Радиатор с эффективным и распределенным теплосъемом Российский патент 2023 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 US5088005, МПК H05K7/20, опубликован 11.02.1992 г.), содержащий множество слоёв, причём в указанном множестве слоёв выполнены отверстия, образуя тем самым каналы для прохода охлаждающей среды с дифференцированной интенсивностью по уровню теплосъёма в разных зонах радиатора. В результате теплообменник способен рассеивать локальные тепловые потоки примерно 100 Вт/см² от тепловыделяющего электронного компонента. Недостатком этого известного радиатора является сложность конструкции и как следствие этого её относительно невысокие массогабаритные характеристики.

Этого недостатка лишён радиатор (патент RU2 634 167 С1, МПК F28F 13/00(2006.01) опубликован 24.10.2017 г.) содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными рёбрами, создающими каналы для прохождения газообразной или жидкой охлаждающей среды. Каждая стенка канала образована чередованием плоских и вогнутых поверхностей с образованием переменного сечения канала на всём пути перемещения охлаждающей среды. Недостатком известного радиатора является большой градиент температуры поглощающей поверхности в направлении перемещения охлаждающей среды.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении теплоотдачи от радиатора к охлаждающей среде за счет разрушения пограничного слоя потока охлаждающей среды и в обеспечении заданного распределения поля температуры теплопоглощающей поверхности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение высокоэффективного радиатора за счет разрушения теплового пограничного слоя потока охлаждающей среды, малогабаритного, с относительно низким гидравлическим сопротивлением и возможностью его изготовления простыми методами механической обработки, для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов.

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 имеет в основании отверстия для прохода охлаждающей среды которые расположены соосно с отверстиями в остальных рёбрах и имеют разную величину сечения для регулирования расхода охлаждающей среды через каналы и поля температуры по теплопоглощающей поверхности. Отверстия в основаниях рёбер могут иметь произвольную форму. Соосность подразумевает симметрию формы рёбер относительно общей оси отверстий, лежащей в плоскости перпендикулярной теплопоглощающей поверхности. Разница в величине сечения отверстий позволяет увеличить или уменьшить расход охлаждающей среды через конкретный межрёберный канал. Так, например, при уменьшении сечения отверстия от первого ребра межрёберного канала к второму можно повысить расход охлаждающей среды через этот канал и наоборот.

Теплопоглощающая и теплораспределяющая поверхности радиатора могут быть изготовлены из разных материалов. При этом соединение между собой теплопоглощающей и теплораспределяющей поверхностей может быть осуществлено, например, пайкой.

Ребра теплораспределяющей поверхности могут быть не перпендикулярны теплопоглощающей поверхности для обеспечения дополнительной возможности распределения потока охлаждающей среды в каналах между рёбрами потому, что наклон рёбер влияет на местные гидравлические потери на входе из каждого отверстия в каждый межрёберный канал и, следовательно, на расход охлаждающей среды через каждый канал.

Некоторые межрёберные каналы радиатора могут иметь на вершинах рёбер накладки в виде дросселирующих пластин со щелями так же для дополнительной возможности распределения потока охлаждающей среды в каналах между рёбрами потому, что при недостаточной возможности ограничить расход охлаждающей среды через отдельный межрёберный канал или группу каналов изменяя размеры сечения отверстий в основаниях рёбер, можно дополнительно ограничивать расход уменьшая сечение канала или группы канало на выходе (на вершинах рёбер) установив дросселируюшие пластины со щелями, уменьшающие выходное сечение каналов и расход охлаждающей среды.

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 иллюстрируется чертежами, где:

на Фиг. 1 – радиатор вид с боку в разрезе по сечению Б-Б;

на Фиг. 2 – радиатор вид поперёк потоку охлаждающей среды в разрезе по сечению А-А.

Перечень позиций элементов чертежей радиатора:

1 – теплопоглощающая поверхность;

2 – теплораспределяющая поверхность;

3 – ребро;

4 – канал;

5 – отверстие в основании ребра, соосное с отверстиями в остальных рёбрах;

6 – дросселирующая пластина;

7 – щель в дросселирующей пластине.

На виде сбоку радиатора (Фиг. 1) показаны теплопоглощающая поверхность 1, контактирующая с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента (не изображена). Теплораспределяющая поверхность 2 (Фиг. 2) в виде множества ребер 3, образующих каналы 4 для прохода охлаждающей среды. В основаниях всех рёбер показаны отверстия 5, которые располагаются соосно, но имеют разные сечения. Так же показана дросселирующая накладка 6 с прорезями 7.

