ТЕПЛОРАССЕИВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к устройствам для отвода тепла от электронных конструктивных элементов.
Известна система теплоотвода компьютера (см. патент RU №2218591, МПК G06F 1/20, Н05К 7/20, F25D 1/02, опубликован 10.12.2003), содержащий панель радиатора с ребрами, установленную на внешней стороне стенки корпуса компьютера, теплопроводящую трубку для жидкого теплоносителя, которая наклеена на поверхность панели радиатора. Панель радиатора выполнена из прессованного металла, на внешней поверхности панели радиатора расположены ребра.
Известная система применима лишь для отвода тепла от маломощных электронных компонентов. При простом приклеивании теплопроводящей трубки для жидкого теплоносителя к поверхности панели радиатора площадь контакта поверхностей трубки и панели радиатора оказывается незначительной.
Известно теплорассеивающее устройство (см. заявка CN №201315729 6698500, МПК Н05К 7/20, опубликована 23 сентября 2009), содержащее составное основание в виде нижней металлической пластины, промежуточной металлической пластины с прорезью в виде змейки, в которую уложена тепловая трубка и верхней металлической пластины, снабженной с внешней стороны ребрами.
Известное теплорассеивающее устройство обеспечивает недостаточную мощность рассеивания тепла и к тому же имеет достаточно сложную и трудоемкую технологию изготовления.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является принятое за прототип теплорассеивающее устройство (см. патент RU №76537, МПК Н05К 7/20, опубликован 20.09.2008), содержащий множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части, при этом параллельные кромки радиаторных пластин и примыкающие к ним теплопроводящие прокладки выполнены одинаковой длины или длина параллельных кромок радиаторных пластин больше длины примыкающим к ним теплопроводящих прокладок.
Известное теплорассеивающее устройство позволяет собирать из одинаковых элементов устройства различной мощности теплоотвода, в нем более эффективно используется противолежащая теплопоглощающей части часть поверхности радиаторных пластин, однако при неравномерном распределении тепловой нагрузки по рабочей поверхности радиатора (например, в случае одиночного точечного источника тепла или нескольких, но находящихся на удалении друг от друга) эффективность теплоотвода снижается из-за неравномерного прогрева радиаторных пластин под источником тепла и вне его.
Задачей, которую решает заявляемое техническое решение, являлась разработка такого теплорассеивающего устройства, в котором бы более эффективно осуществляется теплоотвод за счет естественного или принудительного переноса тепловой энергии жидким теплоносителем от источника тепла (фланец радиоэлемента) поперек радиаторных пластин при сохранении достоинств, присущих устройству - прототипу.
Поставленная задача решается группой полезных моделей, объединенных единым изобретательским замыслом.
По первому варианту задача решается тем, что теплорассеивающее устройство содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части. Параллельные кромки радиаторных пластин и примыкающие к ним теплопроводящие прокладки выполнены одинаковой длины. В теплопоглощающей части или в теплораспределительной части со стороны внешней поверхности выполнена по меньшей мере одна канавка, пересекающая по меньшей мере часть радиаторных пластин и теплопроводящих прокладок, в которой заподлицо размещена теплопроводящая трубка для жидкого теплоносителя. Внешняя поверхность теплопроводящей трубки сопряжена с поверхностью канавки.
Канавка и размещенная в ней теплопроводящая трубка в теплорассеивающем устройстве могут быть выполнены в форме змейки.
В теплопоглощающей части или в теплораспределительной части теплорассеивающего устройства со стороны внешней поверхности могут быть выполнены по меньшей мере две канавки, а размещенные в них теплопроводящие трубки соединены параллельно или последовательно.
