RU2013898C1

RU2013898C1 - Device for heat removal from high-potential heat-loaded assemblies of radio electronic equipment

Info

Publication number: RU2013898C1
Authority: RU
Inventors: И.И. Лебедюк; Я.Д. Савчук; Т.В. Хастанова
Original assignee: Научно-исследовательский институт радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им.Н.Э.Баумана
Priority date: 1992-01-09
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1994-05-30

Abstract

FIELD: radio electronics. SUBSTANCE: device fir heat removal from high-potential heat-loaded assemblies of radio electronic equipment has electric insulating coolant bench made as pre-evacuated vertical heat pipe, thin walled dielectric case hermetically joined in top portion with grounded condenser-type heat exchanger and at its bottom filled with liquid coolant, high-potential heat-loaded component being placed in chamber. EFFECT: improved insulation resistance of coolant, reduced mass and size of insulating device, simplified design of cooling system as a whole. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к радиопередающим устройствам и может быть использовано в системах охлаждения импульсных модуляторов радиолокационных станций, при создании новых конструкций модуляторных ламп и других элементов радиоэлектронной аппаратуры большой мощности. The invention relates to radio transmitting devices and can be used in cooling systems for pulse modulators of radar stations, when creating new designs of modulator lamps and other elements of high-power electronic equipment.

Известны различные устройства теплоотвода от высокопотенциальных теплонагруженных узлов. В частности, известен силовой полупроводниковый блок с принудительным охлаждением, содержащий обдуваемый потоком воздуха теплообменник конденсационного типа, соединенный с геометрической емкостью, частично заполненный диэлектрической жидкостью, в которую погружены мощные таблеточные полупроводниковые приборы с теплоотводящими элементами, расположенными между ними [1] . В этом устройстве используется механизм теплоотвода тепла от полупроводниковых приборов, расположенных на изоляторах в диэлектрической жидкости, обладающей изоляционными свойствами. Диэлектрическая жидкость выполняет функцию теплоносителя и изолятора. Пар диэлектрической жидкости за счет высокой энергии парообразования обеспечивает низкое тепловое сопротивление на участке поверхность диэлектрической жидкости-внутренняя поверхность теплообменника конденсационного типа. В работе [2] описано дальнейшее усовершенствование силового полупроводникового блока путем заполнения внутренней полости теплоотводящих элементов теплоносителя с температурой кипения более высокой, чем температура кипения диэлектрической жидкости, где каждый теплоотводящий элемент выполнен в виде тепловой трубы. Недостатками обоих аналогов [1,2] является сложность замены высокопотенциальных устройств, погруженных в диэлектрическую жидкость. There are various devices for heat removal from high-potential heat-loaded nodes. In particular, a forced-cooled power semiconductor unit is known, comprising a condensation-type heat exchanger blown by an air stream, connected to a geometric capacity, partially filled with a dielectric fluid, into which powerful tablet semiconductor devices with heat-removing elements located between them are immersed [1]. This device uses a mechanism for heat removal of heat from semiconductor devices located on insulators in a dielectric fluid with insulating properties. Dielectric fluid acts as a coolant and insulator. The vapor of the dielectric fluid due to the high energy of vaporization provides low thermal resistance on the surface of the surface of the dielectric fluid-the inner surface of the condenser type heat exchanger. In [2], a further improvement of the power semiconductor block is described by filling the internal cavity of the heat-releasing elements of the coolant with a boiling point higher than the boiling point of the dielectric liquid, where each heat-removing element is made in the form of a heat pipe. The disadvantages of both analogues [1,2] is the difficulty of replacing high-potential devices immersed in a dielectric fluid.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту устройством теплоотвода является изолирующий двухконтурный стенд [5] , состоящий из длинных эластичных труб из диэлектрического материала, намотанных каждая на свой цилиндрический каркас, выполненный также из диэлектрического материала с высокими изолирующими свойствами, например, стеклопластика. Недостатками известного решения являются: большие габариты изолирующего стенда. Кроме того, вода во время эксплуатации может терять свои диэлектрические свойства (деградировать) вследствие взаимодействия с материалами трубопровода, действия бактерий, так как двухконтурная схема охлаждения, в которой внутренний контур охлаждения с малым объемом очень чистой воды и чистым водопроводом через теплообменник соединяется с внешним контуром, что приводит к усложнению системы охлаждения, а также увеличению массы и габаритов. The closest in technical essence to the claimed object heat removal device is an insulating double-circuit stand [5], consisting of long elastic pipes of dielectric material, each wound on its own cylindrical frame, also made of a dielectric material with high insulating properties, for example, fiberglass. The disadvantages of the known solutions are: large dimensions of the insulating stand. In addition, water during operation can lose its dielectric properties (degrade) due to interaction with pipeline materials, the action of bacteria, since there is a dual-circuit cooling circuit in which an internal cooling circuit with a small volume of very clean water and a clean water pipe is connected to an external circuit through a heat exchanger , which leads to a complication of the cooling system, as well as an increase in mass and dimensions.

