Радиоэлектронное устройство с испарительным охлаждением жидким диэлектриком

 

Использование: изобретение относится к полупроводниковым преобразователям, интегральным схемам и радиопередатчикам с испарительным охлаждением жидким диэлектриком , системой охлаждения с промежуточным теплообменником, охлаждаемым проточной водой. Сущность изобретения: с целью повышения надежности и улучшения массогабаритных характеристик путем снижения величины давления паров жидкого диэлектрика в герметичном кожухе устройство содержит герметичный кожух 1, частично заполненный жидким диэлектриком 2. Выход Ьоды 77 Ниже уровня жидкого диэлектрика в кожухе расположены охлаждаемые электрорадиоэлементы 3, а выше уровня трубчатый теплообменник 4 с водяным охлаждением. К теплообменнику подсоединен трубопровод водоснабжения 5, в котором установлен клапан возвратного действия 6, регулирующий расход воды, поступающей на охлаждение теплообменника. Клапан установлен таким образом, что поток воды из трубопровода водоснабжения подведен с той же стороны тарелки 7, плотно прижимаемой сверху к посадочному гнезду клапана пружиной 8, к которой прикреплен верхний конец вертикального штока 9, нижний конец которого прикреплен сверху к сильфону 10, установленному вертикально снаружи герметичного кожуха ниже уровня находящегося в нем жидкого диэлектрика и присоединенному к герметичному кожуху трубопроводом 11. Противоположный конец этого трубопровода соединен с герметичным кожухом 1 ниже уровня находящегося там жидкого диэлектрика. 1 з.п. ф-лы. 1 лп. 1 Ё VI VI VI ю ел ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Вх

2, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (21) 4888870/21 (22) 04.12.90 (46) 23.11.92. Бюл. N. 43 (71) Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарева (72) А.Т,Турнек, А.А.Большаков и В.М.Каликанов (56) Заявка Японии N 59 — 25385, кл, Н 05 К

7/20, 1984, (54) РАДИОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО

С ИСПАРИТЕЛЬНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

ЖИДКИМ ДИЭЛЕКТРИКОМ (57) Использование: изобретение относится к полупроводниковым преобразователям, .интегральным схемам и радиопередатчикам с испарительным охлаждением жидким диэлектриком, системой охлаждения с промежуточным теплообменником, охлаждаемым проточной водой. Сущность изобретения: с целью повышения надежности и улучшения массогабаритных характеристик путем снижения величины давления паров жидкого диэлектрика в герметичном кожухе устройство содержит герметичный кожух 1, частично заполненный жидким диэлектриком 2.. Ы 1777255 А1 (я)5 Н 05 К 7/20, Н 01 1 23/46

Киже уровня жидкого диэлектрика в кожухе расположены охлаждаемые электрорадиоэлементы 3, а выше уровня трубчатый теплообменник 4 с водяным охлаждением. К теплообменнику подсоединен трубопровод водоснабжения 5, в котором установлен клапан возвратного действия 6, регулирующий расход воды, поступающей на охлаждение теплообменника. Клапан установлен таким образом, что поток воды из трубоггровода водоснабжения подведен с той же стороны тарелки 7, плотно прижимаемой сверху к посадочному гнезду клапана пружиной 8, к которой прикреплен верхний конец вертикального штока 9, нижний конец которого прикреплен сверху к сильфону 10, установленному вертикально снаружи герметичного кожуха ниже уровня находящегося в нем жидкого диэлектрика и присоединенному к герметичному кожуху трубопроводом 11. Противоположный конец этого трубопровода соединен с герметичным кожухом 1 ниже уровня находящегося там жидкого диэлектрика. 1 э.п. ф-лы, 1 ил.

1777255

Изобретение о1 носится к полупроводниковым преобразователям, интегральным схемам и радиопередатчикам с испарительной жидким диэлектриком системой охлаждения с промежуточным теплообменником, охлаждаемым проточной водой.

При расчете теплообменника расход воды на его охлаждение определяется из условий максимальной ее температуры, а также максимальной величины мощности рассеиваемой электроэлементами. (Исакеев А.И., Киселев И.Г.. Филатов В.В.. Эффективные способы охла>кдения силовых полупроводниковых приборов. — Л.: Энергоиздат, 1982. — 136с.)

Если величина расхода воды. определенная из этих условий, т.е. без учета сезонных колебаний температуры и изменения режима работы устройства, будет поддерживаться неизменной в процессе эксплуатации, то это приведет к существенному перерасходу воды, Механизм влияния этих факторов на величину расхода воды следует из уравнений теплопередачи и теплового баланса:

Н=КF ЛТ (1)

P = V Срв Рв (Твр - Тв) ), (2) где Р— мощность рассеивания;

К - коэффициент теплопередачи от паров жидкого диэлектрика. конденсирующихся на наружной поверхности труб теплообменника, к воде, охлаждающей их внутреннюю поверхность;

ЬТ вЂ” средняя разность температур между температурой паров воды в трубах теплообмен ника;

F — площадь поверхности труб теплообмен ника;

V — расход воды на охлаждение тепло обменника;

Ср, p, — теплоемкость и плотность воды;

Т 1, Т вЂ” температура воды на входе и выходе теплообменника.

