СПОСОБ ОТВОДА ТЕПЛА ОТ МОЩНЫХ ЭРИ, ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ, БЛОКОВ И МОДУЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H05K7/20 H01L23/34 

Предлагаемое техническое решение относится к приборостроению и радиоэлектронике и может быть использовано для отвода тепла от силовой электронной аппаратуры, в том числе для комплексов автоматики и стабилизации.

Известен способ отвода тепла тепловыми трубками от ЭРИ, электронных узлов, блоков и модулей аппаратуры методом перемещения жидкостей с высокой теплоемкостью [2]. К недостаткам относятся громоздкость и массивность конструкции, необходимость применения электрических насосов, шумовые эффекты.

Известен способ отвода тепла с применением гипертеплопроводящей системы (ГПТС) от узлов электронной аппаратуры движением жидкостей в нанопористых структурах. [1, 3, 4]. К недостаткам относятся предельная удельная отводящая мощность (не более 10 Вт/см²), вследствие чего происходит потеря работоспособности ГПТС, а также невозможность обеспечения температуры РЭА ниже температуры термоплиты.

Известен способ отвода тепла с применением приборов Пельтье - термоэлектрических модулей (ТЭМ), методом термоэлектрического охлаждения ЭРИ [5, 7], обеспечивающего снижение рабочей температуры мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков. К недостаткам относятся зависимость температуры рабочей поверхности от эффективности отвода тепла обратной стороны ТЭМ, неравномерность загрузки элементов ТЭМ при меньших габаритных размерах ЭРИ, возникновение обратного теплового потока в случае недостаточного отвода тепла.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного способа отвода тепла от мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков за счет уменьшения их рабочей температуры ниже температуры термоплиты с помощью устройства теплоотвода, состоящего из металлизированных ТЭМ, соединенных пайкой или приклеиванием с гипертеплопроводящими системами (ГПТ) плоского и Т-образного типа (ГПТС). Указанный технический результат достигается направленным движением тепловых потоков от мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков на термоплиту через устройство отвода тепла. Трансформаторный эффект перераспределения тепловых потоков от локальных теплонагруженных элементов позволяет максимально и эффективно использовать поверхности теплопередающих узлов (ГПТ, ТЭМ и ГПТС). Наличие диэлектрических керамических пластин ТЭМ обеспечивает гальваническую развязку электронных изделий от ГПТ, термоплиты и основания электронного прибора. Соединение плоских ГПТ со всей рабочей поверхностью ТЭМ обеспечивает полную и равномерную загрузку кристаллов ТЭМ.

На фигуре 1 показаны: 1 - термоплита; 2 - ГПТС Т-образного типа; 3 - ГПТ плоского типа; 4 - ТЭМ; 5 - силовая сборка; 6 - керамический держатель; 7 - ТЭМ; 8 - мощные ЭРИ; 9 - штанги.

На ГПТС Т-образного типа (фиг. 1, поз. 2) с двух сторон устанавливаются через ТЭМ (фиг. 1, поз. 4, 7) два ГПТ плоского типа (фиг. 1, поз. 3) методом пайки или приклеивания высокотеплопроводным клеем (λ=50-70 Вт/м °С) [6], на которые в дальнейшем крепятся мощные ЭРИ, электронные узлы, модули и блоки (фиг. 1, поз. 5, 8). ТЭМ паяются (клеятся) нагреваемыми сторонами на центральный ГПТС Т-образного типа и охлаждаемыми сторонами на внешние плоские ГПТ. Мощные ЭРИ, электронные узлы, модули и блоки паяются низкотемпературными припоями (или клеятся) на внешние стороны плоских ГПТ. Одновременно на внешних сторонах ГПТ крепятся термопары (фиг. 1, поз. 10), потенциалы от которых через блоки управления (фиг. 1, поз. 11) регулируют необходимое напряжение питания ТЭМ, что обеспечивает оптимальный теплоотвод в различных режимах функционирования РЭА. Устройство отвода тепла крепится посредством керамического держателя (фиг. 1, поз. 6) штангами (фиг. 1, поз. 9) к термоплите (фиг. 1, поз. 1).

Устройство работает следующим образом. Тепловой поток от ЭРИ (5 и 8) через тепловой контакт передается на ГПТ (3). ТЭМ (4 и 7) выполняют двойную функцию: во-первых, они обеспечивают электрическую изоляцию ЭРИ от центральной ГТПС, а во-вторых, они осуществляют охлаждение ЭРИ за счет протекающих через ТЭМ электрических токов. При этом ТЭМ выделяют дополнительную тепловую мощность, которая также должна отводиться через центральный ГТПС (2). Характеристики и режим работы ТЭМ подбираются так, чтобы, несмотря на выделение дополнительной тепловой мощности, температура ЭРИ понижалась, т.е. чтобы не было обратного теплового потока.

Т-образный ГТПС отводит суммарный тепловой поток от ЭРИ и ТЭП на поверхность термоплиты. При этом градиент температуры вдоль ГТП возрастает незначительно из-за чрезвычайно высокой ее эффективной теплопроводности (λ=10000-20000 Вт/м град.). При возрастании передаваемой в боковые ГПТ тепловой мощности перепад температуры на тепловом контакте «ГТПС - ТЭМ - ГПТ» увеличивается незначительно в силу того, что ГТПС по сравнению с ЭРИ имеет с ТЭМ и ГПТ значительно большую площадь теплового контакта и тем самым выполняет роль трансформатора теплового потока. Наличие обратной связи через термопары (10) с блоками управления ТЭМ (11) обеспечивает оптимальное использование ТЭМ и поддержание заданной рабочей температуры РЭА.

