РАДИАТОРНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к устройствам для отвода тепла от электронных компонентов.
Известен тепловой пластинчатый радиатор (см. патент US №6554060, МПК F28F 7/00, опубликован 29.04.2003), содержащий основание в виде металлической пластины, на одной стороне которой выполнены параллельные прорези, в которых закреплены радиаторные пластины. Радиаторные пластины сформированы в группы, выполненные из металлов с различной теплопроводностью.
Известный радиатор позволяет использовать радиаторные пластины из более дешевого металла на участках менее интенсивного тепловыделения, однако требует усложненной технологии изготовления.
Известно тепловое радиаторное устройство (см. патент US №6698500, МПК F28F 7/00, опубликован 02 марта 2004), содержащее основание в виде металлической пластины с параллельными ребрами с двух противолежащих сторон. Между внутренними противолежащими ребрами в пластине выполнены параллельные прорези, в которых закреплены радиаторные пластины из металла, теплопроводность которого отлична от теплопроводности металла пластины и ребер.
Известное радиаторное устройство обеспечивает более интенсивный теплоотвод центральной частью радиатора. Недостатком известного радиатора является достаточно сложная и трудоемкая технология его изготовления.
Известно радиаторное устройство (см. патент RU №2217886, МПК Н05К 7/20, опубликован 27.11.2003), содержащее множество отдельных радиаторных пластин, скрепленных друг с другом в их соединительной части с образованием теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента. Части радиаторных пластин, противоположные теплопоглощающей части, отделены друг от друга и совместно образуют теплоотводные части. Множество радиаторных пластин скреплено друг с другом посредством крепежным средством. Между радиаторными пластинами расположено множество распорок, каждая из которых расположена между соединительными частями смежных радиаторных пластин для обеспечения зазора между теплоотводными частями радиаторных пластин.
Известное радиаторное устройство позволяет собирать из одинаковых элементов устройства различной мощности теплоотвода, однако имеет недостаточную эффективность теплообмена, связанную с различной теплоотдачей радиаторных пластин, находящихся в теплопоглащающей части, непосредственно под тепловыделяющим элементом, и на удалении от него; а также высоким аэродинамическим сопротивлением воздушному потоку на входе и выходе из устройства.
Известно радиаторное устройство (см. патент RU №2360381, МПК H01L 23/34, опубликован 27.11.2003), содержащее множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием соответственно теплопоглощающей части, контактирующей с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента, и теплораспределительной части, противолежащей теплопоглощающей части.
В известном радиаторном устройстве более эффективно используется противолежащая теплопоглощающей части часть поверхности радиаторных пластин, однако при охлаждении мощных электронных компонентов теплоотвод теплопоглощающей части оказывается недостаточным. Кроме того, над каждым тепловыделяющим электронным компонентом необходимо устанавливать отдельные известные радиаторные устройства, что усложняет монтаж и увеличивает трудоемкость изготовления электронных устройств и аппаратов.
Известно радиаторное устройство (см. патент RU №93195, МПК Н05К 7/20, опубликован 20.04.2010), содержащий множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере первые кромки, по меньшей мере части которых выполнены прямыми. Радиаторные пластины скреплены вблизи прямых, по меньшей мере, частей первых кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием теплопоглощающей части, контактирующей внешней поверхностью с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента. Длина радиаторных пластин больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок. Выступающие за торцы теплопроводящих прокладок части радиаторных пластин выполнены расходящимися друг от друга в направлении, параллельном продольным осям прокладок.
В известном радиаторном устройстве эффективно используется его теплопоглощающая часть и обеспечивается баланс гидравлического сопротивления воздушного канала и параметры воздухообменного устройства - вентилятора. Сечение воздушного канала на входе и выходе оказывается больше сечения над теплопоглощающей частью, что обеспечивает уменьшение гидравлического сопротивления радиаторного устройства и увеличение теплоотдачи за счет увеличения скорости воздушного потока над теплопоглощающей частью. Кроме того, плавное изменение сечения воздушного потока по длине радиаторного устройства предотвращает оседание пыли на пластинах радиатора. При естественном охлаждении пластин (в отсутствии вентилятора) выполнение части радиаторных пластин расходящимися друг от друга в направлении, параллельном продольным осям прокладок, создает дополнительную тягу воздуха. Однако при значительном увеличении числа расходящихся радиаторных пластин возрастает гидравлическое сопротивление периферийных частей радиатора, так как радиаторные пластины оказываются отогнутыми на слишком большой угол. Поэтому радиаторное устройство имеет ограничение по толщине. Кроме того, над каждым тепловыделяющим электронным компонентом необходимо устанавливать отдельные известные радиаторные устройства, что усложняет монтаж и увеличивает трудоемкость изготовления электронных устройств и аппаратов.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является принятое за прототип радиаторное устройство (см. патент RU №76767, МПК Н05К 7/20, опубликован 20.09.2008) содержащее множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере две параллельные кромки и скрепленных вблизи этих кромок через теплопроводящие прокладки друг с другом с образованием не менее двух теплопоглощающих частей, контактирующих с выделяющими тепло поверхностями электронных компонентов, при этом дистальные участки радиаторных пластин по меньшей мере с одной стороны выступают за дистальные торцы теплопроводящих прокладок, расположенных у вторых противолежащих кромок радиаторных пластин.
