RU2584143C2

RU2584143C2 - Method for heat removal from powerful radio products, electronic units, blocks and modules and device therefor

Info

Publication number: RU2584143C2
Application number: RU2014115174/07A
Authority: RU
Inventors: Виктор Петрович Парначев
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" (АО "НПЦ "Полюс")
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2016-05-20
Also published as: RU2014115174A

Abstract

FIELD: heat exchange.

SUBSTANCE: invention is intended for realisation of directed controlled heat removal in electronic and electrical equipment and maintain minimum operating temperature of heat-loaded elements of powerful radio products, assemblies, blocks and modules, which results in considerable increase of their life. Outer sides of flat hyper-heat conducting systems are fitted with powerful radio products, assemblies, units and modules to ensure heat sink and thermocouple, providing control of heat flow discharge due to electric feedback between thermocouples and power supply sources of thermoelectric modules. Heat removal device is installed and fixed on thermal board.

EFFECT: controlled heat energy removal device of heat removal, containing thermoelectric modules of required dimensions and power connected by heated sides with solder or gluing on high-heat conductive adhesive on both sides with T-hyper-heat conductive system and cooled sides with two flat hyper-heat conductive systems.

2 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к приборостроению и радиоэлектронике и может быть использовано для отвода тепла от силовой электронной аппаратуры, в том числе для комплексов автоматики и стабилизации.The proposed technical solution relates to instrumentation and electronics and can be used to remove heat from power electronic equipment, including automation and stabilization complexes.

Известен способ отвода тепла тепловыми трубками от ЭРИ, электронных узлов, блоков и модулей аппаратуры методом перемещения жидкостей с высокой теплоемкостью [2]. К недостаткам относятся громоздкость и массивность конструкции, необходимость применения электрических насосов, шумовые эффекты.There is a method of heat dissipation by heat pipes from the ERA, electronic components, blocks and modules of equipment by moving liquids with high heat capacity [2]. The disadvantages include the bulkiness and massiveness of the structure, the need to use electric pumps, noise effects.

Известен способ отвода тепла с применением гипертеплопроводящей системы (ГПТС) от узлов электронной аппаратуры движением жидкостей в нанопористых структурах. [1, 3, 4]. К недостаткам относятся предельная удельная отводящая мощность (не более 10 Вт/см²), вследствие чего происходит потеря работоспособности ГПТС, а также невозможность обеспечения температуры РЭА ниже температуры термоплиты.A known method of heat removal using a hyperthermal system (GPTS) from electronic components by the movement of liquids in nanoporous structures. [1, 3, 4]. The disadvantages include the limiting specific power dissipation (not more than 10 W / cm ² ), as a result of which there is a loss of GPTS operability, as well as the impossibility of ensuring the REA temperature below the temperature of the thermal plate.

Известен способ отвода тепла с применением приборов Пельтье - термоэлектрических модулей (ТЭМ), методом термоэлектрического охлаждения ЭРИ [5, 7], обеспечивающего снижение рабочей температуры мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков. К недостаткам относятся зависимость температуры рабочей поверхности от эффективности отвода тепла обратной стороны ТЭМ, неравномерность загрузки элементов ТЭМ при меньших габаритных размерах ЭРИ, возникновение обратного теплового потока в случае недостаточного отвода тепла.A known method of heat dissipation using Peltier devices - thermoelectric modules (TEM), the method of thermoelectric cooling ERI [5, 7], which reduces the operating temperature of powerful ERI, electronic components, modules and blocks. The disadvantages include the dependence of the temperature of the working surface on the heat removal efficiency of the reverse side of the TEM, the uneven loading of the TEM elements at smaller overall dimensions of the ERI, the occurrence of reverse heat flow in case of insufficient heat removal.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание высокоэффективного способа отвода тепла от мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков за счет уменьшения их рабочей температуры ниже температуры термоплиты с помощью устройства теплоотвода, состоящего из металлизированных ТЭМ, соединенных пайкой или приклеиванием с гипертеплопроводящими системами (ГПТ) плоского и Т-образного типа (ГПТС). Указанный технический результат достигается направленным движением тепловых потоков от мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков на термоплиту через устройство отвода тепла. Трансформаторный эффект перераспределения тепловых потоков от локальных теплонагруженных элементов позволяет максимально и эффективно использовать поверхности теплопередающих узлов (ГПТ, ТЭМ и ГПТС). Наличие диэлектрических керамических пластин ТЭМ обеспечивает гальваническую развязку электронных изделий от ГПТ, термоплиты и основания электронного прибора. Соединение плоских ГПТ со всей рабочей поверхностью ТЭМ обеспечивает полную и равномерную загрузку кристаллов ТЭМ.The technical result of the invention is the creation of a highly efficient method of heat removal from powerful EIRs, electronic components, modules and blocks by reducing their operating temperature below the temperature of the thermal plate using a heat sink device consisting of metallized TEM connected by soldering or gluing with hyperthermally conductive systems (GPT) flat and T-type (GPTS). The specified technical result is achieved by the directed movement of heat fluxes from powerful EIRs, electronic components, modules, and blocks onto a thermal plate through a heat removal device. The transformer effect of the redistribution of heat fluxes from local heat-loaded elements allows maximum and efficient use of the surfaces of heat-transmitting units (GPT, TEM and GPTS). The presence of dielectric ceramic plates TEM provides galvanic isolation of electronic products from the gas turbine, thermal plates and the base of the electronic device. The connection of flat HPT with the entire working surface of the TEM provides a complete and uniform loading of TEM crystals.

