Устройство для охлаждения силовых электронных модулей

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам охлаждения силовых электронных устройств. Технический результат - увеличение эффективности охлаждения путем создания прочной и надежной конструкции охладителя с большой площадью для размещения охлаждаемых элементов, а также упрощение конструкции, улучшение технологичности изготовления, упрощение процесса ремонта при засорении. Достигается тем, что устройство содержит полый корпус из теплопроводящего материала и состоит из двух частей - основания, имеющего прямоугольную полость, и крышки. Внутри корпуса параллельно дну основания размещена плоская перфорированная пластина, разделяющая полость на две камеры. Вдоль двух противоположных краев пластины, которые не доходят до стенок корпуса, установлены вертикальные перегородки - одна между пластиной и крышкой, другая - между пластиной и дном полости. В основании на дне, около этих двух стенок, выполнены сквозные отверстия для подвода/отвода хладагента. Другие два края перфорированной пластины, как и края перегородок, прилегают вплотную к внутренним поверхностям стенок корпуса. Для исключения прогиба и вибраций пластины по ее поверхности с обеих сторон расположены дистанционные вставки. Отверстия в перфорированной пластине обеспечивают струйное истечение хладагента из одной камеры в другую - к охлаждаемой поверхности, являющейся дном основания, наружная сторон которого предназначена для крепления на ней силовых электронных модулей. Перфорированная пластина вместе с перегородками и дистанционными вставками прикреплена к дну полости с помощью крепежных элементов. Крышка для обеспечения возможности ремонта соединяется с основанием крепежными элементами через герметизирующую прокладку или же просто заваривается. Эффективность охлаждения обеспечивается орошением направленными струями хладагента дна основания корпуса, с наружной стороны которого крепятся электронные модули. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Назначение

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам охлаждения силовых электронных устройств.

Уровень техники

Тенденции развития силовой электроники в последние годы требуют повышения эффективности системы охлаждения силовых электронных модулей.

Наиболее полный обзор применяемых приемов охлаждения модулей и их сравнение дан в статье А.Колпакова. «Охлаждение силовых модулей: проблемы и решения. (Части 1 и 2)». Силовая электроника. №3 и 4, 2012 г. Наиболее высокую эффективность теплоотвода показывают жидкостные охладители. Конструкция таких охладителей показана в обзоре весьма схематично, однако этот вопрос подробно освещен в патентной литературе.

Известен жидкостной охладитель, имеющий каналы, образованные параллельно расположенными направляющими элементами. В каналах непосредственно под охлаждаемыми модулями располагается группа штырей, обеспечивающая повышенный теплоотвод в этой зоне канала. Патент США №6457514.

Конструкция такого охладителя сложна, нетехнологична и трудоемка в изготовлении, имеет относительно низкие параметры теплоотвода, поскольку используется малоэффективный поток жидкости, параллельный охлаждаемой поверхности.

Известно устройство для охлаждения модулей (патент США №6351384), состоящее из основания и крышки. К основанию с внешней стороны крепятся электронные модули, с внутренней стороны вкладыш, имеющий многочисленные ребра, образующие систему параллельных каналов. В крышке имеют отверстия для подвода и отвода хладагента. С внутренней стороны крышки над каналами располагаются выступы, способствующие турбулизации потока хладагента.

Это устройство также содержит значительное число конструктивных элементов, требует гидравлического уплотнения по периметру значительной длины, трудоемко в изготовлении, обладает низкой ремонтопригодностью при засорении каналов и также использует поток жидкости, направленный параллельно охлаждаемой поверхности.

Наиболее эффективным методом теплосъема является использование струй жидкости, направленных перпендикулярно охлаждаемой поверхности.