Объединение участков радиаторных пластин в две или более теплопоглощающих частей, расположенных над источниками интенсивного тепловыделения, позволяет объединить радиаторные пластины (которые и участвуют непосредственно в принудительном конвективном теплообмене) в единый тепловой контур. Однако устройство-прототип имеет высокое аэродинамическое сопротивление воздушному потоку на входе и выходе из устройства. В устройстве-прототипе радиаторные пластины, из-за выступающих за торцы теплопроводящих прокладок участков, не могут быть выполнены достаточно тонкими и длинными, чтобы не потерять устойчивость формы и механическую прочность, что приводит к излишнему расходу металла и соответственно повышается стоимость устройства. Использование в устройстве-прототипе прямых радиаторных пластин не всегда позволяет реализовать оптимальную тепловую модель печатной платы, на которой смонтированы тепловыделяющие электронные компоненты.
Задачей, которую решает заявляемое техническое решение, являлась разработка такого радиаторного устройства, в котором бы сохранялась его формоустойчивость при уменьшенной толщине и увеличенной длине радиаторных пластин, обеспечивался баланс гидравлического сопротивления воздушного канала и параметры воздухообменного устройства при реализации тепловой модели печатной платы, на которой смонтированы тепловыделяющие электронные компоненты.
Поставленная задача решается тем, что радиаторное устройство содержит множество отдельных радиаторных пластин, имеющих по меньшей мере первые кромки, по меньшей мере части которых выполнены прямыми. Радиаторные пластины скреплены вблизи прямых по меньшей мере частей первых кромок через по меньшей мере одну группу первых теплопроводящих прокладок с образованием по меньшей мере одной теплопоглощающей части, контактирующей внешней поверхностью с выделяющей тепло поверхностью электронного компонента. Длина радиаторных пластин больше длины примыкающих к ним теплопроводящих прокладок. По меньшей мере у части радиаторных пластин выступающие за торцы первых теплопроводящих прокладок части выполнены расходящимися друг от друга в направлении, параллельном продольным осям прокладок. Выступающие за торцы первых теплопроводящих прокладок части радиаторных пластин скреплены по меньшей мере одной группой вторых теплопроводящих прокладок. Длина вторых теплопроводящих прокладок меньше длины первых теплопроводящих прокладок.
Скрепление частей радиаторных пластин выступающих за торцы первых теплопроводящих прокладок по меньшей мере одной группой вторых теплопроводящих прокладок обеспечивает формоустойчивость устройства даже при очень небольшой толщине и большой длине радиаторных пластин. Отсутствие ограничения в отношении толщины и длины радиаторных пластин позволяет обеспечить баланс гидравлического сопротивления воздушного канала и параметров воздухообменного устройства и реализовать оптимальную тепловую модель печатной платы. Вторые теплопроводящие прокладки могут быть использованы для отвода тепла от менее мощных электронных компонентов.
Первые и/или вторые теплопроводящие прокладки могут быть выполнены разной толщины, что позволяет подбирать необходимое гидравлическое сопротивление воздушных каналов между радиаторными пластинами.
Длина первых периферийных теплопроводящих прокладок по меньшей мере по одну сторону от продольной оси теплопоглощающей части может быть выполнена монотонно уменьшающейся по мере удаления от продольной оси теплопоглощающей части. Это позволяет при большой толщине теплопоглощающих частей снизить гидравлическое сопротивление каналов периферийных участков теплопоглощающих частей радиаторного устройства за счет монотонного уменьшения длины периферийных первых теплопроводящих прокладок.
Контур торцов периферийных первых теплопроводящих прокладок по меньшей мере по одну сторону от продольной оси теплопоглощающей части в плане может иметь форму ломаной линии, обращенной выпуклостью наружу или форму дуги, обращенной выпуклостью наружу.
Торцовые кромки выступающих за торцы периферийных вторых теплопроводящих прокладок частей радиаторных пластин могут быть выполнены прямыми, закругленными или заостренными.
