Напівпровідниковий перетворювач з природним повітряним охолодженням

1 Напівпровідниковий перетворювач, переважно з природним повітряним охолодженням, який містить напівпровідникові прилади та індивідуальні охолоджувачі, які знаходяться з ними у тепловому контакті, встановлені у вигляді вертикальних та горизонтальних рядів, які орієнтовані ребрами вздовж конвективного повітряного потоку і утворюють паралельну систему повітряного охолодження, а напівпровідникові прилади утворюють електричну схему перетворювача, який відрізняється тим, що він забезпечений закритим знизу та з боків загальним каналом нагрітого повітря, котрий утворений з бокових сторін індивідуальними охолоджувачами з напівпровідниковими приладами та прилеглими до них стінками, охоплюючими ці охолоджувачі, а також обладнаний витяжною камерою, розміщеною над каналом нагрітого повітря і яка є його продовженням 2 Напівпровідниковий перетворювач за п 1, який відрізняється тим, що задня стінка повітряного каналу встановлена під кутом до вертикальної площини і утворює повітряний канал змінного перерізу, розширюючись догори 3 Напівпровідниковий перетворювач за п 1 та п 2, який відрізняється тим, що переріз витяжної камери дорівнює або є більшим ніж переріз каналу нагрітого повітря біля верхнього ряду охолоджувачів, а відношення висоти витяжної камери до повної висоти вертикального ряду охолоджувачів повинно бути не менше ніж 1 5 4 Напівпровідниковий перетворювач за п 1, який відрізняється тим, що витяжна камера забезпечена витяжним електровентилятором Винахід відноситься до конструкції силових напівпровідникових перетворювачів переважно з природним повітряним охолодженням Відомий напівпровідниковий перетворювач з природним повітряним охолодженням по ас СРСР № 999184, кл Н05К 7/20, H01L 23/00, який містить шафу перетворювача з перфорацією у стінках, групові та індивідуальні охолоджувачі, розміщені ребрами вздовж повітряного потоку, напівпровідникові прилади, що утворюють катодну та анодну групи електричних мостів, торцеві КІНЦІ ребер охолоджувачів розміщені у площинах, паралельних ВІДПОВІДНИМ стінкам з перфорацією Недоліком такої конструкції перетворювача є послідовно-паралельна схема охолодження, при якій кожний розміщений вище охолоджувач та напівпровідниковий прилад охолоджується повітрям, підігрітим охолоджувачем, розміщеним нижче, що знижує ефективність охолодження напівпровідникових приладів Крім того, конструкція розвинує незначну силу тяги повітряного потоку у зв'язку з тим, що нагріте повітря після проходження через охолоджувачі змішується з холодним навколишнім повітрям, що знижує загальну температуру повітря на виході Але, як відомо, сила тяги повітряного потоку при інших рівних умовах залежить від різниці температури або густини охолоджуючого повітря на вході та виході системи охолодження Найбільш близькою за технічною суттю до запропонованого винаходу є конструкція тиристорної шафи типу ПВЕ з природним повітряним охолодженням , наведеному в кн Г А Третьякова и др «Тепловой расчет мощных преобразователей с воздушным охлаждением», Энергоиздат, Москва, 1986 г, [Л 1], стор 5, 6, 7, 10-11 (див додаток), яка містить напівпровідникові прилади та індивідуальні охолоджувачі, які знаходяться з ними у тепловому контакті і встановлені у декілька вертикальних та горизонтальних рядів, а також перегородки, що направляють повітряний потік, встановлені поміж сусідніми охолоджувачами у кожному вертикальному ряді Така конструкція за рахунок направляючих перегородок забезпечує паралельне повітряне охолодження індивідуаль 00 со Ю 53181 них охолоджувачів та напівпровідникових приладів Недоліком такої конструкції є нерівномірність повітряного потоку через охолоджувачі, розташовані на різній висоті, що обумовлено різною висотою стовпа нагрітого повітря над охолоджувачами В результаті потік повітря через верхні охолоджувачі менший ніж через нижні Крім того в такій конструкції нагріте повітря після проходження через охолоджувачі змішується з холодним повітрям, яке надходить як знизу так і з боків, в результаті чого температура повітря на виході із шафи знижується і, ВІДПОВІДНО, знижується сила тяги охолоджувачів повітря для всіх охолоджувачів Розрахункове значення струму навантаження напівпровідникових приладів у такій конструкції через малу ефективність охолодження та нерівномірний розподіл повітряного потоку поміж охолоджувачами практично не перевищує 25% від номінального