УСТРОЙСТВО ОТВОДА ТЕПЛА
HEAT REMOVAL DEVICE

Устройство отвода тепла относится к области радиоэлектроники и предназначено для отвода тепла от теплонагруженных элементов электронной радиоаппаратуры в герметичных и негерметичных отсеках на борту летательных аппаратов, работающих в жестких климатических условиях и в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок. Устройство может быть использовано в составе модульных устройств, изготавливаемых по стандартам IEEE 1101.1-1998, IEEE Standards for Mechanical Core Specifications for Microcomputers и IEEE 1101.2-1992 IEEE Standard for Mechanical Core Specifications for Conduction-Cooled Eurocards.
Известно, что самый эффективный способ отвода тепла от радиоэлементов - кондуктивный, который определяется качеством теплового контакта, выполненного между радиоэлементом и теплоотводящими элементами конструкции, а также требуемой теплопроводностью материалов элементов конструкции. Обеспечение качества теплового контакта входит в противоречие с требованием простоты установки теплонагруженного электронного модуля в изделие и возможностью его демонтажа. При замене электронного модуля необходимо провести демонтаж с минимальным количеством операций, максимально сохраняя при этом положение корпусных элементов электронного оборудования («Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры», под редакцией профессора В.А. Шахнова, - М., Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2005 г., с.114). Как правило, перед демонтажем электронного модуля необходимо ослабить крепежные узлы и исключить тепловой контакт электронного модуля с корпусом.
Известно техническое решение по заявке США №2008158828, H05K 7/20, опубл. 2008.07.03, в котором теплоотвод - радиатор установлен на теплонагруженный элемент, прикрепленный к плате с помощью пружин.
Недостатки: ограничение использования решения по уровню вибрации вследствие сосредоточения массы на поверхности теплонагруженного элемента при отсутствии жесткой фиксации теплоотвода; решение не согласуется с известными принципами модульности конструкции ввиду больших габаритных размеров и неэффективно в качестве теплоотвода, передающего тепло к расположенным рядом с ним элементам устройства.
Известно техническое решение, выбранное в качестве прототипа (патент США №7277291, H05K 7/20, опубл. 2007.10.02), являющееся устройством телескопического типа, способным передавать тепло от теплонагруженного электронного модуля к внешней панели корпуса. Оно состоит из размещенного в корпусе теплоотвода, упругого элемента, теплопроводящих прокладок и основания с полостью в форме глухого отверстия, куда устанавливается теплоотвод, состоящий из поршневой и теплопередающей частей, имеющий возможность перемещаться в полости в вертикальном направлении, при этом боковая поверхность является направляющей поверхностью. Тепловой контакт между теплоотводом и внутренней поверхностью полости обеспечивает переход тепла от теплонагруженного электронного модуля в теплоотвод. Внутри теплоотвода установлен упругий элемент - пружина, обеспечивающий прижатие теплоотвода к внешней панели корпуса, отодвигающий теплоотвод от основание для постоянного теплового контакта теплоотвода с внешней панелью корпуса и основания с теплонагруженным электронным модулем. Недостатки: наличие одной поверхности теплового контакта между теплонагруженным электронным модулем и основанием, где устанавливается теплопроводящая прокладка, не позволяет использовать полный ресурс устройства. Боковая поверхность полости основания и поверхность теплоотвода, упирающаяся во внешнюю панель, характеризуются высоким тепловым сопротивлением и при увеличении расстояния между внешней панелью корпуса и поверхностью теплонагруженного элемента (далее по тексту - ТНЭ) площадь теплового контакта между теплоотводом и основанием уменьшается, что сопровождается увеличением площади наружной поверхности устройства, увеличением длины пути отведения тепла (от ТНЭ до внешней панели корпуса) и увеличением теплоемкости узла. В сборе теплоотвод фиксируется внешней стенкой корпуса устройства, при снятии которой он выпадает из основания, затрудняя операции по демонтажу элементов устройства. Значительные габаритные размеры устройства не позволяют изготавливать изделие в соответствии со стандартом IEEE 1101.2-1992. Необходимость обеспечения теплового контакта через боковые поверхности телескопических систем требует высокой точности и качества обработки боковых поверхностей основания и теплоотвода, чем вызвано возникновение поршневого эффекта при работе устройства. Дренажное отверстие, выполненное в полости основания, является источником попадания пыли и всевозможного другого загрязнения. Все названные составляющие известного решения способствуют удержанию тепла внутри корпуса изделия. При одновременном воздействии на изделие вибрации, пыли или соляного тумана вероятность механического отказа изделия увеличивается, одновременно снижаются теплоотводящие свойства устройства.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение постоянного качественного теплового контакта между теплонагруженным электронным модулем (далее по тексту заявки - ТНЭМ) и корпусом устройства, упрощение монтажа и демонтажа теплонагруженного электронного модуля. Дополнительный технический результат - обеспечение модульности конструкции теплонагруженного электронного модуля и совместимости с известными стандартами по корпусам.
