Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Изобретение относится к электротехнике, а именно, к полупроводниковой преобразовательной технике и может быть использовано в статических преобразователях электрической энергии, в агрегатах на основе силовых полупроводниковых приборов.

Известно охлаждающее устройство для силовых полупроводниковых приборов (СПП) на основе цельнометаллических алюминиевых прессованных профилей (Охладители воздушных систем охлаждения для полупроводниковых приборов. - М. Информэлектро, 1996, с.31).

Однако такие конструкции обладают низкой эффективность теплоотвода и большей материалоемкостью.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство для 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, жестко соединенного с конденсатором. Испаритель частично заполнен жидким промежуточным теплоносителем (Исакеев А.И. и др. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов. Л., Энергоиздат, 1982, с.105-111).

Недостатком данной конструкции является низкая технологичность изготовления из-за большого количества сварных соединений между конденсатором и испарителем, высокая материалоемкость.

Технический результат заключается в повышении эффективности охлаждающего устройства, улучшении технологичности его изготовления, снижении материалоемкости.

Сущность изобретения достигается тем, что в устройстве, включающем конденсатор, выполненный из отрезка прессованного профиля с внешним оребрением и внутренним каналом конденсации, соединенный с испарителем, заполненным полностью жидким промежуточным теплоносителем. Испаритель пароконденсаторопроводом жестко соединен с конденсатором, который частично заполнен антифризом 65. В испарителе расположен интенсификатор кипения, выполненный в виде вертикальных ребер. Вертикальные ребра интенсификатора кипения выполнены из высокотеплопроводного металломатричного композиционного материала AlSiC. Размеры интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер определены диаметром основания силового полупроводникового прибора:

D_{осн.спп}=nb+(n+1)a=h+2,

где D_{осн.спп} - диаметр основания силового полупроводникового прибора

n - количество вертикальных ребер интенсификатора кипения, шт.,

a, b, h - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

В качестве жидкого промежуточного теплоносителя используют перфтортриэтиламин. Объем перфтортриэтиламина, которым заполнено внутреннее пространство испарителя, равно:

V_пт=(h+2a)[nb+(n+1)a]2c-h2cn,

где V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;

n - количество вертикальных ребер, шт.;

h, a, b, c - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

Объем антифриза 65, которым частично заполнено внутреннее пространство конденсатора, равно:

,

где V_аф - объем антифриза, мм³;

V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;

a_конд. - коэффициент теплоотдачи при конденсации паров промежуточного теплоносителя, Вт/м² °C;

r - теплота фазового перехода, Дж/кг;

S_{вн.оребр.} - площадь поверхности внешнего оребрения, мм².

Соотношение плотностей перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:

ρ_пт=1,8ρ_аф,

где ρ_пт - плотность перфтортриэтиламина, кг/м³;

ρ_аф - плотность антифриза 65, кг/м³.

А соотношение температур насыщения перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:

T_{s пт}=0,6T_{s аф},

где T_{s пт} - температура насыщения перфтортриэтиламина, °C;

T_{s аф} - температура насыщения антифриза 65, °C.

Устройство для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов (фиг.1) включает испаритель 1, конденсатор 2, имеющий внешнее оребрение 3 и внутренний канал конденсации 4. Испаритель 1 соединен с конденсатором 2 жестко парокондесаторопроводом 5. Внутри испарителя 1 расположен интенсификатор кипения виде вертикальных ребер 6, выполненных из высокотеплопроводного металломатричного композиционного материала AlSiC. Испаритель 1 наполнен жидким промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином 7. Внутренний канал конденсации 4 конденсатора 2 частично заполнен антифризом 65 8. Снаружи к испарителю прижаты один или два силовых полупроводниковых прибора СПИ 9. Размеры интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер 6 определены диаметром основания силового полупроводникового прибора СПП 9:

D_{осн.спп}=nb+(n+1)a=h+2,

где D_{осн.спп} - диаметр основания силового полупроводникового прибора,

n - количество вертикальных ребер интенсификатора кипения, шт.,

a, b, h - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

Внутреннее пространство испарителя 1 заполнено промежуточным теплоносителем, например перфтортриэтиламином 7, объем которого определяется следующим образом:

V_пт=(h+2a)[nb+(n+1)a]2c-h2cn,

где V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;

n - количество вертикальных ребер, шт;

h, a, b, c, - геометрические размеры ребер и межреберных пространств, мм.

