РАДИАТОР
RADIATOR

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов.
Известен радиатор (патент CN 101072481, МПК G12B 15/06, G06F 1/20, H05K 7/20, H01L 23/367, опубликован 14.11.2007 г.), изготовленный из алюминиевого сплава и содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными ребрами, создающими каналы для прохождения охлаждающей среды. Ребра постоянного профиля в сечении, перпендикулярном направлению прохождения охлаждающей среды. Недостатком известного радиатора является низкая теплоотдача от ребер к охлаждающей среде вследствие наличия плохо разрушаемого теплового пограничного слоя. Тепловой пограничный слой образуется при обтекании любого твердого тела жидкой или газообразной средой, отличающейся от него температурой, на его поверхности вследствие действия сил вязкости и температурного градиента.
Этого недостатка лишен радиатор (патент CN 202026556, МПК G06F 1/20, H05K 7/20, H01L 23/367, опубликован 02.11.2011 г.), содержащий множество параллельных одинаковых ребер в виде пластин. Охлаждающая среда движется перпендикулярно ребрам, причем в зоне прохождения охлаждающей среды на торцевой поверхности каждого ребра имеется множество выступов и впадин. Соседние ребра смещены относительно друг друга так, что в направлении движения охлаждающей среды за выступом очередного ребра следует впадина следующего и так далее. При этом происходит разрушение теплового пограничного слоя, повышается теплоотдача от ребер к охлаждающей среде, но значительно возрастает гидравлическое сопротивление радиатора потоку охлаждающей среды, что требует применения мощного напорного оборудования для подачи охлаждающей среды.
Известен радиатор (патент CN 104807362, МПК F28F 13/12, F28F 3/02, опубликован 29.07.2015 г.) с ребрами, содержащими элементы V-образной структуры, расположенными в шахматном порядке. При такой конструкции радиатора происходит хорошее разрушение теплового пограничного слоя, но велико гидравлическое сопротивление потоку охлаждающей среды. Изготовить такой радиатор методами механической обработки или пластической деформации очень сложно.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является принятый за прототип радиатор (патент CN 202614072, МПК F28F 13/12, H01F 27/12, опубликован 19.12.2012 г.) с ребрами, выполненными из изогнутой металлической ленты в виде «змейки», причем каждая вершина изогнутой ленты находится напротив впадины соседней изогнутой ленты. Для прохода охлаждающей среды ленты расположены на небольшом расстоянии друг от друга, образуя сквозной канал постоянного поперечного сечения. Охлаждающая среда, проходя по каналам, образованным лентами, постоянно зигзагообразно меняет направление движения. При таком расположении ребер радиатор имеет небольшое увеличение гидравлического сопротивления потоку охлаждающей среды по сравнению с прямоточными каналами, но значительно меньшее по сравнения с аналогами со смещенными и V-образными ребрами. При турбулентном движении потока охлаждающей среды, в силу постоянного изменения его направления, происходит разрушение теплового пограничного слоя. Недостатком данного технического решения является плохое разрушение теплового пограничного слоя при ламинарном движении потока охлаждающей среды. Особенно актуально это для вязких охлаждающих сред. Кроме того, предложенное техническое решение предусматривает изготовление ребер из листового металлического материала и их соединение с теплопоглощающей поверхностью радиатора методом точечной сварки. При таком соединении будет невысокая теплопередача от ребер к теплопоглощающей поверхности, что ухудшит работу радиатора.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении теплоотдачи от радиатора к охлаждающей среде за счет разрушения теплового пограничного слоя потока охлаждающей среды.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение радиатора для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов, высокоэффективного за счет разрушения теплового пограничного слоя потока охлаждающей среды, малогабаритного, с низким гидравлическим сопротивлением и возможностью его изготовления простыми методами механической обработки.
