РАДИАТОР Российский патент 2020 года по МПК H05K7/20 

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов.

Известен радиатор (патент CN 101072481, МПК G12B 15/06, G06F 1/20, H05K 7/20, H01L 23/367, опубликован 14.11.2007 г.), изготовленный из алюминиевого сплава и содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными ребрами, создающими каналы для прохождения охлаждающей среды. Ребра постоянного профиля в сечении, перпендикулярном направлению прохождения охлаждающей среды. Недостатком известного радиатора является низкая теплоотдача от ребер к охлаждающей среде вследствие наличия плохо разрушаемого теплового пограничного слоя. Тепловой пограничный слой образуется при обтекании любого твердого тела жидкой или газообразной средой, отличающейся от него температурой, на его поверхности вследствие действия сил вязкости и температурного градиента.

Этого недостатка лишен радиатор (патент CN 202026556, МПК G06F 1/20, H05K 7/20, H01L 23/367, опубликован 02.11.2011 г.), содержащий множество параллельных одинаковых ребер в виде пластин. Охлаждающая среда движется перпендикулярно ребрам, причем в зоне прохождения охлаждающей среды на торцевой поверхности каждого ребра имеется множество выступов и впадин. Соседние ребра смещены относительно друг друга так, что в направлении движения охлаждающей среды за выступом очередного ребра следует впадина следующего и так далее. При этом происходит разрушение теплового пограничного слоя, повышается теплоотдача от ребер к охлаждающей среде, но значительно возрастает гидравлическое сопротивление радиатора потоку охлаждающей среды, что требует применения мощного напорного оборудования для подачи охлаждающей среды.

Известен радиатор (патент CN 104807362, МПК F28F 13/12, F28F 3/02, опубликован 29.07.2015 г.) с ребрами, содержащими элементы V-образной структуры, расположенными в шахматном порядке. При такой конструкции радиатора происходит хорошее разрушение теплового пограничного слоя, но велико гидравлическое сопротивление потоку охлаждающей среды. Изготовить такой радиатор методами механической обработки или пластической деформации очень сложно.

Известен радиатор (патент CN 202614072, МПК F28F 13/12, H01F 27/12, опубликован 19.12.2012 г.) с ребрами, выполненными из изогнутой металлической ленты в виде «змейки», причем каждая вершина изогнутой ленты находится напротив впадины соседней изогнутой ленты. Для прохода охлаждающей среды ленты расположены на небольшом расстоянии друг от друга, образуя сквозной канал постоянного поперечного сечения. Охлаждающая среда, проходя по каналам, образованным лентами, постоянно зигзагообразно меняет направление движения. При таком расположении ребер радиатор имеет небольшое увеличение гидравлического сопротивления потоку охлаждающей среды по сравнению с прямоточными каналами, но значительно меньшее по сравнения с аналогами со смещенными и V-образными ребрами. При турбулентном движении потока охлаждающей среды, в силу постоянного изменения его направления, происходит разрушение теплового пограничного слоя. Недостатком данного технического решения является плохое разрушение теплового пограничного слоя при ламинарном движении потока охлаждающей среды. Особенно актуально это для вязких охлаждающих сред. Кроме того, предложенное техническое решение предусматривает изготовление ребер из листового металлического материала и их соединение с теплопоглощающей поверхностью радиатора методом точечной сварки. При таком соединении будет невысокая теплопередача от ребер к теплопоглощающей поверхности, что ухудшит работу радиатора.

Изобретение описывает новый радиатор для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов, достигающий высокой эффективности охлаждения за счёт организации движения охлаждающей среды и теплового потока от тепловыделяющего элемента, компактный, с низким гидравлическим сопротивлением и возможностью его изготовления простыми методами механической обработки и сборки.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в понижении температуры теплопоглощающей поверхности при повышении теплоотдачи от радиатора к охлаждающей среде за счет подачи охлаждающей среды к основаниям рёбер в зону самой высокой температуры радиатора и дополнительно от турбулизации потока охлаждающей среды.

Сущность изобретения – радиатор, изготовленный из теплопроводного материала, содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными ребрами, создающими каналы для прохождения газообразной или жидкой охлаждающей среды, состоит в том, что каждое ребро в своём основании имеет определённое количество отверстий для пропуска охлаждающей среды, движение которой направлено от оснований рёбер к их вершинам.

Решению поставленной задачи способствуют признаки, характеризующие изобретение в частных случаях его выполнения или использования.

Отверстия в основаниях рёбер могут иметь конфигурацию тела вращения или иную.

Теплопоглощающая и теплораспределяющая поверхности радиатора могут быть изготовлены из материалов с относительно высокой теплопроводимостью. При этом соединение между собой теплопоглощающей и теплораспределяющей поверхностей осуществляется пайкой, но может быть осуществлено и иными способами.