Данный способ и устройство отвода тепла обеспечивают по сравнению с имеющимися способами и устройствами:

- снижение рабочей температуры мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков даже ниже температуры термоплиты;

- выравнивание температуры мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков по всей их поверхности, присоединенной к ГПТ;

- регулирование рабочей температуры мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков;

- уменьшение габаритов и веса;

- минимальную потребляемую электрическую мощность;

- применение низковольтных источников питания;

- возможность встраивания в традиционные модульные электронные конструкции;

- отсутствие движущихся деталей и шумов;

- повышение ресурса эксплуатации аппаратуры.

Осуществляется направленное движение тепловых потоков через устройство отвода тепла - последовательно от мощных ЭРИ, электронных узлов, блоков или модулей (фиг. 1, поз. 5 и 8) через ГПТ (фиг. 1, поз. 3), ТЭМ (фиг. 1, поз. 4 и 7) РЕ-127-10-08, и ГПТС Т-образного типа (фиг. 1, поз 2) УФАИ.774113ТУ на термоплиту.

В устройстве отвода тепла могут применяться ТЭМ различных габаритов и мощности с металлизированными и неметаллизированными рабочими поверхностями, а также ГПТС Т-образного типа различных размеров и мощности (50-100 Вт), что определяет отводимую мощность и способ монтажа.

На фиг. 2 показана зависимость температуры транзисторной сборки, установленной на устройстве отвода тепла от тока питания ТЭМ. На графике видно, что температура транзисторной сборки Т_тс (минус 10°С) значительно меньше, чем на термоплите (плюс 25°С) при токе питания ТЭМ, равном 4 А.

По совокупности признаков предлагаемое устройство и способ обладают элементами новизны.

Литература

1. Вычислительное моделирование процессов теплообмена в системах терморегулирования космических аппаратов. Васильев Е.Н., Деревянко В.А., Нестеров Д.А., Косенко В.Е., Чеботарев В.Е. Вычислительные технологии. 2009. Т. 14. №6. С. 19-28.

2. Прогнозирование теплового режима бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Шишанов А.В. (ФГУП «НИИ точных приборов»).

3. Гипертеплопроводящие пористые структуры в блоках радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов. В.А. Деревянко, А.В. Макуха, Д.А. Нестеров.

4. Гипертеплопроводящая система ГПТС УФАИ.774113ТУ. Технические условия.

5. ТЭМ ТУ25-2477/00066-2001-01. Теплоэлектрические модули. Технические условия.

6. Клей ТОК-101 ТУ 6365-001-07543077-2012. Технические условия.

7. Патент РФ №2385516. Электронное устройство с охлаждающим эффектом (Абрамов В., Агафонов Д., Драбкин И), опубл. 27.03.2010 г.

Изобретение предназначено для осуществления направленного регулируемого отвода тепла в радиоэлектронной и электротехнической аппаратуре и поддержания минимальной рабочей температуры теплонагруженных элементов - мощных ЭРИ, узлов, блоков и модулей, что приводит к значительному увеличению их сроков эксплуатации. Технический результат - создание регулируемого по отводу тепловой энергии устройства отвода тепла, содержащего термоэлектрические модули требуемых габаритов и мощности, соединенные нагреваемыми сторонами припоем или приклейкой на высокотеплопроводный клей с двух сторон с Т-образной гипертеплопроводящей системой и охлаждаемыми сторонами с двумя плоскими гипертеплопроводящими системами. На внешние стороны плоских гипертеплопроводящих систем устанавливаются мощные ЭРИ, узлы, блоки и модули для обеспечения теплоотвода и термопары, обеспечивающие регулирование отвода теплового потока за счет электрической обратной связи между термопарами и источниками питания термоэлектрических модулей. Устройство отвода тепла устанавливается и фиксируется на термоплите. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ отвода тепла от мощных ЭРИ, электронных узлов, блоков и модулей устройством отвода тепла, отличающийся тем, что отвод тепла осуществляют охлаждением теплонагруженных элементов радиоэлектронной аппаратуры ниже температуры термоплиты и исключением обратного теплового потока от составных частей устройства отвода тепла за счет создаваемого отрицательного градиента температур от теплонагруженных элементов последовательно через плоские гипертеплопроводящие системы, термоэлектрические модули и Т-образную гипертеплопроводящую систему на термоплиту.

2. Устройство отвода тепла, выполненное как единый конструкционный узел и состоящее из устанавливаемой на термоплиту Т-образной гипертеплопроводящей системы (ГПТС), с двух сторон которой закреплены методом пайки или приклеивания нагреваемыми сторонами термоэлектрические модули (ТЭМ), на охлаждаемые стороны которых установлены методами пайки или приклеивания плоские гипертеплопроводящие системы (ГПТ), на которых крепятся методом пайки или приклеивания мощные ЭРИ, электронные узлы, блоки и модули и термопары, электрически соединенные с блоком обратной связи и обеспечивающие оптимальный теплоотвод в различных режимах функционирования РЭА.