При тепловом равновесии в теплообменнике

К F ЬТ= V Срв Ps (1 а1 - Тв ). (3) С изменением температуры воды на входе в теплообменник или величины мощности рассеивания в кожухе тепловое равновесие в теплообменнике нарушается, что сопровождается изменением давления паров в кожухе и>соответственно, температуры кипения жидкого диэлектрика и,как следствие этого, изменение температуры электроэлементов, для стабилизации которой необходимо изменить расход воды на охлаждение теплообменника.

10

Результаты исследований теплообменника с оребренной наружной поверхностью трубок в испарительной жидким диэлектриком системе охлаждения электроэлементов показали, что с учетом сезонного изменения температуры воды от 4 до 22 С ее расход на охлаждение теплообменника при температуре концентрации в нем паров жидкого диэлектрика, равной 70 С, сокращается в два раза по сравнению с расходом воды,определенным при ее максимальной температуре 22 С, а с изменением величины мощности рассеивания расход воды на охлаждение теплообменника сокращается пропорционально величине отношения мощностей рассеивания в степени 0,76.

Р1 ) 0,76

Р2

Поэтому регулировка расхода воды на

20 охлаждение теплообменника испарительной жидким диэлектриком системы охлаждения представляет большой практический интерес.

Известно устройство (Заявка Японии Й

25 59 — 25385, 1984), позволяющее регулировать расход воды на охлаждение теплообменника при изменении температуры воды на входе в теплообменник и величины мощности рассеивания полупроводниковых

30 приборов, охлаждаемых жидким диэлектриком. Устройство содержит герметичный кожух> частично заполненный жидким диэлектриком, ниже уровня которого располагаются силовые полупроводниковые при35 боры, а выше — трубчатый теплообменник, охлаждаемый проточной водой. Снаружи кожуха, ниже уровня находящегося в нем жидкого диэлектрика, располагаются сильфон, внутренний объем которого снизу сое40 динен трубкой с герметичным кожухом, а сверху сильфона установлен шток. верхний конец которого прикрепляется к нижнему основанию тарелки клапана возвратного действия, установленного в трубопроводе

45 водоснабжения теплообменника. Сверху тарелки клапана установлена пружина, плотно прижимающая тарелку клапана к ее посадочному гнезду, перекрывая тем самым доступ воды в теплообменник из трубопро50 вода водоснабжения, подсоединенного к клапану выше его тарелки.

При включении устройства полупроводниковые приборы>расположенные в герметичном кожухе, выделяют тепло. Жидкий

55 диэлектрик, отбирая это тепло, закипает и превращается в пар, при этом давление в герметичном кожухе начинает повышаться.

Когда давление паров достигнет такой величины, при которой сила, создаваемая им в

1777255 сильфоне и сообщаемая посредством штока тарелке клапана, превысит суммарную силу, создаваемую пружиной и давлением воды,.приложенную к противоположной стороне тарелки клапана, сильфон перемещает шток кверху и поднимает тарелку клапана над посадочным гнездом, вследствие чего вода из трубопровода водоснабжения поступает в теплообменник, охлаждая поверхность его труб до температуры ниже температуры конденсации паров жидкого диэлектрика, вследствие чего начинается теплопередача от паров к воде, сопровождающаяся конденсацией паров на наружной поверхности труб теплообменника. При этом давление паров в герметичном кожухе стабилизируется, а образовавшийся конденсат паров под действием сил тяжести стекает вниз к месту повторного испарения.

Недостатками устройства являются снижение надежности полупроводниковых приборов и увеличение массогабаритных характеристик кожуха, вызванное IloBbl шенным давлением паров в кожухе при ки. пении жидкого диэлектрика, вследствие того, что сила давления воды, поступающей из трубопровода водоснабжения, приложена сверху тарелки клапана, т.е. с той же стороны, что и сила давления пружины, создавая тем самым дополнительное сопротивление сильфону при подъеме тарелки клапана и конденсируемое за счет роста избыточного давления паров жидкого диэлектрика в кожухе. Повышение давления паров в герметичном кожухе приводит к росту температуры кипящего жидкого диэлектрика и,соответственно, к росту температуры полупроводниковых приборов. охлаждаемых жидким диэлектриком, из-за чего снижается надежность их работы, Повышение давления паров привог— дит также к необходимости увеличения толщины стенок кожуха и,соответственно,его массогабаритных характеристик, Целью изобретения является повышение надежности электроэлементов радиоэлектронной и силовой полупроводниковой техники, охлаждаемых кипящим жидким диэлектриком, а также уменьшение массогабаритных характеристик устройства охлаждения вследствие снижения величины давления паров жидкого диэлектрика в герметичном кожухе. Поставленная цель достигается тем, что клапан, регулирующий расход воды на охлаждение теплообменника, устанавливается в трубопроводе водоснаб>кения теплообменника таким образом, что поток воды подводится не сверху, а снизу тарелки клапана, при этом сила давления воды, поступающей из трубопровода водоснабжения, и сила давления паров жидкого диэлектрика, передаваемая из кожуха с помощью сильфона, оказываются приложеньг с одной дом, что приводит к снижению давления

