российская федерация - Apatent.ru

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
(19)RU
(11)2345511
(13)C2
(51) МПК
H05K7/20 (2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
Статус: по данным на 08.08.2011 - действует
(21), (22) Заявка: 2006139625/09, 08.11.2006
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
08.11.2006
(43) Дата публикации заявки: 20.05.2008
(45) Опубликовано: 27.01.2009
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: RU 2280294 С2, 27.03.2006. RU 2229757 С2,
27.05.2004. RU 2206939 С2, 20.06.2003. RU 2154875 C2,
20.06.2003. US 2005280993 A, 22.12.2005. JP 2004104148 A,
02.04.2004.
(72) Автор(ы):
Таланин Юрий
Васильевич (RU)
(73)
Патентообладатель(и):
Таланин Юрий
Васильевич (RU)
Адрес для переписки:
430016, Республика Мордовия, г.Саранск, ул.
Большевистская, 96, кв.32, Ю.В. Таланину
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА И ОХЛАЖДЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройству для нагрева и
охлаждения статического преобразователя. Техническим результатом изобретения
является создание устройства с эффективной системой нагрева и охлаждения
статического преобразователя по степени защиты преобразователя по коду IP,
работающего при температуре окружающего воздуха от -60°С до +60°С, уменьшение
массогабаритных показателей и стоимости преобразователя. В предложенном устройстве
в целях создания избыточного давления теплоносителя в верхней части охладителя
сообщающиеся каналы объединены в группы сообщающихся каналов. В изобретении
также раскрыты варианты выполнения предложенного устройства, в частности, в емкости
теплоносителя установлен блок нагрева, представляющий собой полый металлический
стакан с электронагревательным элементом; использован промежуточный теплоноситель;
каналы охладителя или часть каналов охладителя заполнены хладагентом и являются
испарителями холодильной установки. В предложенном устройстве охладитель
охлаждается теплоносителем и одновременно является испарителем холодильной
установки, которая охлаждает охладитель с силовыми полупроводниковыми приборами.
Статический преобразователь с предложенным устройством нагрева и охлаждения может
работать в условиях больших температурных перегрузок. 5 н. и 3 з.п. ф-лы, 13
ил.
Изобретение относится к электротехнике, а именно:
1. К статическим преобразователям с широкими требованиями по степени защиты по коду
IP (система кодификации, применяемая для обозначения степеней защиты,
обеспечиваемых оболочкой, от доступа к опасным частям, попадания внешних твердых
предметов, воды, а также для предоставления дополнительной информации, связанной с
такой защитой) в соответствии с ГОСТ 14254-96.
2. К статическим преобразователям, работающим в широком диапазоне температур
окружающего воздуха от - 60°С до +60°С.
3. К статическим полупроводниковым преобразователям электроэнергии с испарительным
охлаждением.
4. К мощным статическим полупроводниковым преобразователям электроэнергии с
комбинированным охлаждением.
Известны статические преобразователи, выполненные в навесных шкафах (корпорации
Триол), где установлены все силовые элементы преобразователя и система управления.
Вентильные элементы выпрямителя и силовые ключи инвертора установлены на
групповом ребристом охладителе из алюминиевого сплава, который установлен на задней
стенке шкафа. Охлаждение преобразователей - воздушное принудительное посредством
встроенных вентиляторов.
Недостатком данных конструкций является то, что преобразователи одной мощности,
например 250 кВт, при принудительном воздушном охлаждении по степени защиты по
коду IP21 имеют массу 130 кг и габаритные размеры 580×1100×420 мм, а по степени
защиты по коду IP54 имеют массу 250 кг и габаритные размеры 800×1475×535 мм, то есть
масса преобразователя по степени защиты по коду IP54 почти в два раза больше, а по
объему в 2,35 раза больше аналога по степени защиты по коду IP21. Все это сказывается
на стоимости преобразователей, требуется другой силовой блок, каркас, технология
сборки, оснастка и так далее. В каталоге продукции и применений корпорации Триол [1]
нет преобразователей мощностью 315 кВт со степенью защиты по коду IP54, так как
сложно отвести тепло посредством принудительного воздушного охлаждения.
Одна из ведущих мировых фирм по разработке электротехнического оборудования
Германская фирма RITTAL [2] предлагает обогреватели, представляющие собой
нагревательный элемент с размещенными на его поверхности алюминиевыми ребрами, с
тепловой мощностью от 10 Вт до 300 Вт.
Однако обогреватели автономны, занимают значительный объем пространства
распределительных шкафов, кроме того, они не равномерно распределяют температуру,
так как, чем ближе контролируемая точка расположена к обогревателю, тем естественно
выше температура. Равномерный нагрев силовых полупроводниковых приборов и самого
статического преобразователя обеспечить проблематично. Нагрев силовых
полупроводниковых приборов происходит последовательно путем нагрева воздуха,
охладителя и силового полупроводникового прибора, что не эффективно.
Фирма RITTAL также предлагает для потребителей целый ряд холодильных агрегатов,
настенных с полезной мощностью охлаждения от 225 Вт до 4000 Вт и потолочных с
полезной мощностью охлаждения от 500 Вт до 4000 Вт, устанавливаемых внутри шкафа.
