УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ

Полезная модель относится к устройствам охлаждения электронных приборов, в том числе для промышленной электроники, а именно к радиаторам, осуществляющим теплообмен между корпусом электронных приборов и охлаждающей средой. Полезная модель предназначена для использования в составе вибрационно нагруженного электронного оборудования или подвижных объектов.
Проблема отведения тепла от электронных компонентов не теряет своей актуальности последние десятилетия. Наиболее остро она стоит в электронных модулях с высокой плотностью монтажа, в которых отсутствует принудительная вентиляция.
Известно техническое решение, выбранное в качестве аналога, «Печатная плата с радиатором охлаждения» по патенту РФ №198573 (H05K 7/00, H01L 23/00, опубл. 16.07.2020). Печатная плата с радиатором охлаждения включает радиатор охлаждения, печатную плату, выполненную с возможностью размещения на радиаторе охлаждения, при этом печатная плата содержит теплопроводящий подслой и выделяющие тепло электрические компоненты, в печатной плате выполнены отверстия, через которые она вплотную закреплена на радиаторе охлаждения, а также окна для размещения выделяющих тепло электрических компонентов напрямую на поверхности радиатора охлаждения, а теплопроводящий подслой выполнен между радиатором охлаждения и выделяющими тепло электрическими компонентами.
Недостатком данного устройства является невозможность его использования для электронных модулей с высокой плотностью монтажа. Техническое решение ориентированно на массивный радиатор.
Известно техническое решение, выбранное в качестве аналога, «Теплопроводный установочный элемент для крепления печатной платы к радиатору» по патенту РФ №2495507 (G12B 15/06, H05K 7/20, H01L 23/34, F21V 29/00, опубл. 10.10.2013). Указанное устройство для рассеяния тепла для выделяющего тепло электрического компонента содержит радиатор, печатную плату, выполненную с возможностью размещения на радиаторе, при этом печатная плата содержит диэлектрическую подложку, снабженную теплопроводным слоем на стороне, обращенной от радиатора, выделяющий тепло электрический компонент, размещенный на печатной плате и находящийся в тепловом контакте с теплопроводным слоем, отличающееся тем, что тепловыделяющий установочный элемент прикреплен к теплопроводному слою посредством пайки, причем установочный элемент имеет соединительную часть, выполненную с возможностью зацепления с углублением в радиаторе, обеспечивая тем самым крепление печатной платы к радиатору, так что обеспечивается тепловой канал от выделяющего тепло электрического компонента через теплопроводный слой и установочный элемент к радиатору.
Данное техническое решение обладает недостатками предыдущего аналога, а так же устройство использует фиксатор типа защелка, которое характеризуется низкой устойчивостью к вибрации и ударам.
Известно техническое решение, приведенное в качестве устройства из предшествующего уровня техники (прототипа) по патенту РФ №2495507, выбранное также в качестве прототипа для заявленной полезной модели. В указанном устройстве светоизлучающий диод (LED) установлен на печатной плате (РСВ). Печатная плата содержит листы меди, нанесенные слоями на обе стороны диэлектрической подложки. Типично, из верхнего листа меди (т.е. листа меди, обращенного к LED) вытравливают связи электрической схемы для обеспечения соответствующей схемы. Листы меди, размещенные на обеих сторонах РСВ, также служат в качестве теплопроводных слоев. Эти теплопроводные слои связаны рядом тепловых переходных отверстий. LED припаян к РСВ, причем р-n переход LED электрически соединен со связями электрических схем РСВ. Пайка также обеспечивает тепловой контакт между р-n переходом и верхним тепловодным слоем верхнего листа меди. Печатную плату типично монтируют к радиатору, используя винты. Устройство может быть также снабжено термопастой для улучшения теплового контакта между радиатором и теплопроводным слоем, обращенным к радиатору. Посредством этого устройства тепло, выделяемое на переходе LED, проводится через теплопроводные слои печатной платы и к радиатору, а затем в окружающую среду.
Недостатками прототипа является использование масивного радиатора и припаянного к теплоотводящим слоям печатной платы зацепного элемента, что наряду с низкой прочностью узла до установки на радиатор усложняет замену электрорадиоизделия при ремонте. В случае же действия ограничений на размеры радиатора эффективность технического решения становится ограниченной расположением узла в пространстве, так как необходимы дополнительные меры для обеспечения подвижности воздушных потоков, окружающих электрорадиоизделия со всех сторон.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности отведения тепла за счет включения максимальной площади поверхности и формирования условий естественной конвекции воздуха для применения в составе электронных модулей с высокой плотностью поверхностного монтажа подвижных объектов.
Технический результат достигается за счет того, что устройство охлаждения содержит радиатор, печатную плату, которая снабжена, по меньшей мере, одним отверстием, при этом печатная плата также содержит диэлектрическую подложку и теплопроводные слои с двух сторон, узлы крепления, радиатор содержит теплоотвод, стенку с монтажной поверхностью для электрического компонента, оребрение и установлен на теплопроводный слой печатной платы теплоотводом, стенка с монтажной поверхностью для электрического компонента выполнена под углом к печатной плате таким образом, что два воздушных канала, образованных теплоотводом, стенкой с монтажной поверхностью для электрического компонента, оребрением и печатной платой выполнены расширяющимися, при этом элементы оребрения, образующие каналы, выполнены с воздушными зазорами между ними, причем, по меньшей мере, одно отверстие, выполнено сквозным и расположено напротив воздушного канала, тепловой контакт электрического компонента со стенкой с монтажной поверхностью и тепловой контакт теплоотвода с теплопроводным слоем печатной платы обеспечен установкой прокладки из теплопроводящего материала между контактирующими поверхностями и затяжкой узлов крепления.
