РАДИАТОР
RADIATOR

Устройство относится к электронной технике, в частности к устройствам охлаждения с естественной циркуляцией воздуха, и может применяться в составе электронных модулей, шасси, крейтов стационарных и подвижных объектов в условиях высокой температуры, вибрации, запыленности и т.п.
В настоящее время широкое распространение получили системы охлаждения электронных устройств, использующие различные физические эффекты: охлаждение потоком воздуха, использование охлаждающих жидкостей, использование испарителей и переходов (прямого и обратного) агрегатного состояния охладителя из жидкого состояния в газообразное или из твердого состояния в пластичное. Также в новых разработках находят применение устройства отведения тепла с использованием термоэлектрических элементов Пельтье. В зависимости от условий эксплуатации в электронных приборах могут применяться одна или несколько систем охлаждения, при этом выбор системы охлаждения существенно влияет на надежность и стоимость электронного прибора. Любая система активного охлаждения, работающая от внешнего электрического питания, вносит свою составляющую в нагрев электронного прибора, а в случае отказа является препятствием для пассивного (естественного) охлаждения электронного прибора. Системы пассивного охлаждения обладают бесспорным преимуществом перед активными системами охлаждения, так как для них отсутствует понятие «отказ», а вследствие использования окружающего воздуха в качестве охлаждающей среды и отсутствия изнашиваемых элементов они не требуют дополнительных стоимостных затрат ни на этапе изготовления, ни в эксплуатации.
Известен модульный элемент корпуса для пассивного охлаждения теплонагруженных электронных модулей (патент США №4953058, H05K7/14, H05K7/20, опубл. 28.08.1990), снабженный внешним и внутренним оребрениями, формирующими внешние и внутренние каналы охлаждения.
Недостатком аналога является то, что для рассеивания тепла от теплонагруженных электронных модулей, установленных в корпусе, состоящем из двух или более модульных элементов, используется внутренний объем этого корпуса, хотя объем, занимаемый каналами воздуховода, также мог бы быть использован для размещения функциональных электронных модулей. Кроме того, размещение электронных модулей в таком корпусе возможно с невысокой плотностью и с использованием дополнительных элементов для отвода тепла. Причем размещение дополнительных электронных модулей будет неизбежно сопровождаться увеличением габаритных размеров и веса электронного устройства в целом. Использование аналога в подвижных объектах, в частности в объектах авиационного назначения, в силу наличия жестких ограничений по габаритным размерам корпуса электронного устройства, а также длинам электрических цепей между функциональными электронными модулями неприемлемо.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является радиатор (патент США №7751192, H05K7/20, опубл. 06.07.2010), который выполнен из металла либо теплопроводящего полимера и предназначен для поглощения избыточного тепла от тепловыделяющего устройства и его рассеяния посредством передачи тепловой энергии газу (воздуху). Радиатор снабжен элементами теплообмена в виде ребер и/или стоек конусообразной формы, которые являются его неотъемлемой частью, либо присоединены к нему непосредственно, либо путем одного или более промежуточных соединений, причем ребра образуют конусообразные каналы с открытым дном-входом и верхом-выходом, расширяющиеся в вертикальном направлении. Радиатор присоединен к источнику тепла непосредственно либо через одно или несколько промежуточных соединительных устройств.
Воздух поступает в канал радиатора пассивным образом через дно-вход либо с внешней стороны в щель, образуемую ребрами радиатора. Вследствие конусообразной формы канала между элементами теплообмена площадь поперечного сечения канала увеличивается в зависимости от расстояния вдоль вертикальной оси, совпадающей с направлением восходящего потока воздуха. В результате разреженность пассивного нагретого потока воздуха по направлению к выходу из канала повышается, воздух становится более легким и начинает подниматься. Ввиду подъема воздуха вверх создается область с более низким давлением, которая втягивает в себя дополнительный воздух. В результате скорость движения пассивного воздуха около элементов теплообмена повышается.
Геометрическая форма элементов прототипа способствует разрежению (расширению) нагретого воздуха, благодаря чему происходит ускорение пассивного потока воздуха в направлении, противоположном силе гравитации, чем достигается повышение эффективности отвода тепла от радиатора в окружающее пространство.
Недостатком прототипа является то, что внешние и внутренние тепловые воздушные потоки функционируют изолированно друг от друга, несмотря на то, что имеется возможность использовать быстрые внешние потоки воздуха для ускорения медленных внутренних потоков воздуха и повышения эффективности использования внутренней поверхности радиатора для охлаждения электронного устройства.
