РАДИАТОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам для отвода тепла от электронных конструктивных элементов.
Известен тепловой пластинчатый радиатор (см. патент US №6554060, МПК F28F 7/00, опубликован 29.04.2003), содержащий основание в виде металлической пластины, на одной стороне которой выполнены параллельные прорези, в которых закреплены радиаторные пластины. Радиаторные пластины сформированы в группы, выполненные из металлов с различной теплопроводностью.
Известный радиатор позволяет использовать радиаторные пластины из более дешевого металла на участках менее интенсивного тепловыделения, однако требует усложненной технологии изготовления.
Известен тепловой пластинчатый радиатор (см. патент US №6698500, МПК F28F 7/00, опубликован 02 марта 2004), содержащий основание в виде металлической пластины с параллельными ребрами с двух противолежащих сторон. Между внутренними противолежащих ребрами в пластине выполнены параллельные прорези, в которых закреплены радиаторные пластины из металла, теплопроводность которого отлична от теплопроводности металла пластины и ребер.
Известный радиатор обеспечивает более интенсивный теплоотвод центральной частью радиатора. Недостатком известного радиатора является достаточно сложная и трудоемкая технология его изготовления.
Известен радиатор (см. патент RU №2217886, МПК Н05К 7/20, опубликован 27.11.2003), содержащий множество отдельных радиаторных пластин, скрепленных друг с другом в их соединительной части с образованием теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента. Части радиаторных пластин, противоположные теплопоглощающей части, отделены друг от друга и совместно образуют теплоотводные части. Множество радиаторных пластин скреплено вместе посредством крепежным средством. Между радиаторными пластинами расположено множество распорок, каждая из которых расположена между соединительными частями смежных радиаторных пластин для обеспечения зазора между теплоотводящими частями радиаторных пластин.
Известный радиатор позволяет собирать из одинаковых элементов устройства различной мощности теплоотвода, однако имеет недостаточную
эффективность теплообмена, связанную с различной теплоотдачей радиаторных пластин, находящихся в теплопоглощающей части, непосредственно под тепловыделяющим элементом, и на удалении от него; а также высоким аэродинамическим сопротивлением воздушному потоку на входе и выходе из радиатора.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является принятый за прототип радиатор (см. патент RU №76537, МПК Н05К 7/20, опубликован 20.09.2008), который содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки. Радиаторные пластины скреплены вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части. Параллельные кромки радиаторных пластин и примыкающие к ним теплопроводящие прокладки выполнены одинаковой длины. Длина параллельных кромок радиаторных пластин может быть также больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок. Второй вариант реализации радиатора предпочтителен при его боковом принудительном обдуве с помощью вентилятора.
В радиаторе-прототипе более эффективно используется часть поверхности радиаторных пластин, противолежащая теплопоглощающей части. Однако в радиаторе-прототипе теплоотвод осуществляется относительно равномерно по длине радиаторной пластины, так как воздушный поток движется в установившемся режиме (преобладает ламинарная составляющая). Учитывая то обстоятельство, что поверхность основания радиатора имеет различную температуру, соответствующую расположению теплонагруженных элементов, необходимо спровоцировать повышение эффективности теплоотдачи радиаторных пластин в наиболее теплонагруженной зоне (зонах) за счет изменения характера движения воздушного потока с ламинарного до турбулентного.
Задачей, которую решает заявляемое техническое решение, являлась разработка такого радиатора, который бы обеспечивал более интенсивный теплоотвод от более нагретого участка электронного конструктивного элемента.
Поставленная задача решается группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом.
По первому варианту задача решается тем, что радиатор содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части. По меньшей мере в части радиаторных пластин с одной стороны выполнены прямоугольные вырезы, направленные навстречу у соседних радиаторных пластин. Параллельные кромки радиаторных пластин и примыкающие к ним теплопроводящие прокладки выполнены одинаковой длины. Сумма глубин прямоугольных вырезов соседних радиаторных пластин равна длине теплопроводящей прокладки. Расстояние между нижней кромкой прямоугольного выреза и нижней кромкой радиаторной пластины равно высоте теплопроводящей прокладки теплопоглощающей части. Расстояние между верхней кромкой прямоугольного выреза и верхней кромкой радиаторной пластины равно высоте теплопроводящей прокладки теплораспределительной части.