Сущность изобретения - радиатор, изготовленный из теплопроводного материала, содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными ребрами, создающими каналы для прохождения газообразной или жидкой охлаждающей среды, состоит в том, что каждая стенка канала образована чередованием плоских и вогнутых поверхностей таким образом, чтобы поперечное сечение канала изменялось на всем пути перемещения охлаждающей среды.
Решению поставленной задачи способствуют признаки, характеризующие изобретение в частных случаях его выполнения или использования.
Вогнутые поверхности стенки канала могут иметь конфигурацию тела вращения.
Теплопоглощающая и теплораспределяющая поверхности радиатора могут быть изготовлены из разных материалов. При этом соединение между собой теплопоглощающей и теплораспределяющей поверхностей может быть, например, пайкой или прессованием под высоким давлением.
Ребра теплораспределяющей поверхности могут быть не перпендикулярны теплопоглощающей поверхности.
Каналы радиатора могут быть закрыты крышкой для направления потока охлаждающей среды с целью улучшения теплопередачи от радиатора к охлаждающей среде.
Из уровня техники не известно техническое решение с заявляемой совокупностью существенных признаков независимого пункта формулы изобретения, что подтверждает его соответствие условию патентоспособности «новизна».
Существенные отличительные признаки независимого пункта формулы заявляемого изобретения для специалиста явным образом не следуют из уровня техники, что подтверждает соответствие изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Сущность изобретения подтверждается чертежами, где:
на фиг. 1 - радиатор, вид сбоку;
на фиг. 2 - радиатор, вид сверху;
на фиг. 3 - радиатор, сечение А-А;
на фиг. 4 - радиатор, сечение Б-Б;
на фиг. 5 - радиатор, вид сбоку (вариант);
на фиг. 6 - крышка;
на фиг. 7 - радиатор с установленной крышкой;
на фиг. 8 - радиатор с ребрами, не перпендикулярными теплопоглощающей поверхности, вид сбоку.
Перечень позиций элементов чертежей радиатора:
1 - теплопоглощающая поверхность;
2 - теплораспределяющая поверхность;
3 - ребро;
4 - канал;
5 - проекция плоской поверхности канала;
6 - проекция вогнутой поверхности канала;
7 - отверстие;
8 - охлаждающая среда;
9 - остроконечный выступ;
10 - паз;
11 - выступ;
12 - направляющий канал;
13 - конфузор;
14 - диффузор;
15 - радиатор;
16 - крышка.
На виде сбоку радиатора (фиг. 1) показаны теплопоглощающая поверхность 1, контактирующая с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента (не показана), теплораспределяющая поверхность 2 в виде множества ребер 3, образующая каналы 4 для прохода охлаждающей среды.
На виде сверху радиатора (фиг. 2) показано чередование плоских 5 и вогнутых 6 (частный случай: тело вращения - окружность) проекций поверхностей канала.
Сечение А-А радиатора (фиг. 3) позволяет понять метод его изготовления. В металлической заготовке из теплопроводного металла (например, меди) сверлятся в «шахматном» порядке отверстия 7 диаметром d глубиной h, а затем фрезеруются пазы шириной b и глубиной h (фиг. 1). Такую же конфигурацию ребер радиатора, но с вогнутыми поверхностями участков ребер, не в виде окружности, можно получить также методом механической обработки на металлорежущем оборудовании с числовым программным управлением. Диаметр отверстий, ширина пазов и их глубина подбираются опытным путем в зависимости от применяемой охлаждающей среды (газообразная, жидкая среда; параметров ее вязкости, теплоемкости, теплопроводности), вида истечения охлаждающей среды (турбулентный, промежуточный, ламинарный), параметров тепловыделяющей поверхности электронного компонента (отводимая тепловая мощность, конфигурация, габариты), материала радиатора. Габариты радиатора определяются габаритами тепловыделяющей поверхности электронного компонента и общей компоновкой изделия, где используется радиатор.
