PL216651B1 - Urządzenie elektroniczne z zespołem rozpraszania ciepła - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie elektroniczne z zespołem rozpraszania ciepła wydzielanego wewnątrz szczelnie zamkniętej obudowy, zabezpieczonej przed przedostaniem się szkodliwych substancji w postaci gazów, pyłu lub cieczy.

Podzespoły elektroniczne są często umieszczane w obudowach, które muszą wytrzymywać ekstremalne warunki panujące w otaczającej je atmosferze. Na przykład od urządzeń przeznaczonych do pracy w podziemiach kopalń wymagana jest budowa zapewniająca hermetyczność obudowy.

Podczas pracy elektronicznych przyrządów półprzewodnikowych, a także podzespołów biernych np. rezystorów wydzielają się niekiedy znaczne ilości energii cieplnej. Dla sprawnej i niezawodnej pracy urządzeń elektronicznych istotne znaczenie ma intensywne odprowadzenie ciepła generowanego przez elementy elektroniczne i zapewnienie właściwej temperatury pracy jego podzespołów, zwłaszcza tych zamkniętych w szczelnych obudowach. Nieodprowadzone z wnętrza obudowy ciepło może być przyczyną zwiększonej awaryjności urządzenia i stanowić znaczne zagrożenie dla umieszczonych wewnątrz funkcjonalnych zespołów elektronicznych. Aby temu zapobiec konieczne jest ciągłe ulepszania systemów chłodzenia urządzeń. Przy niewielkiej mocy wydzielanej przez układ, często wystarczającym elementem chłodzącym jest metalowa płytka wykonana z metalu o dobrym przewodnictwie cieplnym, a w przypadkach, w których odprowadzanie ciepła za pomocą jednej płytki jest niewystarczające powiększa się powierzchnię odprowadzającą ciepło przez zastosowanie radiatorów o znacznie większej powierzchni odprowadzającej ciepło. Urządzenia elektroniczne, w których odprowadza się energię cieplną za pośrednictwem radiatorów bez równoczesnego stosowania chłodzenia wymuszonym strumieniem powietrza cechuje niska sprawność w odprowadzaniu ciepła. Dlatego też tam gdzie jest to konieczne i możliwe do zastosowania, konwekcyjne odprowadzenie ciepła wspomaga się wymuszonym wentylatorami przepływem powietrza.

Rozwiązania takie prowadzą zazwyczaj do zwiększenia gabarytów i ciężaru urządzenia, co w wielu przypadkach jest niedogodne, albo wręcz niemożliwe.

Polskie normy dotyczące urządzeń elektrycznych w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów nakazują, z uwagi na zachowanie bezpieczeństwa, specjalną konstrukcję urządzeń, które ze względów eksploatacyjnych muszą spełniać wymogi pyłoszczelności, bryzgoszczelności i hermetyczności. Nakazują także stosownie kompozycji hermetyzujących te urządzenia kompozycjami trudnopalnymi, o dobrych właściwościach elektroizolacyjnych. Kompozycje takie charakteryzują się jednak złym przewodnictwem cieplnym, co w znacznym stopniu ogranicza stosowanie podzespołów elektronicznych wrażliwych na podwyższoną temperaturę w hermetyzowanych urządzeniach.

Jedno z rozwiązań dotyczące problemu odprowadzenia ciepła wydzielającego się przy obciążeniu prądowym przyrządów półprzewodnikowych zostało ujawnione w opisie patentowym PL 75 882. Układ według tego wynalazku zawiera metalową płytę dociskaną do obudowy stalową belką poprzez przekładkę izolacyjną. Płyta metalowa jest odizolowana elektrycznie od strony obudowy urządzenia warstwą izolacji elektrycznej. Płytę metalową od strony obudowy, jej obrzeże oraz częściowo powierzchnię zewnętrzną płyty pokrywa warstwa izolacyjna. Na powierzchni zewnętrznej tej płyty jest zamocowany przyrząd półprzewodnikowy. Druga warstwa izolacyjna jest nałożona na ścianę obudowy. Pomiędzy tymi warstwami izolacyjnymi jest umieszczony metalowy ekran. Stykające się z ekranem powierzchnie warstw izolacyjnych są pokryte cienką warstwą materiału o konsystencji past lub smarów.