Для достижения указанного технического результата в устройстве отвода тепла, состоящем из корпуса с размещенными в нем теплоотводом, упругими элементами, установленными между теплоотводом и теплонагруженным электронным модулем, теплопроводящей структуры, расположенной между теплоотводом и теплонагруженным электронным модулем, теплоотвод выполнен с оребрением и наклонными поверхностями и установлен с помощью узлов фиксации в стенке корпуса без теплового контакта с теплонагруженным электронным модулем, на внешней и внутренней поверхностях теплоотвода имеются теплопроводящие прокладки, а упругие элементы расположены между теплоотводом и корпусом. Причем упругие элементы представляют собой резиновые амортизаторы или металлические пружины. Причем упомянутое оребрение выполнено вдоль направления восходящего теплового потока и располагается в окне стенки корпуса. Причем упомянутые наклонные поверхности выполнены в местах размещения узлов фиксации. Причем узел фиксации состоит из вала с резьбовой поверхностью и установленных с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль его оси, по крайне мере, двух фиксаторов призматической формы с наклонными поверхностями, сопрягаемыми с наклонными поверхностями теплоотвода.
Предлагаемое устройство для отвода тепла иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-6.
Фиг.1 - вид на внешнюю стенку корпуса.
Фиг.2 - вид на теплоотвод с группами упругих элементов в аксонометрической проекции.
Фиг.3 - вид на теплоотвод с узлами фиксации в аксонометрической проекции.
Фиг.4 - зафиксированное (рабочее положение) теплоотвода.
Фиг.5 - вид на теплоотвод с упругими элементами со стороны оребрения в аксонометрической проекции.
Фиг.6 - вид на теплоотвод с упругими элементами сбоку.
На чертежах показаны:
1 - корпус;
2 - теплоотвод;
3 - теплопроводящие прокладки;
4 - теплопроводящая структура;
5 - упругие элементы;
6. - оребрение;
7 - наклонные поверхности;
8 - теплопроводящие прокладки;
9 - фиксаторы;
10 - втулки;
11 - вал с резьбовой поверхностью;
12 - ТНЭМ;
13 - паз.
Устройство отвода тепла содержит корпус 1 (фиг.1-6) с размещенным в нем теплоотводом 2 (фиг.1, 4), который установлен в окно (на фиг. не показано) стенки корпуса 1 (фиг.1-6) изнутри. На внутренней поверхности теплоотвода 2 (фиг.1, 4), размещены теплопроводящие прокладки 3 (фиг.2, 4, 6), теплопроводящая структура 4, выполненная, например, из пасты КПТ-8 или это может быть пластина ф. Berquist, и упругие элементы 5, например, резиновые амортизаторы или винтовые или плоские металлические пружины. Внешняя поверхность теплоотвода 2 (фиг.1, 4), выполнена с оребрением 6 (фиг.3, 5) и наклонными плоскими поверхностями 7 (фиг.3, 4, 5). Со стороны оребрения 6 (фиг.3, 5) теплоотвода 2 (фиг.1, 4) установлены теплопроводящие прокладки 8 (фиг.2, 4, 5, 6), имеющие толщину по размеру больше, чем толщина теплопроводящих прокладок 3 (фиг.2, 4, 6). Ребра в оребрении 6 (фиг.3, 5) расположены вдоль направления восходящего теплового потока устройства. Наклонные поверхности 7 (фиг.3, 4, 5) выполнены в местах расположения узлов фиксации (не показаны) типа «клиновидный прижим». Каждый узел фиксации содержит вал с резьбовой поверхностью и, например, два фиксатора 9 (фиг.2, 3, 4), призматической формы с наклонной поверхностью, сопрягаемой с наклонной поверхности теплоотвода 2 (фиг.1, 4). Фиксаторы 9 (фиг.2, 3, 4), установленные в отверстия (не показаны) стенки корпуса 1 (фиг.1-6) и прикрепленные к нему с помощью втулок 10 (фиг.2, 3, 4), имеют возможность возвратно-поступательного движения вдоль оси вала 11 (фиг.2, 3, 4) с резьбовой поверхностью, фиксируют теплоотвод 2 (фиг.1, 4) в стенке корпуса 1 (фиг.1-6). Теплопроводящая структура 4 (фиг.2, 4, 6) при помощи фиксаторов 9 (фиг.2, 3, 4) плотно прижата к поверхности ТНЭМ 12 (фиг.4), который представляет собой помещенную в металлический корпус печатную плату, с установленными на ее поверхностях, электрорадиоэлементами (не показаны). В оребрении 6 (фиг.3, 5) выполнен паз 13, например, цилиндрической формы, для захвата теплоотвода 2 (фиг.1, 4), например, инструментом или пальцами рук с внешней его стороны.
