УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ И ОТВОДА ТЕПЛА ОТ КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к области электроники и используется для эффективного охлаждения и отвода тепла от электронных компонентов, например, микросхем и микропроцессоров, обладающих значительным тепловыделением, установленных в электронных системах различного назначения.
Известно устройство для охлаждения нагревающихся элементов электронной техники, в котором тепло от тепловыделяющего элемента, например, микросхемы, поступает в теплорассеиватель, выполненный из хаотично упакованной неизолированной высокотеплопроводной проволоки, контактно уложенной на тепловыделяющем корпусе и контактирующей витками на пересечениях, на наружной поверхности которой нанесена оболочка из высокотеплопроводного материала, причем модуль снабжен всасывающим улавливателем для откачки воздуха вентилятором из окружающей среды модуля и удаления пыли с наружной поверхности оболочки. (Патент RU 2335813, кл. G12B 15/04, опублик. 10.10.2008).
Недостатками этого устройства являются, во-первых, невозможность использования для охлаждения электронных элементов в условиях естественного конвективного теплообмена с окружающей средой в силу установки на его наружной поверхности оболочки и всасывающего улавливателя с вентилятором, во-вторых, большие габариты, увеличивающие размеры конструкции узлов аппаратуры и электронного устройства, в которых устанавливается, что не позволяет использовать устройство в конструкциях электронных систем с высокой плотностью компоновки, в-третьих, отсутствие плотного и надежного контакта между витками проволоки, обеспечиваемого только спонтанным касанием витков между собой, что приводит к высоким значениям контактных тепловых сопротивлений между ними, снижая в целом эффективность теплопередачи по проволочной конструкции.
Известно устройство для охлаждения полупроводниковых приборов электронной аппаратуры, например, транзисторов, в условиях естественной или принудительной конвекции, теплорассеиватель которого выполнен в виде проволочного радиатора, с проволокой, намотанной и закрепленной на основании из проволочного кругового каркаса (Патент RU 2252465, кл. H01L 23/36, опублик. 20.05.2005).
Недостатком данного проволочного радиатора является, во-первых, малая площадь теплоотдающей поверхности, поэтому его тепловое сопротивление от корпуса тепловыделяющего полупроводникового прибора в среду имеет большое значение, что не позволяет применять его при охлаждении полупроводникового прибора в условиях естественной конвекции, во-вторых, размеры каркаса радиатора такова, что длина участков проволоки вдоль которых тепловой поток кондуктивно распространяется от корпуса полупроводникового прибора к периферийным концам проволоки радиатора, составляет значительную величину, что с учетом малого диаметра проволоки, приводит к очень большому значению кондуктивного теплового сопротивления участков проволоки, способствуя еще большему уменьшению площади теплоотдающей поверхности радиатора и увеличению его полного теплового сопротивления.
Известен радиатор для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащий укрепленную на охлаждаемом приборе пластину с оребрением в виде шипов, выполненных из собранных в пучки гибкой проволоки, установленных в гильзах, размещенных в гнездах пластины, выполненных под эти гильзы (SU 1163126, F28F 3/04, опублик. 23.06.85).
Недостатками данной конструкции радиатора является низкая эффективность теплообмена между поверхностью проволок и средой, что обусловливается, во-первых, взаимным перекрытием внутренних поверхностей проволок, тесно увязанных в пучке, приводящему к уменьшению площади теплоотдающей поверхности радиатора, во-вторых, слиянием пограничных слоев соседних проволок, расположенных в пучке вплотную друг к другу, что препятствует протеканию процессов свободного конвективного переноса нагретой среды в направлении противоположном вектору ускорения свободного падения.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату к описываемой полезной модели является известное устройство охлаждения и отвода тепла от электронных компонентов электронных систем, состоящее из цилиндрического основания, принимающего тепло от тепловыделяющего электронного компонента электронной системы, а также из укрепленного на основании теплорассеивателя, для рассеивания поступившего от основания тепла в среду путем конвективного теплообмена (Письменный Е.Н., Рогачев В.А., Босая Н.В. «Исследования характеристик эффективности новой теплоотводящей поверхности с сетчатым оребрением при естественной конвекции», журнал «Промышленная теплотехника», 1998, т.20, №3, с.31).
К недостаткам описанной конструкции теплорассеивателя относятся, во-первых, низкие значения коэффициента теплоотдачи с поверхности теплорассеивателя, во-вторых, недостаточно развитая площадь поверхности теплорассеивателя, что делает данное устройство неэффективным для охлаждения электронных компонентов электронных систем в условиях естественной конвекции и требует установки дополнительных охлаждающих приспособлений, например, вентилятора, что усложняет конструкцию электронной системы, а также уменьшает площадь, предназначенную для установки других электронных компонентов, в-третьих, большие габариты, что не позволяет устанавливать ее на корпусах электронных компонентов в электронных системах, к миниатюризации которых предъявляются повышенные требования. Указанные факторы в совокупности не позволяют использовать данный теплорассеиватель для охлаждения электронных компонентов в условиях естественной конвекции, а также электронных компонентов, имеющих значительную мощность тепловыделения.
