ITBO20090069A1 - Dissipatore di calore per componenti elettronici di potenza e metodo per la produzione dello stesso - Google Patents

Description

“DISSIPATORE DI CALORE PER COMPONENTI ELETTRONICI DI POTENZA E METODO PER LA PRODUZIONE DELLO STESSO â€

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE

La presente invenzione si inquadra nel settore tecnico relativo alla produzione di dispositivi ausiliari per apparecchiature elettriche ed elettroniche.

In particolare, l’invenzione riguarda un dissipatore di calore ad elevata efficienza, destinato a disperdere in aria il calore generato da componenti elettrici ed elettronici di potenza.

E’ noto che la maggior parte dei componenti di potenza produce durante il proprio funzionamento più calore per effetto Joule di quanto non riesca a trasferirne, per conduzione e convezione, all’aria circostante. Allo scopo di mantenere la temperatura operativa dei predetti componenti al disotto di valori che ne comprometterebbero il corretto funzionamento vengono solitamente utilizzati dispositivi atti ad agevolare la dissipazione del calore prodotto.

A questo proposito sono noti dissipatori di tipo passivo ed altri di tipo attivo. I dissipatori più comunemente utilizzati sono di tipo passivo e comprendono, in sostanza, una massa di materiale termicamente conduttore, in genere una lega d’alluminio, provvista di una superficie di contatto con il componente di potenza e di una superficie di esposizione all’aria sufficienti a consentire il trasporto e il trasferimento all’aria circostante di tutto il calore prodotto. Tale elevata superficie si ottiene dotando il dissipatore di alette, variamente sagomate, che si estendono dal corpo del dissipatore che viene meccanicamente collegato al componente da raffreddare.

Il corpo e le alette possono essere ottenuti con una singola fusione oppure, soprattutto per i dissipatori di maggiori dimensioni, realizzati separatamente e in seguito assemblati.

Una tecnica nota prevede che nel corpo venga realizzata una serie di scanalature atte a ricevere le corrispondenti alette, che vengono parzialmente inserite in esse con leggera interferenza.

Un siffatto accoppiamento non offre sufficienti garanzie di stabilità, in particolare per l’elevata plasticità del materiale delle alette e della piastra di base.

Secondo altre tecniche note, si utilizzano collanti per stabilizzare l’accoppiamento, oppure le alette vengono fissate mediante saldatura al corpo del dissipatore. Tali accoppiamenti risentono negativamente delle vibrazioni o di altre sollecitazioni che, per qualunque motivo, possono insorgere durante la vita operativa dell’apparecchiatura nella quale il dissipatore à ̈ montato.

I dissipatori attivi presentano invece dispositivi atti a migliorare lo scambio termico quali ventole, sistemi per il trasporto di calore a circolazione di liquido e sistemi di refrigerazione. Quest’ultima tipologia di dissipatori, per quanto consenta di ottenere una considerevole efficienza nel trasferimento termico, presenta costi, impegni di manutenzione e possibilità di malfunzionamenti, che non sono giustificati nella maggior parte delle applicazioni.

La progettazione dei dispositivi dissipatori diventa comunque di fondamentale importanza nelle apparecchiature di potenza medio-alta e di struttura compatta, nelle quali à ̈ necessario coniugare un’elevata efficienza nella rimozione del calore prodotto con dimensioni contenute.

In un’ottica di ottimizzazione complessiva del progetto dell’apparecchiatura à ̈ inoltre importante valutare, nei dissipatori utilizzati, anche il peso e il rapporto costo/prestazioni, soprattutto quando i dissipatori stessi presentano dimensioni consistenti.

Uno scopo della presente invenzione à ̈ quello di proporre un dispositivo dissipatore di calore passivo per componenti elettrici ed elettronici che consenta di migliorare l’efficienza dei dissipatori di lega d’alluminio convenzionali, pur contenendo i costi complessivi di produzione.

Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di proporre un dispositivo dissipatore di costruzione stabile e resistente alle vibrazioni.

Un ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di proporre un metodo per la produzione del predetto dispositivo dissipatore in grado di garantire l’ottenimento delle caratteristiche sopra elencate.

