RU1835617C - Rectifying power block with evaporation cooling system - Google Patents

Abstract

Область использовани  .изобретени : изобретение относитс  к электротехнике, а именно к полупроводниковой технике, и может быть использовано в статических преобразовател х электрической энергии. Сущность изобретени : с целью повышени  ремонтоспособности, снижени  массы и размеров блока в силовом выпр мительном блоке с испарительным охлаждением силовые полупроводниковые приборы 1 расположены между индивидуальными 2 и групповыми 8 теплоотводами и соединеныField of use of the invention: the invention relates to electrical engineering, in particular to semiconductor technology, and can be used in static converters of electrical energy. SUMMARY OF THE INVENTION: in order to increase maintainability, reduce the mass and size of a unit in a power rectifier unit with evaporative cooling, power semiconductor devices 1 are located between individual 2 and group 8 heat sinks and connected

Description

S As / /.S As / /.

1 S S . 1 S S.

II

88

ииишииии  ishiiiii

ЛL

-ц-c

-5-5

СОWith

СWITH

tt

оabout

СлЭSLE

с  оwith about

Фиг.1Figure 1

между собой общим групповым прижимным устройством, состо щим из пр моугольной скобы 4 и прижимных винтов 5. Силовые полупроводниковые приборы 1, теплоотво- ды 2 и 3, прижимное устройство погружены в жидкий промежуточный теплоноситель 6, которым частично заполнена герметична  емкость 7. Вверху герметичной емкости, вне среды промежуточного теплоносител  находитс  вод ной конденсатор 8. Дл  электрической изол ции полупроводниковых приборов от прижимного устройства используютс  дисковые изол торы 9. ИндивиИзобретение относитс  к электротехнике, а именно к полупроводниковой технике, и может быть использовано в статических преобразовател х электрической энергии.interconnected by a common group clamping device, consisting of a rectangular bracket 4 and clamping screws 5. Power semiconductor devices 1, heat sinks 2 and 3, the clamping device are immersed in a liquid intermediate coolant 6, with which the hermetic container 7 is partially filled. At the top of the hermetic container , there is a water condenser 8 outside the medium medium. For the electrical isolation of semiconductor devices from the clamping device, disk insulators 9 are used. The invention relates to an electrot nick, namely to semiconductor technology, and may be used in static converters of electric energy.

Целью изобретени   вл етс  повышение ремонтноспособности силового выпр - мительного блока с испарительным охлаждением, снижение массы и размеров блока.The aim of the invention is to increase the maintainability of a power rectifier unit with evaporative cooling, and to reduce the weight and size of the unit.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что силовой выпр мительный блок с испарительным охлаждением, содержащий герметичную емкость, заполненную жидким промежуточным теплоносителем, конденсатор , силовые полупроводниковые приборы таблеточного типа, расположение в вертикальных и горизонтальных р дах блока, размещены между групповыми сребренными теплоотводами с одной стороны и индивидуальными сребренными теплоотводами с другой стороны (между приборами в горизонтальных р дах). Приборы с групповыми и индивидуальными теплоотводами соединены с помощью единого, группового прижимного устройства дл  всех приборов выпр мительного блока. Индивидуальные теплоотводы выполнены в виде цилиндрических элементов с диаметром, равным ди- аметру контактных поверхностей оснований силовых полупроводниковых приборов таблеточного типа, и сребренных кольцевыми ребрами посто нного сечени . Групповые теплоотводы оребрены пр мыми вертикальными ребрами посто нного сечени . Таким образом, кольцевые ребра индивидуальных теплоотводов и пр мые вертикальные ребра групповых теплоотводов располагаютс  во взаимно перпендикул рных плоскост х и образуют вертикальные межреберные каналы, причем соотношение площадей сребренных поверхностей индивидуального и группово- готеплоотвода описываетс  следующим выражением:This goal is achieved in that a power rectifier unit with evaporative cooling, containing a sealed container filled with a liquid intermediate coolant, a condenser, power semiconductor devices of the tablet type, location in vertical and horizontal rows of the unit, are placed between grouped silver heatsinks on the one hand and individual silver heat sinks on the other hand (between devices in horizontal rows). Devices with group and individual heat sinks are connected using a single, group clamping device for all devices of the rectifier unit. Individual heat sinks are made in the form of cylindrical elements with a diameter equal to the diameter of the contact surfaces of the bases of the power semiconductor devices of the tablet type, and silver rings of constant cross-section. Group heat sinks are fins with straight vertical ribs of constant cross section. Thus, the annular ribs of individual heat sinks and straight vertical ribs of group heat sinks are located in mutually perpendicular planes and form vertical intercostal channels, and the ratio of the areas of silver surfaces of an individual and group heat sink is described by the following expression:

