RU205641U1

RU205641U1 - COOLING DEVICE

Info

Publication number: RU205641U1
Application number: RU2021106835U
Authority: RU
Inventors: Даниила Алексеевна Владимирова; Никита Михайлович Грунин; Андрей Геннадьевич Полутов
Priority date: 2021-03-16
Filing date: 2021-03-16
Publication date: 2021-07-26

Abstract

Полезная модель относится к устройствам охлаждения электронных приборов, а именно к радиаторам, осуществляющим теплообмен между корпусом электронных приборов и охлаждающей средой. Технический результат: повышение эффективности отведения тепла. Сущность: устройство охлаждения содержит радиатор, печатную плату, которая снабжена, по меньшей мере, одним отверстием. Печатная плата также содержит диэлектрическую подложку и теплопроводные слои с двух сторон, узлы крепления. Радиатор содержит теплоотвод, стенку с монтажной поверхностью для электрического компонента, оребрение и установлен на теплопроводный слой печатной платы теплоотводом. Стенка с монтажной поверхностью для электрического компонента выполнена под углом к печатной плате таким образом, что два канала, образованные теплоотводом, стенкой с монтажной поверхностью для электрического компонента, оребрением и печатной платой выполнены расширяющимися. Элементы оребрения, образующие каналы, выполнены с воздушными зазорами между ними. По меньшей мере, одно отверстие выполнено сквозным и расположено напротив воздушного канала. Тепловой контакт электрического компонента со стенкой с монтажной поверхностью и тепловой контакт теплоотвода с теплопроводным слоем печатной платы обеспечен установкой прокладки из теплопроводящего материала между контактирующими поверхностями и затяжкой узлов крепления. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to devices for cooling electronic devices, namely to radiators that carry out heat exchange between the housing of electronic devices and the cooling medium. EFFECT: increased efficiency of heat removal. The essence: the cooling device contains a radiator, a printed circuit board, which is provided with at least one hole. The printed circuit board also contains a dielectric substrate and heat-conducting layers on both sides, attachment points. The radiator contains a heat sink, a wall with a mounting surface for an electrical component, fins and is installed on the heat-conducting layer of the printed circuit board with a heat sink. The wall with the mounting surface for the electrical component is made at an angle to the printed circuit board in such a way that the two channels formed by the heat sink, the wall with the mounting surface for the electrical component, the ribbing and the printed circuit board are made expandable. The finning elements forming the channels are made with air gaps between them. At least one hole is made through and is located opposite the air channel. The thermal contact of the electrical component with the wall with the mounting surface and the thermal contact of the heat sink with the heat-conducting layer of the printed circuit board is provided by installing a gasket made of heat-conducting material between the contacting surfaces and tightening the attachment points. 1 wp f-ly, 3 dwg

Description

Полезная модель относится к устройствам охлаждения электронных приборов, в том числе для промышленной электроники, а именно к радиаторам, осуществляющим теплообмен между корпусом электронных приборов и охлаждающей средой. Полезная модель предназначена для использования в составе вибрационно нагруженного электронного оборудования или подвижных объектов.The utility model relates to devices for cooling electronic devices, including industrial electronics, namely, to radiators that carry out heat exchange between the housing of electronic devices and the cooling medium. The utility model is intended for use in vibration-loaded electronic equipment or moving objects.

Проблема отведения тепла от электронных компонентов не теряет своей актуальности последние десятилетия. Наиболее остро она стоит в электронных модулях с высокой плотностью монтажа, в которых отсутствует принудительная вентиляция.The problem of removing heat from electronic components has not lost its relevance in recent decades. It is most acute in electronic modules with a high packing density, in which there is no forced ventilation.

