УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА
DEVICE FOR HEAT REMOVAL

Устройство относится к электронной технике и предназначено для обеспечения отвода тепловой энергии от теплонагруженных элементов. Оно может быть использовано в радиоэлектронных приборах с повышенным выделением тепла в любой области техники, в том числе работающих в сложных климатических и специальных условиях, например авиационной.
Известно, что наиболее эффективный механизм отведения тепла - кондуктивный. Для обеспечения перехода теплового потока от теплонагруженной поверхности к рассеивающей поверхности другого элемента обеспечивается минимальное тепловое сопротивление между поверхностью теплонагруженного элемента и поверхностью элемента рассеивающего тепловую энергию. Для этих целей применяют качественную обработку смежных поверхностей (шероховатость не хуже Ra 1.6), теплопроводящие прокладки, пасты или составы, при этом обеспечивая усилие прижатия на смежных поверхностях (см., например, Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. // Под ред. профессора В.А.Шахнова. - М.: Издательство МГТУ имени Н.Э.Баумана, 2005, с.114).
Известны устройства для отвода тепла (патент США №5036428, Н05К 7/14, опубл. 1991-07-30, патент Германии №3717689, F16B 2/14; Н05К 7/14, опубл. 1987-12-03), расположенные на печатной плате и состоящие из винта, упора, толкателя с резьбовой поверхностью, теплоотвода, две поверхности которого расположены под острым углом к оси винта. При затяжке винта обеспечивается качественный силовой контакт теплоотвода с поверхностью рассеивающего элемента. Устройство для отвода тепла выполняет функцию фиксатора, однако отведение тепла является неэффективным по причине малой площади поперечного сечения теплоотвода и большого количества переходов от теплонагруженной поверхности печатной платы к внешней поверхности рассеивающего элемента.
Известно устройство для отвода тепла по патенту США №5978226, H01R 12/22; Н05К 5/00, опубл. 1999-11-02, причем оно является неподвижным и содержит теплорассеивающий герметизированный корпус, печатную плату, теплонагруженные элементы и теплоотвод. Боковые поверхности теплоотвода выполнены под острыми углами к поверхности корпуса и обеспечивают плавное увеличение площади поверхности, контактирующей с корпусом. К недостаткам конструкции можно отнести отвод тепла только от контактирующей поверхности печатной платы и то, что печатная плата зафиксирована таким образом, что это приводит к сокращению полезной поверхности печатной платы для размещения радиоэлементов, что уменьшает плотность монтажа.
Известно устройство для отвода тепла США №4459639, Н05К 1/02; Н05К 7/20, опубл. 1984-07-10, с подвижным теплоотводом, выбранное в качестве прототипа, Устройство содержит теплорассеивающий корпус, печатную плату с теплонагруженными элементами, винт, выполняющий функцию упора, а также толкатель и теплоотвод, которые имеют смежные поверхности, расположенные под острым углом к оси винта. При затяжке винта толкатель приводит к смещению теплоотвода до его упора в стенку корпуса. Движение теплоотвода ограничивается смежной поверхностью толкателя, пазом внутри теплоотвода и поверхностью печатной платы. В затянутом состоянии обеспечивается фиксация печатной платы и отведение тепла через теплоотвод на боковую стенку корпуса. Недостатком конструкции является износ резьбовой поверхности винта, который испытывает поперечную нагрузку при затяжке. При извлечении прижимающего винта конструкция устройства для отвода тепла рассыпается. Чтобы этого не происходило, необходимо дополнительное пространство, обеспечивающее возможность удержания элементов конструкции при монтаже и демонтаже.
Техническим результатом изобретения является более эффективное отведение тепла от теплонагруженных элементов за счет сочетания в устройстве кондуктивного и конвективного способов теплопередачи, сохранение целостности конструкции устройства для отвода тепла при монтаже и демонтаже, повышение плотности монтажа радиоэлементов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для отвода тепла, содержащем корпус, теплонагруженные элементы, установленные в корпусе, и теплоотвод со скошенной поверхностью, закрепленный на корпусе посредством узла крепления, включающего упор, винт, толкатель со скошенной поверхностью, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно винта, упор теплоотвода жестко закреплен на корпусе и имеет выступ с отверстием, в котором установлен толкатель. Корпус прибора и теплоотвод со стороны, прилегающей к корпусу, могут иметь соосные сквозные отверстия. В теплоотводе могут быть выполнены дополнительные отверстия, оси которых расположены под углом к осям его сквозных отверстий. Между теплоотводом и корпусом, а также теплоотводом и теплонагруженными элементами могут быть расположены теплопроводящие прокладки или теплопроводящая паста.
Сущность технического решения поясняется чертежами.
Фиг.1 - внешний вид устройства отвода тепла.
