RU2801245C1 - Устройство жидкостного охлаждения термоэлектрогенератора - Google Patents
Устройство жидкостного охлаждения термоэлектрогенератора Download PDFInfo
- Publication number
- RU2801245C1 RU2801245C1 RU2022128252A RU2022128252A RU2801245C1 RU 2801245 C1 RU2801245 C1 RU 2801245C1 RU 2022128252 A RU2022128252 A RU 2022128252A RU 2022128252 A RU2022128252 A RU 2022128252A RU 2801245 C1 RU2801245 C1 RU 2801245C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cuvette
- sides
- plate
- cooling
- branch pipe
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к средствам, улучшающим охлаждение силовых полупроводниковых элементов, преимущественно к полупроводниковым термоэлектрогенераторам, основанным на эффекте Пельтье, и может использоваться при получении электроэнергии в автономных условиях. Технический результат - повышение располагаемой мощности, а также повышение эксплуатационной надежности за счет снижения риска перегрева отдельных элементов. Технический результат достигается тем, что устройство жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых элементов содержит прямоугольную кювету, представленную контактирующей с полупроводниковой структурой охлаждаемой пластиной с бортами и с крышкой. Через крышку в кювету проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости, выполненные в виде соосных патрубков. Первый патрубок установлен по центру крышки и снабжен боковым отводом и концевой заглушкой, сквозь которую внутрь кюветы проведен второй патрубок до уровня половины высоты бортов. На конце второго патрубка перпендикулярно ему установлен направляющий элемент, выполненный в виде пластины, повторяющей по форме внутренний контур кюветы и имеющей зазор с ее бортами. На средних частях боковых сторон пластины выполнены уширения контура, отогнутые в сторону охлаждаемой пластины. 3 ил.
Description
Изобретение относится к средствам, улучшающим охлаждение силовых полупроводниковых элементов, преимущественно к полупроводниковым термоэлектрогенераторам, основанным на эффекте Пельтье, и может использоваться при получении электроэнергии в автономных условиях.
Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) все более широко применяются для выработки электричества в отдаленных от линии электропередач (ЛЭП) местах, особенно для необслуживаемого оборудования, где предпочтителен минимум движущихся энергонапряженных узлов. Несмотря на низкий по сравнению с поршневыми и турбинными генераторами КПД, термоэлектрогенераторы существенно превосходят их по надежности и по времени автономной работы. По рабочим температурам и протекающим токам они относятся к силовым полупроводниковым элементам.
Известен ряд термоэлектрогенераторов, основу конструкции которых составляют сборки элементов Пельтье, выпускаемых российскими и зарубежными производителями. Содержательный обзор на эту тему представлен в публикации ведущего российского производителя - компании «Криотерм» [https://static.chipdip.ru/lib/386/DOC001386708.pdf].
Наиболее популярны элементы Пельтье на основе теллурида висмута, не требующие экстремальных рабочих температур и обладающие умеренным КПД. Элементы Пельтье обычно содержат 127 или 199 кубиков полупроводника р и n проводимости, размещенные между керамическими пластинами с нанесенными электродами. Выходное напряжение элемента в первой степени приближения пропорционально разности температур холодной и горячей пластин, соответственно выходная мощность элемента в первой степени приближения пропорциональна квадрату разности температур. Однако в реальности ЭДС полупроводника нелинейно зависит от температуры. На фиг. 1 приведен график зависимости выходного напряжения экспериментального термоэлектрогенератора от температуры. Из графика можно видеть, что в диапазоне от комнатных температур до максимальных рабочих температур термоэлемента (порядка 200°С для теллурида висмута) крутизна зависимости ЭДС от температуры уменьшается в 3 раза. Это обстоятельство свидетельствует о том, что для достижения максимальной мощности желательно не столько повышать эффективность нагрева горячей стороны термоэлемента, сколько повышать эффективность охлаждения его холодной стороны. Вместе с тем, остается актуальной тенденция поддерживать температуру горячей стороны на максимально возможном уровне.
