УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ИНДУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
DEVICE FOR INDUCTANCE CELL COOLING

Устройство охлаждения индуктивного элемента с ферритовым сердечником модульного типа относится к области электротехники, а конкретно к индуктивным элементам, применяемым в электротехнических изделиях общего и специального назначения, в частности в преобразователях напряжения и электронных балластах.
Известен способ отвода тепла от планарного трансформатора по патенту US 7920039, приоритет от 25.09.2008 г. с помощью, по крайней мере, одного радиатора, выполненного как единое целое с торцевой частью бокового ярма магнитной системы модульного типа, выполненной из феррита. Недостатки: отвод тепла осуществляется преимущественно от одной поверхности магнитной системы; отвод тепла от обмоток осуществляется практически полностью через магнитную систему; теплорассеивающая поверхность обмоток, находящаяся за пределами ферритового сердечника дает небольшой вклад в отвод тепла, так как имеет малые размеры по сравнению со всей площадью поверхности обмоток.
Известен индуктивный компонент, патент US 7508290, приоритет от 21.07.2003, в котором в качестве магнитной системы используется ферритовый сердечник модульного типа, например, конфигурации RM; для отвода тепла от обмоток присутствует устройство охлаждения, имеющее в составе, по крайней мере, один композитный материал с, по крайней мере, одним полимерным материалом и, по крайней мере, один термически проводящий наполнитель. Недостатки: большая суммарная площадь, занимаемая индуктивным и охлаждающим элементами на поверхности монтажа; отвод тепла осуществляется от одной торцевой части бокового ярма, использование нескольких теплопроводных материалов усложняет технологию изготовления и повышает стоимость электротехнического устройства.
Известен преобразователь напряжения планарный, патент на полезную модель №116269, приоритет от 30.11.2011, характеризующийся: наличием крепежного элемента 7, являющегося теплоотводом от обеих частей ферритового сердечника; кожухов-радиаторов 8,9; теплорассеивающих поверхностей 15; печатной платы 2 и теплопроводного компаунда 16, заполняющего свободное пространство между кожухами-радиаторами 8 и 9. Недостатки: нет непосредственного отвода тепла от обмотки; охлаждающее устройство занимает площадь, превышающую площадь, занимаемую ферритовым сердечником; наличие кожуха и его крепежных элементов удорожает процесс сборки и повышает стоимость всего изделия в целом.
Известна оптимизированная механическая конструкция источника питания ССМ250 (описание на сайте производителя - компании «ХР Power»: ). В данной конструкции индуктивный компонент установлен на плату частью внешней поверхности одной боковой части бокового ярма, а торцевая часть боковой поверхности ярма магнитной системы имеет тепловой контакт с боковой частью П-образного теплоотводящего шасси. Недостаток: отвод тепла осуществляется только от одной торцевой части бокового ярма броневой магнитной системы.
Известно теплопроводное крепление моточного узла (патент на полезную модель RU 107394, приоритет 08.02.2011), в котором функции крепления, диэлектрической изоляции и отвода тепла выполняет полимеризовавшийся компаунд. Недостаток: отвод тепла осуществляется, в основном, от обмотки.
Данное техническое решение наиболее близко по конструктивным и технологическим характеристикам к заявляемому техническому решению и поэтому принято за прототип.
Задачами изобретения являются: уменьшение площади, занимаемой индуктивным элементом; отвод тепла от магнитной системы индуктивного элемента в нескольких направлениях; отвод тепла от торцевых частей обмоток в разных направлениях; уменьшение затрат на установку индуктивного элемента.
Решение поставленных задач достигается тем, что устройство охлаждения индуктивного элемента, включающее магнитную систему, имеющую два боковых ярма, соединяющих оба конца стержня; по крайней мере, одну обмотку; по крайней мере, один внешний теплоотвод; теплопроводный элемент; теплоотвод от обмотки; крепежный элемент; отличается тем, что магнитная система состоит из двух состыкованных частей; крепежный элемент соединяет один внешний теплоотвод, теплоотвод от обмотки и одну часть внешней поверхности одной боковой части бокового ярма, при этом продольная ось стержня магнитной системы смещена относительно места крепления одного внешнего теплоотвода и одной части внешней поверхности одной боковой части бокового ярма вдоль поверхности одного внешнего теплоотвода; теплопроводный элемент заполняет свободное пространство между внутренними поверхностями боковых и торцевых частей боковых ярм.
