УСТРОЙСТВО ТЕПЛООТВОДА

Полезная модель относятся к электронной технике, в частности, к устройствам охлаждения с пассивным и активным отводом тепла и может использоваться в составе электронных модулей и пультов управления подвижных объектов авиационной и/или автомобильной техники, работающих в сложных климатических условиях: повышенной влажности, вибрации, высокой температуры и т.п.
Известно устройство (патент США №6643135, Н05К 1/14; Н05К 7/20; Н05К 1/02; Н05К 3/34, опубл. 2002.10.03), состоящее из нескольких теплонагруженных электронных компонентов, охлаждаемых радиатором; устройство также содержит корпус, печатную плату, соединители и контакты, плоская плата рассеивания находится в тепловом контакте с теплонагруженными электрорадиоэлементами (далее по тексту - ЭРИ), радиатор с ребрами охлаждения установлен на плату рассеивания. Недостаток этого устройства в том, что тепловой поток одного ЭРИ воздействует на соседние ЭРИ, поэтому происходит перегрев отдельных компонентов устройства и снижается стабильность работы электронного устройства в целом.
Известно также наиболее близкое техническое решение (прототип) к заявленной полезной модели - это устройство по патенту ЕР №2071620, H01L 23/367; H01L 23/373; H01L 33/64, опубл. 2009.06.17, которое содержит металлический теплопроводящий слой (стенку), неметаллический теплопроводный слой (вкладыш) и замкнутую воздушную полость между металлическим и неметаллическим слоями. Тепловой поток от теплонагруженного ЭРИ поступает в металлический слой и основная его часть «растекается» по объему металлического слоя, так как наличие воздушного пространства между слоями препятствует рассеиванию тепловой энергии в окружающее пространство. Поскольку тепловой поток быстро распространяется по металлическому слою, то скоро он проникает и в смежный с ним неметаллический слой (вкладыш), после чего устройство начинает рассеивать тепло, используя максимально всю свою поверхность. К недостаткам прототипа следует отнести то, что замкнутое воздушное пространство, размещенное в наиболее нагретой области, влечет к запаздыванию выхода на максимальную мощность рассеивания тепловой энергии. К другим недостаткам относится невозможность размещения нескольких элементов на металлическом слое (теплопроводящей стенке). Существенным недостатком прототипа является значительное излучение тепловой энергии в пространство, окружающее ЭРИ, чем снижается эффективность теплоотвода и нарушается стабильность работы электронного устройства.
Предлагаемая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в обеспечении стабильности работы электронного устройства за счет повышения эффективности теплоотвода.
Для получения указанного технического результата предлагается устройство теплоотвода, содержащее теплопроводящую стенку, находящуюся в тепловом контакте с теплонагруженными ЭРИ и вкладыш, теплопроводящая стенка выполнена с оребрением и имеет переменную толщину, наибольшую в месте контакта с ЭРИ, на внутренней поверхности теплопроводящей стенки выполнено, по меньшей мере, одно углубление, в которое установлен, по меньшей мере, один вкладыш. Причем дополнительно на внешней поверхности теплопроводящей стенки выполнено, по меньшей мере, одно углубление, в которое установлена, по меньшей мере, одна вставка с ребрами охлаждения. Причем вставка с ребрами охлаждения выполнена из неметаллического теплорассеивающего материала и имеет коэффициент теплопроводности меньший по сравнению с коэффициентом теплопроводности материала теплопроводящей стенки. Причем вкладыш выполнен из упругого неметаллического теплопроводящего материала с коэффициентом теплопроводности меньшим по сравнению с коэффициентом теплопроводности материала теплопроводящей стенки. Причем высота вкладыша выполнена по размеру углубления. Причем высота вкладыша превышает размер углубления.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1-2 - сечение устройства теплоотвода с вкладышем/ами, вставленным/ми в углубление внутренней поверхности теплопроводящей стенки;
на фиг.3 - сечение устройства теплоотвода с указанием направления движущихся интенсивного и ослабленного тепловых потоков;
на фиг.4 - сечение устройства теплоотвода с установленной в углубление внешней поверхности теплопроводящей стенки вставкой с ребрами охлаждения.
Заявляемая полезная модель содержит следующие конструктивные элементы:
1 - теплопроводящая стенка;
2 - внешняя поверхность теплопроводящей стенки;
3 - оребрение;
4 - внутренняя поверхность теплопроводящей стенки;
5 - углубления;
6 - ЭРИ (теплонагруженные);
7 - теплопроводящий слой;
8 - теплопроводящий клей;
9 - вкладыш;
10 - углубление;
11 - вставка;
12 - ребра охлаждения вставки;
13 - крепежный элемент.