Типичный термоэлектрогенератор содержит батарею термоэлектрических модулей, помещенных между нагреваемой пластиной и охлаждаемой пластиной. Охлаждение производится, как правило, жидкостным охладителем, отводящим поток тепла к радиатору с развитой поверхностью. Воздушные охладители, как указано в публикации [«Общие вопросы охлаждения радиоаппаратуры. Проблема охлаждения» - https://vuzlit.com/2213826/obschie_voprosy_ohlazhdeniya_radioapparatury?ysclid=14z9gdjqza6 08591215], в десятки раз уступают по эффективности жидкостным охладителям. На втором месте по эффективности находятся тепловые трубы. Сравнительные оценки эффективности систем охлаждения на тепловых трубах и активных жидкостных охладителей приводятся в статье [А. Колпаков. Охлаждение в системах высокой мощности // Силовая электроника, №3, 2010, с. 62-66]. В частности, отмечается, что увеличением скорости прокачки можно существенно увеличивать интенсивность отвода тепла. Тепловые трубы привлекательны удобством переноса потока тепла в удобное для размещения радиатора место. Вместе с тем, относительно большие уровни мощности, отводимой от современных термоэлектрогенераторов, вступают в противоречие с возможностями тепловых труб, которые по необходимости приходится выполнять с относительно большим сечением. При этом в массиве металла (чаще всего алюминия), заключающем в себе трубы, создаются заметные градиенты температуры, снижающие эффективность функционирования термоэлектрогенератора. Указанные градиенты могут считаться некритичными для общераспространенных полупроводниковых элементов, однако для термоэлектрогенераторов, функционирующих преимущественно при температурах, близких к предельно допустимым, играют решающую роль. В тех участках охлаждаемой поверхности термоэлементов, где эффективность отвода тепла снижена, противолежащие участки нагреваемой поверхности подвергаются перегреву. Поскольку контроль температуры нагреваемой поверхности производится в локальных точках, существует опасность перегрева в неконтролируемых участках с другой локализацией. В связи с этим наиболее мощные термобатареи нуждаются в системах с прокачкой охлаждающей жидкости в относительно более тонких канальных структурах, для которых проблема температурных градиентов снижается пропорционально сечению.
В технике жидкостного охлаждения полупроводниковых элементов массово представлены устройства для охлаждения мощных полупроводниковых элементов в силовой электронике, а также для охлаждения компьютерных процессоров и видеокарт, характеризующихся большим тепловыделением на единицу площади. Известен ряд устройств, содержащих прилегающую к охлаждаемой поверхности кювету с жидкостью, прокачиваемой с помощью помпы через радиатор, например, как в источнике [Жидкостная система охлаждения мощного электронного компонента, RU 73765 U1]. Размеры охлаждаемой площадки для компьютерных чипов обычно составляют 40×40 мм, что не создает особых затруднений с обеспечением равномерности охлаждения поверхности. Тем не менее, в них приходится предусматривать элементы турбуляризации потока жидкости и равномерного направления ее ко всем участкам охлаждаемой поверхности. В качестве турбуляризаторов часто используют помещаемые в кювету проволочные спирали. Проблема равномерности усложняется при совместном размещении в термоэлектрогенераторе нескольких элементов, например, 6, 8 и т.д. Площадь, на которой требуется создать равномерное охлаждение, соответственно увеличивается, что требует специальной проработки конфигурации структур, направляющих поток жидкости к периферийным участкам охлаждаемой поверхности.
Среди близких аналогов предлагаемого изобретения известно находящееся в массовой продаже устройство жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых элементов, доступное, например, по ссылке [Блок водяного охлаждения G14 GPU универсальный http://lyvi.ru/p-4001122089637], содержащее прямоугольную кювету, представленную контактирующей с полупроводниковой структурой охлаждаемой пластиной с бортами и с крышкой, в которую проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости. Под крышкой, на ее внутренней стороне, расположен направляющий элемент для равномерного распределения потока жидкости. Направляющий элемент представляет собой выступ на крышке, замедляющий прямой поток жидкости между каналами и отклоняющий его к периферии кюветы. Ряд проведенных экспериментов показал, что типичные конфигурации направляющих элементов, подобные данному аналогу, принятому за прототип, не обеспечивают достаточной равномерности распределения температуры между тепловыделяющими элементами. Существует ряд конфигураций радиаторов с протеканием охлаждающей жидкости по меандру, спирали, по системе параллельных каналов или в калиброванном плоском канале, как в вышеупомянутом патенте [RU 73765 U1]. Их общим недостатком является постепенный нагрев и соответствующее снижение охлаждающей способности жидкости по мере ее протекания по каналу, что так или иначе создает нежелательный градиент температуры на охлаждаемой поверхности. Очевидное и тривиальное решение, состоит в увеличении количества и скорости прокачиваемой жидкости, при этом удается несколько интенсифицировать отвод тепла. Однако это решение неприемлемо в ситуации с термоэлектрогенераторами, поскольку недопустимо тратить на охлаждение существенную часть генерируемой мощности. Между тем, физика работы термоэлектрогенераторов такова, что градиент всего лишь в несколько градусов сопровождается дефицитом располагаемой мощности порядка 10%. Если пытаться повышать температуру горячей стороны до компенсации указанного дефицита, неизбежно произойдет перегрев отдельных элементов, сопровождаемый преждевременным выходом их из строя.