Целью изобретения является повышение электрического сопротивления изоляции теплоносителя, снижение массы и габаритов изолирующего стенда, а также упрощение системы охлаждения в целом. The aim of the invention is to increase the electrical insulation resistance of the coolant, reducing the weight and dimensions of the insulating stand, as well as simplifying the cooling system as a whole.

Цель достигается тем, что изолирующий стенд выполнен в виде предварительно вакуумированной вертикально расположенной тепловой трубы, тонкостенный диэлектрический корпус которой герметично соединен в верхней части с заземленным теплообменником конденсационного типа, а в нижней, заполненной жидким теплоносителем части - с высокопотенциальным теплонагруженным узлом. Известны различные конструкции тепловых труб, в частности с корпусами, выполненными как из металла, так и из керамики и других материалов [6,7] . По своему назначению известно применение тепловых труб для переноса теплоты, трансформации тепловых потоков, терморегулирования, термостатирования. Использование тепловой трубы как изолирующего стенда в устройстве теплоотвода от высокопотенциальных теплонагруженных узлов из доступных авторам источников неизвестно и возможно благодаря удачному сочетанию высокой их электрической прочности и удельного сопротивления водяного пара, а также высокой псевдотеплопроводимости системы испаритель - паровой канал-теплообменник конденсационного типа, и поэтому предлагаемое устройство по мнению авторов удовлетворяет критерию "существенные отличия" и новизне. The goal is achieved in that the insulating stand is made in the form of a previously evacuated vertically positioned heat pipe, the thin-walled dielectric casing of which is hermetically connected in the upper part to a grounded condensing type heat exchanger, and in the lower part filled with liquid heat carrier, to a high-potential heat-loaded unit. There are various designs of heat pipes, in particular with housings made of both metal and ceramic and other materials [6,7]. According to its purpose, it is known to use heat pipes for transferring heat, transforming heat fluxes, temperature control, and temperature control. The use of a heat pipe as an insulating stand in a heat sink from high-potential heat-loaded units from sources available to the authors is unknown and is possible due to the successful combination of their high electric strength and specific resistance of water vapor, as well as high pseudo-heat conductivity of the evaporator-vapor channel-condenser type heat exchanger, and therefore the proposed According to the authors, the device meets the criterion of "significant differences" and novelty.

Промышленное применение устройства теплоотвода от высокопотенциальных теплонагруженных узлов радиоэлектронной аппаратуры обусловлено возможностью использования их в конструкциях модуляторных ламп импульсных радиопередатчиков и в конструкциях импульсных модуляторов. Industrial use of the heat sink device from high-potential heat-loaded components of electronic equipment is due to the possibility of using them in the designs of modulator lamps of pulsed radio transmitters and in the designs of pulsed modulators.

На фиг. 1 изображена схема системы охлаждения высокопотенциального теплонагруженного узла с изолирующим стендом; на фиг. 2 показан макет изолирующего стенда; на фиг. 3 показана схема электрических испытаний макета изолирующего стенда. In FIG. 1 shows a diagram of a cooling system of a high-potential heat-loaded unit with an insulating stand; in FIG. 2 shows a layout of an insulating stand; in FIG. 3 shows a diagram of electrical tests of a model of an insulating stand.