Объединение участков радиаторных пластин, противолежащих теплопоглощающей части, в теплораспределительную часть позволяет объединить радиаторные пластины (которые и участвуют непосредственно в принудительном конвективном теплообмене) в единый тепловой контур, из которых теплота отводится как радиаторными пластинами, так и теплопроводящей трубкой, через которую прокачивают жидкий теплоноситель. Наибольшая эффективность теплового контура (а, следовательно, и теплообмена радиатора) достигается при использовании комбинации материалов с различной теплопроводностью, из которых изготовлены радиаторные пластины и теплопроводящие прокладки. Например, медные радиаторные пластины, установленные непосредственно над тепловыделяющим элементом на противоположной от него стороне, в сочетании с медными теплопроводящими прокладками представляют собой как бы второй источник тепла, от которого по обе стороны путем теплопередачи распространяется тепловая энергия. Таким образом, на противоположной стороне от теплопоглощающей части радиатора происходит перераспределение тепловой энергии от более нагретых радиаторных пластин к менее нагретым. Если материал радиаторных пластин в конкретном радиаторе уже изменить невозможно, то комбинацией различных материалов прокладок в теплораспределительной части можно достигать различных заданных тактико-технических характеристик (Эффективность теплообмена или тепловое сопротивление, масса, стоимость) радиатора.
По второму варианту задача решается тем, что теплорассеивающее устройство содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части. Параллельные кромки радиаторных пластин и примыкающие к ним теплопроводящие прокладки выполнены одинаковой длины. В теплопоглощающей части и в теплораспределительной части со стороны их внешней поверхности выполнены по меньшей мере по одной канавке, пересекающих по меньшей мере часть радиаторных пластин и теплопроводящих прокладок соответственно теплопоглощающей части и теплораспределительной части. В канавках заподлицо размещены теплопроводящие трубки для жидкого теплоносителя. Внешние поверхности теплопроводящих трубок сопряжены с поверхностью канавок.
Канавки и размещенные в них теплопроводящие трубки могут быть выполнены в теплорассеивающем устройстве в форме змейки.
Теплопроводящие трубки могут быть соединены параллельно или последовательно.
В теплопоглощающей части и в теплораспределительной части теплорассеивающего устройства со стороны внешней поверхности могут быть выполнены по меньшей мере две канавки, при этом теплопроводящие трубки теплопоглощающей части могут быть соединены с теплопроводящими трубками теплораспределительной части последовательно по спирали.
По третьему варианту задача решается тем, что теплорассеивающее устройство содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части. Длина параллельных кромок радиаторных пластин больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок. В теплопоглощающей части или в теплораспределительной части со стороны внешней поверхности выполнена по меньшей мере одна канавка, пересекающая по меньшей мере часть радиаторных пластин и теплопроводящих прокладок, в которой заподлицо размещена теплопроводящая трубка для жидкого теплоносителя. Внешняя поверхность теплопроводящей трубки сопряжена с поверхностью канавки.
Канавка и размещенная в ней теплопроводящая трубка могут быть выполнены в форме змейки.
В теплопоглощающей части или в теплораспределительной части со стороны внешней поверхности могут быть выполнены по меньшей мере две канавки, а размещенные в них теплопроводящие трубки соединены параллельно или последовательно.
Радиаторные пластины могут выступать с одной стороны за торцы теплопроводящих прокладок навстречу потоку воздуха, создаваемого вентилятором, или с двух сторон.
Радиаторные пластины могут иметь прямоугольные противолежащие выступы, а теплопроводящие прокладки могут быть скреплены с прямоугольными противолежащими выступами радиаторных пластин, повторяя форму прямоугольных выступов.
По четвертому варианту задача решается тем, что теплорассеивающее устройство содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части. Длина параллельных кромок радиаторных пластин больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок. В теплопоглощающей части и в теплораспределительной части со стороны их внешней поверхности выполнены по меньшей мере по одной канавке, пересекающих по меньшей мере часть радиаторных пластин и теплопроводящих прокладок соответственно теплопоглощающей части и теплораспределительной части. В канавках заподлицо размещены теплопроводящие трубки для жидкого теплоносителя. Внешние поверхности теплопроводящих трубок сопряжены с поверхностью канавок.
Канавки и размещенные в них теплопроводящие трубки могут быть выполнены в форме змейки.
В теплопоглощающей части и в теплораспределительной части со стороны внешней поверхности могут быть выполнены по меньшей мере две канавки, а размещенные в них теплопроводящие трубки соединены параллельно или последовательно.
Радиаторные пластины могут выступать с одной стороны за торцы теплопроводящих прокладок навстречу потоку воздуха, создаваемого вентилятором, или с двух сторон.
