Устройство охлаждения элементов тепловыделяющей электроаппаратуры

Устройство охлаждения элементов тепловыделяющей электроаппаратуры

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для охлаждения полупроводниковых приборов, и может быть использовано в силовых электротехнических устройствах для охлаждения элементов с высоким тепловыделением.

Известно устройство для охлаждения полупроводниковых приборов (патент РФ №2133561), содержащее радиатор с ребрами, образующими его внутренние каналы для прохождения потока охлаждаемого воздуха, нагнетаемого вентилятором. Вентилятор герметично прикреплен к радиатору. Охлаждаемые полупроводниковые приборы устанавливаются на внешней поверхности радиатора. Для создания турбулентного потока охлаждающего воздуха на входе в радиатор устанавливаются рассекатели. Недостатком данного устройства является сложность конструкции, так как для турбулизации потока охлаждающего воздуха необходимо ставить дополнительные рассекатели. Рассекатели устанавливаются на входе в проточную часть радиатора. В результате по мере удаления от рассекателей происходит затухание турбулентных пульсаций потока и, как следствие, снижение теплоотдачи. Установка рассекателей в проходном сечении канала приводит к увеличению гидравлического сопротивления тракта, что приводит к увеличению затрат энергии на прокачку охлаждающего воздуха.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является охладитель для силовых полупроводниковых приборов (патент РФ №1624566). Охладитель содержит два корпуса с установочными площадками под полупроводниковый прибор, ребра и установленные между ними турбулизирующие вставки. Вставка изготавливается следующим образом: в пластине выполняют ряд прорезей, участки между которыми выгибают поочередно в противоположные стороны. Недостатком данного охладителя является сложность конструкции, так как в нем для турбулизации потока необходимо ставить дополнительные вставки между ребрами. Наличие вставок в проходном сечении между ребрами приводит к существенному росту гидравлического сопротивления охладителя.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение его эффективности путем интенсификации теплоотдачи от ребер к охлаждающему потоку, снижения гидравлического сопротивления воздушного тракта и обеспечения обтекания потоком воздуха всей теплопередающей поверхности без образования застойных зон.

В предлагаемом устройстве охлаждения элементов тепловыделяющей электроаппаратуры цель достигается путем использования ребер с поверхностными интенсификаторами теплообмена. Поверхностные интенсификаторы теплообмена выполнены в виде лунок и выступов и расположены на ребрах так, что с одной стороны плоскости ребра выполнены выступы, образующие с другой стороны плоскости ребра лунки. При обдуве потоком воздуха таких ребер происходит разрушение пограничного слоя в области неровности и образование турбулентных вихрей, перемешивающих поток охлаждающего воздуха. Вследствие этого возрастает теплообмен в области неровности. Отсутствие вставок в межреберном пространстве приводит к существенному снижению гидравлического сопротивления устройства в целом. При смене направления движения потока охлаждающего воздуха возможно появление застойных зон, в которых скорость потока стремится к нулю, и в этих зонах теплообмен между поверхностью и окружающим воздухом практически отсутствует. Для предотвращения образования застойных зон, оптимизации обтекания оснований ребер и увеличения площади теплопередающей поверхности предлагается использование кольцевых дефлекторов, управляющих направлением потока воздуха. С этой же целью наружная поверхность установочной площадки, к которой крепятся по периметру ребра, выполняется в форме усеченного конуса.