В предпочтительном варианте устройства один внешний теплоотвод представляет собой теплопроводный плоский лист.
В предпочтительном варианте устройства теплопроводный элемент, теплоотвод от обмотки и крепежный элемент выполнены из термоактивной и термопластической полимерной смолы.
В предпочтительном варианте устройства магнитная система выполнена из двух симметричных состыкованных частей.
В предпочтительном варианте устройства магнитная система представляет собой модульную конструкцию, выполненную из феррита и предназначенную для установки цилиндрических катушек на печатную плату.
В предпочтительном варианте устройства магнитная система представляет собой ферритовый сердечник конфигурации RM.
В предпочтительном варианте устройства обмотки индуктивного элемента выполнены в виде набора печатных плат.
В другом варианте устройства один внешний теплоотвод представляет собой радиатор.
В другом варианте устройства один внешний теплоотвод выполнен в виде П-образного профиля из теплопроводного материала.
Возможен вариант устройства, в котором один внешний теплоотвод выполнен в виде открытого с одной стороны короба, выполненного из теплопроводящего материала.
Возможен вариант устройства, в котором отвод тепла от индуктивного элемента осуществляется через несколько внешних теплоотводов, размещенных не менее чем на двух внешних поверхностях магнитной системы
Возможен вариант устройства, в котором магнитная система представляет собой ферритовый сердечник конфигурации РМ.
Возможен вариант устройства, в котором магнитная система выполнена из двух несимметричных состыкованных частей.
Ниже приведены чертежи, поясняющие сущность заявленного технического решения:
на фиг.1 приведен ферритовый сердечник модульного типа, предназначенный для монтажа на плату;
на фиг.2 приведен внешний вид стыкуемых частей магнитной системы; ферритовый сердечник модульного типа, предназначенный для монтажа на плату, используемого в предпочтительном варианте изобретения;
на фиг.3 приведен вид сбоку предпочтительного варианта изобретения;
на фиг.4 приведен вид сверху предпочтительного варианта изобретения;
на фиг.5 представлено поперечное сечение предпочтительного варианта изобретения;
на фиг.6а приведен вид сбоку для первого варианта установки индуктивного элемента на теплоотвод, выполненный в виде П-образного профиля;
на фиг.6б приведен вид сверху для второго варианта установки индуктивного элемента на теплоотвод, выполненный в виде П-образного профиля;
на фиг.7 приведен вид сверху для варианта установки индуктивного элемента на внешний теплоотвод, выполненный в виде открытого с одной стороны короба;
на фиг.8 приведен вид сбоку для варианта установки индуктивного
элемента, имеющего один и другой внешние теплоотводы;
на фиг.9 приведен вид сверху для варианта установки индуктивного элемента, имеющего один теплоотвод и два дополнительных внешних теплоотвода.
Далее описывается предпочтительный вариант изобретения, который является одним из возможных вариантов устройства охлаждения от индуктивного элемента и служит только для пояснения сущности заявленного технического решения.
В известных из уровня техники решениях, каркас с проволочной обмоткой размещается внутри магнитной системы в виде ферритового сердечника 1 и с помощью пайки закрепляется на плате (фиг.1). Конструктивно ферритовый сердечник выполнен из двух симметричных элементов, которые при состыковке образуют броневую магнитную систему (фиг.2), имеющую две боковых части бокового ярма 2 и 3 (далее по тексту описания: боковое ярмо 2 и боковое ярмо 3), две торцевых части бокового ярма 4 и 5 (далее по тексту описания: торцевое ярмо 4 и торцевое ярмо 5), соединяющие оба конца стержня 6.
