ПРОВОЛОЧНЫЙ РАДИАТОР Российский патент 2005 года по МПК H01L23/36 

Проволочный радиатор относится к области радиотехники и радиоэлектроники, преимущественно к конструкциям радиаторов для охлаждения полупроводниковых приборов электронной аппаратуры, и может быть использован для охлаждения также других тепловыделяющих элементов как при естественной, так и при принудительной конвекции.

При конструировании радиоэлектронной аппаратуры для обеспечения нормальных тепловых режимов электронных компонентов и заданной надежности их работы широко используются радиаторы разной конструкции, в частности - проволочные (см. книгу: Л.Л.Роткоп, Ю.Е.Спокойный. Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА. - М.: Сов. радио, 1976, с.50, рис.2.31; с.70, рис.3.3). Известна конструкция проволочного радиатора для охлаждения полупроводниковых приборов, который содержит в своем составе основание с пучками гибких проводов, размещенными вокруг установочной площадки под полупроводниковый прибор (см. а.с. СССР №1444975 А1, МПК H 05 K 7/20, опубл. 15.12.88 г., БИ №46). Указанный радиатор имеет сложный механизм с клинообразными и коническими элементами крепления проводов в основании радиатора, который создает определенные технологические трудности при его изготовлении и приводит к увеличению массогабаритных характеристик радиатора.

Известна конструкция радиатора, который выполнен в виде набора проволочных спиралей, соединенных между собой, при этом спирали выполнены с разными направлениями навивки (см. патент России №730206 С МПК H 01 L 23/34, опубл. 30.07.94 г., бюл. №14). Недостатком такой конструкции является низкая жесткость спиралей при использовании проволоки субмиллиметрового диаметра, например, 0,02-0,3 мм, вследствие чего снижается эксплуатационная надежность.

Известна конструкция радиатора для охлаждения полупроводниковых приборов, содержащего основание, на котором под прямым углом закреплена решетка из металлических проволок, например, в виде сетки (см. а.с. СССР №1485329, МПК H 01 L 23/36, H 05 K 7/20, опубл. 07.06.89 г., БИ №21). Решетки прикреплены к основанию одними концами и размещены равномерно на одной торцовой поверхности основания параллельно между собой и под прямым углом к направлению потока охлаждающего воздуха. Ветви одного ряда каждой сетки имеют форму петель, закрепленных незамкнутыми концами на основании. Проволоки петель разных рядов могут иметь разные диаметры. Такой радиатор при сравнимых габаритных размерах с ребристым пластинчатым радиатором и одинаковой рассеиваемой тепловой мощностью имеет значительно лучшие характеристики по массе.

Недостатком такого радиатора являются технологические трудности при изготовлении и необходимость обеспечения надежного теплового контакта в местах соединения проволок сетки между собой. Особенно сложно изготовить такой радиатор при использовании очень тонких проводов, например, диаметром единицы и десятки микрометров. В этом случае тяжело обеспечить также стабильность формы решеток в процессе эксплуатации.

Наиболее близкой к заявляемому радиатору по совокупности признаков и техническому результату является конструкция пластинчатого петельно-проволочного радиатора для полупроводниковых приборов, выбранная в качестве прототипа (см. статью А.П.Орнатский, Б.В.Латенко, Ю.С.Попель. Исследование влияния геометрических характеристик пластинчатых петельно-проволочных радиаторов полупроводниковых приборов на теплообмен при естественной конвекции. Опубликована в журнале “Теплофизика и теплотехника”, 1973 г., вып. 23, с.53-57, рис.1 на с.53), которая содержит в своем составе основание из двух полупластин, на внешних сторонах которых припаяны петельно-проволочные ребра. Ребра имеют вид согнутых участков проволоки, оба конца которых припаяны к основанию, а петля выступает над поверхностью основания перпендикулярно к ней. Для обеспечения стабильности формы ребер в процессе изготовления и эксплуатации диаметр проводов составляет от 0,49 до 1,0 мм.

По сравнению с радиаторами с гладкими сплошными металлическими ребрами описанные радиаторы с петельно-проволочным оребрением при приблизительно одинаковых габаритах и толщине основания дают выигрыш в массе радиаторов на 30-50%.