Согласно европейскому патенту ЕР0484320 плоская поверхность каждого электронного тепловыделяющего элемента охлаждается струей жидкости, направленной из трубки малого сечения перпендикулярно к этой поверхности. Затем жидкость возвращается по коаксиальной трубке большего сечения в общий коллектор циркуляции хладагента. Для исключения механических повреждений и утечек стенка каждого тепловыделяющего элемента подсоединена к коллектору через сильфон, внутри которого находятся и обе вышеуказанные трубки. Конструкция является сложной, некомпактной, содержит значительное число конструктивных элементов.

Более эффективного охлаждения можно добиться при использовании истечения струй хладагента из сопел. В самом общем виде это техническое решение сформулировано в патенте РФ 2012174, где пластина с группой сопел делит камеру охладителя на две камеры.

Более детальная проработка этой идеи осуществлена в патенте США 7884468. Внутри полости охладителя установлена перегородка с соплами, делящая ее на две зоны. Перегородка установлена с наклоном по отношению к охлаждаемой поверхности и соответственно к дну полости охладителя. Концы всех сопел установлены на одном и том же расстоянии от охлаждаемой поверхности, поэтому все сопла имеют разную длину вдоль направления потока жидкости. Минимальную длину имеют сопла на входном участке потока жидкости. К недостаткам охладителей с соплами является увеличенное гидравлическое сопротивление, низкая надежность из-за более высокой вероятности засорения сопел, сложность и нетехнологичность изготовления.

Более простое решение предложено авторами изобретения по авторскому свидетельству 571679. В канале для циркуляции хладагента, к стенкам которого прилегает охлаждаемая аппаратура, размещается вставка, выполненная в виде стержня с укрепленными на ней насадками с заданным шагом, выполненными в виде стаканов с входным раструбом, имеющих на стенках отверстия для выхода хладагента в виде струй в направлении охлаждаемой стенки. Использование вместо системы сопел перфорированных элементов позволяет повысить надежность функционирования охладителя. Однако указанное техническое решение неконструктивно для создания большого охладителя для размещения значительного числа силовых электронных модулей, так как если длину охладителя за счет увеличения длины вставки можно увеличивать неограниченно, то на диаметр вставок, очевидно, существуют ограничения, поскольку при цилиндрической поверхности вставок часть струй будет вытекать под некоторым углом к поверхности, снижая теплоотвод. Кроме того увеличиваются поперечные размеры канала. Недостатком также является значительное число элементов конструкции.

Целью изобретения является увеличение эффективности охлаждения путем создание прочной и надежной конструкции охладителя с большой площадью для размещения охлаждаемых элементов, а также упрощение конструкции, улучшение технологичности изготовления, упрощение процесса ремонта при засорении.

Раскрытие изобретения

Указанная цель достигается тем, что устройство для охлаждения силовых электронных модулей, выполняется в виде полого корпуса из теплопроводящего материала: меди, алюминия и др.. Внутри корпуса имеется перфорированный элемент для создания струй хладагента, направляемых к охлаждаемой поверхности. Корпус выполнен в виде основания, имеющего прямоугольную полость, и крышки. Большая по площади наружная поверхность основания используется для крепления на ней силовых электронных модулей. В дне основания выполнены сквозные отверстия для подвода и отвода хладагента, которые разнесены по краям полости в области противоположных стенок. Перфорированный элемент выполнен в виде прямоугольной пластины, расположенной параллельно дну основания и разделяющей полость на две камеры. Пластина установлена с отступами от двух противоположных стенок основания, около которых расположены отверстия подвода и отвода хладагента. Причем вдоль краев пластины, обращенных в эти зоны, установлены вертикальные перегородки - одна между пластиной и крышкой, другая между пластиной и дном полости. Другие края перфорированной пластины, как и края перегородок, прилегают вплотную к внутренним поверхностям двух других стенок основания. Для исключения прогиба и вибраций пластины по ее поверхности с обеих сторон расположены дистанционные вставки.

Перфорированная пластина вместе с перегородками и дистанционными вставками прикреплена к дну полости с помощью крепежных элементов, проходящих насквозь через эту пластину и перегородки. Крышка для упрощения ремонта крепится на стенках основания через герметизирующую прокладку.