дуальные теплоотводы 2 выполнены в виде цилиндрических элементов с диаметром, равным диаметру контактных поверхностей оснований приборов, сребренных кольцевыми ребрами. Групповые теплоотводы 3 сребрены пр мыми вертикальными ребрами посто нного сечени . Кольцевые ребра индивидуальных теплоотводов и пр мые ребра групповых теплоотводов расположены во взаимоперпендикул рных плоскост х и образуют вертикальные межреберные каналы . 1 з.п. ф-лы, 2 ил.dual heat sinks 2 are made in the form of cylindrical elements with a diameter equal to the diameter of the contact surfaces of the bases of the devices, scraped by annular ribs. Group heat sinks 3 are scrapped with straight vertical ribs of constant cross-section. Ring ribs of individual heat sinks and straight ribs of group heat sinks are located in mutually perpendicular planes and form vertical intercostal channels. 1 s.p. f-ly, 2 ill.

Fop.г. --П Fop.иFop.G. --P Fop.and

где F0p.г. площадь сребренной поверхности группового теплоотвода, м ;where F0p.g. the silver surface area of the group heat sink, m;

Fop.и - площадь сребренной поверхности индивидуального теплоотвода, м2;Fop.и - the area of the silver surface of an individual heat sink, m2;

п - количество силовых полупроводниковых приборов в одном вертикальном р ду блока.n is the number of power semiconductor devices in one vertical row of the block.

Изобретение по сн етс  чертежами,The invention is illustrated by drawings.

фиг. 1 и 2. Силовые полупроводниковые приборы 1 расположены, между индивидуальными 2 и групповыми 3 теплоотводами и соединены между собой общим групповым прижимным устройством, состо щим изFIG. 1 and 2. Power semiconductor devices 1 are located between individual 2 and group 3 heat sinks and are interconnected by a common group clamping device, consisting of

пр моугольной скобы 4 и прижимных винтов 5. Силовые полупроводниковые приборы 1, теплоотводы 2 и 3, прижимное устройство погружены в жидкий промежуточный теплоноситель 6, которым частичноrectangular brackets 4 and clamping screws 5. Power semiconductor devices 1, heat sinks 2 and 3, the clamping device are immersed in a liquid intermediate coolant 6, which partially

заполнена герметична  емкость 7. Вверху герметичной емкости, вне среды промежуточного теплоносител  находитс  вод ной конденсатор 8. Дл  электрической изол ции полупроводниковых приборов от прижимного устройства используютс  дисковые изол торы 9. Индивидуальные теплоотводы 2 выполнены в виде цилиндрических элементов с диаметром, равным диаметру контактных поверхностей оснований приборов,hermetic container is filled 7. At the top of the hermetic container, outside the medium of the intermediate heat carrier there is a water condenser 8. For insulating the semiconductor devices from the clamping device, disk insulators 9 are used. Individual heat sinks 2 are made in the form of cylindrical elements with a diameter equal to the diameter of the contact surfaces of the bases appliances

сребренных кольцевыми ребрами. Групповые теплоотводы 3, оребрены пр мыми вертикальными ребрами посто нного сечени . Кольцевые ребра индивидуальных теплоотводов и пр мые ребра групповыхтеплоотводоврасполагаютс воsilver ring ribs. Group heat sinks 3 are fins with straight vertical ribs of constant cross-section. The annular ribs of the individual heat sinks and the straight ribs of the group heat sinks are located in

взаимноперпендикул рных плоскост х и образуют вертикальные межреберные каналы .mutually perpendicular planes and form vertical intercostal canals.

