СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВОДА ТЕПЛА Российский патент 2012 года по МПК H05K1/05 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в изделиях на основе электронных схем. Более конкретно изобретение относится к способу устройству отвода тепла от электронных компонентов.

Современные электронные устройства становятся все более сложными, при этом разработчики стремятся уменьшать размеры как электронных компонентов, так и самих устройств, размещая эти компоненты все более компактно и на меньшей площади. Известно, что электронные компоненты в процессе работы излучают тепло, т.е. являются источниками тепла, которое может оказаться препятствием для их нормального функционирования и даже вызывать отказ в работе. Соответственно, отводу тепла от электронных компонентов уделяется серьезное внимание.

Электронные компоненты снабжают охлаждающими элементами, обеспечивающими отвод образующегося тепла посредством конвекции и/или теплопередачи в окружающую среду. В качестве теплоотвода применяются конструкции из металлов или сплавов, обладающие высокой теплопроводностью и/или большой площадью поверхности, такие как корпусные детали или специализированные конструкции-радиаторы. При этом важно обеспечивать надежный контакт между генерирующим тепло компонентом и теплоотводом. Известны различные технические решения в этой области, в частности, с применением между электронным компонентом и теплоотводом материалов-посредников, например, использование слюдяных пластинок или теплоотводящих паст, в частности силиконовой пасты с примесью окиси алюминия. Однако пасты с течением времени могут растрескиваться, снижая теплообмен, кроме того, применение неупругих элементов или паст невозможно для условий работы в конструкциях с допускаемым взаимным смещением источника тепла и теплоотвода.

Данная проблема в некоторой степени решена в патентах US 4654754 и RU 2152697, описывающих конструкции, в которых между источником тепла, электронным компонентом и теплоотводом предусмотрены теплопроводящие элементы с выступами или без них из упругого теплопроводящего материала. Теплопроводящие элементы тесно прижимаются к смежным поверхностям. При этом их выступы могут деформироваться, обеспечивая сохранение контакта при взаимном смещении смежных поверхностей. Недостатком таких решений является то, что они решают задачи переноса тепла от источника тепла к теплоотводу в статическом состоянии, например, деформация выступов обеспечивает заполнение зазора между смежными поверхностями, возникшего из-за неровности поверхностей или неточного расположения элементов конструкции изделия в процессе монтажа или сборки. Для обеспечения передачи тепла от источника к теплоотводу или рассеивателю, когда допускается взаимное перемещение этих элементов при работе изделия, требуется конструкция с особым способом применения синтетических упругих теплопроводящих материалов.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного недостатка и решение проблемы надежного и устойчивого теплоотвода от компонентов электронных схем в условиях их использования в динамическом режиме, например, при эксплуатации устройств с электронными схемами в движущихся транспортных средствах или в режиме вибрации и т.п.

Поставленная задача решается с помощью предложенного в настоящем изобретении способа и устройства отвода тепла от расположенных в корпусе изделия генерирующих тепло электронных компонентов, включающего обеспечение закрепления каждого электронного компонента на корпусе через посредство опоры из эластичного материала, а также покрытие электронного компонента и/или соединенного с ним первого теплоотвода покрытием из упругого теплопроводящего синтетического материала, контактирующего по меньшей мере частично со вторым теплоотводом, в котором в соответствии с изобретением опора и покрытие расположены диаметрально противоположно и эластичный материал опоры и упругий теплопроводный синтетический материал покрытия подвергнуты предварительному сжатию.

Предпочтительно предварительное сжатие материала опор и покрытия осуществляют по существу до половины максимального уровня сохранения упругой деформации материала с меньшим коэффициентом упругости. При этом желательно выбирать материалы опор и покрытия так, чтобы коэффициент упругости теплопроводящего синтетического материала покрытия был ниже коэффициента упругости эластичного материала опоры.

В зависимости от предполагаемых направлений внешнего воздействия установку диаметрально расположенных опор и покрытий можно ориентировать по меньшей мере по одной из осей изделия: вертикальной, продольной и поперечной.

Описанный способ реализуется с помощью устройства для отвода тепла от генерирующего тепло электронного компонента и/или соединенного с ним первого теплоотвода, размещенного в корпусе изделия через посредство опор из эластичного материала и соединенного со вторым теплоотводом через посредство упругого покрытия из теплопроводящего синтетического материала, в котором в соответствии с изобретением опора и покрытие расположены диаметрально противоположно относительно друг друга и выполнены из подвергнутых предварительному сжатию эластичного материала и упругого теплопроводящего синтетического материала соответственно.

Предпочтительно, чтобы материал опор и покрытия был предварительно сжат с усилием, составляющим по существу половину максимального уровня сохранения упругой деформации материала с меньшим коэффициентом упругости. При этом желательно, чтобы коэффициент упругости теплопроводящего синтетического материала покрытия был ниже коэффициента упругости эластичного материала опоры.

Устройство в зависимости от предполагаемых внешних воздействий может содержать диаметрально расположенные опоры и покрытия, установленные ориентированными по меньшей мере по одной из осей изделия: вертикальной, продольной и поперечной.