Задача изобретения состоит в снижении неблагоприятного эффекта дефицита мощности, обусловленного неравномерностью распределения температуры по охлаждаемой поверхности силовых полупроводниковых элементов, в особенности термоэлектрогенераторов.
Технический результат состоит в повышении располагаемой мощности, а также в повышении эксплуатационной надежности за счет снижения риска перегрева отдельных элементов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых элементов, содержащем прямоугольную кювету, представленную контактирующей с полупроводниковой структурой охлаждаемой пластиной с бортами и с крышкой, в которую проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости, причем под крышкой расположен направляющий элемент для равномерного распределения потока жидкости, отличие состоит в том, что каналы ввода и вывода выполнены в виде соосных патрубков, первый патрубок установлен по центру крышки и снабжен боковым отводом и концевой заглушкой, сквозь которую внутрь кюветы проведен второй патрубок до уровня половины высоты бортов, при этом направляющий элемент выполнен в виде установленной на конце второго патрубка перпендикулярной ему направляющей пластины, повторяющей по форме внутренний контур кюветы и имеющей зазор с ее бортами, а на средних частях боковых сторон направляющей пластины выполнены уширения, отогнутые в сторону охлаждаемой пластины.
Изобретение поясняется иллюстрациями фиг. 1-3. На фиг. 1 приведена зависимость выходного напряжения термоэлектрогенератора от температуры. На фиг. 2 показано расположение составных частей устройства. На фиг. 3 показано расположение направляющей пластины в кювете.
Устройство жидкостного охлаждения силовых полупроводниковых элементов, показанное на фиг. 2, содержит прямоугольную кювету, образованную охлаждаемой пластиной 1, контактирующей с силовыми полупроводниковыми элементами термоэлектрогенератора 2, бортами 3 и крышкой 4. В кювету проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости, выполненные в виде соосных патрубков 5 и 6. Первый патрубок 5 установлен по центру крышки 4 и снабжен боковым отводом 7 и заглушкой 8. Сквозь заглушку 8 внутрь кюветы проведен второй патрубок 6, заканчивающийся на уровне половины высоты бортов 3. Под крышкой 4 расположен направляющий элемент для равномерного распределения потока жидкости, выполненный в виде установленной на конце второго патрубка 6 перпендикулярной ему пластины 9. Направляющая пластина 9, как показано на фиг. 3, повторяет по форме внутренний контур кюветы и отделена от бортов 3 зазором 10. На средних частях боковых сторон пластины 9, как показано на фиг. 3, выполнены боковые уширения контура 11, отогнутые в сторону охлаждаемой пластины 1. Направление циркуляции жидкости условно показано стрелками.
Устройство работает следующим образом. В процессе работы силовых полупроводниковых элементов термоэлектрогенератора на охлаждаемую пластину 1 поступает поток тепла, подлежащего отведению. Тепло, благодаря теплопроводности пластины 1, передается потоку жидкости, прокачиваемой по траектории: боковой отвод 7, первый патрубок 5, пространство между крышкой 4 и направляющей пластиной 9, боковой зазор 10, пространство между направляющей пластиной 9 и охлаждаемой пластиной 1, второй патрубок 6. Вне устройства жидкость из патрубка 6 направляется во внешний охладитель (радиатор), после чего возвращается в боковой отвод 7 первого патрубка 5. Циркуляция жидкости обеспечивается помпой.