Устройство работает следующим образом: силовой выпр мительный блок с испарительным охлаждением, например собранный по трехфазной симметричной мостовой схеме выпр млени  (фиг.1) рабо- тает следующим образом: силовые полупроводниковые приборы 1. расположенные в вертикальных р дах, при прохождении через них электрического тока, выдел ют теп- ловую мощность потерь. Теплова  мощность, в силу симметричности конструк- ции приборов, распростран етс  поровну к анодному и катодному основани м и далее от одного основани  к индивидуальному теплоотводу 2, от другого - к групповому теплоотводуЗ, Далее тепловой поток за счет кипени  и парообразование передаетс  промежуточному теплоносителю 6, например фреону 113, которым заполнена герметична  емкость 7. Пары фреона 113 поднимаютс  вверх емкости, достигают конденсатора 8, конденсируютс  на его по- верхности, конденсат стекает обратно в объем жидкости. Ребра групповых и индивидуальных теплоотводов ориентированы во взаимно перпендикул рных плоскост х таким образом, что образуют вертикальные каналы, необходимые дл  более эффективного теплообмена между теплоотводами и промежуточным теплоносителем. Кроме того , только така  взаимна  ориентаци  ребер позвол ет создавать усилие сжати  приборов , наход щихс  в горизонтальных р дах, с помощью единого прижимного устройства . Дл  того, чтобы тепло от каждого силового полупроводникового прибора в сторону анода и катода отводилось равномерно , тепловое сопротивление теплоотводов со стороны анода и катода должны быть одинаковы. Поэтому тепловое сопротивление группового теплоотвода, работающего с одним вертикальным р дом приборов, должно быть во столько раз меньше одного индивидуального теплоотвода, сколько ин- дмридуальных теплоотводов работает с тем же вертикальным р дом, то есть сколько приборов в одном вертикальном р де:The device operates as follows: a power rectifier block with evaporative cooling, for example, assembled according to a three-phase symmetrical bridge rectification circuit (Fig. 1) works as follows: power semiconductor devices 1. located in vertical rows, when an electric current passes through them , the heat loss power is released. The heat power, due to the symmetry of the design of the devices, is distributed equally to the anode and cathode bases and further from one base to an individual heat sink 2, from another to a group heat sink 3, Further, the heat flux due to boiling and vaporization is transferred to the intermediate heat carrier 6, for example, freon 113, with which the sealed container 7 is filled. The vapor of freon 113 rises upward, reaches the condenser 8, condenses on its surface, condensate flows back into the liquid volume. The fins of the group and individual heat sinks are oriented in mutually perpendicular planes in such a way that they form the vertical channels necessary for more efficient heat transfer between the heat sinks and the intermediate heat transfer medium. In addition, only such mutual orientation of the ribs allows a compressive force to be applied to devices located in horizontal rows using a single clamping device. In order for heat to be uniformly removed from each power semiconductor device toward the anode and cathode, the thermal resistance of the heat sinks from the anode and cathode must be the same. Therefore, the thermal resistance of a group heat sink working with one vertical row of devices should be so many times less than one individual heat sink, how many individual heat sinks will work with the same vertical row, that is, how many devices in one vertical row:

RTm tn KtnRTm tn Ktn

Г.тG.t

где Rtr - тепловое сопротивление группового теплоотвода, °С/Вт:where Rtr is the thermal resistance of the group heat sink, ° C / W:

RthM T тепловое сопротивление индивидуального теплоотвода, °С/Вт;RthM T thermal resistance of an individual heat sink, ° С / W;

п - количество приборов в одном верти- кальном р ду.n is the number of instruments in one vertical row.

Учитыва , что величина теплового сопротивлени  сребренных теплоотводов и площадь оребрени  их св заны зависимостьюTaking into account that the value of the thermal resistance of the silver heatsinks and the area of their fins are related

RtnRtn

11

FopFop

Величины площади оребрени  группового теплоотвода и индивидуального тепло- отвода должны быть св заны следующим выражениемThe values of the fin area of the group heat sink and individual heat sink should be related by the following expression

ор.г.city

П P

ор.и.or.i.

