ПАССИВНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ РАДИОЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННЫХ БЛОКОВ
PASSIVE COOLING SYSTEM OF RADIO ELEMENTS OF ELECTRONIC UNITS

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к устройствам, рассеивающим тепло от нагруженных источников нагрева электронных блоков и СВЧ модулей, эксплуатирующихся в полевых условиях, расположенных на вращающихся областях конструкции и подвергающихся различным климатическим воздействиям.
Наибольшее количество работ, относящихся к системам охлаждения, посвящено охлаждению компьютерной техники. Общеизвестна в данной области система охлаждения компьютерных блоков, которая состоит из набора радиаторов, сопряженных с вентиляторами. Основными недостатками такого охлаждения являются повышенный шум и низкая надежность, связанная с ограниченным сроком службы вентиляторов.
Наиболее перспективными являются разработки, в которых внедрены контурные тепловые трубы [1].
Известна пассивная система охлаждения (патент РФ на изобретение №2297661, 29.07.2005), включающая в себя радиатор с вертикальным расположением ребер, представляющий собой боковую стенку системного блока, контурную тепловую трубу и тепловые интерфейсы.
Недостатком такой системы являются ограничения, связанные с применением контурных труб, ввиду следующих причин:
1) время выхода на номинальное тепловое сопротивление зависит от длины конденсатора и паропровода, поэтому контурные тепловые трубы могут применяться в системах с малыми скоростями изменения тепловых потоков;
2) в контурной тепловой трубе актуальной проблемой является обеспечение начала циркуляции теплоносителя в контуре;
3) контурная тепловая труба является чувствительной к внешним тепловым воздействиям на конденсатопровод, вследствие чего происходит изменение расхода теплоносителя в контуре и термического сопротивления тепловой трубы. В связи с этим необходимо искусственно регулировать температуру контурной тепловой трубы, что является определяющим фактором в оценке надежности системы.
Известна другая система охлаждения (Патент РФ на изобретение №2332818, 01.02.2007), которая включает в себя контурную тепловую трубу, оребрения на конденсаторе (радиатор) и вентилятор.
Недостатком этой системы являются наличие вентилятора, что сопровождается дополнительным потреблением электроэнергии и снижением уровня надежности охлаждающей системы, и ограничения, связанные с применением контурной тепловой трубы.
Известно совместное использование тепловых труб и вентиляторов, термоэлектрических модулей охлаждения и т.д. для охлаждения систем в компьютерной технике (Патенты РФ №2319327, 12.09.2006; №2239226, 20.11.2002). В изобретении №2319327 охлаждающая система содержит радиатор, по меньшей мере, один термоэлектрический модуль охлаждения, соединенный с блоком питания, а также охлаждающий теплообменник, взаимодействующий с радиатором через тепловую трубу. В изобретении №2239226 система охлаждения состоит из радиатора, тепловой трубы, размещенной на радиаторе, генератора воздушного потока, который также расположен на корпусе радиатора.
Особенности эксплуатации компьютерной техники, а именно использование в помещении с малоизменяющимся микроклиматом, отсутствие дефицита электроэнергии, использование в стационарном неподвижном положении (например, системный блок), показывают, что введение дополнительных устройств в систему охлаждения может быть целесообразным. Применение же исключительно пассивной системы, хотя и приведет к снижению уровня шума и сокращению энергопотребления, но отразится на дизайне продукции и приведет к нарушению принципов миниатюризации техники.
Использование подобных систем охлаждения для радиоэлектронных блоков, эксплуатирующихся в полевых условиях, крайне нежелательно, так как дополнительные источники питания приводят к увеличению расхода дефицитной энергии. Кроме того, корпус блока, как правило, герметичный, поэтому элементы системы отвода тепла (вентилятор, радиатор) необходимо выводить за пределы корпуса. Наличие ветра, пыли, снега, конденсата и т.д. способствует засорению вентиляторов и выводу их из строя. Поэтому приоритетным направлением в разработке эффективного рассеяния выделяемого блоком тепла является создание пассивной системы, способной работать в автономном режиме, а учитывая вращение блока вместе с узлами конструкции при эксплуатации - в любом векторном расположении.
Наиболее близким к заявляемому изобретению, т.е. прототипом, является «Пассивная система охлаждения радиоэлементов в съемном модуле» (Патент РФ №2437140, 13.12.2010). Данная система (см. фиг.1) содержит комплекс тепловых труб 1, сопряженный с тепловыделяющими радиоэлементами 2, комплекс тепловых труб 1 соединен с тепловыми интерфейсами 3, зоной испарения 4 с одной стороны, и с другой стороны - с тепловым разъемом 5, состоящим из двух частей, включающим в себя коллектор 6 зон конденсации 7 тепловых труб 1 и канал 8 для циркуляции охлаждающей жидкости.
Недостатком данной системы является высокое суммарное термическое сопротивление системы охлаждения из-за большого количества стыковочных механических соединений, низкая надежность из-за того, что несомненно потребуется дополнительная система, обеспечивающая циркуляцию охлаждающей жидкости (насос), и теплообменник для охлаждения жидкости. При отсутствии циркуляции жидкости система приобретает пассивный характер, однако работать не сможет. Рассматривая охлаждающую систему прототипа в целом, можно сделать вывод, что данная система целесообразна в случаях, где нет дефицита электроэнергии и устройство находится в стационарном состоянии.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности конструкции системы охлаждения, способной стабильно работать в автономном режиме, в любом векторном направлении, повышение ресурса работы электронных блоков, обеспечение стабильности отвода тепла и поддержания их температуры в требуемых пределах, при одновременном снижении массогабаритных характеристик за счет уменьшения стыковочных механических соединений.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем тепловыделяющие радиоэлементы, поверхности которых через тепловые интерфейсы сопряжены с зонами испарения тепловых труб, от которых тепловая энергия переносится в зону конденсации, обеспечен непосредственный контакт источника нагрева (радиоэлемента) с тепловыми трубами, которые выведены за пределы корпуса электронного блока и спаяны с пластинами радиатора, жестко связанными между собой ограничителями, при этом система охлаждения имеет минимальное количество механических стыковок узлов и работает в любом векторном положении.
