Федеральное агентство по атомной энергии фгуп «цнииатоминформ» центр «атом-инновация» материалы инновационного форума росатома июнь, 2007 год москва партнеры форума

Вид материала

Документы

Содержание Разработка и создание системы воздушного охлаждения силовой электроники протонных ускорителей

Подобный материал:

• Инструкция о порядке ведения учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных, 877.05kb.
• Федеральная целевая программа "Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники", 3538.74kb.
• Федеральная целевая программа "национальная технологическая база" на 2007 2011 годы, 4200.13kb.
• Федеральная целевая программа "национальная технологическая база" на 2007 2011 годы, 4193.34kb.
• Федеральная целевая программа "национальная технологическая база" на 2007 2011 годы, 4193.39kb.
• Предварительная программа мероприятий окончательный вариант программы участники двифа-2010, 121.02kb.
• Международный конкурс «Энергия Будущего 2008» «ядерно-энергетические транспортные установки», 375.47kb.
• Первая сессия политического форума, 1317.07kb.
• Устав Международного агентства по атомной энергии, 652.86kb.
• Всероссийский Форум «Дом семьи Россия!», 25.65kb.

Разработка и создание системы воздушного охлаждения силовой электроники протонных ускорителей

Алексеев С.В., Автушенко А.Ф., Пащин А.И., Прокопенко И.Ф., Рыбкин Б.И., Турчанинов В.К., Школяренко В.В., ФГУП НИИ НПО «Луч»

В настоящее время актуальной и достаточно сложной является задача замены водяного охлаждения силовой электроники на воздушное охлаждение. В результате решения такой задачи повышается ресурс, надежность и экономичность эксплуатации электронной аппаратуры, что особенно важно для систем управления ускорительной техники.

Тепловые трубы (ТТ) – высокоэффективные теплопередающие устройства. Способность ТТ к трансформации тепловых потоков с высокой плотностью в сочетании с изотермичностью, малыми размерами и массой дает возможность использовать их для отвода и транспортировки тепла в различных термостабилизирующих системах, в том числе и в электрорадиоизделиях.

Цель работы – исследование возможности применения низкотемпературных ТТ для воздушного охлаждения водоохлаждаемого модуля тиристорных ключей при работе в пакетно-импульсном режиме, а также разработка, изготовление и натурная эксплуатация опытной партии ТТ при работе кольцевого ускорителя У-70 ГНЦ ИФВЭ. При решении подобных задач предлагались различные виды ТТ с медными, алюминиевыми и стальными корпусами Дульнев Г.Н., Беляков А.П. Тепловые трубы в электронных системах стабилизации температуры. - М.: Радио и связь, 1985. Опыт показывает, что для обеспечения высокой теплопередающей способности при минимальных размерах и массе перспективными для практического применения являются ТТ, изготавливаемые на основе алюминиевых профилей с внутренней капиллярной структурой в виде аксиальных канавок. Разнообразные конструкции ТТ с канавочными структурами широко используются для обеспечения заданных тепловых режимов сотовых панелей электронных приборов космических аппаратов [Savage C.J. European Heat Pipes for Space/ 5^th IHPC, Tsukuba, Japan, 1984].

Для обеспечения эксплуатационных требований работы тиристорного модуля выполнена разработка и изготовление двух вариантов канавочных ТТ на основе профиля АЦ-КРА7.3-Р2 (одноканального) и профиля ТР50-13 (двухканального). Материалом профилей является алюминиевый сплав АД31 ГОСТ 4784-97.

Основные теплотехнические характеристики разработанных и изготовленных ТТ лежат в пределах:

- термическое сопротивление, К/Вт 0,02 – 0,1;

- плотность подводимого потока, Вт/см² до 18;

- диапазон рабочих температур, К 80 – 400.

В качестве теплоносителя для ТТ выбран ацетон ГОСТ 2768-84. Теплоноситель заправлялся в ТТ после специальной глубокой очистки для полного удаление остатков воды и других примесей. Особенностью данной работы являлось обеспечение возможности воздушного охлаждения тиристоров Т353-800-32, входящих в состав модуля тиристорных ключей (состоящего из шести последовательно соединенных тиристоров) в условиях пакетно-импульсного нагружения и пространственных ограничений.

Тепловая мощность, выделяемая тиристорами при натурной эксплуатации, должна восприниматься ТТ и рассеиваться в условиях свободной конвекции, обеспечивая температуру стыка «ТТ – тиристор» не более 333 К.

Физическая модель теплового баланса ТТ и тиристора для импульсного режима представлялась следующей системой уравнений:

mTT·CPTT·dTTT/dτ + α∙FTT∙(TTT – TB) = (TT – TTT)/R1-2

mT∙CPT∙dTT/dτ + α·FT·(TT – TB) + (TT – TTT)/R1-2 = Q(τ),

где mTT и mT – масса ТТ и имитатора тиристора соответственно, кг; CPTT и CPT – удельная теплоемкость материала корпуса ТТ и тиристора соответственно, Дж/кг∙К; TTT – обобщенная температура ТТ в зоне теплового контакта с тиристорами, К; TT – обобщенная температура тиристора, К; TB - температура окружающего воздуха, К; α – среднее значение коэффициента теплоотдачи, Вт/м2·К; R1-2 – термическое сопротивление стыка «ТТ-тиристор», К/Вт; FTT – площадь поверхности ТТ, омываемая воздухом, м2; FT – площадь поверхности тиристора, омываемая воздухом, м2; Q(τ) – импульсная тепловая мощность, τ, Вт.

Коэффициент теплоотдачи α, использованный в системе уравнений и величины термических сопротивлений R_ТТ ,R_К , R_ТТ получены расчетно- экспериментальным способом [Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. и др. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ Под общ. ред. В.А.Григорьева и А.М.Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982].

С целью отработки режимов эксплуатации системы «ТТ-тиристор» была разработана и создана экспериментальная установка, моделирующая эксплуатационные режимы и условия работы тиристоров.

Для формирования эквивалентной рабочей мощности, выделяющейся в пакетно-импульсном режиме работы штатных тиристорных модулей, была применена схема циклического питания имитаторов. Программа импульсного режима подачи мощности реализована на языке QBASIC.

Расчеты были выполнены для интервала времени от 0 до 5000 с. Анализ численного решения показывает, что результаты в значительной степени зависят от величины коэффициента теплоотдачи  при свободной конвекции и термического сопротивления R_1-2 между ТТ и тиристором.

Проведенные экспериментальные работы позволили определить границы применимости разработанных конструкций ТТ в условиях свободной и вынужденной конвекции при постоянно включенном состоянии тиристоров, а также установить, что разработанные ТТ обладают многократным запасом по своим термическим характеристикам по отношению к заданным условиям.

Экспериментальная отработка работоспособности ТТ при импульсной подачи тепловой мощности в условиях свободной и вынужденной конвекции показала, что ТТ могут успешно применяться для поддержания необходимого температурного режима работы тиристоров. По результатам работы следует отметить удовлетворительное согласование экспериментальных данных и данных натурной эксплуатации ТТ.

В целом, полученные результаты работы свидетельствуют об адекватности разработанной тепловой модели натурным условиям и позволяют использовать данный подход при проектировании охладителей на основе ТТ для силовой электроники, работающей в пакетно-импульсных режимах.

Проведенные в ГНЦ ИФВЭ сеансы работы сборок тиристорных ключей в комплекте с тепловыми трубами на протяжении более 5000 ч. эксплуатации кольцевого протонного ускорителя У-70 показали стабильный температурный режим не выше 333 К.