Система охлаждения высокопотенциального теплонагруженного узла с изолирующим стендом выполнена в виде тепловой трубы, которая состоит из вертикально расположенной герметичной полости, образованной герметичным соединением теплонагруженного узла 1, цилиндрического корпуса 2 из диэлектрика с высокими изолирующими свойствами, теплообменника 3 конденсационного типа, а также насоса 4 и внешнего теплообменника 5. Герметичная полость предварительно вакуумирована и частично залита водой, полностью покрывающей область теплонагруженного узла. В статике наступает момент, когда пар находится в равновесии со своей жидкостью, и это состояние для данной жидкости при данной температуре характеризуется давлением насыщенных паров. Устройство работает следующим образом. В динамическом режиме после включения источника нагрева, расположенного в высокопотенциальном теплонагруженном узле 1, равновесие нарушается и избыточный пар из испарительной зоны устремляется по паровому каналу 2 к холодному концу (теплообменнику 3), где давление насыщенного пара не изменилось. На холодном конце пар конденсируется, превращаясь в жидкость и отдавая тепло через теплообменник и систему охлаждения (насос 4 и внешний теплообменник 5) в окружающее пространство. Обратная транспортировка теплоносителя в испарительную зону теплонагруженного узла осуществляется с помощью гравитации. Количество отводимого тепла пропорционально массе теплоносителя и теплоте парообразования. Для воды значение измеренного осевого теплового потока составляет Р_z= 0,67 кВт/см² и поверхностного потока Р_s = 14,8 Вт/см² [6,7] . Эти данные приведены для материала стенок тепловой трубы - меди и никеля.The cooling system of a high-potential heat-loaded unit with an insulating stand is made in the form of a heat pipe, which consists of a vertically sealed cavity formed by a hermetic connection of a heat-loaded unit 1, a cylindrical body 2 made of a dielectric with high insulating properties, a heat exchanger 3 of the condensation type, as well as a pump 4 and an external heat exchanger 5. The pressurized cavity is pre-evacuated and partially filled with water, which completely covers the area of the heat-loaded unit . In statics, there comes a time when the vapor is in equilibrium with its liquid, and this state for a given liquid at a given temperature is characterized by the pressure of saturated vapor. The device operates as follows. In the dynamic mode, after switching on the heating source located in the high-potential heat-loaded unit 1, the equilibrium is violated and the excess steam from the evaporation zone rushes through the steam channel 2 to the cold end (heat exchanger 3), where the saturated vapor pressure has not changed. At the cold end, the steam condenses, turning into a liquid and transferring heat through the heat exchanger and cooling system (pump 4 and external heat exchanger 5) to the surrounding space. The return transportation of the coolant to the evaporation zone of the heat-loaded unit is carried out using gravity. The amount of heat removed is proportional to the mass of the coolant and the heat of vaporization. For water, the value of the measured axial heat flux is P _z = 0.67 kW / cm ² and the surface flux P _s = 14.8 W / cm ² [6,7]. These data are given for the material of the walls of the heat pipe - copper and nickel.

Для случая, когда цилиндрическая боковая поверхность корпуса тепловой трубы изготовлена из диэлектрика, например фторопласта, аналогичных данных не имеется. Однако можно предположить, что на порядок величины предельной плотности осевого теплового потока это обстоятельство не влияет и поэтому в наших расчетах мы будем использовать значение Р_z= 0,67 кВт/см².For the case when the cylindrical side surface of the heat pipe body is made of a dielectric, for example fluoroplastic, no similar data are available. However, we can assume that this circumstance does not affect the order of magnitude of the limiting density of the axial heat flux and therefore, in our calculations, we will use the value P _z = 0.67 kW / cm ² .

Приведенные выше размеры изолирующего стенда (диаметр 400 и высота 1000), служащего в качестве прототипа, относятся, например, к изолирующему стенду, анода модуляторных ламп ГМИ-18А или ГМИ-43А, на которых рассеивается средняя мощность порядка 20 кВт, что требует расхода воды в системе охлаждения 10. . . 20 л/мин. Данная мощность может быть отведена осевым потоком тепловой трубы, используемой в качестве изолирующего стенда, с площадью сечения и диаметром, равными соответственно
S = 30 см²; D = 60 мм
Принимая диаметр тепловой трубы изолирующего стенда D= 100 мм, имеем почти трехкратный запас по приводимому выше (П_z= 0,67 кВт/см²) значению осевого теплового потока П_z= 0,26 кВт/см², что согласуется с примером из [7] .The above dimensions of an insulating stand (diameter 400 and height 1000), which serves as a prototype, relate, for example, to an insulating stand, anode of GMI-18A or GMI-43A modulating lamps, on which an average power of about 20 kW is dissipated, which requires water consumption in the cooling system 10.. . 20 l / min This power can be diverted by the axial flow of the heat pipe used as an insulating stand, with a cross-sectional area and diameter equal respectively
S = 30 cm ² ; D = 60 mm
Taking the diameter of the heat pipe of the insulating stand D = 100 mm, we have an almost three-fold margin of the axial heat flux P _z = 0.26 kW / cm ² given above (P _z = 0.67 kW / cm ² ), which is consistent with the example from [7].

