ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ В КОРПУСЕ ДЛЯ КОНДУКТИВНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ КОМПОНЕНТОВ

Полезная модель относится к электронной технике, в частности, к электронным модулям, размещаемым в блоках и каркасах, выполненных в соответствии со стандартами «Евромеханика 19» МЭК60797, и используемым в электронной аппаратуре, эксплуатируемой в «жестких» условиях эксплуатации в составе подвижных объектов, например, системах управления самолетами, а также стационарных объектов промышленного назначения, например, шкафов управления и др.
При проектировании электронных приборов, в которых используются тепловыделяющие электронные компоненты, требуется решение задач их охлаждения на различных этапах жизненного цикла, а именно, на этапах изготовления, настройки, эксплуатации, ремонте и т.д. В большинстве известных технических решений не предусмотрена возможность отведения тепла от электронных компонентов, критичных к перегреву, на этапе настройки и тестирования электронных сборочных узлов.
При проведении ремонта электронных модулей для обеспечения доступа диагностического оборудования к электронным компонентам, как правило, необходим демонтаж радиаторов с одновременным использованием дополнительных приспособлений для отведения тепла, выделяемого электронными компонентами при проведении диагностики, например, временно устанавливаемых теплоотводов. При выполнении диагностики причин отказов электронных модулей также необходимо поддержание номинального теплового режима их работы в течение периода проведения диагностики. Демонтаж корпусных элементов, через которые тепло отводилось от электронных компонентов, может повлечь за собой недопустимое изменение теплового режима их работы. Поэтому целесообразным является введение в конструкцию электронных модулей конструктивных элементов, обеспечивающих эффективное отведение тепла от электронных компонентов, работающих как в собранном корпусе, так и корпусе со снятыми его частями.
Известен электронный сборочный узел с элементами для отведения тепла от электронных компонентов (US 6055158, H05K 7/20, опубл. 25.04.2000), содержащий корпус, печатную плату, содержащую жесткую либо гибкую подложку с установленными на ней электронными компонентами и электрическим соединителем. Корпус состоит из основной части и крышки, содержащей основу. Крышка содержит первую сторону, обращенную внутрь корпуса, и вторую сторону, обращенную наружу корпуса. Основная часть корпуса и основа крышки выполнены из теплопроводной пластмассы литьем под давлением. В основной части корпуса установлена печатная плата с электронными компонентами. Основа крышки содержит, по меньшей мере, один теплоотвод, выполненный из теплопроводного металла-листового алюминия, установленный в основе крышки на этапе ее изготовления литьем. Теплоотвод содержит две части, одна из которых выполнена в виде холодного штифта L-образной формы с гибкой ножкой и опорой, исходит из первой стороны крышки и предназначена для принятия тепла от соответствующего электронного компонента в тело теплоотвода, а вторая часть предназначена для рассеяния тепла от тела теплоотвода в окружающий воздух, выполнена в виде ребра охлаждения и исходит из второй стороны крышки. Гибкие ножки теплоотводов имеют различные высоты в зависимости от высоты электронных компонентов, соединяемых с соответствующими опорами теплоотвода с использованием теплопроводного адгезива. При сборке крышки с основной частью корпуса опоры теплоотводов контактируют с электронными компонентами, причем гибкие ножки теплоотводов могут отклоняться и изгибаться для настройки под различные высоты электронных компонентов.
Недостатком аналога является то, что элементы для отведения тепла, контактирующие с электронными компонентами, имеют большую длину, малую площадь поперечного сечения и большую площадь поверхности, обращенную во внутренний объем корпуса. В результате имеет место неэффективное отведение тепла со значительным его рассеиванием во внутреннее пространство корпуса, в котором установлена печатная плата с электронными компонентами. Кроме того, при проведении диагностики исправности функционирования электронных компонентов либо электронного модуля в целом, требуется снятие крышки, выполненной из теплопроводного пластика, при котором нарушаются тепловые контакты элементов для отведения тепла с электронными компонентами.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является электронный модуль с корпусом для кондуктивного отведения тепла (US №7778033, F28F 7/00, H05K 7/20, опубл. 17.08.2010), содержащий печатную плату с установленными на ней тепловыделяющими компонентами и корпус, выполненный из теплопроводного материала. Корпус содержит боковые и верхнюю стенки, образующие внутреннюю полость корпуса, а также верхнюю и нижнюю поверхности. Из нижней поверхности корпуса исходит, по меньшей мере, одно ребро, состоящее из основной части и, по меньшей мере, одной дополнительной части, выполненной перпендикулярно либо под углом к основной части. При установке корпуса на электронном модуле тепловыделяющие компоненты оказываются размещенными во внутренней полости корпуса. При этом высокий тепловыделяющий компонент, имеющий наибольшую высоту, находится в тепловом контакте с нижней поверхностью корпуса, а остальные тепловыделяющие компоненты - с, по меньшей мере, одним ребром. Тепло, выделенное компонентом, имеющим наибольшую высоту, передается в тело корпуса через нижнюю поверхность, а тепло, выделенное остальными компонентами, передается в тело корпуса через ребро. Затем все тепло, отведенное от тепловыделяющих компонентов, рассеивается от верхней поверхности корпуса в окружающий воздух, то есть корпус выполняет функцию большого радиатора для охлаждения тепловыделяющих компонентов, установленных на печатной плате.