Фиг.2 - устройство для отвода тепла в разрезе узла крепления.
Фиг.3 - теплоотвод со сквозными отверстиями.
Фиг.4 - теплоотвод с дополнительными отверстиями, оси которых расположены под углом к осям сквозных отверстий.
Устройство отвода тепла (Фиг.1) содержит корпус 1 (Фиг.2), теплонагруженные элементы 2, установленные в корпусе 1 на печатной плате или радиаторе (не показаны), теплоотвод 3 со скошенными поверхностями 4 и рассеивающими поверхностями 5 и узлом крепления 6, содержащим упор 7 с выступом 8 и отверстием 9, жестко закрепленный винтами 10 на корпусе 1, винт 11, толкатель 12 со скошенной поверхностью 13, размещенный в отверстии 9 и закрепленный в корпусе 1 винтом 11 с возможностью возвратно-поступательного движения относительно последнего. Корпус 1 и теплоотвод 3 со стороны, прилегающей к корпусу 1, имеют соосные сквозные отверстия 14 (Фиг.3). В теплоотводе выполнены дополнительные отверстия 15 (Фиг.4), оси которых расположены под углом к осям его сквозных отверстий 14, и через которые посредством вентилятора (не показан) воздух нагнетается снаружи внутрь устройства. Между теплоотводом и корпусом расположена теплопроводящая прокладка 16, а между теплоотводом и теплонагруженными элементами - теплопроводящая прокладка 17. Вместо прокладок может быть использована теплопроводящая паста.
Устройство отвода тепла работает следующим образом.
Поток тепла от теплонагруженных элементов 2 через прокладку 17 поступает в теплоотвод 3. Тепловой поток, частично рассеиваясь поверхностями 5, через прокладку 16 проникает в корпус 1. Корпус 1 имеет большую площадь по сравнению с рассеивающими поверхностями 5, поэтому количество рассеиваемой энергии во внешнее пространство устройства больше количества энергии, рассеянной в его внутреннее пространство.
С помощью винта 11 толкатель 12 плотно прижимает теплоотвод 3 одновременно к корпусу 1 и теплонагруженным элементам 2. Благодаря конструкции упора 7 и толкателя 12 винт 11 не испытывает изгибающего момента после затяжки узла крепления теплоотвода 3, что сохраняет целостность резьбы.
Движение толкателя 12 ограничено цилиндрическим отверстием 9 в выступе 8 упора 7.
Для исключения демонтажа винтов 10, что может повлечь проваливание теплоотвода внутрь устройства, шлицы винтов 10 заполняют компаундом. Поскольку упор 7 жестко зафиксирован на корпусе 1 винтами 10, при затяжке винта 11 прокладка 16 деформируется, способствуя более плотному ее прилеганию к корпусу 1. Если винт 11 извлечен из устройства, выступ 8 упора 7 обеспечивает сохранение положения толкателя 12, связанного с перемещением или фиксацией самого теплоотвода 3. Выступ 8 препятствует проваливанию толкателя 12 и теплоотвода 3 внутрь устройства.
Устройство отвода тепла работает в качестве делителя воздушного потока. Воздушный поток, проходя через сквозные отверстия 14, попадает во внутреннее пространство устройства и обеспечивает его вентиляцию, при этом отбирая часть тепла от теплоотвода 3. Так как сквозные отверстия 14 расположены на некотором удалении от теплонагруженных элементов 2, т.е. в более холодной части устройства, воздух не успевает существенно нагреться, что обеспечивает эффективность охлаждения воздушным потоком. Дополнительные отверстия 15 снижают зависимость охлаждения от расположения вентилятора и обеспечивают активное перемешивание воздуха в области теплонагруженных элементов 2, т.е. конвективное отведение тепла на корпус 1 устройства наряду с кондуктивным. Устройство не связано с полезной поверхностью печатной платы, а занимает только свободное пространство внутри прибора, т.е. повышается плотность монтажа. Устройство позволяет даже отказаться от использования вентилятора, применяя только кондуктивный способ охлаждения за счет пространственного ресурса внутри прибора.
Таким образом, благодаря конструкции устройства для отвода тепла обеспечивается достижение заявленного технического результата.
Описанное техническое решение может быть реализовано на любом приборостроительном или машиностроительном предприятии. Исследования показали, что наиболее эффективными материалами для корпуса и теплоотвода являются алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь или дюралюминий. В качестве материала для теплопроводящих прокладок может использоваться КПТД (керамикополимерный теплопроводный диэлектрический материал). Могут быть также применены теплопроводящие прокладки фирмы Berquist. В качестве теплопроводящей пасты может использоваться стандартизированный материал КПТ-8 (кремнийорганическая теплопроводная паста).