Основным недостатком прототипа является то, что в его конструкции трудно использовать проволоку диаметром меньше 0,5 мм, поскольку при этом в связи с недостаточной жесткостью проволоки утрачивается петлеобразная форма ребер, что снижает эффективность теплоотдачи как при естественной, так и при принудительной конвекции. А, как известно (см. статью Э.Г.Бочкарев, В.М.Андреев, К.А.Тузовский, Д.В.Зиновьев, Э.Ю.Павленко. Эффект гигантской теплоотдачи телами субмиллиметровых размеров, которая опубликована в журнале “Доклады академии наук”, 1999 г., т.366, №2, с.178-180), именно с уменьшением линейных размеров тел до десятков и единиц микрометров существенно увеличивается коэффициент конвективной теплоотдачи. Указанные причины ограничивают эффективность охлаждения известных петельно-проволочных радиаторов.

В основу изобретения поставлена задача создать такую конструкцию проволочного радиатора, которая бы путем повышения жесткости конструкции обеспечила стабильную форму проволочных петель как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации, при использовании проволоки субмиллиметрового диаметра, например, от 0,005 до 0,5 мм, и за счет этого повысить интенсивность теплоотдачи и эффективность охлаждения радиатора.

Поставленная задача решается за счет того, что в проволочном радиаторе, содержащем в своем составе основание с закрепленными на нем обоими концами участками проволоки, которые представляют собой петли, образованные петли соединены между собой дополнительно поддерживающим каркасом, при этом поддерживающий каркас установлен неподвижно относительно основания, а диаметр проволоки петель лежит в пределах от 0,005 до 0,5 мм. Основание может быть выполнено из теплопроводного материала, а концы участков проволоки закреплены на основании с обеспечением теплового контакта. Поддерживающий каркас установлен фиксированно относительно основания с помощью по крайней мере одной перемычки, которая закреплена на основании. Перемычки и поддерживающий каркас могут быть выполнены из теплопроводного материала.

Изобретательский уровень заявленного технического решения состоит в том, что заявленное техническое решение в отличие от всех известных существующих аналогов позволяет использовать тонкую и сверхтонкую проволоку в конструкции радиатора и достичь повышения теплоотдающей способности радиатора. Наименьшее значение диаметра проволок 0,005 мм выбрано, исходя из технологических возможностей их изготовления. Наибольшее значение диаметра проволок 0,5 мм выбрано, исходя из реальной технологической возможности изготовления проволочного радиатора с проволокой такого диаметра в варианте выполнения конструкции радиатора-прототипа.

Использование проволоки с диаметром от 0,005 до 0,5 мм позволяет существенно увеличить коэффициент теплоотдачи с поверхности проволочного радиатора как при естественной, так и при принудительной конвекции, повысить эффективность охлаждения полупроводникового прибора и улучшить массогабаритные характеристики радиатора.

Конструкция и принцип действия предложенного проволочного радиатора поясняются чертежами.

На фиг.1 показана одна из возможных конструкций проволочного радиатора для полупроводникового прибора, например, для транзистора 2Т808А. На фигурах 2 и 3 в увеличенном масштабе показаны варианты закрепления петель, образованных участками проволоки, на основании и поддерживающем каркасе, а на фиг.4 - общий вид изготовленного и испытанного экспериментального образца проволочного радиатора. На фиг.5 изображен вариант конструкции радиатора с чашкообразным основанием, на фиг.6 - вариант с основанием, охватывающим корпус тепловыделяющего прибора. На фиг.7 показан вариант выполнения проволочного радиатора, когда проволоки имеют в сечении форму, отличную от круглой, а на фиг 8 - вариант радиатора для прибора с корпусом прямоугольной формы.