Недостатком прототипа является то, что корпус выполнен в виде одной детали, и для доступа к электронным компонентам необходимо снятие всего корпуса, что не является приемлемым при проведении диагностики и ремонта электронного модуля, поскольку при снятии корпуса нарушаются тепловые контакты, по меньшей мере, одного ребра и нижней поверхности корпуса с электронными компонентами, в результате чего последние остаются без охлаждения, необходимого при выполнении диагностических работ. Кроме того, для отведения и передачи тепла от электронных компонентов использован конструктивный элемент «ребро», состоящий из основной части и дополнительных выступов. Для прохождения к боковой стенке корпуса тепловой поток проходит сначала дополнительные выступы, а затем основную часть ребра, при этом часть тепла рассеивается во внутреннюю полость корпуса. Таким образом, в конструкции прототипа не обеспечивается отведение тепла с максимальной эффективностью.
В предлагаемой полезной модели реализован кратчайший путь отведения тепла от тепловыделяющих компонентов к теплорассеивающим поверхностям. При этом обеспечен доступ к компонентам, установленным на печатной плате, с одновременным сохранением отведения тепла, при проведении диагностических работ и ремонта электронного модуля.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является эффективное отведение тепла от тепловыделяющих компонентов электронного модуля на всех этапах его жизненного цикла, в том числе при диагностике и ремонте.
Указанный технический результат достигается тем, что электронный модуль в корпусе для кондуктивного охлаждения тепловыделяющих компонентов содержит печатную плату с установленными на ней тепловыделяющими компонентами, корпус, содержащий внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, на которой выполнен, по меньшей мере, один выступ, находящийся в тепловом контакте с упомянутыми тепловыделяющими компонентами, при этом, по меньшей мере, один высокий компонент и, по меньшей мере, один низкий компонент, характеризующиеся повышенным тепловыделением, установлены на краях печатной платы, а остальные тепловыделяющие компоненты установлены как в центральной части печатной платы, так и на ее краях, корпус содержит верхнюю крышку, рамку и нижнюю крышку, имеющие внутренние поверхности и образующие внутреннее пространство, в котором размещена печатная плата, на внутренней поверхности верхней крышки выполнен упомянутый выступ и, по меньшей мере, один упор, при этом по меньшей мере, один тепловыделяющий компонент, установленный в центральной части печатной платы, находится в тепловом контакте с упомянутым выступом, на внутренней поверхности рамки выполнен, по меньшей мере, один кронштейн и, по меньшей мере, один балочный выступ, по меньшей мере, один упомянутый высокий компонент находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью верхней крышки и соответствующим кронштейном, по меньшей мере, один балочный выступ находится в тепловом контакте с соответствующими низким компонентом и упором, а на внешней поверхности корпуса имеется, по меньшей мере, одно ребро.
В частных случаях исполнения предлагаемый электронный модуль в корпусе для кондуктивного охлаждения тепловыделяющих компонентов может характеризоваться следующими признаками. Рамка выполнена в виде контура, повторяющего форму печатной платы. На печатной плате установлен, по меньшей мере, один тепловыделяющий компонент, который находится в тепловом контакте с внутренней поверхностью нижней крышки.
Предлагаемое техническое решение представлено на чертежах:
Фиг. 1 - Электронный модуль в корпусе для кондуктивного охлаждения электронных компонентов (без верхней крышки);
Фиг. 2 - Корпус
Фиг. 3 - Верхняя крышка
Фиг. 4 - Рамка
Фиг. 5 - Электронный модуль в корпусе для кондуктивного охлаждения электронных компонентов (вид в разрезе А-А)
где приведены следующие обозначения:
1 - электронный модуль
2 - печатная плата
3 - высокие компоненты, характеризующиеся наибольшим тепловыделением
4 - низкие компоненты, характеризующиеся наибольшим тепловыделением
5 - тепловыделяющие компоненты
6 - корпус
7 - верхняя крышка
8 - рамка
9 - нижняя крышка
10 - винт
11 - выступ
12 - контактная поверхность выступа 11
13 - упор
14 - контактная поверхность упора 13
15 - внутренняя поверхность рамки 8
16 - внешняя поверхность рамки 8
17 - верхняя поверхность рамки 8
18 - нижняя поверхность рамки 8
19 - монтажный упор
20 - кронштейн
21 - контактная поверхность кронштейна 20
22 - балочный выступ
23 - контактная поверхность балочного выступа 22
24 - ребро
25 - теплопроводный материал
26 - внутренняя поверхность верхней крышки 7
27 - внутренняя поверхность нижней крышки 9.
