RU2727617C1

RU2727617C1 - Radiator

Info

Publication number: RU2727617C1
Application number: RU2019135193A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Ефимович Ионов; Кирилл Андреевич Иванов; Алексей Владимирович Редька; Алексей Алексеевич Золотарев
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар"
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2020-07-22

Abstract

FIELD: heat engineering.SUBSTANCE: invention relates to heat engineering. Said technical result is achieved due to arrangement of cooling medium (8) movement so that it initially enters zone of highest temperature of radiator to the base of ribs (4), and also due to turbulization of flow of cooling medium (8) passing through heat-distributing surface (2), which is parallel ribs (3), which are perpendicular to heat-absorbing surface (1) of radiator and form channels (6) for passage of cooling medium (8). Cooling medium (8) moves along heat-absorbing surface (1) of radiator through holes (7) in bases of ribs (4) and moves in direction from bases of edges (4) to their vertices (5).EFFECT: technical result consists in improvement of heat transfer from radiator to cooling medium.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов.The invention relates to the field of heat engineering and can be used to cool heat-loaded elements of electronic components, power and switching devices, transistor modules, electrical appliances.

Известен радиатор (патент CN 101072481, МПК G12B 15/06, G06F 1/20, H05K 7/20, H01L 23/367, опубликован 14.11.2007 г.), изготовленный из алюминиевого сплава и содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными ребрами, создающими каналы для прохождения охлаждающей среды. Ребра постоянного профиля в сечении, перпендикулярном направлению прохождения охлаждающей среды. Недостатком известного радиатора является низкая теплоотдача от ребер к охлаждающей среде вследствие наличия плохо разрушаемого теплового пограничного слоя. Тепловой пограничный слой образуется при обтекании любого твердого тела жидкой или газообразной средой, отличающейся от него температурой, на его поверхности вследствие действия сил вязкости и температурного градиента.Known radiator (patent CN 101072481, IPC G12B 15/06, G06F 1/20, H05K 7/20, H01L 23/367, published on November 14, 2007), made of an aluminum alloy and containing a heat-absorbing surface in contact with the heat-generating surface of the electronic component, and a heat-distributing surface formed perpendicular to the heat-absorbing surface by parallel ribs that create channels for the passage of the cooling medium. Ribs of a constant profile in a section perpendicular to the direction of passage of the cooling medium. The disadvantage of the known radiator is the low heat transfer from the fins to the cooling medium due to the presence of a poorly destroyed thermal boundary layer. A thermal boundary layer is formed when a liquid or gaseous medium, which differs from it in temperature, flows around any solid body on its surface due to the action of viscosity forces and temperature gradient.

Этого недостатка лишен радиатор (патент CN 202026556, МПК G06F 1/20, H05K 7/20, H01L 23/367, опубликован 02.11.2011 г.), содержащий множество параллельных одинаковых ребер в виде пластин. Охлаждающая среда движется перпендикулярно ребрам, причем в зоне прохождения охлаждающей среды на торцевой поверхности каждого ребра имеется множество выступов и впадин. Соседние ребра смещены относительно друг друга так, что в направлении движения охлаждающей среды за выступом очередного ребра следует впадина следующего и так далее. При этом происходит разрушение теплового пограничного слоя, повышается теплоотдача от ребер к охлаждающей среде, но значительно возрастает гидравлическое сопротивление радиатора потоку охлаждающей среды, что требует применения мощного напорного оборудования для подачи охлаждающей среды.The radiator lacks this drawback (patent CN 202026556, IPC G06F 1/20, H05K 7/20, H01L 23/367, published 02.11.2011), containing many parallel identical fins in the form of plates. The cooling medium moves perpendicular to the ribs, and in the zone of passage of the cooling medium on the end surface of each rib there are many projections and depressions. Adjacent ribs are displaced relative to each other so that in the direction of movement of the cooling medium, the projection of the next rib is followed by the depression of the next, and so on. In this case, the destruction of the thermal boundary layer occurs, the heat transfer from the fins to the cooling medium increases, but the hydraulic resistance of the radiator to the flow of the cooling medium increases significantly, which requires the use of powerful pressure equipment for supplying the cooling medium.