Соседние радиаторные пластины могут иметь одинаковую или разную глубину прямоугольных вырезов, в зависимости от того, в каком месте желательно турбулизировать воздушный поток.
Радиаторные пластины и прокладки могут быть, например, скреплены друг с другом, например, припоем или теплопроводящим клеем.
Радиаторные пластины могут быть собраны по меньшей мере в две группы, выполненные из металлов с различной теплопроводностью, например, по меньшей мере одна группа радиаторных пластин может быть выполнена из меди, и по меньшей мере другая группа радиаторных пластин может быть выполнена из алюминия.
Радиаторные пластины могут быть собраны по меньшей мере в две группы, пластины которых имеют разную толщину.
Теплопроводящие прокладки могут быть выполнены из металлов с различной теплопроводностью.
Теплопроводящие прокладки теплопоглощающей части и теплопроводящие прокладки теплораспределительной части могут иметь одинаковую или разную высоту.
По второму варианту задача решается тем, что радиатор содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через
теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части. По меньшей мере в части радиаторных пластин с одной стороны выполнены прямоугольные вырезы, направленные навстречу у соседних радиаторных пластин. Длина радиаторных пластин больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок. Сумма глубин прямоугольных вырезов соседних радиаторных пластин равна длине теплопроводящей прокладки. Расстояние между нижней кромкой прямоугольного выреза и нижней кромкой радиаторной пластины равно высоте теплопроводящей прокладки теплопоглощающей части. Расстояние между верхней кромкой прямоугольного выреза и верхней кромкой радиаторной пластины равно высоте теплопроводящей прокладки теплораспределительной части.
Второй вариант реализации радиатора предпочтителен при его боковом принудительном обдуве с помощью вентилятора.
Соседние радиаторные пластины могут иметь одинаковую или разную глубину прямоугольных вырезов.
Радиаторные пластины могут выступать с одной стороны за торцы теплопроводящих прокладок навстречу потоку воздуха, создаваемого вентилятором.
Радиаторные пластины могут выступать как симметрично с двух сторон за торцы теплопроводящих прокладок, так и несимметрично с двух сторон за торцы теплопроводящих прокладок.
Выступающие за торцы теплопроводящих прокладок участки радиаторных пластин могут иметь закругленные кромки или заостренные кромки для снижения сопротивления набегающему потоку воздуха.
Теплопроводящие прокладки во втором варианте радиатора могут быть скреплены с прямоугольными противолежащими выступами радиаторных пластин. При этом теплопроводящие прокладки повторяют форму прямоугольных выступов.
Теплопроводящие прокладки могут быть установлены заподлицо с внешними кромками прямоугольных противолежащих выступов, а высота теплопроводящих прокладок по меньшей мере на части их длины больше высоты упомянутых прямоугольных выступов.
Радиаторные пластины с выступающими за теплопроводящие прокладки участками могут быть сформированы по меньшей мере в две группы, выполненные из металлов с различной теплопроводностью.
По меньшей мере одна группа радиаторных пластин может быть выполнена из меди, и по меньшей мере одна группа радиаторных пластин может быть выполнена из алюминия.
Радиаторные пластины во втором варианте радиатора могут быть сформированы по меньшей мере в две группы, выполненные из радиаторных пластин разной толщины.
Теплопроводящие прокладки во втором варианте радиатора могут быть выполнены из металлов с различной теплопроводностью.
Радиаторные пластины и прокладки во втором варианте радиатора могут быть, например, скреплены друг с другом припоем или теплопроводящим клеем.
Прямоугольные вырезы в радиаторных пластинах, направленные навстречу друг другу у соседних радиаторных пластин, своими вертикальными кромками вызывают турбулентность воздушного потока и, следовательно, интенсивный теплоотвод в области, где происходит наибольшее выделение тепла электронным конструктивным элементом.