Объем антифриза 65 8, которым частично заполнено внутреннее пространство внутреннего канала конденсации 4 конденсатора 2 равно:

,

где V_аф - объем антифриза, мм³;

V_пт - объем перфтортриэтиламина, мм³;

a_конд. - коэффициент теплоотдачи при конденсации паров промежуточного теплоносителя, Вт/м² °C;

r - теплота фазового перехода, Дж/ кг;

S_{вн.оребр.} - площадь поверхности внешнего оребрения, мм².

Соотношение плотностей перфтортриэтиламина 7 и антифриза 65 8 равно:

ρ_пт=1,8ρ_аф,

где ρ_пт - плотность перфтортриэтиламина, кг/м³;

ρ_аф - плотность антифриза 65, кг/м³.

Соотношение температур насыщения перфтортриэтиламина и антифриза 65 равно:

T_{s пт}=0,6T_{s аф},

где Т_{s пт} - температура насыщения перфтортриэтиламин, °C;

T_{s аф} - температура насыщения антифриза 65, °C.

Устройство работает следующим образом. При работе силового полупроводникового прибора СПП 9, одного или двух, мощность тепловых потерь передается испарителю 1, далее интенсификатору кипения в виде вертикальных ребер 6. Перфтортриэтиламин 7 закипает на поверхностях интенсификатора кипения в виде вертикальных ребер 6. Пары перфтортриэтиламина 7 через пароконденсаторопровод 5, заполненного антифризом 65 8 попадают в конденсатор 2, внутренний канал конденсации 4 которого частично заполнен антифризом 65 8. Так как соотношение плотностей и температур насыщения перфтортриэтиламина 7 и антифриза 65 8 равно:

,

,

где ρ_пт - плотность перфтортриэтиламина, кг/м³;

ρ_аф - плотность антифриза 65, кг/м³;

T_{s пт} - температура насыщения перфтортриэтиламин, °C;

T_{s аф} - температура насыщения антифриза 65, °C,

то первое соотношение (1) показывает, что более тяжелый перфтортриэтиламин 7 полностью заполняет внутренний объем испарителя 1, а более легкий антифриз 65 8 располагается выше испарителя 1 и занимает частично внутренний канал конденсации 4 конденсатора 2. Второе соотношение (2) показывает, что более легкокипящий перфтортриэтиламин 7 может автоконденсироваться в объеме антифриза 65 8. В данной конструкции конденсация паров перфтортриэтиламина 7 происходит не только или нисколько на твердой внутренней поверхности конденсатора 2, а в значительной степени в объеме антифриза 65 8, которым частично заполнен конденсатор 2, то есть происходит наряду с конденсацией паров на твердой внутренней поверхности конденсатора 2 автоконденсация паров перфтортриэтиламина 7 в объеме антифриза 65 8, что значительно повышает эффективность процесса конденсации паров перфтортриэтиламина 7. Жидкий конденсат интенсивно стекает в объем перфтортриэтиламина 7, находящегося внутри испарителя 1, турбулизирует префтортриэтиламин 7, тем самым частично увеличивает эффективность теплообмена при кипении, что улучшает технологичность изготовления устройства и его металлоемкость, что в конечном итоге увеличивает эффективность работы устройства для интенсивного охлаждения силовых полупроводниковых приборов.

В ОАО «Электровыпрямитель» были проведены тепловые испытания макетов предлагаемого устройства, результаты которых превосходят на 40-50% результаты прототипа.