Известен радиатор (патент CN 104807362, МПК F28F 13/12, F28F 3/02, опубликован 29.07.2015 г.) с ребрами, содержащими элементы V-образной структуры, расположенными в шахматном порядке. При такой конструкции радиатора происходит хорошее разрушение теплового пограничного слоя, но велико гидравлическое сопротивление потоку охлаждающей среды. Изготовить такой радиатор методами механической обработки или пластической деформации очень сложно.Known radiator (patent CN 104807362, IPC F28F 13/12, F28F 3/02, published on July 29, 2015) with ribs containing elements of a V-shaped structure, arranged in a checkerboard pattern. With this design of the radiator, a good destruction of the thermal boundary layer occurs, but the hydraulic resistance to the flow of the cooling medium is high. It is very difficult to manufacture such a radiator by mechanical processing or plastic deformation.

Известен радиатор (патент CN 202614072, МПК F28F 13/12, H01F 27/12, опубликован 19.12.2012 г.) с ребрами, выполненными из изогнутой металлической ленты в виде «змейки», причем каждая вершина изогнутой ленты находится напротив впадины соседней изогнутой ленты. Для прохода охлаждающей среды ленты расположены на небольшом расстоянии друг от друга, образуя сквозной канал постоянного поперечного сечения. Охлаждающая среда, проходя по каналам, образованным лентами, постоянно зигзагообразно меняет направление движения. При таком расположении ребер радиатор имеет небольшое увеличение гидравлического сопротивления потоку охлаждающей среды по сравнению с прямоточными каналами, но значительно меньшее по сравнения с аналогами со смещенными и V-образными ребрами. При турбулентном движении потока охлаждающей среды, в силу постоянного изменения его направления, происходит разрушение теплового пограничного слоя. Недостатком данного технического решения является плохое разрушение теплового пограничного слоя при ламинарном движении потока охлаждающей среды. Особенно актуально это для вязких охлаждающих сред. Кроме того, предложенное техническое решение предусматривает изготовление ребер из листового металлического материала и их соединение с теплопоглощающей поверхностью радиатора методом точечной сварки. При таком соединении будет невысокая теплопередача от ребер к теплопоглощающей поверхности, что ухудшит работу радиатора.Known radiator (patent CN 202614072, IPC F28F 13/12, H01F 27/12, published on 19.12.2012) with ribs made of a curved metal tape in the form of a "snake", and each vertex of the curved tape is opposite the cavity of the adjacent curved tape ... For the passage of the cooling medium, the belts are located at a small distance from each other, forming a through channel of constant cross-section. The cooling medium, passing through the channels formed by the ribbons, constantly changes the direction of movement in a zigzag manner. With such an arrangement of the fins, the radiator has a slight increase in the hydraulic resistance to the flow of the cooling medium in comparison with the direct-flow channels, but much less in comparison with the analogs with offset and V-shaped fins. When the flow of the cooling medium is turbulent, due to the constant change in its direction, the thermal boundary layer is destroyed. The disadvantage of this technical solution is the poor destruction of the thermal boundary layer with laminar flow of the cooling medium. This is especially true for viscous cooling media. In addition, the proposed technical solution provides for the manufacture of fins from sheet metal material and their connection to the heat-absorbing surface of the radiator by means of spot welding. With such a connection, there will be low heat transfer from the fins to the heat-absorbing surface, which will worsen the performance of the radiator.

Изобретение описывает новый радиатор для охлаждения теплонагруженных элементов электронных компонентов, силовых и коммутационных устройств, транзисторных модулей, электроприборов, достигающий высокой эффективности охлаждения за счёт организации движения охлаждающей среды и теплового потока от тепловыделяющего элемента, компактный, с низким гидравлическим сопротивлением и возможностью его изготовления простыми методами механической обработки и сборки.The invention describes a new radiator for cooling heat-loaded elements of electronic components, power and switching devices, transistor modules, electrical appliances, achieving high cooling efficiency due to the organization of the movement of the cooling medium and heat flux from the fuel element, compact, with low hydraulic resistance and the possibility of its manufacture by simple methods machining and assembly.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в понижении температуры теплопоглощающей поверхности при повышении теплоотдачи от радиатора к охлаждающей среде за счет подачи охлаждающей среды к основаниям рёбер в зону самой высокой температуры радиатора и дополнительно от турбулизации потока охлаждающей среды.The technical result that can be obtained by carrying out the invention consists in lowering the temperature of the heat-absorbing surface while increasing heat transfer from the radiator to the cooling medium by supplying the cooling medium to the bases of the ribs in the zone of the highest temperature of the radiator and additionally from turbulization of the flow of the cooling medium.