Известно техническое решение, выбранное в качестве аналога, «Печатная плата с радиатором охлаждения» по патенту РФ №198573 (H05K 7/00, H01L 23/00, опубл. 16.07.2020). Печатная плата с радиатором охлаждения включает радиатор охлаждения, печатную плату, выполненную с возможностью размещения на радиаторе охлаждения, при этом печатная плата содержит теплопроводящий подслой и выделяющие тепло электрические компоненты, в печатной плате выполнены отверстия, через которые она вплотную закреплена на радиаторе охлаждения, а также окна для размещения выделяющих тепло электрических компонентов напрямую на поверхности радиатора охлаждения, а теплопроводящий подслой выполнен между радиатором охлаждения и выделяющими тепло электрическими компонентами.Known technical solution, selected as an analogue, "Printed circuit board with a cooling radiator" according to RF patent No. 198573 (H05K 7/00, H01L 23/00, publ. 07/16/2020). A printed circuit board with a cooling radiator includes a cooling radiator, a printed circuit board configured to be placed on a cooling radiator, while the printed circuit board contains a heat-conducting sublayer and heat-generating electrical components, holes are made in the printed circuit board through which it is tightly fixed to the cooling radiator, and windows for placing heat-generating electrical components directly on the surface of the cooling radiator, and a heat-conducting sublayer is formed between the cooling radiator and the heat-generating electrical components.

Недостатком данного устройства является невозможность его использования для электронных модулей с высокой плотностью монтажа. Техническое решение ориентированно на массивный радиатор.The disadvantage of this device is the impossibility of using it for electronic modules with a high packing density. The technical solution is focused on a massive radiator.

Известно техническое решение, выбранное в качестве аналога, «Теплопроводный установочный элемент для крепления печатной платы к радиатору» по патенту РФ №2495507 (G12B 15/06, H05K 7/20, H01L 23/34, F21V 29/00, опубл. 10.10.2013). Указанное устройство для рассеяния тепла для выделяющего тепло электрического компонента содержит радиатор, печатную плату, выполненную с возможностью размещения на радиаторе, при этом печатная плата содержит диэлектрическую подложку, снабженную теплопроводным слоем на стороне, обращенной от радиатора, выделяющий тепло электрический компонент, размещенный на печатной плате и находящийся в тепловом контакте с теплопроводным слоем, отличающееся тем, что тепловыделяющий установочный элемент прикреплен к теплопроводному слою посредством пайки, причем установочный элемент имеет соединительную часть, выполненную с возможностью зацепления с углублением в радиаторе, обеспечивая тем самым крепление печатной платы к радиатору, так что обеспечивается тепловой канал от выделяющего тепло электрического компонента через теплопроводный слой и установочный элемент к радиатору.Known technical solution, selected as an analogue, "Heat-conducting installation element for attaching a printed circuit board to a radiator" according to RF patent No. 2495507 (G12B 15/06, H05K 7/20, H01L 23/34, F21V 29/00, publ. 10.10. 2013). The specified heat dissipation device for a heat-generating electrical component comprises a heat sink, a printed circuit board configured to be placed on the heat sink, the printed circuit board comprising a dielectric substrate provided with a heat-conducting layer on the side facing away from the heat sink, a heat-generating electrical component located on the printed circuit board and being in thermal contact with the heat-conducting layer, characterized in that the heat-generating locating element is attached to the heat-conducting layer by soldering, the locating member having a connecting part adapted to engage with a recess in the heat sink, thereby securing the printed circuit board to the heat sink, so that a heat conduit is provided from the heat generating electrical component through the heat transfer layer and the mounting element to the radiator.

Данное техническое решение обладает недостатками предыдущего аналога, а так же устройство использует фиксатор типа защелка, которое характеризуется низкой устойчивостью к вибрации и ударам.This technical solution has the disadvantages of the previous analogue, as well as the device uses a latch-type retainer, which is characterized by low resistance to vibration and shock.

