RU168761U1

RU168761U1 - Device for cooling secondary power supplies

Info

Publication number: RU168761U1
Application number: RU2016137355U
Authority: RU
Inventors: Юрий Юрьевич Колбас; Владимир Станиславович Новиков
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха"
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2017-02-17

Abstract

Использование: для охлаждения элементов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, в частности вторичных источников питания, размещенных внутри бортовых приборных блоков. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство содержит группу элементов Пельтье, соединенных в единую электрическую цепь, конвертер, вход которого соединен с выходом единой электрической цепи группы элементов Пельтье, в которой они включены последовательно и одни их одноименные стороны соединены с корпусом вторичного источника питания, а другие одноименные стороны соединены с теплопроводным корпусом приборного блока, который контактирует с внешней средой и в котором размещен вторичный источник питания, а также диод Шоттки, вход которого соединена с выходом конвертера, а выход - с клеммой первичной электрической цепи вторичного источника питания. Технический результат: обеспечение возможности расширения функциональных возможностей устройства. 1 ил.Usage: for cooling elements and blocks of electronic equipment, in particular secondary power sources located inside the on-board instrument blocks. The essence of the utility model lies in the fact that the device contains a group of Peltier elements connected to a single electric circuit, a converter whose input is connected to the output of a single electric circuit of a group of Peltier elements, in which they are connected in series and one of the same sides is connected to the housing of the secondary power source and other sides of the same name are connected to the heat-conducting housing of the instrument unit, which is in contact with the external environment and in which the secondary power source, as well as the Schottky diode, are placed and, the input of which is connected to the converter output, and the output - with the terminal of the primary electric circuit of the secondary power source. Effect: providing the possibility of expanding the functionality of the device. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области электроники и предназначено для охлаждения элементов и блоков радиоэлектронной аппаратуры, в частности, вторичных источников питания, размещенных внутри бортовых приборных блоков, имеющих существенные ограничения по имеющемуся в них свободному пространству.The utility model relates to the field of electronics and is intended for cooling elements and blocks of electronic equipment, in particular, secondary power sources located inside on-board instrument blocks, which have significant restrictions on the available space in them.

Известен теплоотвод [US 5213153, F28D 15/02, 25.05.1993], представляющий собой устройство из алюминиевого сплава для отвода тепла с использованием термоэлектрического элемента Пельтье, которое имеет форму куба и монтируется к охлаждаемому прибору нижней поверхностью, причем параллельно нижней установочной поверхности объем куба просверлен насквозь в нескольких местах по взаимно перпендикулярным направлениям, а для улучшения воздушной вентиляции устройства сквозные отверстия сообщаются с вертикальными отверстиями, выходящими на верхнюю поверхность куба, при этом одновременно в объем куба введены тепловые трубки, заполненных на 15-18% от своего объема рабочей охлаждающей жидкостью.Known heat sink [US 5213153, F28D 15/02, 05/25/1993], which is a device made of aluminum alloy for heat dissipation using a Peltier thermoelectric element, which has the shape of a cube and is mounted to the cooled device with a lower surface, and the volume of the cube parallel to the lower mounting surface drilled through in several places in mutually perpendicular directions, and to improve air ventilation of the device through holes communicate with vertical holes facing the upper surface cube, while at the same time heat pipes are introduced into the cube volume, filled with 15-18% of its volume with working coolant.

Основными недостатками устройства являются относительно высокая сложность и относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно не обеспечивает выработку полезной энергии на основе преобразования тепловой энергии в электрическую и требует теплового контакта внешней стороны элементов Пельтье с окружающей средой.The main disadvantages of the device are the relatively high complexity and relatively narrow functionality, since it does not provide useful energy based on the conversion of thermal energy into electrical energy and requires thermal contact of the external side of the Peltier elements with the environment.