Задачей полезной модели является обеспечение эффективного охлаждения и отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов электронных систем.
Технический результат от использования данного устройства заключается в повышении эффективности процесса охлаждения и отвода тепла от электронных компонентов электронных систем без использования дополнительных охлаждающих приспособлений, что достигается путем значительной интенсификации конвективного теплообмена и увеличения площади теплорассеивателя в условиях как естественной, так и принудительной конвекции.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве охлаждения и отвода тепла от электронных компонентов электронных систем, состоящим из плоского или цилиндрического основания, принимающего тепло от тепловыделяющего электронного компонента электронной системы, а также из укрепленного на основании теплорассеивателя, для рассеивания поступившего от основания тепла в среду путем конвективного теплообмена, согласно полезной модели теплорассеиватель выполнен в виде трехмерной проволочной структуры из проволоки субмиллиметрового или субмикронного диаметра, причем основание и проволока теплорассеивателя, выполнены из высокотеплопроводных материалов, например, меди, графита, графена;
еще тем, что трехмерная проволочная структура теплорассеивателя выполнена в виде объемной сетки, ячейки которой имеют форму параллелепипеда, при этом все соседние ячейки находятся в контакте друг с другом по всем пространственным направлениям, причем объемная сетка установлена на плоском основании и в плане образует прямоугольную решетку;
и тем, что трехмерная проволочная структура теплорассеивателя выполнена в виде цилиндрической объемной сетки, в которой ячейки вдоль радиального и осевого направлений имеют прямоугольную форму, а по угловому направлению - форму части кругового кольца, причем цилиндрическая объемная сетка установлена на плоском основании прямоугольной или круглой формы, а в плане цилиндрическая объемная сетка представляет собой решетку, образованную лучами, исходящими из общего центра и плоскими кривыми;
и еще тем, что плоские кривые цилиндрической объемной сетки в плане образованы плоскими кривыми, например, окружностями, эллипсами, спиралями;
и тем, что трехмерная проволочная структура теплорассеивателя укрепляется на цилиндрическом основании, насаживаемом на цилиндрический штырь, установленный на плоском основании;
а также тем, что трехмерная проволочная структура теплорассеивателя выполнена из свободно насыпанных на ограниченное с торцов основание объемных проволочных микроэлементов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства в форме параллелепипеда и плоским основанием; на фиг.2 - общий вид устройства цилиндрической формы и плоским основанием; на фиг.3 - вид сверху на устройство с теплорассеивателем, образующим в плане концентрические окружности; на фиг.4 - вид сверху на устройство с теплорассеивателем, образующим в плане спираль; на фиг.5 - общий вид устройства цилиндрической формы с цилиндрическим основанием; на фиг.6 - вид сверху на устройство с теплорассеивателем, образующим в плане концентрические окружности; на фиг.7 - вид сверху на устройство с теплорассеивателем, образующим в плане спираль; на фиг.8 - общий вид устройства из объемных проволочных микроэлементов; на фиг.9 - общий вид устройства цилиндрической формы, укрепленный на цилиндрическом основании, на цилиндрическом штыре.
Устройство состоит из основания, которое может быть плоским 1 или цилиндрическим 2, теплорассеивателя 3. Теплорассеиватель 3 представляет собой трехмерную проволочную структуру, выполненную из проволоки субмиллиметрового или субмикронного диаметра, из высокотеплопроводного материала, укрепленную на высокотеплопроводном плоском 1 или цилиндрическом 2 основании, причем последний насаживается и укрепляется на цилиндрическом штыре 4. Трехмерная проволочная структура может быть выполнена как в виде объемной сетки, в которой все соседние ячейки контактируют между собой по всем пространственным направлениям, так и в виде насыпки, образующейся в результате свободно насыпанных на ограниченное с торцов основание объемных проволочных микроэлементов 5, имеющих различную конфигурацию, например, сферическую или кубическую, состоящих из контактирующих между собой и основанием проволочек субмиллиметрового или субмикронного диаметра соответствующей формы. Ячейки трехмерной проволочной структуры теплорассеивателя 3 могут иметь форму параллелепипеда, при этом все соседние ячейки находятся в контакте друг с другом по всем пространственным направлениям, причем объемная сетка укреплена на плоском основании 1 и в плане образует прямоугольную решетку.
