 1 на фиг.1 при его работе соответствующий электрический тока снимается не на всех радиаторах, а только на первом радиаторе 10, входной токовой шиной 15, на втором радиаторе 11, который для этого электрически соединен с байпасной токовой шиной 16, и на четвертом радиаторе 13, который для этого электрически соединен с выходной токовой шиной 17.
В первом рабочем состоянии модуля 1 второй силовой электронный элемент 6 находится в первом коммутационном положении, а во втором рабочем состоянии - во втором коммутационном положении. Хотя такую коммутационную характеристику в высоковольтных распределительных устройствах, как правило, больше нельзя покрыть с помощью единственной детали, для пояснения полезной модели второй силовой электронный элемент 6 можно понять как электрический двойной выключатель, который в первом и втором рабочих состояниях модуля 1 вырабатывает второй тепловой поток, поскольку специалист в этой области знает, как ему конкретно следует получить механическую конструкцию штабеля.
В первом рабочем состоянии модуля 1 второй силовой электронный элемент 6 блокирует, следовательно, поступающий через первый радиатор 10 в штабель 3 ток на втором радиаторе 11, так что ток снова выходит из штабеля 3 через байпасную токовую шину 16 вдоль первой токовой цепи 18.
Во втором рабочем состоянии модуля 1 второй силовой электронный элемент 6 отводит поступающий через первый радиатор 10 в штабель 3 ток через второй радиатор 11, через третий силовой электронный элемент 7 на четвертый радиатор 13 и выходную токовую шину 17 вдоль второй токовой цепи 19, электрически блокируя токовую цепь от байпасной токовой шины 16.
Каждый радиатор 10, 11, 12, 13 имеет первый 20 и второй 21 охлаждающие выводы, которые через первую 22 и вторую 23 трубные системы по текучей среде соединены с теплообменником 14, образуя вторичный охлаждающий контур 25 в виде замкнутой петли. Во избежание короткого замыкания между двумя соседними радиаторами, которые при работе модуля 1 лежат на разных электрических потенциалах, обе трубные системы 22, 23, по меньшей мере, частично электрически изолированы, тогда как рабочая среда вторичного охлаждающего контура электрически изолирована.
При работе модуля 1 теплообменник 14 передает преобладающую часть суммы всех поглощенных радиаторами тепловых потоков первичному охлаждающему потоку 26 первичной охлаждающей системы 27. Если последняя также является (замкнутым) охлаждающим контуром, то тепловой поток первой трубной системы 22 покидает теплообменник через возвратный трубопровод 28 первичного потока.
В данном варианте модуля 1 вторичный охлаждающий контур 25 является термосифонным охлаждающим контуром, в котором рабочая среда испаряется, по меньшей мере, в одном действующем в качестве испарителя радиаторе 10, 11, 12, 13, затем конденсируется в действующем в качестве конденсатора теплообменнике 14 и в жидком виде возвращается к испарителям 10, 11, 12, 13 для повторного прохождения цикла.
На фиг.3 изображена диаграмма тепловой поток-время (Q-t-диаграмма) модуля при переходе из первого рабочего состояния во второе. При этом первый силовой электронный элемент 5 по электрической коммутационной характеристике и схеме в модуле 1 конфигурирован и расположен отлично от второго силового электронного элемента 6. В соответствии с этим иными являются нагрузочные характеристики тепловых потоков 29, 30 первого 5 и второго 6 силовых электронных элементов.
При работе модуля 1 в первом рабочем состоянии в момент t1 первый силовой электронный элемент 5 вырабатывает первый тепловой поток 29, а второй силовой электронный элемент 6 - второй тепловой поток 30. Оба тепловых потока 29, 30 переносятся через вторичный охлаждающий контур 25 на первичную охлаждающую систему 27. Поскольку второй силовой электронный элемент 6 в этот момент t1 блокирует первый ток 18 и направляет его в направлении байпасной токовой шины 16, второй тепловой поток 30 по величине меньше первого теплового потока 29.
При работе модуля 1 в первом рабочем состоянии в момент t1 на вторичный охлаждающий контур 25 через радиаторы 10, 11 переносится первый тепловой поток 29, а через радиаторы 11, 12 - второй тепловой поток 30.
Как следует из обзора фиг.3 и 4, первый силовой электронный элемент 5 вырабатывает при работе модуля 1 во втором рабочем состоянии в момент t2 первый тепловой поток 29, который по величине меньше первого теплового потока 29 в первом рабочем состоянии. Это происходит оттого, что напряжение над модулем 1 падает не только над первым силовым электронным элементом 5, но и над всеми силовыми электронными элементами 5, 6, 7 сообща. Поскольку второй силовой электронный элемент 6 в этот момент t2 пропускает ток 19 в направлении выходной токовой шины 17 и блокирует первую токовую цепь 18 в направлении байпасной токовой шины 16, второй тепловой поток 30 во втором рабочем состоянии (в момент t2) по величине больше, чем в первом рабочем состоянии (в момент t1).
29
30
29
30
29
30
29
30
29
30
В правом, выдержанном в стиле столбчатой диаграммы столбце для сравнения в сумме изображены максимальный первый тепловой поток 29 (Q(t1) в момент t1) и максимальный второй тепловой поток 30 (Q(t2) в момент t2). Как было указано выше, теплообменник 14 был выбран традиционно по этому суммарному тепловому потоку. Поскольку столбец суммарного теплового потока во втором рабочем состоянии с Q(t2) плюс Q(t2), правда, больше, чем в первом рабочем состоянии с Q(t1) плюс Q(t1), однако по величине заметно меньше суммарного теплового потока по традиционно выбранному столбцу с Q(t1) плюс Q(t2), теплообменник по своей тепловой производительности может быть выполнен более компактным, чем до сих пор, поскольку для достаточного переноса первого 29 и второго 30 тепловых потоков на вторичный охлаждающий контур 25 достаточно охлаждающей мощности во втором рабочем состоянии С Q(t2) плюс Q(t2).