Дротяний радіатор

1. Дротяний радіатор, що містить у своєму складі основу із закріпленими на ній обома кінцями ділянками дротів, що являють собою петлі, який відрізняється тим, що петлі з'єднані між собою додатково підтримуючим каркасом, при цьому підтримуючий каркас установлено нерухомо відносно основи, а діаметр дротів петель лежить у межах від 0,005 до 0,5мм. 2. Дротяний радіатор за п.1, який відрізняється тим, що основу виконано з теплопровідного матеріалу, а петлі закріплені на основі. 3. Дротяний радіатор за п.1, який відрізняється тим, що підтримуючий каркас установлено фіксовано відносно основи за допомогою щонайменш однієї перетинки, що закріплена на основі. 4. Дротяний радіатор за п.2, який відрізняється тим, що петлі закріплені на підтримуючому каркасі, а перетинки та підтримуючий каркас виконані з теплопровідного матеріалу. UA (21) 2003032001 (22) 06.03.2003 (24) 15.09.2006 (46) 15.09.2006, Бюл. № 9, 2006 р. (72) Ніколаєнко Тимофій Юрієвич, Ніколаєнко Юрій Єгорович (73) Ніколаєнко Тимофій Юрієвич, Ніколаєнко Юрій Єгорович (56) Орнатский А.П., Латенко Б.В., Попель Ю.С. Исследование влияния геометрических характеристик пластинчатых петельно-проволочных радиаторов полупроводниковых приборов на теплообмен при естественной конвекции // Теплофизика и теплотехника. - 1973. вып.23. - C.53-57 SU 1485329 A1, H02K7/20, 07.06.89 SU 1444975 A1, 15.12.88 RU 730206 C, 30.07.1994 Бочкарев Э. П., Андреев В.М., Тузовский К.А., Зиновьев Д.В., Павленко Е.Ю. Эффект гигантской теплоотдачи телами субмиллиметровых размеров // Доклады академии наук. - 1999. - T.366, №2. C.178-180 Кремнев О.А., Зозуля Н.В., Хавин А.А. Теплоотдача продольнообтекаемых труб с петельнопроволочным оребрением // Энергомашиностроение. - 1962. - №5. - C.29-31 C2 2 (19) 1 3 61578 4 при його виготовленні та призводить до збільшендібна форма ребер, що знижує ефективність тепня масогабаритних характеристик радіатора. ловіддачі як при природній, так і при примусовій Відома конструкція радіатора, що виконаний у конвекції. А, як відомо [див. статтю Э.П.Бочкарѐв, вигляді набору дротяних спіралей, що з'єднані між В.М.Андреев, К.А.Тузовский, Д.В.Зиновьев, собою, при цьому спіралі виконані з різними наЕ.Ю.Павленко. Эффект гигантской теплоотдачи прямками навивки [див. патент Росії №730206 С телами субмиллиметровых размеров, що опубліΜΠΚ H01L23/34, опубл. 30.07.94р., бюл №14]. Некована в журналі «Доклады академии наук», доліком такої конструкції є низька жорсткість спі1999р., т.366, №2, с.178-180], саме зі зменшенням ралей при використанні дроту субміліметрового лінійних розмірів тіл до десятків та одиниць мікродіаметра, наприклад, 0,02-0,3мм, внаслідок чого метрів суттєво збільшується коефіцієнт конвективзнижується їх експлуатаційна надійність. ної тепловіддачі. Зазначені причини обмежують Відома конструкція радіатора для охолодженефективність охолодження петельно-дротяних ня напівпровідникових приладів, що містить оснорадіаторів. ву, на якій під прямим кутом закріплена решітка з В основу винаходу поставлено задачу створиметалевих дротів, наприклад, у вигляді сітки [див. ти таку конструкцію дротяного радіатора, яка б а.с. СССР №1485329, ΜΠΚ H01L23/36, Н05К7/20, шляхом підвищення жорсткості конструкції забезопубл. 07.06.89р. Б.