Гибридный медь-алюминиевый жидкостный охладитель

Классическая конструкция жидкостного закрытого охладителя предполагает его изготовление двумя способами: сверление сквозных отверстий в основании либо сборка из основания с фрезерованными пазами и крышки, при этом неразъемное герметичное соединение осуществляется сваркой исходных заготовок. Очевидно, что второй способ более технологичен. Возможность выполнения каналов охлаждения с помощью фрезерования открытой поверхности основания позволяет реализовать их различную геометрию, чтобы получить максимальное значение коэффициента теплоотдачи на границе металл-стенка. Обеспечить требуемое качество сварного соединения при отсутствии сопутствующих факторов вредного производства (световое излучение и выделение аэрозолей) позволяет технология сварки трением с перемешиванием (далее — СТП), успешно применяемая в отечественном машиностроении [1]. Сущность технологии и варианты ее использования описаны в литературе [2–4]. На рис. 1 показан макет алюминиевого жидкостного охладителя, изготовленный по технологии СТП.

Рис. 1. Макет алюминиевого жидкостного охладителя, изготовленного по технологии сварки трением с перемешиванием

Принципиальным преимуществом технологии СТП является возможность сварки разнородных материалов, в том числе стыкового соединения медь-алюминий. На рис. 2 в качестве примера показано изготовленное таким способом гибридное тавровое соединение медь-алюминий. Применение меди в качестве рабочей поверхности охладителя улучшает его тепловые характеристики в части распределения температуры в плоскости рабочей поверхности, при этом его основание может изготавливаться из алюминиевого сплава, что обеспечивает приемлемую себестоимость.

Рис. 2. Образец гибридного медь-алюминиевого двутавра

Нами изготовлен прототип медь-алюминиевого жидкостного охладителя, продольное сечение которого условно показано на рис. 3. Основанием (1) служит типовой воздушный охладитель из алюминиевого сплава АД31. В нем фрезерованием выполнены показанные на рисунке поперечные пазы, обеспечивающие циркуляцию охлаждающей жидкости в непосредственном контакте с медной пластиной (2), являющейся рабочей поверхностью охладителя. Подача жидкости происходит по продольным пазам, не показанным на рисунке. На рис. 4 представлен общий вид охладителя непосредственно после сварки, на рис. 5 — после финишного фрезерования. На рис. 6 приведены габаритные размеры.

Рис. 3. Продольное сечение гибридного медь-алюминиевого охладителя: 1 — медная пластина; 2 — алюминиевый корпус

Рис. 4. Лицевая сторона охладителя непосредственно после процесса сварки

Рис. 5. Общий вид охладителя после финишного фрезерования

Рис. 6. Габаритные размеры гибридного медь-алюминиевого жидкостного охладителя

Сплав АД31 широко применяется при изготовлении различного рода профилей методом экструзии ввиду его технологичности. Его физические характеристики мало отличаются от таковых для чистого алюминия. В таблице 1 приведен химический состав сплава согласно ГОСТ 4784, в таблице 2 — физические характеристики в сравнении с характеристиками сплава АД1, содержащего не менее 99,3% Al.

Для проведения оценочных испытаний описываемой конструкции охладителя был изготовлен лабораторный стенд, содержащий, помимо охладителя, водную магистраль, емкость с водой, центробежный насос и теплообменник с принудительной подачей охлаждающего воздуха. Температура воды на выходе охладителя контролировалась ртутным термометром, температура медного основания — тепловизором. В качестве источника нагрева использовался тэн специальной формы, механически закрепленный на медном основании.

