Дротяний радіатор

Дротяний радіатор відноситься до галузі радіотехніки та радіоелектроніки, переважно до конструкцій радіаторів для охолодження напівпровідникових приладів електронної апаратури і може бути використаний для охолодження також інших тепловиділяючих елементів як при природній, так і при примусовій конвекції. При конструюванні радіоелектронної апаратури для забезпечення нормальних теплових режимів електронних компонентів і заданої надійності їх роботи широко використовуються радіатори різної конструкції, зокрема - дротяні. Відома конструкція дротяного радіатора для охолодження напівпровідникових приладів, який містить у своєму складі основу з безперервними пучками гнучких дротів, розміщеними навколо установчої ділянки під напівпровідниковий прилад (див. а.с. СССР №1444975 А1, МПК Н05К7/20, опубл. 15.12.88р. Б.И. №46). Зазначений радіатор має складний механізм із клиноподібними та конічними елементами кріплення дротів в основі радіатора, що створює певні технологічні труднощі при його виготовленні та призводить до збільшення масогабаритних характеристик радіатора. Відома конструкція радіатора, що виконаний у вигляді набору дротяних спіралей, що з'єднані між собою, при цьому спіралі виконані з різними напрямками навивки (див. патент Росії №730206 С МПК H01L23/34, опубл. 30.07.94р., бюл. №14). Недоліком такої конструкції є низька жорсткість спіралей при використанні дроту субміліметрового діаметра, наприклад, 0,02-0,3мм, внаслідок чого знижується їх експлуатаційна надійність. Відома конструкція радіатора для охолодження напівпровідникових приладів, що містить основу, на якій під прямим кутом закріплена решітка із металевих дротів, наприклад, у вигляді сітки (див. а.с. СССР №1485329, МПК H01L23/36, Н05К7/20, опубл. 07.06.89р. Б.И. №21). Решітки прикріплені до основи одними кінцями та розміщені рівномірно на одній торцевій поверхні основи паралельно між собою та під прямим кутом до напрямку потоку охолоджуючого повітря. Гілки одного ряду кожної сітки мають форму петель, закріплених незамкненими кінцями на основі. Дроти петель різних рядів можуть мати різні діаметри. Такий радіатор при однакових габаритних розмірах з ребристим пластинчатим радіатором і однаковою тепловою потужністю, яку вони розсіюють, має значно кращі характеристики по масі. Недоліком такого радіатора є технологічні труднощі при виготовленні та необхідність забезпечення надійного теплового контакту у місцях перетину дротів сітки між собою. Особливо складно виготовити такий радіатор при використанні дуже тонких дротів, наприклад, діаметром одиниць та десятків мікрометрів. В цьому випадку важко забезпечити також стабільність форми решіток у процесі експлуатації. Відома конструкція пластинчатого петельно-дротяного радіатора напівпровідникових приладів (див. статтю А. П. Орнатский, Б.В. Латенко, Ю.С. Попель. Исследование влияния геометрических характеристик пластинчатых петельно-проволочных радиаторов полупроводниковых приборов на теплообмен при естественной конвекции. Опублікована в журналі “Теплофизика и теплотехника”, 1973р., вип. 23, с.53-57, рис.1 на с.53), що містить у своєму складі основу з двох напівпластин, на зовнішніх сторонах яких припаяні петельно-дротяні ребра. Ребра мають вигляд зігнутих ділянок дротів, обидва кінці якого припаяні до основи, а петля виступає над поверхнею основи перпендикулярно до неї. Для забезпечення стабільності форми ребер у процесі виготовлення та експлуатації діаметр дротів складає від 0,49мм до 1,0мм. Порівняно з радіаторами з гладкими суцільними металевими ребрами, описані радіатори з петельнодротяним оребренням при приблизно однакових габаритах і товщині основи дають виграш у масі радіаторів на 30-50%. Недоліком описаного радіатору є те, що в його конструкції важко використати дроти діаметром менше 0,5мм, оскільки при цьому у зв'язку з недостатньою жорсткістю дротів утрачається петлеподібна форма ребер, що знижує ефективність тепловіддачі як при природній, так і при примусовій конвекції. А, як відомо (див. статтю Э.П. Бочкарёв, В.М. Андреев, К А. Тузовский, Д.В. Зиновьев, Е.