Пассивная система охлаждения радиоэлементов электронных блоков

Пассивная система охлаждения радиоэлементов электронных блоков относится к радиоэлектронике, в частности к устройствам, рассеивающим тепло от нагруженных источников нагрева электронных блоков и СВЧ модулей, эксплуатирующихся в полевых условиях, расположенных на вращающихся областях конструкции и подвергающихся различным климатическим воздействиям. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности конструкции системы охлаждения, способной стабильно работать в автономном режиме, в любом векторном направлении, повышение ресурса работы электронных блоков, обеспечение стабильности отвода тепла и поддержания их температуры в требуемых пределах при одновременном снижении массогабаритных характеристик за счет уменьшения стыковочных механических соединений. Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем тепловыделяющие радиоэлементы, поверхности которых через тепловые интерфейсы сопряжены с зонами испарения тепловых труб, от которых тепловая энергия переносится в зону конденсации, обеспечен непосредственный контакт источника нагрева (радиоэлемента) с тепловыми трубами, которые выведены за пределы корпуса электронного блока и спаяны с пластинами радиатора, жестко связанными между собой ограничителями, при этом система охлаждения имеет минимальное количество механических стыковок узлов и работает в любом векторном положении. 3 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к устройствам, рассеивающим тепло от нагруженных источников нагрева электронных блоков и СВЧ модулей, эксплуатирующихся в полевых условиях, расположенных на вращающихся областях конструкции и подвергающихся различным климатическим воздействиям.

Наибольшее количество работ, относящихся к системам охлаждения, посвящено охлаждению компьютерной техники. Общеизвестна в данной области система охлаждения компьютерных блоков, которая состоит из набора радиаторов, сопряженных с вентиляторами. Основными недостатками такого охлаждения являются повышенный шум и низкая надежность, связанная с ограниченным сроком службы вентиляторов.

Наиболее перспективными являются разработки, в которых внедрены контурные тепловые трубы [1].

Известна пассивная система охлаждения (патент РФ на изобретение №2297661, 29.07.2005), включающая в себя радиатор с вертикальным расположением ребер, представляющий собой боковую стенку системного блока, контурную тепловую трубу и тепловые интерфейсы.

Недостатком такой системы являются ограничения, связанные с применением контурных труб, ввиду следующих причин:

1) время выхода на номинальное тепловое сопротивление зависит от длины конденсатора и паропровода, поэтому контурные тепловые трубы могут применяться в системах с малыми скоростями изменения тепловых потоков;

2) в контурной тепловой трубе актуальной проблемой является обеспечение начала циркуляции теплоносителя в контуре;

3) контурная тепловая труба является чувствительной к внешним тепловым воздействиям на конденсатопровод, вследствие чего происходит изменение расхода теплоносителя в контуре и термического сопротивления тепловой трубы. В связи с этим необходимо искусственно регулировать температуру контурной тепловой трубы, что является определяющим фактором в оценке надежности системы.

Известна другая система охлаждения (Патент РФ на изобретение №2332818, 01.02.2007), которая включает в себя контурную тепловую трубу, оребрения на конденсаторе (радиатор) и вентилятор.

Недостатком этой системы являются наличие вентилятора, что сопровождается дополнительным потреблением электроэнергии и снижением уровня надежности охлаждающей системы, и ограничения, связанные с применением контурной тепловой трубы.

Известно совместное использование тепловых труб и вентиляторов, термоэлектрических модулей охлаждения и т.д. для охлаждения систем в компьютерной технике (Патенты РФ №2319327, 12.09.2006; №2239226, 20.11.2002). В изобретении №2319327 охлаждающая система содержит радиатор, по меньшей мере, один термоэлектрический модуль охлаждения, соединенный с блоком питания, а также охлаждающий теплообменник, взаимодействующий с радиатором через тепловую трубу. В изобретении №2239226 система охлаждения состоит из радиатора, тепловой трубы, размещенной на радиаторе, генератора воздушного потока, который также расположен на корпусе радиатора.

Особенности эксплуатации компьютерной техники, а именно использование в помещении с малоизменяющимся микроклиматом, отсутствие дефицита электроэнергии, использование в стационарном неподвижном положении (например, системный блок), показывают, что введение дополнительных устройств в систему охлаждения может быть целесообразным. Применение же исключительно пассивной системы, хотя и приведет к снижению уровня шума и сокращению энергопотребления, но отразится на дизайне продукции и приведет к нарушению принципов миниатюризации техники.