Радиаторные пластины могут иметь прямоугольные противолежащие выступы, а теплопроводящие прокладки могут быть скреплены с прямоугольными противолежащими выступами радиаторных пластин, повторяя форму прямоугольных выступов.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан в аксонометрии первый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с канавкой в теплораспределительной части;
на фиг.2 изображен в аксонометрии первый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с канавкой в теплопоглощающей части;
на фиг.3 показан в аксонометрии первый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с канавкой в виде змейки в теплораспределительной части;
на фиг.4 приведен в аксонометрии первый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с канавкой в виде змейки в теплопоглощающей части;
на фиг.5 показан в аксонометрии первый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с соединенными последовательно теплопроводящими трубками в теплопоглощающей части;
на фиг.6 изображен в аксонометрии первый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с соединенными последовательно теплопроводящими трубками в теплораспределительной части;
на фиг.7 показан в аксонометрии первый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с теплопроводящими трубками в теплопоглощающей части, соединенными последовательно;
на фиг.8 приведен в аксонометрии второй вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с канавкой в теплопоглощающей и теплораспределительной частях;
на фиг.9 показан в аксонометрии второй вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с канавками в виде змейки;
на фиг.10 изображен в аксонометрии второй вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с теплопроводящими трубками, часть которых соединена параллельно, а часть соединена последовательно;
на фиг.11 показан в аксонометрии второй вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с соединенными последовательно теплопроводящими трубками в теплопоглощающей и теплораспределительной частях;
на фиг.12 изображен в аксонометрии второй вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с теплопроводящими трубками, соединенными последовательно по спирали;
на фиг.13 показан вид спереди на третий вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с двумя канавками в теплораспределительной части;
на фиг.14 изображен вид сбоку на третий вариант заявляемого теплорассеивающего устройства, показанного на фиг.13;
на фиг.15 показан вил сверху на третий вариант заявляемого теплорассеивающего устройства, показанного на фиг.13;
на фиг.16 изображен вид сбоку на четвертый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с одним вариантом радиаторных пластин и с теплопроводящими трубками, соединенными последовательно по спирали;
на фиг.17 показан вид сбоку на четвертый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с другим вариантом радиаторных пластин и с теплопроводящими трубками, соединенными последовательно по спирали;
на фиг.18 изображен вид сбоку на третий вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с третьим вариантом радиаторных пластин и с теплопроводящими трубками в теплопоглощающей части;
на фиг.19 показан вид сбоку на четвертый вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с четвертым вариантом радиаторных пластин и с теплопроводящими трубками, соединенными последовательно по спирали;
на фиг.20 изображен вид сверху на третий вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с пятым вариантом радиаторных пластин и с теплопроводящими трубками в теплораспределительной части;
на фиг.21 показан вид сбоку на заявляемое теплорассеивающее устройство, изображенное на фиг.20;
на фиг.22 изображен вид сверху на третий вариант заявляемого теплорассеивающего устройства с шестым вариантом радиаторных пластин и с теплопроводящими трубками в теплораспределительной части;
на фиг.23 показан вид сбоку на заявляемое теплорассеивающее устройство, изображенное на фиг.22.