Повышение эффективности теплового контура (а, следовательно, и теплообмена радиатора) достигается при использовании комбинации материалов с различной теплопроводностью, из которых изготовлены радиаторные пластины и теплопроводящие прокладки. Например, медные радиаторные пластины, установленные непосредственно над тепловыделяющим элементом на противоположной от него стороне, в сочетании с медными теплопроводящими прокладками представляют собой как бы второй источник тепла, от которого по обе стороны путем теплопередачи распространяется тепловая энергия. Таким образом, на противоположной стороне от теплопоглощающей части радиатора происходит перераспределение тепловой энергии от более нагретых радиаторных пластин к менее нагретым. Если материал радиаторных пластин в конкретном радиаторе уже изменить невозможно, то комбинацией различных материалов прокладок в теплораспределительной части можно достигать различных заданных тактико-технических характеристик (Эффективность теплообмена или тепловое сопротивление, масса, стоимость) радиатора.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан в аксонометрии первый вариант заявляемого радиатора, у которого все радиаторные пластины имеют прямоугольные вырезы;
на фиг.2 изображен вид спереди на радиатор, изображенный на фиг.1;
на фиг.3 показан вид сверху в разрезе по А-А на радиатор, показанный на фиг.2;
1
на фиг.4 показан вид сбоку на теплопроводящую прокладку теплораспределительной части (с-длина прокладки; h - высота прокладки);
2
на фиг.5 изображен вид сбоку на теплопроводящую прокладку теплопоглощающей части (с - длина прокладки; h - высота прокладки);
1
2
на фиг.6 показан вид сбоку на радиаторную пластину с прямоугольным вырезом (а - глубина выреза; h - расстояние между верхней кромкой прямоугольного выреза и верхней кромкой радиаторной пластины; h - расстояние между нижней кромкой прямоугольного выреза и нижней кромкой радиаторной пластины);
1
2
на фиг.7 изображен вид сбоку на радиаторную пластину с прямоугольным вырезом, соседнюю с пластиной, показанной на фиг.6, (b -глубина выреза; h - расстояние между верхней кромкой прямоугольного выреза и верхней кромкой радиаторной пластины; h - расстояние между нижней кромкой прямоугольного выреза и нижней кромкой радиаторной пластины);
на фиг.8 показан в аксонометрии первый вариант заявляемого радиатора, у которого внешние радиаторные пластины не имеют прямоугольных вырезов;
на фиг.9 изображен вид спереди на радиатор, изображенный на фиг.8;
на фиг.10 показан вид сверху в разрезе по Б-Б на радиатор, показанный на фиг.9;
на фиг.11 изображен в аксонометрии первый вариант заявляемого радиатора с тремя группами разных по толщине радиаторных пластин;
на фиг.12 показан в аксонометрии первый вариант заявляемого радиатора с тремя группами радиаторных пластин, выполненных из разных металлов;
на фиг.13 приведен вид сбоку на второй вариант радиатора с одним из вариантов радиаторных пластин;
на фиг.14 показан вид спереди на радиатор, приведенный на фиг.13;
на фиг.15 дан вид сверху в разрезе по В-В на радиатор, показанный на фиг.13;
на фиг.16 показан вид сбоку на радиаторную пластину второго варианта радиатора с прямоугольным вырезом;
на фиг.17 изображен вид сбоку на радиаторную пластину с прямоугольным вырезом, соседнюю с пластиной, показанной на фиг.16,;
на фиг.18 приведен вид сбоку на второй вариант радиатора с другим вариантом радиаторных пластин;
на фиг.19 показан вид сбоку на радиаторную пластину с прямоугольным вырезом второго варианта радиатора, приведенного на фиг.18;
на фиг.20 изображен вид сбоку на радиаторную пластину с прямоугольным вырезом, соседнюю с пластиной, показанной на фиг.19;
на фиг.21 показан вид сбоку на второй вариант радиатора с третьим вариантом радиаторных пластин;
на фиг.22 показан вид сбоку на радиаторную пластину с прямоугольным вырезом второго варианта радиатора, приведенного на фиг.21;
на фиг, 23 изображен вид сбоку на радиаторную пластину с прямоугольным вырезом, соседнюю с пластиной, показанной на фиг.22;
на фиг.24 показан вид сбоку на второй вариант радиатора с четвертым вариантом радиаторных пластин;
на фиг.25 показан вид сбоку на второй вариант радиатора с пятым вариантом радиаторных пластин;
на фиг.26 показан вид сбоку на второй вариант радиатора с шестым вариантом радиаторных пластин;
на фиг.27 показан вид сверху в разрезе по Г-Г на второй вариант радиатора с шестым вариантом радиаторных пластин;
на фиг.28 показан вид сбоку на второй вариант радиатора с седьмым вариантом радиаторных пластин;
на фиг.29 показан вид сбоку на радиаторную пластину с прямоугольным вырезом второго варианта радиатора, приведенного на фиг.28;
на фиг.30 показан вид сверху в разрезе по Д-Д на второй вариант радиатора приведенного на фиг.28.
