Конструкторы и разработчики аппаратного обеспечения для силовой электроники в железнодорожной, автомобильной и авиационной технике сходятся во мнении, что наиболее эффективным способом снижения энергетических затрат и миниатюризации являются системы с жидкостным охлаждением.
В качестве жидкости для охлаждения, в зависимости от задач и условий применения, может быть использована вода различной степени очистки и с различным содержанием ингибиторов, антифризы, различные фторуглеродные хладагенты или даже жидкий азот. В настоящее время для компонентов и блоков электроники с интенсивным продолжительным или значительным пиковым тепловыделением широко применяются два типа охлаждения: прямое (методом погружения в диэлектрическую охлаждающую жидкость) и косвенное. Каждый способ имеет как свои достоинства, так и недостатки. Эффективность работы прямого охлаждения наиболее высока, т.к. этот метод позволяет отводить тепло непосредственно от тепловыделяющих электронных узлов. Его основные недостатки – это трудоёмкость в обслуживании и большой объём охлаждающей жидкости. При этом данный способ охлаждения находит своё применение, например, в стационарных устройствах или в необслуживаемых системах с герметичным объёмом.
Под косвенным подразумевается такой метод охлаждения, когда элементы располагаются на охлаждаемой плите, в которой выполнены каналы для циркуляции по ним жидкости. При изготовлении таких плит применяют различные технологические методы – от сверления и фрезерования до пайки и сварки – с целью обеспечения максимального теплоотвода в местах расположения тепловыделяющих электронных блоков. Материалами для плит служат сплавы на основе металлов с высоким коэффициентом теплопроводности, обычно – меди и алюминия. Плиты изготавливают как из мономатериала, так и из биметаллов. Необходимо отметить, что сочетание химически активных металлов (медь и алюминий), электрических токов высокой частоты, жидкостей и озона создаёт дополнительные проблемы, связанные с возникновением условий для электрохимической коррозии, кроме того, некоторые теплоносители склонны к образованию коллоидных взвесей и подвержены заражению микроорганизмами. Для предотвращения этих проблем применяют сочетаемые материалы, вводят ингибиторы, используют системы фильтрации и очистки.
Вместе с тем требования к режиму работы техники зачастую могут быть очень жёсткими и не допускать даже кратковременной её остановки для проведения профилактических или регламентных работ. В этом случае становится невозможным слив жидкости из системы жидкостного охлаждения, возникает вероятность завоздушивания и возникновения утечек. Решением проблемы является конструкция с подключением независимых взаимозаменяемых охлаждающих модулей или с переключением на резервные магистрали теплоносителя.
Для такого рода коммутации используются специальные высоконадёжные быстроразъёмные соединения (БРС) производства компании «Штойбли» (STAUBLI). При разработке этих соединителей были учтены все упомянутые условия и требования, предъявляемые разработчиками электроники к системам жидкостного охлаждения. Соединения выполнены из материалов с высокой чистотой обработки поверхности и со специальными покрытиями, имеют уплотнения, подходящие для постоянной работы с металлами и жидкостями контуров охлаждения. Соединения соответствуют требованиям к вибрационным, ударным и температурным нагрузкам, предъявляемым заказчиком. Кроме того, разъёмы соответствуют параметрам непроливаемости и герметичности не только во время работы, но и в моменты соединения/разъединения контуров, имеют при этом большой запас по рабочему давлению и гарантируют минимальные гидравлические потери в разъёмах. Герметичность обеспечивается наличием тарельчатых или игольчатых клапанов в муфте, ниппеле либо в обеих частях соединителя. Наличие клапана также повышает безопасность обслуживания магистралей под давлением, поскольку при размыкании линии сначала снимается давление, а лишь затем происходит физическое разделение соединения. Ещё одной мерой повышения безопасности является применение в составе соединителей узлов блокировки и механизма сброса давления магистрали с нормированным порогом срабатывания. Механическая и цветовая кодировки исключают неправильное подключение цепей, а широкий выбор материалов уплотнительных элементов обеспечивает надёжную работу с различными типами энергоносителей, включая агрессивные, высоко- и низкотемпературные. Конструкция типичного БРС показана на рисунке 1.
Как муфта, так и ниппель могут монтироваться и на панель, и на трубопровод. Соединители разных серий имеют конструктивные особенности, обусловленные способом их применения в составе теплообменных контуров.