Были проведены тепловые замеры в режиме охлаждения проточной водой с температурой на входе охладителя +14,5 °С и расходом 0,07 л/с и при работе в режиме замкнутого контура с принудительным охлаждением воды. В первом случае температура медного основания через 40 мин нагрева достигала +53 °С. Во втором случае температура воды на выходе охладителя достигала +42,6 °С через 145 мин работы при расходе 0,185 л/с, температура медного основания — +86 °С. Выделяемая тэном мощность в первом случае ориентировочно составляла 700 Вт, во втором — 900 Вт. Коэффициент теплоотдачи, вычисленный по результатам эксперимента, соответствовал минимальному значению из области справочных значений согласно [6], что и следовало ожидать для прототипа изделия. Существенное улучшение его достигается выбором геометрии охлаждающих каналов, рельефом поверхности металлической стенки и режимом течения охлаждающей жидкости.

Предлагаемая конструкция жидкостного охладителя, выполненная на основе оребренного профиля, предполагает возможность его применения при работе силовых устройств в повторно-кратковременном режиме с импульсным выделением больших величин Q. В активном режиме выделяемое тепло аккумулируется охлаждающей жидкостью, теплоемкость которой может на порядок превосходить теплоемкость металла охладителя при сохранении приемлемой величины Т_ж. При переходе силового устройства в ждущий режим отвод накопленной тепловой энергии происходит за счет воздушного охлаждения ребер охладителя. Данная ситуация реализуема при упрощенной схеме охлаждения без применения кулера для охлаждения проточной жидкости.

При разработке изделий силовой электроники с жидкостными охладителями необходимо уделять внимание свойствам жидкого теплоносителя. В качестве охлаждающей жидкости, помимо воды можно применять также составы на основе водно-органических концентратов, представляющих собой смеси гликолей (моно-, ди- и триэтиленгликоля, пропиленгликоля, глицерина и др.) с пакетом антикоррозионных и противовспенивающих присадок. Особенность водно-органических охлаждающих жидкостей состоит в высокой стабильности в широком диапазоне температур эксплуатации –50…+170 °С. Оптимальная теплопроводность и вязкость обеспечивают эффективный перенос тепла и быструю транспортировку по жидкостному охладителю. В условиях отрицательных температур такая система охлаждения будет работать стабильно без риска повреждения целостности металлоконструкции. Кроме того, подобные охлаждающие жидкости не оказывают разрушительного воздействия на системы из металлов (стали, чугуна, алюминия, меди, латуни) и обладают длительным сроком эксплуатации, который в зависимости от типа присадок может достигать 10 лет.

Критическим фактором при эксплуатации жидкостных охладителей является коррозия металла. Данное обстоятельство усугубляется наличием гальванопары медь-алюминий в описываемой конструкции охладителя. Нами проведены предварительные исследования по коррозионной устойчивости элементов конструкции прототипа охладителя применительно к двум составам теплоносителя. Результаты испытаний представлены в таблице 3. Внешний вид образцов до испытаний в теплоносителе 1 и после приведен на рис. 7. Физические характеристики теплоносителей приведены в таблице 4.

Рис. 7. Внешний вид образцов элементов конструкции охладителя, подвергнутых испытанию на коррозию в теплоносителе 1 (табл. 4):
а) до проведения испытаний;
б) после испытаний

Примечания. Теплоноситель 1 — вода/глицерин/присадки, теплоноситель 2 — вода/этиленгликоль/присадки; m₀ — первоначальная масса образца; m₇₀ — масса образца после 70-ч экспозиции в теплоносителе при Т = +80…+90 °С; m₁₂₀ — масса образца после 120-ч экспозиции в теплоносителе при Т = +80…+90 °С.

Представленный материал следует понимать как предварительное сообщение, показывающее возможности реализации принципиально новых конструктивных решений с применением разнородных материалов благодаря технологии сварки трением с перемешиванием. Следующим шагом будет поиск оптимальной геометрии охлаждающих каналов, рельефа их стенок, режимов течения охлаждающей жидкости с целью максимального увеличения коэффициента теплоотдачи на границе металл-жидкость. Также предполагается продолжить исследование коррозионной устойчивости элементов конструкции охладителя при использовании других, в том числе органических теплоносителей.