Радиатор 1 (см. фиг.1, фиг.2, фиг.3) содержит множество отдельных радиаторных пластин 2, 3 имеющих по меньшей мере две параллельные кромки 4, 5 и скрепленных вблизи кромок 4, 5 через теплопроводящие прокладки 6 и 7 соответственно (см. фиг.4, фиг.5) друг с другом с образованием теплопоглощающей части 8, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента (на чертеже не показан), и теплораспределительной части 9, противолежащей теплопоглощающей части 8. В радиаторных пластинах 2, 3 выполнены прямоугольные вырезы 10, 11 глубины а и b которых могут быть одинаковы (см. фиг.6, фиг.7) или различными (см. фиг.16, фиг.17), в зависимости от места, где имеет место наибольшее выделение тепла электронным конструктивным элементом.
2
1
1
2
Прямоугольные вырезы 10, 11 направлены навстречу у соседних радиаторных пластин 2, 3. Параллельные кромки 4, 5 радиаторных пластин и примыкающие к ним теплопроводящие прокладки 2, 3 (см., например, фиг.1, фиг.8 - фиг.11) выполнены в первом варианте полезной модели одинаковой длины с. Во втором варианте полезной модели длина параллельных кромок 4, 5 радиаторных пластин 2, 3, 14 больше длины примыкающих к ним прокладок 6, 7 (см., например, фиг.13, фиг.18, фиг.24). Сумма глубин а и b прямоугольных вырезов 10, 11 соседних радиаторных пластин 2, 3 равна длине с теплопроводящих прокладок. В результате вертикальные кромки прямоугольных вырезов 10, 11 оказываются на одной линии, образуя элементы турбулизации воздушного потока. Расстояние между нижней кромкой 12 прямоугольных вырезов 10, 11 и нижней кромкой 4 радиаторных пластин 2, 3 равно высоте h теплопроводящей прокладки 6 теплопоглощающей части 8, а расстояние между верхней кромкой 13 прямоугольных вырезов 10, 11 и верхней кромкой 5 радиаторных пластин 2, 3 равно высоте h теплопроводящей прокладки 7 теплораспределительной части 9. В этом случае кромки 12 находятся на одном уровне с внутренней поверхностью прокладки 6, а кромки 13 находятся на одном уровне с внутренней поверхностью прокладки 7, не создавая сопротивления воздушному потоку. Теплопроводящие прокладки 6 и 7 могут иметь разную высоту h и h (см. фиг.4 и фиг.5) или одинаковую высоту (см. например, фиг.8, фиг.9) в зависимости от условий теплоотвода. В радиаторе 1 могут быть радиаторные пластины 14 без прямоугольных вырезов 10, 11, например, внешние (см., например, фиг.8 - фиг.10). Радиаторные пластины 2, 3, 14 и прокладки 6, 7 могут быть скреплены друг с другом различными известными методами, например, пайкой или склейкой теплопроводящим клеем. Радиаторные пластины 2, 3, 14 могут выступать с одной стороны за торцы теплопроводящих прокладок 6, 7 навстречу потоку воздуха, создаваемого вентилятором (см. фиг.21 - фиг.24). Радиаторные пластины 2, 3, 14 могут выступать как симметрично с двух сторон за торцы теплопроводящих прокладок 6, 7 (см. фиг.13 - фиг.20), так и несимметрично с двух сторон за торцы теплопроводящих прокладок 6, 7 (см. фиг.25). В этом варианте минимальное аэродинамическое сопротивление воздушному потоку достигается благодаря тому, что выступающие за пределы теплопроводящих прокладок 6, 7 (т.е. теплопоглощающей и теплораспределительной частей) радиаторные пластины 2, 3, 14 образуют воздушный канал (представляющий собой множество элементарных каналов, образованных множеством радиаторных пластин 2, 3, 14) сечение которого всегда больше, чем сечение канала непосредственно у