Известно также устройство [US 5457342, H01L 23/02, 10.10.1995], в котором на охлаждаемую интегральную схему, размещенную в керамическом корпусе, наклеивается алюминиевый теплорассекатель, а на него - охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье, причем на верхнюю горячую поверхность охлаждающего блока присоединяется радиатор, к которому привинчивается вентилятор, а для сборки устройства применяется теплопроводящая адгезионная пленка.A device is also known [US 5457342, H01L 23/02, 10/10/1995], in which an aluminum heat dissipator is glued to a cooled integrated circuit located in a ceramic case, and a cooling semiconductor block using the Peltier effect is glued to it, and on the upper hot surface a cooling unit is attached to a radiator, to which a fan is screwed, and a heat-conducting adhesive film is used to assemble the device.

Недостатками устройства являются относительно низкая эффективность теплоотвода из-за использования промежуточной адгезионной пленки, а также относительно высокая сложность использования конструкции в малогабаритной герметичной аппаратуре, вызванная использованием радиатора и вентилятора.The disadvantages of the device are the relatively low efficiency of heat dissipation due to the use of an intermediate adhesive film, as well as the relatively high complexity of using the structure in small-sized sealed equipment caused by the use of a radiator and a fan.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство охлаждения интегральных микросхем [RU 2528392, C1, H01L 23/38, H01L 23/373, 20.09.2014], основанное на использовании эффекта Пельтье, в котором на интегральную микросхему в керамическом корпусе наклеивается алюминиевый теплорассекатель, а на него - охлаждающий полупроводниковый блок, использующий эффект Пельтье, причем основание корпуса интегральной микросхемы является одновременно верхним теплопереходом охлаждающего полупроводникового блока, при этом пайка кристаллов к подложке, подложки с основанием корпуса, верхнего теплоперехода с одной поверхностью полупроводниковых ветвей p- и n-типа происходит при температуре на 20-25°С ниже температуры пайки другой поверхности полупроводниковых ветвей к нижнему теплопереходу, полупроводниковые ветви размещены между теплопереходами таким образом, что все горячие поверхности контактируют с одним теплопереходом, а все холодные - с противоположным и с помощью металлизации соединены в единую электрическую цепь, которая подключена к источнику питания, для контроля температуры корпуса интегральной микросхемы к нему крепится термопара, а для стабилизации температуры (нагрева или охлаждения) термопара соединена с блоком переключения полярности источника питания.The closest in technical essence to the claimed utility model is a cooling device for integrated circuits [RU 2528392, C1, H01L 23/38, H01L 23/373, 09/20/2014], based on the use of the Peltier effect, in which it is glued to an integrated microcircuit in a ceramic case aluminum heat dissipator, and on it - a cooling semiconductor block using the Peltier effect, the base of the housing of the integrated circuit is simultaneously the upper heat transfer of the cooling semiconductor block, while soldering crista lows to the substrate, the substrate with the base of the case, the upper heat transfer with one surface of the p- and n-type semiconductor branches occurs at a temperature of 20-25 ° C below the soldering temperature of the other surface of the semiconductor branches to the lower heat transfer, the semiconductor branches are placed between the heat transfers in such a way that all hot surfaces come in contact with one heat transfer, and all cold surfaces with the opposite and with the help of metallization are connected into a single electric circuit that is connected to a power source, for Proportion temperature of the integrated circuit housing the thermocouple attached thereto, and to stabilize the temperature (heating or cooling) of the thermocouple is connected to the power source polarity switching unit.

Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности. В частности, при использовании в качестве интегральной микросхемы вторичного источника питания не обеспечивается, наряду с охлаждением, преобразование тепловой энергии в электрическую и ее подача в первичную цепь вторичного источника питания. Это снижает эффективность использования устройства охлаждения.The disadvantage of this device is the relatively narrow functionality. In particular, when using a secondary power source as an integrated circuit, along with cooling, the conversion of thermal energy into electrical energy and its supply to the primary circuit of a secondary power source is not ensured. This reduces the efficiency of using the cooling device.