Однако все предлагаемые холодильные агрегаты Германской фирма RITTAL автономны,
устанавливаются внутри шкафа. Поэтому они занимают значительное место внутри
шкафа, обладают локальным охлаждением, появляется проблема образования конденсата,
а при внутренней циркуляции воздуха данные холодильные агрегаты нельзя использовать
в статических преобразователях с требованиями по степени защиты по коду IP54, IP64,
так как требуется подвод охлаждаемого и отвод нагретого воздуха в герметичном
пространстве.
Наиболее близкими по техническому решению являются описание к авторскому
свидетельству №591667 «Способ охлаждения рабочего тела» [3], описания к патентам на
изобретения №2229757 «Устройство для нагрева и охлаждения радиоэлектронной
аппаратуры» [4] и №2280294 «Силовой блок» [5].
Силовой блок представляет собой замкнутый контур, заполненный теплоносителем и
включающий насос с линиями всасывания и нагнетания, системами нагрева и охлаждения,
снабженный блоком управления, электрически связанный с датчиком температуры, и
состоящий из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми
приборами, датчиком температуры, насосом, емкостью с теплоносителем, блоками
нагрева и охлаждения, расширительным бачком, причем в охладителе, имеющем под
ребрами или частью ребер на всю длину охладителя каналы, на верхней и нижней
торцевых поверхностях охладителя выполнены полости, служащие для соединения
каналов, проходящих под ребрами охладителя, в результате чего в охладителе образованы
сообщающиеся каналы, заполненные теплоносителем.
Задача изобретения - создание эффективных устройств для нагрева и охлаждения
статических преобразователей с широким диапазоном требований по степени защиты
преобразователей по коду IP, обеспечение работоспособности преобразователей в
широком диапазоне температур окружающего воздуха от - 60°С до +60°С, возможность
создания мощных преобразователей в одношкафном исполнении, уменьшение
массогабаритных показателей и стоимости преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для нагрева и охлаждения
статического преобразователя, содержащее шкаф, в котором установлены охладитель с
расположенными на нем силовыми полупроводниковыми приборами, элементы системы
управления, системы нагрева и охлаждения, состоящие из замкнутого контура,
заполненного теплоносителем, в котором охладитель имеет в основании каналы, на
верхней и нижней торцевых поверхностях выполнены полости, служащие для соединения
этих каналов, датчик температуры, а также линии всасывания, емкость теплоносителя,
насос, линию нагнетания, расширительный бачок, причем для создания избыточного
давления теплоносителя в верхней части охладителя сообщающиеся каналы объединены в
группы сообщающихся каналов, а емкость теплоносителя выполнена с хорошо развитой
теплопроводящей поверхностью.
Представлено устройство силового блока статического преобразователя с системой
охлаждения на тепловых трубах, представляющее теплоотводящее устройство, состоящее
из охладителя с установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами, в
каналах, проходящих в основании и в верхних полостях охладителя, установлены
тепловые трубы, нижняя часть охладителя заполнена промежуточным теплоносителем,
который под действием капиллярных сил внутри тепловых труб поднимается по ним,
отбирает тепло от нагретого охладителя и переносит его по тепловым трубам в емкость
теплоносителя.
Представлено устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя,
содержащее шкаф, в котором установлены охладитель с расположенными на нем
силовыми полупроводниковыми приборами, элементы системы управления, системы
нагрева и охлаждения, причем нагрев охладителя и преобразователя производится по
замкнутому контуру, заполненному теплоносителем, и включает каналы охладителя с
выполненными полостями на нижней и верхней торцевых поверхностях охладителя,
линии всасывания, емкость теплоносителя, насос, линию нагнетания и расширительный
бачок, а в емкости теплоносителя установлен блок нагрева, представляющий полый
металлический стакан с установленным в нем электронагревательным элементом.
Представлено устройство силового блока статического преобразователя с испарительной
системой охлаждения, где силовые полупроводниковые приборы установлены на
охладителе, имеющем в основании охладителя каналы, причем на охладителе на его
торцевых поверхностях выполнены полости, нижняя и верхние, в результате чего в
нижней части охладителя образуются сообщающиеся каналы, а в верхней части
охладителя группы сообщающихся каналов, причем полости и сквозные сообщающиеся
каналы заполнены промежуточным теплоносителем, в результате нагревания силовых
полупроводниковых приборов и охладителя теплоноситель в каналах и полостях
нагревается, происходит расширение жидкого теплоносителя, повышение давления
жидкой фазы теплоносителя в охладителе до давления конденсации, превращение
теплоносителя в парожидкостную фазу, отбор тепла от охладителя при одновременном
нагреве теплоносителя жидкой фазы до температуры конденсации, полученное тепло
используют во вспомогательном расширительном цикле для охлаждения охладителя и за
счет избыточного давления через сообщающиеся каналы и верхние полости охладителя,
парожидкостный теплоноситель поступает в конденсатор, где конденсируется,
смешивается с жидкой фазой теплоносителя, охлаждается и поступает в нижнюю полость
охладителя. Охлаждение охладителя происходит за счет тепла, выделяемого силовыми
полупроводниковыми приборами, и чем сильнее происходит нагрев охладителя, тем выше
давление и конденсация теплоносителя и эффективнее отбор тепла от нагретого
охладителя.