. 5 10 15 . 20 25 0 5 0 . 5 10 15. 20 25 0 5 0

55

55

В случае выхода из стро  одного силового полупроводникового прибора путем ослаблени  соответствующего прижимного винта 5 прибор освобождаетс  от усили  сжати  и извлекаетс  из теплоотводов, расположенных внутри пр моугольной скобы 4.In the event of failure of one power semiconductor device by loosening the corresponding clamping screw 5, the device is released from the compressive force and is removed from the heat sinks located inside the rectangular bracket 4.

Использование данного изобретени  при создании силовых полупроводниковых преобразовательных устройств с испарительным охлаждением позвол ет существенно снизить массу и размеры агрегатов. Кроме того по вл етс  экономический эффект из-за снижени  времени ремонта преобразователей на объектах эксплуатации.The use of this invention when creating power semiconductor converting devices with evaporative cooling can significantly reduce the weight and size of units. In addition, there is an economic effect due to a reduction in the repair time of transducers at the operation sites.

Claims (2)

1. Силовой выпр мительный блок с испарительным охлаждением, содержащий герметичную емкость, частично заполненную жидким промежуточным теплоносителем , конденсатор, размещенный в герметичной емкости, расположенные в герметичной емкости в жидком промежуточном теплоносителе полупроводниковые приборы таблеточного типа, собранные а параллельные столбы с чередующимис  с ними индивидуальными сребренными теплоотводами и соединенные с ними индивидуальными прижимными элементами, о т л и- чающий.с  тем. что, с целью повышени  ремонтопригодности и улучшени  массога- баритных характеристик, он снабжен групповым теплоотводом с кольцевыми ребрами и групповым прижимным узлом, ребра индивидуальных теплоотводов выполнены пр мыми, при этом столбы полупроводниковых приборов с,чередующимис  с ними индивидуальными .теплоотводами ориентированы своими продольными геометрическими ос ми параллельно дну герметичной емкости, индивидуальные прижимные элементы установлены на групповом прижимном узле, а укороченные столбы размещены на групповом теплоотводе и зафиксированы на нем посредством группового прижимного узла, причем кольцевые ребра группового теплоотвода и пр мые ребра индивидуальных теплоотводов расположены во взаимно перпендикул рных плоскост х с образованием между ними межреберных каналов, ориентированных своими продольными геометрическими ос ми вдоль продольной геометрической оси герметичной емкости.1. Power evaporative cooling rectifier unit containing a sealed container partially filled with a liquid intermediate heat carrier, a condenser placed in a sealed container, tablet-type semiconductor devices located in a sealed container in a liquid intermediate heat carrier, assembled in parallel columns with alternating individual silver ones heat sinks and connected with them by individual clamping elements, so that. that, in order to increase maintainability and improve overall dimensions, it is equipped with a group heat sink with annular ribs and a group clamping unit, the ribs of individual heat sinks are made straight, while the columns of semiconductor devices with alternating individual heat sinks are oriented by their longitudinal geometric axis parallel to the bottom of the sealed container, individual clamping elements are installed on the group clamping unit, and the shortened posts are placed on the group heat sink and fixed on it by means of a group clamping unit, and the annular ribs of the group heat sink and the straight ribs of the individual heat sinks are located in mutually perpendicular planes with the formation of intercostal channels between them, oriented by their longitudinal geometric axes along the longitudinal geometric axis of the sealed container. 2. Блок по п. 1. от л и ч а ю щи и с  . тем, что площади F0p.r и Fop и сребренных поверхностей соответственно индивидуального и группового теплоотводов имеют следующее соотношение:2. The block according to claim 1. of the letter and with. the fact that the areas F0p.r and Fop and the silver surfaces of the individual and group heat sinks, respectively, have the following ratio: ор.гorg ор.и.or.i. где п - количество силовых полупроводниковых приборов в одном пакете.where n is the number of power semiconductor devices in one package. МАMA Фиг.1Figure 1