ПРОВОЛОЧНЫЙ РАДИАТОР

Проволочный радиатор относится к области радиотехники и радиоэлектроники, преимущественно к конструкциям радиаторов для охлаждения полупроводниковых приборов электронной аппаратуры и может быть использован для охлаждения также других тепловыделяющих элементов как при естественной, так и при принудительной конвекции.
При конструировании радиоэлектронной аппаратуры для обеспечения нормальных тепловых режимов электронных компонентов и заданной надежности их работы широко используются радиаторы разной конструкции, в частности - проволочные.
Известна конструкция проволочного радиатора для охлаждения полупроводниковых приборов, который содержит основание с пучками гибких проволок, размещенными вокруг посадочной площадки под полупроводниковый прибор (см. а.с. СССР №1444975 А 1, МПК H 05 K 7/20, опубл. 15.12.88г. Б.И. №46). Указанный радиатор содержит сложный механизм с клинообразными и коническими элементами крепления проволок в основании радиатора, что создает определенные технологические трудности при изготовлении радиатора и приводит к увеличению его массогабаритних характеристик.
Известна конструкция радиатора, который выполнен в виде набора проволочных спиралей, соединенных между собой, при этом спирали выполнены с разными направлениями навивки (см. патент России №730206 С МПК H 01 L 23/34, опубл. 30.07.94 г., бюл. №14). Недостатком такой конструкции является низкая жесткость спиралей при использовании проволоки субмиллиметрового диаметра, например, 0,02-0,3 мм, вследствие чего снижается эксплуатационная надежность.
Известна конструкция радиатора для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащая основание, на котором под прямым углом закреплены решетки из металлических проволок, например, в виде сетки (см. а.с. СССР №1485329, МПК H 01 L 23/36, H 05 K 7/20, опубл. 07.06.89 г. Б.И. №21). Решетки прикреплены к основанию одними концами и размещены равномерно на одной торцовой поверхности основания параллельно между собой и под прямым углом к направлению потока охлаждающего воздуха. Ветви одного ряда каждой сетки имеют форму петель, закрепленных незамкнутыми концами на основании. Проволоки петель разных рядов могут иметь разные диаметры. Такой радиатор при одинаковых габаритных размерах с ребристым пластинчатым радиатором и одинаковой тепловой мощностью, которую они рассеивают, имеет значительно лучшие характеристики по массе.
Недостатками такого радиатора являются технологическая трудность при изготовлении
и необходимость обеспечения надежного теплового контакта в местах пересечения проволок сетки между собой. Особенно сложно изготовить такой радиатор при использовании очень тонких проволок, например, диаметром единицы и десятки микрометров. В этом случае тяжело обеспечить также стабильность формы решеток в процессе эксплуатации.
Известна конструкция пластинчатого петельно-проволочного радиатора для полупроводниковых приборов (см. статью А.П.Орнатский, Б.В.Латенко, Ю.С.Попель. Исследование влияния геометрических характеристик пластинчатых петельно-проволочных радиаторов полупроводниковых приборов на теплообмен при естественной конвекции, опубликованн-ную в журнале "Теплофизика и теплотехника", 1973 г., вып. 23, с.53-57, рис.1 на с.53), содержащая в своем составе основание из двух полупластин, на внешних сторонах которых припаяны петельно-проволочные ребра. Ребра имеют вид согнутых участков проволок, оба концы которых припаяны к основанию, а петля выступает над поверхностью основания перпендикулярно к нему. Для обеспечения стабильности формы ребер в процессе изготовления и эксплуатации диаметр проволок составляет от 0,49 мм до 1,0 мм.
По сравнению с радиаторами с гладкими сплошными металлическими ребрами, описанные радиаторы с петельно-проволочным оребрением при приблизительно одинаковых габаритах и толщине основания дают выигрыш в массе радиаторов на 30-50%.
Недостатком описанного радиатора есть то, что в его конструкции тяжело использовать проволоки диаметром значительно меньшим 0,5 мм, поскольку при этом в связи с недостаточной жесткостью проволок нарушается петлеобразная форма ребер, что снижает эффективность теплоотдачи как при естественной, так и при принудительной конвекции. А, как известно (см. статью Э.Г.Бочкарев, В.М.Андреев, К.А.Тузовский, Д.В.Зиновьев, Э.Ю.Павленко. Эффект гигантской теплоотдачи телами субмиллиметровых размеров, опубликованную в журнале "Доклады академии наук", 1999 г., т.366, №2, с.178-180), именно с уменьшением линейных размеров тел до десятков и единиц микрометров существенно увеличивается коэффициент конвективной теплоотдачи.