Представлено устройство для охлаждения статического преобразователя с охлаждением
холодильной установкой, содержащее шкаф, в котором установлены элементы схемы,
блок управления, охладитель с установленными на нем силовыми полупроводниковыми
приборами, система охлаждения заполнена хладагентом и включает охладитель, имеющий
в основании охладителя каналы, в результате чего в охладителе образуются канал,
сообщающиеся каналы или группы сообщающихся каналов, отсасывающую трубку,
компрессор, нагнетательный трубопровод, конденсатор, фильтросушитель, капиллярную
трубку, терморегулятор, причем каналы охладителя или металлические трубки,
установленные в каналах охладителя, служат испарителями холодильной установки.
Представлено устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя с
системой нагрева и комбинированной системой охлаждения, в котором система нагрева
не отличается от описанной выше, а охлаждение охладителя с силовыми элементами
производится за счет циркуляции теплоносителя по замкнутому контуру, включающему
каналы, проходящие в основании охладителя, с выполненными на нижней и верхней
торцевых поверхностях охладителя полостями, линии всасывания, емкость
теплоносителя, насос, линию нагнетания, расширительный бачок, причем охлаждение
самого теплоносителя происходит в емкости теплоносителя за счет второго замкнутого
контура, заполненного хладагентом и включающего отсасывающую трубку, компрессор,
нагнетательный трубопровод, конденсатор, фильтросушитель, капиллярную трубку,
терморегулятор, испаритель, причем испаритель размещен в емкости теплоносителя или
непосредственно является стенкой емкости теплоносителя.
Представлено устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя,
содержащее шкаф, в котором установлены охладитель с расположенными на нем
силовыми полупроводниковыми приборами, элементы системы управления, системы
нагрева и охлаждения, причем охлаждение охладителя производится по двум замкнутым
контурам, проходящим по каналам в основании охладителя, при этом один замкнутый
контур заполнен теплоносителем и включает часть каналов охладителя с выполненными
полостями на нижней и верхней торцевых поверхностях охладителя, линии всасывания,
емкость теплоносителя, насос, линию нагнетания и расширительный бачок, а второй
замкнутый контур заполнен хладагентом и включает часть каналов охладителя,
отсасывающую трубку, компрессор, нагнетательный трубопровод, конденсатор,
терморегулятор, причем часть каналов охладителя или металлические трубки,
установленные в каналах охладителя и заполненные хладагентом, являются испарителями
холодильной установки.
На фиг.1 показана функциональная схема устройства для нагрева и охлаждения
статического преобразователя (охлаждение комбинированное, жидкостное и воздушное).
На фиг.2, 3 показано устройство для нагрева и охлаждения преобразователя. На фиг.4,
показано устройство силового блока с испарительной системой охлаждения, а на фиг.5
устройство для охлаждения силового блока на тепловых трубках. На фиг.6 показано
устройство с испарительной системой охлаждения. На фиг.7, 8, 9 показаны
функциональные схемы, а на фиг 10 - вид устройства, где охладитель является
одновременно и испарителем холодильной установки. На фиг.11 показана
функциональная схема устройства для нагрева и охлаждения статического
преобразователя, где охладитель является одновременно охладителем с принудительным
жидкостным охлаждением и испарителем холодильной установки. На фиг.12 показана
функциональная схема устройства для нагрева и охлаждения статического
преобразователя, в которой охлаждение охладителя производится теплоносителем, а
охлаждение теплоносителя происходит в емкости теплоносителя, в которой установлен
испаритель холодильной установки, а на фиг.13 показан вид этого устройства.
Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя (см. фиг.1, 2, 3)
содержит шкаф 1, в котором установлены элементы схемы, силовые полупроводниковые
приборы 2, блок управления 3, системы нагрева и охлаждения, состоящие из замкнутого
контура, заполненного теплоносителем 4 (например, метанолом, тосолом или spectrol antifreeze, смесью демонизированной воды с гликолем, водой для систем отопления по VDI
2035, а при температуре эксплуатации преобразователя от +1°С до +40°С
дистиллированной водой), и включающие охладитель 5, имеющий в основании
охладителя каналы 6, датчик температуры 7, линии всасывания 8, емкость теплоносителя
9, насос 10, линию нагнетания 11, расширительный бачок 12, блок охлаждения 19, причем
на охладителе 5 на его торцевых поверхностях выполнены полости нижняя 13 и верхние
14, в результате чего в нижней части охладителя образуются сообщающиеся каналы 6, а в
верхней части охладителя группы сообщающихся каналов 6, причем емкость
теплоносителя 9 выполнена с хорошо разветвленной теплопроводящей поверхностью 15,
в емкости теплоносителя 9 установлен блок нагрева 16, представляющий полый
металлический стакан 17 с установленным в нем электронагревательным элементом 18.
Представлено устройство для охлаждения силового блока статического преобразователя с
системой охлаждения на тепловых трубах (см. фиг.5), представляющее теплоотводящее
устройство, состоящее из охладителя 5 с установленными на нем силовыми элементами 2,
в каналах 6, проходящих в основании охладителя и в верхних полостях 14, установлены
тепловые трубы 22 (например, изготовленные на основе металловойлока, порошков,
сеток), нижняя полость 13 охладителя 5 заполнена промежуточным теплоносителем 4
(например, дистиллированная вода, смесь воды с гликолем, вода для систем отопления по
VDI 2035), который под действием капиллярных сил, которые обеспечиваются наличием
специализированной капиллярной структуры внутри тепловых труб 22, поднимается по
ним, в результате нагревания силовых полупроводниковых приборов 2 и охладителя 5
теплоноситель 4 отбирает тепло от нагретого охладителя 5 и переносит его по тепловым
трубам 22 в емкость теплоносителя 9, где теплоноситель 4 охлаждается и под действием
силы тяжести стекает в нижнюю полость 13 охладителя 5.
