Устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов

Изобретение относится к области электроники и электротехники и может быть использовано для обеспечения эффективного отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, размещенных преимущественно на единой плате, выполненной, например, в виде металлического листа или металлической печатной платы. Технический результат - повышение эффективности отвода тепла. Достигается тем, что устройство содержит металлическую плату, выполненную с возможностью крепления на ней тепловыделяющих компонентов. Причем в металлической плате выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие, образующее канал для отвода тепла в пространство над металлической платой. При этом по крайней мере одно сквозное отверстие снабжено трубчатой вентиляционной вставкой, выполненной в нижней части по размерам сквозного отверстия в виде сопла для забора теплого воздуха, а в верхней части выполнено по высоте не ниже высоты размещенных возле нее тепловыделяющих компонентов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электроники и электротехники и может быть использовано для обеспечения эффективного отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, размещенных преимущественно на единой плате, выполненной, например, в виде металлического листа или металлической печатной платы.

Известно устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, установленных в электронном модуле [RU 2350055, Н05K 7/20, 20.03.2009], в котором в качестве теплоотвода применены изогнутые медные пластины, имеющие три участка, установленные в разных плоскостях модуля так, что первые участки медных пластин установлены на базовую плоскость и могут использоваться как присоединительные выводы, вторые участки медных пластин присоединены к металлизированным плоскостям подложки, третьи участки медных пластин припаяны к основаниям тепловыделяющих приборов. Форма и толщина медных пластин выбираются исходя из требований к жесткости конструкции, плотности тока, протекающего через приборы, максимально допустимого теплового сопротивления теплоотвода. Медные пластины рассеивают избыточное тепло непосредственно и/или с помощью прижима дополнительных радиаторных элементов.

Недостатком устройства является относительно низкая эффективность отвода тепла.

Известно также устройство для охлаждения полупроводниковых элементов на печатной плате [RU 128766, U1, G12B 15/06, 27.05.2013], состоящее из корпуса, имеющего верхнюю крышку и нижнюю крышку, полупроводниковых элементов, печатной платы, при этом на одном краю корпуса на верхней крышке расположен П-образный паз с выпуклостью на внутренней поверхности, направленной в нижний паз на нижней крышке, причем печатная плата и нижняя крышка взаимодействуют через теплопроводную прокладку, а над полупроводниковыми элементами, расположенными над печатной платой, расположена теплопроводная резина, которая взаимодействует с верхней крышкой, причем на втором конце корпуса крышки соединены винтовой парой и «замком» из системы паз на торце верхней и выступ на торце нижней крышки, а над полупроводниковыми элементами на верхней и нижней крышках имеются ребра радиаторов охлаждения.

Недостатком устройства также является относительно низкая эффективность отвода тепла.

К известным относится и устройство охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем [RU 117056, U1, Н05K 7/20, 10.06.2012], состоящее из принимающего и отводящего тепло элементов от электронных компонентов и конструкции теплостока, установленных на печатной плате электронной системы, причем принимающий и отводящий тепло элементы выполнены в виде двух пластин из высокотеплопроводных материалов, одна из которых закреплена на корпусе электронного компонента, а другая - на конструкции теплостока, при этом пластины соединены между собой посредством гибких высокотеплопроводных звеньев для обеспечения степени подвижности во всех направлениях.

Недостатком описанной выше конструкции устройства является недостаточная эффективность охлаждения и отвода тепла от компонентов электронных систем, потому что тепловая энергия, выделяемая компонентами электронных систем, установленных на печатной плате, принимается пластиной, форма которой не согласована с формой печатной платы с компонентами электронных систем, что ухудшает процесс передачи тепла от компонентов электронных систем.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для отвода тепла от тепловыделяющих электронных компонентов, размещенных на печатной плате [RU 138222, U1, G12B 15/06, H01L 23/36, H05K 7/20, 10.03.2014], содержащее пластину из высокотеплопроводных материалов, которая закреплена на фронтальной стороне печатной платы с размещенными на ней электронными компонентами, и со стороны, обращенной к размещенным на печатной плате электронным компонентам, выполнена в виде реплики печатной платы с размещенными на ней электронными компонентами, а с обратной стороны выполнена в форме охлаждающего радиатора.