Осуществление изобретения подробно описано ниже со ссылкой на прилагаемый чертеж, на котором показано:

фиг.1 - схематическое изображение варианта выполнения устройства с вертикальным ориентированием установки пары эластичная опора - упругое покрытие.

На фиг.1 показано изделие, в корпусе 1 которого содержатся установленные на плате 2 электронные компоненты 3, соединенные с первыми теплоотводами 4. Первые теплоотводы 4 покрыты по меньшей мере частично находящимся в предварительно сжатом состоянии упругим покрытием 5 из теплопроводящего синтетического материала. Покрытие 5 находится по меньшей мере частично в тесном плоскостном контакте со вторым теплоотводом 6, который, в свою очередь, контактирует с корпусом 1 изделия, снабженным радиаторами 7. Плата 2, несущая электронные компоненты 3, установлена на корпусе 1 посредством находящихся в предварительно сжатом состоянии упругих опор 8, выполненных из эластичного материала. Предварительное сжатие упругого покрытия 5 и упругих опор 8 обеспечено при сборке изделия с помощью приложения деформирующих усилий сжатия, т.е. сборка изделия всеми составляющими происходит в условиях, когда покрытие 5 и опоры 8 предварительно подвергнуты усилию сжатия. В предпочтительном варианте осуществления изобретения предварительное сжатие создается так, чтобы каждый из упругих элементов: покрытия 5 и опоры 8, работали в зоне упругой деформации. Например, величина силы сжатия может составлять около половины того максимального усилия, при котором обеспечивается сохранение упругой деформации, соответственно, для каждого из материалов: теплопроводящего синтетического материала покрытия 5 и эластичного материала опор 8.

В предпочтительном варианте выполнения коэффициент упругости, т.е. жесткость теплопроводящего синтетического материала покрытия 5, должен быть меньше коэффициента упругости опор 8. В этом случае опоры 8 воспринимают большую часть инерционной нагрузки от платы 2 с электронным компонентом 3 и/или соединенного с ним первого теплоотвода 4, сохраняя нагрузки на элементы, соединенные с покрытием 5, на расчетном уровне в зоне его упругой деформации.

Аналогичные решения применяются для каждой из трех осей, по которой предусмотрено возникновение взаимных перемещений (колебаний) источника тепла, т.е. электронного компонента 3, и/или первого теплоотвода 4 и второго теплоотвода 6.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. При сборке изделия используют расположенные на плате 2 генерирующие тепло электронные компоненты 3, которые могут быть снабжены, как показано на фиг.1, соединенными с ними первыми теплоотводами 4, при этом плата 2 установлена на корпусе 1 изделия с помощью опор 8 из эластичного материала, например резины. Таким образом, получается, что электронные компоненты 3 соединены с корпусом 1 изделия через посредство эластичных опор 8. В целях дальнейшего отвода тепла от электронных компонентов 3 и/или первых теплоотводов 4 их приводят в контакт со следующим теплоотводящим элементом: вторым теплоотводом 6. В соответствии с известными способами для обеспечения качественного контакта поверхности электронных компонентов 3 и/или первых теплоотводов 4 и/или второго теплоотвода 6 в местах предполагаемого контакта снабжают покрытием 5 из упругого теплопроводящего синтетического материала. Таким образом обеспечивается контакт электронного компонента 3 и/или первого теплоотвода 4 со вторым теплоотводом 6 через посредство упругого покрытия 5.