Первый вариант теплорассеивающего устройства 1 (см. фиг.1 - фиг.7) содержит множество отдельных радиаторных пластин 2, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки 3, 4 и скрепленных вблизи кромок 3, 4 через теплопроводящие прокладки 5, 6 друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части 7, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента (на чертеже не показан), и теплораспределительной части 8, противолежащей теплопоглощающей части 7. Теплопроводящие прокладки 5, 6 могут быть одинаковой высоты или разной. Радиаторные пластины 2 и прокладки 5, 6 могут быть скреплены друг с другом различными известными методами, например, пайкой или склейкой теплопроводящим клеем. В теплопоглощающей части 7 или в теплораспределительной части 8 со стороны внешней поверхности выполнена одна канавка 9 (см. фиг.1 - фиг.4) или несколько канавок 9 (см. фиг.5 - фиг.7), пересекающих часть радиаторных пластин 2 и теплопроводящих прокладок 5 (см. фиг.2) или часть радиаторных пластин 2 и теплопроводящих прокладок 6 (см. фиг.1). В каждой канавке 9 заподлицо размещена теплопроводящая трубка 10 для жидкого теплоносителя. Внешняя поверхность теплопроводящей трубки 10 сопряжена с поверхностью канавки 9. Канавка 9 в теплопоглощающей и теплораспределительной частях 7, 8 обеспечивает: а) местоположение трубки 10 для жидкого теплоносителя, согласно электрической схемы электронного устройства или конструкции печатной платы; 6) поверхность теплопередачи между радиатором и жидким теплоносителем, заданную тепловыми расчетами, поэтому технология запрессовки должна обеспечивать min тепловое сопротивление между ними. Теплопроводящая трубка 10 укладывается в канавку 9, чтобы не нарушить плоскую форму основания теплорассеивающего устройства 1, на которую устанавливаются радиоэлементы как одиночные, так и в составе печатной платы. Канавки 9 и размещенные в них теплопроводящие трубки 10 могут быть выполнены в форме змейки (см. фиг.3 - фиг.4). Теплопроводящие трубки 9 могут быть соединены параллельно или последовательно (см. фиг.5, фиг.6). Во втором варианте теплорассеивающего устройства 1 (см. фиг.8 - фиг.12) в теплопоглощающей части 7 и в теплораспределительной части 8 со стороны внешней поверхности выполнена одна канавка 9 (см. фиг.8 - фиг.9) или несколько канавок 9 (см. фиг.10 - фиг.12). Канавки 9 и размещенные в них теплопроводящие трубки 10 могут быть выполнены в теплорассеивающем устройстве в форме змейки (см. фиг.9).Теплопроводящие трубки 10 могут быть соединены параллельно или последовательно (см. фиг.11). Теплопроводящие трубки 10 теплопоглощающей части 7 могут быть соединены с теплопроводящими трубками 10 теплораспределительной части 8 последовательно по спирали (см. фиг.12). В теплорассеивающем устройстве 1 теплопроводящие трубки 10 теплопоглощающей части 7 теплораспределительной части 8 могут быть соединены параллельно, а параллельно соединенные теплопроводящие трубки 10 теплопоглощающей части 7 соединены последовательно с параллельно соединенными теплопроводящими трубками 10 теплораспределительной части 8 (фиг.10). В третьем варианте теплорассеивающего устройства 1 (см. фиг.13 - фиг.15) длина параллельных кромок 3, 4 радиаторных пластин 2 больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок 5, 6. В теплопоглощающей части 7 или в теплораспределительной части 8 со стороны внешней поверхности выполнена по меньшей мере одна канавка 9, пересекающая по меньшей мере часть радиаторных пластин 2 и соответственно по меньшей мере часть теплопроводящих прокладок 5 или 6, в которой заподлицо размещена теплопроводящая трубка 10 для жидкого теплоносителя. Теплопроводящие трубки 10 могут быть соединены, как и в первом варианте теплорассеивающего устройства 1. В четвертом варианте теплорассеивающего устройства 1 (см. фиг.13 - фиг.15, фиг.18, фиг.20 - фиг.23) длина параллельных кромок 3, 4 радиаторных пластин 2 больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок 5, 6. В теплопоглощающей части 7 и в теплораспределительной части 8 со стороны внешней поверхности выполнена по меньшей мере одна канавка 9, пересекающая по меньшей мере часть радиаторных пластин 2 и соответственно по меньшей мере часть теплопроводящих прокладок 5 и 6, в которой заподлицо размещена теплопроводящая трубка 10 для жидкого теплоносителя. Теплопроводящие трубки 10 могут быть соединены, как и во втором варианте теплорассеивающего устройства 1. В третьем и четвертом вариантах теплорассеивающего устройства 1 радиаторные пластины 2 могут выступать с одной стороны за торцы теплопроводящих прокладок 5, 6 (см. фиг.17, фиг.18) навстречу потоку воздуха, создаваемого вентилятором (на чертеже не показан). Радиаторные пластины 2 могут выступать как симметрично с двух сторон за торцы теплопроводящих прокладок 5, 6 (см. фиг.21, фиг.23), так и несимметрично с двух сторон за торцы теплопроводящих прокладок 5, 6 (см. фиг.19). В этом варианте минимальное аэродинамическое сопротивление воздушному потоку достигается благодаря тому, что выступающие за пределы теплопроводящих прокладок 5, 6 (т.