Из уровня техники не известно техническое решение с заявляемой совокупностью существенных признаков независимого пункта формулы изобретения, что подтверждает его соответствие условию патентоспособности «новизна».

Существенные отличительные признаки независимого пункта формулы заявляемого изобретения для специалиста явным образом не следуют из уровня техники, что подтверждает соответствие изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность изобретения подтверждается чертежами, где:

на Фиг. 1 – радиатор, вид сбоку, разрез по оси;

на Фиг. 2 – радиатор, разрез по А-А;

на Фиг. 3 – радиатор, сечение по Б-Б.

Перечень позиций элементов чертежей радиатора:

1 - теплопоглощающая поверхность;

2 - теплораспределяющая поверхность;

3 - ребро;

4 - основание ребра;

5 - вершина ребра;

6 - канал;

7 - отверстие;

8 - охлаждающая среда.

На разрезе по оси радиатора (Фиг. 1) показаны теплопоглощающая поверхность 1, контактирующая с тепловыделяющей поверхностью электронных компонентов (не показаны), теплораспределяющая поверхность 2 в виде множества ребер 3 с основаниями 4 и вершинами 5, образующая каналы 6 для прохода охлаждающей среды 8. В основаниях рёбер выполнены отверстия 7 для прохода охлаждающей среды, поступающей в каналы.

На разрезе по линии А-А (первое по ходу охлаждающей среды) радиатора (Фиг. 2) показан вариант расположения отверстий в основании первого ребра и их количество может быть N×M где N - количество отверстий в последнем (дальнем) от входа охлаждающей среды ребре (рекомендуется не менее 3), а M – полное количество ребер в радиаторе. Количество отверстий в каждом ребре начиная с самого дальнего от входа в радиатор охлаждающей среды определяется по формуле N×В, где В – порядковый номер ребра. В последнем ребре B=M.

На сечении по Б-Б показано расположение отверстий в первом со стороны подачи охлаждающей среды и последующих рёбрах.

Теплопоглощающая и теплораспределяющая поверхности радиатора могут быть изготовлены из разных материалов (например, меди, алюминия, композитных материалов). Соединение между собой теплопоглощающей и теплораспределяющей поверхностей в этом случае может быть осуществлено, например, пайкой, прессованием под высоким давлением, сваркой, литьем.

Радиатор работает следующим образом. Тепловыделяющие поверхности электронных компонентов (можно через термоинтерфейсы) устанавливают на теплопоглащающую поверхность 1 радиатора. Тепловой поток от тепловыделяющих поверхностей электронных компонентов через теплопоглощающую поверхность радиатора теплопроводностью передается его теплораспределяющей поверхности 2. По каналам 7 теплораспределяющей поверхности радиатора подается охлаждающая среда 8 (газообразная или жидкая). Вследствие организации подачи охлаждающей среды сразу в зону наибольшей температуры радиатора к основаниям рёбер 4 через отверстия 7 и дополнительной турбулизации потока охлаждающей среды последовательно проходящей через ряды отверстий в основаниях рёбер достигается значительно более эффективное охлаждение тепловыделяющих элементов, чем при известных схемах охлаждения с использованием оребрённых радиаторов.

Описанные средства и методы, с помощью которых возможно осуществление изобретения, с реализацией указанного их назначения подтверждают соответствие изобретения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение относится к области теплотехники. Технический результат заключается в повышении теплоотдачи от радиатора к охлаждающей среде. Упомянутый технический результат достигается за счет организации движения охлаждающей среды (8) таким образом, что она изначально поступает в зону самой высокой температуры радиатора к основанию рёбер (4), а также за счёт турбулизации потока охлаждающей среды (8), проходящей через теплораспределяющую поверхность (2), представляющую собой параллельные ребра (3), которые перпендикулярны теплопоглощающей поверхности (1) радиатора и образуют каналы (6) для прохождения охлаждающей среды (8). Охлаждающая среда (8) движется вдоль теплопоглощающей поверхности (1) радиатора через отверстия (7) в основаниях ребер (4) и движется в направлении от оснований рёбер (4) к их вершинам (5). 3 ил.

Радиатор, изготовленный из теплопроводного материала, содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными ребрами, создающими каналы для прохождения потока охлаждающей среды, отличающийся тем, что каждое ребро имеет в своём основании отверстия для подвода охлаждающей среды, движущейся от оснований рёбер к их вершинам, причем последнее по потоку ребро имеет по меньшей мере одно отверстие, а каждое последующее ребро имеет увеличенное количество отверстий относительно предыдущего ребра по закону арифметической прогрессии с шагом равным количеству отверстий в последнем по потоку ребре.