Устройство отвода тепла работает следующим образом.
В исходном положении теплоотвод 2 находится в упруго - заневоленном состоянии, т.к. с одной стороны на него действуют силы упругости теплопроводящих прокладок 8, а с другой стороны - силы упругости элементов 5. Преодолевая усилие тепловодящих прокладок 8, упругие элементы 5 прижимают подвижный теплоотвод 2 к стенке корпуса 1. При затяжке вала 11 с резьбовой поверхностью фиксаторы 9 приводятся в движение и через наклонные поверхности 7 передают усилие на теплоотвод 2, сдвигая его к ТНЭМ 12.
Выделяемое электрорадиоэлементами тепло, воспринимается корпусом ТНЭМ 12 и затем через теплопроводящую структуру 4 передается на теплоотвод 2, распределяясь по всему его объему. Отведение тепла в окружающее пространство осуществляется по двум направлениям: одна часть тепла рассеивается через оребрение 6 с расположением ребер вдоль восходящего теплового потока, формируемого внешней поверхностью стенки корпуса 1, а другая часть теплового потока - через теплопроводящие прокладки 3 и теплопроводящие прокладки 8 передается на стенку корпуса 1, после чего рассеивается в окружающее пространство всей поверхностью корпуса 1. Таким образом, отведение тепла по двум направлениям увеличивает в целом эффективность отвода тепла от ТНЭМ 12.
Затяжка вала 11 с резьбовой поверхностью через фиксаторы 9 создает дополнительное усилие к усилию теплопроводящих прокладок 8, которое преодолевает действие упругих элементов 5, что приводит к смещению теплоотвода 2 к ТНЭМ 12. Наклонные поверхности 7 формируют клиновидный прижим, чем обеспечивается фиксация теплоотвода 2. При смещении теплоотвода 2 к ТНЭМ 12 не происходит потеря теплового контакта со стенкой корпуса 1, т.к. толщина теплопроводящей прокладки 8 выполнена по размеру больше, чем толщина теплопроводящей прокладки 3.
При снятии затяжки вала с резьбовой поверхностью теплоотвод 2 возвращается в положении, при котором теплопроводящая структура 4 не касается поверхности ТНЭМ 12, что обеспечивает простое извлечение и установку теплоотвода 2.
При демонтаже устройства в случае нештатных режимов работы, например, при нерасчетных рабочих температурах, отказе т.п., для захвата теплоотвода 2 используется паз 13.
Исследования показали, что наиболее эффективным материалом для теплоотвода 2, корпуса 1 и фиксаторов 9 является алюминиевый сплав типа АМг6. Для теплопроводящих прокладок 3, теплопроводных прокладок 8, теплопроводящей структуры 4 может быть выбран теплопроводящий материал фирмы Bergquist, а для упругого элемента 5 - резина типа ИРП или НО. Втулки 10 изготавливают из металла, например из алюминиевого сплава Д16, Д18 или из нержавеющей стали типа 12Х18Н10Т и т.п., а вала с резьбовой поверхностью - из стали A12.
Устройство эффективно работает в модульных конструкциях при использовании ТНЭМ, которые соответствуют стандарту «Евромеханика» форматов 3U и т.п.
В отличие от прототипа, где тепловой контакт обеспечивается пружиной, что в условиях вибрации явно недостаточно для обеспечения постоянного качественного теплового контакта между ТНЭМ и корпусом устройства, в предложенном техническом решении постоянство и качество площади теплового контакта обеспечивается за счет применения узла фиксации типа «клиновидный прижим». Отведение тепла в ближайшем аналоге осуществляется только в одном направлении, в предложенном же техническом решении рассеивание тепла по двум направлениям увеличивает эффективность (качество) теплоотвода. Замена элемента в прототипе осуществляется только при полном демонтаже устройства, в предложенном изобретении достаточно ослабить фиксаторы, что сопровождается отлипанием теплопроводящей структуры от ТНЭМ и обеспечивает легкое извлечение и его замену без демонтажа стенок корпуса устройства. При полном извлечении крепежных элементов не происходит выпадения подвижного тепловода из конструкции изделия, что является существенным преимуществом в процессе эксплуатации изделия. Предложенное изобретение полностью совместимо с действующими стандартами на конструкцию электронных модулей типа «Евромеханика».
Таким образом, благодаря наличию отличительных признаков в устройстве отвода тепла достигается заявленный технический результат - обеспечение постоянного качественного теплового контакта между ТНЭМ и корпусом устройства, упрощение монтажа и демонтажа электронного модуля и обеспечение модульности конструкции электронного модуля и совместимости с известными стандартами по корпусам.
Проведенные испытания показали работоспособность заявляемого устройства. Оно может быть реализовано на любом приборостроительном предприятии.