Трехмерная проволочная структура теплорассеивателя 3 может быть выполнена в виде цилиндрической объемной сетки, в которой ячейки вдоль радиального и осевого направлений имеют прямоугольную форму, а по угловому направлению - форму части кругового кольца. Теплорассеиватель 3 может быть выполнен в виде цилиндрической объемной сетки, установленной на плоском основании 1, имеющим в плане форму, например, прямоугольника или круга, причем в плане цилиндрическая объемная сетка представляет собой решетку, образованную лучами, исходящими из общего центра и концентрическими плоскими кривыми, например, окружностями, эллипсами, или спиралями.
Трехмерная проволочная структура теплорассеивателя 3 с цилиндрическим основанием 2, насаживается на цилиндрический штырь 4, установленный на плоском основании 1.
Таким образом, в плане объемные сетки трехмерной проволочной структуры теплорассеивателя могут образовывать решетки различного вида: прямоугольную решетку; решетку, сформированную лучами, исходящими из общего центра и концентрическими окружностями, или эллипсами, или спиралью, или другими плоскими кривыми. При этом размеры ячеек в объемной сетке теплорассеивателя любого исполнения, а также размеры объемных проволочных микроэлементов в теплорассеивателе насыпного типа, выбираются исходя из условий, во-первых, отсутствия смыкания пограничных слоев, образующихся вокруг проволок и вдоль них, и, во-вторых, предотвращения процесса осаждения инородных частиц среды на поверхностях проволок как в объеме, так и на внешней поверхности трехмерной проволочной структуры теплорассеивателя. Основания и цилиндрические штыри, на которые насаживаются цилиндрические объемные сетки, выполняются из материалов с высокой теплопроводностью, например, меди, графита, или графена. Все поверхности, образованные контактом между корпусом охлаждаемого электронного компонента и основанием устройства охлаждения и отвода тепла, а также между теплорассеивателем и его основанием, следует осуществлять через теплопроводящие эластичные прокладки, пасты, компаунды, которые существенно сокращают тепловые потери на контактах.
Описанное устройство работает следующим образом. Мощность, потребляемая электронным компонентом, диссипируется в виде тепла, приводя к нагреванию электронного компонента. Тепло от электронного компонента передается к устройству охлаждения и отвода тепла, поступая к основанию 1, которое выполнено из высокотеплопроводного материала и может быть плоским 1 или цилиндрическим 2, а через основание - к укрепленному на нем теплорассеивателю 3, который представляют собой трехмерную проволочную структуру, выполненную в виде объемной сетки, или насыпки из объемных проволочных микроэлементов 5. Далее тепло растекается посредством кондукции по высокотеплопроводному материалу трехмерной проволочной структуры теплорассеивателя, нагревая его, и одновременно с этим рассеивается посредством конвекции с поверхности нагретой трехмерной проволочной структуры в окружающую среду.
Технический результат полезной модели достигается за счет следующих факторов: во-первых, субмиллиметровым или субмикронным диаметром проволоки в трехмерной проволочной структуре теплорассеивателя, во-вторых, компоновкой проволочной структуры с высокой плотностью в пространстве и, в-третьих, трехмерным характером конструкции проволочной структуры теплорассеивателя. Известно, что для проволоки, имеющей субмиллиметровый диаметр, наблюдается сверхвысокая конвективная теплоотдача в среду (статья Бочкарев Э.Г., Андреев В.М., Тузовский К.А., Зиновьев Д.В., Павленко Э.Ю. Эффект гигантской теплоотдачи телами субмиллиметровых размеров. Опубликована в журнале «Доклады академии наук», 1999, т.366, №2, с.178-180), которая обусловливается как резким уменьшением толщины пограничного слоя вокруг субмиллиметровой проволоки, так и созданием условий, при которых интенсивность осаждения инородных частиц, всегда присутствующих в среде, на поверхности проволоки субмиллиметрового диаметра, существенно уменьшается. Субмиллиметровый и субмикронный диаметр проволоки позволяет также осуществлять компоновку трехмерной проволочной структуры теплорассеивателя с очень высокой пространственной плотностью, которая ограничивается только минимально допустимым расстоянием между соседними проволоками в проволочной структуре теплорассеивателя. Перечисленные факторы позволяют создавать теплорассеиватели с чрезвычайно высокой площадью теплообменной поверхности и сверхвысоким значением коэффициента теплоотдачи в среду, при одновременно малых габаритах всего устройства. В свою очередь трехмерный характер теплорассеивателя, позволяет существенно увеличить как плотность компоновки проволочной структуры, так величину теплорассеивающей поверхности за счет распространения тепловых потоков во всех трех пространственных направлениях.
Исследование заявленного устройства охлаждения и отвода тепла от электронных компонентов электронных систем показывает, что устройство обладает высокой эффективностью по охлаждению и отводу тепла от электронных компонентов, имеющих значительное тепловыделение, в условиях естественной и принудительной конвекции в электронных системах с высокой плотностью компоновки и малыми габаритами, и позволяет значительно снизить уровни температуры электронных компонентов и электронных систем.