Поперечное сечение Б-Б радиатора (фиг. 4) позволяет понять метод разрушения теплового пограничного слоя в радиаторе. При обтекании любого твердого тела жидкой или газообразной средой, отличающейся от него температурой, на его поверхности вследствие действия сил вязкости и температурного градиента образуется область, именуемая тепловым пограничным слоем. Изменение температуры пристенного потока среды происходит на весьма небольшом расстоянии от стенки в пределах данного слоя. Истечение среды в зоне теплового пограничного слоя, как правило, ламинарное. Процесс теплопереноса в ламинарном пограничном слое осуществляется теплопроводностью. Чем тоньше слой и выше коэффициент теплопроводности среды, тем лучше теплоперенос. Еще больший эффект достигается при постоянном разрушении теплового пограничного слоя и замене нагретого слоя холодным, т.е. созданием турбулентности потока. Чем больше мест соударений струи с поверхностью твердого тела, тем больше мест с местной турбулентностью и максимальным коэффициентом теплоотдачи. В предлагаемом изобретении это достигается особой конфигурацией канала 4 движения охлаждающей среды 8: наличием остроконечных выступов 9 на поверхности ребер 3 в месте сопряжения плоских и вогнутых поверхностей стенок канала и постоянно изменяющегося поперечного сечения канала на всем пути перемещения охлаждающей среды. При этом происходит хаотичное закручивание потока охлаждающей среды на всем пути ее перемещения в радиаторе и разрушение ее теплового пограничного слоя. В связи с разрушением теплового пограничного слоя охлаждающей среды происходит повышение теплоотдачи от радиатора к охлаждающей среде. При этом минимальное поперечное сечения канала не может быть меньше ширины b (фиг. 1) формообразующего инструмента, применяемого при изготовлении радиатора, что гарантирует радиатору минимальное гидравлическое сопротивление.
Теплопоглощающая и теплораспределяющая поверхности радиатора могут быть изготовлены из разных материалов (например, меди, алюминия, композитных материалов). Соединение между собой теплопоглощающей и теплораспределяющей поверхностей в этом случае может быть осуществлено, например, пайкой, прессованием под высоким давлением, сваркой, литьем.
Вариант исполнения радиатора с двумя пазами 10 (фиг. 5) для крепления крышки позволяет направить весь поток охлаждающей среды через каналы 4 радиатора при использовании крышки. Достигается это установкой в пазы 10 выступов 11 крышки (фиг. 6), изготовленной из пластика. Крышка имеет направляющий канал 12, конфузор 13, диффузор 14 для формирования равномерного потока охлаждающей среды в радиатор и уменьшения его гидравлического сопротивления.
На фиг. 7 изображен радиатор 15 с установленной крышкой 16.
На фиг. 8 изображен радиатор (вид сбоку) с ребрами, не перпендикулярными теплопоглощающей поверхности.
Радиатор работает следующим образом. Теплопоглощающую поверхность 1 радиатора 15 устанавливают на тепловыделяющую поверхностью электронного компонента (можно через термоинтерфейс). Тепловой поток от тепловыделяющей поверхности электронного компонента через теплопоглощающую поверхность радиатора теплопроводностью передается его теплораспределяющей поверхности 2. По каналам 4 теплораспределяющей поверхности радиатора подается охлаждающая среда 8 (газообразная или жидкая). Вследствие наличия остроконечных выступов 9 на поверхности ребер 3 в месте сопряжения плоских и вогнутых поверхностей стенок канала и постоянно изменяющегося поперечного сечения канала на всем пути перемещения охлаждающей среды происходит хаотичное закручивание потока охлаждающей среды в радиаторе и разрушение ее теплового пограничного слоя. В связи с разрушением теплового пограничного слоя охлаждающей среды происходит интенсивная теплоотдача от радиатора к охлаждающей среде. Чтобы весь поток охлаждающей среды направить через каналы, на радиатор устанавливается крышка 16.
Описанные средства и методы, с помощью которых возможно осуществление изобретения, с реализацией указанного их назначения подтверждают соответствие изобретения условию патентоспособности «промышленная применимость»