УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ И ЗАЩИТЫ Российский патент 2004 года по МПК H05B7/20 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам охлаждения и защиты элементной базы электронной техники, в том числе микропроцессорной, а также деталей и узлов машин.

Известно использование устройств охлаждения, основанных на отводе тепла от оборудования посредством твердотелых радиаторов, естественного испарения рабочего тела, принудительного жидкостного или воздушного охлаждения [1, 2].

Известен способ охлаждения, основанный на применении сплава с эффектом памяти формы, обусловленный значительными экзо- и эндотермическими эффектами в них при охлаждении и нагреве в интервале мартенситных превращений [3].

Недостатками известных устройств являются невысокая эффективность охлаждения, особенно при возможных в технике отказах в работе принудительных систем охлаждения или при работе таких устройств в условиях высоких температур в замкнутых объемах, также низкие эксплуатационные характеристики, ввиду недостаточной стойкости этих устройств к ударным и вибрационным нагрузкам, агрессивным средам в условиях высоких температур.

В то же время в технике зачастую возникает потребность с высокой надежностью охлаждать оборудование в замкнутых объемах, с прогнозируемым временным повышением температуры, в условиях дефицита источников энергии, питающих принудительные системы охлаждения, с совмещением в конструкции функций защиты аппаратуры, например, от виброударных, радиационных воздействий. Данная задача может быть решена следующим образом.

Устройство охлаждения и защиты содержит твердотелый радиатор, набранный из ряда профилированных пластин, выполненных из сплава с эффектом памяти формы, пластины первоначально имеют незамкнутую цилиндрическую форму, вложены друг в друга и закреплены эквидистантно посредством ряда колец и фиксирующей крышки на охлаждаемом объекте или штыревых кронштейнах последнего, находящихся внутри незамкнутых цилиндрических пластин, сплаву которых задано фазовое превращение при критической температуре в прямоугольную П-образную форму, с геометрическими пропорциями высот и оснований каждой из пластин, рассчитываемых по зависимостям: Н_i=D_i и L_i=1,1416·D_i-z, где i -номер пластины, D_i -диаметр отдельной цилиндрической пластины до начала фазового превращения, z -зазор между краями незамкнутых цилиндрических пластин до начала фазового превращения.

Сущность предлагаемого устройства охлаждения и защиты поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство в исходном положении до начала фазовых превращений в сплаве с эффектом памяти формы, на фиг.2 - разрез А-А, на фиг.3 - внешний вид устройства после окончания фазового превращения в сплаве с эффектом памяти формы, на фиг.4 - разрез Б-Б.

Устройство охлаждения и защиты содержит собственно твердотелый радиатор, набранный из ряда профилированных пластин 1, выполненных из сплава с эффектом памяти формы. Пластины 1 первоначально имеют незамкнутую цилиндрическую форму, вложены друг в друга, по принципу: меньшая пластина - в большую, и закреплены эквидистантно вдоль плоскости симметрии посредством ряда колец 2 и фиксирующей крышки 3 на корпусе охлаждаемого объекта 4 или штыревом кронштейне 5 последнего. При этом охлаждаемый объект 4 может находится внутри ряда незамкнутых цилиндрических пластин 1, плотно с ними контактируя по наибольшей площади поверхности.

Незамкнутым цилиндрическим пластинам 1, выполненным из сплава с эффектом памяти формы известными методами [3, 4], задана память формы таким образом, что при достижении критической температуры материал пластины 1 претерпевает фазовое превращение и меняет цилиндрическую форму на прямоугольную, П-образную, с геометрическими пропорциями высот и оснований пластин, соответственно рассчитываемых по указанным ранее зависимостям.

Устройство охлаждения и защиты работает следующим образом: в обычном режиме эксплуатации при температуре ниже значения начала фазового перехода (критической) охладитель пассивно с расчетной интенсивностью отводит тепло от объекта, например от элемента электронной техники.

При воздействии на корпус твердотелого радиатора, набранного из ряда профилированных пластин цилиндрической формы, и, собственно, защищаемый объект значительной ударной нагрузки, пластины охладителя могут сминаться в области упругих и пластических деформаций с поглощением и рассеиванием энергии удара. Пластические деформации, т.е. изменения формы пластин радиатора в процессе эксплуатации не отражаются на функциональных возможностях охладителя.

При воздействии на корпус твердотелого радиатора, набранного из ряда профилированных пластин цилиндрической формы, и, собственно, защищаемый объект значительной тепловой нагрузки, превышающей расчетную, пластины нагреваются до достижения критической температуры начала фазового превращения в материале. При этом материал каждой пластины претерпевает фазовое превращение и изменяет цилиндрическую форму охладителя на прямоугольную П-образную с указанными ранее геометрическими соотношениями (фиг.3, 4). Нагрев охлаждаемого объекта 4 осуществляется до температуры, при которой происходит восстановление формы пластин радиатора. Для сплава с эффектом памяти формы на основе, например, системы Ni-Ti эта температура для наиболее стабильных результатов восстановления составляет от 100 до 200°С и может быть выбрана и установлена в зависимости от диапазонов температур предполагаемого перегрева [3, 4].