Представлено устройство для охлаждения силового блока статического преобразователя с
испарительной системой охлаждения (см. фиг.4), в котором силовые полупроводниковые
приборы 2, установлены на охладителе 5, имеющем в основании охладителя каналы 6,
причем на охладителе 5 на его торцевых поверхностях выполнены полости нижняя 13 и
верхние 14, в результате чего в нижней части охладителя образуются сообщающиеся
каналы 6, а в верхней части охладителя группы сообщающихся каналов 6, причем полости
13, 14 и сквозные сообщающиеся каналы 6 заполнены промежуточным теплоносителем 20
(например, фреоном 113, перфтордибутиловым эфиром, МД-3Ф, ФЭП-12), в результате
нагревания силовых полупроводниковых приборов 2 и охладителя 5 теплоноситель 20 в
каналах 6 и полостях 13 и 14 нагревается, происходит расширение жидкого
теплоносителя, повышение давления жидкой фазы теплоносителя 20 в охладителе 5 до
давления конденсации, превращение теплоносителя 20 в парожидкостную фазу
теплоносителя 21, отбор тепла от охладителя 5 при одновременном нагреве теплоносителя
жидкой фазы 20 до температуры конденсации, и полученное тепло используют во
вспомогательном расширительном цикле для охлаждения охладителя и за счет
избыточного давления, через сообщающиеся каналы 6 и верхние полости 14 охладителя 5
парожидкостный теплоноситель 21 поступает в конденсатор, где конденсируется,
смешивается с жидкой фазой теплоносителя 20, охлаждается и поступает в нижнюю
полость 13 охладителя 5. Охлаждение охладителя 5 происходит за счет тепла,
выделяемого силовыми полупроводниковыми приборами 2, и чем сильнее происходит
нагрев охладителя 5, тем выше давление и конденсация теплоносителя 21 и эффективнее
охлаждение охладителя 5.
Представлено устройство для охлаждения статического преобразователя с охлаждением
холодильной установкой (см. фиг.7, 8, 9, 10), устройство содержит шкаф 1, в котором
установлены элементы схемы, блок управления 3, охладитель 5 с установленными на нем
силовыми полупроводниковыми приборами 2, система охлаждения заполненная
хладагентом 23 (например, хладагент R134a или хладагент R600a) и включающая
охладитель 5, имеющий в основании охладителя каналы 6, в результате чего в охладителе
образуются канал, сообщающиеся каналы или группы сообщающихся каналов,
отсасывающую трубку 24, компрессор 25, нагнетательный трубопровод 26, конденсатор
27, фильтросушитель 28, капиллярную трубку 29, терморегулятор 30, причем каналы 6
охладителя 5 или металлические трубки 31, установленные в каналах 6 охладителя 5,
служат испарителями 32 холодильной установки.
Представлено устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя с
комбинированной системой нагрева и охлаждения (см. фиг.12, 13), в котором нагрев
теплоносителя 4 и охлаждение охладителя 5 с силовыми полупроводниковыми приборами
2 теплоносителем 4 происходит вышеописанным способом (см. фиг.1, 2, 3), а охлаждение
самого теплоносителя 4 происходит за счет замкнутого контура, заполненного
хладагентом 23 (например, хладагент R600a) и включающего отсасывающую трубку 24,
компрессор 25, нагнетательный трубопровод 26, конденсатор 27, фильтросушитель 28,
капиллярную трубку 29, терморегулятор 30, испаритель 32, причем испаритель 32
установлен в емкости 9 теплоносителя 4 или является его стенкой.
Представлено устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя с
комбинированной системой нагрева и охлаждения (см. фиг.11, 13), в котором нагрев
теплоносителя происходит вышеописанным способом, а охлаждение охладителя с
силовыми полупроводниковыми приборами производится по двум замкнутым контурам,
один замкнутый контур заполнен теплоносителем 4 (например, тосолом или spectrol antifreeze, смесью демонизированной воды с гликолем, водой для систем отопления по VDI
2035) и включает часть каналов 6 охладителя 5 с выполненными полостями на нижней 13
и верхней 14 торцевых поверхностях охладителя, линии всасывания 8, емкость
теплоносителя 9, насос 10, линию нагнетания 11, расширительный бачок 12, второй
замкнутый контур заполненный хладагентом 23 (например, хладагент R600a),
включающий часть каналов 6 охладителя 5, отсасывающую трубку 24, компрессор 25,
нагнетательный трубопровод 26, конденсатор 27, фильтросушитель 28, капиллярную
трубку 29, терморегулятор 30, причем часть каналов 6 или металлические трубки 31,
установленные в каналах 6 охладителя 5 и заполненные хладагентом 23, являются
испарителями 32 холодильной установки.
Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя (см. фиг.1, 2, 3)
работает следующим образом.