Схема устройства охлаждения элементов тепловыделяющей электроаппаратуры представлена на фиг.1. На фиг.2 представлен разрез А-А фиг.1. Охлаждаемый элемент 1, расположенный на плате 2, помещен с натягом через термопасту в установочную площадку 3 так, что весь тепловыделяющий объем находится внутри площадки 3. По периметру к установочной площадке 3 прикреплены ребра 4. Ребро охлаждения представлено на фиг.3. На ребрах с одной стороны плоскости имеются выступы 5, образующие с другой стороны плоскости ребра лунки 6. Лунки 5 и выступы 6 служат поверхностными интенсификаторами теплообмена за счет турбулизации потока и увеличения площади поверхности ребра 4. На ребра 4 крепится корпус 7, который с ребрами 4 образует проточную часть устройства. Корпус 7 закрывает ребра не полностью, обеспечивая тем самым забор воздуха через щель между корпусом 7 и платой 2. Прокачка воздуха через проточную часть устройства охлаждения осуществляется вентилятором 8, установленным в верхней части устройства. Для предотвращения образования застойных зон в нижней части устройства наружная поверхность установочной площадки 3 выполнена в форме усеченного конуса, а между корпусом 7 и платой 2 на ребра 4 устанавливается, по меньшей мере, один кольцевой дефлектор 9, который направляет часть потока воздуха на нижнюю часть площадки 3, находящуюся в гидродинамически неблагоприятной области. Так же за счет дефлектора 9 увеличивается площадь теплопередающей поверхности. Установочная площадка 3, ребра 4 и дефлектор 9 изготавливаются из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности.

Устройство охлаждения элементов тепловыделяющей электроаппаратуры работает следующим образом. При работе охлаждаемого элемента 1 выделяющееся тепло отводится в установочную площадку 3. Благодаря форме усеченного конуса, температурное поле на поверхности установочной площадки 3 равномерное. Далее тепло от площадки 3 передается ребрам 4. Между корпусом 7 и ребрами 4 вентилятором 8 продувается охлаждающий воздух. При обтекании воздухом ребер 4 на их поверхности образуется пограничный слой. Чем больше толщина пограничного слоя, тем меньше теплообмен между ребрами и воздухом. На выступах 5 и лунках 6 происходит разрушение пограничного слоя и образование турбулентных вихрей, которые способствуют интенсивному перемешиванию потока воздуха. Кроме того, наличие лунок и выступов на поверхности ребер приводит к увеличению площади теплопередающей поверхности. В результате происходит интенсификация теплообмена между ребрами 4 и потоком воздуха. Забор воздуха в устройство осуществляется через щель между корпусом 7 и платой 2. В этой щели на ребрах установлен, по меньшей мере, один кольцевой дефлектор 9, который делит поток на две части. Часть потока воздуха омывает основную площадь поверхности ребер 4. Другая часть потока омывает область непосредственно вблизи конической поверхности установочной площадки 3. Таким образом, наличие дефлектора увеличивает площадь теплопередающей поверхности и оптимизирует поток охлаждающего воздуха, омывающего ребра 4 и установочную площадку 3.

В сравнении с известными охладителями предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:

1) упрощена конструкция устройства охлаждения за счет использования ребер с поверхностными интенсификаторами теплообмена (лунки и выступы) для отвода тепла и турбулизации потока охлаждающего воздуха;

2) снижена величина гидравлического сопротивления устройства, так как проходное сечение между ребрами ничем не загромождено;

3) лунки и выступы на поверхности ребер 4 и дефлектор 9 увеличивают площадь теплопередающей поверхности;

4) кольцевой дефлектор 9 делит поток на две части: часть потока омывает основную площадь ребер, а другая часть омывает коническую установочную площадку 3, что приводит к оптимизации распределения потока охлаждающего воздуха между основанием и периферией ребер, и максимальному использованию площади ребер для съема тепла с охлаждаемого прибора.

1. Устройство для охлаждения элементов тепловыделяющей электроаппаратуры, содержащее корпус, плато, установочную площадку с охлаждаемым прибором, и ребра, отличающееся тем, что оно снабжено интенсификаторами теплообмена, выполненными в виде выступов и лунок и расположенных на ребрах, так что с одной стороны плоскости ребра выполнены выступы, образующие с другой стороны плоскости ребра лунки, а ребра крепятся к внешней поверхности установочной площадки по периметру.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, одним кольцевым дефлектором, установленным на ребра между корпусом и платой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внешняя поверхность установочной площадки выполнена в форме усеченного конуса.