Устройство для охлаждения элементов электрофизической аппаратуры

 

Изобретение относится к конструированию электрофизической аппаратуры различного назначения, работающей в условиях повышенного теплового режима и содержащей сменные теплонагруженные модули, например, в высоковольтных сильноточных системах питания. Сущность: повышение плотности компоновки, надежности и расширение эксплуатационных возможностей, для этого устройство выполнено в виде стойки с верхним 1 и нижним 2 основаниями, соединенными между собой элементами крепления в виде бандажей 3 из диэлектрического термоусаживаемого материала, охлаждающими элементами 4 с установочными местами для размещения охлаждаемых элементов 6. Каждый охлаждающий элемент 4 содержит металлический корпус с каналами для хладагента в форме многозаходных спиралей, оболочку и штуцеры в виде тройников 11. Главные магистрали тройников 11 ориентированы перпендикулярно торцевой поверхности корпусов и образуют магистрали подвода и отвода хладагента, причем в местах их соединений расположены гофрированные втулки из диэлектрического термоусаживаемого материала, обеспечивающие герметизацию и демпфирование. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к конструированию электрофизической аппаратуры различного назначения, работающей в условиях повышенного теплового режима и содержащей сменные теплонагруженные элементы, например, в высоковолтьтных сильноточных системах питания.

Цель изобретения - повышение надежности, плотности компоновки и расширение эксплуатационных возможностей путем увеличения коэффициента унификации конструкции.

На фиг.1 показано устройство, вид сбоку с частичным разрезом; на фиг.2 - устройство с общим каналом подвода и отвода хладагента, разрез; на фиг.3 - устройство, вид сверху; на фиг.4 - охлаждающий элемент, вид сбоку и сверху, с частичными разрезами; на фиг.5 - охлаждающий элемент с общим каналом подвода и отвода хладагента и конечный участок магистрали; на фиг.6 - вариант выполнения последовательной схемы подачи хладагента; на фиг.7 - охлаждающий элемент с установочной пластиной, вид сбоку и сверху; на фиг.8 - устройство для подачи газообразного хладагента.

Устройство для охлаждения элементов электрофизической аппаратуры содержит стойку, образованную верхним 1 и нижним 2 основаниями, соединенными между собой элементами крепления в виде бандажей 3 поэтажно размещенные охлаждающие элементы 4 с установочными местами 5 для размещения охлаждаемых элементов 6. Каждый охлаждающий элемент 4 содержит плоский металлический корпус 7 с внутренними каналами 8 для хладагента и подводящий 9 и отводящий 10 штуцеры в виде тройников 11. Внутренние каналы 8 выполнены в виде многозаходных спиралей, например спиралей Архимеда, расположенных поэтажно одна над другой и соединенных в центре и в местах ввода и вывода хладагента из корпуса 7 сквозными отверстиями 12. Стенки каналов 8 для хладагента покрыты слоем антикоррозионного материала, например золота, серебра, никеля или олова. Корпус 7 может быть изготовлен методом навальцовки верхней 13 и нижней 14 крышек на металлическое основание 15 корпуса 7.

Корпус 7 снабжен оболочкой 16 из электроизоляционного материала, например термостойкого полиэтилена. Оболочка 16 выполнена с каналами 17 для хладагента в форме периферийных участков многозаходных спиралей металлического корпуса 7, плавно сопряженных с каналами 8 в местах ввода и вывода хладагента из металлического корпуса 7. Тройники 11 выполнены из материала оболочки 16.

Установочные места 5 выполнены в виде системы подковообразных разделяющих канавок 18, размещенных концентрично одна относительно другой на торцевых поверхностях оболочки 16. Установочные места 5 могут быть расположены группами на каждой торцевой поверхности корпусов 7 центрально-симметрично относительно оси симметрии стойки с образованием вертикальных рядов. Над каждым рядом и соосно ему размещен центрирующий механизм 19, а под каждым рядом - демпфирующий узел 20.