Таким образом, использование описанного технического решения увеличивает эффективность охлаждения силовых электронных модулей благодаря направленным струям хладагента, поливающим изнутри дно основания корпуса, с обратной стороны которого закреплены эти электронные модули. Вся конструкция является прочной и надежной и обеспечивает возможность размещения большого количества охлаждаемых элементов. Она достаточно проста, технологична и ремонтопригодна.

Изобретение проиллюстрировано рисунком, на котором представлена конструкция устройства для охлаждения силовых электронных модулей в двух проекциях и с двумя разрезами.

Осуществление изобретения

Корпус конкретного варианта охладителя силовых электронных модулей состоит из медного или алюминиевого основания 1, имеющего полость (в нашем случае поперечные размеры полости 110×370 мм, глубина 9 мм) и медной крышки 2. Внешняя (большая) сторона основания используется для крепления силовых электронных модулей 3. Отверстия 4 и 5 для подвода и отвода жидкого хладагента расположены на дне полости вблизи ее противоположных стенок. Перфорированная прямоугольная металлическая пластина 6, изготовлена из нержавеющей стали толщиной 3 мм и ее плоскость параллельна дну полости основания 1. Диаметр отверстий в перфорированной пластине 3 мм. Размеры пластины 6 таковы, что ее края отступают от стенок полости, прилегающим к отверстиям 4 и 5, соответственно для подвода и отвода хладагента. Размер каждого отступа несколько больше диаметра отверстий для подвода и отвода хладагента. Вдоль краев перфорированной пластины 6, обращенных в зоны полости, где расположены отверстия 4 и 5 для подвода и отвода хладагента, установлены перегородки 7 и 8 (их высота ~3 мм). Для обеспечения жесткости конструкции и исключения колебаний пластины 6 по ее поверхности с обеих сторон установлены дистанционные вставки 9, выполненные в виде цилиндрических элементов высотой ~3 мм, закрепленные на перфорированной пластине с помощью винтов 10. На одном из краев пластины 6 имеются отверстия, через которые сквозь перегородку 7, расположенную под пластиной, пропущены винты 11, прикрепляющие пластину 6 к дну основания 1. С другого края пластины 6 перегородка 8 расположена сверху пластины, в ней имеются такие же отверстия, проходящие насквозь через перегородку и стойки. В проекции этих отверстий расположены отверстия втулок 12, предназначенных для упора этого края пластины в дно основания. Через эти отверстия пропущены винты 13, прикрепляющие этот край пластины 6 к дну основания 1. Два других края, как перфорированной пластины 6, так и перегородок 7 и 8, прилегают вплотную к стенкам полости в основании 1. Крышка 2 крепится к основанию 1 через герметизирующую прокладку 14 или приваривается по контуру.

Сборка устройства охлаждения производится в следующей последовательности. Сначала на перфорированной пластине 6 закрепляют дистанционные вставки 9, пластину 6 опускают в полость основания 1, снизу пластины 6 с одного края размещают перегородку 7, с другого края сверху - перегородку 8, снизу - втулки 12. Затем всю конструкцию закрепляют винтами 11 и 13 на дне основания 1 в заранее выполненных резьбовых отверстиях. После этого по периметру стенок основания кладут герметизирующую прокладку 14 и сверху устанавливают крышку 2.

В рабочих условиях жидкий хладагент поступает через отверстие 4 в верхнюю камеру полости основания 1, а затем через отверстия в перфорированной пластине 6 поступает в нижнюю камеру, орошая струями дно полости и снижая температуру дна полости основания 1, а значит, закрепленных с противоположной стороны силовых электронных модулей 3. Из нижней камеры полости основания 1 хладагент выводится через отверстие 5.

В соответствии с изобретением был изготовлен опытный образец устройства охлаждения и проведены его успешные испытания.