Также по меньшей мере, одно отверстие может быть выполнено металлизированным, соединяющим теплопроводные слои на верхней и нижней сторонах печатной платы.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах:
Фиг. 1 - Общий вид устройства охлаждения,
Фиг. 2 - Общий вид радиатора,
Фиг. 3 - Устройство охлаждения в разрезе,
На чертежах представлены следующие обозначения:
1 – радиатор,
2 - печатная плата,
3 - отверстия в печатной плате,
4 - диэлектрическая подложка,
5 - теплопроводный слой,
6 - электрический компонент,
7 –теплоотвод,
8 - стенка с монтажной поверхностью,
9 – оребрение,
10 - узлы крепления,
11 - теплопроводный слой,
12, 13 - прокладка из теплопроводящего материала,
14 – винт,
15 – шайба,
16 - изоляционная втулка,
17 - элементы оребрения,
18 - зазор между элементами оребрения.
Устройство охлаждения содержит радиатор 1, установленный на печатной плате 2. Печатная плата 2 снабжена отверстиями 3, диэлектрической подложкой 4 и теплопроводными слоями 5 и 11 с нижней и верхней части печатной платы соответственно. Радиатор 1 состоит из теплоотвода 7, стенки с монтажной поверхностью 8 для электрического компонента 6 и оребрения 9. На радиаторе 1 установлен выделяющий тепло электрический компонент 6, причем между электрическим компонентом 6 и стенкой с монтажной поверхностью 8 размещена прокладка из теплопроводящего материала 12. Теплоотвод 7, стенка с монтажной поверхностью 8 для электрического компонента 6, оребрение 9 и печатная плата 2 образуют два воздушных канала, расширяющихся за счет того, что стенка с монтажной поверхностью 8 для электрического компонента 6 выполнена под углом к печатной плате 2. Также оребрение 9, формирующее стенку каналов, состоит из элементов оребрения 17, между которыми выполнены зазоры 18. Между теплоотводом 7 и теплопроводным слоем 11 также установлена прокладка 13 из теплопроводящего материала. Радиатор 1 зафиксирован на печатной плате 2 с помощью узла крепления 10. Электрический компонент 6 закреплен на радиаторе 1 при помощи винта 14, шайбы 15 и изоляционной втулки 16.
Устройство работает следующим образом. Тепловой поток от электрического компонента 6 через прокладку из теплопроводящего материала 12 попадает в стенку с монтажной поверхностью 8 радиатора 1. Растекаясь в объеме стенки с монтажной поверхностью 8 тепловой поток распространяется по объему радиатора 1. Часть теплового потока через поверхности оребрения 9 отводится в окружающую среду. Другая часть через теплоотвод 7, прокладку из теплопроводящего материала 13 попадает в теплопроводный слой 11 печатной платы 2 и с поверхности слоя 11 рассеивается в окружающую среду. Дополнительные поверхности печатной платы 2 для рассеивания тепла могут использоваться при изготовлении в ней метализированных отверстий 3, соединяющих теплопроводные слои 5 и 11. В этом случае часть теплового потока от теплопроводного слоя 11 через металлизированные отверстия 3 попадает в теплопроводный слой 5 печатной платы 2. А с поверхностей теплопроводных слоев 5 и 11 рассеивается в окружающую среду. Для максимального использования свойств металлизированного отверстия в части кондуктивного отведения теплового потока от теплопроводного слоя 11 к теплопроводному слою 5 отверстия 3 могут быть заполнены припоем (не показан).
Также часть теплового потока благодаря нагреву элементов радиатора 1, а именно теплоотвода 7, стенки с монтажной поверхностью 8, оребрения 9, образующих с поверхностью печатной платы 2 расширяющиеся каналы, увлекается воздушным потоком согласно эффекту Вентури. Благодаря элементам оребрения 17 и зазорам 18 между ними обеспечивается перемешивание подвижного воздушного потока внутри каналов, что способствует движению воздуха через отверстия 3, обеспечивая дополнительную эффективность рассеивания тепла в окружающую среду. Использование диэлектрической втулки 16 обеспечивает изоляцию электрического компонента 6 от электропроводных элементов конструкции устройства.
Прокладки из теплопроводящего материала 12 и 13 устанавливаются между теплопроводящими поверхностями радиатора 1 и электрического компонента 6, радиатора 1 и теплопроводящего слоя 11 печатной платы 2 соответственно для обеспечения качественного теплового контакта за счет исключения влияния качества обработки теплопроводящих поверхностей соединяемых деталей.
Технический результат достигается за счет того, что отведение тепла в окружающую среду обеспечивается максимальным увеличением площади поверхности радиатора, включением дополнительной площади рассеивания тепловой энергии за счет внешних теплопроводящих слоев печатной платы, а также формированием подвижного потока воздуха внутри элементов конструкции радиатора (эффект Вентури, естественная конвекция), что позволяет эффективно производить отведение тепла от нагретого электрического компонента в окружающую среду.
Реализация устройства охлаждения в габаритных размерах радиатора FK231 SA 220 каталог Ficher Elektronik f. cool выявил уменьшение теплового сопротивления в 2 раза по сравнению с исходным образцом радиатора FK231 SA 220 при сохранении габаритных размеров устройства охлаждения.
Элементы конструкции могут быть изготовлены на приборостроительном предприятии: печатная плата изготавливается по известной технологии - химическим травлением проводников с использованием фольгированного материала Стеклотекстолит FR-4 PCL 370HR ML, радиатор может быть изготовлен из алюминиевого сплава АМцН2 ГОСТ 4784-2019 фрезерованием. Также радиатор может быть изготовлен из алюминиевого профиля или с использованием аддитивной технологии 3D печати из порошка алюминиевого сплава AlSi10Mg.