При низкой температуре окружающего воздуха по команде с блока управления 3
включается программно-управляемый блок нагрева 16, электронагревательный элемент 18
нагревается, нагревается полый металлический стакан 17 и стенка емкости 9, тепло с
полого металлического стакана 17 и стенки емкости 9 передается теплоносителю 4,
который нагревается, после нагрева теплоносителя 4 (например, до +2,3°С) включается
насос 10 и нагретый теплоноситель 4 через насос 10 по линии нагнетания 11 поступает в
нижнюю полость 13 охладителя 5 и по каналам 6 в основании охладителя поступает в
верхние полости 14, нагревая охладитель 5, далее по линиям всасывания 8 теплоноситель
4 поступает в емкость 9, где дополнительно нагревается за счет работающего
электронагревательного элемента 18, и через насос 10, по линии нагнетания 11, вновь
поступает в нижнюю полость 13 охладителя 5, далее процесс повторяется, в результате
чего охладитель 5, емкость теплоносителя 9 и теплоноситель 4 нагреваются, тепло с
охладителя 5 передается силовым полупроводниковым приборам 2 и преобразователю в
целом. После нагрева охладителя 5 (например, до +5°С) сигнал с датчика температуры 7
поступает в блок управления 3, который отключает блок нагрева 16, насос 10 и включает
преобразователь. При работе преобразователя силовые полупроводниковые приборы 2
нагреваются, нагревают охладитель 5, после нагрева охладителя (например, до +30°С)
сигнал с датчика температуры 7 подается на блок управления 3, который включает насос
10, и теплоноситель 4 из емкости 9 через линию нагнетания 11 поступает в нижнюю
полость 13 охладителя 5, по сообщающимся каналам 6 поступает в верхние полости 14
охладителя 5, отводя от него тепло, и через линии всасывания 8 теплоноситель 4 вновь
поступает в емкость 9, где охлаждается, далее процесс повторяется. При достижении
определенной температуры охладителя 5 (например, +50°С) сигнал с датчика
температуры 7 подается на блок управления 3, который переводит насос 10 в более
интенсивный режим работы. При дальнейшем повышении температуры (например, до
+60°С) сигнал с датчика температуры 7 подается на блок управления 3, который
переводит насос 10 в более интенсивный режим работы. При дальнейшем повышении
температуры охладителя 6 (например,+80°С) сигнал с датчика температуры 7 подается на
блок управления 3, который включает блок охлаждения 19, воздушный поток которого
одновременно охлаждает охладитель 5 с установленными силовыми
полупроводниковыми элементами 2, емкость 9 с теплоносителем 4.
В технически обоснованных случаях, при отрицательной наружной температуре воздуха,
при временно отключенном преобразователе, (например, обесточенном кране) требуется
поддерживать положительную температуру внутри преобразователя. При низкой
температуре окружающего воздуха, при отключении преобразователя и охлаждении
охладителя 5 (например, до +7°С) по команде с блока управления 3 включается
программно-управляемый блок нагрева 16 и насос 10, электронагревательный элемент 18
нагревается, нагреваются полый металлический стакан 17 и стенка емкости 9, тепло с
полого металлического стакана 17 и стенки емкости 9 передается теплоносителю 4,
который нагревается, и нагретый теплоноситель 4 через насос 10 по линии нагнетания 11
поступает в нижнюю полость 13 охладителя 5 и по каналам 6 в основании охладителя
поступает в верхние полости 14, нагревая охладитель 5, далее по линиям всасывания 8
теплоноситель 4 поступает в емкость 9, где дополнительно нагревается за счет
работающего электронагревательного элемента 18, и через насос 10 по линии нагнетания
11 вновь поступает в нижнюю полость 13 охладителя 5, далее процесс повторяется, в
результате чего охладитель 5, емкость теплоносителя 9 и теплоноситель 4 нагреваются,
тепло с охладителя 5 передается силовым полупроводниковым приборам 2 и
преобразователю в целом. После нагрева охладителя 5 (например, до +30°С) сигнал с
датчика температуры 7 поступает в блок управления 3, который отключает блок нагрева
16 и насос 10. Для поддержания требуемого теплового режима охладителя 5 и
преобразователя в целом (например, основания охладителя от +7°С до +30°С) блок
нагрева 16 работает периодически, по команде с датчика температуры 7 система
управления 3 дает команду на включение и выключение блока нагрева 16, поддерживая
тем самым температуру преобразователя в заданном диапазоне.
Работа устройства для охлаждения силовых элементов статического преобразователя с
охлаждением на тепловых трубах (см. фиг.5) отличается тем, что в каналах 6, проходящих
в основании охладителя и верхних полостях 14 охладителя 5, установлены тепловые
трубы 22 (например, изготовленные на основе металловойлока, порошков, сеток), нижняя
полость 13 охладителя 5 заполнена промежуточным теплоносителем 4 (например,
дистиллированная вода, смесь воды с гликолем, вода для систем отопления по VDI 2035),
который под действием капиллярных сил, которые обеспечиваются наличием
специализированной капиллярной структуры внутри тепловых труб 22, поднимается по
ним, в результате нагревания силовых элементов 2 и охладителя 5 теплоноситель 4
отбирает тепло от нагретого охладителя и переносит его по тепловым трубам 22 в емкость
теплоносителя 9, где теплоноситель охлаждается и стекает в нижнюю полость 13
охладителя 5.