1. Устройство для охлаждения силовых электронных модулей, выполненное в виде полого корпуса из теплопроводящего материала, имеющего отверстия для подвода и отвода жидкого хладагента, внутри которого имеется перфорированный элемент для создания струй хладагента к охлаждаемой поверхности, отличающееся тем, что корпус выполнен в виде основания с прямоугольной полостью и крышки, отверстия для подвода и отвода хладагента расположены на дне полости вблизи двух ее противоположных стенок, при этом перфорированный элемент выполнен в виде прямоугольной перфорированной пластины, параллельной дну основания и разделяющей полость на две камеры, причем перфорированная пластина установлена с отступами от краев полости со стороны отверстий подвода и отвода хладагента, а вдоль краев пластины, обращенных в эти зоны, установлены перегородки - одна между пластиной и крышкой, другая между пластиной и дном полости, два других края пластины, как и края перегородок, размещены вплотную к стенкам полости.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по поверхности перфорированной пластины с обеих сторон установлено несколько дистанционных вставок.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что перфорированная пластина закреплена на дне полости основания.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что крышка крепится на основании через герметизирующую прокладку.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области охлаждающих устройств, применяемых для устройств цифровых вычислений и обработки данных, и может быть использована при проектировании серверных платформ, предназначенных для проведения высокопроизводительных вычислений и компьютерного моделирования.

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к технологии разработки полимерных композиций для охлаждающих элементов, таких как радиаторы светоизлучающих диодов.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для охлаждения силовых модулей электронной аппаратуры. Технический результат - повышение технологичности и упрощение процесса изготовления, а также сокращение сроков проведения ремонтных и профилактических работ за счет наличия заглушек, обеспечение возможности параллельного и последовательного соединения охладителей для регулирования перепада давления и расхода хладагента.

Изобретение относится к силовой электронике. Предложен способ изготовления реберной объединенной подложки, в котором соединение металлической монтажной пластины с керамической подложкой выполняется способом соединения жидким металлом, а образование множества теплоизлучающих ребер в части для резки, которая является частью металлической базовой пластины, выполняется за счет фиксации фиксатором для прикладывания нагрузки на растяжение на поверхность части для резки, на которой должны быть образованы теплоизлучающие ребра, и за счет выполнения обработки по образованию пазов для образования множества пазов за счет передвижения многоножевого устройства, состоящего из множества находящихся рядом друг с другом дискообразных режущих инструментов, по поверхности, к которой приложена нагрузка на растяжение, при вращении многоножевого устройства.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для обеспечения отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов и может быть использовано при построении преобразователей, мощных усилителей, выпрямителей и умножителей.

Изобретение относится к силовой электронике, а более конкретно к современному охлаждению силовой электроники. Технический результат - улучшение тепловых характеристик и компоновки блоков силовых преобразователей, в которых используются устройства в плоских корпусах.

Изобретение относится к устройству кондиционирования для охлаждения воздуха в шкафу для электронных устройств. Технический результат - обеспечение эффективного открытого воздушного охлаждения электронных устройств в соседних шкафах для электронных устройств, при котором радиально выходящий воздушный поток почти без предварительного смешивания с теплым воздухом и, следовательно, без уменьшения коэффициента полезного действия может всасываться шкафами для электронных устройств и использоваться для охлаждения.

Изобретение относится к термоэлектрическим устройствам и может использоваться как стационарная внешняя воздушная система активного охлаждения ноутбуков. Технический результат - повышение функциональных возможностей подставки путем снижения температуры охлаждающего воздуха до 20-25°С.

Изобретение относится к модулю выпрямителя тока. Технический результат - создание модуля выпрямителя тока, система шин которого может охлаждаться простыми средствами без дополнительной трассировки и увеличения веса устройства в целом.

