СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА
METHOD AND DEVICE FOR HEAT REMOVAL

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в изделиях на основе электронных схем. Более конкретно изобретение относится к способу устройству отвода тепла от электронных компонентов.
Современные электронные устройства становятся все более сложными, при этом разработчики стремятся уменьшать размеры как электронных компонентов, так и самих устройств, размещая эти компоненты все более компактно и на меньшей площади. Известно, что электронные компоненты в процессе работы излучают тепло, т.е. являются источниками тепла, которое может оказаться препятствием для их нормального функционирования и даже вызывать отказ в работе. Соответственно, отводу тепла от электронных компонентов уделяется серьезное внимание.
Электронные компоненты снабжают охлаждающими элементами, обеспечивающими отвод образующегося тепла посредством конвекции и/или теплопередачи в окружающую среду. В качестве теплоотвода применяются конструкции из металлов или сплавов, обладающие высокой теплопроводностью и/или большой площадью поверхности, такие как корпусные детали или специализированные конструкции-радиаторы. При этом важно обеспечивать надежный контакт между генерирующим тепло компонентом и теплоотводом. Известны различные технические решения в этой области, в частности, с применением между электронным компонентом и теплоотводом материалов-посредников, например, использование слюдяных пластинок или теплоотводящих паст, в частности силиконовой пасты с примесью окиси алюминия. Однако пасты с течением времени могут растрескиваться, снижая теплообмен, кроме того, применение неупругих элементов или паст невозможно для условий работы в конструкциях с допускаемым взаимным смещением источника тепла и теплоотвода.
Данная проблема в некоторой степени решена в патентах US 4654754 и RU 2152697, описывающих конструкции, в которых между источником тепла, электронным компонентом и теплоотводом предусмотрены теплопроводящие элементы с выступами или без них из упругого теплопроводящего материала. Теплопроводящие элементы тесно прижимаются к смежным поверхностям. При этом их выступы могут деформироваться, обеспечивая сохранение контакта при взаимном смещении смежных поверхностей. Недостатком таких решений является то, что они решают задачи переноса тепла от источника тепла к теплоотводу в статическом состоянии, например, деформация выступов обеспечивает заполнение зазора между смежными поверхностями, возникшего из-за неровности поверхностей или неточного расположения элементов конструкции изделия в процессе монтажа или сборки. Для обеспечения передачи тепла от источника к теплоотводу или рассеивателю, когда допускается взаимное перемещение этих элементов при работе изделия, требуется конструкция с особым способом применения синтетических упругих теплопроводящих материалов.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка и решение проблемы надежного и устойчивого теплоотвода от компонентов электронных схем в условиях их использования в динамическом режиме, например, при эксплуатации устройств с электронными схемами в движущихся транспортных средствах или в режиме вибрации и т.п.
Поставленная задача решается с помощью предложенного в настоящем изобретении способа и устройства отвода тепла от расположенных в корпусе изделия генерирующих тепло электронных компонентов, включающего обеспечение закрепления каждого электронного компонента на корпусе через посредство опоры из эластичного материала, а также покрытие электронного компонента и/или соединенного с ним первого теплоотвода покрытием из упругого теплопроводящего синтетического материала, контактирующего по меньшей мере частично со вторым теплоотводом, в котором в соответствии с изобретением опора и покрытие расположены диаметрально противоположно и эластичный материал опоры и упругий теплопроводный синтетический материал покрытия подвергнуты предварительному сжатию.
Предпочтительно предварительное сжатие материала опор и покрытия осуществляют по существу до половины максимального уровня сохранения упругой деформации материала с меньшим коэффициентом упругости. При этом желательно выбирать материалы опор и покрытия так, чтобы коэффициент упругости теплопроводящего синтетического материала покрытия был ниже коэффициента упругости эластичного материала опоры.
В зависимости от предполагаемых направлений внешнего воздействия установку диаметрально расположенных опор и покрытий можно ориентировать по меньшей мере по одной из осей изделия: вертикальной, продольной и поперечной.