Наибольшее количество вариантов конструктивного исполнения предназначено для моноконтуров, существуют и специально разработанные «врубные» соединения для блочного, группового подключения.
Под моноконтуром подразумевается разводка магистральной линии по потребителям или подключение одной линии к другой. Пример законченной системы жидкостного охлаждения на моносоединениях приведён на рисунке 2.
Типичные соединители для таких задач – SPH, SPT, RME, HPX, CBI, HCB, изготовленные из никелированной латуни, алюминия или нержавеющей стали. Они имеют различные виды запирания: шариковое, байонетное, с трещоткой и др. Примеры моделей приведены на рисунке 3.
При изготовлении по заказу могут быть использованы другие материалы корпуса, а также согласованные материалы уплотнителей. Соединители могут оснащаться широким набором стандартных хвостовиков, пылезащитными колпачками, виброзащитными кольцами.
С помощью «врубных» или блочных соединений можно производить удалённое подключение к коллектору в недоступных зонах при несоосности и перекосах до ±1 мм, что позволяет разработчикам электронных устройств не заботиться об увеличении точности изготовления механических узлов, а сконцентрироваться на выполнении требований технического задания к самому устройству (см. рис. 4).
Конструкции соединителей CGO с компенсацией перекоса и CGD с компенсацией радиальных смещений для «врубного» подключения показаны на рисунке 5.
Указанные решения применяются, например, в центрах обработки данных для быстрой замены однотипных вычислительных модулей или в выходных блоках активной фазированной антенной решётки.
БРС «Штойбли» разных серий рассчитаны на применение в диапазоне температур от -200 до +160°С, способны выдерживать давление в рабочем режиме до 750 бар, имеют сравнительно малые потери давления (незначительное сопротивление потоку). Такие соединители применяются не только в устройствах жидкостного охлаждения, но и в системах кондиционирования с жидкой и газовой фазами, в гидравлическом оборудовании низкого, среднего и высокого давления, в заправочном оборудовании, в том числе для беспилотной наземной, морской и авиационной техники. Диапазон проходных сечений стандартных БРС от 3 до 65 мм закрывает большинство потребностей в модернизируемой и вновь разрабатываемой технике.
Понимая важность локализации продукции в России, ООО «Штойбли РУС» проводит поэтапную адаптацию БРС к условиям применения в изделиях российских предприятий. К настоящему моменту выпущены и зарегистрированы российские технические условия, что должно расширить круг возможных приложений в отечественной технике.
Список соединений «Штойбли» для быстрого подключения модулей электроники с жидкостным охлаждением был бы неполным без линейки CombiTac – универсальных модульных комбинируемых разъёмов, позволяющих одновременно подключать сигнальные шины данных, силовые линии, а также контуры охлаждения, пневматические линии, газовые магистрали.
Современный наборный разъём CombiTac способен сочетать в себе передачу данных как по сигнальным каналам, так и по протоколам Ethernet, RJ-45, коаксиальные линии RG-59, ВЧ-сигналы до 3 ГГц, оптоволоконные линии, контакты термопар, силовые токи до 380 А напряжением до 5 кВ, а также подключать контуры воздуха и охлаждающих жидкостей давлением до 15 бар. Возможно исполнение разъёмов в пыле- и влагозащищённых корпусах из алюминиево-магниевых сплавов со степенью защиты до IP68. При этом разъёмы малочувствительны к вибрации, рассчитаны на 5000 циклов смыкания/размыкания. Электрические контакты выполняются из позолоченных сплавов бериллия, обеспечивающих наименьшее контактное сопротивление благодаря наличию внутри контактных гнезд специальных подпружиненных ламелей, постоянно создающих эффект торсионной пружины в пятне контакта. Соединения для передачи охлаждающих жидкостей выполняются по технологии flat-face – плоский тарельчатый клапан с двойным запиранием полностью исключает возможность протечки охлаждающей жидкости. Для удобства проектирования, монтажа и эксплуатации современные разъёмы построены по модульному принципу: узел состоит из набора стандартных модулей – контактодержателей, сочетание которых подбирается исходя из решаемой задачи. Возможно до 6 млн различных комбинаций разъёма. Общий вид наборного разъёма CombiTac приведён на рисунке 6.
Для удобства разработчиков «Штойбли» предлагает бесплатное ПО для моделирования разъёма CombiTac из набора стандартных узлов и формирования артикула для заказа.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