Изобретение относится к системам охлаждения и, в частности, к системам охлаждения для электронных дисплеев. Технический результат - улучшение рабочих характеристик компонентов электронных дисплеев и увеличение их срока службы за счет предотвращения больших колебаний температуры при использовании электронных дисплеев в наружных средах в условиях прямого солнечного света или в других тяжелых тепловых условиях.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для охлаждения силовых модулей электронной аппаратуры. Технический результат - повышение технологичности и упрощение процесса изготовления, а также сокращение сроков проведения ремонтных и профилактических работ за счет наличия заглушек, обеспечение возможности параллельного и последовательного соединения охладителей для регулирования перепада давления и расхода хладагента.

Изобретение относится к закрытой системе охлаждения без движущихся механических частей с низким уровнем шума одного или более тепловыделяющих элементов. .

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в различных преобразовательных устройствах. .

Изобретение относится к средствам кондиционирования воздуха, преимущественно к кондиционерам салонов транспортных средств. .

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике, в частности к силовым полупроводниковым модулям, предназначенным для эксплуатации в статических преобразователях электрической энергии.

Изобретение относится к электроприборостроению, электроаппаратостроению и может быть использовано для охлаждения электронной аппаратуры. .

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для охлаждения силовых модулей электронной аппаратуры. Технический результат - повышение технологичности и упрощение процесса изготовления, а также сокращение сроков проведения ремонтных и профилактических работ за счет наличия заглушек, обеспечение возможности параллельного и последовательного соединения охладителей для регулирования перепада давления и расхода хладагента.

Изобретение относится к электронной технике и предназначено для обеспечения отвода тепла от тепловыделяющих радиоэлементов и может быть использовано при построении преобразователей, мощных усилителей, выпрямителей и умножителей.

Изобретение относится к способам для рассеивания тепла в многослойных 3-D интегральных схемах (ИС). Путем заполнения воздушного промежутка между слоями многослойного ИС устройства проводящим тепло материалом тепло, генерируемое в одной или более областях внутри одного из слоев, может быть рассеяно в поперечном направлении.
Изобретение относится к способам получения композиционных материалов для теплоотводящих оснований полупроводниковых приборов, в частности, композиционного материала Al-SiC, имеющего металлическое покрытие, и изделиям, полученным с использованием этих материалов.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам охлаждения силовых электронных устройств. Технический результат - увеличение эффективности охлаждения путем создания прочной и надежной конструкции охладителя с большой площадью для размещения охлаждаемых элементов, а также упрощение конструкции, улучшение технологичности изготовления, упрощение процесса ремонта при засорении. Достигается тем, что устройство содержит полый корпус из теплопроводящего материала и состоит из двух частей - основания, имеющего прямоугольную полость, и крышки. Внутри корпуса параллельно дну основания размещена плоская перфорированная пластина, разделяющая полость на две камеры. Вдоль двух противоположных краев пластины, которые не доходят до стенок корпуса, установлены вертикальные перегородки - одна между пластиной и крышкой, другая - между пластиной и дном полости. В основании на дне, около этих двух стенок, выполнены сквозные отверстия для подводаотвода хладагента. Другие два края перфорированной пластины, как и края перегородок, прилегают вплотную к внутренним поверхностям стенок корпуса. Для исключения прогиба и вибраций пластины по ее поверхности с обеих сторон расположены дистанционные вставки. Отверстия в перфорированной пластине обеспечивают струйное истечение хладагента из одной камеры в другую - к охлаждаемой поверхности, являющейся дном основания, наружная сторон которого предназначена для крепления на ней силовых электронных модулей. Перфорированная пластина вместе с перегородками и дистанционными вставками прикреплена к дну полости с помощью крепежных элементов. Крышка для обеспечения возможности ремонта соединяется с основанием крепежными элементами через герметизирующую прокладку или же просто заваривается. Эффективность охлаждения обеспечивается орошением направленными струями хладагента дна основания корпуса, с наружной стороны которого крепятся электронные модули. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

Наверх