Сущность изобретения – радиатор, изготовленный из теплопроводного материала, содержащий теплопоглощающую поверхность, контактирующую с тепловыделяющей поверхностью электронного компонента, и теплораспределяющую поверхность, образованную перпендикулярно к теплопоглощающей поверхности параллельными ребрами, создающими каналы для прохождения газообразной или жидкой охлаждающей среды, состоит в том, что каждое ребро в своём основании имеет определённое количество отверстий для пропуска охлаждающей среды, движение которой направлено от оснований рёбер к их вершинам.The essence of the invention is a radiator made of a heat-conducting material, containing a heat-absorbing surface in contact with the heat-generating surface of the electronic component, and a heat-distributing surface formed perpendicular to the heat-absorbing surface by parallel ribs creating channels for the passage of a gaseous or liquid cooling medium, consists in the fact that each rib at its base it has a certain number of holes for the passage of the cooling medium, the movement of which is directed from the bases of the edges to their tops.

Решению поставленной задачи способствуют признаки, характеризующие изобретение в частных случаях его выполнения или использования.The solution to the problem is facilitated by the features that characterize the invention in particular cases of its implementation or use.

Отверстия в основаниях рёбер могут иметь конфигурацию тела вращения или иную.The holes in the base of the ribs can have the configuration of the body of revolution or another.

Теплопоглощающая и теплораспределяющая поверхности радиатора могут быть изготовлены из материалов с относительно высокой теплопроводимостью. При этом соединение между собой теплопоглощающей и теплораспределяющей поверхностей осуществляется пайкой, но может быть осуществлено и иными способами.The heat-absorbing and heat-distributing surfaces of the radiator can be made of materials with relatively high thermal conductivity. In this case, the connection between the heat-absorbing and heat-distributing surfaces is carried out by soldering, but it can be carried out in other ways.

Из уровня техники не известно техническое решение с заявляемой совокупностью существенных признаков независимого пункта формулы изобретения, что подтверждает его соответствие условию патентоспособности «новизна».From the prior art, no technical solution is known with the claimed set of essential features of an independent claim, which confirms its compliance with the "novelty" condition of patentability.

Существенные отличительные признаки независимого пункта формулы заявляемого изобретения для специалиста явным образом не следуют из уровня техники, что подтверждает соответствие изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».The essential distinctive features of the independent claim of the claimed invention for a specialist do not explicitly follow from the prior art, which confirms the compliance of the invention with the patentability condition "inventive step".

Сущность изобретения подтверждается чертежами, где:The essence of the invention is confirmed by drawings, where:

на Фиг. 1 – радиатор, вид сбоку, разрез по оси;in FIG. 1 - radiator, side view, section along the axis;

на Фиг. 2 – радиатор, разрез по А-А;in FIG. 2 - radiator, section along A-A;

на Фиг. 3 – радиатор, сечение по Б-Б.in FIG. 3 - radiator, section along BB.

Перечень позиций элементов чертежей радиатора:List of positions of elements of radiator drawings:

1 - теплопоглощающая поверхность;1 - heat-absorbing surface;

2 - теплораспределяющая поверхность;2 - heat-distributing surface;

3 - ребро;3 - rib;

4 - основание ребра;4 - the base of the rib;

5 - вершина ребра;5 - top of the rib;

6 - канал;6 - channel;

7 - отверстие;7 - hole;

8 - охлаждающая среда.8 - cooling medium.

На разрезе по оси радиатора (Фиг. 1) показаны теплопоглощающая поверхность 1, контактирующая с тепловыделяющей поверхностью электронных компонентов (не показаны), теплораспределяющая поверхность 2 в виде множества ребер 3 с основаниями 4 и вершинами 5, образующая каналы 6 для прохода охлаждающей среды 8. В основаниях рёбер выполнены отверстия 7 для прохода охлаждающей среды, поступающей в каналы.The section along the axis of the radiator (Fig. 1) shows the heat-absorbing surface 1 in contact with the heat-generating surface of the electronic components (not shown), the heat-distributing surface 2 in the form of a plurality of fins 3 with bases 4 and tops 5, forming channels 6 for the passage of the cooling medium 8. In the bases of the ribs, holes 7 are made for the passage of the cooling medium entering the channels.