На фиг. 2 показан макет изолирующего стенда, состоящий из теплонагруженного элемента - электронагревателя 1, диэлектрической трубы 2, теплообменника 3 конденсационного типа. Диаметр диэлектрического корпуса из фторопласта составляет 100 мм и высота - 300 мм. В качестве теплонагруженного узла использовался погруженный в теплоноситель электронагреватель мощностью 1 кВт. Таким образом моделировался анодный узел модуляторной лампы. In FIG. 2 shows a model of an insulating stand, consisting of a heat-loaded element - an electric heater 1, a dielectric pipe 2, a heat exchanger 3 of a condensation type. The diameter of the dielectric housing made of PTFE is 100 mm and the height is 300 mm. An electric heater with a power of 1 kW immersed in a coolant was used as a heat-loaded unit. Thus, the anode assembly of the modulator lamp was simulated.

На фиг. 3 показана схема электрических испытаний макета изолирующего стенда, состоящая из теплонагруженного узла 1, диэлектрической трубы 2, теплообменника 3 конденсационного типа, насоса 4, внешнего теплообменника 5, вакуумметра (Па), киловольтметра (кВ), емкости С (0,4 мкФ), сопротивления утечки R, зарядного сопротивления R₂' (39 МОм), разделительного трансформатора Т. Электрические испытания состояли в измерении сопротивления утечки. Во время испытаний измерялись постоянные времени разряда конденсатора С = 0,4 мкФ, и через параллельно соединенные сопротивление изоляции изолирующего стенда R и зарядное сопротивление R₂' = 39 МОм, соединенное последовательно с сопротивлением изоляции R₂'' высоковольтного источника и через цепочку R₂= R₂'+R₂'' при отключенном от цепи конденсатора изолирующем стенде соответственно. Перед подачей высокого напряжения вторичная обмотка разделительного трансформатора теплоэлектронагревателя отключалась на время измерений. При этом давление в тепловой трубе измерялось манометром и в течение измерений оставалось практически постоянным. Из результатов измерений постоянных времени τ₁ = 620 с и τ₂ = 2205 с определено сопротивление изоляции, которое оказалось равным R= 2,156 109 Ом для изолирующего стенда с тепловой трубой высотой Н = 300 мм. Испытания проводились при напряжении, до которого заряжался конденсатор, U= 50 кВ. Давление, измеренное в верхней части тепловой трубы, составляло Р= 38 мм рт. ст. Изолирующий стенд предлагаемого устройства теплоотвода может быть рассмотрен как внутренний контур системы охлаждения. В самом деле, он имеет теплообменник конденсационного типа, малое количество двухфазного теплоносителя (жидкость, пар), а также механизм перемещения теплоносителя пара от испарителя к теплообменнику за счет силы Архимеда и жидкости от теплообменника к испарителю за счет силы гравитации. Таким образом, внутренний контур охлаждения имеет минимальные размеры и не содержит насоса, что является упрощением системы охлаждения в целом. Из вышесказанного видно, что в соответствии с поставленной целью достигается положительный эффект по всем характеристикам предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом и, следовательно, изобретение удовлетворяет критерию "положительный эффект".In FIG. 3 shows a circuit of electrical tests of a model of an insulating stand, consisting of a heat-loaded unit 1, a dielectric pipe 2, a condenser type heat exchanger 3, a pump 4, an external heat exchanger 5, a vacuum gauge (Pa), a kilovoltmeter (kV), and a capacitance C (0.4 μF), leakage resistance R, charging resistance R ₂ '(39 megohms), isolation transformer T. Electrical tests consisted in measuring the leakage resistance. During the tests, the capacitor discharge time constants C = 0.4 μF were measured, and through parallel-connected insulation resistance of the insulating stand R and charging resistance R ₂ '= 39 MΩ, connected in series with the insulation resistance R ₂ ''of the high-voltage source and through the chain R ₂ = R ₂ '+ R ₂ ''with an insulating stand disconnected from the capacitor circuit, respectively. Before applying high voltage, the secondary winding of the isolation transformer of the heat heater was turned off for the duration of the measurements. In this case, the pressure in the heat pipe was measured by a manometer and remained almost constant during the measurements. From the measurement results of the time constants τ ₁ = 620 s and τ ₂ = 2205 s, the insulation resistance was determined, which turned out to be equal to R = 2.156 109 Ohms for an insulating stand with a heat pipe height H = 300 mm. The tests were carried out at a voltage to which the capacitor was charged, U = 50 kV. The pressure measured in the upper part of the heat pipe was P = 38 mm Hg. Art. The insulating stand of the proposed heat sink device can be considered as an internal circuit of the cooling system. In fact, it has a condensation type heat exchanger, a small amount of a two-phase heat carrier (liquid, steam), as well as a mechanism for moving the heat carrier of steam from the evaporator to the heat exchanger due to the force of Archimedes and the liquid from the heat exchanger to the evaporator due to gravity. Thus, the internal cooling circuit is minimal in size and does not contain a pump, which is a simplification of the cooling system as a whole. From the foregoing, it can be seen that in accordance with the goal, a positive effect is achieved in all the characteristics of the invention in comparison with the prototype and, therefore, the invention meets the criterion of "positive effect".