Устройство теплоотвода содержит теплопроводящую стенку 1 (фиг.1-2), например, из алюминиевого сплава АМГ6 ГОСТ 4784, у которой на внешней 2 поверхности выполнено оребрение 3 для рассеивания тепла, а на внутренней поверхности 4 выполнены углубления 5, например, в форме пазов различной глубины. Теплопроводящая стенка 1, выполненная из материала с высоким коэффициент теплопроводности, например для АМг6 - 178 Вт/м*К, имеет переменную по длине толщину, максимальную в месте контакта внутренней поверхности 4 теплопроводящей стенки 1 с ЭРИ 6 (теплонагруженным/ми). Тепловой контакт между внутренней поверхностью 4 теплопроводящей стенки 1 и ЭРИ 6 обеспечивается теплопроводящим слоем 7 (это может быть, например, кремнийорганическая паста КПТ-8 ГОСТ 19783 или теплопроводящая прокладка КПТД ТУ РБ 100009933.004-2001). В углублениях 5 с использованием теплопроводящего клея 8 (это может быть, например, клей ЭЛАСИЛ 137-182 ТУ6-02-1-015-89) установлены вкладыши 9 для локального уменьшения теплопроводности. Вкладыши 9 выполнены из упругих теплопроводящих материалов типа Номакон или Berquist с коэффициентом теплопроводности меньшим (но не менее 2 Вт/м*К), чем коэффициент теплопроводности материала теплопроводящей стенки 1. Высота вкладышей 9 может быть выполнена по размеру углубления 5 или превышать его. На внешней поверхности 2 (фиг.3-4) теплопроводящей стенки 1 выполнены углубления 10, в которых установлены вставки 11 с ребрами охлаждения 12 из теплорассеивающей пластмассы типа Теплосток «ТВ-Э-7» с коэффициентом теплопроводности от 6 Вт/м*К до 40 Вт/м*К. Вставки 11 крепятся в углублении 10 при помощи теплопроводящего слоя 7 (например, КПТ- 8 ГОСТ 19783-74 или прокладки из КПТД ТУ РБ 100009933.004-2001) крепежным элементом 13, например, винтом. При наличии на предприятии термопластавтоматов вставки 11 с ребрами охлаждения 12 могут изготавливаться литьем в пресс-форму с закладной деталью, которой может быть теплопроводящая стенка 1.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Тепловые потоки от ЭРИ 6 через теплопроводящий слой 7 попадают в теплоотводящую стенку 1 в месте ее максимальной толщины. Утолщенная часть теплопроводящей стенки 1 обеспечивает распространение теплового потока во все стороны от ЭРИ 6. Интенсивные тепловые потоки, характеризующиеся движением по наиболее толстой части теплопроводящей стенки 1, достигают оребрения 3, а также через теплопроводящий слой 7 - вставок 11 с ребрами охлаждения 12 и через них эффективно рассеиваются в окружающее внешнее пространство. Ослабленные тепловые потоки, характеризующиеся движением по тонкой части теплопроводящей стенки 1, формируются теплопроводящими вкладышами 9 и через них, согласно их меньшей теплопроводности, передают тепловую энергию по теплопроводящей стенке 1 и во внутреннее пространство устройства. Вкладыши 9 основной тепловой поток воспринимают через теплопроводящий клей 8, который также обеспечивает неразъемность установки вкладышей 9 в углубления 5. За счет меньшей теплопрововодности вкладышей 9 обеспечивается эффективное исключение поверхности углубления 5 из общей площади внутренней поверхности 4 теплопроводящей стенки 1, излучающей тепловую энергию внутрь прибора. Таким образом, создается неравномерная картина распространения тепловых потоков по теплопроводящей стенке 1, которая с одной стороны, характеризуется включением в отведение тепла удаленных (периферийных) областей теплопроводящей стенки 1, в которых отсутствуют ЭРИ 6 и в сторону которых направлены интенсивные тепловые потоки, а с другой стороны тепловые потоки между ЭРИ 6 существенно ослаблены. Дополнительным результатом уменьшения тепловых потоков между ЭРИ 6 является уменьшение температуры нагрева теплопроводящей стенки 1 в области контакта с соседними ЭРИ 6, что уменьшает выделение тепла во внутренний объем устройства. Формирование конструкцией теплопроводящей стенки 1 и вкладышами 9 тепловых потоков, отличающихся направлением и интенсивностью, способствует снижению температуры нагретой теплопроводящей стенки 1 в области соседних ЭРИ, которую она получает от наиболее теплонагруженного ЭРИ 6, что исключает перегрев соседних ЭРИ при кратковременных изменениях характеристик питающего напряжения ЭРИ.
Заявленный технический результат усиливается установкой в углубления наружной поверхности вставок из теплорассеивающего материала с ребрами охлаждения, что способствует тому, что тепловой поток от ЭРИ, движущийся по теплопроводящей стенке максимально выделяется в окружающее пространство через ребра охлаждения, также препятствуя проникновению тепла к соседнему ЭРИ. Установка такого элемента эффективна при размещении ЭРИ, работающих синхронно. Выполнение теплопередающей стенки, вкладыша и вставки с ребрами охлаждения из материалов, характеризующихся разными коэффициентами теплопроводности, обеспечивает то, что тепловой поток от ЭРИ, движущийся по теплонагруженной стенке, максимально выделяется в окружающее пространство через ее оребрение и ребра охлаждения вставки, т.е. в те области теплопередающей стенки, где теплонагруженные ЭРИ отсутствуют. Также обеспечивается минимизация влияния нагретых ЭРИ на соседние ЭРИ и нагрев окружающего ЭРИ пространства. Все перечисленное обеспечивает минимизацию влияния теплового потока от нагретых ЭРИ на соседние ЭРИ, а также выделение тепла во внутренне пространство устройства.
Отличительные признаки полезной модели повышают эффективность отвода тепла, получаемого теплопроводящей стенкой от ЭРИ, в окружающее пространство и обеспечивают стабильность работы заявленной полезной модели при быстрых изменениях температуры окружающей среды или питающего напряжения. Таким образом, в отличие от прототипа, в заявленной полезной модели формируется тепловая картина, обеспечивающая максимальное отведение тепловой энергии во внешнее пространство и минимальное отведение тепла во внутреннее пространство устройства.
Испытания изготовленного опытного образца в условиях приборостроительного предприятия подтвердили работоспособность и стабильность работы применительно к изделиям, работающим в сложных климатических условиях повышенной влажности, вибрации, высокой температуры и т.п. В уровне техники не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемой полезной модели.