ТЕПЛОПРОВОДЯЩЕЕ ОСНОВАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА Российский патент 2016 года по МПК H05K7/20 

Изобретение относится к области радиоэлектроники, более конкретно к конструкциям бортовой и наземной радиоэлектронной аппаратуры и оборудования. Может быть использовано, например, при конструировании многоканальных блоков систем радиосвязи или радиолокационных устройств.

Известна конструкция узла космического аппарата [Патент РФ 2052911, «Узел космического аппарата», опубл. 20.01.1996 г.], содержащая теплоотводящую поверхность корпуса космического аппарата и размещенный на ней радиоэлектронный прибор, образованный функциональными ячейками, выполненными в виде теплоотводящих оснований, например, из алюминия и печатных плат с электрорадиоэлементами, которые приклеены на теплоотводящих основаниях, при этом теплоотводящие основания с печатными платами расположены перпендикулярно относительно теплоотводящей поверхности корпуса космического аппарата.

Основным недостатком известной конструкции являются:

- неравномерное охлаждение электрорадиоэлементов, расположенных на теплоотводящем основании, так как теплоотвод осуществляется только от его боковых частей. При этом электрорадиоэлементы, установленные в центральной и верхней частях теплоотводящего основания, охлаждаются хуже, чем элементы, расположенные на его боковых и нижних частях;

- конструкция предназначена для отвода тепла от небольших функциональных ячеек с малым числом электрорадиоэлементов на каждой печатной плате. Для построения сложных устройств с большим числом электрорадиоэлементов для обеспечения связей между элементами необходимо использование значительного числа разъемов и, соответственно, кабельных соединений, что значительно увеличивает вес и цену устройства.

Известна конструкция радиоэлектронного блока [В.В. Гольдин и др. Исследование тепловых характеристик РЭС методами математического моделирования. Под ред. А.В. Сарафанова, М., «Радио и связь», 2003, с. 336-337], в состав которого входят функциональные ячейки, теплоотводящие основания которых имеют нижние и боковые теплостоки, посредством которых они крепятся к переходной плите и боковым панелям-теплостокам.

Основным недостатком известной конструкции являются:

- неравномерное охлаждение электрорадиоэлементов, расположенных на теплоотводящем основании, так как теплоотвод осуществляется только от боковых частей теплоотводящего основания. Электрорадиоэлементы, установленные в центральной и верхней частях теплоотводящего основания, охлаждаются хуже, чем электрорадиоэлементы, расположенные на его боковых и нижней частях;

- конструкция предназначена для отвода тепла от небольших функциональных ячеек с малым числом элементов на каждой печатной плате. Для построения сложных устройств с большим числом элементов для обеспечения связей между элементами необходимо использование значительного числа разъемов и, соответственно, кабельных соединений, что значительно увеличивает вес и цену устройства.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому изобретению является радиоэлектронный блок [Патент РФ 2322776, «Радиоэлектронный блок», опубл. 20.04.2008 г.], взятый за прототип, содержащий корпус и функциональные устройства, представляющие собой теплоотводящие основания с установленными на каждом из них по одному функциональному узлу в виде печатной платы с электрорадиоэлементами, при этом каждое теплоотводящее основание выполнено с нижним, боковыми и верхним теплостоками, а стенки корпуса блока образованы плотно прижатыми друг к другу и скрепленными между собой торцевыми поверхностями одноименных теплостоков теплоотводящих оснований соседних функциональных устройств.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- неравномерное охлаждение элементов функциональных узлов, расположенных на теплоотводящем основании, так как теплоотвод осуществляется только от торцов теплоотводящего основания. Элементы функциональных узлов, расположенные в центральной и верхней частях теплоотводящего основания, охлаждаются хуже, чем элементы, расположенные в его нижней части;

- конструкция прототипа предназначена для отвода тепла от небольших функциональных узлов с малым числом элементов на печатной плате. Для построения сложных устройств с большим числом функциональных узлов для обеспечения связей между элементами необходимо использование значительного числа разъемов и, соответственно, кабельных соединений, что значительно увеличивает вес и цену устройства.

В радиолокации используются многоэлементные антенные устройства с числом элементов до нескольких тысяч, а в активных фазированных антенных решетках (АФАР) к каждому антенному элементу подключен приемный или приемо-передающий модуль [Активные фазированные антенные решетки. Под ред. Воскресенского Д.И., Канащенкова А.И. - М: Радиотехника. 2004], что обуславливает необходимость использования многоканальных блоков для снижения числа взаимных связей между блоками и упрощения построения изделия в целом. Однако конструкция прототипа с отводом тепла от торцов теплоотводящего основания не дает возможности установки многоканальных модулей с большим числом функциональных узлов на одном теплоотводящем основании;

- для многоканальных блоков актуальным является вопрос снижения массы блока. В прототипе отвод тепла осуществляется через металлические теплоотводящие основания, и чем больше необходимо отводить тепла, тем толще должны быть теплоотводы, что ведет к увеличению веса блока.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение равномерного охлаждения функциональных узлов блока, установленных на теплоотводящее основание, и снижение массы блока.