На фигуре 1 показаны: 1 - термоплита; 2 - ГПТС Т-образного типа; 3 - ГПТ плоского типа; 4 - ТЭМ; 5 - силовая сборка; 6 - керамический держатель; 7 - ТЭМ; 8 - мощные ЭРИ; 9 - штанги.The figure 1 shows: 1 - thermal plate; 2 - GPTS T-type; 3 - GST flat type; 4 - TEM; 5 - power assembly; 6 - ceramic holder; 7 - TEM; 8 - powerful ERI; 9 - rods.

На ГПТС Т-образного типа (фиг. 1, поз. 2) с двух сторон устанавливаются через ТЭМ (фиг. 1, поз. 4, 7) два ГПТ плоского типа (фиг. 1, поз. 3) методом пайки или приклеивания высокотеплопроводным клеем (λ=50-70 Вт/м °С) [6], на которые в дальнейшем крепятся мощные ЭРИ, электронные узлы, модули и блоки (фиг. 1, поз. 5, 8). ТЭМ паяются (клеятся) нагреваемыми сторонами на центральный ГПТС Т-образного типа и охлаждаемыми сторонами на внешние плоские ГПТ. Мощные ЭРИ, электронные узлы, модули и блоки паяются низкотемпературными припоями (или клеятся) на внешние стороны плоских ГПТ. Одновременно на внешних сторонах ГПТ крепятся термопары (фиг. 1, поз. 10), потенциалы от которых через блоки управления (фиг. 1, поз. 11) регулируют необходимое напряжение питания ТЭМ, что обеспечивает оптимальный теплоотвод в различных режимах функционирования РЭА. Устройство отвода тепла крепится посредством керамического держателя (фиг. 1, поз. 6) штангами (фиг. 1, поз. 9) к термоплите (фиг. 1, поз. 1).On the TPS-type GPTS (Fig. 1, Pos. 2), two flat-type GPUs (Fig. 1, Pos. 3) are installed on both sides through TEM (Fig. 1, Pos. 7) by soldering or gluing with a highly heat-conducting glue (λ = 50-70 W / m ° С) [6], on which powerful ERs, electronic components, modules and blocks are subsequently attached (Fig. 1, items 5, 8). TEMs are soldered (glued) by the heated sides to the central GPT of the T-shaped type and the cooled sides to the external flat GPT. Powerful EREs, electronic components, modules, and blocks are soldered by low-temperature solders (or glued) to the outer sides of a flat gas turbine. At the same time, thermocouples (Fig. 1, pos. 10) are attached to the external sides of the gas turbine unit, the potentials from which regulate the required supply voltage of the TEM through the control units (Fig. 1, pos. 11), which ensures optimal heat dissipation in various modes of CEA functioning. The heat dissipation device is attached by means of a ceramic holder (Fig. 1, pos. 6) with rods (Fig. 1, pos. 9) to a thermal plate (Fig. 1, pos. 1).

Устройство работает следующим образом. Тепловой поток от ЭРИ (5 и 8) через тепловой контакт передается на ГПТ (3). ТЭМ (4 и 7) выполняют двойную функцию: во-первых, они обеспечивают электрическую изоляцию ЭРИ от центральной ГТПС, а во-вторых, они осуществляют охлаждение ЭРИ за счет протекающих через ТЭМ электрических токов. При этом ТЭМ выделяют дополнительную тепловую мощность, которая также должна отводиться через центральный ГТПС (2). Характеристики и режим работы ТЭМ подбираются так, чтобы, несмотря на выделение дополнительной тепловой мощности, температура ЭРИ понижалась, т.е. чтобы не было обратного теплового потока.The device operates as follows. The heat flux from the ERI (5 and 8) through the thermal contact is transferred to the gas turbine (3). TEMs (4 and 7) perform a dual function: firstly, they provide electrical isolation of EIS from the central gas transport system, and secondly, they provide cooling of EMI due to electric currents flowing through the TEM. At the same time, TEM emit additional thermal power, which should also be diverted through the central GTPS (2). The characteristics and operating mode of the TEM are selected so that, in spite of the release of additional thermal power, the EMI temperature decreases, i.e. so that there is no reverse heat flow.

Т-образный ГТПС отводит суммарный тепловой поток от ЭРИ и ТЭП на поверхность термоплиты. При этом градиент температуры вдоль ГТП возрастает незначительно из-за чрезвычайно высокой ее эффективной теплопроводности (λ=10000-20000 Вт/м град.). При возрастании передаваемой в боковые ГПТ тепловой мощности перепад температуры на тепловом контакте «ГТПС - ТЭМ - ГПТ» увеличивается незначительно в силу того, что ГТПС по сравнению с ЭРИ имеет с ТЭМ и ГПТ значительно большую площадь теплового контакта и тем самым выполняет роль трансформатора теплового потока. Наличие обратной связи через термопары (10) с блоками управления ТЭМ (11) обеспечивает оптимальное использование ТