РАДИАТОР
RADIATOR

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в теплообменных аппаратах, в конструкциях для охлаждения электронной аппаратуры, термоэлектрических охлаждающих устройствах и (или) термоэлектрических генераторах и других тепловыделяющих элементах, как при естественной, так и принудительной конвекции.
Известна конструкция пластинчатого петельно-проволочного радиатора (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. Журнал «Теплофизика и теплотехника», 1973 г., вып. 23, с. 53-57, рис. 1 на с. 53), содержащая в своем составе основание, на котором припаяны петельно-проволочные ребра, представляющие собой согнутые отрезки проволоки, оба конца которых припаяны к основанию, а петля выступает над поверхностью основания перпендикулярно к ней и выполнена из проволоки диаметром от 0,49 до 1,0 мм. В сравнении с радиаторами с гладкими ребрами петельно-проволочное оребрение дает выигрыш в массе на 30-50% при одинаковых габаритах и толщине основания. Недостатком такого радиатора являются технологические трудности при использовании проволоки диаметром меньше 0,5 мм, так как из-за недостаточной жесткости проволоки утрачивается петлеобразная форма ребер и снижается эффективность теплоотдачи.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является радиатор, известный из патента UA 2252465, H01L 2.10.2003, содержащий основание из теплопроводящего материала и отрезки теплопроводников, имеющих сечение произвольной формы, закрепленных концами на основании с обеспечением теплового контакта и соединенных между собой поддерживающим каркасом из теплопроводящего материала, установленным фиксированно относительно основания с обеспечением теплового контакта. В указанном радиаторе увеличение жесткости конструкции обеспечило стабильную форму проволочных петель при использовании проволоки субмиллиметрового диаметра, например от 0,005 до 0,5 мм и за счет этого повысило интенсивность теплоотдачи и эффективность охлаждения радиатора, используя тот факт, что с уменьшением линейных размеров тел до десятков и единиц микрометров существенно увеличивается коэффициент конвективной теплоотдачи (см. статью Э.Г. Бочкарев, В.М. Андреев, К.А. Тузовский, Д.В. Зиновьев, Э.Ю. Павленко. «Эффект гигантской теплоотдачи челами субмиллиметровых размеров», которая опубликована в журнале «Доклады академии наук», 1999 г., т. 366, №2, с. 178-180).
Недостатком предлагаемой конструкции радиатора, принятого за прототип, является то, что тепловой контакт с охлаждаемой поверхностью осуществляется по линии, представляющей собой проволоку поддерживающего каркаса, а участками проволоки, представляющими петли, занята вся поверхность, образованная поддерживающим каркасом, что исключает возможность установки радиаторов друг за другом из-за большого сопротивления при расходе теплоносителя.
Техническим результатом изобретения является увеличение площади теплового контакта поддерживающих каркасов с охлаждаемой поверхностью и обеспечение циркуляции теплоносителя и, следовательно, отводимой мощности при существенном увеличении коэффициента теплоотдачи и эффективности охлаждения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в радиаторе, содержащем основание из теплопроводящего материала и отрезки теплопроводников, имеющих сечение произвольной формы, закрепленных концами на основании с обеспечением теплового контакта и соединенных между собой поддерживающим каркасом из теплопроводящего материала, установленным фиксированно относительно основания с обеспечением теплового контакта, в отличие от известного, основание выполнено плоским, на стороне(ах) которого расположены равномерно и параллельно между собой поддерживающие каркасы с закрепленными на них отрезками теплопроводников, при этом отрезки теплопроводников закреплены образуя в плоскостях, проходящих через поддерживающие каркасы, участки, заполненные отрезками теплопроводников, чередующиеся с участками, свободными от отрезков теплопроводников.
За счет указанных изменений конструкции достигается увеличение площади теплового контакта поддерживающих каркасов с охлаждаемой поверхностью и обеспечение циркуляции теплоносителя через промежутки между участками, заполненными отрезками теплопроводников, представляющими петли, и, следовательно, отводимой мощности при существенном увеличении коэффициента теплоотдачи и эффективности охлаждения. Для отвода тепла от нагревающихся элементов в окружающую среду элементы располагаются с обеспечением теплового контакта на основании, на противоположной поверхности которого расположены равномерно и параллельно между собой поддерживающие каркасы с закрепленными на них отрезками теплопроводников, при этом отрезки теплопроводников закреплены образуя в плоскостях, проходящих через поддерживающие каркасы, участки, заполненные отрезками теплопроводников, чередующиеся с участками, свободными от отрезков теплопроводников.