Gli scopi sopra citati vengono interamente ottenuti, in accordo con il contenuto delle rivendicazioni, da un dispositivo dissipatore di calore per componenti di potenza di un’apparecchiatura elettrica o elettronica, il quale comprende un corpo e una pluralità di alette di dissipazione associate ad esso in relazione di comunicazione termica. Il corpo à ̈ realizzato con un primo materiale termicamente conduttore, ad esempio alluminio o una sua lega, mentre le alette sono realizzate con un secondo materiale termicamente conduttore, ad esempio rame o una sua lega; una porzione prossimale delle alette stesse à ̈ annegata nel suddetto corpo per ottenere un accoppiamento stabile fra i medesimi corpo e alette.

Il metodo per la produzione del sopra citato dispositivo dissipatore prevede: l’introduzione delle porzioni prossimali delle alette impaccate in una cavità sagomata di uno stampo; l’introduzione, nella stessa cavità sagomata, di un idoneo quantitativo del secondo materiale termicamente conduttore allo stato fuso, tale secondo materiale termicamente conduttore presentando un punto di fusione più basso rispetto a quello del primo materiale termicamente conduttore; raffreddamento del secondo materiale termicamente conduttore fino alla sua solidificazione, alla conseguente formazione del corpo ed al conseguente inglobamento in quest’ultimo delle porzioni prossimali delle alette, a formare il dispositivo dissipatore; estrazione del dissipatore dallo stampo.

Le caratteristiche dell'invenzione, così come risulteranno dalle rivendicazioni, sono evidenziate nella seguente descrizione dettagliata, con riferimento alle tavole di disegno allegate, nelle quali:

- la figura 1 illustra una vista in prospettiva di un dispositivo dissipatore realizzato secondo l’invenzione, con un’estremità in sezione;

- la figura 2 illustra una vista prospettica di un particolare del pacco di alette precedentemente alla fase di assemblaggio;

- la figura 3, la figura 4 e la figura 5 illustrano schematicamente altrettanti fasi costruttive del dispositivo dissipatore di figura 1 secondo il metodo oggetto dell’invenzione.

Con riferimento alle figure 1 e 2, e ad una preferita ma non esclusiva forma di realizzazione dell’invenzione, si indica con 100 un dispositivo dissipatore di calore per componenti di potenza di un’apparecchiatura elettrica o elettronica. Ad esempio, tale apparecchiatura può vantaggiosamente essere costituita da un trasmettitore in radiofrequenza per diffusioni radio o televisive.

Nella forma di realizzazione illustrata, il dissipatore 100 comprende un corpo 1, avente forma approssimativamente parallelepipeda, realizzato con un primo materiale termicamente conduttore. Tale materiale à ̈ preferibilmente costituito da alluminio o da una sua lega. Questo materiale possiede buone caratteristiche di conducibilità termica (2,4 W/cm-°C) e non à ̈ particolarmente costoso. Esso possiede inoltre un punto di fusione di circa 660 °C, ed à ̈ quindi particolarmente adatto per ottenere il corpo 1 del dissipatore secondo l’invenzione, come apparirà evidente nel seguito della descrizione.

Il dissipatore 100 comprende inoltre una pluralità di alette di dissipazione 2, associate al corpo 1 in relazione di comunicazione termica, vale a dire fissate al corpo 1 stesso in modo da ottimizzare lo scambio termico con quest’ultimo.

Le alette 2 sono realizzate con un secondo materiale termicamente conduttore, diverso dal sopra citato primo materiale che compone il corpo 1. Tale secondo materiale à ̈ preferibilmente costituito da rame o da una sua lega. Il rame à ̈ particolarmente adatto alla realizzazione di dissipatori di ottima qualità, in virtù di una conducibilità termica molto elevata (4,0 W/cm-°C) che garantisce un elevato trasferimento di calore all’ambiente circostante, anche se à ̈ un materiale notoriamente piuttosto costoso. Esso possiede un punto di fusione di 1083 °C, il che lo rende ideale per la realizzazione del dissipatore 100.