Электронный модуль 1 (Фиг. 1) содержит печатную плату 2 с установленными на ней тепловыделяющими компонентами 3, 4, 5 и корпус 6. Тепловыделяющие компоненты 3 и 4 установлены на лицевой стороне печатной платы 2, а тепловыделяющие компоненты 5 - как на лицевой, так и обратной сторонах печатной платы 2. При этом на краях печатной платы 2 установлены высокие компоненты 3, характеризующиеся наибольшим тепловыделением, например, трансформаторы, дроссели, и низкие компоненты 4, характеризующиеся наибольшим тепловыделением, например, поверхностно-монтируемые резисторы, диоды.
Корпус 6 (Фиг. 2) состоит из верхней крышки 7, рамки 8 и нижней крышки 9, выполненных из теплопроводного материала, например, АД1 по ГОСТ 4784-97, и соединенных винтами 10, например, винтами по ГОСТ 10619-80. Верхняя крышка 7, рамка 8 и нижняя крышка 9 имеют внутренние поверхности, образующие внутреннее пространство корпуса 6. На внутренней поверхности верхней крышки 7 (Фиг. 3) выполнены выступы 11 с контактными поверхностями 12 и упоры 13 с контактными поверхностями 14. Рамка 8 (Фиг. 4) выполнена в виде контура, повторяющего форму печатной платы 2, и содержит внутреннюю, внешнюю, верхнюю и нижнюю поверхности 15, 16, 17 и 18 соответственно. На внутренней поверхности 15 рамки 8 выполнены монтажные упоры 19, кронштейны 20 с контактными поверхностями 21, балочные выступы 22 с контактными поверхностями 23, а на внешней поверхности 16 рамки 8 выполнено, по меньшей мере, одно ребро 24. В рамке 8 на монтажных упорах 19 установлена печатная плата 2 с тепловыделяющими компонентами 3, 4 и 5. Верхняя и нижняя крышки 7 и 9 установлены на верхней и нижней поверхностях 17 и 18 соответственно с применением теплопроводного материала 25, например, прокладочного материала КПТД-2 ТУ РБ 100009933.004-2001.
Между высокими компонентами 3 и соответствующими контактными поверхностями 21 кронштейнов 20, между высокими компонентами 3 и внутренней поверхностью 26 верхней крышки 7, между низкими компонентами 4 и соответствующими контактными поверхностями 23 балочных выступов 22, между балочными выступами 22 и соответствующими контактными поверхностями 14 упоров 13, между тепловыделяющими компонентами 5 и соответствующими контактными поверхностями 12 выступов 11 установлен теплопроводный материал 25.
В частных случаях исполнения предлагаемого электронного модуля тепловыделяющие компоненты 5, например, поверхностно-монтируемые радиоэлементы, установлены и на обратной стороне печатной платы 2. Между этими тепловыделяющими компонентами 5 и внутренней поверхностью 27 нижней крышки 9 установлен теплопроводный материал 25. Рамка 8 выполнена в виде контура, повторяющего форму печатной платы 2.
На фиг. 5 показан процесс охлаждения электронного модуля при помощи корпуса для кондуктивного отведения тепла от тепловыделяющих компонентов при работе. Направления движения тепловых потоков и рассеяния тепла показаны стрелками.
Тепловой поток от высоких компонентов 3, установленных на краях печатной платы 2, разделяется на два тепловых потока. Первый тепловой поток от высоких компонентов 3 через теплопроводный материал 25 и контактные поверхности 21 поступает в кронштейны 20, распространяется по телу рамки 8 и рассеивается с ее внешней поверхности в окружающую среду. Второй тепловой поток от высоких компонентов 3 через теплопроводный материал 25 и внутреннюю поверхность 26 поступает и распространяется по телу верхней крышки 7, а затем рассеивается с ее внешней поверхности в окружающую среду.