Радиальное течение жидкости обеспечивает угловую равномерность охлаждения. Расположение направляющей пластины 9 на уровне середины высоты бортов 3 кюветы обеспечивает равенство напоров в промежутках выше и ниже пластины, минимизируя общее гидродинамическое сопротивление. По мере продвижения жидкость поглощает передаваемое охлаждаемой пластиной 1 тепло с интенсивностью, зависящей от перепада температур и скорости потока. С приближением к центру кюветы жидкость нагревается, и перепад температур уменьшается. В то же время с продвижением к центру кюветы сечение радиально сходящегося потока уменьшается, а скорость соответственно увеличивается, благодаря чему увеличивается интенсивность теплообмена. В результате происходит радиальное выравнивание скорости отвода тепла от различных участков пластины. Угловое и радиальное выравнивание скорости отвода тепла обеспечивает решение задачи изобретения. В соответствии с достигаемой равномерностью отвода тепла от охлаждаемой пластины 1 и контактирующих с ней силовых полупроводниковых элементов термоэлектрогенератора 2 удается снизить риск локальных перегревов при работе устройства в области максимально допустимых температур, а следовательно, повысить располагаемую мощность при сохранении высокой эксплуатационной надежности.
Конкретные соотношения размеров определяются конкретной конфигурацией кюветы, количеством и расположением генерирующих модулей. Вне зависимости от конкретики заявленное техническое решение обеспечивает возможность направления потока за счет отогнутых боковых уширений контура 11 к наименее омываемым жидкостью угловым областям крайних термоэлементов, а также возможность углового выравнивания скоростей подбором профиля отогнутых боковых участков отгибов.
Следует отметить неравнозначность направления потока охлаждающей жидкости. Техническим решением предусмотрена подача жидкости по первому патрубку 5. В этом случае первоочередный отвод тепла происходит на периферии, температура жидкости увеличивается. Вместе с тем по мере приближения к центру кюветы увеличивается скорость потока и тем самым скорость отвода тепла, несмотря на повышенную температуру. В результате распределение температуры по поверхности охлаждающей пластины остается в целом равномерным, что и позволяет с меньшим риском приближаться к верхнему пределу рабочей температуры. Если предположить ввод жидкости по центральному второму патрубку 6, то в этом случае наибольший отбор тепла происходит из центральной области, в то время как периферийные области, куда жидкость поступает с уже повышенной температурой и с меньшей скоростью, перегреваются. Таким образом, вариант подачи охлаждающей жидкости по центральному патрубку 6 следует считать неактуальным.
Пример реализации. Экспериментально исследована кювета для охлаждения четырех термоэлектрогенераторных модулей, расположенных рядами 2×2. Предварительно модули были испытаны по отдельности, показав разброс генерируемого напряжения в пределах ±3%, вполне объяснимых разбросом индивидуальных характеристик. При осуществлении охлаждения по принципу прототипа разброс напряжений между элементами достигал ±15%, что в условиях протекания через элементы одного и того же тока соответствует такому же разбросу по мощности, а также в первом приближении по температуре. Таким образом, в четверке модулей присутствовали как перегретые, так и переохлажденные модули. При осуществлении охлаждения в устройстве, выполненном в соответствии с заявляемым техническим решением, разброс напряжений был снижен до ±5%, то есть существенно приблизился к индивидуальному разбросу 3%. Соответственно степень перегрева отдельных элементов относительно среднего уровня в заявляемом устройстве значительно снижается. Это позволяет повысить среднюю рабочую температуру и связанную с ней располагаемую мощность без риска выхода из строя перегретых элементов.
