ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА
ELECTRONIC DEVICE COOLING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение касается охлаждения электронного устройства, содержащего корпус с электронными платами, вставленными в контактные разъемы в корпусе. Изобретение находит особое применение для бортовых электронных устройств, например на борту летательного аппарата.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Например, вычислительное устройство содержит несколько электронных плат, установленных параллельно одни другим в корпусе, называемом также кожухом или блоком. Для обеспечения технического обслуживания устройства различные платы являются съемными. Монтаж и демонтаж плат осуществляется их перемещением по пазам корпуса.
Платы образованы печатной схемой, содержащей электронные компоненты. В процессе работы электронные компоненты выделяют тепло, которое необходимо отводить от электронного устройства.
Для охлаждения электронного устройства используются несколько решений. Можно, например, заставить циркулировать охлаждающую среду, например воздух, вдоль плат или в непосредственной близости от компонентов и охлаждать их также принудительной конвекцией.
Можно также снабдить охлаждаемую плату теплоотводом в виде пластины, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, например из меди или алюминия, при этом компоненты находятся в контакте с этим теплоотводом. Пластина имеет, по существу, ту же поверхность, что и печатная плата, и параллельна последней. Эта пластина позволяет передавать отводимое от электронных компонентов тепло корпусу. Последний должен рассеивать собираемое тепло наружу от устройства. Это рассеивание может быть просто достигнуто путем выполнения корпуса из материала с высокой теплопроводностью или путем размещения в корпусе теплообменника. Для этого можно в корпус встроить каналы, в которых циркулирует, например, воздух иди вода. Необходимо также соединить эти каналы с сетью внешнего охлаждения устройства.
Эти решения позволяют в целом охладить устройство, но не затрагивают возможные горячие точки, образующиеся на уровне некоторых особых компонентов. Для поддержания приемлемых рабочих температур этих компонентов придается большое значение общему усилению охлаждения устройства, например, путем увеличения расходов теплопроводящих сред. Это увеличивает потери нагрузки в охлаждающих цепях выше уровня, который был бы необходим для общего охлаждения устройства.
Для охлаждения особых зон плат можно разместить в непосредственном контакте с охлаждаемым компонентом такой элемент, как, например, тепловую трубу, позволяющую посредством теплопроводности отводить тепло непосредственно на уровне компонента. Один конец тепловой трубы находится в контакте с компонентом, а другой конец должен обеспечить отвод тепла за пределы устройства. Встраивание компонента такого типа делает затруднительным демонтаж электронных плат.
В некоторых областях, в частности в авиации, замена электронных плат должна иметь возможность осуществляться в сокращенное время при посадке, чтобы не останавливать двигатель. Таким образом, необходимо сохранить одинаковое время замены платы, будь она оборудована или нет особыми средствами охлаждения.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на решение всех или части упомянутых выше задач путем предложения электронного устройства, в котором платы обычно соединяются перемещением по направляющим даже при наличии особой горячей точки.
Для этого объектом изобретения является электронное устройство, содержащее электронный отсек, образованный корпусом и, по меньшей мере, одной электронной платой, несущей электронные компоненты, при этом плата выполнена для установки с возможностью съема в корпусе перемещением вдоль паза для достижения рабочего положения, причем установка платы осуществляется через поверхность вставки корпуса, отличающееся тем, что оно содержит теплоотвод удлиненной формы, расположенный вдоль паза и обеспечивающий отвод тепла, излучаемого компонентами, а также средства отбора отводимого по теплоотводу тепла, причем средства отбора расположены снаружи электронного отсека, или на уровне поверхности вставки корпуса, или на уровне задней поверхности, противоположной поверхности вставки.
Другими словами, теплоотвод осуществляется в основном концами теплопровода без перехода через контактные поверхности между теплоотводом и пазом.
Установка теплоотвода удлиненной формы, расположенного вдоль паза, позволяет равномерно распределить температуру теплоотвода и отвести тепло, излучаемое платой по всей длине паза и, таким образом, на наибольшей площади контакта между платой и корпусом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим описанием, не являющимся ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1а, 1b и 1c изображают первый вариант реализации электронного устройства по изобретению;
фиг. 2a, 2b, 2c и 2d представляют второй вариант реализации электронного устройства по изобретению.
Для ясности одинаковые элементы на разных фигурах обозначены одинаковыми позициями.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ
На различных фигурах изображено электронное устройство, содержащее корпус 10, включающий в себя несколько плат с печатными схемами, одна из которых, обозначенная позицией 11, представлена на чертеже. Здесь представлен компонент 12, являющийся одним из нескольких электронных компонентов, установленных на этой плате 11. Этот компонент требует особого охлаждения. Речь может идти о мощном транзисторе или цифровой микросхеме типа процессора.
