УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ
COOLING DEVICE

Изобретение относится к области электротехники и может применяться для охлаждения групп тепловыделяющих элементов печатной платы.
Известен аналог, описанный в патенте России №2282956 (заявка №2004137331, дата подачи 2004.12.21, опубл. 2006.08.27), который представляет собой цельнометаллическую конструкцию с оребрением. Рассеивание тепла в окружающее пространство осуществляется через оребрение, при этом поверхности ребер выполнены волнообразными. Недостатком такого устройства является сложность изготовления профиля оребрения, при котором требуется обязательное изготовление оснастки, что приводит к дополнительным затратам. При этом применение такого устройства ограничено следующими факторами: устройство получается без определенных габаритных размеров, что является важным в условиях ограниченного пространства; монтаж устройства производится на один тепловыделяющий элемент или тепловыделяющие элементы, расположенные в ряд, т.е. имеет место ограничение по направлению оребрения и расположению элементов.
Известен аналог, описанный в патенте США №6611431 (заявка №20020115290 от 2002.04.02), представляющий собой устройство, которое фиксируется к печатной плате крепежными элементами. Отвод тепла от тепловыделяющего элемента на устройство охлаждения производится через теплопроводящие пасты, гели или прокладки, рассеивание тепла в окружающее пространство обеспечивается оребрением. Описанное решение конструктивно предназначено для охлаждения одного тепловыделяющего элемента и также не может эффективно применяться при строгих ограничениях габаритных размеров. При сочетании требований к печатной плате и тепловыделяющему элементу по тепловому режиму работы и электромагнитному экранированию описанное устройство не осуществляет электромагнитного экранирования, так как выводы радиоэлемента, расположенные по периметру его корпуса, полностью открыты.
Известны аналогичные технические решения, описанные в патенте США №5583316 (заявка №19940211241 от 1994.03.29) и в патенте США №5504650 (заявка №19950433131 от 1995.05.03), представляющие собой устройство с оребрением, в конструкции которого предусмотрен канал для воздушного охлаждения. Недостатками этих устройств являются ограниченные габаритные размеры, отсутствие электромагнитного экранирования и наличие принудительного охлаждения, что усложняет конструкцию.
Все описанные выше аналоги характеризуются бесконтактным принципом охлаждения печатной платы или имеют минимальный контакт с ней, что уменьшает отвод тепла от тепловыделяющих элементов печатной платы.
Известно устройство, описанное в патенте на полезную модель №53097 (заявка №2005135933 от 21.11.2005 г, опубликовано 2006.04.27), представляющее собой устройство охлаждения, которое фиксируется на печатной плате, имеет оребрение и теплоотводящие площадки. Устройство охлаждения контактирует с печатной платой таким образом, что форма прилегающей поверхности устройства к печатной плате повторяет конфигурацию проводников и площадок печатной платы. Однако описанное устройство не обеспечивает электромагнитного экранирования.
Существует техническое противоречие: обеспечение полного электромагнитного экранирования тепловыделяющего элемента приведет к возникновению замкнутого объема воздуха между устройством охлаждения и печатной платой, что существенно ухудшает условия охлаждения тепловыделяющих элементов печатной платы. Отсутствие замкнутого воздушного пространства вокруг печатной платы приводит к ухудшению электромагнитного экранирования тепловыделяющего элемента печатной платы. При запрете на принудительное воздушное охлаждение и при наличии жестких ограничений по габаритам устройства компромиссным решением является создание устройства охлаждения, которое устанавливается на печатную плату, при этом в пространство между устройством охлаждения и печатной платой поступает воздух за счет разницы температур на входе в пространство между печатной платой и устройством охлаждения и на выходе из устройства охлаждения. Размеры отверстий для входа воздуха и для выхода воздуха выбираются из условий минимального ухудшения электромагнитного экранирования тепловыделяющего элемента.
Известно, что интенсивность конвекции определяется разницей температур области высокого нагрева устройства охлаждения и температурой окружающей среды. Конвекция тем выше, чем больше эта разница температур. Разница температур достигается изготовлением отверстий для входа и выхода воздуха и соблюдением определенных правил организации оребрения устройства охлаждения. Геометрические размеры ребер и их направление выбираются из расчета создания препятствий для распространения тепла к поверхностям устройства охлаждения, на которых выполнены отверстия для входа воздуха, и теплоотводящим площадкам соседних тепловыделяющих элементов. Канализированные таким образом тепловые потоки позволят более холодному воздуху поступать к тепловыделяющим элементам печатной платы. Отверстия для выхода воздуха размещаются в области высокого нагрева устройства охлаждения, при этом размещение отверстий для выхода воздуха непосредственно в области максимальных температур  нецелесообразно, так как при этом снижается эффективность отвода тепла от тепловыделяющего элемента. Наиболее эффективным является размещение отверстий для выхода воздуха в месте перехода теплоотводящей площадки для тепловыделяющего элемента к области оребрения устройства охлаждения, т.е. место, где толщина профиля устройства охлаждения изменяется ступенчато (скачкообразно).
