РАДИАТОР

Полезная модель относится к устройствам для отвода тепла от электронных компонентов.
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 противолежащими 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 H05K 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 скреплены друг с другом посредством крепежным средством. Между радиаторными пластинами расположено множество распорок, каждая из которых расположена между соединительными частями смежных радиаторных пластин для обеспечения зазора между теплоотводными 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 теплопоглащающей части, непосредственно под тепловыделяющим элементом, и на удалении от него; а также высоким аэродинамическим сопротивлением воздушному потоку на входе и выходе из радиатора.
Известен радиатор (см. патент RU №2360381, МПК H01L 23/34, опубликован 27.11.2003), содержащий 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.
В известном радиаторе более эффективно используется противолежащая теплопоглощающей части часть поверхности радиаторных пластин, однако при охлаждении мощных электронных компонентов теплоотвод теплопоглощающей части оказывается недостаточным.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является принятый за прототип радиатор (см. патент RU №76537, МПК H05K 7/20, опубликован 20.09.2008) содержащий 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, при этом длина параллельных кромок радиаторных пластин больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок. Теплопроводящие прокладки скреплены с прямоугольными противолежащими выступами радиаторных пластин, при этом теплопроводящие прокладки установлены заподлицо с внешними кромками прямоугольных противолежащих выступов, а толщина теплопроводящих прокладок по меньшей мере на части их длины больше высоты упомянутых прямоугольных выступов.
В известном радиаторе-прототипе выступающие во внутрь один или несколько выступов прокладки или вся теплопроводящая прокладка по ее длине турбулизируют воздушный поток, что увеличивает теплоотвод. Однако
использование выступающих во внутрь теплопроводящих прокладок, образующих прямой угол с направлением воздушного потока для его турбулизации оправдано лишь для определенного подобранного режима работы конкретной конструкции системы принудительного воздушного охлаждения. Увеличение скорости потока охлаждающего воздуха для повышения коэффициента теплоотдачи оребренной поверхности известного радиатора обязательно приведет к критической величине возмущающих факторов (турбулентности) в зоне теплопоглощающей части, после которой начнется резкое увеличение гидравлического сопротивления воздушного канала, вплоть до образования воздушных пробок. Таким образом, конструкция известного радиатора-прототипа, у которой теплопроводящие прокладки вызывают неконтролируемую турбулентность, не может быть использована в качестве универсального охладителя для различных систем принудительного воздушного охлаждения.
Задачей, которую решает заявляемое техническое решение, являлась разработка такого радиатора, в котором бы более эффективно использовалась его теплопоглощающая часть и обеспечивался баланс гидравлического сопротивления воздушного канала и параметры воздухообменного устройства - вентилятора.
Поставленная задача решается тем, что радиатор содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере первые кромки, по меньшей мере части которых выполнены прямыми. Радиаторные пластины скреплены вблизи прямых по меньшей мере частей первых кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием теплопоглощающей части, контактирующей внешней поверхностью с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента. Внутренние поверхности теплопроводящих прокладок выполнены в виде регулярно чередующихся выступов и впадин Поверхности каждого выступа, перпендикулярные радиаторным пластинам, выполнены сходящимися друг к другу.
Выступы теплопроводящих прокладок могут быть выполнены в виде призм, усеченных призм, в виде полуцилиндров или элементов с любой другой цилиндрической поверхностью, торцами примыкающих к противолежащим радиаторным пластинам. Поверхность выступов и впадин в продольном сечении теплопроводящих прокладок может быть выполнена, например, в форме синусоиды.
Радиаторные пластины могут быть выполнены параллельными друг другу или расходящимися друг от друга в направлении, перпендикулярном продольным осям прокладок.
Радиаторные пластины могут иметь вторые кромки, противолежащие первым кромкам, при этом по меньшей мере части вторых кромок выполнены прямыми и параллельными прямым по меньшей мере частям первых кромок. Радиаторные пластины скреплены вблизи прямых по меньшей мере частей вторых кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием теплораспределительной части. При этом выступы теплопроводящих прокладок теплопоглощающей части могут противолежать выступам теплопроводящих прокладок теплораспределительной части или впадинам теплопроводящих прокладок теплораспределительной части.
Выступы теплопроводящих прокладок могут быть выполнены одинаковой высоты или разной высоты, например, сначала монотонно увеличивающейся, а затем монотонно уменьшающейся.
Радиаторные пластины и прокладки могут быть скреплены друг с другом, например, припоем или теплопроводящим клеем.
Радиаторные пластины и примыкающие к ним теплопроводящие прокладки могут быть выполнены одинаковой длины.
Длина радиаторных пластин может быть больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок.
Выступающие за торцы теплопроводящих прокладок участки радиаторных пластин могут иметь закругленные кромки.