Проволочный радиатор для полупроводникового прибора, например, для транзистора 2Т808А (см. фиг.1) содержит в своем составе основание 1, которое выполнено, например, в виде замкнутого кольца из медной проволоки диаметром 1,5 мм, с закрепленными на нем обоими концами участками тонких (диаметром от 0,005 до 0,5 мм) медных проволок 2, представляющих собой петли. В пределах одного радиатора разные петли могут быть образованы участками проволоками одинакового или разных диаметров. Вершины петель соединены между собою дополнительно поддерживающим каркасом 3, выполненным, например, в виде замкнутого кольца диаметром 50 мм из медной проволоки диаметром 1,5 мм. Поддерживающий каркас 3 установлен неподвижно относительно основания 1 с помощью двух перемычек 4, которые также выполнены из медной проволоки диаметром 1,5 мм и которые закреплены на основании 1 и на поддерживающем каркасе 3, например, с помощью пайки. Практически петли образованы наматыванием одного или нескольких отрезков тонкой (диаметром от 0,005 до 0,5 мм) медной проволоки 2 на предварительно соединенные между собою с помощью перемычек 4 основания 1 и поддерживающего каркаса 3, как показано на фиг.2 и 3. На фиг.2 тонкая проволока 2 не создает дополнительных витков вокруг основания 1 (проволоки внутреннего кольца) и поддерживающего каркаса 3 (внешнего кольца). Тонкая проволока 2 может быть намотана на основание и каркас как с одинаковым, так и с разным шагом наматывания. Крепление тонкой проволоки 2 к основанию 1 и поддерживающему каркасу 3 осуществлено путем пайки, например, пропоем ПОС-61, мест контакта тонкой проволоки с основанием и поддерживающим каркасом. На фиг.3 приведен другой пример крепления тонкой проволоки 2 на основании 1 и поддерживающем каркасе 3 - с помощью дополнительного их обматывания тонкой проволокой. В этом случае пайка мест контакта может и не выполняться.

Внутренний диаметр основания 1 выбран таким, чтобы после наматывания на него тонкой проволоки 2 уменьшенный внутренний диаметр основания был на 0,05-0,1 мм большим внешнего диаметра корпуса транзистора, который подлежит охлаждению.

Проволочный радиатор работает следующим образом. Плотно, с обеспечением теплового контакта, насаживают радиатор на корпус транзистора, подлежащего охлаждению. Контактирующие поверхности смазывают теплопроводной пастой, например, типа КПТ-8. Теплота, выделяемая при работе транзистора, передается от его корпуса через прослойку теплопроводной пасты к концам петель тонких проволок 2, находящихся в контакте с корпусом транзистора и основанием, и к основанию 1 радиатора, а от них, благодаря теплопроводности материала проволок и основания, передается вдоль петель к их вершинам и к поддерживающему каркасу 3, что приводит к их нагреванию до температуры выше температуры окружающей среды. Вследствие разности температур проволочных петель и окружающего воздуха начинает происходить конвективный теплообмен между ними: теплота от тонких проволок 2 передается естественной конвекцией (а частично - излучением) к окружающему воздуху. Частично теплота рассеивается также нагретыми поверхностями поддерживающего каркаса, перемычек и основания, но, в связи с относительно небольшой площадью их поверхности, основное количество теплоты рассеивается тонкими проволоками петель. Таким образом от транзистора отводится теплота и обеспечивается его нормальный тепловой режим.

Для повышения эффективности охлаждения используется обдув радиатора с помощью вентилятора. При этом теплота от тонких проволок радиатора отводится принудительной конвекцией.

При естественной конвекции рекомендуется радиатор располагать в горизонтальной плоскости, чтобы уменьшить тепловое влияние более нагретых петель на менее нагретые. При принудительной конвекции рекомендуется воздушный поток от вентилятора направлять перпендикулярно к плоскости радиатора.

Заявленная конструкция проволочного радиатора, благодаря использованию проволок субмиллиметрового диаметра (0,005 - 0,5 мм), позволяет существенно повысить коэффициент теплоотдачи от его петель и сохранить при этом жесткость конструкции и форму петель, что повышает эффективность охлаждения и надежность работы в условиях эксплуатации.

С физической точки зрения значительное повышение коэффициента теплоотдачи от проволок субмиллиметрового диаметра объясняется значительным влиянием уменьшения диаметра и толщины кольцевого пограничного слоя воздуха вокруг проволок и улучшением условий для турбулизации потоков воздуха.