10 мкнутый контакт, который при перемещении сильфоном штока в крайнее верхнее положение, соответствующее превышению величины предельно допустимого давления паров в герметичном кожухе, вызванного сокращением расхода воды на охлаждение

20 теплообменника или полным прекращением

30 лектриком 2. Ниже уровня жидкого диэлектрика в кожухе расположены охлаж35

40 ступающей на охлаждение теплообменника.

Клапан установлен таким образом, что поток воды из трубопровода водоснабжения подведен с той же стороны тарелки 7, плотно прижимаемой сверху к посадочному гнезду клапана пружиной 8, которой прикреплен верхний конец вертикального штока 9, нижний конец которого прикреплен сверху к сильфону 10, установленному вер45

50 диэлектрика и присоединенному к герметичному кожуху трубопроводом 11. Противополо>кный конец этого трубопровода соединен с герметичным кожухом ниже уровня находящегося там жидкого диэлектрика, Если вода из трубопровода водоснабжения подводится сверху тарелки клапана, как это сделано в рассмотренном изобрете55

5 стороны тарелки клапана, вследствие чего уменьшается сила сопротивления при падьеме сильфоном тарелки клапана над ее гнезпаров жидкого диэлектрика в кожухе, кроме этого, между сильфоном и тарелкой клапана устанавливается горизонтальный шток, один конец которого прикрепляется к вертикал ьному штоку. соедин я ющему сил ьфон с тарелкой клапана, а на противоположном

15 его конце устанавливается анормально разоее подачи и трубопровода водоснабжения, замыкает контакт цепи блокировки, отключающей охлаждаемые жидким диэлектриком электроэлементы.

На чертеже показано устройство с испа- рительным охлаждением жидким диэлектриком элементов радиоэлектронной и силовой полупроводниковой техники. устройство содержит герметичный кожух 1, частично заполненный жидким диэдаемые электрорадиоэлементы 3, а выше уровня трубчатый теплообменник 4 с водяным охлаждением. К теплообменнику подсоединен трубопровод водоснабжения 5, в котором установлен клапан возвратного действия б, регулирующий расход воды, по- тикально снаружи герметичного кожуха: . ниже уровня находящегося в нем жидкого

1777255 нии, то давление паров в герметичном кожухе будет равняться сумме давлений, создаваемых водой Ps и пружиной Рпр, умноженной на отношение площадей тарелки клапана $тар и сильфона Ясильф. .

Рпар - (1 пр - Рв) — — и) та .

Бсильф, а при подводе воды снизу тарелки клапана, т,е, с противоположной стороны, давление паров в герметичном кожухе будет равняться разности давлений, создаваемых пружиной Р np и водой Ра, умноженной на то же отношение площадей тарелки клапана Ятар и сильфона Ясильф

Р пар = (Р пр Ра) — (2)

1 1 Лта .

7сильф.

Из отношения (1) и (2) находим, что величина давления паров в герметичном кожухе при подводе охлаждающей воды снизу тарелки Pn + Ps клапана в — —,р раз меньше, чем при

Рпр Ps подводе воды сверху тарелки и равно

Рпа пар

Например, при подводе воды сверху тарелки клапана. ее давлении Ра = 2 10 кгlм2, давлении. создаваемом пружиной Рпр-1 ° 10 кг/м, и величине отношения

Зтар/8сильф = 0,1 избыточное давление паров в герметичном кожухе будет

Рпар = (2 + 1) 10 0,1 = 0,3-104 кгlм, а при подводе воды снизу тарелки клапана, той же величине давления воды и давлении, создаваемом пружиной P пр = 3 10 кг/м, 4 2 давление паров в кожухе снизится в 3 раза, T.е. до P пар 0,1 10 кг/м .

1 4 2

К вертикальному штоку между сильфоном и клапаном прикрепляется горизонтальный шток (12), противоположный конец которого снабжен нормально разомкнутым контактом 13, который замыкает контакт 14 цепи блокировки, отключающей охлаждаемые жидким диэлектриком электрорадиоэлементы.