Наиболее близкой к предложенной конструкции по совокупности признаков и техническому результату есть конструкция проволочного радиатора, которая выбрана в качестве прототипа, приведенная в описании к декларационному патенту Украины на изобретение "Проволочный радиатор" №61578 А, МПК 7 H 01 L 23/36, Н 05 К 7/20, опубл. 17.11.2003 г., бюл. №11,2003 г., выданному по заявке №2003032001 от 06.03.2003 г. Проволочный радиатор содержит в своем составе основание из теплопроводного материала, поддерживающий каркас, установленный неподвижно относительно основания, и участков проволок диаметром от 0,005 мм до 0,5 мм, которые образовывают петли. Петли закреплены с обеспечением теплового контакта, с одной стороны, на основании, а с другой (вершинами петель) -
на поддерживающем каркасе. Основание в одном из вариантов исполнения выполнено в виде внутреннего замкнутого кольца из медной проволоки диаметром 1,5 мм, а поддерживающий каркас - в виде внешнего замкнутого кольца диаметром 50 мм из медной проволоки диаметром 1,5 мм, причем поддерживающий каркас установлен неподвижно относительно основания с помощью двух перемычек, которые также выполнены из медной проволоки диаметром 1,5 мм. Перемычки припаяны одним своим концом к основанию, а вторым - к поддерживающему каркасу.
Такая конструкция проволочного радиатора, благодаря поддерживающему каркасу, установленному неподвижно относительно основания, имеет повышенную жесткость и обеспечивает стабильную форму проволочных петель как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации, при использовании проволок субмиллиметрового диаметра, например, от 0,5 мм до 0,005 мм, что позволило существенно увеличить коэффициент теплоотдачи от поверхности проволочного радиатора как при естественной, так и при принудительной конвекции, и повысить эффективность охлаждения и улучшить массогабаритные характеристики радиатора.
С физической точки зрения значительное повышение коэффициента теплоотдачи от проволок субмиллиметрового диаметра объясняется значительным влиянием уменьшения диаметра и толщины кольцевого пограничного слоя воздуха возле тонких проволок и улучшением условий для турбулизации потоков воздуха.
Основным недостатком проволочного радиатора - прототипа являются ограниченные возможности по максимальному количеству теплоты, которое он может рассеять при увеличении теплоотдающей поверхности путем увеличения габаритных размеров проволочного радиатора. Причина состоит в том, что при увеличении габаритных размеров радиатора, например, путем увеличения диаметра поддерживающего каркаса, одновременно увеличивается и длина участков проволок субмиллиметрового диаметра, вследствие чего увеличивается термическое сопротивление участков проволок и снижается эффективность теплоотдачи от них.
Указанная причина ограничивает эффективность охлаждения известных петельно-проволочных радиаторов с диаметром проволок от 0,005 мм до 0,5 мм.
В основу предлагаемого технического решения поставлена задача создать такой проволочный радиатор с участками проволок субмиллиметрового диаметра (от 0,005 мм до 0,5 мм), увеличение поверхности теплоотдачи которого путем увеличения габаритных размеров радиатора не приводило бы к ограничению максимального количества теплоты, которую рассеивает проволочный радиатор.
Поставленная задача решается за счет того, что в проволочном радиаторе, содержащем
основание из теплопроводного материала, поддерживающий каркас, установленный неподвижно относительно основания, и участков проволок, диаметр которых лежит в пределах от 0,005 мм до 0,5 мм, закрепленных с обеспечением теплового контакта на поддерживающем каркасе, поддерживающий каркас выполнен в виде по меньшей мере одной тепловой трубы, причем поддерживающий каркас установлен с обеспечением теплового контакта на основании. Как вариант, в проволочном радиаторе поддерживающий каркас может быть выполнен в виде бесфитильной тепловой трубы (термосифона).
Такая конструкция проволочного радиатора обеспечивает увеличение теплоотдающей поверхности радиатора путем увеличения его размера без увеличения длины и термического сопротивления участков проволок субмиллиметрового диаметра и при этом не приводит к ограничению максимального количества теплоты, которую рассеивает проволочный радиатор.