Известно техническое решение, приведенное в качестве устройства из предшествующего уровня техники (прототипа) по патенту РФ №2495507, выбранное также в качестве прототипа для заявленной полезной модели. В указанном устройстве светоизлучающий диод (LED) установлен на печатной плате (РСВ). Печатная плата содержит листы меди, нанесенные слоями на обе стороны диэлектрической подложки. Типично, из верхнего листа меди (т.е. листа меди, обращенного к LED) вытравливают связи электрической схемы для обеспечения соответствующей схемы. Листы меди, размещенные на обеих сторонах РСВ, также служат в качестве теплопроводных слоев. Эти теплопроводные слои связаны рядом тепловых переходных отверстий. LED припаян к РСВ, причем р-n переход LED электрически соединен со связями электрических схем РСВ. Пайка также обеспечивает тепловой контакт между р-n переходом и верхним тепловодным слоем верхнего листа меди. Печатную плату типично монтируют к радиатору, используя винты. Устройство может быть также снабжено термопастой для улучшения теплового контакта между радиатором и теплопроводным слоем, обращенным к радиатору. Посредством этого устройства тепло, выделяемое на переходе LED, проводится через теплопроводные слои печатной платы и к радиатору, а затем в окружающую среду.Known technical solution, given as a device from the prior art (prototype) according to RF patent No. 2495507, also selected as a prototype for the claimed utility model. In the specified device, a light emitting diode (LED) is installed on a printed circuit board (PCB). The printed circuit board contains sheets of copper laminated on both sides of a dielectric substrate. Typically, circuit connections are etched from the top copper sheet (i.e., the copper sheet facing the LED) to provide a suitable circuit. Copper sheets placed on both sides of the PCB also serve as heat transfer layers. These heat transfer layers are connected by a series of thermal vias. The LED is soldered to the PCB, and the pn junction of the LED is electrically connected to the connections of the PCB electrical circuits. Brazing also provides thermal contact between the pn junction and the top heat-water layer of the top copper sheet. The PCB is typically mounted to the heatsink using screws. The device can also be provided with thermal grease to improve thermal contact between the heatsink and the heat transfer layer facing the heatsink. Through this device, the heat generated at the LED junction is conducted through the heat transfer layers of the printed circuit board and to the heat sink and then into the environment.

Недостатками прототипа является использование масивного радиатора и припаянного к теплоотводящим слоям печатной платы зацепного элемента, что наряду с низкой прочностью узла до установки на радиатор усложняет замену электрорадиоизделия при ремонте. В случае же действия ограничений на размеры радиатора эффективность технического решения становится ограниченной расположением узла в пространстве, так как необходимы дополнительные меры для обеспечения подвижности воздушных потоков, окружающих электрорадиоизделия со всех сторон.The disadvantages of the prototype are the use of a massive radiator and a hooking element soldered to the heat-dissipating layers of the printed circuit board, which, along with the low strength of the assembly before installation on the radiator, complicates the replacement of the electrical radio product during repair. In the case of restrictions on the size of the radiator, the effectiveness of the technical solution becomes limited by the location of the unit in space, since additional measures are needed to ensure the mobility of air flows surrounding the electrical radio products from all sides.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности отведения тепла за счет включения максимальной площади поверхности и формирования условий естественной конвекции воздуха для применения в составе электронных модулей с высокой плотностью поверхностного монтажа подвижных объектов.The technical result of the utility model is to increase the efficiency of heat removal by including the maximum surface area and the formation of conditions for natural air convection for use in electronic modules with a high density of surface mounting of moving objects.

Технический результат достигается за счет того, что устройство охлаждения содержит радиатор, печатную плату, которая снабжена, по меньшей мере, одним отверстием, при этом печатная плата также содержит диэлектрическую подложку и теплопроводные слои с двух сторон, узлы крепления, радиатор содержит теплоотвод, стенку с монтажной поверхностью для электрического компонента, оребрение и установлен на теплопроводный слой печатной платы теплоотводом, стенка с монтажной поверхностью для электрического компонента выполнена под углом к печатной плате таким образом, что два воздушных канала, образованных теплоотводом, стенкой с монтажной поверхностью для электрического компонента, оребрением и печатной платой выполнены расширяющимися, при этом элементы оребрения, образующие каналы, выполнены с воздушными зазорами между ними, причем, по меньшей мере, одно отверстие, выполнено сквозным и расположено напротив воздушного канала, тепловой контакт электрического компонента со стенкой с монтажной поверхностью и тепловой контакт теплоотвода с теплопроводным слоем печатной платы обеспечен установкой прокладки из теплопроводящего материала между контактирующими поверхностями и затяжкой узлов крепления.The technical result is achieved due to the fact that the cooling device contains a radiator, a printed circuit board, which is equipped with at least one hole, while the printed circuit board also contains a dielectric substrate and heat-conducting layers on both sides, attachment points, the radiator contains a heat sink, a wall with a mounting surface for an electrical component, fins and is installed on the thermal conductive layer of a printed circuit board by a heat sink, a wall with a mounting surface for an electrical component is made at an angle to the printed circuit board in such a way that two air channels formed by a heat sink, a wall with a mounting surface for an electrical component, fins and the printed circuit board is made expanding, while the finning elements forming the channels are made with air gaps between them, and at least one hole is made through and located opposite the air channel, the thermal contact of the electrical component with the wall from the mounting surface spine and thermal contact of the heat sink with the heat-conducting layer of the printed circuit board is ensured by installing a gasket made of heat-conducting material between the contacting surfaces and tightening the attachment points.