Главная магистраль тройников 11 ориентирована перпендикулярно торцевой поверхности корпусов 7 и образует магистрали подвода и отвода хладагента. На внешней поверхности главной магистрали 21 в местах соединений соответствующих пар подводящих 9 и отводящих 10 штуцеров расположены гофрированные втулки 22 из диэлектрического термоусаживаемого материала. Втулки 22 выполнены двухслойными, при этом в качестве материала внутреннего и внешнего слоев соответственно использованы, например, либо радиационно-модифицированные поли- винилиденфторид и полиолефин, либо радиационно-модифицированный полиолефин и полиолефин. В процессе работы устройства внутренний слой материала втулок 22 обеспечивает герметизацию мест соединений соответствующих пар штуцеров 9 и 10, а в целом гофрированные втулки 22 обеспечивают демпфирование. Диапазон температуры усадки используемых материалов составляет 70-327^оС, электрическая прочность достигает 2˙10⁴ В/мм, а механическая прочность на разрыв при 20^оС составила 35-56 МПа.

Элементы крепления в виде бандажей 3 расположены на опорных поверхностях 23 верхнего 1 и нижнего 2 оснований параллельно продольной оси стойки. Бандажи 3 выполнены из диэлектрического термоусаживаемого материала и армированы металлическим порошком и стекловолокном.

Магистрали подвода и отвода хладагента могут быть выполнены в виде общего цилиндрического канала 24 (фиг.2, 5).

Цилиндрический канал 24 разделен центральной продольной перегородкой 25, которая выполнена в виде набора пластин 26, герметично сопряженных между собой.

Последовательная схема подачи хладагента может быть реализована следующим образом (фиг. 6). В главной магистрали 21 одного из тройников 11 ниже проходного отверстия 27 размещена поперечная перегородка 28. При этом корпуса 7 собраны в стойку таким образом, что поперечные перегородки 28 тройников 11 расположены поэтажно с чередованием.

Установочные места для размещения первичной и вторичных обмоток трансформатора выполнены в центре корпуса 7 каждого охлаждающего элемента 4 в виде соответственно центрального цилиндрического отверстия 29 и коаксиальной ему замкнутой полости 30. В верхнем 1 и нижнем 2 основаниях выполнены центральные цилиндрические отверстия 31 для размещения первичной обмотки трансформатора.

На боковой поверхности каждого корпуса 7 выполнено радиальное углубление 32 для размещения термодатчика, обеспечивающего съем необходимой информации в процессе работы устройства.

В каждый корпус 7 может быть вмонтирована установочная пластина 33 для размещения на ней элементов контроля режимов работы устройства.

Металлические заостренные съемные стержни - антикатоды 34 (фиг.7) герметично установлены в магистралях подвода и отвода хладагента соосно проходному отверстию 27 и находятся под потенциалом соответствующего охлаждающего элемента 4.

В магистралях подвода хладагента соосно проходному отверстию 27 могут быть герметично установлены съемные патрубки 35 для подачи охлаждающего газа.

Устройство работает следующим образом.

Охлаждающие элементы 4 с предварительно размещенными в их коаксиальных замкнутых полостях 24 вторичными обмотками трансформаторов, а в местах соединений соответствующих пар подводящих 9 и отводящих 10 штуцеров - гофрированными втулками 22, и верхнее 1 и нижнее 2 основания собирают в стойку и фиксируют предварительно при помощи домкрата или винтов 36. На установочных местах 5 размещают охлаждаемые элементы 6, устанавливают антикатоды 34 и термодатчики. Элементы крепления в виде бандажей 3 устанавливают на опорных поверхностях 23 верхнего 1 и нижнего 2 оснований параллельно продольной оси стойки. Степень сжатия стойки контролируется при помощи пьезодатчика. Возможен также вариант автоматической следящей системы за усилием сжатия с использованием обратной связи.