Конструкция и принцип действия предложенного проволочного радиатора поясняются чертежами.
На фиг.1 показана одна из возможных конструкций проволочного радиатора для охлаждения электронного элемента (или группы элементов), поддерживающий каркас которой выполнен в виде одной тепловой трубы. На фиг.2 показан разрез устройства по линии А-А. На фиг.3 приведен второй вариант выполнения проволочного радиатора с поддерживающим каркасом в виде одной тепловой трубы, а на фиг 4 - вид на него сверху. На фиг.5 показан третий вариант конструкции проволочного радиатора, поддерживающий каркас которого выполнен в виде двух тепловых труб.
Проволочный радиатор (см. фиг.1) содержит в своем составе основание 1, выполненное, например, в виде пластины прямоугольной формы из теплопроводного материала, например, из меди. В основании 1 выполнены два параллельно расположенные сквозные отверстия цилиндрической формы, в которые установлен с обеспечением теплового контакта поддерживающий каркас 2, неподвижно закрепленный относительно основания 1 с помощью пайки пропоем. Поддерживающий каркас 2 выполнен в виде одной медной тепловой трубы, например, U - образной формы с расстоянием между вертикальными частями тепловой трубы, например, от 20 мм до 50 мм. Основание 1 размещено приблизительно посреди вертикальных частей тепловой трубы. На параллельных вертикальных частях поддерживающего каркаса закреплены с обеспечением теплового контакта участки проволок 3, диаметр которых лежит в пределах от 0,005 мм до 0,5 мм. Участки проволок 3, образованные, например, путем наматывания отрезков медной проволоки диаметром 0,05 мм на обе вертикальные части поддерживающего каркаса 2, которые расположены с обеих сторон основания 1, и последующего закрепления участков проволок 3 в местах контакта с поддерживающим каркасом 2
с помощью пайки пропоем.
Поддерживающий каркас (см. фиг.2) представляет собой согнутую тепловую трубу с вакуумированным герметичным корпусом 4, выполненным, например, из меди, к внутренней поверхности которого припечен слой 5 капиллярно-пористого фитиля. Слой капиллярно-пористого фитиля может иметь толщину 0, 5 мм и спечен, например, из отрезков длиной 3 мм медной проволоки диаметром 0,05 мм. Слой 5 капиллярно-пористого фитиля насыщен жидким теплоносителем, например, дистиллированной водой.
В пределах одного проволочного радиатора, в других вариантах выполнения, могут использоваться участки проволок разного диаметра.
Проволочный радиатор работает следующим образом. На основание 1 с одной или с двух сторон плотно, с обеспечением теплового контакта, устанавливают один или несколько электронных элементов 6 (на фигурах 1 и 2 электронные элементы 6 показаны пунктирной линией), которые подлежат охлаждению. Вместо одного электронного элемента 6 на основании 1 может устанавливаться группа элементов, например, несколько мощных интегральных микросхем. Контактирующие поверхности смазывают теплопроводной пастой, например, типа КПТ-8. Теплота, которая выделяется при работе электронных элементов б, передается от корпуса элементов через прослойку теплопроводной пасты к основанию 1 проволочного радиатора и к корпусу 4 тепловой трубы и слою 5 капиллярно-пористого фитиля на участках, которые вмонтированы в основание 1. Подвод и отвод теплоты на фиг.2 показан сплошными стрелками.
Под влиянием теплоты жидкий теплоноситель в слое 5 капиллярно-пористого фитиля внутри тепловой трубы начинает испаряться и кипеть, поглощая подведенную теплоту. Температура насыщенного пара и давление в зоне испарения повышаются и пар двигается (на фиг.2 движение пара показано пунктирными стрелками) к более холодным зонам тепловой трубы, покрытых участками проволок, (зон конденсации), где пар конденсируется на внутренней поверхности корпуса 4 тепловой трубы и отдает ей скрытую теплоту парообразования. Конденсат под действием капиллярных сил перекачивается по слою 5 капиллярно-пористого фитиля снова к зоне испарения. Цикл кипения-конденсации и передачи теплоты повторяется. Температура пара, а соответственно и температура поверхности зон конденсации тепловой трубы, одинакова по всей длине тепловой трубы.
Теплота от внешней поверхности корпуса тепловой трубы в зонах конденсации за счет теплопередачи теплового контакта (слоя пропоя) передается участкам проволок 3 субмиллиметрового диаметра, длина которых в предложенной конструкции проволочного радиатора может оставаться небольшой, например, от 20 мм до 50 мм, и неизменной при увеличении длины тепловой трубы вплоть до одного или нескольких метров, что приводит к их
нагреванию до одинаковой температуры, близкой к температуре основания 1, независимо от длины тепловой трубы. Вследствие различия температур участков проволок диаметром 0,05 мм и окружающего воздуха начинает происходить эффективный конвективный теплообмен между ними: теплота от участков проволок 3 эффективно передается естественной конвекцией (а частично - излучением) к окружающему воздуху. Частично теплота рассеивается также нагретыми поверхностями поддерживающего каркаса и основания. Таким образом, благодаря высоким коэффициентам теплоотдачи при кипении и конденсации и передаче теплоты от нагретых поверхностей основания 1 к участкам проволок субмиллиметрового диаметра путем высокоэффективного замкнутого испарительно-конденсационного цикла обеспечивается эффективный, с минимальными потерями, отвод теплоты от электронных элементов 6 к окружающему воздуху, независимо от длины поддерживающего каркаса, и обеспечивается нормальный тепловой режим электронных элементов 6.
Для повышения эффективности охлаждения может использоваться обдув проволочного радиатора с помощью вентилятора. При этом теплота от проволок радиатора отводится принудительной конвекцией.
При естественной конвекции рекомендуется радиатор располагать в горизонтальной плоскости, чтобы уменьшить тепловое влияние одних нагретых участков проволок на другие. При принудительной конвекции рекомендуется воздушный поток от вентилятора направлять перпендикулярно к плоскости радиатора.
Заявленная конструкция проволочного радиатора с участками проволок диаметром от 0,005 мм до 0,5 мм, по сравнению с прототипом, позволяет увеличивать без ограничений количество теплоты, которую рассеивает радиатор, при увеличении поверхности теплообмена путем увеличения длины поддерживающего каркаса, что позволяет использовать такой радиатор для обеспечения нормального теплового режима более мощных электронных элементов и повысить эффективность охлаждения и надежность работы электронных элементов в условиях эксплуатации.
На фигурах 3 и 4 приведен пример выполнения проволочного радиатора для охлаждения мощного транзистора типа 2Т808А, в котором основание 7 выполнено в виде теплопроводной пластины круглой формы, напаянной на поддерживающий каркас 8. Поддерживающий каркас 8 выполнен в виде тепловой трубы с: - образной формы, на горизонтальных частях которой закреплены с обеспечением теплового контакта участки проволок 9 субмиллиметрового диаметра (от 0,005 мм до 0,5 мм). Основание 7 напаяно на поддерживающий каркас 8 в зоне его загиба. В основании 7 выполнены отверстия 10 под выводы транзистора и отверстия 11 под винты крепления фланца транзистора.
Пример выполнения заявленного проволочного радиатора, поддерживающий каркас
которого выполнен в виде двух тепловых труб, показан на фиг.5. Он имеет основание 12 в виде пластины прямоугольной формы из теплопроводного материала, напаянной на поддерживающий каркас, выполненный из двух параллельно размещенных тепловых труб 13. Участки проволок 14 диаметром от 0,005 мм до 0,5 мм закреплены с обеспечением теплового контакта на концах тепловых труб, с обеих сторон от основания 12, которое расположено посреди тепловых труб.
В других вариантах выполнения проволочного радиатора его поддерживающий каркас может быть сформирован из нескольких тепловых труб и (или) термосифонов, согнутых в разных плоскостях, иметь изгибы под определенным углом, и т.п.. При этом поддерживающий каркас имеет сложную форму и изгибы элементов, из которых он составлен. При использовании термосифонов нужно проволочный радиатор так ориентировать в пространстве, чтобы зона конденсации была расположена высшее относительно зоны испарения. Это обеспечит возвращения конденсата в зону испарения за счет силы гравитации.
Таким образом, предложенный проволочный радиатор является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно пригодный. Он обеспечивает повышение эффективности охлаждения и количества теплоты, которая отводится, при увеличении площади теплоотдающей поверхности путем увеличения размеров проволочного радиатора.