значення струму напівпровідникового приладу В основі винаходу поставлене завдання підвищення допустимого значення струмового навантаження силових напівпровідникових приладів, використовуємих в напівпровідникових перетворювачах з паралельним повітряним охолодженням Поставлене завдання досягається тим, що напівпровідниковий перетворювач, переважно з природним повітряним охолодженням, який містить напівпровідникові прилади та охолоджувачі, які знаходяться з ними у тепловому контакті, встановлені у вигляді вертикальних та горизонтальних рядів, які орієнтовані ребрами вздовж конвективного повітряного потоку та утворюють паралельну систему повітряного охолодження, а напівпровідникові прилади утворюють електричну схему перетворювача, обладнаний закритими знизу та з боків загальним каналом нагрітого повітря, який утворений з бокових сторін індивідуальними охолоджувачами з напівпровідниковими приладами та прилягаючими до них стінками, які охоплюють ці охолоджувачі, а також обладнаний витяжною камерою, розміщеною над каналом нагрітого повітря і яка є його продовженням Загальний вид варіантів напівпровідникових перетворювачів по запропонованому винаходу, показаний на наступних кресленнях Фіг 1 Напівпровідниковий перетворювач, вид з фасадної сторони, Фіг 2 Напівпровідниковий перетворювач, вид збоку по перетину А-А фіг 1, Фіг 3 Напівпровідниковий перетворювач, вид зверху по перетину Б-Б фіг 1, Фіг 4 Напівпровідниковий перетворювач, із каналом нагрітого повітря, що розширюється догори, вид збоку, Фіг 5 Напівпровідниковий перетворювач із розшируючою догори витяжною камерою, вид збоку, показаний частково, Фіг 6 Напівпровідниковий перетворювач без направляючих пластин, вид збоку Фіг 7 Напівпровідниковий перетворювач з охолоджувачами та приладами, встановленими з фасадної та задньої сторони, вид збоку Фіг 8 Пояснююча схема системи природнього повітряного охолодження напівпровідникового перетворювача На фіг 1 - 3 показаний основний варіант напівпровідникового перетворювача з природним повітряним охолодженням по запропонованому винаходу, який містить напвпровідникові прилади 1 та індивідуальні охолоджувачі 2, що перебувають з ними у тепловому контакті, встановленими в декілька вертикальних та горизонтальних рядів, і направляючі перегородки 3, встановлені поміж охолоджувачами Охолоджувачі розміщені в загальному каналі нагрітого повітря 4, утвореному з фронтальної сторони безпосередньо самими охолоджувачами, з боків прилежними до них боковими стінками 5 і задньою стінкою 6 Знизу канал нагрітого повітря закритий дном 7, розміщеним під нижнім охолоджувачем У верхній частині перетворювач забезпечений витяжною камерою 8, яка розміщується над верхнім охолоджувачем і є продовженням каналу нагрітого повітря 4 Охолоджувачі 2 ізольовані від несучої металевої конструкції перетворювача і встановлені, наприклад, на ІЗОЛЯЦІЙНИХ стояках 9 та бокових стінках 5, але можуть бути закріплені також на ізольованих шпильках або встановлені на ІЗОЛЯЦІЙНІЙ панелі Напівпровідникові прилади 1 з'єднані поміж собою, утворюючи електричну схему перетворювача, яка може бути різною і яка не входить до об'єму домагання запропонованого винаходу На Фіг 4 показаний варіант перетворювача із розширеним догори каналом нагрітого повітря 4, виконаного за рахунок нахилу задньої стінки Така конструкція допомагає рівномірному розподілу охолоджуючого повітря поміж охолоджувачами, встановленими на різній висоті, т щ при цьому із збільшенням висоти збільшується перетин канала нагрітого повітря і, ВІДПОВІДНО, зменшується величина аеродинамічного опору повітряному потоку, який проходить через верхні охолоджувачі Це призводить до збільшення потоку охолоджуючого повітря через верхні охолоджувачі Витяжна камера 8 може бути виконана рівномірним перетином, як показано на фіг 1 - 3, або розширеною догори як показано на Фіг 5 Направляючі перегородки 3 можуть бути відсутніми, як це показано на фіг 6 При цьому функцію направляючих перегородок приймають на себе ребра охолоджувачів, встановлених із нахилом відносно горизонтальної ВІСІ І орієнтованих охолоджуючими площинами паралельно потоку охолоджуючого повітря Конструкція перетворювача за цим винаходом може бути реалізована при встановленні напівпровідникових приладів та охолоджувачів як з одного боку, так і з двох, трьох або чотирьох боків На Фіг 1 показана конструкція перетворювача в якому напівпровідникові прилади та охолоджувачі встановлені з