Claims (1)
- Устройство жидкостного охлаждения термоэлектрогенератора, содержащее прямоугольную кювету, представленную контактирующей с полупроводниковой структурой охлаждаемой пластиной с бортами и с крышкой, в которую проведены каналы ввода и вывода охлаждающей жидкости, причем под крышкой расположен направляющий элемент для равномерного распределения потока жидкости, отличающееся тем, что каналы ввода и вывода выполнены в виде соосных патрубков, первый патрубок установлен по центру крышки и снабжен боковым отводом и концевой заглушкой, сквозь которую внутрь кюветы проведен второй патрубок до уровня половины высоты бортов, при этом направляющий элемент выполнен в виде установленной на конце второго патрубка перпендикулярной ему направляющей пластины, повторяющей по форме внутренний контур кюветы и имеющей зазор с ее бортами, а на средних частях боковых сторон направляющей пластины выполнены уширения, отогнутые в сторону охлаждаемой пластины.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2801245C1 true RU2801245C1 (ru) | 2023-08-04 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2160944C1 (ru) * | 1999-08-13 | 2000-12-20 | Исаев Леонид Аркадьевич | Термоэлектрический генератор |
RU73765U1 (ru) * | 2007-11-06 | 2008-05-27 | Научно-исследовательский комплекс Киевского национального университета строительства и архитектуры | Жидкостная система охлаждения мощного электронного компонента |
RU162936U1 (ru) * | 2015-12-09 | 2016-06-27 | Федеральное бюджетное учреждение науки "Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения" (ФБУН "ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения") | Термоэлектрический генератор бытовой с жидкостным охлаждением |
WO2018138532A1 (en) * | 2017-01-30 | 2018-08-02 | Yasa Limited | Semiconductor cooling arrangement |
CN208539804U (zh) * | 2018-05-18 | 2019-02-22 | 江南大学 | 一种循环水自冷式温差发电装置 |
RU2725303C1 (ru) * | 2019-10-22 | 2020-06-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Термоэлектрический источник электроснабжения для автономного теплогенератора |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2160944C1 (ru) * | 1999-08-13 | 2000-12-20 | Исаев Леонид Аркадьевич | Термоэлектрический генератор |
RU73765U1 (ru) * | 2007-11-06 | 2008-05-27 | Научно-исследовательский комплекс Киевского национального университета строительства и архитектуры | Жидкостная система охлаждения мощного электронного компонента |
RU162936U1 (ru) * | 2015-12-09 | 2016-06-27 | Федеральное бюджетное учреждение науки "Федеральный научный центр медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения" (ФБУН "ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения") | Термоэлектрический генератор бытовой с жидкостным охлаждением |
WO2018138532A1 (en) * | 2017-01-30 | 2018-08-02 | Yasa Limited | Semiconductor cooling arrangement |
CN208539804U (zh) * | 2018-05-18 | 2019-02-22 | 江南大学 | 一种循环水自冷式温差发电装置 |
RU2725303C1 (ru) * | 2019-10-22 | 2020-06-30 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) | Термоэлектрический источник электроснабжения для автономного теплогенератора |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11474574B2 (en) | Cooling apparatus | |
US6557354B1 (en) | Thermoelectric-enhanced heat exchanger | |
US6226994B1 (en) | Thermoelectric element and thermoelectric cooling or heating device provided with the same | |
Lee et al. | Hotspot mitigating with obliquely finned microchannel heat sink—An experimental study | |
US20070000647A1 (en) | Systems for integrated cold plate and heat spreader | |
KR102037682B1 (ko) | 냉각장치 및 수처리 기기의 냉수 저장 장치 | |
Sahu et al. | Energy efficient liquid-thermoelectric hybrid cooling for hot-spot removal | |
Xiang et al. | High-performance thermal management system for high-power LEDs based on double-nozzle spray cooling | |
JP4697171B2 (ja) | 冷却装置、およびそれを備えた電子機器 | |
RU2801245C1 (ru) | Устройство жидкостного охлаждения термоэлектрогенератора | |
WO2005084313A2 (en) | Non-uniformly heated power device with fluidic cooling | |
WO2018137265A1 (zh) | 液体直接接触式冷却器 | |
RU2636385C1 (ru) | Устройство охлаждения одиночного мощного светодиода с интенсифицированной конденсационной системой | |
KR101132772B1 (ko) | 열제어 모듈 및 이를 포함하는 항온조 모듈 | |
KR101251329B1 (ko) | 열전모듈을 이용한 열교환기 | |
CA2802815A1 (fr) | Device for generating current and/or voltage based on a thermoelectric module placed in a flowing fluid | |
RU2154781C1 (ru) | Термоэлектрический холодильник | |
KR100240938B1 (ko) | 열전냉각모듈을 이용한 냉각장치 | |
JP2011096983A (ja) | 冷却装置 | |
KR101867458B1 (ko) | 차량용 열전발전 시스템 | |
KR101524939B1 (ko) | 발열체 냉각을 위한 수냉식 워터재킷 및 이를 포함하는 냉각탱크 | |
KR101882839B1 (ko) | 태양열 집열기를 이용한 발전시스템 | |
KR102358931B1 (ko) | 열교환장치 | |
JP6108583B1 (ja) | 複数のペルチェ素子を利用した観賞魚用水槽及び飼育水温調節方法 | |
RU2732419C1 (ru) | Микротеплообменник |