И. №21]. Решітки прикріплені печила стабільну форму дротяних петель як у до основи одними кінцями та розміщені рівномірно процесі виготовлення, так і в процесі експлуатації, на одній торцевій поверхні основи паралельно між при використанні дротів субміліметрового діаметсобою та під прямим кутом до напрямку потоку ра, наприклад, від 0,5мм до 0,005мм, і за рахунок охолоджуючого повітря. Гілки одного ряду кожної цього підвищити інтенсивність тепловіддачі та сітки мають форму петель, закріплених незамкнеефективність охолодження радіатора. ними кінцями на основі. Дроти петель різних рядів Поставлена задача вирішується за рахунок томожуть мати різні діаметри. Такий радіатор при го, що у дротяному радіаторі, який містить в своєоднакових габаритних розмірах з ребристим пласму складі основу із закріпленими на ній обома кінтинчатим радіатором і однаковою тепловою потуцями ділянками дротів, що являють собою петлі, жністю, яку вони розсіюють, має значно кращі хаутворені петлі з'єднані між собою додатково підтрактеристики по масі. римуючим каркасом, при цьому підтримуючий карНедоліком такого радіатора є технологічні кас установлено нерухомо відносно основи, а діатруднощі при виготовленні та необхідність забезметр дротів петель лежить у межах від 0,005 до печення надійного теплового контакту у місцях 0,5мм. Основа може бути виконана з теплопровідперетину дротів сітки між собою. Особливо складного матеріалу, а кінці ділянок дротів закріплені на но виготовити такий радіатор при використанні основі із забезпеченням теплового контакту. Підтдуже тонких дротів, наприклад, діаметром одиниць римуючий каркас установлено фіксовано відносно та десятків мікрометрів. В цьому випадку важко основи за допомогою щонайменш однієї перетинзабезпечити також стабільність форми решіток у ки, що закріплена на основі. Перетинки та підтрипроцесі експлуатації. муючий каркас можуть бути виконані з теплопровіНайбільш близькою до запропонованої за судного матеріалу. купністю ознак і технічному результату є конструкВинахідницький рівень заявленого технічного ція пластинчатого петельно-дротяного радіатора рішення полягає у тому, що заявлене технічне напівпровідникових приладів, яка вибрана за прорішення на відміну від усіх існуючих аналогів, дототип, [див. статтю А.П.Орнатский, Б.В.Латенко, зволяє використати надтонкий дріт в конструкції Ю.С.Попель. Исследование влияния геометричерадіатора та досягти підвищення тепловіддаючії ских характеристик пластинчатых петельноздатності радіатора. проволочных радиаторов полупроводниковых Використання дроту з діаметром від 0,005 до приборов на теплообмен при естественной кон0,5мм дозволяє суттєво збільшити коефіцієнт тепвекции. Опублікована в журналі «Теплофизика и ловіддачі від поверхні дротяного радіатора як при теплотехника», 1973р., вип. 23, с.53-57, рис.1 на природній, так і при примусовій конвекції, і підвис.53], що містить у своєму складі основу з двох щити ефективність охолодження напівпровідниконапівпластин, на зовнішніх сторонах яких припаяні вого приладу та покращити масогабаритні харакпетельно-дротяні ребра. Ребра мають вигляд зігтеристики радіатора. нутих ділянок дротів, обидва кінці якого припаяні Конструкція та принцип дії запропонованого до основи, а петля виступає над поверхнею оснодротяного радіатора пояснюються кресленнями. ви перпендикулярно до неї. Для забезпечення На Фіг.1 показана одна з можливих конструкцій стабільності форми ребер у процесі виготовлення дротяного радіатора для напівпровідникового прита експлуатації діаметр дротів складає від 0,49 до ладу, наприклад, для транзистора 2Т808А. 1,0мм. На Фіг.2 та 3 у збільшеному масштабі показаПорівняно з радіаторами з гладкими суцільнино варіанти закріплення петель, що утворені ділями металевими ребрами, описані радіатори з пенками дротів, на основі та підтримуючому каркасі, тельно-дротяним оребренням при приблизно ода на Фіг.4 - загальний вигляд виготовленого та накових габаритах і товщині основи дають виграш випробуваного експериментального зразка дротяу масі радіаторів на 30-50%. ного радіатора. Основним недоліком прототипу є те, що в його На Фіг.5 зображено варіант конструкції радіаконструкції важко використати дроти діаметром тора з чашкоподібною основою, менше 0,5мм, оскільки при цьому у зв'язку з недона Фіг.6 - варіант з основою, яка може обіймастатньою жорсткістю дротів утрачається петлепоти корпус тепловиділяючого приладу. 