Другим недостатком прототипа является использование сужающихся к нижней части радиатора каналов, образованных элементами теплообмена, вследствие чего в процессе эксплуатации либо простоя возможно осаждение на наклонных поверхностях элементов теплообмена пыли, сажи и т.п., что ухудшит работоспособность радиатора и электронного устройства в целом. Кроме того, шероховатые покрытия, нанесенные на поверхности радиатора, со временем также могут загрязниться, следствием чего может стать ухудшение формирования тепловых потоков около поверхности радиатора и снижение эффективности пассивного охлаждения электронного устройства в целом.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности охлаждения электронного устройства.
Технический результат достигается тем, что радиатор содержит стенку, по меньшей мере, два теплообменных элемента, расположенных на внешней стороне стенки и образующих внешнее оребрение, по меньшей мере, два теплообменных элемента, расположенных на внутренней стороне стенки и образующих внутреннее оребрение, и отличается тем, что внешнее оребрение состоит из каналов, чередующихся с прямыми выступами, причем площадь поперечного сечения каналов внешнего оребрения в верхней части стенки меньше, чем в средней ее части, внутреннее оребрение состоит из чередующихся каналов с площадью поперечного сечения постоянной величины и каналов с площадью поперечного сечения переменной величины, выполненных максимально близко к внешней поверхности прямого выступа, разделенных ребрами, канал внешнего оребрения выполнен напротив канала с площадью поперечного сечения постоянной величины внутреннего оребрения, а выступ внешнего оребрения - напротив каналов внутреннего оребрения с площадью поперечного сечения переменной величины, увеличивающейся к их входам и выходам. При этом в, по меньшей мере, одном выступе может быть выполнено, по меньшей мере, одно сквозное отверстие под острым углом вверх по отношению к поверхности выступа.
Предлагаемое техническое решение представлено на чертежах:
Фиг. 1 - фрагмент радиатора с элементами внешнего оребрения;
Фиг. 2 - фрагмент радиатора с элементами внутреннего оребрения;
Фиг. 3 - канал с площадью поперечного сечения переменной величины внешнего оребрения, в разрезе;
Фиг. 4 - взаимное расположение внешнего и внутреннего оребрений;
Фиг. 5 - канал с площадью поперечного сечения переменной величины внутреннего оребрения, в разрезе;
Фиг. 6 - места образования турбулентных потоков воздуха в канале, показанном на Фиг. 5,
где приведены следующие обозначения:
1 - стенка
2 - внешнее оребрение
3 - внутреннее оребрение
4 - канал с площадью поперечного сечения переменной величины внешнего оребрения
5 - прямой выступ
6 - верхняя часть канала 4
7 - канал с площадью поперечного сечения постоянной величины внутреннего оребрения
8 - канал с площадью поперечного сечения переменной величины внутреннего оребрения
9 - ребро
10 - теплонагруженная поверхность
11 - сквозное отверстие
12 - вход канала 8
13 - выход канала 8.
Радиатор изготовлен из теплопроводящего металла, например АД1 по ГОСТ 4784, либо металлического сплава, например, Д1 по ГОСТ 4784, и содержит стенку 1 (Фиг.1), снабженную внешним оребрением 2 и внутренним оребрением 3 (Фиг. 2). Внешнее оребрение 2 представляет собой каналы 4, чередующиеся с прямыми выступами 5. Верхняя часть 6 (Фиг. 3) каналов 4 имеет переменную глубину. Внутреннее оребрение 3 представляет собой чередующиеся каналы 7 постоянной глубины и каналы 8 переменной глубины, разделенные ребрами 9. Внутри каналов 7 располагаются теплонагруженные поверхности 10 (Фиг. 4), которые сопрягаются с нагретыми поверхностями электронных модулей (не показаны).
В выступе 5 под острым углом относительно направления восходящего потока воздуха V выполнено сквозное отверстие 11 (Фиг. 5).
На Фиг. 6 показано образование вихрей в области сквозного отверстия 11 при формировании  восходящего потока воздуха, вызванного нагревом радиатора.
Площади поперечного сечения на входе 12 и выходе 13 канала 8 плавно увеличиваются за счет изменения глубины канала 8. Изменение глубины канала 8 на входе 12 и выходе 13 в форме зависимости второго порядка, в том числе в форме части окружности, может быть выполнено на оборудовании с числовым программным управлением. Наиболее технологичной формой изменения глубины канала 8 является часть окружности, которая может быть выполнена также на универсальном металлорежущем оборудовании.