Первые кромки радиаторных пластин могут иметь прямоугольные выступы, с которыми скреплены теплопроводящие прокладки. В этом варианте выполнения теплопроводящие прокладки установлены заподлицо с внешними кромками прямоугольных выступов, а толщина теплопроводящих прокладок в месте расположения их выступов больше высоты прямоугольных выступов первых кромок радиаторных пластин.
Вторые кромки радиаторных пластин могут иметь прямоугольные выступы, противолежащие прямоугольным выступам первых кромок, с прямоугольными выступами вторых кромок скреплены теплопроводящие прокладки с образованием теплораспределительной части. В этом варианте выполнения теплопроводящие прокладки установлены заподлицо с внешними кромками прямоугольных выступов вторых кромок, а толщина теплопроводящих прокладок в месте расположения их выступов больше высоты прямоугольных выступов вторых кромок радиаторных пластин. Выступы теплопроводящих прокладок теплопоглощающей части могут противолежать выступам теплопроводящих прокладок теплораспределительной части или впадинам теплопроводящих прокладок теплораспределительной части.
Радиаторные пластины 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 выполнена из алюминия.
Радиаторные пластины могут быть сформированы по меньшей мере в две группы, выполненные из радиаторных пластин разной толщины.
Теплопроводящие прокладки радиатора могут быть выполнены из металлов с различной теплопроводностью.
Объединение участков радиаторных пластин, противолежащих теплопоглощающей части, в теплораспределительную часть позволяет объединить радиаторные пластины (которые и участвуют непосредственно в принудительном конвективном теплообмене) в единый тепловой контур. Наибольшая эффективность 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 под 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. И 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 в поперечном разрезе заявляемой радиатор, у которого параллельные кромки радиаторных пластин и примыкающие к ним теплопроводящие прокладки выполнены одинаковой длины;
на фиг.2 изображен в разрезе по А-А заявляемой радиатор с первым вариантом теплопроводящих прокладок;
на фиг.3 показан в разрезе по А-А заявляемой радиатор с вторым вариантом теплопроводящих прокладок;
на фиг.4 изображен в разрезе по А-А заявляемой радиатор с третьим вариантом теплопроводящих прокладок;
на фиг.5 показан в разрезе по А-А заявляемой радиатор с четвертым вариантом теплопроводящих прокладок;
на фиг.6 показан вид спереди на радиатор, у которого длина параллельных кромок радиаторных пластин больше длины примыкающих к ним прямоугольных прокладок;
на фиг.7 изображен вид сверху на радиатор, показанный на фиг.6, с частичным вырезом радиаторной пластины;
на фиг.8 показан вид сбоку на радиатор, с другим вариантом радиаторных пластин с частичным вырезом;
на фиг.9 изображен вид сбоку на радиатор с третьим вариантом радиаторных пластин с частичным вырезом;
на фиг.10 показан вид сбоку на радиатор с четвертым вариантом радиаторных пластин с частичным вырезом;
на фиг.11 изображен вид спереди на радиатор с пятым вариантом радиаторных пластин;
на фиг.12 показан вид сбоку на радиатор с пятым вариантом радиаторных пластин с частичным вырезом;
на фиг.13 изображен вид спереди на радиатор с шестым вариантом радиаторных пластин;
на фиг.14 показан вид сбоку на радиатор с шестым вариантом радиаторных пластин.
Радиатор 1 для электронного компонента (см. фиг.1) содержит множество отдельных радиаторных пластин 2, имеющих первые кромки 3, по меньшей мере части которых выполнены прямыми. Радиаторные пластины 2 скреплены вблизи прямых частей первых кромок 3 через теплопроводящие прокладки 4 друг с другом с образованием теплопоглощающей части 5, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента (на чертеже не показан). Прямые части первых кромок 3 выполнены заподлицо с внешними поверхностями теплопроводящих прокладок 4. Внутренние поверхности 6 теплопроводящих прокладок 4 выполнены в виде регулярно чередующихся выступов 7 и впадин 8 (см. фиг.2 - фиг.5), при этом поверхности 9 каждого выступа 7, перпендикулярные радиаторным пластинам 2, выполнены сходящимися друг к другу (см. фиг.2). В результате угол атаки воздушного потока к поверхности 9 выступа 7 оказывается меньше 90°. Выступы 7 теплопроводящих прокладок 4 могут быть выполнены, например, в виде призм (см. фиг.2), полуцилиндров (см. фиг.3), усеченных призм (см. фиг.5) примыкающих торцами к противолежащим радиаторным пластинам 2. Поверхность выступов 7 и впадин 8 в продольном сечении теплопроводящих прокладок 4 может быть выполнена, например, в форме синусоиды (фиг.4). Выступы 7 теплопроводящих прокладок 4 могут быть выполнены одинаковой высоты (см. фиг.2 - фиг.7) или разной высоты, например, сначала монотонно увеличивающейся, а затем монотонно уменьшающейся (см. фиг.8). Радиаторные пластины 2 могут иметь вторые кромки 