Использование подобных систем охлаждения для радиоэлектронных блоков, эксплуатирующихся в полевых условиях, крайне нежелательно, так как дополнительные источники питания приводят к увеличению расхода дефицитной энергии. Кроме того, корпус блока, как правило, герметичный, поэтому элементы системы отвода тепла (вентилятор, радиатор) необходимо выводить за пределы корпуса. Наличие ветра, пыли, снега, конденсата и т.д. способствует засорению вентиляторов и выводу их из строя. Поэтому приоритетным направлением в разработке эффективного рассеяния выделяемого блоком тепла является создание пассивной системы, способной работать в автономном режиме, а учитывая вращение блока вместе с узлами конструкции при эксплуатации - в любом векторном расположении.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, т.е. прототипом, является «Пассивная система охлаждения радиоэлементов в съемном модуле» (Патент РФ №2437140, 13.12.2010). Данная система (см. фиг.1) содержит комплекс тепловых труб 1, сопряженный с тепловыделяющими радиоэлементами 2, комплекс тепловых труб 1 соединен с тепловыми интерфейсами 3, зоной испарения 4 с одной стороны, и с другой стороны - с тепловым разъемом 5, состоящим из двух частей, включающим в себя коллектор 6 зон конденсации 7 тепловых труб 1 и канал 8 для циркуляции охлаждающей жидкости.

Недостатком данной системы является высокое суммарное термическое сопротивление системы охлаждения из-за большого количества стыковочных механических соединений, низкая надежность из-за того, что несомненно потребуется дополнительная система, обеспечивающая циркуляцию охлаждающей жидкости (насос), и теплообменник для охлаждения жидкости. При отсутствии циркуляции жидкости система приобретает пассивный характер, однако работать не сможет. Рассматривая охлаждающую систему прототипа в целом, можно сделать вывод, что данная система целесообразна в случаях, где нет дефицита электроэнергии и устройство находится в стационарном состоянии.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности конструкции системы охлаждения, способной стабильно работать в автономном режиме, в любом векторном направлении, повышение ресурса работы электронных блоков, обеспечение стабильности отвода тепла и поддержания их температуры в требуемых пределах, при одновременном снижении массогабаритных характеристик за счет уменьшения стыковочных механических соединений.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем тепловыделяющие радиоэлементы, поверхности которых через тепловые интерфейсы сопряжены с зонами испарения тепловых труб, от которых тепловая энергия переносится в зону конденсации, обеспечен непосредственный контакт источника нагрева (радиоэлемента) с тепловыми трубами, которые выведены за пределы корпуса электронного блока и спаяны с пластинами радиатора, жестко связанными между собой ограничителями, при этом система охлаждения имеет минимальное количество механических стыковок узлов и работает в любом векторном положении.

В заявленном изобретении эффект достигается за счет снижения суммарного термического сопротивления системы путем уменьшения стыковочных соединений в системе, а также наличием припаянных к корпусу тепловых труб радиаторных пластин, способствующих рассеиванию необходимого количества тепла. Благодаря этому снижается тепловое сопротивление на переходе труба - радиатор. Через радиаторные пластины, выставленные в ряд, проходят три тепловые трубы, благодаря чему происходит равномерное распределение теплового потока по всей площади пластин радиатора. Благодаря сверхтеплопроводным свойствам тепловых труб количество тепла от трубы к радиаторной пластине передается приблизительно одинаково, независимо от степени удаления пластины от источника тепла, а учитывая наличие капиллярной структуры в тепловых трубах, следует, что данные трубы будут обеспечивать теплоперенос в любом векторном направлении.

На фигурах 2 и 3 представлена конструкция предлагаемой пассивной системы охлаждения, где:

1 - комплекс тепловых труб;

2 - радиоэлементы;

3- тепловой интерфейс;

4 - зона испарения;

7 - зона конденсации;

8 - радиаторные пластины;

9 - ограничители.