На фиг.4 приведен экспериментальный образец изготовленного и испытанного проволочного радиатора для охлаждения транзистора 2Т808А. Радиатор имеет 361 петлю. Петли выполнены из участков медной проволоки диаметром 0,12 мм. При мощности транзистора 5 Вт средний коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции составил 53,4 Вт/(м² °С), при принудительной конвекции - 368 Вт/(м² °С). В последнем случае обдув радиатора осуществлялся вентилятором FC-28B (12 В, 0,8 А), размещенным сверху радиатора на расстоянии 9 см от его поверхности.

Из сравнения полученных результатов с данными, приведенными в описании прототипа (см. статью А.П.Орнатский, Б.В.Латенко, Ю.С.Попель “Исследование влияния геометрических характеристик пластинчатых петельно-проволочных радиаторов полупроводниковых приборов на теплообмен при естественной конвекции”, опубликованную в журнале “Теплофизика и теплотехника”, 1973 г., вып. 23, с.53-57, в частности рис.2 на с.55 и табл. на с.54), следует, что средний коэффициент теплоотдачи от пластинчатого петельно-проволочного радиатора (прототипа) размерами 70×100 мм с диаметром медных проволок 0,68 мм, высотой проволочных петель 15,4 мм, продольным шагом петель 2,5 мм, поперечным шагом петель 7,3 мм при температурном перепаде 25°С, термическом сопротивлении радиатора 2,25 °С/Вт и общей площади поверхности 489,5 см² при естественной конвекции составляет лишь 9,08 Вт/(м² °С), что в 5,9 раз меньше, чем у предложенного проволочного радиатора. При принудительной конвекции средний коэффициент теплоотдачи для петельно-проволочного оребрения труб из медного провода диаметром 0,5 мм, высотой петель 12 мм, шагом витков 7,5 мм в условиях поперечного обдува воздухом со скоростью потока от 2 до 12 м/с составляет от 81,9 до 116 Вт/(м² °С) (см. статью О.А.Кремнев, Н.В.Кукушка, А.А.Хавин “Теплоотдача продольнообтекаемых труб с петельно-проволочным оребрением” в журнале “Энергомашиностроение”, 1962 г., №5, с.29-31, рис.2, а на с.30, кривая 3), что, соответственно, в 4,5 и 3,2 раза меньше, чем у проволочного радиатора, который заявляется.

Проведенные испытания изготовленного образца проволочного радиатора подтвердили возможность его практического изготовления, жесткость конструкции, высокую эффективность охлаждения и надежность работы в условиях эксплуатации.

В других вариантах выполнения радиатора, в случае крепления тонкой проволоки, как изображено на фиг.2, основание 1, поддерживающий каркас 3 и перемычки 4 могут быть выполнены как из теплопроводного, так и из нетеплопроводного материала. В варианте изготовления основания из нетеплопроводного материала передача теплоты от транзистора, подлежащего охлаждению, к петлям тонкой проволоки 2 осуществляется лишь с помощью теплового контакта корпуса транзистора с концами петель (при плотной посадке радиатора на корпус транзистора) и благодаря теплопроводности материала петель - к их вершинам.

Тонкая проволока может быть выполнена не только из меди, но и из других теплопроводных металлов и неметаллов, например, из стали, никеля, платины, золота, алмаза, бериллиевой керамики и т.п.

При выполнении основания, поддерживающего каркаса и перемычек из теплопроводного материала концы участков проволок, которые образовывают петли, и вершины петель, закрепленные на основании и поддерживающем каркасе с обеспечением теплового контакта с ними, например, путем пайки или точечной сварки. Основание принимает участие в перераспределении теплового потока по его телу и между концами всех петель. При этом передача теплоты осуществляется от основания к поддерживающему каркасу дополнительно теплопроводностью перемычек, а между вершинами всех петель - дополнительно с помощью теплопроводности поддерживающего каркаса, который позволяет увеличить длину петель.

Основание радиатора может включать в себя также пластину 5 (плоской или чашкообразной формы) из теплопроводного материала (см. фиг.5), которая припаяна к внутреннему кольцу. В пластине 5 выполнены отверстия под выводы полупроводникового прибора, который устанавливается на пластину своим основанием.