теплопоглощающей и теплораспределительной частей 8, 9 радиатора 1. Благодаря этому, скорость воздушного потока на входе и выходе из радиатора 1 всегда меньше скорости внутри воздушного канала, а отсюда и минимальные потери. Сужение воздушного канала происходит у теплопоглощающей и теплораспределительной частей 8, 9 радиатора 1, когда воздушный поток движется в установившемся режиме (когда толщина и количество радиаторных пластин 2, 3, 14 не влияет на скорость его движения). Поэтому возмущения (турбулентность) воздушного потока у входа в теплопоглощающую и теплораспределительную части 8, 9, а также в зоне вертикальных кромок прямоугольных вырезов 10, 11 приводят к значительному повышению эффективности теплообмена при минимальном повышении аэродинамического сопротивления воздушному потоку. Радиаторные пластины 2, 3, 14, образующие множество элементарных каналов, могут иметь имеют разную толщину (см. фиг.11). Группы 1 и III толстых пластин 2, 3, 14 располагаются, как минимум, по краям и обеспечивают механическую прочность радиатора 1, исполняя роль несущей конструкции. Группа II тонких пластин 2, 3 вызывает минимальные возмущения (турбулентность) при огибании их воздушным потоком на входе и выходе из радиатора 1. Выступающие за торцы прокладок 6, 7 участки 15 радиаторных пластин 2, 3, 14 могут иметь как прямые кромки 16 (см. фиг.13 - фиг.17), закругленные кромки 17 (см. фиг.18 фиг.23), так и заостренные кромки 18 (см. фиг.24). В другом воплощении полезной модели (см. фиг.26 - фиг.30) теплопроводящие прокладки 6, 7 скреплены с прямоугольными выступами 19 радиаторных пластин 2, 3, 14. При этом теплопроводящие прокладки 6, 7 установлены заподлицо с внешними кромками 20, 21 и 22 прямоугольных противолежащих выступов 19 (см. фиг.26), повторяя их контур, а высота теплопроводящих прокладок 6, 7 по меньшей мере на части их длины больше высоты упомянутых прямоугольных выступов 19, с тем, чтобы выступающий во внутрь выступ 23 (см. фиг.28) или все теплопроводящие прокладки 6, 7 по их длине (см. фиг.26), или выступающие во внутрь несколько выступов 23 дополнительно турбулизировали воздушный поток. Радиаторные пластины 2, 3, 14 могут быть сформированы в несколько групп, например, в три группы IV, V и VI (см. фиг.12), выполненные из металлов с различной теплопроводностью, например, группы IV и VI радиаторных пластин 2, 3, 14 изготовлены из алюминия, а группа V радиаторных пластин 2, 3 расположенная над источником тепла, изготовлена из меди. Теплопроводящие прокладки 6, 7 в радиаторе 1 могут быть также выполнены из металлов с различной теплопроводностью. Не изменяя геометрические размеры радиатора 1, применяя более тонкие
радиаторные пластины 2, 3, 14 в зависимости от поставленной задачи, можно или увеличивать количество пластин 2, 3, 14 (площадь теплоотдачи) или увеличивать зазор между ними, увеличивая тем самым эффективное сечение элементарного воздушного канала (пространство между соседними радиаторными пластинами 2, 3, 14). В сочетании с возможностью комбинирования материалов с различной теплопроводностью, из которых изготавливают как радиаторные пластины 2, 3, 14, так и теплопроводящие прокладки 6, 7, а также изменяя геометрические размеры прямоугольных вырезов 10, 11, заявляемый радиатор 1 представляет собой очень гибкую, легко перестраиваемую конструкцию, позволяющую решать проблемы теплообмена в сложных радиоэлектронных устройствах, имеющих несколько тепловыделяющих элементов с различной мощностью и геометрическими размерами, находящимися на удалении друг от друга, например печатный узел или несколько печатных узлов на одном радиаторе.
В соответствии с заявляемой полезной моделью были изготовлены образцы медноалюминиевых радиаторов охлаждения для твердотельного усилителя мощности приемопередатчика микроволнового диапазона космического базирования мощностью 40 и 80 Вт. При проведении сравнительных (со штатным радиатором) испытаний выяснилось, что на 6-8% повысилась эффективность теплоотдачи нового радиатора при снижении его массы на 25% (с предельно допустимой массы 1 043 г. до 747 г.).