Модульное электронное устройство

Полезная модель относится к аппаратостроению в области электроники и может быть использована для обеспечения требуемых тепловых режимов элементов электронной аппаратуры, в частности в модульных электронных устройствах, обладающих герметичным корпусом и предназначенных для работы в условиях широкого диапазона температур.
Уровень техники
В патенте RU 87632 описан «Корпус электронного устройства», выполненный в виде прямой призмы с основанием в виде восьмиугольника, где попарно противоположные нижние и верхние грани являются плоскими, на внешней стороне которых имеются продольные монтажно-крепежные пазы, а на внешней стороне боковых граней имеется ряд продольных ребер. А в патенте RU 2451436 описан «Способ и устройство отвода тепла» в аналогичном корпусе.
Способ и устройство отвода тепла от тепловыделяющего элемента, помещенного в металлический контейнер, выполняющий роль радиатора, описанный в патентах RU 2451436 и RU 87632 реализуется с помощью сжимаемых теплопроводящих материалов, обеспечивающих частичную передачу тепловой энергии от элемента к теплоотводу внутри корпуса и присоединенному непосредственно к корпусу. Генерирующий тепло компонент закрепляют на корпусе через посредство опоры из эластичного материала. Для этого к генерирующему тепло компоненту присоединяют первый теплоотвод. Противолежащую закреплению поверхность генерирующего тепло компонента и/или соединенного с ним первого теплоотвода покрывают покрытием из упругого теплопроводящего синтетического материала, контактирующего по меньшей мере частично со вторым теплоотводом. Опору выполняют из эластичного материала, а покрытие из упругого теплопроводного синтетического материала. При сборке эластичный материал опоры и упругий теплопроводный синтетический материал покрытия подвергают предварительному сжатию. В собранном виде генерирующий тепло компонент оказывается между противоположно расположенными предварительно сжатыми упругими элементами, благодаря которым обеспечивается его устойчивый контакт со вторым теплоотводом.
Недостатком такого подхода является наличие промежуточного протяженного внутреннего теплоотвода ограниченного сечения между корпусом и тепловыделяющими элементами. Кроме того, упругие теплопроводящие синтетические материалы имеют невысокую теплопроводность по сравнению с металлами, снижая эффективность теплоотвода. В конструкции корпуса электронного устройства, описанного в патенте RU 87632, используются продольные ребра для крепления или фиксации внутренних электронных модулей, что не позволяет электронные модули прижимать к стенкам этого корпуса непосредственно тепловыделяющими элементами и не дает наиболее эффективно использовать теплоотдачу корпуса электронного устройства.
Известен также патент RU 2374792 «Радиоэлектронный блок и способ его охлаждения», где герметичный радиоэлектронный блок, содержащий металлический корпус, внутри которого расположены радиоэлементы, причем с внешней стороны корпуса имеется покрытие из теплопроводящего материала, отличается тем, что теплонагруженные радиоэлементы размещены с внешней стороны корпуса, а не теплонагруженные элементы располагают внутри корпуса, причем упомянутое покрытие обладает большей теплопроводностью, чем металлический корпус, и имеет анизотропную теплопроводность. Охлаждение радиоэлектронного блока происходит одновременно с теплопередачей по внешнему покрытию корпуса и рассеиванием тепла всей наружной поверхностью радиоэлектронного блока в окружающее пространство.
Недостатком такого подхода является часто невозможность отделения тепловыделяющих элементов от плат, являющихся стандартным изделием, что препятствует их применению в такой конструкции. Например, самый тепловыделяющий элемент процессорной платы - центральный процессор невозможно отделить от самого модуля и вынести на внешнюю сторону корпуса.
Известен также патент RU 2713486 «Система кондуктивного теплоотвода от электронных модулей стекового форм-фактора для корпусных изделий электроники», где система содержит корпус, оснащенный установленными на его двух внутренних противоположных стенках алюминиевыми деталями с ребрами, образующими систему пазов, и по меньшей мере одну медную теплоотводящую пластину. Модуль изделия с установленной теплоотводящей пластиной соединен с остальными модулями в стек. Стек модулей установлен в корпус изделия только за счет фиксации краев теплоотводящей пластины на одном из модулей замками враспор в пазах корпуса. Теплоотвод на корпус осуществляется за счет плотного прилегания краев теплоотводящей пластины к боковым стенкам корпуса. Плотное прилегание обеспечено фиксацией пластины в пазах корпуса замками, которые установлены на краях каждой теплоотводящей пластины. Теплоотвод от модуля на пластину происходит за счет прилегания пластины к тепловыделяющим элементам модуля или к промежуточному радиатору охлаждения. Тепло отбирается пластиной и перераспределяется по всей ее площади от модуля на боковые стенки корпуса по всей площади контакта двух краев пластины и корпуса в пазу.
Недостатком такого подхода является то, что с корпусом контактируют только края теплоотводящих пластин, имея ограниченную площадь контакта, определяемую глубиной паза. Вследствие того, что большая часть теплоотводящей пластины имеет большую открытую поверхность внутри корпуса, имеет место высокое тепловое излучение внутрь корпуса и одновременно ограниченная передача тепла боковым стенкам.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение описанных недостатков и создание электронного устройства, в котором благодаря повышению эффективности использования тепловых характеристик корпуса электронного устройства при обеспечении его оптимального конструктивного решения максимально используются его теплоотводящие и рассеивающие тепло компоненты. Техническим результатом предложенного устройства является повышение эксплуатационной надежности модульного электронного устройства, предназначенного для работы в условиях широкого диапазона температур, что достигается за счет предлагаемой организации отвода тепла. Областью применения полезной модели является электронная аппаратура модульного типа для использования, например, в движущихся объектах, устанавливаемая в стеллажи, в частности, на борту летательных аппаратов, наземных транспортных средств и др. Как известно наиболее распространенным способом отвода тепла от электронных компонентов является его кондуктивный отвод и конвекция через радиаторные элементы. В качестве таковых может использоваться корпус электронного устройства.