Также по меньшей мере, одно отверстие может быть выполнено металлизированным, соединяющим теплопроводные слои на верхней и нижней сторонах печатной платы.Also, at least one hole can be made metallized, connecting the heat-conducting layers on the upper and lower sides of the printed circuit board.

Сущность полезной модели поясняется на чертежах:The essence of the utility model is illustrated in the drawings:

Фиг. 1 - Общий вид устройства охлаждения,FIG. 1 - General view of the cooling device,

Фиг. 2 - Общий вид радиатора,FIG. 2 - General view of the radiator,

Фиг. 3 - Устройство охлаждения в разрезе,FIG. 3 - Sectional cooling device,

На чертежах представлены следующие обозначения:The drawings show the following symbols:

1 – радиатор,1 - radiator,

2 - печатная плата,2 - printed circuit board,

3 - отверстия в печатной плате,3 - holes in the printed circuit board,

4 - диэлектрическая подложка,4 - dielectric substrate,

5 - теплопроводный слой,5 - heat-conducting layer,

6 - электрический компонент,6 - electrical component,

7 –теплоотвод,7 - heat sink,

8 - стенка с монтажной поверхностью,8 - wall with mounting surface,

9 – оребрение,9 - ribbing,

10 - узлы крепления,10 - attachment points,

11 - теплопроводный слой,11 - heat-conducting layer,

12, 13 - прокладка из теплопроводящего материала,12, 13 - gasket made of heat-conducting material,

14 – винт,14 - screw

15 – шайба,15 - washer,

16 - изоляционная втулка,16 - insulating sleeve,

17 - элементы оребрения,17 - finning elements,

18 - зазор между элементами оребрения.18 - the gap between the finning elements.

Устройство охлаждения содержит радиатор 1, установленный на печатной плате 2. Печатная плата 2 снабжена отверстиями 3, диэлектрической подложкой 4 и теплопроводными слоями 5 и 11 с нижней и верхней части печатной платы соответственно. Радиатор 1 состоит из теплоотвода 7, стенки с монтажной поверхностью 8 для электрического компонента 6 и оребрения 9. На радиаторе 1 установлен выделяющий тепло электрический компонент 6, причем между электрическим компонентом 6 и стенкой с монтажной поверхностью 8 размещена прокладка из теплопроводящего материала 12. Теплоотвод 7, стенка с монтажной поверхностью 8 для электрического компонента 6, оребрение 9 и печатная плата 2 образуют два воздушных канала, расширяющихся за счет того, что стенка с монтажной поверхностью 8 для электрического компонента 6 выполнена под углом к печатной плате 2. Также оребрение 9, формирующее стенку каналов, состоит из элементов оребрения 17, между которыми выполнены зазоры 18. Между теплоотводом 7 и теплопроводным слоем 11 также установлена прокладка 13 из теплопроводящего материала. Радиатор 1 зафиксирован на печатной плате 2 с помощью узла крепления 10. Электрический компонент 6 закреплен на радиаторе 1 при помощи винта 14, шайбы 15 и изоляционной втулки 16.The cooling device contains a radiator 1 mounted on a printed circuit board 2. The printed circuit board 2 is provided with holes 3, a dielectric substrate 4 and heat-conducting layers 5 and 11 from the lower and upper parts of the printed circuit board, respectively. The radiator 1 consists of a heat sink 7, a wall with a mounting surface 8 for an electrical component 6 and fins 9. A heat-generating electrical component 6 is installed on the heat sink 1, and a gasket of heat-conducting material 12 is placed between the electrical component 6 and the wall with the mounting surface 8. Heat sink 7 , the wall with the mounting surface 8 for the electrical component 6, the fins 9 and the printed circuit board 2 form two air channels expanding due to the fact that the wall with the mounting surface 8 for the electrical component 6 is made at an angle to the printed circuit board 2. Also, the fins 9 forming the channel wall consists of finning elements 17, between which gaps 18 are made. Between the heat sink 7 and the heat-conducting layer 11, a spacer 13 of heat-conducting material is also installed. The radiator 1 is fixed to the printed circuit board 2 by means of a fastening unit 10. The electrical component 6 is fixed to the radiator 1 with a screw 14, a washer 15 and an insulating sleeve 16.

