РАДИАТОР С ГРУППАМИ ТОНКИХ РЁБЕР Российский патент 2023 года по МПК G12B15/04 G12B15/06 H05K7/20 

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

Известен радиатор (патент US 5088005, МПК H05K7/20, опубликован 11.02.1992 г.), содержащий множество слоёв, которые собраны в стопку, причём указанное множество слоёв образует каналы для прохода охлаждающей среды дифференцированной интенсивности по уровню теплосъёма в разных зонах радиатора. В результате теплообменник способен рассеивать локальные тепловые потоки примерно 100 Вт/см² от тепловыделяющего электронного компонента.

Недостатком известного радиатора является сложность конструкции и как следствие этого плохие массогабаритные её характеристики.

Этого недостатка лишён радиатор (патент RU 2 634 167 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.

Известны также конструкции радиаторов (патенты US 4559580, US 4494171, US 4712158), в которых использован эффект ударного и струйного охлаждения теплопоглощающей поверхности. Однако при этом невозможно сделать очень тонкими диафрагмы и перегородки из прочностных соображений, а стало быть, сильно развить поверхность теплообмена и получить высокие показатели нагрузки радиатора.

Известна конструкция радиатора (патент RU 184729 U1), в котором рёбра радиатора, с целью увеличения теплоотводной поверхности, выполнены из гофрированной ленты из пластичных цветных металлов. При достижении улучшенной эффективности радиатора это решение не позволяет выровнять температуру по всей поверхности основания, что не позволяет достигнуть наибольшей эффективности.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в упрощении конструкции радиатора с повышенной теплоотдачей от радиатора к охлаждающей среде и выравнивания температуры тепловыделяющих компонентов за счёт применения очень тонких рёбер и узких каналов между ними, расположения отдельной группы рёбер в зоне конкретного компонента и подвод и отвод охлаждающей среды отдельно к каждой зоне отдельного компонента.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение малогабаритного, высокоэффективного с низким гидравлическим сопротивлением и возможностью его изготовления простыми методами механической обработки радиатора для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, сложных конструкций с множеством таких компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов, за счёт применения очень тонких рёбер и узких каналов между ними, расположения отдельной группы рёбер в зоне конкретного компонента и подвод и отвод охлаждающей среды отдельно к каждой зоне отдельного компонента.

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 рёбрами, создающими каналы для прохождения охлаждающей среды, при этом каждое ребро выполнено очень тонким и имеет узкие межрёберные каналы, а отдельные группы рёбер располагаются в конкретной зоне каждого тепловыделяющего компонента, причём подвод и отвод охлаждающей среды осуществляется отдельно к каждой зоне.

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

Теплопоглощающая и теплораспределяющая поверхности радиатора могут быть изготовлены из разных материалов. При этом соединение между собой теплопоглощающей и теплораспределяющей поверхностей может быть, например, пайкой. При применении в качестве материала меди могут быть достигнуты показатели удельного теплового потока в 270 Вт/см², а при применении алюминиевых сплавов 170 Вт/см².

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 – зона радиатора, вид сбоку в разрезе по каналу подвода охлаждающей среды;

на Фиг. 2 – зона радиатора, вид сбоку в разрезе по каналу отвода охлаждающей среды;

на Фиг. 3 – зона радиатора, вид в плане в разрезе по каналам подвода и отвода охлаждающей среды;

на Фиг. 4 – зона радиатора, вид в поперечном разрезе;

на Фиг. 5 – вид радиатора, составленного из многих зон, в плане в разрезе по каналам подвода и отвода охлаждающей среды.

Перечень позиций элементов чертежей радиатора:

1 – тепловыделяющий компонент;

2 – теплопоглощающая поверхность;

3 – группа рёбер;

4 – входная камера зоны радиатора;

5 – выходная камера зоны радиатора;

6 – входной канал зоны радиатора;

7 – выходной канал зоны радиатора;

8 – входное отверстие зоны радиатора;

9 – выходное отверстие зоны радиатора.