Выбранное место расположения отверстий для выхода воздуха с одной стороны граничит с областью максимальной температуры устройства охлаждения, с другой стороны плотность теплового потока области медленно уменьшается по мере удаления от тепловыделяющего элемента. Плотность теплового потока резко изменяется в месте перехода к области оребрения устройства охлаждения, характеризующемся ступенчатым (скачкообразным) увеличением площади сечения и площади поверхности устройства охлаждения. Изготовление отверстий для выхода воздуха в месте ступенчатого (скачкообразного) изменения сечения несущественно отразится на характере тепловых потоков и будет способствовать сохранению разницы температур между областью высокого нагрева устройства охлаждения и его периметром.
Техническим результатом является обеспечение эффективного отвода тепла от тепловыделяющего элемента и рассеивание тепла в окружающее пространство при отсутствии принудительного охлаждения, обеспечение электромагнитного экранирования тепловыделяющего элемента при ограничениях по габаритным размерам устройства охлаждения. Предлагается конструкция устройства охлаждения, объединяющая несколько удаленных друг от друга тепловыделяющих элементов (микропроцессорные узлы), которая обеспечивает движение воздуха в пространстве между устройством охлаждения и печатной платой, приводящее к отводу тепла от тепловыделяющих элементов, рассеивание тепла в окружающее пространство, обеспечение электромагнитного экранирования тепловыделяющих элементов.
Технический результат достигается тем, что устройство охлаждения, контактирующее с печатной платой, выполнено из металлической пластины. На поверхности металлической пластины находятся отверстия для крепления к печатной плате, оребрение, теплоотводящие площадки, контактирующие с тепловыделяющими элементами, которые сопряжены цилиндрическими поверхностями друг с другом и с оребрением. Оребрение выполнено таким образом, что оно препятствует перераспределению тепловых потоков от одной теплоотводящей площадки, контактирующей с тепловыделяющими элементами, к другим теплоотводящим площадкам и областям, на которых выполнены отверстия для входа воздуха. В области слабого нагрева устройства охлаждения и по периметру устройства охлаждения выполнены отверстия для входа воздуха, а в области высокого нагрева устройства охлаждения выполнены отверстия для выхода воздуха, которые размещены в местах перехода теплоотводящих площадок к области оребрения, где профиль сечения устройства охлаждения изменяется ступенчато (скачкообразно). Размер и форма отверстий, их количество и направление оребрения устройства охлаждения выбраны из условия обеспечения оптимальной разницы температур между поверхностями, на которых расположены отверстия для входа воздуха, и поверхностями, на которых расположены отверстия для выхода воздуха. Критерий оптимальности разницы температур определяется в большей степени стремлением сокращения временных затрат на проектирование устройства охлаждения. При разнице температур на поверхности устройства охлаждения менее 5°С движение воздуха в пространстве между платой и устройством охлаждения едва заметно, обеспечение же максимально возможной разницы температур ограничено геометрическими размерами устройства охлаждения, ограничениями по габаритным размерам всего электронного модуля и ограниченным пространством, в котором устройство используется. Разница температур по поверхности устройства охлаждения 15°С при максимальной тепловой нагрузке на него является достаточной для эффективного охлаждения элементов печатной платы. Суммарная площадь отверстий для входа воздуха выполнена больше суммарной площади отверстий для выхода воздуха. Максимальные размеры и форма отверстий для входа воздуха и для выхода воздуха ограничены условием минимального снижения электромагнитного экранирования тепловыделяющих элементов печатной платы.
В конструкции устройства охлаждения используются отверстия прямоугольной формы со скругленными углами. Особенностью отверстий для выхода воздуха является расположение их длинной стороной вдоль направления распространения теплового потока от области высокого нагрева устройства, при этом минимальный размер отверстия выполнен величиной не менее двойной толщины стенки устройства. Такое решение обеспечивает минимальное уменьшение кондуктивного теплового потока по устройству и достаточные условия для естественной конвекции воздуха, что обеспечивает максимальную эффективность охлаждения.
2
Сущность технического решения показана на чертежах: фиг.1 - устройство охлаждения и распределение тепла по устройству охлаждения при условии максимально допустимой тепловой нагрузки. На фиг.1 показан полный вид устройства охлаждения и распределение тепла по устройству охлаждения при условии максимально допустимой тепловой нагрузки (коэффициент конвекции 5 Вт/(м·°С)). Фиг.2. - фрагмент устройства охлаждения без отверстий для входа и отверстий выхода воздуха; фиг.3 - фрагмент устройства охлаждения с отверстиями для входа и выхода воздуха, где введены следующие обозначения:
1 - оребрение;
2 - поверхность отверстий для входа воздуха;
3 - отверстия для входа воздуха;
4 - теплоотводящая площадка;
5 - отверстия для выхода воздуха;
6 - область высокого нагрева.