Ю. Павленко. Эффект гигантской теплоотдачи телами субмиллиметровых размеров, що опублікована в журналі "Доклады академии наук”, 1999р., т.366, №2, с.178-180), саме зі зменшенням лінійних розмірів тіл до десятків та одиниць мікрометрів суттєво збільшується коефіцієнт конвективної тепловіддачі. Найбільш близькою до запропонованої за сукупністю ознак і технічному результату є конструкція дротяного радіатора, яка вибрана за прототип, що наведена в заявці на винахід “Дротяний радіатор” №2003032001 від 06.03.2003p., МПК H01L23/36, Н05К7/20 (знаходиться на розгляді в Укрпатенті). Дротяний радіатор містить у своєму складі основу з теплопровідного матеріалу, підтримуючий каркас, установлений фіксовано відносно основи, та ділянки дротів діаметром від 0,005мм до 0,5мм, які утворюють петлі, що закріплені із забезпеченням теплового контакту, з одного боку, на основі, а з іншого (вершинами петель) - на підтримуючому каркасі. Основа в одному з варіантів виконана у вигляді замкненого кільця з мідного дроту діаметром 1,5мм, а підтримуючий каркас - у вигляді замкненого кільця діаметром 50мм із мідного дроту діаметром 1,5мм, причому підтримуючий каркас установлено нерухомо відносно основи за допомогою двох перетинок, які також виконано з мідного дроту діаметром 1,5мм. Перетинки припаяні одним своїм кінцем до основи, а другим - до підтримуючого каркасу. Така конструкція дротяного радіатора, завдяки підтримуючому каркасу, встановленому фіксовано відносно основи, має підвищену жорсткість та забезпечує стабільну форму дротяних петель як у процесі виготовлення, так і в процесі експлуатації, при використанні дротів субміліметрового діаметра, наприклад, від 0,5мм до 0,005мм, що дозволило суттєво збільшити коефіцієнт тепловіддачі від поверхні дротяного радіатора як при природній, так і при примусовій конвекції, і підвищити ефективність охолодження та покращити масогабаритні характеристики радіатора. З фізичної точки зору значне підвищення коефіцієнта тепловіддачі від дротів субміліметрового діаметра пояснюється значним впливом зменшення діаметра та товщини кільцевого прикордонного шару повітря біля тонких дротів та покращенням умов для турбулізації потоків повітря. Основним недоліком дротяного радіатора - прототипу є обмежені можливості по максимальній кількості теплоти, яку він може розсіяти при збільшенні тепловіддаючої поверхні шляхом збільшення габаритних розмірів дротяного радіатора. Причина полягає в тому, що при збільшенні габаритних розмірів радіатора, наприклад, шляхом збільшення діаметра підтримуючого каркаса, одночасно збільшується і довжина ділянок дротів субміліметрового діаметру, внаслідок чого збільшується термічний опір ділянок дротів та знижується ефективність тепловіддачі від них. Зазначена причина обмежує ефективність охолодження відомих петельно-дротяних радіаторів із діаметром дротів від 0,005мм до 0,5мм. В основу винаходу поставлено задачу створити такий дротяний радіатор із ділянками дротів субміліметрового діаметра (від 0,005мм до 0,5мм), збільшення поверхні тепловіддачі якого шляхом збільшення габаритних розмірів радіатора не призводило б до обмеження максимальної кількості теплоти, що розсіює дротяний радіатор. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у дротяному радіаторі, який містить у своєму складі основу з теплопровідного матеріалу, підтримуючий каркас, встановлений фіксовано відносно основи, та ділянки дроту, діаметр якого лежить у межах від 0,005мм до 0,5мм, що закріплені із забезпеченням теплового контакту на підтримувальному каркасі, підтримувальний каркас виконано у вигляді щонайменше однієї теплової труби, причому підтримувальний каркас установлено із забезпеченням теплового контакту з основою. Як варіант, у дротяному радіаторі підтримувальний каркас може бути виконано у вигляді безгнотової теплової труби (термосифона). Така конструкція дротяного радіатора забезпечує збільшення тепловіддаючої поверхні радіатора шляхом збільшення його розміру без збільшення довжини та термічного опору ділянок дротів субміліметрового діаметра і при цьому не обмежує максимальну кількість теплоти, яку розсіює дротяний радіатор. Конструкція та принцип дії запропонованого дротяного радіатора пояснюються кресленнями. На