В этом устройстве тепловая энергия, выделяемая тепловыделяющими компонентами, установленными на плате, принимается пластиной, форма которой согласована с формой платы с тепловыделяющими компонентами, что улучшает процесс передачи тепла от тепловыделяющих компонентов в окружающую среду.

Однако недостатком наиболее близкого технического решения является недостаточная эффективность охлаждения и отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, так как тепловая энергия, выделяемая тепловыделяющими компонентами, установленными на плате, нагревает ее, и при наиболее распространенной горизонтальной ориентации платы нагретый воздух с ее нижней поверхности, прежде чем контактировать с воздухом на верхней стороне платы и, тем самым, охлаждаться, движется вдоль нижней поверхности платы, что снижает эффективность охлаждения платы и соответственно тепловыделяющих компонентов. Этот недостаток особенно сильно проявляется при использовании в качестве платы металлических листов или металлических печатных плат.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности теплоотвода.

Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности теплоотвода.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройстве для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, содержащем металлическую плату, выполненную с возможностью крепления на ней тепловыделяющих компонентов, согласно изобретению в металлической плате выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие, образующее канал для отвода тепла в пространство над металлической платой, при этом по крайней мере одно сквозное отверстие снабжено трубчатой вентиляционной вставкой, выполненной в нижней части по размерам сквозного отверстия в виде сопла для забора теплого воздуха, а в верхней части выполнено по высоте не ниже высоты размещенных возле нее тепловыделяющих компонентов.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что в верхней части трубчатой вентиляционной вставки, которой снабжено по крайней мере одно сквозное отверстие в металлической плате, установлен радиатор, выполненный с развернутой поверхностью и посадочным отверстием с возможностью крепления на трубчатой вентиляционной вставке.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что по крайней мере одно сквозное отверстие в металлической плате выполнено круглым.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что верхняя сторона металлической платы снабжена закрепленной на ней пластиной из высокотеплопроводного материала, имеющей с внутренней стороны вогнутый профиль в виде реплики верхней стороны металлической платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами, а с обратной стороны выполненной в форме охлаждающего радиатора, при этом в пластине из высокотеплопроводного материала выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие, размещенное над по крайней мере одним сквозным отверстием в металлической плате и соединенное с ним трубчатой вентиляционной вставкой.

На чертежах представлено:

на фиг. 1 - устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов;

на фиг. 2 - устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, размещенных на металлической плате, с пластиной из высокотеплопроводного материала (пример с размещенными тепловыделяющими компонентами на верхней стороне металлической платы и приподнятой (для наглядности) пластиной из высокотеплопроводного материала).

Устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов содержит металлическую плату 1, выполненную с возможностью крепления на ней тепловыделяющих компонентов 2.

В устройстве в металлической плате 1 выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие 3 в плате, образующее канал для отвода тепла в пространство над металлической платой 1.

При этом по крайней мере одно сквозное отверстие 3 в плате снабжено трубчатой вентиляционной вставкой 4, выполненной в нижней части по размерам сквозного отверстия 3 в плате в виде сопла 5 для забора теплого воздуха, а в верхней части выполненной по высоте h не ниже высоты размещенных возле нее тепловыделяющих компонентов 2.

В верхней части трубчатой вентиляционной вставки 4, которой снабжено по крайней мере одно сквозное отверстие 3 в плате, установлен радиатор 6, выполненный с развернутой поверхностью 7 и посадочным отверстием с возможностью крепления на трубчатой вентиляционной вставке 4.

Сквозные отверстия 3 в металлической плате 1 выполнены преимущественно круглыми.

Возможен вариант (фиг. 2), когда верхняя сторона металлической платы 1 снабжена закрепленной на ней пластиной 8 из высокотеплопроводного материала, имеющей с внутренней стороны вогнутый профиль в виде реплики верхней стороны металлической платы 1 с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами, а с обратной стороны выполненной в форме охлаждающего радиатора, при этом в пластине 8 из высокотеплопроводного материала выполнено по крайней мере одно сквозное отверстие 9 в пластине, размещенное над по крайней мере одним сквозным отверстием 3 в металлической плате 1 и соединенное с ним трубчатой вентиляционной вставкой 4.

Работает устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов следующим образом.

Наиболее распространенным вариантом размещения металлических плат 1 с тепловыделяющими компонентами 3 является их горизонтальная установка.