Работа устройства охлаждения силовых полупроводниковых приборов статического
преобразователя, изображенного на фиг.4, происходит следующим образом.
При работе статического преобразователя нагреваются силовые полупроводниковые
приборы 2, нагревая охладитель 5, теплоноситель 20 в каналах 6 и полостях 13 и 14
охладителя 5, за счет чего происходит расширение жидкого теплоносителя 20, повышение
давления жидкой фазы теплоносителя 20 в охладителе 5 до давления конденсации,
превращение теплоносителя 20 в парожидкостную фазу теплоносителя 21, в результате
чего происходит отбор тепла от охладителя 5 при одновременном нагреве теплоносителя
жидкой фазы 20 до температуры конденсации, полученное тепло используют во
вспомогательном расширительном цикле для охлаждения охладителя и за счет
избыточного давления, через сообщающиеся каналы 6 и верхние полости 14 охладителя 5
парожидкостный теплоноситель 21 поступает в конденсатор, где конденсируется,
смешивается с жидкой фазой теплоносителя 20, охлаждается и поступает в нижнюю
полость 13 охладителя 5. Охлаждение охладителя 5 происходит за счет тепла,
выделяемого силовыми полупроводниковыми приборами 2, и чем сильнее происходит
нагрев охладителя 5, тем выше давление и конденсация теплоносителя 21 и эффективнее
охлаждение охладителя 5.
Работа устройства для охлаждения статического преобразователя, изображенного на
фиг.7, 8, 9, 10, происходит следующим образом.
При работе преобразователя силовые элементы 2 нагреваются, выделяемое тепло
передается охладителю 5, при повышении температуры охладителя 5 (например, до
+40°С) по команде с датчика температуры 7 система управления 3 дает команду на
включение компрессора 25, компрессор включается, под действием компрессора пары
хладагента 23 поступают из испарителя 32 по отсасывающей трубке 24 в цилиндр
компрессора 25, где сжимаются и поступают в нагнетательный трубопровод 26 и далее в
конденсатор 27, где, проходя конденсатор, хладагент 23, отдав тепло, конденсируется и
переходит в жидкое состояние, пройдя через фильтросушитель 28, жидкий хладагент
поступает в капиллярную трубку 29 и по мере продвижения в ней переохлаждается, и,
пройдя через терморегулятор 30, где в результате сопротивления движению потока
хладагента 23 происходит понижение его давления в условиях насыщения, происходит
образование пузырьков пара, температура и давление одновременно падают, а объем пара
увеличивается при движении парожидкостной смеси к испарителю 32, далее, поступая в
каналы 6 охладителя 5, являющегося испарителем 32 холодильной установки, хладагент
23 испаряется, отбирая тепло от основания охладителя 5, силовых элементов 2 и
окружающего охладитель 5 воздуха, далее из испарителя 32 газообразный хладагент
проходит отсасывающую трубку 24, сжимается в компрессоре 25 и через нагнетательный
трубопровод 26, конденсатор 27, фильтросушитель 28, капиллярную трубку 29 и
терморегулятор 30 вновь поступает в испаритель 32, таким образом, цикл работы
повторяется. Охладитель 5, силовые полупроводниковые приборы 2 и преобразователь
охлаждаются. Для поддержания требуемого теплового режима охладителя 5 и
преобразователя в целом устройство охлаждения работает периодически, по настройке
терморегулятора 30 и команде с датчика температуры 7 система управления 3 дает
команду на включение и выключение компрессора 25, поддерживая, тем самым,
температуру преобразователя в заданном диапазоне (например, от +40°С до +80°С).
Работа устройства для нагрева и охлаждения статического преобразователя,
изображенного на фиг.12, 13, аналогична работе, описанной выше (на фиг.1, 2, 3), но
отличается тем, что охлаждение теплоносителя 4 происходит в емкости 9, в которой
установлен испаритель 32, или стенка (стенки) емкости 9 является испарителем 32
холодильной установки.
Работа устройства для нагрева и охлаждения статического преобразователя (см. фиг.11,
13) происходит следующим образом.
При низкой температуре окружающего воздуха по команде с блока управления 3
включается программно-управляемый блок нагрева 16, электронагревательный элемент 18
нагревается, нагревается полый металлический стакан 17 и стенка емкости 9, тепло с
полого металлического стакана 17 и стенки емкости 9 передается теплоносителю 4,
который нагревается, после нагрева теплоносителя 4 (например, до +3°С) включается
насос 10 и нагретый теплоноситель 4 через насос 10 по линии нагнетания 11 поступает в
нижнюю полость 13 охладителя 5, по части каналов 6 в основании охладителя 5 поступает
в верхние полости 14, нагревая охладитель 5, далее по линиям всасывания 8
теплоноситель 4 поступает в емкость 9, где дополнительно нагревается за счет
работающего блока нагрева 16, и через насос 10 по линии нагнетания 11 вновь поступает в
нижнюю полость 13 охладителя 5, далее процесс повторяется, в результате чего
охладитель 5, емкость теплоносителя 9 и теплоноситель 4 нагреваются, тепло с
охладителя 5 передается силовым полупроводниковым приборам 2 и преобразователю в
целом. После нагрева охладителя 5 (например, до +7°С) сигнал с датчика температуры 7
поступает на блок управления 3, который отключает блок нагрева 16, насос 10 и включает
преобразователь.