Охлаждаемые полупроводниковые приборы 6 прижимают к торцевым поверхностям корпусов 7 охлаждающих элементов с обеспечением минимального термического сопротивления контакта.

Через подводящие штуцера 9 в каналы 17 и 8 каждого охлаждающего элемента 4 подают хладагент, например воду, из общей магистрали. На фиг.6 поток воды условно показан стрелками. Благодаря процессу теплопередачи тепло от корпуса охлаждаемого элемента 6 передается металлическому корпусу 7 и далее потоку хладагента, проходящему по каналам 17 и 8 каждого охлаждающего элемента 4. Потоки хладагента плавно протекают по каналам 8 до центрального сквозного отверстия 12, где они перемешиваются и возвращаются к отводящему штуцеру 10. Общий поток хладагента выводится по магистрали отвода хладагента, образованной главными магистралями 6 тройников 11.

В процессе работы устройства явления электролиза между охлаждающими элементами 4, находящимися под разными потенциалами, устраняются с помощью антикатодов 28, электрически соединенных с корпусом 7 соответствующего охлаждающего элемента 4.

Процесс электролиза может прерываться также путем периодической подачи порций газообразного хладагента под давлением через патрубки 35, установленные в магистрали подвода хладагента. На время подачи порции газообразного хладагента давление жидкого хладагента в магистрали понижают или временно прерывают его подачу.

Датчик контроля пробоя и тепловых режимов полупроводниковых приборов выполнен на основе терморезистора, размещенного в радиальном углублении 26 корпуса 7 каждого охлаждающего элемента 4. При приложении к модулю напряжения на выходе схемы генерируется последовательность импульсов с частотой 1 кГц. В случае пробоя одного из полупроводниковых приборов в модуле генерация в соответствующем канале прекращается. Это используется при диагностике целостности полупроводниковых приборов. При увеличении температуры на 50^оС тактовая частота генерации уменьшается до 0,5 кГц. Измерение интервала между импульсами используется для контроля теплового режима полупроводниковых приборов в модуле.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства для охлаждения элементов электрофизической аппаратуры определяется повышением ее надежности и как несущей конструкции, и как совокупности элементов электрофизической аппаратуры и охлаждающих элементов, размещенных в стойке, за счет повышения долговечности и ресурса, обеспечиваемых более благоприятными условиями эксплуатации с точки зрения тепловых режимов, а также возможности предотвращения процессов возможного разрушения внутренних каналов охлаждающих элементов.

Повышение эффективности охлаждения достигается за счет возможности организации порционной подачи с чередованием жидкого и газообразного хладагента, управляемым внешним программным устройством, поддерживающим постоянную температуру корпуса охлаждаемого полупроводникового прибора. Геометрия внутренних каналов охлаждающих элементов обеспечивает постоянный объемный градиент температуры, предотвращающий полупроводниковый прибор от локальных перегревов.

