Устройство для отвода тепла и термостабилизации электронных плат

 

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для обеспечения требуемых тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры, в частности электронных плат. Техническим результатом предложенного устройства является повышение эффективности использования охлаждающей термоэлектрической батареи (ТЭБ), уменьшение энергопотребления и массы охлаждающего устройства, что достигается за счет организации неравномерного отвода тепла от элементов электронной платы термоэлектрической батареей, имеющей каскадное исполнение. Отвод тепла и термостабилизация организуется так, что съем тепла с наиболее тепловыделяющих элементов электронной платы осуществляется наиболее "холодными" каскадами ТЭБ, съем тепла с менее тепловыделяющих элементов - менее "холодными" каскадами и т.д. При этом наиболее тепловыделяющие элементы электронной платы помещаются на каскадах ТЭБ с более высоким уровнем охлаждения, элементы и узлы с меньшими тепловыделениями располагаются на каскадах с более низким уровнем охлаждения. Устройство содержит каскадную ТЭБ, состоящую из базовой ТЭБ, составляющую нижний каскад, и дополнительных ТЭБ, образующих верхние каскады, теплопереходы, теплообменник. Питание каскадной ТЭБ осуществляет источник постоянного тока. 1 ил.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для обеспечения требуемых тепловых режимов элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в частности электронных плат.

Современные устройства РЭА характеризуются высокими локальными рассеяниями тепла, что вызывает дестабилизацию их работы и снижает надежность. Применение систем обеспечения тепловых режимов на основе воздушного, водяного охлаждения или тепловых труб часто невозможно из-за эксплуатационных и массогабаритных ограничений. Поэтому решение задачи температурной стабилизации РЭА может быть получено применением в качестве систем обеспечения тепловых режимов полупроводниковых термоэлектрических батарей (ТЭБ), оптимально сочетающихся с РЭА по важнейшим энергетическим и массогабаритным показателям.

В настоящее время практикуются решения, согласно которым к охлаждаемому элементу РЭА непосредственно присоединяется с обеспечением теплового контакта ТЭБ [1, 2]. При этом теплопоглощающий ("холодный") спай ТЭБ осуществляет охлаждение элемента РЭА, а тепловыделяющий ("горячий") присоединен к воздушному или жидкостному теплообменнику. ТЭБ осуществляет равномерный отвод тепла по всей поверхности соприкосновения с элементом РЭА (развиваемый ТЭБ тепловой поток имеет одинаковую величину по всей площади элемента РЭА). В ряде случаев, когда элемент РЭА представляет собой электронную плату или любую другую конструкцию, являющуюся плоской поверхностью с установленными на ней радиодеталями, в которой имеет место неравномерное распределение тепловыделений по площади (имеется несколько источников тепловыделений неодинаковой мощности), такой подход является нерациональным. Для этих случаев ТЭБ рассчитывается на понижение температуры до допустимых значений области электронной платы с источником теплоты, имеющим максимальное тепловыделение. При этом охлаждение остальной части электронной платы с источниками теплоты, имеющими меньшие тепловыделения, проводится с такой же интенсивностью, что и охлаждение области с повышенным значением мощности источника теплоты. При таком подходе имеет место избыточное переохлаждение остальной части электронной платы, связанное с дополнительной тратой электрической энергии и термоэлектрического вещества.

Целью изобретения является повышение эффективности использования охлаждающей ТЭБ, уменьшение энергопотребления и массы охлаждающего устройства.

Для достижения указанной цели предлагается конструкция устройства, показанная на чертеже.

Устройство содержит каскадную ТЭБ, состоящую из базовой ТЭБ 1, составляющую нижний каскад, и дополнительных ТЭБ 2, образующих верхние каскады, теплопереходы 3, теплообменник 4. На "холодные" спаи дополнительных ТЭБ 2 и теплопереходы 3 помещена электронная плата 5 с тепловыделяющими элементами 6. Размещение дополнительных ТЭБ 2 осуществляется таким образом, чтобы их "холодные" спаи были расположены под наиболее тепловыделяющими элементами 6 электронной платы 5. Питание каскадной ТЭБ осуществляет источник постоянного тока 7.

Принцип работы устройства состоит в организации неравномерного отвода тепла от элементов электронной платы, при котором охлаждение тепловыделяющих элементов проводится с неодинаковой интенсивностью в зависимости от уровня выделяемой ими теплоты. В настоящем случае система организуется таким образом, чтобы съем тепла с наиболее тепловыделяющих элементов электронной платы осуществлялся наиболее "холодными" каскадами ТЭБ, съем тепла с менее тепловыделяющих элементов - менее "холодными" каскадами и т.д. При таком подходе наиболее тепловыделяющие элементы электронной платы помещаются на каскадах ТЭБ с более высоким уровнем охлаждения, элементы и узлы с меньшими тепловыделениями располагаются на каскадах с более низким уровнем охлаждения.

Устройство работает следующим образом.

Базовая ТЭБ 1, предназначенная для обеспечения заданного температурного режима областей электронной платы 5 с тепловыделяющими элементами 6, имеющими наименьшую мощность рассеяния, задает определенный начальный уровень охлаждения электронной платы. Дополнительные ТЭБ 2, образующие верхние каскады, расположенные под тепловыделяющими элементами 6 электронной платы 5 с большими мощностями рассеяния, организуют дополнительный теплосъем, величина которого определяется в соответствии с уровнем мощности рассеяния конкретного тепловыделяющего элемента 6. Тепловой контакт "холодных" спаев каскадной ТЭБ с областями электронной платы 5 осуществляют теплопереходы 3, выполненные из высокотеплопроводного материала. Отвод тепла от "горячего" спая каскадной ТЭБ производится теплообменником 4, который в зависимости от уровня отводимой мощности может быть воздушным или жидкостным. Питание отдельных каскадов ТЭБ осуществляется источником постоянного электрического тока 7 параллельно либо последовательно.

Проведенные исследования показали, что применение предложенного устройства в значительной степени повышает экономичность отвода тепла, а также снижает габаритные размеры охлаждающей системы. При этом максимальный выигрыш в потреблении электрической энергии может быть получен при использовании последовательной схемы питания каскадов, а максимальное снижение габаритных размеров устройства можно добиться, применяя режим минимальной массы.

Литература 1. Зорин И.В., Зорина З.Л. Термоэлектрические холодильники и генераторы. Л.: Энергия, 1973.

2. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. Л.: Наука, 1967.

Формула изобретения

Устройство для отвода тепла и термостабилизации электронных плат, содержащее термоэлектрическую батарею, теплообменник, отличающееся тем, что термоэлектрическая батарея имеет каскадное исполнение, в котором нижний базовый каскад обеспечивает заданный температурный режим областей электронной платы с тепловыделяющими элементами, имеющими наименьшую мощность рассеяния, а верхние дополнительные каскады, расположенные под тепловыделяющими элементами электронной платы с большими мощностями рассеяния, обеспечивают дополнительный теплосъем, величина которого определяется в соответствии с уровнем мощности рассеяния конкретного тепловыделяющего элемента, контакт нижнего базового каскада термоэлектрических батарей с областями электронной платы осуществляют теплопереходами, выполненными из высокотеплопроводного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1