В предпочтительном варианте изобретения (фиг.3-5) на внешнем теплоотводе 7 посредством крепежного элемента 8 размещается часть внешней поверхности бокового ярма 2 (далее по тексту описания: часть бокового ярма) (фиг.3). Торцевые части и нижние части поверхностей набора печатных плат 9 размещенного вокруг сердечника магнитной системы 6 через теплоотвод от обмотки 10 соединены с крепежным устройством 8 (фиг.3, 5). Теплопроводный элемент 11 (фиг.4, 5), имеющий теплоотдающую поверхность 12 (фиг.5), размещен в пространстве между внутренней поверхностью боковых ярм 2 и 3 (фиг.5) и торцами набора печатных плат 9, а так же между внутренними поверхностями торцевых ярм 4 и 5 (фиг.4) и обращенными к ним поверхностями печатных плат 9, а также между печатными платами 9.
Показанные на фиг.3-5 крепежный элемент 8, теплоотвод от обмотки 10 и теплопроводный элемент 11 выполнены из одного термоактивного, термопластического полимерного материала, например эпоксидного компаунда, и, по окончании процесса установки индуктивного элемента на один внешний теплоотводящий элемент, представляют собой монолитную конструкцию, не имеющую переходных термосопротивлений. Поэтому границы между крепежным элементом 8, теплоотводом от обмотки 10 и теплопроводным элементом 11 показаны штрихованными и означают деление по выполняемым функциям. Крепежный элемент 8 соединяет индуктивный элемент 1, точнее, часть бокового ярма 2 и теплоотвод от обмотки 10 с внешним теплоотводом 7; теплоотвод от обмотки 10 соединяет одну часть обмотки 9, находящейся вне пределов области, ограниченной магнитной системой (фиг.3, 5) с крепежным элементом 8 и теплопроводным элементом 11; теплопроводный элемент 11 заполняет свободное пространство между боковыми ярмами 2 и 3, торцевыми ярмами 4 и 5, а также зазоры между платами обмотки 9 и формирует поверхность теплорассеивания 12.
Как вариант, в качестве внешнего теплоотвода 7 может использоваться П-образный профиль из теплопроводного материала, имеющий основание и две боковые части (фиг.6а и 6б). В первом варианте крепления (фиг.6а) индуктивный элемент закреплен на внешнем теплоотводе 7 крепежным элементом 8 и имеет еще один теплопроводный и механический контакт частью бокового ярма 3 через крепежный элемент 8 с боковой частью внешнего теплоотвода 7. В этом случае теплоотвод от обмотки 10 закреплен сразу на двух внешних теплоотводах 7. Во втором варианте крепления (фиг.6б) к боковой части внешнего теплоотвода 7 через крепежный элемент 8 прикрепляется торцевое ярмо 4. Ширина теплоотвода от обмотки 10 равна расстоянию между внешними поверхностями торцевых ярм 4 и 5, поэтому теплоотвод от обмотки 10 контактирует с боковой частью внешнего теплоотвода 7.
Как вариант, в качестве внешнего теплоотвода 7 может использоваться открытый с одной стороны короб из теплопроводного материала (фиг.7). В этом случае к боковым сторонам внешнего теплоотвода 7 через крепежный элемент 8 прикреплены часть бокового ярма 3 и торцевое ярмо 4.
Как вариант, в устройстве охлаждения индуктивного элемента может присутствовать другой внешний теплоотвод 13, например, теплопроводная крышка корпуса прибора (фиг.8). В этом случае внешний теплоотвод 13 через крепежный элемент 8 соединен с частью бокового ярма 3 и теплоотводом 14 от другой части обмотки 9.