Устройство работает следующим образом. Тепловой поток от электрического компонента 6 через прокладку из теплопроводящего материала 12 попадает в стенку с монтажной поверхностью 8 радиатора 1. Растекаясь в объеме стенки с монтажной поверхностью 8 тепловой поток распространяется по объему радиатора 1. Часть теплового потока через поверхности оребрения 9 отводится в окружающую среду. Другая часть через теплоотвод 7, прокладку из теплопроводящего материала 13 попадает в теплопроводный слой 11 печатной платы 2 и с поверхности слоя 11 рассеивается в окружающую среду. Дополнительные поверхности печатной платы 2 для рассеивания тепла могут использоваться при изготовлении в ней метализированных отверстий 3, соединяющих теплопроводные слои 5 и 11. В этом случае часть теплового потока от теплопроводного слоя 11 через металлизированные отверстия 3 попадает в теплопроводный слой 5 печатной платы 2. А с поверхностей теплопроводных слоев 5 и 11 рассеивается в окружающую среду. Для максимального использования свойств металлизированного отверстия в части кондуктивного отведения теплового потока от теплопроводного слоя 11 к теплопроводному слою 5 отверстия 3 могут быть заполнены припоем (не показан).The device works as follows. The heat flux from the electrical component 6 through the gasket of heat-conducting material 12 enters the wall with the mounting surface 8 of the radiator 1. Spreading in the volume of the wall with the mounting surface 8, the heat flux spreads through the volume of the radiator 1. Part of the heat flux through the fin surfaces 9 is discharged into the environment. The other part, through the heat sink 7, the spacer of the heat-conducting material 13, enters the heat-conducting layer 11 of the printed circuit board 2 and is dispersed from the surface of the layer 11 into the environment. Additional surfaces of the printed circuit board 2 for heat dissipation can be used in the manufacture of metallized holes 3 in it, connecting the heat-conducting layers 5 and 11. In this case, part of the heat flux from the heat-conducting layer 11 through the metallized holes 3 enters the heat-conducting layer 5 of the printed circuit board 2. A c surfaces of heat-conducting layers 5 and 11 is scattered into the environment. To maximize the properties of the metallized hole in the part of conductive heat flow removal from the heat-conducting layer 11 to the heat-conducting layer 5, the holes 3 can be filled with solder (not shown).

Также часть теплового потока благодаря нагреву элементов радиатора 1, а именно теплоотвода 7, стенки с монтажной поверхностью 8, оребрения 9, образующих с поверхностью печатной платы 2 расширяющиеся каналы, увлекается воздушным потоком согласно эффекту Вентури. Благодаря элементам оребрения 17 и зазорам 18 между ними обеспечивается перемешивание подвижного воздушного потока внутри каналов, что способствует движению воздуха через отверстия 3, обеспечивая дополнительную эффективность рассеивания тепла в окружающую среду. Использование диэлектрической втулки 16 обеспечивает изоляцию электрического компонента 6 от электропроводных элементов конструкции устройства.Also, part of the heat flux due to the heating of the elements of the radiator 1, namely the heat sink 7, the wall with the mounting surface 8, the ribs 9, forming expanding channels with the surface of the printed circuit board 2, is entrained by the air flow according to the Venturi effect. Thanks to the finning elements 17 and the gaps 18 between them, the moving air flow inside the channels is mixed, which facilitates the movement of air through the holes 3, providing additional efficiency of heat dissipation into the environment. The use of a dielectric sleeve 16 insulates the electrical component 6 from the electrically conductive structural elements of the device.