Задача, на решение которой направлено заявленная полезная модель, это создание устройства для охлаждения вторичных источников питания, которое дополнительно с отводом тепла от него осуществляет преобразование тепловой энергии в электрическую и ее подачу в первичную цепь вторичного источника питания.The problem to which the claimed utility model is directed is the creation of a device for cooling secondary power sources, which additionally converts heat energy into electrical energy and transfers it to the primary circuit of the secondary power source with the removal of heat from it.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства.The required technical result is to expand the functionality of the device.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее группу элементов Пельтье, соединенных в единую электрическую цепь, согласно полезной модели, введены конвертер, вход которого соединен с выходом единой электрической цепи группы элементов Пельтье, в которой они включены последовательно и одни их одноименные стороны соединены с корпусом вторичного источника питания, а другие одноименные стороны соединены с теплопроводным корпусом приборного блока, который контактирует с внешней средой и в котором размещен вторичный источник питания, а также диод Шоттки, вход которого соединен с выходом конвертера, а выход - с клеммой первичной электрической цепи вторичного источника питания.The problem is solved, and the desired technical result is achieved by the fact that in the device containing a group of Peltier elements connected to a single electric circuit, according to a utility model, a converter is introduced, the input of which is connected to the output of a single electric circuit of a group of Peltier elements, in which they are connected in series and some of their namesake sides are connected to the housing of the secondary power source, and other sides of the same name are connected to the heat-conducting housing of the instrument unit, which is in contact with the external medium and in which the secondary power source is located, as well as the Schottky diode, the input of which is connected to the converter output, and the output - with the terminal of the primary electric circuit of the secondary power source.

На чертеже представлена функциональная схема устройства для охлаждения вторичных источников питания совместно с вторичным источником питания и фрагментом корпуса приборного блока.The drawing shows a functional diagram of a device for cooling secondary power sources together with a secondary power source and a fragment of the housing of the instrument unit.

Устройство для охлаждения вторичных источников питания содержит группу элементов 1 Пельтье, соединенных в единую электрическую цепь, конвертер 2, вход которого соединен с выходом единой электрической цепи группы элементов 1 Пельтье, в которой они включены последовательно и одни их одноименные стороны соединены с корпусом 3 вторичного источника питания, а другие одноименные стороны соединены с теплопроводным корпусом 4 приборного блока, который контактирует с внешней средой и в котором размещен вторичный источник питания, а также диод 5 Шоттки, вход которого соединен с выходом конвертера 2, а выход - с клеммой первичной электрической цепи вторичного источника питания.A device for cooling secondary power supplies contains a group of Peltier elements 1 connected to a single electric circuit, a converter 2, the input of which is connected to the output of a single electric circuit of a Peltier group of elements 1, in which they are connected in series and one of their same sides is connected to the housing 3 of the secondary source power supply, and other sides of the same name are connected to the heat-conducting housing 4 of the instrument unit, which is in contact with the external environment and in which the secondary power source is located, as well as a 5 W diode ttki having an input connected to the output of the converter 2, and output - with a terminal of the primary circuit of the secondary power source.

Работает устройство для охлаждения вторичных источников питания следующим образом.A device for cooling secondary power sources as follows.

Известны вторичные источники питания (ВИП) для бортовой радиоаппаратуры. Одно из основных требований к ним - это малый габарит и работа при повышенной температуре. Обычно корпуса ВИП имеют температуру на 30°С выше относительно температуры окружающей среды. При этом они не имеют теплового контакта с другими конструктивными элементами, т.е. сброс тепла для охлаждения ВИП и его утилизация затруднена. Предлагается использовать термоэлектрический генератор, работающий на разнице температур корпуса ВИП и корпуса приборного блока, который контактирует с окружающей средой. В качестве термоэлектрического генератора может быть использовано последовательное соединение элементов Пельтье, а вырабатываемую им электрическую энергию подать в первичную цепь ВИП. В результате охлаждается ВИП и повышается его к.п.д.Known secondary power sources (VIP) for on-board radio equipment. One of the main requirements for them is a small size and work at elevated temperatures. Typically, VIP enclosures have a temperature 30 ° C higher than the ambient temperature. Moreover, they do not have thermal contact with other structural elements, i.e. heat dissipation for cooling the VIP and its utilization is difficult. It is proposed to use a thermoelectric generator operating on the temperature difference between the VIP housing and the instrument housing, which is in contact with the environment. As a thermoelectric generator, a serial connection of Peltier elements can be used, and the electrical energy generated by it can be fed into the primary circuit of the VIP. As a result, the VIP is cooled and its efficiency is increased.