Описанный способ реализуется с помощью устройства для отвода тепла от генерирующего тепло электронного компонента и/или соединенного с ним первого теплоотвода, размещенного в корпусе изделия через посредство опор из эластичного материала и соединенного со вторым теплоотводом через посредство упругого покрытия из теплопроводящего синтетического материала, в котором в соответствии с изобретением опора и покрытие расположены диаметрально противоположно относительно друг друга и выполнены из подвергнутых предварительному сжатию эластичного материала и упругого теплопроводящего синтетического материала соответственно.
Предпочтительно, чтобы материал опор и покрытия был предварительно сжат с усилием, составляющим по существу половину максимального уровня сохранения упругой деформации материала с меньшим коэффициентом упругости. При этом желательно, чтобы коэффициент упругости теплопроводящего синтетического материала покрытия был ниже коэффициента упругости эластичного материала опоры.
Устройство в зависимости от предполагаемых внешних воздействий может содержать диаметрально расположенные опоры и покрытия, установленные ориентированными по меньшей мере по одной из осей изделия: вертикальной, продольной и поперечной.
Осуществление изобретения подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором показано:
фиг.1 - схематическое изображение варианта выполнения устройства с вертикальным ориентированием установки пары эластичная опора - упругое покрытие.
На фиг.1 показано изделие, в корпусе 1 которого содержатся установленные на плате 2 электронные компоненты 3, соединенные с первыми теплоотводами 4. Первые теплоотводы 4 покрыты по меньшей мере частично находящимся в предварительно сжатом состоянии упругим покрытием 5 из теплопроводящего синтетического материала. Покрытие 5 находится по меньшей мере частично в тесном плоскостном контакте со вторым теплоотводом 6, который, в свою очередь, контактирует с корпусом 1 изделия, снабженным радиаторами 7. Плата 2, несущая электронные компоненты 3, установлена на корпусе 1 посредством находящихся в предварительно сжатом состоянии упругих опор 8, выполненных из эластичного материала. Предварительное сжатие упругого покрытия 5 и упругих опор 8 обеспечено при сборке изделия с помощью приложения деформирующих усилий сжатия, т.е. сборка изделия всеми составляющими происходит в условиях, когда покрытие 5 и опоры 8 предварительно подвергнуты усилию сжатия. В предпочтительном варианте осуществления изобретения предварительное сжатие создается так, чтобы каждый из упругих элементов: покрытия 5 и опоры 8, работали в зоне упругой деформации. Например, величина силы сжатия может составлять около половины того максимального усилия, при котором обеспечивается сохранение упругой деформации, соответственно, для каждого из материалов: теплопроводящего синтетического материала покрытия 5 и эластичного материала опор 8.
В предпочтительном варианте выполнения коэффициент упругости, т.е. жесткость теплопроводящего синтетического материала покрытия 5, должен быть меньше коэффициента упругости опор 8. В этом случае опоры 8 воспринимают большую часть инерционной нагрузки от платы 2 с электронным компонентом 3 и/или соединенного с ним первого теплоотвода 4, сохраняя нагрузки на элементы, соединенные с покрытием 5, на расчетном уровне в зоне его упругой деформации.
Аналогичные решения применяются для каждой из трех осей, по которой предусмотрено возникновение взаимных перемещений (колебаний) источника тепла, т.е. электронного компонента 3, и/или первого теплоотвода 4 и второго теплоотвода 6.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. При сборке изделия используют расположенные на плате 2 генерирующие тепло электронные компоненты 3, которые могут быть снабжены, как показано на фиг.1, соединенными с ними первыми теплоотводами 4, при этом плата 2 установлена на корпусе 1 изделия с помощью опор 8 из эластичного материала, например резины. Таким образом, получается, что электронные компоненты 3 соединены с корпусом 1 изделия через посредство эластичных опор 8. В целях дальнейшего отвода тепла от электронных компонентов 3 и/или первых теплоотводов 4 их приводят в контакт со следующим теплоотводящим элементом: вторым теплоотводом 6. В соответствии с известными способами для обеспечения качественного контакта поверхности электронных компонентов 3 и/или первых теплоотводов 4 и/или второго теплоотвода 6 в местах предполагаемого контакта снабжают покрытием 5 из упругого теплопроводящего синтетического материала. Таким образом обеспечивается контакт электронного компонента 3 и/или первого теплоотвода 4 со вторым теплоотводом 6 через посредство упругого покрытия 5.