На виде сбоку зоны радиатора в разрезе по каналу подвода охлаждающей среды (Фиг. 1) показаны: теплопоглощающая поверхность 2, контактирующая с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента 1, теплораспределяющая поверхность в виде группы рёбер 3, образующих каналы для прохода охлаждающей среды. Там же показаны входная камера зоны радиатора 4 и выходная камера зоны радиатора 5. Вход охлаждающей среды осуществляется через канал 6.

На виде сбоку зоны радиатора в разрезе по каналу отвода охлаждающей среды (Фиг. 2), кроме упомянутых позиций показан выходной канал охлаждающей среды 7.

На виде в плане зоны радиатора в разрезе по каналам подвода и отвода охлаждающей среды (Фиг. 3) показаны отверстия входа 8 и выхода 9 охлаждающей среды в зону группы рёбер.

На Фиг. 4 и Фиг. 5 позиции элементов повторяются.

Охлаждающая среда, поступающая на вход зоны радиатора, попадает в входной канал и через входное отверстие в входную камеру. Далее охлаждающая среда проходит через группу рёбер по межрёберным проходам в выходную камеру. Пройдя выходную камеру, охлаждающая среда через выходное отверстие проходит в выходной канал.

В радиаторе, составленном из многих зон, входные и выходные каналы являются общими для целого ряда последовательно расположенных зон соосно. При достаточно большом сечении входных и выходных каналов расход охлаждающей среды через отдельные зоны будет определяться сечениями входных и выходных отверстий, что позволяет при необходимости регулировать расход охлаждающей среды через каждую зону отдельно.

Применение для оребрения гофрированной ленты малой толщины (порядка 0,15 мм) с малым межрёберным зазором (порядка 0,5 мм) позволяет в малом объёме получить большую площадь теплообменной поверхности, что очень важно при большой плотности расположения тепловыделяющих компонентов. Гофрированная лента может быть закреплена на теплопоглощающей поверхности, например пайкой.

С целью значительного уменьшения нежелательного теплообмена между входными и выходными каналами их конструкция должна быть выполнена из плохо проводящего тепло материала, например, пластмассы.

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

Проработана конструкция зоны радиатора со следующими параметрами: материал конструкции - медь, размер теплопоглощающей поверхности 25×25 мм, толщина плиты теплопоглощающей поверхности 6 мм, высота рёбер 5 мм, количество рёбер 38, толщина рёбер 0,15 мм, ширина межрёберных каналов 0,5 мм, размер основания тепловыделяющего компонента 10×10 мм, один входной канал 8×8 мм, два выходных канала 8×8 мм, входное и выходные отверстия 8×2 мм, охлаждающая среда – вода с температурой 20°С, расход воды 0,024 л/мин, тепловая мощность тепловыделяющего компонента 270 Вт при температуре 76°С. Локальный тепловой поток таким образом составил 270 Вт/см². При использовании в качестве материала конструкции алюминия и тепловой мощности тепловыделяющего компонента 170 Вт локальный тепловой поток составит 170 Вт/см².

При расположении четырёх зон последовательно друг за другом существенной разницы в температурах на основаниях тепловыделяющих компонентов не наблюдалось.

Проработана конструкция радиатора реального мощного СВЧ-усилителя с общей тепловой нагрузкой 67 Вт (с различным тепловыделением от каждого компонента), охлаждаемого воздухом с температурой 40°С, и массовым расходом 0,0022 кг/сек. Температура основания тепловыделяющих электронных компонентов не превысила 85°С. При этом существенной разницы между температурами компонентов не наблюдалось. Перепад давления воздуха между входом и выходом радиатора составил 1250 Па (0,0127 кг/см²).

Радиатор может быть изготовлен при единичном, мелкосерийном и серийном производстве сборным из рёбер в виде гофрированной ленты из меди или алюминия (алюминиевого сплава, например, марки АМЦ или АМГ1) и плиты теплопоглощающей поверхности из тех же материалов, соединённых между собой пайкой. Для осуществления пайки на детали из алюминия и его сплавов следует нанести покрытие.