Радиаторные пластины могут выступать с одной стороны или с двух сторон за торцы первых теплопроводящих прокладок.
Радиаторные пластины могут иметь вторые кромки, у которых по меньшей мере их части выполнены прямыми и параллельными прямым по меньшей мере частям первых кромок, при этом радиаторные пластины скреплены вблизи прямых по меньшей мере частей вторых кромок через по меньшей мере одну группу первых теплопроводящих прокладок и по меньшей мере одну группу вторых теплопроводящих прокладок.
Первые кромки радиаторных пластин могут иметь первые и вторые прямоугольные выступы, с которыми скреплены соответственно первые и вторые теплопроводящие прокладки, при этом первые и вторые теплопроводящие прокладки повторяют форму соответственно первых и вторых прямоугольных выступов.
Вторые кромки радиаторных пластин могут иметь первые и вторые прямоугольные выступы, противолежащие соответственно первым и вторым выступам первых кромок, с прямоугольными первыми и вторыми выступами вторых кромок скреплены соответственно первые и вторые теплопроводящие прокладки, при этом первые и вторые теплопроводящие прокладки повторяют форму соответственно первых и вторых прямоугольных выступов.
Радиаторные пластины могут быть сформированы по меньшей мере в две группы, выполненные из металлов с различной теплопроводностью.
По меньшей мере одна группа радиаторных пластин может быть выполнена из меди, и по меньшей мере одна группа радиаторных пластин выполнена из алюминия.
Радиаторные пластины могут быть сформированы по меньшей мере в две группы, выполненные из радиаторных пластин разной толщины.
Первые и/или вторые теплопроводящие прокладки могут быть выполнены из металлов с различной теплопроводностью.
Объединение участков вторых кромок радиаторных пластин, противолежащих теплопоглощающим частям, позволяет объединить радиаторные пластины (которые и участвуют непосредственно в принудительном конвективном теплообмене) в единый тепловой контур. Наибольшая эффективность теплового контура (а, следовательно, и теплообмена радиаторного устройства) достигается при использовании комбинации материалов с различной теплопроводностью, из которых изготовлены радиаторные пластины и теплопроводящие прокладки. Например, медные радиаторные пластины, установленные непосредственно под тепловыделяющими элементами на противоположной от них стороне, в сочетании с медными теплопроводящими первыми прокладками представляют собой как бы второй источник тепла, от которого по обе стороны путем теплопередачи распространяется тепловая энергия. Таким образом, на противоположной стороне от теплопоглощающей части радиаторного устройства происходит перераспределение тепловой энергии от более нагретых радиаторных пластин к менее нагретым. И если материал радиаторных пластин в конкретном радиаторном устройстве уже изменить невозможно, то комбинацией различных материалов первых и вторых прокладок можно достигать различных заданных тактико-технических характеристик (эффективность теплообмена или тепловое сопротивление, масса, стоимость) радиаторного устройства.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где:
на фиг.1 показан вид сбоку на заявляемое устройство с одной теплопоглощающей частью и одной группой вторых теплопроводящих прокладок;
на фиг.2 приведен вид спереди на заявляемое устройство, изображенное на фиг.1;
на фиг.3 изображен вид сверху на заявляемое устройство в разрезе по А-А, изображенное на фиг.1;
на фиг.4 показан вид сверху на заявляемое устройство, у которого длина первых периферийных теплопроводящих прокладок по обе стороны от продольной оси теплопоглощающей части выполнена монотонно уменьшающейся;
на фиг.5 приведен вид сбоку на заявляемое устройство, у которого радиаторные пластины имеют вторые кромки, которые скреплены через одну группу первых теплопроводящих прокладок и одну группу вторых теплопроводящих прокладок;
на фиг.6 изображен вид спереди на заявляемое устройство, показанное на фиг.5;
на фиг.7 показан вид сбоку на заявляемое устройство со вторым вариантом радиаторных пластин;
на фиг.8 показан вид сбоку на заявляемое устройство с третим вариантом радиаторных пластин;
на фиг.9 изображен вид сбоку на заявляемое устройство с двумя группами вторых теплопроводящих прокладок;
на фиг.10 показан вид снизу на заявляемое устройство в разрезе по Б-Б, изображенное на фиг.9;
на фиг.11 показан вид сбоку на заявляемое устройство с двумя группами первых теплопроводящих прокладок и двумя группами вторых теплопроводящих прокладок;
на фиг.12 изображен вид сверху на заявляемое устройство в разрезе по В-В, показанное на фиг.11;
на фиг.13 приведен вид сбоку на заявляемое устройство устройство с тремя группами первых теплопроводящих прокладок и тремя группами вторых теплопроводящих прокладок;
на фиг.14 изображен вид сверху на заявляемое устройство в разрезе по Г-Г, показанное на фиг.13.