Свойство упругости материала покрытия 5 позволяет сохранять контакт в случае сближения поверхности электронного компонента 3 и/или первого теплоотвода 4 и контактирующей поверхности второго теплоотвода 6 в зоне упругой деформации и аналогичном удалении этих поверхностей. При существенном же отходе упомянутых поверхностей друг от друга или их сдвиге свойство упругости оказывается бесполезным и между контактирующими поверхностями могут образовываться воздушные карманы. В патенте RU 2152697 предложено решать эту проблему с помощью особой конструкции покрытия. Покрытие выполняют с выступами, которые в случае сближения или сдвига контактирующих поверхностей могут сжиматься или отклоняться, заполняя указанные карманы и тем самым поддерживая контакт и теплоотвод между поверхностями. Однако данное решение не может помочь в случае отхода или значительного сдвига контактирующих поверхностей друг от друга, когда между ними все же образуется воздушный зазор, в результате чего перенос тепла между ними ухудшается. В настоящем изобретении материал упругого покрытия 5 и эластичной опоры 8 подвержен предварительному сжатию: на прикрепленные к корпусу 1 и выполненные из эластичного материала опоры 8 устанавливают плату 2 с электронными компонентами 3 с соединенными с ними первыми теплоотводами 4, на поверхность которых нанесено выполненное из теплопроводящего синтетического материала покрытие 5. Собранный таким образом узел подвергают воздействию усилия, вызывающего сжатие как эластичного материала опоры 8, так и упругого теплопроводящего синтетического материала покрытия 5, обеспечивая предварительное сжатие материалов опор 8 и покрытий 5 перед последующим соединением с другими элементами изделия. Установку второго теплоотвода 6 производят так, чтобы имелся его по меньшей мере частичный контакт с покрытием 5. Таким образом, плата 2 с имеющимися на ней элементами 3 и 4 оказывается размещенной между диаметрально противоположными упруго сжатыми элементами 8 и 5. Такой способ размещения предусматривают как вдоль вертикальной оси, так и, при необходимости, вдоль поперечной и продольной осей изделия. В рабочих условиях тепло от генерирующего тепло электронного компонента 3 передается либо непосредственно, либо через соединенный с ним первый теплоотвод 4 и, соответственно, через покрытие 5 ко второму теплоотводу 6, затем на корпус 1 с радиаторами 7. При этом предложенное в настоящем изобретении предварительное сжатие обеспечивает устойчивый плотный контакт второго теплоотвода 6 с поверхностью теплопроводящего синтетического материала покрытия 5 в любых ситуациях, даже при эксплуатации изделия в условиях существенных вибраций или тряски, например, в движущихся транспортных средствах. Действительно, в случае смещения элементов относительно друг друга, например, перемещения второго теплоотвода 6 от поверхности электронных компонентов 3 и/или соединенного с ним первого теплоотвода 4, покрытие 5 просто разжимается, сохраняя при этом плотный контакт со вторым теплоотводом 6. Следовательно, не происходит прерывания или ухудшения передачи тепла от генерирующего тепло компонента 3 ко второму теплоотводу 6. Наилучшие результаты получают при использовании теплопроводящего синтетического материала покрытия с коэффициентом упругости, меньшим коэффициента упругости эластичного материала опоры. При этом предварительное сжатие материала опор и покрытия осуществляют по существу до половины максимального уровня сохранения упругой деформации теплопроводящего синтетического материала.

Предложены способ и устройство отвода тепла от расположенного в корпусе изделия генерирующего тепло компонента. Генерирующий тепло компонент закрепляют на корпусе через посредство опоры из эластичного материала. Технический результат заключается в повышении эффективности отвода тепла. Для этого к генерирующему тепло компоненту присоединяют первый теплоотвод. Противолежащую закреплению поверхность генерирующего тепло компонента и/или соединенного с ним первого теплоотвода покрывают покрытием из упругого теплопроводящего синтетического материала, контактирующего по меньшей мере частично со вторым теплоотводом. Опору выполняют из эластичного материала, а покрытие из упругого теплопроводного синтетического материала. При сборке эластичный материал опоры и упругий теплопроводный синтетический материал покрытия подвергают предварительному сжатию. В собранном виде генерирующий тепло компонент оказывается между противоположно расположенными предварительно сжатыми упругими элементами, благодаря которым обеспечивается его устойчивый контакт со вторым теплоотводом в любых условиях эксплуатации, например при тряске и вибрации, когда возможен сдвиг или отход элементов конструкции изделия друг относительно друга. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ отвода тепла от расположенного в корпусе изделия генерирующего тепло компонента, включающий закрепление генерирующего тепло компонента на корпусе через посредство опоры из эластичного материала, а также покрытие генерирующего тепло компонента и/или соединенного с ним первого теплоотвода покрытием из упругого теплопроводящего синтетического материала, контактирующего по меньшей мере частично со вторым теплоотводом, отличающийся тем, что опора и покрытие расположены диаметрально противоположно и эластичный материал опоры и упругий теплопроводный синтетический материал покрытия подвергнуты предварительному сжатию.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительное сжатие материала опор и покрытия осуществляют, по существу, до половины максимального уровня сохранения упругой деформации материала с меньшим коэффициентом упругости.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что коэффициент упругости теплопроводящего синтетического материала перемычки меньше коэффициента упругости эластичного материала опоры.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что установку диаметрально расположенных опор и покрытий ориентируют по меньшей мере по одной из осей изделия: вертикальной, продольной или поперечной.

5. Устройство для отвода тепла от генерирующего тепло компонента и/или соединенного с ним первого теплоотвода, размещенного в корпусе изделия через посредство опор из эластичного материала и соединенного со вторым теплоотводом через посредство упругого покрытия из теплопроводящего синтетического материала, отличающееся тем, что опора и покрытие расположены противоположно друг другу и выполнены из подвергнутых предварительному сжатию эластичного материала и упругого теплопроводящего синтетического материала соответственно.

6. Устройство для отвода тепла по п.5, отличающееся тем, что предварительное сжатие материала опор и покрытия составляет, по существу, половину максимального уровня сохранения упругой деформации материала с меньшим коэффициентом упругости.

7. Устройство для отвода тепла по п.6, отличающееся тем, что коэффициент упругости теплопроводящего синтетического материала перемычки меньше коэффициента упругости эластичного материала опоры.

8. Устройство для отвода тепла по п.5, отличающееся тем, что противоположно расположенные опора и покрытие установлены ориентированными по меньшей мере по одной из осей изделия: вертикальной, продольной или поперечной.