В корпус 10 через его переднюю поверхность 17 или, другими словами, поверхность вставки печатные платы вставляются в разъемы. Электрические соединения между различными платами осуществляются в глубине корпуса на уровне стороны, противоположной поверхности вставки, в данном случае задней поверхности 18 корпуса 10. Платы направляются каждая в двух параллельных и противолежащих пазах. Введение платы в разъем осуществляется перемещением в предусмотренных для этого пазах вглубь корпуса. Съем платы осуществляется очень просто обратным перемещением. Таким образом, легко заменить плату в случае отказа последней. Под электронным компонентом понимают систему, образованную корпусом 10 и одной или несколькими вставляемыми в разъемы платами 11. Устройство может содержать другие подсистемы, прикрепленные к корпусу 10, например источник питания.
Фиг. 1а, 1b и 1с изображают первый вариант воплощения изобретения. Точнее, фиг. 1а изображает вид в частичном разрезе поверхность 17 вставки корпуса 10, при этом плата 11 находится в одном из пазов 13. Фиг. 1b изображает в частичном профильном разрезе плату 11 в корпусе 10, а фиг. 1с изображает в перспективе плату 11 вне корпуса 10.
Паз 13 выполнен в каркасе корпуса 10 перпендикулярно поверхности 17 вставки корпуса 10. Поджимающее устройство 14 позволяет обеспечить примыкание платы 11 к одной из поверхностей 15 паза 13. Устройство 14 упирается в поверхность 16 паза 13, противолежащую поверхности 15. Плата 11 зажимается между поджимающим устройством 14 и поверхностью 15.
Плата 11 может содержать специальные средства, предназначенные для улучшения теплопроводности между компонентом 12 и пазом 13. Речь может идти о медной пластине, покрытой электроизолирующим и теплопроводящим покрытием, расположенным параллельно печатной плате между последней и компонентом 12. Медная пластина имеет отверстия с шагом электронных компонентов, установленных на плате 11 для обеспечения соединения компонентов с печатными проводниками. Медная пластина проходит до паза 13. Печатная схема может быть нанесена до паза 15. Таким образом, только медная пластина зажата между поверхностью 15 и поджимающим устройством 14. Это обеспечивает хороший тепловой контакт между медной пластиной и корпусом 10. В этом варианте воплощения поджимающее устройство часто называют термической направляющей, которая может, например, содержать несколько участков, которые можно перемещать одни относительно других с помощью винта, управляемого с поверхности 17 вставки корпуса 10.
В соответствии с изобретением электронное устройство содержит теплоотвод 20 удлиненной формы, расположенный вдоль паза 13 и обеспечивающий отвод тепла, выделяемого компонентами печатной платы 11, для его отвода к задней поверхности корпуса 10, при этом задняя поверхность 18 противолежит поверхности 17 вставки. Теплоотвод 20 является компонентом, расположенным в корпусе 10. Он обладает теплопроводностью, превышающей теплопроводность каркаса корпуса 10, в котором он размещен. При использовании представленного компонента создается меньшая нагрузка на теплопроводность материала, образующего корпус 10. Можно, например, изготовить корпус 10 из композитного материала, что дает существенный выигрыш в массе, по сравнению с металлическим материалом.
Можно, например, использовать двухфазный теплоотвод, такой как тепловая труба или двухфазная петля, либо также теплоотвод с высокой теплопроводностью, такой как полоса из графита, алмаза или на основе углеродных нанотрубок.
Теплоотвод 20 соединен со средствами отбора за пределы устройства тепла, отведенного теплоотводом 20, при этом средства отбора могут быть расположены на уровне задней поверхности корпуса 10. Можно также разместить средства отбора на уровне поверхности 17 вставки. Отбор отведенного тепла теплоотводом 20 осуществляется в основном средствами отбора без использования корпуса 10.
Когда устройство содержит несколько вставленных в разъемы печатных плат, каждая в пару пазов, можно соединить с каждым пазом теплоотвод 20 и средства отбора, которые относятся только к этому теплоотводу 20 и обособлены одни от других. Различные теплоотводы 20 средств отбора предпочтительно выполнены одинаковыми.
Это обеспечивает лучшую модульность объекта изобретения, которая может быть использована при необходимости в работающем оборудовании. Некоторые платы могут быть оборудованы теплоотводом и собственными средствами отбора, а другие не могут. Можно также осуществить замену существующего устройства, не затрагивая собственно корпус 10. Это может быть преимущественно, например, при замене платы 11 новой платой, которая потребляет больше энергии и должна лучше охлаждаться. Для исходной платы теплоотвод не предусмотрен. Без изменения корпуса 10 можно добавить теплоотвод 20 и соединенные с ним средства отбора для установки новой платы.