В настоящем техническом решении теплонагруженные электронные компоненты размещены так, чтобы максимально использовать в качестве радиаторов площади корпуса электронного устройства. Для этого электронные модули своими теплонагруженными компонентами устанавливают так, чтобы обеспечить их непосредственное примыкание к как можно большей площади корпуса.
Предлагается модульное электронное устройство, включающее корпус с передней и задней крышками, центральной частью, образующей верхнюю, нижнюю и боковые стенки, установленные в корпусе внутренние компоненты, с электронными модулями, расположенными на теплоотводящих элементах.
Центральная часть корпуса выполнена методом литья экструзией металла с высокой теплопроводностью с возможностью крепления внутренних компонентов на четырех внутренних сторонах стенок. Для этого на внутренних сторонах стенок центральной части корпуса выполнены попарно отстоящие друг от друга на одинаковом расстоянии продольные пазы, в которых размещены повторяющие в поперечном сечении форму паза и имеющие резьбовые отверстия вставки, выполненные с возможностью перемещения вдоль паза.
Теплоотводящие элементы электронных модулей имеют расположенные по их периметру две пары отверстий, расстояние между которыми в паре равно расстоянию между парой пазов на внутренних сторонах стенок центральной части корпуса.
Отверстия теплоотводящих элементов электронных модулей выполнены с возможностью размещения крепежных средств, проходящих в прорези пазов на внутренних сторонах стенок центральной части корпуса посредством соединения с резьбовыми отверстиями подвижных вставок.
Соединение крепежных средств теплоотводящих элементов электронных модулей со вставками обеспечивает их плотное примыкание к стенке корпуса, благодаря чему достигается максимальный отвод излучаемого ими тепла.
Для увеличения площади охлаждения на части внешней стороны боковых и верхней стенок центральной части корпуса выполнены наружные ребра охлаждения.
Далее полезная модель более наглядно поясняется с помощью рисунков, на которых:
рис. 1 - общий вид корпуса;
рис. 2 - центральная часть корпуса;
рис. 3 - внутренняя полость центральной части корпуса с парами пазов и установленным на одной из пар электронным модулем с теплоотводящим элементом.
На рис. 1 показан общий вид модульного электронного устройства, центральная часть 4 корпуса которого, в соответствии с поставленной задачей, выполнена методом литья экструзией металла с высокой теплопроводностью, способного надежно удерживать на его внутренних стенках внутренние компоненты.
Как показано на рис. 3, в соответствии с настоящим вариантом выполнения полезной модели входящие во внутренние компоненты теплонагруженные электронные модули 9 и/или соединенные с ними теплоотводящие элементы 10 закрепляют на стенках корпуса.
Для решения поставленной задачи максимально использовать площадь корпуса, электронные модули и/или теплоотводящие компоненты могут крепиться на любых стенках 13 (рис. 3) центральной части корпуса. Для обеспечения крепления на внутренних сторонах стенок выполнены расположенные попарно продольные пазы 7 (рис. 2 и 3), к которым крепят электронные модули 9 (рис. 3) и/или теплоотводящие компоненты 10 (рис. 3).
Во избежание крепления непосредственно к материалу стенки посредством отверстий в стенках, каждый паз 7 снабжен повторяющими форму паза и имеющими резьбовые отверстия вставками 14 (рис. 3), которые выполнены с возможностью перемещения по пазу 7 (рис. 2). Каждый из теплоотводящих элементов электронных модулей обладает по меньшей мере двумя парами отверстий 12 (рис. 3) с крепежными средствами, в данном варианте исполнения - винтами 11 (рис. 3), проходящими в прорези пазов. Расстояние между отверстиями 12 соответствует расстоянию между центрами пазов.
К выбранному на пазу 7 месту установки теплоотводящих компонентов 10 электронных модулей 9 подводят подвижные вставки 14 так, чтобы имеющиеся в них резьбовые отверстия совпадали с отверстиями 12 теплоотводящих компонентов 10 электронных модулей 9 с тем, чтобы крепежные средства 11 могли быть легко соединены со вставками 14. Предложенное размещение теплонагруженных элементов 9,10 возможно практически в любых местах непосредственно на всей внутренней поверхности корпуса 13, где образованы пазы 7, и позволяет получить максимальное использование материала корпуса для отвода и рассеивания выделяемого ими тепла.
Настоящее модульное электронное устройство с универсальным корпусом и с простой в изготовлении и эксплуатационно надежной организацией отвода тепла с помощью размещения теплонагруженных компонентов на теплоотводящих элементах и их максимально близкого примыкания к рассеивающему тепло корпусу обеспечивает возможность использования тепловых характеристик всего корпуса электронного устройства для отвода тепла от теплонагруженных электронных модулей, что в целом повышает эффективность необходимого охлаждения.
Перечень элементов устройства:
1 - передняя крышка корпуса;
2 - задняя крышка корпуса;
3 - винты крепления крышки корпуса;
4 - центральная часть корпуса с поверхностями для отвода тепла электронными модулями;
5 - опора корпуса электронного устройства;
6 - наружные ребра охлаждения корпуса;
7 - внутренний паз для крепления внутренних компонентов;
8 - внешний паз крепления опоры;
9 - электронный модуль;
10 - теплоотводящий элемент электронного модуля;
11 - винт крепления электронного модуля и/или его теплоотводящего элемента;
12 - крепежное отверстие в теплоотводящем элементе;
13 - поверхности для отвода тепла электронными модулями 14- вставка с резьбовым отверстием;
15 - винт крепления опоры.