Ускорить теплообмен в такой конструкции можно за счет организации сквозного (транзитного) охлаждения, т.е. отвода нагретого воздуха с нижней стороны металлической платы 1 не в ее обход, а другим, более коротким, путем через сквозные отверстия 3 в плате.

Сквозные отверстия 3 в металлической плате 1 выполняются преимущественно круглыми, а в них могут быть закреплены трубчатые вентиляционные вставки 4, которые в верхней части выполнены по высоте не ниже высоты размещенных возле них тепловыделяющих компонентов 2.

Конкретное место расположения сквозных отверстий 3 в металлической плате 1 и соответствующих им трубчатых вентиляционных вставок 4 зависит от конкретной топологии устройства, смонтированного на ней. Сквозные отверстия 3 не должны пересекать, нарушать (влиять) работу коммутирующих элементов (печатных дорожек). Сквозные отверстия 3 могут иметь произвольную форму, но предпочтительнее должны имеет форму окружности, что технологичнее для их выполнения и не усложняет процесс протекания через них воздушных потоков. Сквозные отверстия 3 должны быть по возможности равномерно расположены по металлической плате 1 и их суммарная площадь должна находиться в пределах от 0,05 до 0,5 величины площади металлической платы, поскольку при меньшем количестве отверстий эффект от их применения будет незначительным, а большее число отверстий может нарушить прочность и надежность металлической платы 1.

Более сложный вариант устройства (фиг. 2) отличатся тем, что фронтальная сторона металлической платы 1 снабжена закрепленной на ней пластиной 8 из высокотеплопроводного материала (не менее 2 Вт/(м·К), имеющей вогнутый профиль в виде реплики фронтальной стороны металлической платы 1 с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами 2, а с обратной стороны выполнена в форме охлаждающего радиатора, при этом в пластине 8 из высокотеплопроводного материала выполнены сквозные отверстия 9 в пластине, каждое из которых выполнено вдоль общей вертикальной оси с соответствующим сквозным отверстием 3 в плате 1. Сквозные отверстия 3 в плате и сквозные отверстия 9 в пластине выполнены преимущественно вдоль единой вертикальной оси, проходящей через их центры, и снабжены трубчатой вентиляционной вставкой 4. Функция пластины 8 из высокотеплопроводного материала - выравнивание температурных полей по плоскости металлической платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами 2 за счет механизма теплопроводности материала, из которой она изготовлена, и увеличение поверхности теплообмена (теплорассеяния) с воздухом с противоположной стороны, выполненной в виде охлаждающего радиатора. Трубчатая вентиляционная вставка 4 в этом случае исключает поступление теплого воздуха в пространство между тепловыделяющими компонентами 2 и пластиной 8 и направляет его транзитом в пространство над пластиной 8.

Таким образом, благодаря выполнению отверстий в металлической пластине, а также применению различных модификаций устройства с использованием трубчатых вентиляционных вставок и пластин из высокотеплопроводного материала с отверстиями достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении эффективности теплоотвода.

1. Устройство для отвода тепла от тепловыделяющих компонентов, содержащее металлическую плату, выполненную с возможностью крепления на ней тепловыделяющих компонентов, отличающееся тем, что в металлической плате выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие, образующее канал для отвода тепла в пространство над металлической платой, при этом, по крайней мере, одно сквозное отверстие снабжено трубчатой вентиляционной вставкой, выполненной в нижней части по размерам сквозного отверстия в виде сопла для забора теплого воздуха, а в верхней части выполнено по высоте не ниже высоты размещенных возле нее тепловыделяющих компонентов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в верхней части трубчатой вентиляционной вставки, которой снабжено, по крайней мере, одно сквозное отверстие в металлической плате, установлен радиатор, выполненный с развернутой поверхностью и посадочным отверстием с возможностью крепления на трубчатой вентиляционной вставке.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одно сквозное отверстие в металлической плате выполнено круглым.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, верхняя сторона металлической платы снабжена закрепленной на ней пластиной из высокотеплопроводного материала, имеющей с внутренней стороны вогнутый профиль в виде реплики верхней стороны металлической платы с размещенными на ней тепловыделяющими компонентами, а с обратной стороны выполненной в форме охлаждающего радиатора, при этом, в пластине из высокотеплопроводного материала выполнено, по крайней мере, одно сквозное отверстие, размещенное над, по крайней мере, одним сквозным отверстием в металлической плате и соединенное с ним трубчатой вентиляционной вставкой.