Для обеспечения теплообмена между различными теплоносителями в радиаторе поддерживающие каркасы с закрепленными на них отрезками теплопроводников равномерно расположены и па противоположной поверхности основания, параллельно между собой. Увеличение теплоотдающей способности радиатора обеспечивается тем, что на основании, с обеспечением теплового контакта, равномерно размещены параллельно между собой поддерживающие каркасы с закрепленными на них отрезками теплопроводников, между которыми распределяется тепловая нагрузка. Увеличению эффективности охлаждения при вынужденной циркуляции теплоносителя способствует чередование в плоскости поддерживающих каркасов участков, заполненных отрезками теплопроводников произвольной формы сечения, с участками, свободными от отрезков теплопроводников произвольной формы сечения. Например, при минимальном диаметре проволоки поддерживающего каркаса 0,6 мм и длине поддерживающего каркаса 40 мм (типовой размер термоэлектрического модуля Пельтье - одного из охлаждаемых устройств) отношение площади участков, заполненных отрезками теплопроводников произвольной формы сечения, к общей площади поддерживающего каркаса может меняться от 0,15 до 0,85. Большей величине отношения соответствует большее сопротивление циркуляции теплоносителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 изображена одна из возможных конструкций радиатора, работающего с одним теплоносителем;
на фиг. 2 изображен вариант конструкции радиатора, осуществляющего теплообмен между двумя теплоносителями;
на фиг. 3 в увеличенном масштабе изображена выноска участка, заполненного отрезками теплопроводников произвольной формы сечения;
на фиг. 4 приведен общий вид радиатора, работающего с одним теплоносителем.
Предложенный радиатор содержит основание 1, на котором параллельно между собой равномерно расположены поддерживающие каркасы 2, на которых закреплены отрезки теплопроводников 3 произвольной формы сечения, и в плоскости поддерживающих каркасов 2 чередуются участки, занятые отрезками теплопроводников 3 произвольной формы сечения, с участками 4, свободными от отрезков теплопроводников произвольной формы сечения, причем поддерживающие каркасы 2 с закрепленными на них отрезками теплопроводников 3 произвольной формы сечения могут равномерно располагаться и на противоположной поверхности основания 1 параллельно между собой.
Радиатор работает следующим образом.
С обеспечением теплового контакта на свободной поверхности основания 1 размещают тепловыделяющие элементы, от которых необходимо отводить тепло. Теплота равномерно распределяется по поверхности основания 1 между отрезками теплопроводников 3 произвольной формы сечения, закрепленных на поддерживающих каркасах 2 и имеющих тепловой контакт с основанием 1, и передается вдоль отрезков теплопроводников 3 произвольной формы сечения к их вершинам, что приводит к их нагреванию до температуры выше температуры окружающей среды. Вследствие разности температур отрезков теплопроводников 3 произвольной формы сечения и окружающей среды между ними происходит теплообмен, и теплота от них передается к окружающему теплоносителю. Для обеспечения циркуляции теплоносителя через все установленные параллельно между собой каркасы 2 в них чередуются участки, заполненные отрезками теплопроводников 3 произвольной формы сечения, с участками 4, свободными от отрезков теплопроводников 3 произвольной формы сечения. Для обеспечения эффективного теплообмена между двумя теплоносителями поддерживающие каркасы 2 с закрепленными на них отрезками теплопроводников 3 произвольной формы сечения равномерно расположены параллельно между собой и на противоположной поверхности основания 1, также с чередованием участков, заполненных отрезками теплопроводников 3 произвольной формы сечения, с участками 4, свободными от отрезков теплопроводников 3 произвольной формы сечения. Высота поддерживающих каркасов 2 с закрепленными на них отрезками теплопроводников 3 произвольной формы сечения определяется теплоносителем и скоростью его циркуляции.
Для реализации предлагаемого технического решения могут быть использованы участки теплопроводников произвольной формы сечения, чередующиеся с участками, свободными от теплопроводников и предназначенными для циркуляции теплоносителя, выполненные, например, из медной фольги толщиной 0,05 мм с шириной теплопроводников 0,02 мм и зазором между теплопроводниками 0,04 мм способом химического травления аналогично изготовлению печатных плат. К полученной заготовке, на участки большей ширины припаиваются горизонтальные и вертикальные проволочные элементы поддерживающего каркаса. Далее сборки размещаются, с обеспечением теплового контакта, на одной или на обеих поверхностях основания, в зависимости от назначения радиатора.
Испытания предлагаемого и штыревого радиаторов с одинаковыми размерами основания 40×40 мм, одинаковой высотой теплоотводящих элементов, одинаковой тепловой нагрузке 18,8 Вт при одинаковых скоростях воздуха через поперечное сечение теплоотводящих элементов показали в предлагаемом радиаторе многократное превышение разности температур воздуха на входе и выходе радиатора и, следовательно, большую отводимую мощность. Предлагаемый радиатор превышает эффективность известных радиаторов независимо от среды теплообмена.