Secondo la presente invenzione, infatti, una porzione prossimale 3 di ciascuna delle alette 2, che in posizione operativa sono disposte parallele l’una alle altre, à ̈ annegata nel corpo 1 fin dal momento della realizzazione dello stesso. Ciò garantisce una grande stabilità e solidità meccanica nonché un ottimale contatto fra le parti, e pertanto un’elevata efficienza nel trasferimento di calore dal corpo 1 alle alette 2.

Ciascuna aletta 2 à ̈ convenientemente ricavata da una lamina di rame. Poiché la quantità di calore trasferito all’aria circostante per convezione e, parzialmente, per conduzione, à ̈ funzione della superficie di contatto dell’aletta 2 con l’aria stessa, in virtù dell’ottima conducibilità termica del rame lo spessore dell’aletta può essere anche molto ridotto, consentendo così di mantenere prestazioni ottimali senza appesantire il costo finale del dissipatore 100.

Nella forma di realizzazione illustrata, le alette 2 presentano, in corrispondenza della propria estremità prossimale, vale a dire quella annegata nel corpo 1, una prima porzione piegata a “L†4, destinata a migliorare la stabilità del fissaggio delle medesime alette 2 al corpo 1 e a definire inoltre la distanza fra un’aletta e la successiva (vedasi figura 2).

Ciascuna aletta 2, ad eccezione della prima aletta 2 del pacco, comprende inoltre una ulteriore porzione piegata a “L†5 (vedasi figura 1), realizzata in corrispondenza dell’estremità distale di ogni aletta 2, ed orientata nel verso opposto rispetto alla sopra citata prima porzione piegata 4. La funzione della suddetta ulteriore porzione piegata 5 à ̈ quella di agevolare la formazione del pacco di alette 2 durante il processo di produzione del dissipatore 100, oltre a quella di aumentare la superficie di contatto con l’aria.

Nella forma di realizzazione illustrata, a scopo puramente esemplificativo, l’ultima aletta 2 del pacco à ̈ altresì priva della prima porzione piegata 4. Tuttavia questo non pregiudica alcuna delle caratteristiche strutturali e funzionali del dissipatore 100 secondo l’invenzione. Inoltre, à ̈ da intendersi che le particolari piegature delle alette 2 sopra descritte non sono affatto critiche per l’ottenimento degli scopi dell’invenzione, ma rappresentano una delle numerose tecniche volte a migliorare l’accoppiamento fra le alette 2 e il corpo 1 e ad agevolare l’assemblaggio del dissipatore 100. Altre tecniche possono essere vantaggiosamente usate senza peraltro uscire dagli scopi dell’invenzione. Ad esempio, la porzione prossimale 3 di ciascuna aletta 2 potrebbe presentare piegature ad andamento sinusoidale, oppure squadrate, secondo una direzione parallela alla superficie del corpo 1. Tali piegature potrebbero altresì interessare altre zone delle alette 2.

Nella sopra citata porzione prossimale 3 di ciascuna aletta 2 à ̈ inoltre realizzata una pluralità di aperture passanti 6, destinate anch’esse a migliorare la stabilità del fissaggio delle stesse al corpo 1. Le aperture 6 sono illustrate nelle figure da 2 a 5 come circolari, ma possono essere altrettanto vantaggiosamente realizzate secondo diverse conformazioni.

Il metodo per la produzione del dissipatore 100 sopra descritto prevede l’uso di uno stampo 10 (figure da 3 a 5), provvisto di una cavità 11 sagomata secondo la conformazione del corpo 1 del medesimo dissipatore 100.

In una fase preparatoria del metodo, nelle alette 2 vengono innanzitutto realizzate le aperture passanti 6. Le alette 2 stesse vengono quindi ripiegate in corrispondenza delle proprie estremità, rispettivamente prossimale per ottenere le relative prime porzioni piegate a “L†4, e distale, per ottenere le ulteriori porzioni piegate a “L†5.

Un numero predefinito di alette 2 viene quindi accostato fino al contatto della prima porzione piegata 4 di ciascuna con l’aletta 2 successiva, e dell’ulteriore porzione piegata 5 di ciascuna con l’aletta 2 precedente. Si ottiene così un pacco di alette 2 fra loro sostanzialmente parallele.