При работе преобразователя силовые полупроводниковые приборы 2 нагреваются,
нагревают охладитель 5, после нагрева охладителя (например, до +30°С) сигнал с датчика
температуры 7 подается на блок управления 3, который включает насос 10, и
теплоноситель 4 из емкости 9 через линию нагнетания 11 поступает в нижнюю полость 13
охладителя 5 и по части сообщающихся каналов 6 поступает в верхние полости 14
охладителя 5, отводя от него тепло, и через линии всасывания 8 теплоноситель 4 вновь
поступает в емкость 9, где охлаждается, далее процесс повторяется. При достижении
определенной температуры охладителя 5 (например,+50°С) сигнал с датчика температуры
7 подается на блок управления 3, который переводит насос 10 в более интенсивный режим
работы. При дальнейшем повышении температуры (например,+60°С) сигнал с датчика
температуры 7 подается на блок управления 3, который переводит насос 10 в более
интенсивный режим работы. При дальнейшем повышении температуры охладителя 5
(например, +70°С) сигнал с датчика температуры 7 подается на блок управления 3,
который дает команду на включение компрессора 25, компрессор включается, под
действием компрессора пары хладагента 23 по другой части сообщающихся каналов 6
охладителя 5 поступают по отсасывающей трубке 24 в компрессор 25, где сжимаются, и
поступают в нагнетательный трубопровод 26 и далее в конденсатор 27, где хладагент 23
отдает тепло, конденсируется и переходит в жидкое состояние. Пройдя через
фильтросушитель 28, жидкий хладагент 23 поступает в капиллярную трубку 29 и по мере
продвижения в ней переохлаждается, проходит затем через терморегулятор 30, где в
результате сопротивления движению потока хладагента происходит понижение его
давления в условиях насыщения, происходит образование пузырьков пара, температура и
давление одновременно падают, а объем пара увеличивается при движении
парожидкостной смеси по части каналов 6 охладителя 5, являющегося испарителем 32
холодильной установки, хладагент испаряется, охлаждая основание и ребра охладителя 5,
теплоносителя 4, проходящего по части каналов 6, силовых полупроводниковых приборов
2 и окружающего охладитель 5 воздуха, далее из испарителя 32 газообразный хладагент
23 проходит отсасывающую трубку 24, сжимается в компрессоре 25 и через
нагнетательный трубопровод 26, конденсатор 27, фильтросушитель 28, капиллярную
трубку 29 и терморегулятор 30 вновь поступает в испаритель 32, таким образом, цикл
работы повторяется. При снижении температуры охладителя 5 (например, до +30°С)
сигнал с датчика температуры 7 подается на блок управления 3, который отключает
компрессор 25. Для поддержания требуемого теплового режима охладителя устройство
для охлаждения работает периодически, включаясь и выключаясь по настройке
терморегулятора 30, датчика температуры 7 и команде системы управления 3, которые
реагируют на изменение температуры основания охладителя 5, поддерживая температуру
охладителя (преобразователя) в заданных пределах.
Таким образом, устройство для нагрева и охлаждения статических преобразователей
можно использовать с широкими требованиями по степени защиты по коду IP (IP21, IP54,
IP64) в широком диапазоне температур окружающего воздуха от - 60°С до +60°С с
высокой эффективностью нагрева и охлаждения.
Эффективность устройства для нагрева статического преобразователя достигается за счет
того, что электронагревательный элемент размещен в металлическом пустотелом патроне,
который имеет большой тепловой контакт со стенкой емкости теплоносителя или является
частью стенки емкости теплоносителя. За счет больших теплопроводящих поверхностей и
большого коэффициента теплопроводности охладителя и емкости теплоносителя, в
результате нагрева и циркуляции нагретого теплоносителя в каналах охладителя и
емкости теплоносителя происходит быстрый нагрев охладителя, силовых
полупроводниковых приборов, емкости теплоносителя и самого преобразователя в целом.
Кроме того, такая конструкция блока нагрева позволяет быстро заменить неисправный
электронагревательный элемент, не освобождая емкость от теплоносителя.
Высокая эффективность устройства для охлаждения статического преобразователя
обеспечивается за счет развитой теплоотдающей поверхности охладителя, отвода тепла от
наиболее нагретых мест охладителя, его основания, изменяемой скорости прохождения
теплоносителя, наличием развитой теплоотдающей поверхностью емкости теплоносителя,
принимающего тепло от охладителя и передающего его в окружающее пространство,
дополнительного принудительного воздушного охлаждения, одновременно
охлаждающего охладитель и емкость с теплоносителем, а в случае изменения агрегатного
состояния теплоносителя - кипении и испарении, эффективность охлаждения
преобразователя и отводимые тепловые потоки возрастают на порядки, охлаждение
охладителя происходит за счет тепла, выделяемого силовыми полупроводниковыми
приборами, и полученное тепло используют во вспомогательном расширительном цикле
для охлаждения охладителя, и чем сильнее происходит нагрев охладителя, тем выше
давление и конденсация теплоносителя и эффективнее охлаждение охладителя.
Важнейшим преимуществом испарительного вида охлаждения являются: бесшумность
работы, отсутствие вибрации, отсутствие вращающихся деталей, что намного упрощает
статический преобразователь и делает его более надежным.