Для решения указанной задачи предлагается теплоотводящее основание радиоэлектронного блока, на которое устанавливаются функциональные узлы блока, включающее теплосток.

Согласно изобретению, теплоотводящее основание включает в себя первую и вторую стенки, скрепленные между собой, на внешние поверхности которых устанавливаются функциональные узлы, тепло от которых отводится с помощью тепловых труб, зажатых между первой и второй стенками, при этом тепловые трубы размещены в направлении от передней части теплоотводящего основания до задней, один конец каждой тепловой трубы размещен вблизи наиболее тепловыделяющих областей функциональных узлов блока, а второй конец закреплен на теплостоке, при этом теплосток прикреплен к задней части теплоотводящего основания перпендикулярно к его плоскости, причем длина теплостока короче ширины теплоотводящего основания, а с его внешней поверхности тепло снимается на внешний теплоотвод, для размещения тепловых труб в первой и второй стенках теплоотводящего основания выполнены канавки, а для крепления функциональных узлов в первой и второй стенках выполнены сквозные резьбовые отверстия, обеспечивающие установку функциональных узлов на обеих сторонах теплоотводящего основания, для снижения веса теплоотводящего основания в первой и второй стенках выполнены сквозные отверстия.

Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:

- отвод тепла от функциональных узлов в прототипе производится через теплостоки, расположенные по периметру теплоотводящего основания, а именно по бокам, снизу и сверху. При этом в прототипе функциональные узлы схемы, расположенные в центральной части теплоотводящего основания, имеют более высокую температуру, чем узлы, расположенные по краям платы, поскольку расстояние от центра платы до теплостока наибольшее. В отличие от этого, в предлагаемом устройстве отвод тепла осуществляется от областей теплоотводящего основания, где расположены элементы функциональных узлов с наибольшим тепловыделением, чем достигается равномерное охлаждение элементов;

- в прототипе для отвода тепла используется металлическое теплоотводящее основание, в то время как в предлагаемом устройстве для отвода тепла используются тепловые трубы, обладающие более высокой эффективностью за счет того, что масса тепловых труб, используемых для охлаждения мощных тепловых приборов, значительно меньше массы металлических радиаторов при одинаковой рассеиваемой мощности [стр. 91 - Алексеев В.Α., Арефьев В.А. Тепловые трубы для охлаждения и термостатирования радиоэлектронной аппаратуры. М.: Энергия. 1970];

- в прототипе блок представляет собой скрепленные между собой теплоотводящие основания функциональных узлов, а электрические соединения между ячейками осуществляются через разъемы на торцах узлов. В отличие от этого, в предлагаемом устройстве блок содержит функциональные узлы, установленные на едином теплоотводящем основании, электрические соединения осуществляются внутриблочным монтажом. Это позволяет уменьшить число разъемов и кабельных соединений в изделии и упростить настройку устройства.

Техническим результатом является обеспечение равномерного охлаждения функциональных узлов блока, установленных на теплоотводящее основание и снижение массы блока.

Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого теплоотводящего основания для радиоэлектронного блока из литературы неизвестно, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

На фиг. 1 приведен внешний вид предлагаемого теплоотводящего основания радиоэлектронного блока.

На фиг. 2 приведен поперечный разрез одной тепловой трубы в канавке.

Теплоотводящее основание радиоэлектронного блока (фиг. 1) содержит первую 1 и вторую 2 стенки, скрепленные между собой, при этом между ними зажаты тепловые трубы 3. Тепловые трубы 3 размещены в направлении от передней части теплоотводящего основания до задней. Один конец каждой тепловой трубы 3 размещен вблизи наиболее тепловыделяющих областей функциональных узлов (на фиг. 1 не показаны), установленных на теплоотводящем основании, а второй конец закреплен на внутренней поверхности теплостока 4, при этом теплосток 4 прикреплен к задней части теплоотводящего основания перпендикулярно к его плоскости, причем длина теплостока короче ширины теплоотводящего основания.

Внешняя поверхность теплостока 4 предназначена для отвода тепла на внешнюю теплоотводящую поверхность (на фиг. 1 не показана).

Для крепления функциональных узлов (на фиг. 1 не показаны) в первой 1 и второй 2 стенках выполнены сквозные резьбовые отверстия 5, обеспечивающие установку функциональных узлов (на фиг. 1 не показаны) на обеих сторонах теплоотводящего основания.

Для снижения веса в первой 1 и второй 2 стенках выполнены сквозные отверстия 6.

Для размещения тепловых труб 3 в первой 1 и второй 2 стенках выполнены канавки 7 (фиг. 2).

