Устройство отвода тепла от тепловыделяющего объекта

Полезная модель относится к теплотехнике и может быть использована для обеспечения эффективного отвода тепла от тепловыделяющих объектов, например, от электронных компонентов, установленных на единой плате-основании в электронном модуле.
Известно устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, установленных в электронном модуле [RU 2350055, Н05К 7/20, 20.03.2009], в котором в качестве теплоотвода применены изогнутые медные пластины, имеющие три участка, установленные в разных плоскостях модуля так, что первые участки медных пластин установлены на базовую плоскость и могут использоваться как присоединительные выводы, вторые участки медных пластин присоединены к металлизированным плоскостям подложки, третьи участки медных пластин припаяны к основаниям тепловыделяющих приборов, причем, форма и толщина медных пластин выбираются исходя из требований к жесткости конструкции, плотности тока, протекающего через приборы, максимально допустимого теплового сопротивления теплоотвода, рассеивающим избыточное тепло непосредственно и/или с помощью прижима дополнительных радиаторных элементов.
Недостатком этого устройства является, во-первых, необходимость прижима к устройству дополнительных радиаторов, что не всегда возможно с конструктивной точки зрения и не обеспечивает эффективный отвод тепла от прибора, во-вторых, невозможность обеспечить низкие тепловые сопротивления для нескольких теплонагруженных приборов одновременно, что диктуется требованиями к жесткости конструкции теплоотвода и, в-третьих, данное устройство не применимо для отвода тепла от множества интегральных схем, имеющих матричные или шариковые выводы корпуса и установленных на одной печатной плате.
Известно также устройство для отвода тепла от теплонагруженного электронного компонента с планарными выводами, размещенного на печатной плате [RU 2105441, Н05К 7/20, 20.02.1998], в котором теплоотводящее основание корпуса компонента прижато к теплопроводному корпусу блока, при этом, планарные выводы корпуса компонента отогнуты под прямым углом в сторону противоположную теплоотводящему основанию его корпуса, что позволяет за счет пружинящих свойств выводов корпуса компонента обеспечивать плотный тепловой контакт между корпусом блока и корпусом компонента одновременно для нескольких теплонагруженных компонентов.
Недостатком этого устройства является относительно узкие функциональные возможности, обусловливающее его ограниченное применение, поскольку оно пригодно только для рассматриваемой конкретной конструкции блока и отсутствует возможность его использования для интегральных микросхем с корпусами, установленных на одной печатной плате и имеющих матричные и шариковые выводы.
Известно также конструктивное решение для конвективного охлаждения лазерного диода с теплообменником, вынесенным на крышку модуля [Николаенко Ю.Е., Жук С.К., Батуркин В.М., Олефиренко Д.Н. Моделирование и выбор систем обеспечения теплового режима лазерных модулей // Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2001, №2. с. 31-36], в котором использован теплопровод, передающий тепловой поток от лазерного диода к теплообменнику, представляющий собой жгут медных волокон диаметром 30…70 мкм.
Недостатком такого конструктивного решения является относительно узкие функциональные возможности, обусловливающее его ограниченное применение, поскольку оно создано для охлаждения конкретного электронного прибора - лазерного диода с теплообменником, вынесенным на крышку модуля. Это ограничивает возможность использования его для других конструкций.
Еще одним аналогом предложенного технического решения является устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем [RU 117056, U1, Н05К 7/20, G12B 15/06, G06F 1/20, 10.06.2012], состоящее из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции теплостока, установленных на печатной плате электронной системы, причем, принимающий и отводящий тепло элементы выполнены в виде двух пластин из высокотеплопроводных материалов, одна из которых закреплена на корпусе электронного компонента, а другая - на конструкции теплостока, при этом, пластины соединены между собой посредством гибких высокотеплопроводных звеньев для обеспечения степени подвижности во всех направлениях, а гибкие звенья и выполнены многожильными в виде пучка из волокон меди, или графита, или графена, а альтернативно - в виде гофра из пластин меди, или графита, или графена.
Недостатком этого устройства является недостаточная эффективность охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем, обусловленная тем, что тепловая энергия, выделяемая компонентами электронных систем, установленных на печатной плате, принимается одной из пластин и отводится в теплосток к другой пластине, которая соединены с первой посредством гибких высокотеплопроводных звеньев, не обладающих высокой теплопередачей, как и обе пластины.
Кроме того, это техническое решение обладает относительно высокой сложностью, что обусловлено использованием двух пластин, соединенных гибкими звеньями. Общим недостатком этих решений является использование в качестве теплопроводного материала меди, обладающей большой плотностью.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату предложенному устройству является техническое решение для отвода тепла от тепловыделяющих объектов [RU 154834, U1, G12B 15/06, Н05К 7/20, H01L 23/36, 10.09.2015], содержащее принимающий и отводящий тепло элемент, выполненный в виде пластины из теплопроводного материала, которая имеет утилизирующую поверхность, выделяющую тепло в окружающую среду, и теплопринимаюшую поверхность, прилегающую к тепловыделяющему объекту, при этом, пластина из теплопроводного материала выполнена из соединенных эпоксидным клеем углеродных лент из пекового прекурсора, уложенных вплотную в направлении от теплопринимающей поверхности к утилизирующей поверхности.
