RU2334378C1

RU2334378C1 - Device of cooling of elements of heat-removing electrical equipment

Info

Publication number: RU2334378C1
Application number: RU2007119508/09A
Authority: RU
Inventors: Азат Геннадьевич Коченков (RU); Азат Геннадьевич Коченков; Алексей Александрович Лопатин (RU); Алексей Александрович Лопатин; Алексей Валентинович Щелчков (RU); Алексей Валентинович Щелчков; Анатолий Борисович Яковлев (RU); Анатолий Борисович Яковлев; Вероника Игоревна Осипова (RU); Вероника Игоревна Осипова
Original assignee: Азат Геннадьевич Коченков; Алексей Александрович Лопатин; Алексей Валентинович Щелчков; Анатолий Борисович Яковлев; Вероника Игоревна Осипова
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-09-20

Abstract

FIELD: electricity, heating.

SUBSTANCE: as the edges with intensifiers can be, for example, holes, ledges, etc. In the lower part of the edges one is established, at least one annular deflector which divides the flow of cooling air on two parts. Part of the air washes the basic surface of edges, and other part goes on the adjusting platform executed in the form of a truncated cone with the cooled device established inside.

EFFECT: simplification of a design of the device and increase of its efficiency by an intensification of heat emission from edges to the coolant flow and the guarantee of a flow with the airflow of the entire heat-transmitting surface without formation of stagnant zones.

3 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for cooling semiconductor devices, and can be used in power electrical devices for cooling elements with high heat dissipation.

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.A device is known for cooling semiconductor devices (RF patent No. 2133561), comprising a radiator with fins forming its internal channels for passing a stream of cooled air pumped by a fan. The fan is hermetically attached to the radiator. Cooled semiconductor devices are mounted on the outer surface of the radiator. To create a turbulent flow of cooling air, dividers are installed at the radiator inlet. The disadvantage of this device is the design complexity, since to turbulize the flow of cooling air, it is necessary to install additional dividers. Dividers are installed at the entrance to the flow part of the radiator. As a result, as the distance from the dividers decreases, the turbulent pulsations of the flow decay and, as a result, the heat transfer decreases. The installation of dividers in the passage section of the channel leads to an increase in the hydraulic resistance of the tract, which leads to an increase in energy costs for pumping cooling air.

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.The closest in technical essence to the proposed invention is a cooler for power semiconductor devices (RF patent No. 1624566). The cooler contains two cases with installation sites for a semiconductor device, fins and turbulent inserts installed between them. The insert is made as follows: a series of slots are made in the plate, the sections between which are bent alternately in opposite directions. The disadvantage of this cooler is the design complexity, since it is necessary to put additional inserts between the ribs in order to turbulize the flow. The presence of inserts in the cross section between the ribs leads to a significant increase in the hydraulic resistance of the cooler.

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.The aim of the invention is to simplify the design of the device and increase its efficiency by intensifying heat transfer from the ribs to the cooling stream, reducing the hydraulic resistance of the air path and ensuring that the air flows around the entire heat transfer surface without forming stagnant zones.

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.In the proposed device for cooling elements of heat-generating electrical equipment, the goal is achieved by using fins with surface heat transfer intensifiers. The surface heat transfer enhancers are made in the form of holes and protrusions and are located on the ribs so that protrusions are formed on one side of the rib plane, forming holes on the other side of the plane of the rib. When such ribs are blown by a stream of air, the boundary layer in the roughness region is destroyed and turbulent eddies form, mixing the flow of cooling air. As a result, heat transfer increases in the area of unevenness. The absence of inserts in the intercostal space leads to a significant reduction in the hydraulic resistance of the device as a whole. When changing the direction of movement of the flow of cooling air, stagnant zones may appear in which the flow velocity tends to zero, and in these zones heat transfer between the surface and the surrounding air is practically absent. To prevent the formation of stagnant zones, optimize the flow around the base of the ribs and increase the area of the heat transfer surface, the use of ring baffles controlling the direction of air flow is proposed. For the same purpose, the outer surface of the installation site, to which the ribs are attached around the perimeter, is made in the form of a truncated cone.