Un idoneo quantitativo 1a (figura 3) del predetto secondo materiale termicamente conduttore allo stato fuso, vale a dire di alluminio o di una sua lega, viene successivamente introdotto nella cavità sagomata 11 dello stampo 10.

Le porzioni prossimali 3 delle alette del pacco di alette 2 vengono successivamente introdotte nella cavità sagomata 11 (figura 4), fino a una profondità tale da non interessare, preferibilmente, il fondo della medesima cavità sagomata 11.

Poiché il rame possiede un punto di fusione nettamente più elevato dell’alluminio, la struttura delle alette 2 non risente della temperatura comunque elevata (poco oltre 660 °C) dell’alluminio fuso.

Segue infine il raffreddamento dell’alluminio fino a temperature inferiori al suo punto di fusione, e pertanto alla sua solidificazione, con la conseguente formazione del predetto corpo 1 del dissipatore 100 e del conseguente inglobamento nel corpo 1 stesso delle porzioni prossimali 3 delle alette 2 e delle relative prime porzioni piegate 4.

Il dissipatore così completato viene successivamente estratto dallo stampo 10. E’ da notare come, mentre l’alluminio si trova ancora allo stato fuso, riesce a penetrare, sia negli spazi compresi fra un’aletta 2 e la successiva, sia all’interno delle aperture passanti 6 realizzate in ciascuna aletta 2. Questo rende l’accoppiamento fra il corpo 1 e le alette 2 estremamente stabile e robusto.

Una semplice e banale variante del metodo sopra descritto prevede l’inversione delle fasi di introduzione nella cavità 1 dell’alluminio fuso e del pacco di alette 2. In questo caso, il pacco di alette 2 viene introdotto per primo, e successivamente viene colato l’alluminio fuso. Il risultato ai fini dell’invenzione à ̈ comunque del tutto identico.

Il metodo di produzione sopra descritto consente di ottenere un dispositivo dissipatore 100 particolarmente efficiente, in quanto la maggior parte della superficie di contatto con l’aria à ̈ realizzata con rame, mentre il corpo di alluminio consente di ottenere le necessarie caratteristiche meccaniche con un costo ragionevole.

Un ulteriore vantaggio à ̈ dato dall’estrema stabilità dell’accoppiamento fra il corpo e le alette, che consente di ottenere un dispositivo stabile, robusto, durevole, e del tutto privo di manutenzione.