Зона радиатора работает следующим образом.

Электронный компонент 1 тепловыделяющей поверхностью устанавливают на теплопоглощающую поверхность 2 радиатора (можно через термоинтерфейс). Тепловой поток от тепловыделяющей поверхности электронного компонента через теплопоглощающую поверхность радиатора теплопроводностью передается на теплораспределяющую поверхность в виде группы рёбер 3. По межрёберным каналам теплораспределяющей поверхности радиатора подается охлаждающая среда (жидкая или газообразная). Охлаждающая среда из входного канала 6 проходит через входное отверстие 8 и входную камеру 4. Пройдя по межрёберным каналам, охлаждающая среда попадает в выходную камеру 5 и далее через выходное отверстие 9 в выходной канал 7. Рёбра выполнены очень тонкими (порядка 0,15 мм), а межрёберные каналы узкими (порядка 0,5 мм), что позволяет получить большую площадь теплорассеивающей поверхности, состоящей из группы рёбер. За счёт этого удаётся максимально повысить теплообмен между теплопоглощающей поверхностью и охлаждающей средой.

В конструкции большого радиатора, состоящего из множества отдельных зон с индивидуальным подводом и отводом охлаждающей среды, расположенных в зоне конкретного тепловыделяющего электронного компонента, удаётся получить, при регулировании расходов охлаждающей среды по зонам, равномерное распределение температуры по теплопоглощающей поверхности. Регулирование может осуществляться размерами входных и выходных отверстий в каждой зоне конкретного тепловыделяющего электронного компонента. Такое решение позволяет получить очень высокую эффективность работы радиатора.

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, сложных конструкций с множеством таких компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов. Технический результат - упрощение конструкции радиатора с повышенной теплоотдачей от радиатора к охлаждающей среде и выравнивание температуры тепловыделяющих компонентов за счёт применения очень тонких рёбер и узких каналов между ними, расположения отдельной группы рёбер в зоне конкретного компонента и подвод и отвод охлаждающей среды отдельно к каждой зоне отдельного компонента. Технический результат достигается тем, что радиатор, изготовленный из теплопроводного материала, содержит теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента или множества компонентов, и теплораспределяющую поверхность. Теплораспределяющая поверхность представляет зону или множество отдельных зон при сложной многокомпонентной конструкции с тонкими параллельными рёбрами, которые перпендикулярны теплопоглощающей поверхности радиатора и выполнены в виде гофрированной ленты. Межрёберные пространства образуют продольные узкие каналы для прохождения охлаждающей среды. Охлаждающая среда поступает в межрёберные пространства и выходит из них через отверстия в камерах на входах и выходах в пространствах, занимаемых рёбрами. Подвод и отвод охлаждающей среды осуществляется общими наружными каналами к каждой зоне охлаждения отдельного компонента, что позволяет регулировать подачу охлаждающей среды и теплосъём в каждой зоне. Отверстия расположены соосно во всех рёбрах и в совокупности они образуют каналы, по которым охлаждающая среда поступает в межрёберные пространства. Нагнетание охлаждающей среды осуществляется односторонне в эти каналы. По площади теплопоглощающей поверхности отверстия во входных и выходных каналах могут быть выполнены различной величины. 5 ил.

Радиатор, изготовленный из теплопроводного материала, содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности тонкими параллельными ребрами, образующими узкие каналы для прохождения охлаждающей среды, отличающийся тем, что радиатор состоит из множества зон, расположенных в зонах тепловыделяющих электронных компонентов, зоны радиатора содержат группы тонких ребер с малым межреберным зазором, выполненные с возможностью прохода охлаждающей среды, поступающей в зону радиатора из входного канала через входное отверстие и выходящей из зоны радиатора через выходное отверстие в выходной канал, при этом входные и выходные каналы являются общими для ряда последовательно и соосно расположенных зон радиатора, а расход охлаждающей жидкости через каждую зону радиатора регулируется сечениями ее входных и выходных отверстий.