фіг.1 показана одна з можливих конструкцій дротяного радіатора для охолодження електронного елемента (або групи елементів), підтримуючий каркас якої виконано у вигляді однієї теплової труби. На фіг.2 показано розріз пристрою по лінії А-А. На фіг.3 наведено другий варіант виконання дротяного радіатора з підтримуючим каркасом у вигляді однієї теплової труби, а на фіг.4 - вид на нього зверху. На фіг.5 показано третій варіант конструкції дротяного радіатора, підтримувальний каркас якого виконано у вигляді двох теплових труб. Дротяний радіатор (див. фіг.1) містить у своєму складі основу 1, що виконана, наприклад, у вигляді пластини прямокутної форми з теплопровідного матеріалу, наприклад, із міді. В основі 1 виконано два паралельні наскрізні отвори циліндричної форми, в які встановлено із забезпеченням теплового контакту підтримуючий каркас 2, який фіксовано закріплено відносно основи 1 за допомогою паяння припоєм. Підтримуючий каркас 2 виконано у вигляді однієї мідної теплової труби, наприклад, U - образної форми з відстанню між вертикальними вітками теплової труби, наприклад, від 20мм до 50мм. Основа 1 розміщена приблизно посередині вертикальних частин теплової труби. На паралельних вертикальних частинах підтримуючого каркаса закріплені із забезпеченням теплового контакту ділянки дроту 3, діаметр якого лежить у межах від 0,005мм до 0,5мм. Ділянки дроту 3 утворені, наприклад, шляхом намотування відрізків мідного дроту діаметром 0,05мм на обидві вертикальні частини підтримуючого каркаса 2, які розташовані з обох сторін основи 1, та наступного закріплення ділянок дроту 3 у містах контакту з підтримуючим каркасом 2 за допомогою паяння припоєм. Підтримувальний каркас (див. фіг.2) уявляє собою зігнуту теплову трубу з вакуумованим герметичним корпусом 4, виконаним, наприклад, із міді, до внутрішньої поверхні якого припечено шар 5 капілярно-пористого гноту. Шар капілярно-пористого гноту може мати товщину 0,5мм та спечено, наприклад, із відрізків довжиною 3мм мідного дроту діаметром 0,05мм. Шар 5 капілярно-пористого гноту насичено рідким теплоносієм, наприклад, дистильованою водою. В межах одного дротяного радіатора, в інших варіантах виконання, можуть використовуватися ділянки дротів різного діаметра (у межах, указаних у формулі винаходу). Дротяний радіатор працює наступним чином. На основу 1 з однієї або з двох сторін щільно, із забезпеченням теплового контакту, установлюють один або декілька електронних елементів 6 (на фігурах 1 і 2 електронні елементи 6 показано пунктирною лінією), що підлягають охолодженню. Замість одного електронного елемента 6 на основі 1 може встановлюватися група елементів, наприклад, декілька потужних інтегральних мікросхем. Контактуючі поверхні змащують теплопровідною пастою, наприклад, типу КПТ-8. Теплота, що виділяється при роботі електронних елементів 6, передається від корпуса елементів через прошарок теплопровідної пасти до основи 1 дротяного радіатора і до корпусу 4 теплової труби та шару 5 капілярно-пористого гноту на дільницях, що вмонтовані в основу 1. Підведення та відведення теплоти на фіг.2 показано суцільними стрілками. Під впливом теплоти рідкий теплоносій у шарі 5 капілярно-пористого гноту всередині теплової труби починає випаровуватися та кипіти, поглинаючи підведену теплоту. Температура насиченої пари та тиск у зоні випаровування підвищуються і пара рухається (на фіг.2 рух пари показано пунктирними стрілками) до більш холодних зон теплової труби, покритих ділянками дротів, (зон конденсації), де пара конденсується на внутрішній поверхні корпуса 4 теплової труби і віддає їй заховану теплоту пароутворення. Конденсат під дією капілярних сил перекачується по шару 5 капілярно-пористого гноту знову до зони випаровування. Цикл кипіння-конденсації та передачі теплоти повторюється. Температура пари, а відповідно і температура поверхні зон конденсації теплової труби, є однаковою по усій довжині теплової труби. Теплота від зовнішньої поверхні корпуса теплової труби в зоні конденсації за рахунок теплопередачі по тепловому контакту (шару припою) передається ділянкам дротів 3 субміліметрового діаметра, довжина яких у