В таблице приведены сравнительные характеристики изолирующего стенда для прототипа и предлагаемого изобретения, где М - масса; D - диаметр; Н - высота; R - сопротивление изоляции. (56) Авторское свидетельство СССР N 970515, кл. Н 01 L 23/34, 1980. The table shows the comparative characteristics of the insulating stand for the prototype and the present invention, where M is the mass; D is the diameter; H is the height; R is the insulation resistance. (56) Copyright certificate of the USSR N 970515, cl. H 01 L 23/34, 1980.

Авторское свидетельство СССР N 1129673, кл. Н 01 L 23/34, 1985. USSR author's certificate N 1129673, cl. H 01 L 23/34, 1985.

Выпрямитель ВТМ-200/70. VTM-200/70 rectifier.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Technical description and instruction manual.

Импульсный модулятор ИМ2-50/50. Pulse modulator IM2-50 / 50.

Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М. , НИИ "Титан". Technical description and instruction manual. M., Research Institute "Titan".

Модулятор импульсный широкодиапазонный на 2-х ГМИ-18А. (паспорт И066.0011 II). Техническое описание и инструкция по эксплуатации. г. Саратов-40. Wide-range pulse modulator on 2 GMI-18A. (passport I066.0011 II). Technical description and instruction manual. Saratov-40.

Гелль П. П. , Иванов-Есипович Н. К. . Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры. Gell P.P., Ivanov-Esipovich N.K. Design and microminiaturization of electronic equipment.

Преснухин Л. П. , Шахнов В. А. . Конструирование электронных вычислительных машин и систем. Presnukhin L.P., Shakhnov V.A. Design of electronic computers and systems.

Claims

DEVICE FOR DRAINING HEAT FROM HIGH POTENTIAL HEATED LOADED NODES OF RADIO ELECTRONIC EQUIPMENT, containing a chamber for accommodating heat-loaded nodes of electronic equipment, a heat exchanger electrically connected to a bus of zero potential, and an electrical insulating stand between the heat exchanger and the heat exchanger stand and a heat exchanger the fact that the camera for accommodating heat-loaded nodes of electronic equipment is located one heat exchanger on the same geometrical axis, the insulating coolant stand is made in the form of a pre-evacuated heat pipe with a thin-walled body made of dielectric material, and the heat exchanger is a condenser type, while the heat pipe is oriented with its longitudinal geometric axis along the geometrical axis of the chamber and heat exchanger relative to one the other and is hermetically connected with its thin-walled case on one side to the heat exchanger, and on the coolant side - with a camera, respectively.