5 61578 6 На Фіг.7 показано варіант виконання дротяноєю (а частково - випромінюванням) до оточуючого го радіатора, коли дроти мають у перетині форму, повітря. Частково теплота розсіюється також навідмінну від круглої, грітими поверхнями підтримуючого каркаса, переа на Фіг.8 - варіант радіатора для приладу з тинок та основи, але, у зв'язку з відносно невеликорпусом прямокутної форми. кою площею їх поверхні, основна кількість теплоти Дротяний радіатор для напівпровідникового розсіюється тонкими дротами петель. Таким чиприладу, наприклад, для транзистора 2Т808А, ном від транзистора відводиться теплота, та за(див. Фіг.1) містить у своєму складі основу 1, яка безпечується його нормальний тепловий режим. виконана, наприклад, у вигляді замкненого кільця Для підвищення ефективності охолодження з мідного дроту діаметром 1,5мм, із закріпленими використовується обдув радіатора за допомогою на ній обома кінцями ділянками тонких (діаметром вентилятора. При цьому теплота від дротів радіавід 0,005 до 0,5мм) мідних дротів 2, що являють тора відводиться примусовою конвекцією. собою петлі. В межах одного радіатора різні петлі При природній конвекції рекомендується радіможуть бути утворені ділянками дротів однакового атор розташовувати в горизонтальній площині, або різних діаметрів. Вершини петель з'єднані між щоб зменшити тепловий вплив нагрітих петель на собою додатково підтримуючим каркасом 3, який інші. При примусовій конвекції рекомендується виконано, наприклад, у вигляді замкненого кільця повітряний потік від вентилятора спрямовувати діаметром 50мм із мідного дроту діаметром 1,5мм. перпендикулярно до площини радіатора. Підтримуючий каркас 3 установлено нерухомо Заявлена конструкція дротяного радіатора, відносно основи 1 за допомогою двох перетинок 4, завдяки використанню дротів субміліметрового які також виконано з мідного дроту діаметром діаметру (0,005-0,5мм), дозволяє суттєво підвищи1,5мм, та які закріплені на основі 1 та на підтрити коефіцієнт тепловіддачі від його петель, та збемуючому каркасі 3, наприклад, за допомогою парегти при цьому жорсткість конструкції та форму яння. Практично петлі утворені намотуванням одпетель, що підвищує ефективність охолодження та ного або декількох відрізків тонкого (діаметром від надійність роботи в умовах експлуатації. 0,005 до 0,5мм) мідного дроту 2 на попередньо З фізичної точки зору значне підвищення коез'єднані між собою за допомогою перетинок 4 осфіцієнту тепловіддачі від дротів субміліметрового нову 1 та підтримуючий каркас 3, як це показано діаметру пояснюється значним впливом зменшенна Фіг.2 та 3. На Фіг.2 тонкий дріт 2 не створює ня діаметру та товщини кільцевого прикордонного додаткових витків навколо основи 1 (дроту внутрішару повітря біля дротів та покращенням умов шнього кільця) та підтримуючого каркаса 3 (зовнідля турбулізації потоків повітря. шнього кільця). Тонкий дріт 2 може бути намотаНа Фіг.4 наведено експериментальний зразок ний на основу та каркас як з однаковим, так і з виготовленого та випробуваного дротяного радіарізним кроком намотування. Кріплення тонкого тора для охолодження транзистора 2Т808А. Радідроту 2 до основи 1 та підтримуючого