Устройство охлаждения выполнено в виде единой детали из цельнометаллической плиты алюминиевого или медного сплава таким образом, что оно контактирует с печатной платой в отдельных точках и по периметру печатной платы, на некотором расстоянии от теплоотводящих площадок с возможностью разъемного соединения с печатной платой крепежными элементами.
На поверхности устройства охлаждения выполнены отверстия для крепления устройства к печатной плате, несколько теплоотводящих площадок 4, часть которых сопряжена цилиндрическими поверхностями друг с другом и с оребрением 1. Оребрение 1 формирует распространение тепловых потоков в направлениях, которые не связаны с поверхностями, на которых выполнены отверстия 3 для входа воздуха. Устройство охлаждения контактирует с печатной платой, обеспечивая при этом общий электрический потенциал с нулевым проводником печатной платы, оставаясь при этом изолированным от тепловыделяющих элементов. Форма контактной поверхности устройства охлаждения с печатной платой максимально повторяет форму металлизированных площадок печатной платы.
2
По периметру устройства охлаждения и в отдельных местах на некотором расстоянии от теплоотводящих площадок выполнены отверстия 2 для входа воздуха, а в области высокого нагрева 6 устройства охлаждения выполнены отверстия 5 для выхода воздуха, при этом последние выполнены в местах перехода теплоотводящих площадок 4 к области оребрения 1, где сечение устройства охлаждения изменяется ступенчато (скачкообразно). Максимальный размер отверстий, форма, их количество и направление оребрения устройства охлаждения выбраны из условия обеспечения оптимальной разницы температур между поверхностями, на которых расположены отверстия 3 для входа воздуха, и поверхностями, на которых расположены отверстия 5 для выхода воздуха. Разница температур составляет (5…15)°С при температуре воздуха окружающей среды 20°С, при максимальной мощности рассеивания тепловой энергии тепловыделяющих элементов печатной платы и коэффициенте конвекции 0,05 мВт/(мм·°С). При этом суммарная площадь отверстий 3 для входа воздуха выполнена больше суммарной площади отверстий 5 для выхода воздуха, а максимальный размер и форма отверстий для входа воздуха и для выхода воздуха ограничены условием минимального снижения электромагнитного экранирования тепловыделяющих элементов и печатной платы ((ЭМС для разработчиков продукции /Т.Уилльямс. - М.: Издательский Дом «Технологии», 2003 г. - 540 с. (стр.464), ЭМС для систем и установок/ Т.Уилльямс, К.Армстронг. - М.: Издательский Дом «Технологии», 2004 г. - 508 с. (стр.246)).
Устройство охлаждения работает следующим образом. Созданная оребрением 1 разница температур между поверхностями 2, где расположены отверстия 3 для входа воздуха, и поверхностями теплоотводящей площадки 4, где расположены отверстия 5 выхода воздуха, обеспечивает эффективность устройства охлаждения. Сильно нагретый воздух, покидая область высокого нагрева 6 устройства охлаждения, увлекает во внутреннее пространство между печатной платой и устройством охлаждения более холодный воздух с периметра печатной платы, при этом воздух с периметра печатной платы движется по кратчайшему пути к тепловыделяющему элементу, что позволяет воздушному потоку меньше нагреваться при движении к области высокого нагрева 6 устройства охлаждения. Использование такого решения позволяет решать проблему теплоотвода и перегрева тепловыделяющих элементов при отсутствии принудительного охлаждения и при обеспечении требования по обеспечению электромагнитного экранирования тепловыделяющих элементов.
На фиг.1 показано, как ограничено распределение тепловых потоков от группы, состоящей из трех тепловыделяющих элементов (теплоотводящие площадки 4), к группе, состоящей из двух тепловыделяющих элементов, наиболее чувствительных к тепловому режиму работы.
Отвод тепла от тепловыделяющих элементов осуществляется с применением теплопроводящей пасты, например КПТ-8 ГОСТ 19783, геля, например Gap Filler Gel 1500 ф.Bergquist, прокладок, например: Sil-Pad Shield, Gap-Pad НС 1100 ф.Bergquist или 2А3218 (Номакон-Gs)TY РБ 14576608.003-96.
Технический результат, моделирование которого выполнено в САПР Pro/Engineer (Фиг.2, Фиг.3), подтвержден при изготовлении опытных образцов. Введение узкого отверстия для входа воздуха и четырех отверстий для выхода воздуха позволило снизить тепловую нагрузку на тепловыделяющий элемент на 10°С при обеспечении разницы температур 6°С между областью высокого нагрева и температурой поверхности устройства охлаждения, на которой выполнены отверстия для входа воздуха. При этом получается недорогое устройство охлаждения, изготавливаемое на универсальном оборудовании, не требующее специальной оснастки и приспособлений.