Предложенный вариант устройства для нагрева и охлаждения статического
преобразователя, в котором охладитель охлаждается теплоносителем и одновременно
является испарителем холодильной установки, который охлаждает охладитель с силовыми
полупроводниковыми приборами, теплоноситель, проходящий по каналам и полостям
охладителя, и преобразователь в целом может работать в условиях больших
температурных перегрузок.
Источники информации
1. Корпорация Триол. Каталог продукции и применений. 2002 г.
2. Каталог 31 RITTAL, выпуск 2007 г.
3 Авторское свидетельство на изобретение №591667 «Способ охлаждения рабочего тела».
4. Патент на изобретение №2206938. «Охладитель».
5. Патент на изобретение №2229757. «Устройство для нагрева и охлаждения
радиоэлектронной аппаратуры» (прототип).
6. Патент на изобретение №2280294. «Силовой блок» (прототип).
Формула изобретения
1. Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя, содержащее
шкаф, в котором установлены охладитель с расположенными на нем силовыми
полупроводниковыми приборами, элементы системы управления, системы нагрева и
охлаждения, состоящие из замкнутого контура заполненного теплоносителем, в котором
охладитель имеет в основании каналы, на верхней и нижней торцевых поверхностях
выполнены полости, служащие для соединения этих каналов, датчик температуры, а
также линии всасывания, емкость теплоносителя, насос, линию нагнетания,
расширительный бачок, отличающееся тем, что для создания избыточного давления
теплоносителя в верхней части охладителя сообщающиеся каналы объединены в группы
сообщающихся каналов.
2. Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя по п.1,
отличающееся тем, что емкость теплоносителя выполнена с хорошо развитой
теплопроводящей поверхностью.
3. Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя по п.1,
отличающееся тем, что в каналах проходящих в основании и в верхних полостях
охладителя установлены тепловые трубы, нижняя часть охладителя заполнена
промежуточным теплоносителем, который под действием капиллярных сил внутри
тепловых труб поднимается по ним, отбирает тепло от нагретого охладителя и переносит
его по тепловым трубам в емкость теплоносителя.
4. Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя, содержащее
шкаф, в котором установлены охладитель с расположенными на нем силовыми
полупроводниковыми приборами, элементы системы управления, системы нагрева и
охлаждения, отличающееся тем, что нагрев охладителя и преобразователя производится
по замкнутому контуру, заполненному теплоносителем и включает каналы охладителя с
выполненными полостями на нижней и верхней торцевых поверхностях охладителя,
линии всасывания, емкость теплоносителя, насос, линию нагнетания и расширительный
бачок, а в емкости теплоносителя установлен блок нагрева, представляющий полый
металлический стакан с установленным в нем электронагревательным элементом.
5. Устройство для охлаждения статического преобразователя, содержащее шкаф, в
котором установлены охладитель, имеющий в основании каналы, на верхней и нижней
торцевых поверхностях выполнены полости, служащие для соединения этих каналов, с
установленными на нем силовыми полупроводниковыми приборами, элементы системы
управления, датчик температуры, отличающееся тем, что полости и сообщающиеся
каналы охладителя заполнены промежуточным теплоносителем, в результате нагревания
силовых полупроводниковых приборов и охладителя теплоноситель в каналах и полостях
нагревается, происходит расширение жидкого теплоносителя, повышение давления
жидкой фазы теплоносителя в охладителе до давления конденсации, превращение
теплоносителя в парожидкостную фазу, отбор тепла от охладителя при одновременном
нагреве теплоносителя жидкой фазы до температуры конденсации, и полученное тепло
используют во вспомогательном расширительном цикле для охлаждения охладителя.
6. Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя, содержащее
шкаф, в котором установлены охладитель с расположенными на нем силовыми
полупроводниковыми приборами, элементы системы управления, системы нагрева и
охлаждения, отличающееся тем, что охлаждение производится по замкнутому контуру,
заполненному хладагентом, и включает каналы охладителя, отсасывающую трубку,
компрессор, нагнетательный трубопровод, конденсатор, терморегулятор, причем каналы
охладителя или металлические трубки установленные в каналах охладителя и
заполненные хладагентом, являются испарителями холодильной установки.
7. Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя по п.6,
отличающееся тем, что испаритель размещен в емкости теплоносителя или
непосредственно является стенкой емкости теплоносителя.
8. Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя, содержащее
шкаф, в котором установлены охладитель с расположенными на нем силовыми
полупроводниковыми приборами, элементы системы управления, системы нагрева и
охлаждения, отличающееся тем, что охлаждение охладителя производится по двум
замкнутым контурам, проходящим по каналам в основании охладителя, при этом один
замкнутый контур заполнен теплоносителем и включает часть каналов охладителя с
выполненными полостями на нижней и верхней торцевых поверхностях охладителя,
линии всасывания, емкость теплоносителя, насос, линию нагнетания и расширительный
бачок, а второй замкнутый контур заполнен хладагентом и включает часть каналов
охладителя, отсасывающую трубку, компрессор, нагнетательный трубопровод,
конденсатор, терморегулятор, причем часть каналов охладителя или металлические
трубки, установленные в каналах охладителя и заполненные хладагентом, являются
испарителями холодильной установки.