Стенки теплоотводящего основания - первая 1 и вторая 2 выполнены из дюралюминия методом литья или фрезерования и скреплены между собой в единую конструкцию, что обеспечивает высокую вибропрочность основания.

Конструкция тепловых труб 3 выполнена в соответствии с описанием, приведенным в [1, стр. 5].

Теплоотводящее основание можно условно разделить на две зоны: переднюю зону выделения тепловой энергии, к которой крепятся функциональные узлы (на фиг. 1 не показаны), выделяющие во время работы тепло, и заднюю зону отведения тепловой энергии, в которой расположен теплосток 4, обеспечивающий передачу тепла от тепловых труб 3 на внешнюю теплоотводящую поверхность (на фиг. 1 не показана).

Тепловые трубы 3 обеспечивают перенос тепловой энергии из зоны отведения теплоотводящего основания за счет процесса испарения внутреннего теплоносителя при нагреве и конденсации теплоносителя при охлаждении в зоне выделения тепловой энергии.

Предлагаемое построение теплоотводящего основания обеспечивает равномерное охлаждение функциональных элементов схемы за счет отвода тепла из самых горячих областей узлов, установленных на это основание.

В то время как в прототипе отвод тепла производится теплостоками, расположенными по периметру теплоотводящего основания, поэтому наибольший нагрев элементов будет наблюдаться для элементов схемы, расположенных в середине и верхней частях теплоотводящего основания, наиболее удаленных от нижнего теплостока, обеспечивающего передачу тепла на внешнюю теплоотводящую поверхность.

Предлагаемое построение теплоотводящего основания обеспечивает снижение массы радиоэлектронного блока, реализованного с использованием этого основания, по сравнению с прототипом за счет более низкой массы тепловых труб 3 относительно металлического теплоотвода при одинаковой рассеиваемой мощности.

Равномерное охлаждение элементов функциональных узлов, расположенных на предлагаемом теплоотводящем основании, дает возможность реализации многоканальных блоков с минимальным числом внешних разъемов, что снижает вес и цену изделия.

В то время как при использовании конструкции прототипа для реализации многоканального изделия требуется добавление в каждый функциональный узел одного или нескольких разъемов, а в изделие добавляются кабели с разъемами для соединения узлов между собой. Это увеличивает вес изделия и его цену.

Для проверки предлагаемого построения теплоотводящего основания был изготовлен макет, экспериментально измеренные характеристики подтверждают расчетные данные.

Изобретение относится к области радиоэлектроники, может быть использовано, например, при конструировании многоканальных блоков систем радиосвязи или радиолокационных устройств. Технический результат - обеспечение равномерного охлаждения функциональных узлов блока, установленных на теплоотводящее основание, и снижение массы блока - достигается тем, что на теплоотводящее основание радиоэлектронного блока с теплостоком устанавливаются функциональные узлы блока. При этом теплоотводящее основание включает в себя первую и вторую стенки, скрепленные между собой, на внешние поверхности которых устанавливаются многоканальные функциональные узлы. Тепло от функциональных узлов отводится с помощью тепловых труб, зажатых между первой и второй стенками, при этом тепловые трубы размещены в направлении от передней части теплоотводящего основания до задней, один конец каждой тепловой трубы размещен вблизи наиболее тепловыделяющей области функциональных узлов, а вторые концы тепловых труб сходятся к теплостоку. Теплосток прикреплен к задней части теплоотводящего основания перпендикулярно к его плоскости, его длина короче ширины теплоотводящего основания, а с его внешней поверхности тепло снимается на внешний теплоотвод, при этом для размещения тепловых труб в первой и второй стенках теплоотводящего основания выполнены канавки. 2 ил.

Теплоотводящее основание радиоэлектронного блока, на которое устанавливаются функциональные узлы блока, включающее теплосток, отличающееся тем, что теплоотводящее основание включает в себя первую и вторую стенки, скрепленные между собой, на внешние поверхности которых устанавливаются функциональные узлы, тепло от которых отводится с помощью тепловых труб, зажатых между первой и второй стенками, при этом тепловые трубы размещены в направлении от передней части теплоотводящего основания до задней, один конец каждой тепловой трубы размещен вблизи наиболее тепловыделяющих областей функциональных узлов блока, а второй конец закреплен на теплостоке, прикрепленном к задней части теплоотводящего основания перпендикулярно к его плоскости, причем длина теплостока короче ширины теплоотводящего основания, а с его внешней поверхности тепло снимается на внешний теплоотвод, для размещения тепловых труб в первой и второй стенках теплоотводящего основания выполнены канавки, а для крепления функциональных узлов в первой и второй стенках выполнены сквозные резьбовые отверстия, обеспечивающие установку функциональных узлов на обеих сторонах теплоотводящего основания, для снижения веса теплоотводящего основания в первой и второй стенках выполнены сквозные отверстия.