В первом варианте воплощения изобретения теплоотвод 20 жестко соединен с корпусом 10. Точнее говоря, корпус 10 содержит пластину 21 и выступ 22, выходящий из пластины 21 и ограниченный поверхностью 15, к которой примыкает плата 11. Пластина 21 может содержать несколько выступов 22, между которыми выполнены пазы 13. Теплоотвод 20 расположен в выступе 22. Он размещен по оси 23, параллельной плоскости платы 11.
Теплоотвод 20 проходит за задней поверхностью 18 для образования средств 25 отбора. На фиг. 1b средства отбора содержат ребра 26, соединенные с теплоотводом 20. Поток 27 воздуха охлаждает путем принудительной конвекции ребра 26 для отбора из устройства тепла, отведенного теплоотводом 20. Можно представить другие варианты для выполнения средств 25 отбора, например использование охлаждающей жидкости. В общем, средства 25 отбора позволяют подсоединить теплоотвод к источнику холода вне устройства. Этот источник холода может быть механическим элементом, таким, как металлическая рама, удерживающая корпус 10, или конструктивный элемент летательного аппарата в случае бортового устройства.
В случае когда теплоотвод 20 является двухфазным, часть теплоотвода, проходящая вдоль паза 13, образует испаритель, а средства 25 отбора образуют конденсор.
На фиг. 1с представлены два противолежащих паза 13 и 13а, обеспечивающих сочленение платы 11 с разъемом. При необходимости охлаждения платы 11 теплоотвод 20 можно разместить вдоль каждого паза 13 и 13а. В этом случае каждый из теплоотводов 20 продолжен средствами 25 отбора, которые могут охлаждаться одним теплоприемником, образованным потоком воздуха 27 в представленном примере.
Во втором варианте воплощения изобретения, представленном на фиг. 2а, 2b и 2с, теплоотвод 20 жестко соединен с платой 11. Так, различные платы, размещенные в корпусе 10, могут быть снабжены при необходимости теплоотводом 20 для нужд охлаждения платы 11. Например, в случае усовершенствования устройства, при котором плата должна быть заменена более новой платой, даже если старая плата не требовала теплоотвода, то можно предположить, что новая плата должна рассеивать больше тепла, и снабдить ее теплоотводом. Эта эволюция может осуществляться без изменения корпуса 10.
Фиг. 2а изображает вид в частичном разрезе с поверхности 17 вставки корпуса 10, где плата 11 находится в одном из своих пазов 13. Фиг. 2b изображает частичный вид сбоку платы 11 в корпусе 10, а фиг. 2с изображает в перспективе плату 11 в корпусе 10.
Во втором варианте воплощения один или несколько выступов 22 предназначены единственно для направления платы 11. Предпочтительно теплоотвод 20 выполнен в поджимающем устройстве 14. Поджимающее устройство 14 обеспечивает, таким образом, хороший тепловой контакт платы 11 и теплоотвода 20.
Фиг. 2d изображает в увеличенном масштабе пример выполнения поджимающего устройства 14 платы 11 в пазу 13. Устройство 14 содержит уголок 28, проходящий вдоль края платы 11, в котором размещен теплоотвод 20. Уголок 28 выполнен из материала с хорошей теплопроводностью, такого, например, как алюминий. Он может быть выполнен из других материалов, имеющих лучшую теплопроводность, такого как медь. Однако преимущество алюминия, заключающееся в его меньшем весе, является важным при использовании в авиационном оборудовании. Устройство 14 содержит также тепловую направляющую 29, например участок, обеспечивающий функции поджатия. Тепловая направляющая 29 расположена в полости уголка 28. Она опирается в поверхность 16 паза 13 для обеспечения поджимающего усилия в направлении поверхности 15 паза 13. Уголок 28 прикреплен к плате 11, а тепловая направляющая прикреплена к уголку.
Теплоотвод 20 соединен со средствами 25 отбора, которые в этом варианте воплощения содержат тепловой соединитель 30, обеспечивающий соединение теплоотвода 20 с теплоприемником 31 вне устройства. Пример теплового соединителя 30 описан в заявке на патент, опубликованной под номером FR 2920949. Теплоприемник может, как в первом варианте воплощения, быть образован ребрами 26 либо любым другим средством, позволяющим охладить теплоотвод 20. Функция теплового соединения может быть также осуществлена электрическим соединителем платы, расположенным в дне корпуса. Этот соединитель, сочлененный с соединителем корпуса, позволяет образовать воздушный канал, в котором можно заставить циркулировать более холодный воздух или под давлением по сравнению с окружающей средой.
Тепловой соединитель 30 можно использовать в первом варианте воплощения.
На фиг. 2с изображен единственный теплоотвод 20. Разумеется, можно снабдить плату 11 двумя теплоотводами 20, каждый из которых соединен с собственным средством 25 отбора, как изображено на фиг. 1с.