Кроме того, устройство обладает высокой термомеханической прочностью, высокой плотностью компоновки и высоким коэффициентом унификации конструкции за счет возможности размещения охлаждаемых элементов широкого диапазона типоразмеров. В процессе эксплуатации устройства возможна оперативная сборка и разборка стойки или замена отдельных элементов конструкции при необходимости.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ, содержащее стойку, выполненную в виде соединенных элементами крепления верхнего и нижнего оснований, между которыми поэтажно размещены охлаждающие элементы, каждый из которых выполнен в виде плоского корпуса с установочными местами, размещенными на его противолежащих сторонах, с внутренними каналами для хладагента и с подводящими и отводящими штуцерами в виде образующих магистрали подвода и отвода хладагента тройников с соединительными втулками, главная магистраль которых ориентирована перпендикулярно к торцевой поверхности корпусов, отличающееся тем, что, с целью повышения плотности компоновки, надежности и расширения эксплуатационных возможностей, внутренние каналы для хладагента плоского корпуса каждого охлаждающего элемента выполнены в форме поэтажно расположенных одна над другой и соединенных сквозными отверстиями в центре и в местах ввода и вывода хладагента двух многозаходных спиралей, при этом элементы крепления верхнего и нижнего оснований стойки выполнены в виде бандажей из диэлектрического термоусаживаемого материала, армированных металлическим порошком и стекловолокном и расположенных параллельно продольной геометрической оси стойки на опорных поверхностях, которые выполнены на верхнем и нижнем основаниях стойки, а соединительные втулки выполнены гофрированными из диэлектрического термоусаживаемого материала и расположены на внешней поверхности главной магистрали тройников в местах соединений соответствующих пар подводящих и отводящих штуцеров.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено центрирующим механизмом и демпфирующими узлами, установочные места корпусов расположены группами на каждой торцевой поверхности корпусов охлаждающих элементов центрально симметрично относительно геометрической оси симметрии стойки с образованием вертикальных рядов, причем над каждым из указанных рядов соосно с ним размещен центрирующий механизм, а под каждым рядом - демпфирующий узел.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что магистрали подвода и отвода хладагента выполнены в виде общего цилиндрического канала, разделенного центральной продольной перегородкой, выполненной в виде секций в форме пластин, размещенных внутри главной магистрали каждого тройника и герметично сопряженных с ее стенками.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из тройников каждого корпуса снабжен перегородкой, которая расположена в его главной магистрали под проходным сечением бокового штуцера и ориентированы поперек сечения указанной магистрали, причем корпуса собраны в пакет с поэтажным чередованием перегородок их соответствующих тройников.

5. Устройство по пп. 1 - 4, отличающееся тем, что соединительные втулки выполнены двухслойными, при этом в качестве материала внутреннего и внешнего слоев использованы радиационно-модифицированные поливинилиденфторид и полиолефин соответственно.

6. Устройство по пп. 1 - 4, отличающееся тем, что в качестве материала внутреннего слоя использован радиационно-модифицированный полиолефин, а в качестве материала внешнего слоя - полиолефин.

7. Устройство по пп. 1 - 6, отличающееся тем, что корпус каждого охлаждающего элемента снабжен оболочкой из электроизоляционного материала, причем оболочки своими внешними поверхностями размещены на торцевых поверхностях соответствующих корпусов, а установочные места выполнены на внешних поверхностях оболочек в форме системы подковообразных разделяющих канавок, размещенных концентрично одна относительно другой.

8. Устройство по пп. 1 - 7, отличающееся тем, что в центре корпуса каждого охлаждающего элемента выполнены дополнительные установочные места для размещения первичной и вторичных обмоток трансформатора в виде соответственно центрального цилиндрического отверстия и коаксиальной ему замкнутой полости, причем в верхнем и нижнем основаниях стойки выполнены центральные цилиндрические отверстия.

9. Устройство по пп. 1 - 8, отличающееся тем, что на боковой поверхности корпуса каждого охлаждающего элемента выполнено радиальное углубление для размещения элементов контроля режимов работы устройства.

10. Устройство по пп. 1 - 9, отличающееся тем, что корпус каждого охлаждающего элемента снабжен вмонтированной параллельно его торцевым поверхностям установочной пластиной для размещения элементов контроля режимов работы устройства.

11. Устройство по пп. 1 - 10, отличающееся тем, что магистрали подвода и отвода хладагента снабжены герметично соединенными с их стенками металлическими заостренными съемными стержнями-антикатодами, ориентированными соосно с проходным отверстием боковых штуцеров тройников.

12. Устройство по пп. 1 - 11, отличающееся тем, что магистрали подвода и отвода хладагента снабжены герметично установленными в них съемными патрубками для подачи газа, сопла которых ориентированы соосно с проходным отверстием боковых штуцеров тройников.

13. Устройство по пп. 1 - 12, отличающееся тем, что на стенки каналов корпусов охлаждающих элементов нанесен слой антикоррозионного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8