Радиаторное устройство 1 для электронного компонента (см. фиг.1 - фиг.8) содержит множество отдельных радиаторных пластин 2, имеющих первые кромки 3, по меньшей мере части 4 которых выполнены прямыми. Радиаторные пластины 2 скреплены вблизи прямых частей 4 первых кромок 3 через первые теплопроводящие прокладки 5 друг с другом с образованием одной или нескольких (см. фиг.12 - фиг.14) теплопоглощающих частей 6, контактирующих с выделяющих тепло поверхностью электронных компонентов (на чертеже не показаны). Прямые части 4 первых кромок 3 выполнены заподлицо с внешними поверхностями первых теплопроводящих прокладок 5. Длина радиаторных пластин 2 больше длины примыкающим к ним теплопроводящих прокладок 5. Радиаторные пластины 2 могут выступать с одной стороны или с двух сторон за торцы 7 первых теплопроводящих прокладок 5. Выступающие за торцы 7 первых теплопроводящих прокладок 5 части 8, 9 радиаторных пластин 2 выполнены у части радиаторных пластин (см. фиг.14) или у всех пластин, кроме центральной, (см. фиг.3, фиг.10, фиг.10, фиг.12) расходящимися веером друг от друга в направлении, параллельном продольном осям прокладок 5 и, соответственно, параллельном продольной оси 10 теплопоглощающей части 6. Длина по меньшей мере части периферийных первых теплопроводящих прокладок 5 по одну или обе стороны от продольной оси 10 может быть выполнена монотонно уменьшающейся по мере удаления от продольной оси 10 теплопоглощающей части 6 (см. фиг.4). Контур торцов 7 периферийных первых теплопроводящих прокладок 6 при этом по одну или по обе стороны от продольной оси 10 теплопоглощающей части 6 в плане может иметь форму ломаной линии, обращенной выпуклостью наружу или форму дуги, обращенной выпуклостью наружу. При большой толщине теплопоглощающих частей 6 такая конфигурация торцов 7 первых теплопроводящих прокладок 5 снижает гидравлическое сопротивление каналов периферийных участков теплопоглощающих частей 6 радиаторного устройства 1. Выступающие за торцы 7 первых теплопроводящих прокладок 5 части 8, 9 радиаторных пластин 2 скреплены одной группой 11 (см. фиг.3, фиг.4) или несколькими группами 11 (см. фиг.10 - фиг.14) вторых теплопроводящих прокладок 12. Скрепление частей 8, 9 радиаторных пластин 2 одной группой 11 или несколькими группами 11 вторых теплопроводящих прокладок 12 позволяет обеспечить формоустойчивость устройства 1 даже при очень небольшой толщине и большой длине радиаторных пластин 2. Это позволяет без снижения прочности и жесткости конструкции устройства 1 выполнять части 8, 9 необходимой длины и геометрии, чтобы повторить оптимальную тепловую модель печатной платы (см. фиг.14). Радиаторные пластины 2 могут иметь закругленные торцовые кромки 13 (см. фиг.7) или иметь заостренные торцовые кромки 14 (см. фиг.8). Радиаторные пластины 2 могут иметь вторые кромки 15, противолежащие первым кромкам 3 (см. фиг.5, фиг.7 - фиг.8). По меньшей мере части 16 вторых кромок 15 могут быть выполнены прямыми и параллельными прямым по меньшей мере частям 4 первых кромок 3. В этом воплощении полезной модели радиаторные пластины 2 скреплены вблизи прямых по меньшей мере частей 16 вторых кромок 15 через первые теплопроводящие прокладки 17 друг с другом. Части 8, 9 радиаторных пластин 2 в этом случае скреплены также вблизи вторых кромок 15 вторыми теплопроводящими прокладками 18 (см. фиг.12 - фиг.14). Прокладки 5, 12, 15, 18 могут быть скреплены с радиаторными пластинами 2 различными известными методами, например, пайкой или склейкой. Так как длина радиаторных пластин 2 больше длины примыкающих к ним прокладок 5, 17, то минимальное аэродинамическое сопротивление воздушному потоку достигается благодаря тому, что выступающие за пределы теплопроводящих прокладок 5, 17 расходящиеся части 8, 9 радиаторных пластин 2 образуют воздушный канал (представляющий собой множество элементарных каналов, образованных множеством радиаторных пластин 2) сечение которых всегда больше, чем сечение канала непосредственно над теплопоглощающими частями 6 радиаторного устройства 1. Благодаря этому, скорость воздушного потока на входе и выходе из радиаторного устройства 1 всегда меньше скорости в центральной части воздушного канала, а отсюда и минимальные потери. Сужение воздушного