10, противолежащие первым кромкам 3. По меньшей мере части вторых кромок 10 могут быть выполнены прямыми и параллельными прямым по меньшей мере частям первых кромок 3. В этом воплощении полезной модели радиаторные пластины 2 скреплены вблизи прямых по меньшей мере частей вторых кромок 10 через теплопроводящие прокладки 4 друг с другом с образованием теплораспределительной части 11 (см. фиг.6). Выступы 7 теплопроводящих прокладок 4 теплопоглощающей части 5 могут противолежать выступам 7 теплопроводящих прокладок 4 теплораспределительной части 11 (см. фиг.7) или впадинам 8 теплопроводящих прокладок 4 теплораспределительной части 11 (см. фиг.8). При таком выполнении образуется канал с многократным изменением направления движения охлаждающего воздуха, что важно для малогабаритных радиаторов, когда высота радиаторной пластины 2 соизмерима с высотой прокладки 4. Радиаторные пластины 2 и прокладки 4 могут быть скреплены друг с другом различными известными методами, например, пайкой или склейкой. Радиаторные пластины 2 и примыкающие к ним прокладки 4 в одном воплощении изобретения могут иметь одинаковую длину (см. фиг.1 - фиг.5, фиг.11 - фиг.14). В другом воплощении полезной модели длина радиаторных пластин 2 больше длины примыкающих к ним прокладок 4 (см. фиг.7 - фиг.10). В этом варианте минимальное аэродинамическое сопротивление воздушному потоку достигается благодаря тому, что выступающие за пределы теплопроводящих прокладок 4 (т.е. теплопоглощающей части) радиаторные пластины 2 образуют воздушный канал (представляющий собой множество элементарных каналов, образованных множеством радиаторных пластин 2) сечение которого всегда больше, чем сечение канала непосредственно под теплопоглощающей частью 5 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 происходит под теплопоглощающей частью 5 радиатора 1, когда воздушный поток движется в установившемся режиме (когда толщина и количество радиаторных пластин 2 не влияет на скорость его движения). Поэтому возмущения (турбулентность) воздушного потока в зоне теплопоглощающей части 5 приводят к значительному повышению эффективности теплообмена при минимальном увеличении аэродинамического сопротивления воздушному потоку. Радиаторные пластины 2, образующие множество элементарных каналов, могут иметь имеют разную толщину. Группы толстых пластин 2 располагаются, как минимум, по краям и обеспечивают механическую прочность радиатора 1, исполняя роль несущей конструкции. Группа тонких пластин 2 вызывает минимальные возмущения (турбулентность) при огибании их воздушным потоком на входе и выходе из радиатора 1. Выступающие за торцы прокладок 4 участки 12 радиаторных пластин 2 могут иметь как прямые кромки 13 (см. фиг.7), заостренные кромки 14 (см. фиг.8), так и закругленные кромки 15 (см. фиг.9, фиг.10) и также выступать с одной стороны прокладки 4 (см. фиг.10) или с двух ее сторон (см. фиг.7 - фиг.9). В другом воплощении полезной модели радиаторные пластины 2 выполнены расходящимися друг от друга в направлении, перпендикулярном продольным осям прокладок 4., т.е. расходиться веерообразно (см. фиг.11 - фиг.14). В еще одном воплощении полезной модели (см. фиг.9, фиг.10) теплопроводящие прокладки 4 скреплены с прямоугольными выступами 16 кромок 3 и/или 10 радиаторных пластин 2, при этом теплопроводящие прокладки 4 установлены заподлицо с внешними кромками прямоугольных противолежащих выступов 16, а толщина теплопроводящих прокладок 4 в месте расположения их выступов 7 больше высоты прямоугольных выступов 16 радиаторных пластин 2. Радиаторные пластины 2 могут быть сформированы в несколько групп, например, в три группы, выполненные из металлов с различной теплопроводностью, например, группы первая и третья радиаторных пластин 2, расположенные с двух сторон радиатора 1, изготовлены из алюминия, а вторая группа радиаторных пластин 2, расположенная над источником тепла, изготовлена из меди. Не изменяя геометрические размеры радиатора 1, применяя более тонкие радиаторные пластины 2, в зависимости от поставленной задачи, можно или увеличивать количество пластин 2 (площадь теплоотдачи) или увеличивать зазор между ними, увеличивая тем самым эффективное сечение элементарного воздушного канала (пространство между соседними радиаторными пластинами 2). В сочетании с возможностью комбинирования материалов с различной теплопроводностью, из которых изготавливают как радиаторные пластины 2, так и теплопроводящие прокладки 4, 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.
3
В соответствии с заявляемой полезной моделью были изготовлены образцы радиаторов охлаждения для бортового приемо-передатчика мощностью 60 Вт с требованиями минимальных массогабаритных показателей. Два транзистора 20 Вт и 40 Вт были установлены на двухстороннем радиаторе высотой 42 мм. Для отвода тепловыделения оказалось достаточным использование маломощного вентилятора производительностью 60 м/час.