Как вариант, возможно решение, в котором к боковому ярму 3 и торцевым ярмам 4 и 5 через крепежный элемент 8 прикреплены дополнительные внешние теплоотводы 15, 16, и 17 (фиг.9). Индуктивный элемент закреплен на основании 7 крепежным элементом 8 (на фиг. 9 не показан); к обоим торцевым ярмам 4 и 5 через крепежный элемент 6 прикреплены дополнительные внешние теплоотводы 15 и 17; к части бокового ярма 3 через крепежный элемент 8 прикреплен дополнительный внешний теплоотвод 16, выполненный, например, в виде радиатора. Дополнительные внешние теплоотводы 15-17 могут быть выполнены в виде отдельных элементов или представлять собой П-образный или замкнутый профиль из теплопроводного материала. Развитая поверхность может размещаться не только так, как показано на фиг.9, но и на любом из дополнительных внешних теплоотводов или на его части. Возможен вариант, когда каждый дополнительный внешний теплоотвод имеет свой тип развитой поверхности в зависимости от условий теплорассеивания.
В предпочтительном и иных вариантах устройства отвода тепла от индуктивного элемента крепежный элемент выполнен, например, из эпоксидного компаунда. Такое решение позволяет использовать один крепежный элемент из одного и того же материала и одной и той же конструкции для фиксации индуктивного элемента за одну, две или три поверхности и отводить тепло от всех частей внешней поверхности индуктивного элемента и обмоток.
Электронное устройство работает следующим образом.
В рабочем состоянии индуктивного элемента происходит выделение тепла от магнитной системы и обмотки.
Отвод тепла от индуктивного элемента в предпочтительном варианте изобретения осуществляется в разных направлениях следующим образом.
Часть тепла от ферритового сердечника 1 отводится через часть бокового ярма 2; часть тепла от обмотки 9 через теплопроводный элемент 11 и теплоотвод от обмотки 10 отводится через крепежный элемент 8. Это суммарное тепло рассеивается на внешнем теплоотводе 7 в одном направлении. Конструктивное решение теплоотвода позволяет с помощью одного крепежного элемента 8 жестко соединить индуктивный элемент 1 и внешний теплоотвод 7, который, как правило, уже имеет крепление с конструктивными частями прибора, в котором используется индуктивный элемент, или представляет собой часть теплопроводной конструкции этого прибора, например, является основанием теплопроводного корпуса прибора.
Часть тепла от ферритового сердечника 1 рассеивается от бокового ярма 3 и торцевых ярм 4 и 5 непосредственно. Теплопроводный элемент 11, заполняющий все внутреннее пространство ферритового сердечника и располагающийся между платами обмотки, заполняет все зазоры, равномерно распределяет тепло по объему и образует теплорассеивающую поверхность 12 для отвода другой части тепла от обмотки. При этом части обмоток, выступающие за теплорассеивающую поверхность 12 (верхние на фиг. 3-5), формируют развитую поверхность для рассеивания тепла в другом направлении. Этот суммарный поток тепла отводится от индуктивного элемента в другом направлении.
Варианты технического решения предназначены для рационального использования особенностей пространственного размещения деталей и конструктивных узлов в объеме электронного прибора. Например, в существующих технологиях изготовления преобразователей напряжения применяются конденсаторы общего назначения с оксидным диэлектриком и высота электронного устройства определяется габаритами самого высокого конденсатора. Для механической оптимизации данной конструкции прибора можно использовать в качестве магнитной системы индуктивного элемента, например, сердечник модульного типа конфигурации RM или РМ. Такой подход к оптимизации механической конструкции позволит использовать такой ферритовый сердечник с характеристиками, заведомо превышающими расчетные для данной электрической схемы, что позволит улучшить отвод тепла от индуктивного элемента.
Варианты конструкции внешнего теплоотвода 7 и/или использование дополнительных теплоотводов (например, в случае, если в приборе рядом с индуктивным элементом располагаются детали небольшой высоты) позволяют управлять потоками отводимого тепла от конструктивно одинаковых индуктивных элементов, рассчитанных на использование с разными напряжениями и токами.
При изготовлении устройства охлаждения индуктивного элемента используются серийно выпускаемые ферритовые сердечники; в качестве набора печатных плат могут использоваться известные односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы; варианты внешних теплоотводов не требуют доработки известных корпусов, металлизированных плат и радиаторов. Также применяются известные полимеризующиеся материалы, например эпоксидный компаунд, и поэтому устройство охлаждения индуктивного элемента может быть воспроизведено.