Тепловой поток от низких компонентов 4 через теплопроводный материал 25 и контактную поверхность 23 поступает в балочные выступы 22, распространяется по телу рамки 8 и рассеивается с ее внешней поверхности в окружающую среду, при этом часть теплового потока, поступающая в балочные выступы 22 через теплопроводный материал 25 и поверхности 14 поступает в упоры 13 и затем рассеивается с внешней поверхности рамки 8 в окружающую среду.
По меньшей мере, одно ребро 24, выполненное в наиболее нагретой части рамки 8, служит для обеспечения теплового контакта корпуса 6 с внешним теплоотводом (не показан), например, направляющими шасси в соответствии со стандартом «Евромеханика 19» МЭК60797/VITA20 при установке в них электронного модуля. При этом часть тепла, отведенного от тепловыделяющих компонентов 3 и 4 в рамку 8, передается к внешнему тепловоду через, по меньшей мере, одно ребро 24.
Тепловой поток от тепловыделяющих компонентов 5 через теплопроводный материал 25 и контактные поверхности 12 поступает в выступы 11, распространяется по телу верхней крышки 7 и рассеивается с ее внешней поверхности в окружающую среду.
В частных случаях исполнения электронного модуля, в дополнение к вышеописанным направлениям отведения тепла от тепловыделяющих компонентов, тепловой поток от тепловыделяющих компонентов 5, установленных на обратной стороне печатной платы 2, через теплопроводный материал 25 и внутреннюю поверхность 27 нижней крышки 9 распространяется по телу нижней крышки 27 и рассеивается с ее внешней поверхности в окружающую среду.
Благодаря тому, что общий тепловой поток от тепловыделяющих компонентов, установленных на печатной плате, состоит из нескольких тепловых потоков, а именно, теплового потока от высоких и низких компонентов, характеризующихся наибольшим тепловыделением, формируемого при помощи кронштейнов и балочных выступов, теплового потока от высоких компонентов, характеризующихся наибольшим тепловыделением, формируемого при помощи внутренней поверхности верхней крышки, теплового потока от тепловыделяющих компонентов, установленных в центральной части печатной платы, формируемого при помощи выступов верхней крышки, тепловая энергия быстро распределяется в теле корпуса, а рассеяние тепла в окружающую среду происходит с максимальной эффективностью. Разделением тепловых потоков и организацией отведения тепла от компонентов в тело рамки обеспечено функционирование электронного модуля в собранном корпусе, а также в корпусе со снятой верхней и/или нижней крышкой при изготовлении, эксплуатации, проведении диагностических работ и ремонте.
Полезная модель позволяет наращивать возможности отведения тепла от тепловыделяющих компонентов, установленных на печатной плате, путем установки верхней и/или нижней крышек, а также посредством присоединения электронного модуля к внешнему теплоотводу, в результате чего увеличивается общая площадь поверхности, рассеивающей тепло в окружающую среду, и обеспечивается способность электронного модуля работать в жестких условиях эксплуатации.
Путем использования в конструкции корпуса съемных верхней и нижней крышек обеспечена возможность доступа к компонентам с обеих сторон печатной платы при проведении ремонта электронного модуля.
Таким образом, эффективное отведение тепла от тепловыделяющих компонентов электронного модуля на всех этапах его жизненного цикла достигается за счет того, что электронный модуль содержит корпус для кондуктивного отведения тепла, содержащий верхнюю крышку, рамку и нижнюю крышку, во внутреннем пространстве которого размещена печатная плата с установленными на ней тепловыделяющими компонентами, при этом на краях печатной платы установлены высокие и низкие компоненты, характеризующиеся наибольшим тепловыделением. На внутренней поверхности рамки выполнены кронштейны и балочные выступы для контакта с компонентами, характеризующимися наибольшим тепловыделением, а на внешней поверхности рамки выполнено, по меньшей мере, одно ребро. На внутренней поверхности верхней крышки выполнены выступы для теплового контакта с остальными тепловыделяющими компонентами. За счет того, что высокие и низкие компоненты, характеризующиеся наибольшим тепловыделением, находятся в тепловом контакте с кронштейнами и балочными выступами соответственно, тепло отводится через тело рамки и, по меньшей мере, одно ребро во внешний теплоотвод, а также рассеивается в окружающую среду. За счет того, что остальные тепловыделяющие компоненты находятся в тепловом контакте с выступами верхней крышки, тепло отводится в тело верхней крышки и рассеивается с ее внешней поверхности в окружающую среду.
При изготовлении в условиях приборостроительного предприятия и испытаниях в составе авиационного оборудования, работающего в сложных климатического условиях, подтверждены эффективность предложенной системы кондуктивного охлаждения электронного модуля, а также его работоспособность на различных этапах жизненного цикла.