е. теплопоглощающей части 7 и теплораспределительной части 8) радиаторные пластины 2 образуют воздушный канал (представляющий собой множество элементарных каналов, образованных множеством радиаторных пластин 2) сечение которого всегда больше, чем сечение канала непосредственно между теплопоглощающей частью 7 и теплораспределительной частью 8. Благодаря этому, скорость воздушного потока на входе и выходе из теплорассеивающего устройства 1 всегда меньше скорости внутри воздушного канала, а отсюда и минимальные потери. Радиаторные пластины 2, образующие множество элементарных каналов, могут иметь имеют разную толщину. Группы толстых пластин 2 располагаются, как минимум, по краям и обеспечивают механическую прочность теплорассеивающего устройства 1, исполняя роль несущей конструкции. Группа тонких пластин 2 вызывает минимальные возмущения (турбулентность) при огибании их воздушным потоком на входе и выходе из теплорассеивающего устройства 1. Выступающие за торцы прокладок 5 участки 11 радиаторных пластин 2 могут иметь как прямые кромки 12 (см. фиг.14, фиг.21), закругленные кромки 13 (см. фиг.16, фиг.17, фиг.19 и фиг.23), так и заостренные кромки 14 (см. фиг.18). В другом воплощении полезной модели (см. фиг.21 - фиг.23) теплопроводящие прокладки 5, 6 скреплены с прямоугольными выступами 15 радиаторных пластин 2. При этом теплопроводящие прокладки 5, 6 установлены заподлицо с внешними кромками 16 и 17 прямоугольных противолежащих выступов 15 (см. фиг.12), повторяя их контур, а толщина теплопроводящих прокладок 5 и/или 6 равна высоте прямоугольных выступов 15 (см. фиг.23) или больше высоты прямоугольных выступов 15 (см. фиг.21), с тем, чтобы выступающие во внутрь теплопроводящие прокладки 5 и/или 6 турбулизировали воздушный поток. Радиаторные пластины 2 могут быть сформированы в несколько групп, например, в три группы, выполненные из металлов с различной теплопроводностью, например, две группы радиаторных пластин 2 изготовлены из алюминия, а третья группа радиаторных пластин 2, расположенная над источником тепла, изготовлена из меди. Теплопроводящие прокладки 5, 6 в теплорассеивающем устройстве 1 могут быть также выполнены из металлов с различной теплопроводностью. Не изменяя геометрические размеры теплорассеивающего устройства 1, применяя более тонкие радиаторные пластины 2 в зависимости от поставленной задачи, можно или увеличивать количество пластин 2 (площадь теплоотдачи) или увеличивать зазор между ними, увеличивая тем самым эффективное сечение элементарного воздушного канала (пространство между соседними радиаторными пластинами 2). В сочетании с возможностью комбинирования материалов с различной теплопроводностью, из которых изготавливают как радиаторные пластины 2, так и теплопроводящие прокладки 5, 6, заявляемое теплорассеивающее устройство 1 представляет собой очень гибкую, легко перестраиваемую конструкцию, позволяющую решать проблемы теплообмена в сложных радиоэлектронных устройствах.
В соответствии с заявленной полезной моделью были изготовлены образцы теплорассеивающего устройства системы комбинированного, воздушно-жидкостного охлаждения приемопередающих модулей радара с активной фазированной антенной решеткой. В теплопоглощающей части и в теплораспределительной части устройства были выполнены по 4 канавки, в которые запрессованы: медная трубка ⌀13 мм с толщиной стенки 1,0 мм в одном случае в форме змейки (с последовательным соединением), в другом случае, в виде объемной спирали. Несущая конструкция радара выполнена таким образом, чтобы расположенные в ряд 8 транзисторов (суммарная мощность тепловыделения каждого модуля 240 Вт) приемопередающего модуля располагались напротив одной из 4-х труб устройства. В процессе работы эта трубка снимает выделяемую транзисторами тепловую энергию, а 3 остальные равномерно прогревают оребренную поверхность устройства. Испытания опытных образцов показали, что за счет повышенной эффективности теплообмена устройства удалось снизить расход жидкости с 11 л/мин до 6 л/мин.