Восстановление формы пластин радиатора обеспечивается силой термоупругости сплава. При этом максимальный термический эффект (в данном случае охлаждение) dT=dH/c определяется энтальпией перехода dH и теплоемкостью сплава с и составляет для термоупругого превращения несколько десятков градусов [3]. Неодновременность развертывания пластин не имеет принципиального значения. Каждая пластина при перегреве выше критической температуры охлаждается и становится стоком избытка тепловой энергии.

Естественно, что устройство охлаждения и защиты в режиме терморегуляции может работать ограниченное время, поглощая вполне определенное количество тепла. “Емкость” каждой пластины, являющейся стоком тепла, пропорциональна количеству материала и может быть подобрана в соответствии с предполагаемыми перегревами.

Устройство эффективно при предполагаемом импульсном или аварийном перегреве, например, конструктивных элементов электронного оборудования, работающих в экстремальных режимах непродолжительное время, в течении которого будут обеспечены требуемый температурный режим или оперативный резерв времени для необходимых переключении аппаратуры.

После срабатывания предлагаемое устройство охлаждения и защиты остается в неизменной прямоугольной П-образной форме и пассивно, с повышенной интенсивностью, за счет восстановленной формы классического радиатора, отводит тепло от объекта.

Прямоугольная П-образная форма устройства охлаждения и защиты может служить индикатором для обслуживающего персонала о факте перегрева оборудования, что может эффективно снижать аварийность, особенно в авиации и на других транспортных средствах.

Положительный эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности охлаждения и улучшения эксплуатационных характеристик отвода тепла, защиты объекта от ударов и возможности индикации персоналу об аварийном срабатывании устройства. Положительный эффект обусловлен применением в качестве рабочего тела охладителя пластин радиатора с заданными геометрическими пропорциями и формой, обеспечивающими защиту объекта как от тепловых, так и от ударных нагрузок.

Данное устройство охлаждения и защиты отличается от прототипа усовершенствованной конструкцией, обеспечивающей надежную защиту элементов техники в экстремальных тепловых режимах, например, при отказах в работе принудительных систем охлаждения или высоких температурах в замкнутых объемах, и достаточную стойкость к ударным нагрузкам и агрессивным средам.

Таким образом предлагаемое устройство охлаждения и защиты обладает значительно лучшими эксплуатационными свойствами, стойкостью к ударным и тепловым нагрузкам, по сравнению с известными.

Источники информации.

1. Микроэлектронные устройства автоматики: Учебное пособие для вузов. А.А.Сазонов, А.Ю.Лукичев, В.Т.Николаев и др. /Под ред. А.А.Сазонова. -М.: Энергоиздат, 1991, 384с.: ил.

2. Микропроцессоры. В 3-х кн, т. 2, средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы. /Под ред. Л.Н.Преснухина. - М.: Высшая школа, 1986.

3. Эффект памяти формы в сплавах: Пер. с англ. Л.М.Бернштейна. / Под ред. В.А.Займовского. - М.: Металлургия, 1979, 472с.

4. Костоглотов А.И., Денисов О.В., Ступаков В.Я., Шевцова Л.А. Экспериментальное исследование механических свойств титано-никелевого сплава с эффектом памяти формы при повышенных температурах и пластическом кручении. /Изв. ВУЗов. Естественные науки. №4, 1999, с.24-26.

Изобретение предназначено для охлаждения и защиты элементов электронной техники, а также деталей и узлов машин. Устройство содержит твердотелый радиатор, набранный из ряда профилированных пластин из сплава с эффектом памяти формы. При этом пластины первоначально имеют незамкнутую цилиндрическую форму, вложены друг в друга и закреплены эквидистантно посредством ряда колец и фиксирующей крышки на охлаждаемом объекте. При нагреве до критической температуры цилиндрическая форма пластин меняется на прямоугольную П-образную с заданными геометрическими пропорциями высот и оснований каждой из пластин. Изобретение позволяет повысить надежность охлаждения оборудования в замкнутых объемах, в условиях дефицита источников энергии, а также совместить в одной конструкции функции охлаждения и защиты аппаратуры от виброударных и радиационных воздействий. 4 ил.

Устройство охлаждения и защиты, содержащее твердотелый радиатор, набранный из ряда профилированных пластин, выполненных из сплава с эффектом памяти формы, отличающееся тем, что пластины первоначально имеют незамкнутую цилиндрическую форму, вложены друг в друга и закреплены эквидистантно посредством ряда колец и фиксирующей крышки на охлаждаемом объекте или штыревых кронштейнах последнего, находящихся внутри незамкнутых цилиндрических пластин, сплаву которых задано фазовое превращение при критической температуре в прямоугольную П-образную форму, с геометрическими пропорциями высот и оснований каждой из пластин, соответственно рассчитываемых по зависимостям Н_i=D_i и L_i=1,1416 D_i-z, где i - номер пластины, D_i - диаметр отдельной цилиндрической пластины до начала фазового превращения, z - зазор между краями незамкнутых цилиндрических пластин до начала фазового превращения.