Рис. 6.11. Масляная система

охлаждения: / - тиристориая сборка; 2 - охлаждающие ребра; 3 - масляный насос; 4 - охлаждающее масло

Для всех систем жидкостного охлаждения характерны три недостатка: во-первых, необходимо соблюдать особые меры предосторожности, чтобы предотвратить загрязнение жидкости; во-вторых, системы должны быть оснащены насосом, который может выходить из строя; в-третьих, следует иметь изоляцию, непроницаемую для жидкости, в местах соединения трубопроводов, что также может снижать надежность.

6.3.3. Охлаждение, обусловленное фазовыми переходами

В системе с жидкостным охлаждением жидкость используется для отвода тепловой энергии от тиристора к теплообменнику. Теплообменная система может быть с воздушным или жидкостным охлаждением. Однако когда жидкость течет от тиристора, ее температура снижается раньше, чем она достигает теплообменника. Поэтому такая система менее эффективна по сравнению с идеальным случаем, когда теплопередающая среда достигает теплообменника при той же самой температуре, при которой она покинула тиристор.

Чтобы приблизиться к такому идеальному случаю, применяется способ охлаждения за счет фазовых переходов. В охладителе с фазовыми переходами тепло от тиристора способствует испарению жидкости. Затем пар используется для передачи тепла к теплообменнику, где он и конденсируется. Охлаждение за счет фазового перехода применяется в тепловых трубах, термосифонах и погружных системах с фазовыми переходами.

Тепловая труба показана на рис. 6.12. Она представляет собой запаянную трубку с большим объемом насыщенного пара и небольшим количеством жидкости. На внутренней стенке трубки расположены фитиль из пористого или фибрового материала, который может насыщаться жидкостью. В процессе работы тепло от тиристора поступает в тепловую трубу, вызывая испарение жидкости, увеличивая ее температуру и давление пара в объеме.

к---

рис. 6.12. Тепловая труба, используемая в системе воздушного охлаждения: / - тиристор; 2 -- возвращение жидкости через фнтнль; 3 - охлаждающие ребра; i - конденсация пара; 5 - поток пара в паровом пространстве; 6 - испаряемая жидкость

Однако, так как часть тепловой трубы имеет ребра для охлаждения, пар конденсируется на холодных участках стенки трубы.

Охлажденная жидкость течет вдоль фитиля навстречу жидкости, которйя затем испаряется тиристором. Поскольку пар в объеме имеет одинаковое давление, его температура также однородна. Таким образом, пар переносит тепло от тиристора к охлаждающим ребрам по закону изотермы. Длина трубы не имеет существенного значения, так как тепло может передаваться очень большому числу ребер, которые имеют приблизительно одинаковую температуру.

Тепловую трубу желательно конструировать из меди, а в качестве жидкости использовать воду. На рис. 6.12 труба расположена горизонтально. Поскольку жидкость возвращается к испарителю в основном за счет капиллярных сил, труба будет функционировать при любой ориентации. Однако ее функционирование более эффективно, если силы гравитации будут способствовать, а не затруднять обратный поток жидкости.

Если тепловая труба выполняется без фитиля или применяется любая другая жидкость вместо воды, не обладающая достаточно большими капиллярными силёми, то работоспособность устройства сохраняется лишь при вертикальном положении трубы. В этом случае используется гравитация для возвращения жидкости от конденсатора к испарителю. Строго говоря, тепловая труба, в которой применяется гравитационное возвращение, является термосифоном.

В термосифоне тепловая труба [Dethlefsen, Egli, Feldman, 1982] используется диэлектрическая жидкость (фреон и SFe). Его конструкция состоит из медной трубы и алюминиевой керамики. Диэлектрическая жидкость применяется для того, чтобы изолировать секцию, в которой происходит испарение от конденсатора. Для изоляции самой тепловой трубы в качестве изолятора используется керамика.

Специально изолированная тепловая труба разработана преимущественно для высоковольтных устройств большой мощности с воздушным охлаждением. Поскольку фреон имеет низкое поверхностное натяжение, его не удается достаточно хорошо пере-

Рис. 6.13. Погружной охладитель: / - охлаждающие ребра; 2 - пар; 3 - теплообменник; 4 - жидкость; 5 - тиристориая

сборка

давать через фитиль, поэтому необходимо использовать гравитацию. В связи с этим указанные приборы могут работать только в положении, близком к вертикальному. Отдельные виды охлаждения имеют определенное преимущество, так как конечный теплообменник электрически изолирован от тиристора и поэтому жидкость отводит и передает тепло от прибора по закону изотермы, обладая при этом очень высокой теплопроводностью.

Последний тип системы охлаждения за счет фазового превращения показан на рис. 6.13. Здесь тиристор или сборка тиристоров полностью погружены в диэлектрическую жидкость фреон R11 или R113. Тиристоры смонтированы на охлаждающих блоках, которые передают тепло жидкости. В результате кипения последняя отводит тепло через пар и жидкость за счет конвекции к стенкам наполненного резервуара. Стенки резервуара снабжены ребрами для охлаждения, которые передают тепловую энергию окружающему воздуху.

Такая погружная система охлаждения за счет фазового превращения в принципе аналогична тепловой трубе или сифону, но только имеет источник тепла внутри пространства, заполненного жидкостью. О таких охлаждающих агрегатах для прерывателей сообщается в [Yamada, Itahana, Okada, 1980] и [Soffer, 1981], где отмечается их преимущество в эффективности теплоотвода по сравнению с другими способами охлаждения (за исключением водяного охлаждения).

Рассматриваемая система инерционна, поэтому допускаются ее кратковременные перегрузки. Она также значительно компактнее эквивалентной системы воздушного охлаждения за счет кон-