Особенностями известного устройства является то, что углеродные ленты из пекового прекурсора уложены вплотную в виде прилегающих друг к другу витков, а пластина из теплопроводного материала выполнена из двух углеродных лент из пекового прекурсора, уложенных вплотную в перпендикулярных плоскостях в виде прилегающих друг к другу витков.
Недостатком наиболее близкого технического устройства является относительно низкая эксплуатационная надежность, вызванная тем, что пластина из теплопроводного материала прилегает своей теплопринимающей поверхностью к тепловыделяющему объекту, что не обеспечивает ее механическую прочность и может привести к разрушению этой поверхности, а также к изменению ориентации концов углеродных лент из пекового прекурсора, а также тем, что утилизирующая поверхность пластины из теплопроводного материала ничем не защищена, что также не обеспечивает ее механическую прочность и может привести к разрушению этой поверхности и к изменению ориентации концов углеродных лент из пекового прекурсора. Все это снижает теплопроводность известного устройства и снижает эксплуатационную надежность устройства.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в создании устройства для отвода тепла с повышенной эксплуатационной надежностью и расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для утилизации тепла от тепловыделяющих объектов.
Требуемый технический результат заключается в повышении эксплуатационной надежности, а также в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для утилизации тепла от тепловыделяющих объектов.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройстве для отвода тепла от тепловыделяющего объекта, которое содержит принимающую и отводящую тепло пластину из теплопроводного материала, имеющую утилизирующую поверхность, выделяющую тепло в окружающую среду и теплопринимаюшую поверхность, обращенную к тепловыделяющему объекту, имеющему плату-основание и размещенные на ней тепловыделяющие элементы, причем, пластина из теплопроводного материала выполнена из соединенных формальдегидным связующим углеродных волокон из пекового прекурсора, согласно полезной модели, на теплопринимаюшую и утилизирующую поверхности пластины из теплопроводного материала нанесен слой графитовой фольги, а на слой графитовой фольги со стороны утилизирующей поверхности пластины нанесен слой углепластика.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, толщина слоя графитовой фольги составляет 0,5 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, толщина слоя углепластика составляет 5 мм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, толщина пластины из теплопроводного материала составляет от 3 до 5 мм.
При том что геометрия теплопринимающей и утилизирующей поверхности пластины из теплопроводного материала зависит от геометрии тепловыделяющих элементов и может быть, например, плоской, цилиндрической или сферической.
На чертеже представлено устройство отвода тепла от тепловыделяющего объекта в разрезе совместно с таким объектом.
Устройство для отвода тепла от тепловыделяющего объекта содержит принимающую и отводящую тепло пластину 1, имеющую теплопринимаюшую поверхность 2, обращенную к тепловыделяющему объекту с размещенными на ней тепловыделяющими элементами 3, и утилизирующую поверхность 4, выделяющую тепло в окружающую среду. В устройстве принимающая и отводящая тепло пластина 1 выполнена из соединенных формальдегидным связующим углеродных волокон из пекового прекурсора. Кроме того, на слой углеродных волокон из пекового прекурсора пластины 1 со стороны теплопринимающей и утилизирующей тепло поверхности нанесен слой графитовой фольги 5 и, а на слой графитовой фольги со стороны утилизирующей поверхности пластины 1 нанесен слой углепластика 6.
В частном случае выполнения устройства толщина слоя графитовой фольги составляет 0,5 мм, толщина слоя углепластика составляет 5 мм, а толщина пластины из теплопроводного материала составляет от 3 до 5 мм.
Используется устройство отвода тепла от тепловыделяющего объекта следующим образом.
Тепло от тепловыделяющего объекта поступает на теплопринимаюшую поверхность пластины 1 через слой графитовой фольги 5. Графитовая фольга 5 обеспечивает плотное прилегание к тепловыделяющему объекту, имеющему плату-основание и размещенные на ней тепловыделяющие элементы. При этом, если имеются точки концентрации тепла на тепловыделяющем объекте, то графитовая фольга «расширяет» эти точки и обеспечивает более эффективную передачу тепла к пластине 1 и далее тепло по углеродным волокнам из пекового прекурсора обеспечивает эффективную передачу тепла для утилизации.
Наличие слоя углепластика 6 поверх слоя графитовой фольги 5 со стороны утилизирующей поверхности пластины 1 позволяет усилить конструкцию устройства и защитить пластину 1 от механических и иных воздействий для сохранения целостности волокон пластины и повышения эксплуатационной надежности устройства.
Таким образом, благодаря введенным усовершенствованиям достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении эксплуатационной надежности устройства, а также в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для утилизации тепла от тепловыделяющих объектов.