Элементы 1 Пельтье устанавливаются в наиболее нагретом месте корпуса 3 ВИПа. Одни их одноименные стороны соединены с корпусом 3 вторичного источника питания, а другие одноименные стороны соединены с теплопроводным корпусом 4 приборного блока, который контактирует с внешней средой.Elements 1 Peltier are installed in the most heated place of the hull 3 VIP. Some of their namesake sides are connected to the casing 3 of the secondary power source, and other sides of the same name are connected to the heat-conducting casing 4 of the instrument unit, which is in contact with the external environment.

Каждый элемент 1 Пельтье вырабатывает напряжение 30 мВ, ток 0,1 А. Соединяются последовательно 100 элементов Пельтье, чтобы получить 3 В, которые преобразуются конвертером 2 в 27 В и через диод 5 Шоттки подаются в первичную цепь ВИП. Для стандартного ВИПа мощность потребления по первичной цепи 30 Вт, потери 25%, т.е. в тепло идет 7,5 Вт. От элементов Пельтье получаем 3 Вт, КПД конвертера 2 составляет 75%, т.е. в первичную цепь возвращается +24 В, 2,5 Вт. Следовательно, температура корпуса ВИП снизится на 30%. Чем мощнее ВИП и больший перегрев держат его элементы (как правило до 85 …105°С), тем большую мощность выработают элементы Пельтье и большее будет относительное охлаждение ВИП.Each Peltier element 1 produces a voltage of 30 mV, a current of 0.1 A. 100 Peltier elements are connected in series to obtain 3 V, which are converted by a 2 to 27 V converter and fed through the 5 Schottky diode to the primary VIP circuit. For a standard VIP, the primary power consumption is 30 W, the loss is 25%, i.e. 7.5 watts goes into heat. From the Peltier elements we get 3 W, the efficiency of Converter 2 is 75%, i.e. +24 V, 2.5 W returns to the primary circuit. Consequently, the temperature of the VIP housing will decrease by 30%. The more powerful the VIP and the more overheating its elements hold (usually up to 85 ... 105 ° C), the more power the Peltier elements will generate and the greater the relative cooling of the VIP.

Таким образом, благодаря усовершенствованию устройства для охлаждения вторичных источников питания достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей, поскольку создано устройство для охлаждения вторичных источников питания, которое дополнительно с отводом тепла осуществляет и преобразование тепловой энергии в электрическую и ее подачу в первичную цепь вторичного источника питания. Это повышает эффективность использования устройства охлаждения.Thus, due to the improvement of the device for cooling secondary power sources, the required technical result is achieved, which consists in expanding the functionality, since a device for cooling secondary power sources is created, which additionally converts heat energy into electrical energy and transfers it to the primary secondary circuit with heat removal power source. This improves the efficiency of using the cooling device.

Claims

A device for cooling secondary power supplies, containing a group of Peltier elements connected to a single electric circuit, characterized in that a converter is introduced, the input of which is connected to the output of a single electric circuit of a group of Peltier elements, in which they are connected in series and one of the same side is connected to a secondary power supply housing, and other sides of the same name are connected to a heat-conducting housing of the instrument unit, which is in contact with the external environment and in which the secondary source is located power supply, as well as a Schottky diode, the input of which is connected to the converter output, and the output - with the terminal of the primary electric circuit of the secondary power source.