2
Для минимизации расстояния между воздушным потоком, движущимся в направлении V, и внешним воздушным потоком, движущимся в направлении V, стенка 1 на выходе 13 канала 8, а именно, между поверхностью дна канала 8 и внешней поверхностью выступа 5, имеет минимально возможную толщину, но не менее 1 мм.
Отвод тепла от электронного устройства при помощи предлагаемого радиатора пассивного охлаждения осуществляется следующим образом.
1
1,
ср
1
Тепловой поток от теплонагруженных поверхностей 10 распространяется по телу стенки 1 и нагревает ее. Тепловое излучение выделяется в окружающее пространство через поверхности внешнего оребрения 2 и внутреннего оребрения 3. Внешний поток нагретого воздуха V совершает восходящее движение по каналам 4 и вдоль выступов 5 по направлению к верхней части стенки 1. Вследствие плавного уменьшения глубины каналов 4 в верхней части стенки 1 восходящий поток воздуха, движущегося вверх по каналам 4, меняет направление V на направление V. На выходе из канала 4 нагретый воздух, движущийся по направлению Vперемешивается с воздухом, движущимся по направлению V, формируя поток, описываемый осредненным значением скорости V=(V+V)/2.
2
2
В связи с тем что теплонагруженные поверхности 10 каналов 7 сопряжены с нагретыми поверхностями электронных модулей, движение воздуха возможно только по каналам 8 с направлением V. Таким образом, со стороны внутреннего оребрения 3 поток нагретого воздуха совершает восходящее движение по каналу 8 от входа 12 к выходу 13 по направлению V (Фиг. 5).
ср
В силу нагрева воздух около верхней части стенки 1 с внешней стороны радиатора разрежен и движется со скоростью V. Это способствует вытягиванию воздуха во внешнюю среду из внутреннего объема электронного устройства через выход 13 канала 8.
ср
1
2
2
2,
При нагревании радиатора над выходом 13 обеспечивается условие, когда VР<VР, вследствие чего нагретый и разреженный воздух, движущийся по направлению Vувлекается восходящим потоком воздуха, движущимся по направлению V.
Благодаря увеличению площади поперечного сечения на выходе канала 8 создается перепад давления воздуха между входом 12 и выходом 13, необходимый для обеспечения движения воздуха по каналу 8. При движении воздуха в плавно расширяющемся выходе 13 давление воздуха в области выхода 13 снижается, в результате воздух движется по каналу 8 под действием естественной конвекции.
1
2
Максимально близкое расположение выхода 13 канала 8 к внешнему восходящему потоку воздуха V позволяет использовать разницу давлений P и P для вытягивания воздуха из канала 8 (эффект Вентури).
2
Отверстие 11 способствует повышению турбулентности внешнего V и внутреннего V воздушных потоков и эффективному перемешиванию воздуха, а также проникновению воздуха в канал 8 со стороны внешнего оребрения 2.
ср
1
2
2
Для каждой пары «канал 4 - канал 7», «канал 8 - выступ 5» в области выхода 13 выполняется условие VР<VР, благодаря чему обеспечено более интенсивное движение внутренних воздушных потоков по направлению к верхней части радиатора. За счет чередования вышеупомянутых пар достигается перемешивание воздуха и эффективное рассеивание тепловой энергии в окружающее пространство за счет использования восходящих тепловых потоков, созданных самим радиатором.
Благодаря движению воздуха в канале 8 и наличию отверстия 11 возможность оседания пыли на поверхности канала 8 и загрязнения радиатора сводится к минимуму.
Таким образом, заявленный технический результат, а именно повышение эффективности охлаждения электронного устройства, достигается за счет того, что в конструкции радиатора имеются каналы с площадью поперечного сечения переменной величины и, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выполненное в, по меньшей мере, одном выступе под острым углом вверх по отношению к поверхности выступа, что позволяет использовать внешний поток воздуха, движущийся с более высокой скоростью, для активизации потоков внутри электронного прибора, а также более эффективно использовать поверхности радиатора для рассеяния тепла. Благодаря наличию отверстий и форме каналов радиатора происходит более интенсивное перемешивание воздуха и увеличивается площадь поверхности радиатора, участвующей в отведении тепла в окружающую среду.
Вышеперечисленные улучшения обеспечивают охлаждение электронных блоков, размещенных в электронном устройстве, до температуры, лежащей в диапазоне рабочих температур от -65°С до +55°С, эффективный отвод тепла от тепловыделяющих компонентов электронного устройства, и в итоге - безотказное функционирование электронного устройства.
Изготовление и испытания опытного образца радиатора предлагаемой конструкции подтвердили его эффективность для отвода тепла и работоспособность применительно к изделиям авиационного назначения, работающим в сложных условиях.