Свойство упругости материала покрытия 5 позволяет сохранять контакт в случае сближения поверхности электронного компонента 3 и/или первого теплоотвода 4 и контактирующей поверхности второго теплоотвода 6 в зоне упругой деформации и аналогичном удалении этих поверхностей. При существенном же отходе упомянутых поверхностей друг от друга или их сдвиге свойство упругости оказывается бесполезным и между контактирующими поверхностями могут образовываться воздушные карманы. В патенте RU 2152697 предложено решать эту проблему с помощью особой конструкции покрытия. Покрытие выполняют с выступами, которые в случае сближения или сдвига контактирующих поверхностей могут сжиматься или отклоняться, заполняя указанные карманы и тем самым поддерживая контакт и теплоотвод между поверхностями. Однако данное решение не может помочь в случае отхода или значительного сдвига контактирующих поверхностей друг от друга, когда между ними все же образуется воздушный зазор, в результате чего перенос тепла между ними ухудшается. В настоящем изобретении материал упругого покрытия 5 и эластичной опоры 8 подвержен предварительному сжатию: на прикрепленные к корпусу 1 и выполненные из эластичного материала опоры 8 устанавливают плату 2 с электронными компонентами 3 с соединенными с ними первыми теплоотводами 4, на поверхность которых нанесено выполненное из теплопроводящего синтетического материала покрытие 5. Собранный таким образом узел подвергают воздействию усилия, вызывающего сжатие как эластичного материала опоры 8, так и упругого теплопроводящего синтетического материала покрытия 5, обеспечивая предварительное сжатие материалов опор 8 и покрытий 5 перед последующим соединением с другими элементами изделия. Установку второго теплоотвода 6 производят так, чтобы имелся его по меньшей мере частичный контакт с покрытием 5. Таким образом, плата 2 с имеющимися на ней элементами 3 и 4 оказывается размещенной между диаметрально противоположными упруго сжатыми элементами 8 и 5. Такой способ размещения предусматривают как вдоль вертикальной оси, так и, при необходимости, вдоль поперечной и продольной осей изделия. В рабочих условиях тепло от генерирующего тепло электронного компонента 3 передается либо непосредственно, либо через соединенный с ним первый теплоотвод 4 и, соответственно, через покрытие 5 ко второму теплоотводу 6, затем на корпус 1 с радиаторами 7. При этом предложенное в настоящем изобретении предварительное сжатие обеспечивает устойчивый плотный контакт второго теплоотвода 6 с поверхностью теплопроводящего синтетического материала покрытия 5 в любых ситуациях, даже при эксплуатации изделия в условиях существенных вибраций или тряски, например, в движущихся транспортных средствах. Действительно, в случае смещения элементов относительно друг друга, например, перемещения второго теплоотвода 6 от поверхности электронных компонентов 3 и/или соединенного с ним первого теплоотвода 4, покрытие 5 просто разжимается, сохраняя при этом плотный контакт со вторым теплоотводом 6. Следовательно, не происходит прерывания или ухудшения передачи тепла от генерирующего тепло компонента 3 ко второму теплоотводу 6. Наилучшие результаты получают при использовании теплопроводящего синтетического материала покрытия с коэффициентом упругости, меньшим коэффициента упругости эластичного материала опоры. При этом предварительное сжатие материала опор и покрытия осуществляют по существу до половины максимального уровня сохранения упругой деформации теплопроводящего синтетического материала.