В заявленном изобретении эффект достигается за счет снижения суммарного термического сопротивления системы путем уменьшения стыковочных соединений в системе, а также наличием припаянных к корпусу тепловых труб радиаторных пластин, способствующих рассеиванию необходимого количества тепла. Благодаря этому снижается тепловое сопротивление на переходе труба - радиатор. Через радиаторные пластины, выставленные в ряд, проходят три тепловые трубы, благодаря чему происходит равномерное распределение теплового потока по всей площади пластин радиатора. Благодаря сверхтеплопроводным свойствам тепловых труб количество тепла от трубы к радиаторной пластине передается приблизительно одинаково, независимо от степени удаления пластины от источника тепла, а учитывая наличие капиллярной структуры в тепловых трубах, следует, что данные трубы будут обеспечивать теплоперенос в любом векторном направлении.
На фигурах 2 и 3 представлена конструкция предлагаемой пассивной системы охлаждения, где:
1 - комплекс тепловых труб;
2 - радиоэлементы;
3- тепловой интерфейс;
4 - зона испарения;
7 - зона конденсации;
8 - радиаторные пластины;
9 - ограничители.
Устройство включает в себя герметичный электронный блок и систему с впаянными в радиаторные пластины 8 тепловыми трубами 1 (фиг.2, 3). Концы тепловых труб 1 с одной стороны введены в корпус электронного блока к участкам, где расположены тепловыделяющие радиоэлементы 2 так, что они пронизывают насквозь тепловой интерфейс 3 и контактируют с нагруженным радиоэлементом 2, расположенным на этом тепловом интерфейсе 3, представляя собой зону испарения 4. В одном тепловом интерфейсе 3, на котором крепятся два радиоэлемента 2, вмонтировано шесть тепловых труб 1 диаметром 12 мм. Вне корпуса электронного блока тепловые трубы загнуты на 90 градусов через одну тепловую трубу в обе стороны. На свободные концы труб впаяны радиаторные пластины 8 так, что они вместе с тепловыми трубами 1 представляют одну монолитную конструкцию. Для обеспечения жесткости конструкции между радиаторными пластинами 8 на их периферии расположены ограничители 9, которые соединяют между собой эти пластины. Область, в которой к тепловым трубам 1 припаяны радиаторные пластины 8, является зоной конденсации 7 тепловых труб.
Устройство работает следующим образом:
С одной стороны тепловые трубы 1 вмонтированы в тепловой интерфейс 3, расположенный внутри электронного блока, так, что трубы проходят сквозь тепловой интерфейс 3, а их торцы совпадают с плоскостью, на которой крепятся радиоэлементы 2, и являются зонами испарения 4. С другой стороны к тепловым трубам 1 припаиваются радиаторные пластины 8, способствующие рассеиванию тепла, передаваемого системой тепловых труб 1. При работе радиоэлементы 2 выделяют тепло. Благодаря прямому контакту радиоэлементов 2 с зоной испарения 4 тепловых труб выделенное элементами тепло непосредственно поглощается зоной испарения 4 тепловых труб. При этом жидкость, находящаяся в тепловой трубе, испаряется, поглощая переданное тепло, и пар с высокой скоростью перемещается в зону с более низкой температурой - в зону конденсации 7, где пар конденсируется с передачей тепла на корпус тепловой трубы и, в дальнейшем, на припаянные к корпусу тепловой трубы радиаторные пластины 8. Сконденсированная жидкость поглощается фитилем, расположенным на внутренней стенке тепловой трубы, и за счет сил капиллярного эффекта жидкость движется в зону испарения - к источнику нагрева. Цикл передачи тепла завершен. На протяжении всего периода работы электронного модуля происходит непрерывная передача тепла от источника нагрева к радиаторным пластинам 8.
Ограничители 9 между радиаторными пластинами 8, а также впаянные в них тепловые трубы 1 обеспечат необходимую жесткость конструкции и позволят использовать пластины малых толщин, а также позволят исключить основание в конструкции радиатора. На этих принципах был изготовлен и апробирован опытный образец, способный рассеивать тепло мощностью 140 Вт при перегреве излучающего радиоэлемента относительно окружающей среды на 26 град. При этом масса радиатора не превысила 2 кг (с учетом массы теплового интерфейса).
Опытные работы показали, что в системе из тепловых труб и впаянных в них 36 радиаторных пластин изменение температуры в разных точках системы не превышало 2 градуса при естественной конвекции.
Таким образом, за счет того, что в известное устройство, содержащее тепловыделяющие радиоэлементы, поверхности которых через тепловые интерфейсы сопряжены с зонами испарения тепловых труб, от которых тепловая энергия переносится в зону конденсации, введены пластины радиатора, жестко связанные между собой ограничителями и размещенные на системе тепловых труб, система способна стабильно работать в автономном режиме и в условиях вращения, происходит повышение надежности конструкции системы охлаждения с одновременным повышением ресурса работы электронных блоков за счет обеспечения стабильности отвода тепла и поддержания их температуры в требуемых пределах.
Список литературы
1. Тепловые трубы. М., 1972 Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи.
М.,1983 Аккумулирование тепловой энергии. М., 1987
Промышленная теплоэнергетика, кн. 4. М., 1991.