Warstwa izolacji elektrycznej pomiędzy metalową płytą z zamocowanymi na niej przyrządami półprzewodnikowymi a obudową urządzenia stanowi jednocześnie izolację termiczną utrudniającą emisję energii cieplnej do otoczenia przez co zmniejsza się skuteczność chłodzenia. Ciepło wydzielające się przy obciążeniu prądowym przyrządów półprzewodnikowych, a kumulowane w metalowej płycie nie jest bowiem odprowadzane do otaczającej atmosfery.

Urządzenie elektroniczne z zespołem rozpraszania ciepła ma hermetyzowaną komorę, w której umieszczone są elektroniczne moduły funkcjonalne oraz metalowa płyta rozpraszająca ciepło. Ta metalowa płyta jest przymocowana bezpośrednio do obudowy urządzenia. Od strony obudowy jest ona pokryta kompozycją termoprzewodzącą. Do płyty są przytwierdzone przyrządy półprzewodnikowe odizolowane od niej elektroizolacyjną przekładką. Zespół z elektronicznymi funkcjonalnymi modułami jest wyposażony w dystansowe elementy.

PL 216 651 B1

Wynalazek uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia w przekroju fragment obudowy urządzenia z przylegającą do niej metalową płytą radiacyjną i z modułami funkcjonalnymi.

Urządzenie według wynalazku ma komorę aparaturową zawierającą przymocowaną bezpośrednio do obudowy 1 radiacyjną metalową płytę 2 z materiału o dużym współczynniku przewodności cieplnej, co zapewnia dobre odprowadzenie ciepła wydzielającego się przy prądowym obciążeniu przyrządów półprzewodnikowych 3 i umożliwia lepsze ich wykorzystanie. Te przytwierdzone do radiacyjnej metalowej płyty 2 przyrządy półprzewodnikowe 3 są odizolowane od niej elektroizolacyjnymi przekładkami 4, korzystnie przekładkami z tytanianu baru charakteryzującego się bardzo dobrym przewodnictwem cieplnym. Dla lepszego odprowadzenia ciepła do obudowy 1 od radiacyjnej metalowej płyty 2, powierzchnia styku tej płyty z obudową jest pokryta cienką warstwą kompozycji termoprzewodzącej 5 o konsystencji pasty. Umieszczony w komorze aparaturowej urządzenia zespół z elektronicznymi funkcjonalnymi modułami 6 ma od strony przylegającej do obudowy 1 dystansowe elementy 7 ustalające odległość funkcjonalnych modułów 6 od radiacyjnej metalowej płyty 2. Pozwala to na zmniejszenie wpływu ciepła emitowanego przez przyrządy półprzewodnikowe 3 na pracę funkcjonalnych modułów ograniczając awaryjność urządzenia. Zgodnie z polską normą dotyczącą urządzeń elektrycznych w przestrzeniach zagrożonych wybuchem gazów, komora aparaturowa urządzenia jest zahermetyzowana substancją 8 o dobrych właściwościach elektroizolacyjnych.

Zaletą przedstawionego wyżej urządzenia jest skuteczne obniżenie temperatury pracy przyrządów półprzewodnikowych przez odprowadzenie do otoczenia ciepła przez nie generowanego za pośrednictwem obudowy, której powierzchnia wypromieniowuje ciepło kumulujące się na płaskiej, radiacyjnej metalowej płycie, przy czym urządzenie ma zwartą budowę i małe gabaryty co osiągnięto eliminując stosunkowo duże radiatory kształtowe. Cechuje je także znikoma awaryjność, co ma istotne znaczenie w czasie eksploatacji w ruchu ciągłym, zwłaszcza zaś w podziemnych wyrobiskach kopalnianych.

Claims (1)

1. Urządzenie elektroniczne z zespołem rozpraszania ciepła, mające hermetyzowaną komorę z umieszczonymi w niej elektronicznymi funkcjonalnymi modułami i płytowy element rozpraszający ciepło, na którym zamontowane są przyrządy półprzewodnikowe, znamienne tym, że zawiera przymocowaną bezpośrednio do obudowy (1) urządzenia radiacyjną metalową płytę (2) pokrytą od strony obudowy kompozycją termoprzewodzącą (5), do której to płyty są przytwierdzone przyrządy półprzewodnikowe (3) odizolowane od radiacyjnej metalowej płyty (2) elektroizolacyjną przekładką (4), przy czym zespół z elektronicznymi funkcjonalnymi modułami (6) wyposażony w dystansowe elementy (7) jest hermetyzowany substancją (8) o dobrych właściwościach elektroizolacyjnych.