фасадної та задньої сторони В усякому разі конструкція повинна забезпечувати проходження охолоджуючого повітря тільки через охолоджувачі, викликаючи підсос холодного повітря через дно або бокові стінки Наявність закритої знизу та з боків камери нагрітого повітря створює систему паралельних каналів для проходження охолоджуючого повітря вздовж ребер охолоджувачів виключаючи потрапляння холодного повітря в камеру нагрітого повітря минаючи охо 53181 лоджувачі Напрям руху повітряних потоків на малюнках показаний стрілками При цьому в кожний охолоджувач з фронтального боку надходить холодне повітря, а з протилежного боку охолоджувача виходить нагріте повітря, яке прямує у закрити знизу та з боків загальний канал нагрітого повітря 4 Пояснювальна схема природнього повітряного охолодження перетворювача наведена на фіг 8, Де Нп - висота стовпа нагрітого повітря над "п"ним (будь-яким) охолоджувачем, ho- висота витяжної камери, hk - висота стовпа нагрітого повітря від "п"-ного охолоджувача до нижньої межі витяжної камери, h - повна висота вертикального ряду охолоджувачів Природний рух повітря через охолоджувачі (конвекція) з'являється під дією різниці статичного тиску холодного та нагрітого повітря (те саме що "сила тяги повітряного потоку"), яка для "п"-ного охолоджувача згідно Л 1 визначається по формулі ЛРп = g Hn(p0- Рвих), О) де ДРП - сила тяги повітряного потоку для "п"ного охолоджувача, Ро и рвих - густина холодного повітря на вході в охолоджувач та густина нагрітого повітря на виході каналу нагрітого повітря, ВІДПОВІДНО, g - прискорення вільного падіння, Нп - див пояснення вище Зважаючи на те, що Hn = hk + ho (див фіг 8), формулу (1) можна записати у вигляді двох складових ДРП = g hk(po - рвих) + g ho(po - рвих), (2) Визначим лр к = g hk(po- рвих), (3) АРо = g ho(po - Рвих), (4) Із формул (1), (2), (3), видно, що силу тяги повітряного потоку для будь-якого індивідуального охолоджувача можна представити як суму змінної величини сили тяги ДРк, обумовленої змінною висотою стовпа нагрітого повітря над розглядаємим охолоджувачем до нижньої межи витяжної камери -hk і постійної величини сили тяги ДРо, обумовленої фіксованою висотою стовпа нагрітого повітря у витяжній камері - ho При цьому змінна частина сили тяги ДРк для індивідуальних охолоджувачів, розташованих у нижній частині каналу нагрітого повітря, вища ніж для охолоджувачів, розташованих у верхній його частині, що обумовлює нерівномірний розподіл повітряного потоку поміж охолоджувачів, встановлених на різній висоті - потік повітря через верхні охолоджувачі менший ніж через нижні Постійна частина сили тяги ДРо не залежить від висоти розміщення охолоджувачів, але внаслідок різного аеродинамічного опору каналу нагрітого повітря 4 для охолоджувачів, встановлених на різній висоті, повітряний потік поміж охолоджувачів розподіляється нерівномірно, а саме - потік повітря через верхні охолоджувачі більший ніж через нижні Таким чином, наявність витяжної камери 8 за рахунок допоміжної постійної складової сили тяги ДРо збільшує інтенсивність охолодження та одночасно вирівнює розподіл потоку охолоджуючого повітря поміж охолоджувачами, розміщеними на різній висоті Як показують результати експериментів, для забезпечення задовільного розподілу охолоджуючого повітря через індивідуальні охолоджувачі, встановлені на різній висоті в загальному каналі нагрітого повітря, відношення висоти витяжної камери ho до повної висоти вертикального ряду охолоджувачів h повинно бути не менше 1 5 Перетворювач, виконаний згідно фіг 1 - 3, може бути додатково забезпечений витяжним вентилятором, встановленим у витяжній камері При цьому підвищується ефективність охолодження всіх напівпровідникових приладів при задовільному розподілі потоку повітря поміж індивідуальними охолоджувачами, встановленими в загальному каналі нагрітого повітря на різній висоті Запропонована конструкція силового напівпровідникового перетворювача дозволяє за рахунок підвищення інтенсивності природного повітряного охолодження та поліпшення розподілу повітряного потоку поміж охолоджувачів збільшити розрахункове значення струмового навантаження силових напівпровідникових приладів на ЗО - 50% у порівнянні із навантаженням цих приладів у відомих конструкціях 53181 ++ \ h L 1 \ I 2 1 5 7 п Фіг.1 7 Фіг.2 Фіг.4 33= 53181 10 і/ / li 4 *A X І Фіг.5 8 if' \ \ •'• I \ і J \ J і Фіг.7 Фіг.8 TOB "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24