Si intende che quanto sopra à ̈ stato descritto a titolo puramente esemplificativo e non limitativo. Pertanto, possibili modifiche e varianti dell'invenzione si considerano rientranti nell'ambito protettivo accordato alla presente soluzione tecnica, così come sopra descritta e nel seguito rivendicata.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo dissipatore di calore per componenti di potenza di un’apparecchiatura elettrica o elettronica, comprendente un corpo 1 e una pluralità di alette di dissipazione 2 associate a detto corpo 1 in relazione di comunicazione termica, detto dispositivo dissipatore 100 essendo caratterizzato dal fatto che detto corpo 1 à ̈ realizzato con un primo materiale termicamente conduttore, che le citate alette 2 sono realizzate con un secondo materiale termicamente conduttore e che una porzione prossimale 3 delle stesse à ̈ annegata in detto corpo 1 per ottenere un accoppiamento stabile fra i citati corpo 1 e alette 2.
2. 2. Dispositivo dissipatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo materiale termicamente conduttore à ̈ costituito da alluminio o da una sua lega, e che detto secondo materiale termicamente conduttore à ̈ costituito da rame o da una sua lega.
3. 3. Dispositivo dissipatore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le citate alette 2 sono disposte, in posizione operativa, a pacco e fra loro parallele, e che presentano inoltre, almeno in corrispondenza della propria estremità prossimale, una prima porzione piegata a “L†4 annegata in detto corpo 1, destinata a migliorare la stabilità del fissaggio delle medesime citate alette 2 al citato corpo 1 e a definire una corretta distanza fra un’aletta 2 e la successiva.
4. 4. Dispositivo dissipatore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che ciascuna citata aletta 2, eccezion fatta per la prima aletta 2 del pacco, comprende inoltre una ulteriore porzione piegata a “L†5, realizzata in corrispondenza dell’estremità distale della corrispondente citata aletta 2 ed orientata nel verso opposto rispetto alla citata prima porzione piegata a “L†4, destinata ad agevolare la formazione del pacco di alette 2 durante il processo di produzione del citato dissipatore 100.
5. 5. Dispositivo dissipatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 3, caratterizzato dal fatto che le citate alette 2 comprendono una pluralità di aperture passanti 6, realizzate nella porzione prossimale 3 delle stesse e annegate in detto corpo 1, atte a migliorare la stabilità del fissaggio delle medesime citate alette 2 al citato corpo 1.
6. 6. Metodo per la produzione di un dispositivo dissipatore di calore per componenti di potenza di un’apparecchiatura elettrica o elettronica, detto dispositivo dissipatore 100 comprendente un corpo 1 e una pluralità di alette di dissipazione 2 associate a detto corpo 1 in relazione di comunicazione termica, detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative: impaccamento di una pluralità di alette 2 realizzate con un primo materiale termicamente conduttore ad elevato punto di fusione; introduzione delle porzioni prossimali 3 delle alette 2 di detto pacco in una cavità sagomata 11 di uno stampo 10 avente la forma di detto corpo 1; introduzione, in detta cavità sagomata 11, di un idoneo quantitativo 1a di un secondo materiale termicamente conduttore allo stato fuso, in modo tale da annegare dette porzioni prossimali 3 in detto secondo materiale termicamente conduttore, quest’ultimo presentando un punto di fusione più basso rispetto a quello del citato primo materiale termicamente conduttore; raffreddamento di detto quantitativo 1a del secondo materiale termicamente conduttore fino alla sua solidificazione, alla conseguente formazione del citato corpo 1 ed al conseguente inglobamento in quest’ultimo delle citate porzioni prossimali 3 di alette 2, a formare il citato dispositivo dissipatore 100; estrazione di detto dissipatore 100 dal citato stampo 10.
7. 7. Metodo per la produzione di un dispositivo dissipatore di calore per componenti di potenza di un’apparecchiatura elettrica o elettronica, detto dispositivo dissipatore 100 comprendente un corpo 1 e una pluralità di alette di dissipazione 2 associate a detto corpo 1 in relazione di comunicazione termica, detto metodo essendo caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi operative: impaccamento di una pluralità di alette 2 realizzate con un primo materiale termicamente conduttore ad elevato punto di fusione; introduzione di un idoneo quantitativo 1a di un secondo materiale termicamente conduttore allo stato fuso in una cavità sagomata 11 di uno stampo 10, detto secondo materiale termicamente conduttore presentando un punto di fusione più basso rispetto a quello del citato primo materiale termicamente conduttore; introduzione, in detta cavità sagomata 11, delle porzioni prossimali 3 delle alette 2 di detto pacco, in modo tale da annegare dette porzioni prossimali 3 in detto secondo materiale termicamente conduttore; raffreddamento di detto quantitativo 1a del secondo materiale termicamente conduttore fino alla sua solidificazione, alla conseguente formazione del citato corpo 1 ed al conseguente inglobamento in quest’ultimo delle citate porzioni prossimali 3 di alette 2, a formare il citato dispositivo dissipatore 100; estrazione di detto dissipatore 100 dal citato stampo 10.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 6 o la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che, precedentemente alla citata fase di impaccamento, à ̈ prevista una fase di piegatura delle citate alette 2, in corrispondenza delle proprie estremità prossimali, per ottenere relative porzioni delle stesse piegate a “L†4.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto di prevedere una ulteriore fase di piegatura delle citate alette 2, eccezion fatta per la prima aletta 2 del pacco, in corrispondenza delle estremità distali delle stesse, per ottenere relative ulteriori porzioni piegate a “L†5, orientate nel verso opposto rispetto alle citate prime porzioni piegate a “L†4, destinate ad agevolare la formazione del citato pacco di alette 2.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 6 o la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che, precedentemente alla citata fase di impaccamento, à ̈ prevista una fase di realizzazione, in corrispondenza delle citate porzioni prossimali 3 di dette alette 2, di una pluralità di aperture passanti 6, atte a migliorare il fissaggio delle medesime citate alette 2 al citato corpo 1.