каркаса 3 атор має 361 петлю, що виконані з ділянок мідного здійснено шляхом обпаювання, наприклад, приподроту діаметром 0,12мм. При потужності транзисєм ПОС-61, місць контакту тонкого дроту з оснотора 5 Вт середній коефіцієнт тепловіддачі при 2 вою та підтримуючим каркасом. На Фіг.3 наведено природній конвекції склав 53,4Вт/(м °С), при при2 інший приклад кріплення тонкого дроту 2 на основі мусовій конвекції - 368Вт/(м °С). В останньому 1 та підтримуючому каркасі 3 - за допомогою довипадку обдув радіатора здійснювався вентилятодаткового їх обмотування тонким дротом. В цьому ром FC-28B (12В, 0,8А), розміщеним зверху радіавипадку обпаювання місць контакту може і не витора на відстані 9 см від його поверхні. конуватись. Для порівняння, із даних, наведених в опису Внутрішній діаметр основи 1 вибрано таким, прототипу [див. статтю А.П.Орнатский, щоб після намотування на нього тонкого дроту 2, Б.В.Латенко, Ю.С.Попель «Исследование влияния зменшений внутрішній діаметр основи був на 0,05геометрических характеристик пластинчатых пе0,1мм більшим зовнішнього діаметра корпуса трательно-проволочных радиаторов полупроводниконзистора, що підлягає охолодженню. вых приборов на теплообмен при естественной Дротяний радіатор працює наступним чином. конвекции», опубліковану в журналі «Теплофизика Щільно, із забезпеченням теплового контакту, наи теплотехника», 1973р., вип.23, с.53-57, зокрема саджують радіатор на корпус транзистора, що підрис.2 на с.55 та табл. на с.54], випливає, що серелягає охолодженню. Контактуючі поверхні змащудній коефіцієнт тепловіддачі від пластинчатого ють теплопровідною пастою, наприклад, типу КПТпетельно-дротяного радіатора (прототипу) розмі8. Теплота, що виділяється при роботі транзисторами 70100мм із діаметром мідних дротів 0,68мм, ра, передається від його корпуса через прошарок висотою дротяних петель 15,4мм, подовжнім шатеплопровідної пасти до кінців петель тонких дрогом петель 2,5мм, поперечним шагом петель тів 2, що контактують із корпусом транзистора та 7,3мм при температурному перепаді 25°С, термічосновою, та до основи 1 радіатора, а від них, заному опорі радіатора 2,25°С/Вт і загальній площі вдяки теплопровідності матеріалу дротів та осноповерхні 489,5см при природній конвекції складає 2 ви, - уздовж петель до їх вершин та до підтримуюлише 9,08Вт/(м °С), що в 5,9 разів менше, ніж у чого каркаса 3, що призводить до їх нагрівання до запропонованого дротяного радіатора. При примутемператури, вищої температури оточуючого сесовій конвекції середній коефіцієнт тепловіддачі редовища. Унаслідок різниці температур дротяних для петельно-дротяного оребрення труб з мідного петель та оточуючого повітря починає відбуватися дроту діаметром 0,5мм, висотою петель 12мм, конвективний теплообмін між ними: теплота від шагом витків 7,5мм в умовах поперечного обдува тонких дротів 2 передається природною конвекціповітрям зі швидкістю потоку від 2 до 12м/с скла 7 61578 8 2 дає від 81,9 до 116 Вт/(м °С) [див. статтю яна до внутрішнього кільця. У пластині 5 виконані О.А.Кремнев, Н.В.Зозуля, А.А.Хавин «Теплоотдаотвори під виводи напівпровідникового приладу, ча продольнообтекаемых труб с петельноякий установлюється на пластину своєю основою. проволочным оребрением» в журналі «ЭнергомаОснова 1 може бути виконана у вигляді незашиностроение», 1962р., №5, с.29-31, рис.2, а на мкненого кільця з дроту або у вигляді незамкненої с.30, крива 3], що, відповідно, у 4,5 та 3,2 разів металевої скоби 6, які закріплюються на охоломенше, ніж у дротяного радіатора, що заявляджуваному елементі шляхом, наприклад, стягується. вання їх незамкнених