На разрезе по линии А-А (первое по ходу охлаждающей среды) радиатора (Фиг. 2) показан вариант расположения отверстий в основании первого ребра и их количество может быть N×M где N - количество отверстий в последнем (дальнем) от входа охлаждающей среды ребре (рекомендуется не менее 3), а M – полное количество ребер в радиаторе. Количество отверстий в каждом ребре начиная с самого дальнего от входа в радиатор охлаждающей среды определяется по формуле N×В, где В – порядковый номер ребра. В последнем ребре B=M.The section along the line A-A (the first along the flow of the cooling medium) of the radiator (Fig. 2) shows a variant of the location of the holes at the base of the first rib and their number can be N × M where N is the number of holes in the last (farthest) from the inlet of the cooling medium fin (at least 3 is recommended), and M is the total number of fins in the heatsink. The number of holes in each rib starting from the farthest from the inlet to the radiator of the cooling medium is determined by the formula N × B, where B is the ordinal number of the rib. At the last edge, B = M.

На сечении по Б-Б показано расположение отверстий в первом со стороны подачи охлаждающей среды и последующих рёбрах.The section along B-B shows the location of the holes in the first from the supply side of the cooling medium and subsequent ribs.

Теплопоглощающая и теплораспределяющая поверхности радиатора могут быть изготовлены из разных материалов (например, меди, алюминия, композитных материалов). Соединение между собой теплопоглощающей и теплораспределяющей поверхностей в этом случае может быть осуществлено, например, пайкой, прессованием под высоким давлением, сваркой, литьем.The heat-absorbing and heat-distributing surfaces of the radiator can be made of different materials (for example, copper, aluminum, composite materials). The connection between the heat-absorbing and heat-distributing surfaces in this case can be carried out, for example, by soldering, pressing under high pressure, welding, casting.

Радиатор работает следующим образом. Тепловыделяющие поверхности электронных компонентов (можно через термоинтерфейсы) устанавливают на теплопоглащающую поверхность 1 радиатора. Тепловой поток от тепловыделяющих поверхностей электронных компонентов через теплопоглощающую поверхность радиатора теплопроводностью передается его теплораспределяющей поверхности 2. По каналам 7 теплораспределяющей поверхности радиатора подается охлаждающая среда 8 (газообразная или жидкая). Вследствие организации подачи охлаждающей среды сразу в зону наибольшей температуры радиатора к основаниям рёбер 4 через отверстия 7 и дополнительной турбулизации потока охлаждающей среды последовательно проходящей через ряды отверстий в основаниях рёбер достигается значительно более эффективное охлаждение тепловыделяющих элементов, чем при известных схемах охлаждения с использованием оребрённых радиаторов.The radiator works as follows. The heat-generating surfaces of electronic components (possible through thermal interfaces) are installed on the heat-absorbing surface 1 of the radiator. The heat flux from the heat-generating surfaces of the electronic components through the heat-absorbing surface of the radiator is transferred by thermal conductivity to its heat-distributing surface 2. Through the channels 7 of the heat-distributing surface of the radiator, a cooling medium 8 (gaseous or liquid) is supplied. Due to the organization of the supply of the cooling medium directly to the zone of the highest temperature of the radiator to the bases of the fins 4 through the holes 7 and additional turbulization of the flow of the cooling medium passing sequentially through the rows of holes in the bases of the fins, a much more efficient cooling of the heat-generating elements is achieved than with known cooling schemes using finned radiators.

Описанные средства и методы, с помощью которых возможно осуществление изобретения, с реализацией указанного их назначения подтверждают соответствие изобретения условию патентоспособности «промышленная применимость».The described means and methods by which it is possible to implement the invention, with the implementation of their indicated purpose, confirm the compliance of the invention with the condition of patentability "industrial applicability".

Claims

A radiator made of a heat-conducting material containing a heat-absorbing surface in contact with the heat-generating surface of the electronic component and a heat-distributing surface formed perpendicular to the heat-absorbing surface by parallel fins that create channels for the flow of the cooling medium, characterized in that each fin has holes at its base for supplying a cooling medium moving from the bases of the ribs to their vertices, and the last along the flow edge has at least one hole, and each subsequent rib has an increased number of holes relative to the previous rib according to the law of arithmetic progression with a step equal to the number of holes in the last along the flow rib.