Прокладки из теплопроводящего материала 12 и 13 устанавливаются между теплопроводящими поверхностями радиатора 1 и электрического компонента 6, радиатора 1 и теплопроводящего слоя 11 печатной платы 2 соответственно для обеспечения качественного теплового контакта за счет исключения влияния качества обработки теплопроводящих поверхностей соединяемых деталей.Gaskets made of heat-conducting material 12 and 13 are installed between the heat-conducting surfaces of the radiator 1 and the electrical component 6, the heat sink 1 and the heat-conducting layer 11 of the printed circuit board 2, respectively, to ensure high-quality thermal contact by eliminating the influence of the processing quality of the heat-conducting surfaces of the parts to be joined.

Технический результат достигается за счет того, что отведение тепла в окружающую среду обеспечивается максимальным увеличением площади поверхности радиатора, включением дополнительной площади рассеивания тепловой энергии за счет внешних теплопроводящих слоев печатной платы, а также формированием подвижного потока воздуха внутри элементов конструкции радиатора (эффект Вентури, естественная конвекция), что позволяет эффективно производить отведение тепла от нагретого электрического компонента в окружающую среду.The technical result is achieved due to the fact that heat removal into the environment is ensured by a maximum increase in the surface area of the radiator, the inclusion of an additional area for dissipation of thermal energy due to the external heat-conducting layers of the printed circuit board, as well as the formation of a mobile air flow inside the elements of the radiator structure (Venturi effect, natural convection ), which makes it possible to efficiently remove heat from the heated electrical component into the environment.

Реализация устройства охлаждения в габаритных размерах радиатора FK231 SA 220 каталог Ficher Elektronik f. cool выявил уменьшение теплового сопротивления в 2 раза по сравнению с исходным образцом радиатора FK231 SA 220 при сохранении габаритных размеров устройства охлаждения.Implementation of the cooling device in the overall dimensions of the FK231 SA 220 radiator Ficher Elektronik catalog f. cool revealed a 2-fold decrease in thermal resistance compared to the original sample of the FK231 SA 220 heatsink while maintaining the overall dimensions of the cooling device.

Элементы конструкции могут быть изготовлены на приборостроительном предприятии: печатная плата изготавливается по известной технологии - химическим травлением проводников с использованием фольгированного материала Стеклотекстолит FR-4 PCL 370HR ML, радиатор может быть изготовлен из алюминиевого сплава АМцН2 ГОСТ 4784-2019 фрезерованием. Также радиатор может быть изготовлен из алюминиевого профиля или с использованием аддитивной технологии 3D печати из порошка алюминиевого сплава AlSi10Mg.Structural elements can be manufactured at an instrument-making enterprise: a printed circuit board is manufactured using a well-known technology - chemical etching of conductors using foil-clad material FR-4 PCL 370HR ML glass fiber laminate, a radiator can be made of AMtsN2 aluminum alloy GOST 4784-2019 by milling. Also, the radiator can be made of an aluminum profile or using additive technology of 3D printing from powder of aluminum alloy AlSi10Mg.

Claims

1. A cooling device containing a radiator, a printed circuit board, which is provided with at least one hole, while the printed circuit board also contains a dielectric substrate and heat-conducting layers on both sides, attachment points, characterized in that the radiator contains a heat sink, a wall with a mounting surface for the electrical component, fins and is installed on the heat transfer layer of the printed circuit board by a heat sink, the wall with the mounting surface for the electrical component is made at an angle to the printed circuit board in such a way that the two channels formed by the heat sink, the wall with the mounting surface for the electrical component, the fins and the printed circuit board are made expanding, while the finning elements forming the channels are made with air gaps between them, and at least one hole is made through and located opposite the air channel, the thermal contact of the electrical component with the wall with the mounting surface and the thermal contact of the heat sink and with a thermally conductive layer of the printed circuit board, it is provided by installing a gasket made of a thermally conductive material between the contacting surfaces and tightening the attachment points.

2. A cooling device according to claim. 1, characterized in that at least one hole is made of metallized, connecting the heat-conducting layers on the upper and lower sides of the printed circuit board.