кінців гвинтом 7 із гайкою Проведені випробування виготовленого зразка (див Фіг.6). Фіксоване встановлення підтримуючого дротяного радіатора засвідчили можливість його каркаса відносно основи виконане за допомогою практичного виготовлення, жорсткість конструкції, щонайменш однієї перетинки 4, що закріплена на високу ефективність охолодження, та надійність основі, як це показано на Фіг.6. роботи в умовах експлуатації. Можливий варіант виконання дротяного радіаВ інших варіантах виконання радіатора, в разі тора з дротів не круглого поперечного перерізу, кріплення тонкого дроту як зображено на Фіг.2, наприклад, прямокутного. При цьому дротяні петлі основа 1, підтримуючий каркас 3 та перетинки 4 можуть бути виконані з металевої фольги шляхом можуть бути виконані як із теплопровідного, так і з витравлювання ділянок між плоскими дротами 8 нетеплопровідного матеріалу. В варіанті виготов(див. Фіг.7), а кінці та вершини усіх петель об'єдлення основи з нетеплопровідного матеріалу пенані між собою суцільними, відповідно, внутрішредача теплоти від транзистора, що підлягає охоньою ділянкою 9 та зовнішньою ділянкою 10 фольлодженню, до петель тонкого дроту 2 ги, які напаяні чи приварені контактною, наприздійснюється дише за допомогою теплового контаклад, конденсаторною чи термокомпресійною кту корпуса транзистора з кінцями петель (при сваркою, відповідно, на основу 11 та підтримуючий щільному насадженні радіатора на корпус транзикаркас 12, які в цьому варіанті можуть бути стора) та завдяки теплопровідності матеріалу певиконані у вигляді пластин, відповідно, тель - до їх вершин. чашкоподібної та плоскої форми. Тонкий дріт може бути виконаний не лише з Варіант дротяного радіатора для охолодження міді, а й з інших теплопровідних металів і неметатепловиділяючого елемента з прямокутним корпулів, наприклад, із сталі, нікелю, платини, золота, сом наведено на Фіг.8. В основі, яка виконана у алмазу, берилієвої кераміки тощо. вигляді прямокутного дротяного кільця 13 із напаПри виконанні основи, підтримуючого каркасу яною на нього (після намотування тонкого дроту 2 та перетинок із теплопровідного матеріалу кінці на кільце 13 та підтримуючий каркас 14) пластиділянок дротів, що утворюють петлі, та вершини ною 15 з отворами 16 для кріплення тепловиділяпетель закріплені на основі та підтримуючому карючого елементу. касі із забезпеченням теплового контакту з ними, В інших варіантах виконання дротяного радіанаприклад, шляхом паяння або точкового зварютора його петлі можуть бути сформовані в різних вання. Основа приймає участь у перерозподілі площинах, мати вигини під певним кутом, тощо. теплового потоку по її тілу та між кінцями усіх пеПри цьому підтримуючий каркас має складну фотель. При цьому передача теплоти здійснюється рму та вигини елементів, із яких він складений. від основи до підтримуючого каркаса додатково Таким чином, запропонований дротяний радіатеплопровідністю перетинок, а між вершинами всіх тор є новим, має винахідницький рівень, є промиспетель - додатково за допомогою теплопровідності лово придатним і дозволяє зберегти форму петель підтримуючого каркаса, що дозволяє збільшити та жорсткість конструкції при використанні дротів довжину петель. субміліметрового діаметру (0,005-0,5мм), що заОснова радіатора може включати в себе також безпечує підвищення коефіцієнта тепловіддачі від пластину 5 (плоскої або чашкоподібної форми) із його петель та підвищує ефективність охолодтеплопровідного матеріалу (див. Фіг.5), яка припаження. 9 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 61578 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601