Теплопоглощающую поверхность 1 радиатора устанавливают на тепловыделяющую поверхность электронного компонента. Тепловой поток от тепловыделяющей поверхности электронного компонента через теплопоглощающую поверхность радиатора теплопроводностью передается его теплораспределяющей поверхности 2. По каналам 4 теплораспределяющей поверхности радиатора подается охлаждающая среда (газообразная или жидкая). Перед тем как попасть в каналы охлаждающая среда проходит через ряды отверстий 5 расположенных в основаниях рёбер. Эти ряды отверстий представляют собой регулярную структуру с большим перепадом чередующихся проходных сечений (сечение отверстия – сечение межрёберного канала) за счёт чего происходит интенсивна турбулизация потока охлаждающей среды и повышение теплоотдачи от теплораспрелеляющей поверхности к охлаждающей среде. Для обеспечения нужного распределения теплосъёма с тепловыделяющих поверхностей электронных компонентов в разных участках теплопоглощающей поверхности отверстия в основаниях рёбер выполнены с разными проходными сечениями, что позволяет регулировать потоки охлаждающей среды в межрёберных каналах и, следовательно, теплосъём с тепловыделяющих поверхностей электронных компонентов. Для тех же целей дополнительно могут применяться дросселирующие пластины 6 с прорезями 7 и наклон рёбер относительно теплопоглощающей поверхности.

Радиатор работает следующим образом. Охлаждающая среда, поступающая на вход радиатора, попадает в соосно расположенные отверстия разного сечения в основаниях рёбер и по ходу своего продвижения распределяется в межрёберные каналы. Разница в сечении отверстий в основании рёбер позволяет дозировать поступление охлаждающей среды в каждый межрёберный канал и тем самым управлять интенсивностью теплоотдачи по теплорассеивающей поверхности и распределением температуры на теплопоглощающей поверхности.

Дополнительно этому процессу могут способствовать дросселирующие пластины, со щелями, устанавливаемые на вершинах рёбер в местах, где не удаётся отрегулировать поступление нужного количества охлаждающей среды в некоторые межрёберные каналы. Охлаждающая среда, проходя чрез ряды отверстий в основаниях рёбер сильно турбулизируется, так как ряды отверстий представляют собой регулярную структуру с большими перепадами проходных сечений и это сильно повышает теплоотдачу теплорассеивающей поверхности.

Таким образом, реализуя предлагаемое изобретение можно получить радиатор простой по конструкции и изготовлению с высокой интенсивностью рассеивания высоких тепловых потоков и с заданным распределением температуры на теплопоглощающей поверхности.

Пример конструкции радиатора со следующими параметрами: материал конструкции медь, размер теплопоглощающей поверхности 85×85 мм, толщина плиты теплопоглощающей поверхности 7 мм, высота рёбер 10 мм, количество рёбер 42, толщина рёбер 1 мм, Ширина межрёберных каналов 1 мм, количество рядов соосных отверстий 3, форма отверстий прямоугольная, ширина всех отверстий 1,4 мм, высота первых семи отверстий по направлению потока охлаждающей среды (воды) 4 мм, высота последних по потоку трёх отверстий 0,6 мм, высота отверстий от седьмого до сорокового линейно убывает с 4 мм до 0,6 мм, длина дросселирующей пластины от первого ребра до седьмого 14 мм, количество щелей в пластине 2, ширина щелей 1 мм.

Тепловые характеристики этого радиатора при расходе охлаждающей среды (воды) 3 л/мин с температурой на входе в радиатор 20°С следующие: рассеиваемая равномерно распределённая по теплопоглощающей поверхности мощность (тепловой поток) 9 квт, температура теплопоглощающей поверхности от 80±2°С (70% площади) до 76±2°С (30% площади), плотность теплового потока 125 вт/см², перепад давления охлаждающей среды (воды) между входом и выходом радиатора (без учёта потерь на подводящих и отводящих коммуникациях) составляет 1 метр водяного столба, потребная мощность привода насоса прокачивающего воду через радиатор 0,7 вт.

Радиатор может быть изготовлен при единичном и мелкосерийном производстве сборным из набора рёбер с прорезями в основаниях под отверстия и плиты теплопоглощающей поверхности соединённых между собой пайкой. При серийном и крупносерийном производстве возможно изготовление радиатора литьём по выплавляемым моделям или литьём в кокиль.

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 и может быть использовано для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов. Технический результат - повышение теплоотдачи от радиатора к охлаждающей среде за счет разрушения пограничного слоя потока охлаждающей среды и обеспечение заданного распределения поля температуры теплопоглощающей поверхности. Технический результат достигается тем, что радиатор изготовлен из теплопроводного материала, содержит теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными рёбрами, создающими каналы для прохождения охлаждающей среды. Каждое ребро имеет в основании отверстия для прохода охлаждающей среды, которые расположены соосно и имеют разную величину сечения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Радиатор, изготовленный из теплопроводного материала, содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными рёбрами, создающими каналы для прохождения охлаждающей среды, отличающийся тем, что каждое ребро имеет в основании отверстия для прохода охлаждающей среды, которые расположены соосно и имеют разную величину сечения.

2. Радиатор по п. 1, отличающийся тем, что на вершинах рёбер установлены дросселирующие пластины со щелями.