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.A diagram of a cooling device for elements of a fuel electric equipment is shown in FIG. Figure 2 presents a section aa of figure 1. The cooled element 1, located on the board 2, is tightened through thermal grease into the installation pad 3 so that the entire heat-generating volume is inside the pad 3. Fins 4 are attached around the perimeter to the pad 3. The cooling fin is shown in FIG. 3. On the ribs on one side of the plane there are protrusions 5, forming on the other side of the plane the ribs of the hole 6. The holes 5 and the protrusions 6 serve as surface heat transfer intensifiers due to the turbulence of the flow and increase the surface area of the rib 4. On the ribs 4 is attached a body 7, which with ribs 4 forms the flow part of the device. The housing 7 does not completely cover the ribs, thereby providing air intake through the gap between the housing 7 and the board 2. The air is pumped through the flow part of the cooling device by a fan 8 installed in the upper part of the device. To prevent the formation of stagnant zones in the lower part of the device, the outer surface of the installation platform 3 is made in the form of a truncated cone, and at least one annular deflector 9 is installed between the housing 7 and the board 2, which directs part of the air flow to the lower part of the platform 3, located in a hydrodynamically unfavorable region. Also due to the deflector 9 increases the area of the heat transfer surface. The installation site 3, the ribs 4 and the deflector 9 are made of materials with a high coefficient of thermal conductivity.

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.A device for cooling elements of a fuel electric apparatus operates as follows. During operation of the cooled element 1, the generated heat is removed to the installation pad 3. Due to the shape of the truncated cone, the temperature field on the surface of the installation pad 3 is uniform. Further, heat from the platform 3 is transferred to the ribs 4. Between the housing 7 and the ribs 4 of the fan 8, cooling air is blown. When air flows around the ribs 4, a boundary layer forms on their surface. The greater the thickness of the boundary layer, the less heat transfer between the ribs and air. On the protrusions 5 and holes 6, the boundary layer is destroyed and turbulent vortices are formed, which contribute to intensive mixing of the air flow. In addition, the presence of holes and protrusions on the surface of the ribs leads to an increase in the area of the heat transfer surface. The result is the intensification of heat transfer between the ribs 4 and the air flow. Air is drawn into the device through a gap between the housing 7 and the board 2. In this gap, at least one annular deflector 9 is installed on the ribs, which divides the flow into two parts. Part of the air flow washes the main surface area of the ribs 4. Another part of the flow washes the area immediately near the conical surface of the installation pad 3. Thus, the presence of a deflector increases the area of the heat transfer surface and optimizes the flow of cooling air washing the ribs 4 and installation pad 3.

В сравнении с известными охладителями предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:In comparison with the known coolers, the proposed device has the following advantages:

1) упрощена конструкция устройства охлаждения за счет использования ребер с поверхностными интенсификаторами теплообмена (лунки и выступы) для отвода тепла и турбулизации потока охлаждающего воздуха;1) the design of the cooling device is simplified by using fins with surface heat transfer intensifiers (holes and protrusions) to remove heat and turbulize the flow of cooling air;

2) снижена величина гидравлического сопротивления устройства, так как проходное сечение между ребрами ничем не загромождено;2) the hydraulic resistance of the device is reduced, since the passage section between the ribs is not cluttered with anything;

3) лунки и выступы на поверхности ребер 4 и дефлектор 9 увеличивают площадь теплопередающей поверхности;3) the holes and protrusions on the surface of the ribs 4 and the deflector 9 increase the area of the heat transfer surface;

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.4) the annular deflector 9 divides the flow into two parts: part of the flow washes the main area of the ribs, and the other part is washed of the conical installation pad 3, which leads to optimization of the distribution of the cooling air flow between the base and the periphery of the ribs, and the maximum use of the area of the ribs for heat removal from refrigerated appliance.

Claims

1. A device for cooling elements of a heat-generating electric equipment, comprising a housing, a plateau, an installation pad with a cooled device, and ribs, characterized in that it is equipped with heat transfer intensifiers made in the form of protrusions and holes and located on the ribs, so that on one side of the rib plane protrusions are made, forming on the other side of the plane the ribs of the hole, and the ribs are attached to the outer surface of the installation site around the perimeter.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with at least one annular deflector mounted on the ribs between the housing and the board.

3. The device according to claim 1, characterized in that the outer surface of the installation site is made in the form of a truncated cone.