запропонованій конструкції дротяного радіатора може залишатися невеликою, наприклад, від 20мм до 50мм, та незмінною при збільшенні довжини теплової труби аж до одного або декількох метрів, що призводить до їх нагрівання до однакової температури, близької до температури основи 1, незалежно від довжини теплової труби. Унаслідок різниці температур ділянок дроту діаметром 0,05мм та оточуючого повітря починає відбуватися ефективний конвективний теплообмін між ними: теплота від ділянок дроту 3 ефективно передається природною конвекцією (а частково - випромінюванням) до оточуючого повітря. Частково теплота розсіюється також нагрітими поверхнями підтримувального каркаса та основи, але основна кількість теплоти розсіюється ділянками тонкого дроту. Таким чином, завдяки високим коефіцієнтам тепловіддачі при кипінні та конденсації та передачі теплоти від нагрітих поверхонь основи 1 шляхом високоефективного замкненого випаровувально-конденсаційного циклу забезпечується ефективне, з мінімальними втратами, відведення теплоти від електронних елементів 6 до оточуючого повітря, незалежно від довжини підтримуючого каркаса, та забезпечується нормальний тепловий режим електронних елементів 6. Для підвищення ефективності охолодження може використовуватися обдув дротяного радіатора за допомогою вентилятора. При цьому теплота від дротів радіатора відводиться примусовою конвекцією. При природній конвекції рекомендується радіатор розташовувати в горизонтальній площині, щоб зменшити тепловий вплив одних нагрітих ділянок дроту на інші. При примусовій конвекції рекомендується повітряний потік від вентилятора спрямовувати перпендикулярно до площини радіатора. Заявлена конструкція дротяного радіатора з ділянками дротів діаметром від 0,005мм до 0,5мм, у порівнянні із прототипом, дозволяє збільшувати без обмежень кількість теплоти, що розсіює радіатор, при збільшенні поверхні теплообміну шля хом збільшення довжини підтримувального каркаса, що дозволяє використати такий радіатор для забезпечення нормального теплового режиму більш потужних електронних елементів та підвищити ефективність охолодження та надійність роботи електронних елементів в умовах експлуатації. На фігурах 3 та 4 наведено приклад виконання дротяного радіатора для охолодження потужного транзистора 2Т808А, у якому основа 7 виконана у вигляді теплопровідної пластини круглої форми, напаяної на підтримувальний каркас 8. підтримувальний каркас 8 виконано у вигляді теплової труби Ì - образної форми, на горизонтальних вітках якої закріплені із забезпеченням теплового контакту ділянки дроту 9 субміліметрового діаметра (від 0,005мм до 0,5мм). Основа 7 напаяна на підтримувальний каркас 8 у зоні його загину. В основі 7 виконані отвори 10 під виводи транзистора і отвори 11 під гвинти кріплення фланця транзистора. Приклад виконання заявленого дротяного радіатора, підтримувальний каркас якого виконано у вигляді дво х теплових тр уб, показано на фіг.5. Він має основу 12 у вигляді пластини прямокутної форми з теплопровідного матеріалу, напаяної на підтримувальний каркас, виконаний із двох паралельно розміщених теплових труб 13. Ділянки дроту 14 діаметром від 0,005мм до 0,5мм закріплені із забезпеченням теплового контакту на кінцях теплових тр уб, з обох сторін від основи 12, яка розташована посередині теплових тр уб. В інших варіантах виконання дротяного радіатора його підтримувальний каркас може бути сформований з декількох теплових труб та (або) термосифонів, зігнути х у різних площинах, мати вигини під певним кутом, тощо. При цьому підтримувальний каркас має складну форму та вигини елементів, із яких він складений. При використанні термосифонів потрібно дротяний радіатор так орієнтувати у просторі, щоб зона конденсації була розташована вище відносно зони випаровування. Це забезпечить повернення конденсату у зону випаровування за рахунок сили гравітації. Таким чином, запропонований дротяний радіатор є новим, має винахідницький рівень і промислово придатний. Він забезпечує підвищення ефективності охолодження та кількості теплоти, що відводиться, при збільшенні площі тепловіддаючої поверхні шляхом збільшення розмірів дротяного радіатора.