происходит под теплопоглощающими частями 6 радиаторного устройства 1, когда воздушный поток движется в установившемся режиме (когда толщина и количество радиаторных пластин 2 не влияет на скорость его движения). Поэтому возмущения (турбулентность) воздушного потока в зоне теплопоглощающих частей 6 приводят к значительному повышению эффективности теплообмена при минимальном увеличении аэродинамического сопротивления воздушному потоку. Радиаторные пластины 2, образующие множество элементарных каналов, могут иметь имеют разную толщину. Группы толстых пластин 2 располагаются, как минимум, по краям и обеспечивают, наряду со вторыми теплопроводящими прокладками 12, 18, механическую прочность радиаторного устройства 1, исполняя, роль несущей конструкции. Группа тонких пластин 2 вызывает минимальные возмущения (турбулентность) при огибании их воздушным потоком на входе и выходе из радиаторного устройства 1. Выступающие за торцы первых теплопроводящих прокладок 5, 17 части 8, 9 радиаторных пластин 2, выполненные расходящимися (т.е. веерообразно) друг от друга в направлении, параллельном продольным осям прокладок 5, 17 (т.е. продольной оси 10 теплопоглощающей части 6) обеспечивает уменьшение гидравлического сопротивления радиатора и увеличение теплоотдачи за счет увеличения скорости воздушного потока над теплопоглощающей частью радиатора. В еще одном воплощении полезной модели (см. фиг.9) прямые части 4 первых кромок 3 радиаторных пластин 2 имеют первые прямоугольные выступы 19 и вторые прямоугольные выступы 20, с которыми скреплены соответственно первые теплопроводящие прокладки 5 и вторые теплопроводящие прокладки 12. Первые теплопроводящие прокладки 5 и вторые теплопроводящие прокладки 12 повторяют форму соответственно первых прямоугольных выступов 19 и вторых прямоугольных выступов 20. В еще одном воплощении полезной модели (см. фиг.11, фиг.13) прямые части 16 вторых кромок 15 радиаторных пластин 2 имеют первые прямоугольные выступы 21 и вторые прямоугольные выступы 22, противолежащие соответственно первым выступам 19 и вторым выступам 20 прямых частей 4 первых кромок 3. С первыми прямоугольными выступами 21 и вторыми прямоугольными выступами 22 скреплены соответственно первые теплопроводящие прокладки 17 и вторые теплопроводящие прокладки 18. Первые и вторые теплопроводящие прокладки 17, 18 повторяют форму соответственно первых прямоугольных выступов 21 и вторых прямоугольных выступов 22. Радиаторные пластины 2 могут быть выполнены из металлов с различной теплопроводностью. Не изменяя геометрические размеры радиаторного устройства 1, применяя более тонкие радиаторные пластины 2 различной конфигурации, в зависимости от поставленной задачи (см. фиг.14), можно или увеличивать количество пластин 2 (площадь теплоотдачи) или увеличивать зазор между ними, увеличивая тем самым эффективное сечение элементарного воздушного канала (пространство между соседними радиаторными пластинами 2). В сочетании с возможностью комбинирования материалов с различной теплопроводностью, из которых изготавливают как радиаторные пластины 2, так и первые теплопроводящие прокладки 5, 17 и вторые теплопроводящие прокладки 12, 18, заявляемое радиаторное устройство 1 представляет собой очень гибкую, легко перестраиваемую конструкцию, позволяющую решать проблемы теплообмена в сложных радиоэлектронных устройствах.
Пример. Печатная процессорная плата унифицированного электронного модуля для обеспечения беспроводного Интернета в железнодорожных пассажирских вагонах в перевернутом виде была установлена на радиаторное устройство таким образом, чтобы корпус каждой микросхемы с помощью теплопроводящего клея имел надежный тепловой контакт с соответствующей теплопоглощающей частью. Объем модуля ограничен, поэтому высота радиаторного устройства составляла 26 мм. Из 7 микросхем только у 3 мощность тепловыделения имеет критическое значение для полупроводниковых переходов. Радиаторное устройство имело изменяющийся зазор между радиаторными пластинами: на входе и выходе радиатора 1,8 мм, а под 3 охлаждаемыми микросхемами - 0,8 мм. Локальное повышение эффективности теплообмена радиаторного устройства не вызвало существенного увеличения гидравлического сопротивления воздушного потока.