Устройство работает следующим образом. При включении устройства электрорадиоэлементы, расположенные в герметичном кожухе, начинают выделять тепло. Отбирая это тепло, жидкий диэлектрик нагревается, закипает и превращается в пар, который поднимается кверху и, достигая наружной поверхности трубок теплообменника, внутренняя поверхность трубок при этом не охлаждается водой, так как клапан, установленный в трубопроводе водоснабжения и регулирующий расход воды на охлаждение теплообменника, закрыт.

15 теплообменника до температуры ниже тем. пературы конденсации паров жидкого диэлектрика, после чего начинается

25

35

55 электроэлементы.

10

Поэтому в кожухе начинает расти давление паров жидкого диэлектрика, Когда давление достигнет такой величины, при которой создаваемая им в сильфоне сила растяжения, а также сила давления воды из трубопровода водоснабжения, приложенные с нижней стороны тарелки клапана, превысят силу сжатия пружины, приложенную сверхутарелки клапана, последняя поднимается над своим гнездом, открывая тем самым через образовавшуюся кольцевую щель доступ воды из трубопровода водоснабжения в теплообменник, которая охлаждает поверхности трубок теплопередача от паров к воде, сопровождающаяся конденсацией паров на наружной поверхности трубок теплообменника, вследствие чего давление паров жидкого диэлектрика в кожухе стабилизируется.

С увеличением температуры воды на входе в теплообменник или с увеличением мощности рассеивания электроэлементов расход воды на охлаждение теплообменника увеличивается за счет большого открытия сильфоном регулировочного клапана вследствие повышения давления паров в герметичном кожухе. Со снижением температуры воды на входе в теплообменник или с уменьшением величины мощности рассеивания электроэлементов расход воды на охлаждение теплообменника автоматически снижается путем уменьшения открытия сильфоном регулировочного клапана вследствие снижения давления паров в герметичном кожухе.

В том случае, когда подача воды из трубопровода водоснабжения в теплообменник снижается или прекращается вовсе, при неизмененной величине мощности рассеивания в теплообменнике давление паров в герметичном кожухе начинает расти, при. этом сильфон, удлиняясь, перемещает кверху закрепленный мвжду сильфоном и клапаном горизонтальный шток с нормально разомкнутым контактом до положения, соответствующего предельно допустимой величине давления паров в герметичном кожухе. При этом подвижный контакт замыкает контакт цепи блокировки, отключающей охлаждаемые жидким диэлектриком

При выключении электроэлементов процесс преобразования жидкого диэлектрика в кожухе прекращается и давление в кожухе снижается до исходной ат)и )MHhl, 1 0

1777255

Составитель А,Турнек

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор M.Ïåòðîâà

Редактор

Заказ 4128 Тираж Подписное ,ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

1. Радиоэлектронное устройство с испарительным охлаждением жидким диэлектриком, содержащее герметичный кожух, частично заполненный жидким диэлектриком, электрорадиоэлементы, расположенные в герметичном кожухе ниже уровня жидкого диэлектрика, трубчатый теплообменник водяного охлаждения, установленный внутри герметичного кожуха в его свободной от жидкого диэлектрика части над уровнем жидкого диэлектрика и соединенный с системой водоснабжения размещенным с внешней стороны герметичного кожуха трубопроводом с расположенным внутри него на его выводе и входе трубы теплообменника подпружиненным клапаном возвратного действия, который выполнен с тарелками торцевыми и ориентирован своими тарелками в плоскости, перпендикулярной продольной геометрической оси герметичного кожуха, сильфон, установленный с внешней стороны герметичного кожуха вдоль его продольной геометрической оси ниже уровня жидкого диэлектрика в нем и соединен с внутренней полостью герметичного кожуха s его части с жидким диэлектриком трубопроводом своей одной торцевой частью, а своей другой торцевой частью — с нижней тарелкой клапана возвратного действия посредством штока, ориентированного параллельно продольной геометрическойоси, отлича ю щееся тем, что, с целью повышения надежности и улуч5 шения массогабаритных характеристик путем снижения давления паров жидкого диэлектрика в герметичном кожухе, вход и выход трубопровода размещен в плоскости перпендикулярной поршню сильфона, а вы10 ход трубопровода размещен под нижней тарелкой клапана возвратного действия, в месте соединения поршня сильфона с нижней тарелкой клапана возвратного действия, при этом клапан возвратного действия

15 подпружинен со стороны своей верхней та; релки относительно входа трубы теплообмен ника.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю. щ е20 е с я тем, что сильфон снабжен дополнительным штоком, установленным перпендикулярно относительно основного штока и закрепленного на нем одним своим концом, и нормально разомкнутым

25 контактом для подключения к цепи бло-. кировки электрорадиоэлементов, причем нормально разомкнутый контакт установлен на свободном конце дополнительного поршня.