Радиатор для охлаждения электронного компонента
RADIATOR FOR COOLING THE ELECTRONIC COMPONENT

Изобретение относится к устройствам для отвода тепла от электронных компонентов.
Известен радиатор для электронного компонента, содержащий несколько радиаторных пластин, скрепленных с теплопоглощающей поверхностью, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента (патент RU №2360381).
Основным недостатком известного устройства являются отсутствие турбулизации потока охлаждающего воздуха, что приводит к снижению удельной тепловой эффективности и, следовательно, к увеличению массогабаритных и стоимостных характеристик радиатора.
Известен радиатор для электронного компонента, выбранный в качестве прототипа, содержащий несколько отдельных гофрированных пластин, скрепленных с теплопоглощающей поверхностью, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента (патент Южная Корея №20-2014-0005621 F28D 15/02, F28F 1/10 (2006.01) дата публикации 2014-10-31 https://patents.google.com/patent/KR20140005621U/en).
В данном техническом решении для обеспечения турбулизации потока охлаждающего воздуха пластины выполнены гофрированными, причем гофры расположены перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности. Такое расположение гофр турбулизирует часть потока воздуха, движущегося вдоль поверхности пластин, но не турбулизирует ту часть потока воздуха, которая движется вдоль участков теплопоглощающей поверхности, расположенных между пластинами. На этих участках сохраняется ламинарный слой воздуха, который препятствует эффективному теплообмену этих участков с потоком охлаждающего воздуха. Кроме того, расположение гофр перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности создает максимальную степень турбулизации потока воздуха. Это повышает аэродинамическое сопротивление движению потока воздуха, но практически не повышает тепловую эффективность поверхности пластин. Объясняется это тем, что такая степень турбулизации не только разрушает ламинарные пристенные слои воздуха, которые эффективно разрушаются и при меньших углах наклона гофр, но и дополнительно турбулизирует ядро потока, увеличивая аэродинамическое сопротивление.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение тепловой эффективности радиатора, что позволит уменьшить его массогабаритные характеристики, и уменьшение его аэродинамического сопротивления.
Поставленная задача решается тем, что в радиаторе для охлаждения электронного компонента, содержащем несколько отдельных гофрированных пластин, скрепленных с теплопоглощающей поверхностью, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, гофры пластин расположены по отношению к теплопоглощающей поверхности под углом, находящимся в пределах от 20 градусов до 75 градусов. Гофры каждой пластины могут быть расположены между обращенными к ним гофрами смежных пластин. Гофры каждой пластины могут быть расположены под углом к гофрам смежных пластин. Гофры пластин могут иметь волнообразную форму. Гофры на каждой пластине могут скрещиваются между собой. Пластины могут быть скреплены также с дополнительной, противоположно расположенной теплопоглощающей поверхностью.
Выполнение гофр пластин под углом по отношению к теплопоглощающей поверхности изменяет результирующий вектор скорости охлаждающего потока, отклоняя поток воздуха к участкам теплопоглощающей поверхности, расположенным между пластинами. Отклоненный поток воздуха разрушает ламинарные слои воздуха, прилежащие к участкам теплопоглощающей поверхности между пластинами.
Расположение гофр под углом 20 градусов значительно отклоняет поток охлаждающего воздуха в сторону участков теплопоглощающей поверхности, расположенных между пластинами. При этом осуществляется значительная турбулизация потока над участками теплопоглощающей поверхности, расположенными между пластинами, повышая тепловую эффективность этих участков, но снижается турбулизация потока вдоль поверхностей пластин, что уменьшает тепловую эффективность последних, однако расположение гофр под углом 20 градусов позволяет существенно снизить аэродинамическое сопротивление радиатора, обеспечивая возможность увеличения расхода воздуха через радиатор, т.е. снижение средней температуры воздуха, что приводит к росту среднелогарифмического температурного напора.
Расположение гофр под углом 75 градусов не существенно отклоняет поток охлаждающего воздуха в сторону участков теплопоглощающей поверхности, расположенных между пластинами, в связи с этим осуществляется менее значительная турбулизация потока над участками теплопоглощающей поверхности, расположенными между пластинами, чем при угле 20 градусов, но при этом турбулизация вдоль поверхностей пластин является более существенной. Расположение гофр под углом 75 градусов снижает аэродинамическое сопротивление радиатора по сравнению с прототипом, хоть и менее существенно, чем при угле в 20 градусов.
Диапазон наклона гофр пластин от 20 до 75 градусов является наиболее оптимальным, т.к позволяет разрушить ламинарные пристенные слои воздуха при этом уменьшается по сравнению с прототипом аэродинамическое сопротивление радиатора. Конкретный угол наклона в пределах этого диапазона выбирается с учетом возможных характеристик вентилятора, обеспечивающего прокачку потока воздуха через радиатор.