Устройство включает в себя герметичный электронный блок и систему с впаянными в радиаторные пластины 8 тепловыми трубами 1 (фиг.2, 3). Концы тепловых труб 1 с одной стороны введены в корпус электронного блока к участкам, где расположены тепловыделяющие радиоэлементы 2 так, что они пронизывают насквозь тепловой интерфейс 3 и контактируют с нагруженным радиоэлементом 2, расположенным на этом тепловом интерфейсе 3, представляя собой зону испарения 4. В одном тепловом интерфейсе 3, на котором крепятся два радиоэлемента 2, вмонтировано шесть тепловых труб 1 диаметром 12 мм. Вне корпуса электронного блока тепловые трубы загнуты на 90 градусов через одну тепловую трубу в обе стороны. На свободные концы труб впаяны радиаторные пластины 8 так, что они вместе с тепловыми трубами 1 представляют одну монолитную конструкцию. Для обеспечения жесткости конструкции между радиаторными пластинами 8 на их периферии расположены ограничители 9, которые соединяют между собой эти пластины. Область, в которой к тепловым трубам 1 припаяны радиаторные пластины 8, является зоной конденсации 7 тепловых труб.

Устройство работает следующим образом:

С одной стороны тепловые трубы 1 вмонтированы в тепловой интерфейс 3, расположенный внутри электронного блока, так, что трубы проходят сквозь тепловой интерфейс 3, а их торцы совпадают с плоскостью, на которой крепятся радиоэлементы 2, и являются зонами испарения 4. С другой стороны к тепловым трубам 1 припаиваются радиаторные пластины 8, способствующие рассеиванию тепла, передаваемого системой тепловых труб 1. При работе радиоэлементы 2 выделяют тепло. Благодаря прямому контакту радиоэлементов 2 с зоной испарения 4 тепловых труб выделенное элементами тепло непосредственно поглощается зоной испарения 4 тепловых труб. При этом жидкость, находящаяся в тепловой трубе, испаряется, поглощая переданное тепло, и пар с высокой скоростью перемещается в зону с более низкой температурой - в зону конденсации 7, где пар конденсируется с передачей тепла на корпус тепловой трубы и, в дальнейшем, на припаянные к корпусу тепловой трубы радиаторные пластины 8. Сконденсированная жидкость поглощается фитилем, расположенным на внутренней стенке тепловой трубы, и за счет сил капиллярного эффекта жидкость движется в зону испарения - к источнику нагрева. Цикл передачи тепла завершен. На протяжении всего периода работы электронного модуля происходит непрерывная передача тепла от источника нагрева к радиаторным пластинам 8.

Ограничители 9 между радиаторными пластинами 8, а также впаянные в них тепловые трубы 1 обеспечат необходимую жесткость конструкции и позволят использовать пластины малых толщин, а также позволят исключить основание в конструкции радиатора. На этих принципах был изготовлен и апробирован опытный образец, способный рассеивать тепло мощностью 140 Вт при перегреве излучающего радиоэлемента относительно окружающей среды на 26 град. При этом масса радиатора не превысила 2 кг (с учетом массы теплового интерфейса).

Опытные работы показали, что в системе из тепловых труб и впаянных в них 36 радиаторных пластин изменение температуры в разных точках системы не превышало 2 градуса при естественной конвекции.

Таким образом, за счет того, что в известное устройство, содержащее тепловыделяющие радиоэлементы, поверхности которых через тепловые интерфейсы сопряжены с зонами испарения тепловых труб, от которых тепловая энергия переносится в зону конденсации, введены пластины радиатора, жестко связанные между собой ограничителями и размещенные на системе тепловых труб, система способна стабильно работать в автономном режиме и в условиях вращения, происходит повышение надежности конструкции системы охлаждения с одновременным повышением ресурса работы электронных блоков за счет обеспечения стабильности отвода тепла и поддержания их температуры в требуемых пределах.

Список литературы

1. Тепловые трубы. М., 1972 Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи.

М.,1983 Аккумулирование тепловой энергии. М., 1987

Промышленная теплоэнергетика, кн. 4. М., 1991.

Пассивная система охлаждения радиоэлементов в электронных блоках, содержащая тепловыделяющие радиоэлементы, поверхности которых через тепловые интерфейсы сопряжены с зонами испарения тепловых труб, отличающаяся тем, что в системе обеспечен непосредственный контакт тепловыделяющих радиоэлементов с тепловыми трубами через их торцы, которые выведены в противоположные стороны за пределы радиоэлектронного корпуса и спаяны с пластинами радиатора, жестко связанными между собой ограничителями.