Основание 1 может быть выполнено в виде незамкнутого кольца из проволоки или в виде незамкнутой металлической скобы 6, которые закрепляются на охлаждаемом элементе путем, например, стягивания их незамкнутых концов винтом 7 с гайкой (см. фиг.6). Фиксированная установка поддерживающего каркаса относительно основания выполнена с помощью по меньшей мере одной перемычки 4, закрепленной на основании, как показано на фиг.6.

Возможен вариант выполнения проволочного радиатора из проволок некруглого поперечного сечения, например, прямоугольного. При этом проволочные петли могут быть выполнены из металлической фольги путем вытравливания участков между плоскими проволоками 8 (см. фиг.7), а концы и вершины всех петель объединены между собою сплошными участками фольги, соответственно, внутренним участком 9 и внешним участком 10. Сплошные внутренний участок 9 и внешний участок 10 напаяны или приварены контактной, например, конденсаторной или термокомпрессионной сваркой, соответственно на основание 11 и поддерживающий каркас 12, которые в этом варианте могут быть выполнены в виде пластин соответственно чашкообразной и плоской формы.

Вариант проволочного радиатора для охлаждения тепловыделяющего элемента с прямоугольным корпусом приведен на фиг.8. В основании, которое выполнено в виде прямоугольного проволочного кольца 13 с напаянной на него (после наматывания тонкой проволоки 2 на кольцо 13 и поддерживающий каркас 14) пластиной 15 с отверстиями 16 для крепления тепловыделяющего элемента.

В других вариантах выполнения проволочного радиатора его петли могут быть сформированы в разных плоскостях, иметь изгибы под определенным углом и т.п. При этом поддерживающий каркас имеет сложную форму и изгибы элементов, из которых он составлен.

Таким образом, предложенный проволочный радиатор является новым, имеет изобретательский уровень, является промышленно пригодным и позволяет сохранить форму петель и жесткость конструкции при использовании проволок субмиллиметрового диаметра (0,005 - 0,5 мм), что обеспечивает повышение коэффициента теплоотдачи от его петель и повышает эффективность охлаждения.

Изобретение: в области радиотехники и радиоэлектроники, при конструировании радиаторов для охлаждения полупроводниковых приборов электронной аппаратуры как при естественной, так и при принудительной конвекции. Техническим результатом изобретения является создание проволочного радиатора, в котором путем повышения жесткости конструкции обеспечивается стабильная форма проволочных петель как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации, при использовании проволок субмиллиметрового диаметра от 0,005 до 0,5 мм, и за счет этого повышение интенсивности теплоотдачи и эффективности охлаждения радиатора. Сущность изобретения: проволочный радиатор содержит основание с закрепленными на нем обоими концами участками проволок, образующими петли, которые соединены между собой дополнительно поддерживающим каркасом, при этом поддерживающий каркас установлен неподвижно относительно основания, а диаметр проволок петель лежит в пределах от 0,005 до 0,5 мм. Основание может быть выполнено из теплопроводного материала, а концы участков проволок закреплены на основании с обеспечением теплового контакта. При этом петли могут быть закреплены на поддерживающем каркасе с обеспечением теплового контакта. Поддерживающий каркас может быть установлен фиксированно относительно основания с помощью по меньшей мере одной перемычки, которая закреплена на основании. Перемычки и поддерживающий каркас могут быть выполнены из теплопроводного материала. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Проволочный радиатор, содержащий в своем составе основание с закрепленными на нем обоими концами участками проволок, образующими собой петли, отличающийся тем, что петли соединены между собой дополнительно поддерживающим каркасом, при этом поддерживающий каркас установлен неподвижно относительно основания, а диаметр проволок петель лежит в пределах от 0,005 до 0,5 мм.2. Проволочный радиатор по п.1, отличающийся тем, что основание выполнено из теплопроводного материала, а концы участков проволок закреплены на основании с обеспечением теплового контакта.3. Проволочный радиатор по п.1, отличающийся тем, что поддерживающий каркас установлен фиксировано относительно основания с помощью по меньшей мере одной перемычки, которая закреплена на основании.4. Проволочный радиатор по п.2, отличающийся тем, что петли закреплены на поддерживающем каркасе с обеспечением теплового контакта, а перемычки и поддерживающий каркас выполнены из теплопроводного материала.