Расположение гофр каждой пластины между обращенными к ним гофрами смежных пластин позволяет сохранить постоянной площадь проходного сечения каналов, что исключает рост аэродинамического сопротивления и позволяет увеличить расход охлаждающего воздуха, а это увеличивает тепловую эффективность радиатора за счет роста среднелогарифмического температурного напора.
Выполнение гофр каждой пластины под углом к гофрам смежных пластин обеспечивает дополнительную турбулизацию потока воздуха между пластинами, что повышает тепловую эффективность радиатора.
Выполнение гофр пластин волнообразной формы позволяет снизить аэродинамическое сопротивление движению воздуха, т.к. в местах впадин волн создаются дополнительные площади для прохода воздуха, что снижает аэродинамическое сопротивление и позволяет увеличить расход охлаждающего воздуха, что увеличивает тепловую эффективность радиатора за счет роста среднелогарифмического температурного напора.
Выполнение гофр на каждой пластине скрещивающимися между собой дополнительно турбулизирует пристенные слои воздуха между пластинами, снижая толщину ламинарного слоя вдоль поверхности пластин, что повышает тепловую эффективность последних.
Скрепление пластин с дополнительной, противоположно расположенной теплопоглощающей поверхностью, увеличивает общую поверхность теплоотдачи радиатора, что увеличивает его интегральную тепловую эффективность.
Заявляемое техническое решение может быть реализовано, например, с использованием аддитивных технологий (3D печати).
На рисунке 1 представлен заявляемый радиатор. Поз. 1 - теплопоглощающая поверхность. Поз. 2 - пластины с гофрами, расположенными под углом по отношению к теплопоглощающей поверхности поз.1 в пределах от 20 до 75 градусов.
На рисунке 2 представлен заявляемый радиатор, в котором гофры каждой пластины расположены между обращенными к ним гофрами смежных пластин. Поз. 3 - гофры одной пластины. Поз. 4 - гофры смежной пластины.
На рисунке 3А представлен чертеж, а на рисунке 3Б фотография заявляемого радиатора, в котором гофры каждой пластины расположены под углом к гофрам смежных пластин. Поз. 5 - гофры одной пластины. Поз. 6 - гофры смежной пластины.
На рисунке 4 представлен заявляемый радиатор, в котором гофры пластин имеют волнообразную форму. Поз. 7 - волнообразные гофры пластины.
На рисунке 5А представлен чертеж, а на рисунке 5Б фотография заявляемого радиатора, в котором гофры на каждой пластине скрещиваются между собой. Поз. 8 и поз. 9 - скрещивающиеся между собой гофры пластины.
На рисунке 6 представлен заявляемый радиатор, в котором пластины скреплены также с дополнительной, противоположно расположенной теплопоглощающей поверхностью. Поз. 10 - дополнительная, противоположно расположенная теплопоглощающая поверхность.
Заявляемый радиатор для охлаждения электронного компонента работает следующим образом. Поток воздуха прокачивается сквозь радиатор, продольно обтекая пластины и теплопоглощающую поверхность в объеме, ограниченном теплопоглощающей поверхностью 1 и гофрированными пластинами 2. Объем может быть дополнительно ограничен теплопоглощающей поверхностью 10. Пластины 2 могут иметь гофры 3, выступы которых расположены между обращенными к ним выступами гофр 4 смежных пластин. Пластины 2 могут иметь гофры 5, расположенные под углом к гофрам 6 смежных пластин. Гофры 3, 4, 5 и 6 могут иметь волнообразную форму. Пластины 2 могут иметь гофры 8 и 9, которые скрещиваются между собой. В процессе движения воздуха осуществляется обдув поверхностей пластин и теплопоглащающих поверхностей, благодаря чему осуществляется отвод тепла от пластин и теплопоглащающих поверхностей. Наличие гофр на пластинах обеспечивает турбулизацию потока воздуха, а их наклон к теплопоглащающей поверхности повышает эффективность теплоодачи от этой поверхности за счет отклонения части движущегося воздуха в сторону этой поверхности, что способствует росту тепловой эффективности этой поверхности за счет разрушения прилежащего к ней ламинарного слоя.
Использование предлагаемого технического решения позволяет повысить тепловую эффективность радиатора за счет турбулизации ламинарных слоев воздуха, прилегающих к участкам теплопоглощающей поверхности, расположенным между пластинами.
Применение заявляемого радиатора позволяет охлаждать электронные компоненты с помощью радиатора, имеющего меньшие массогабаритные характеристики при сниженном аэродинимическом сопротивлении.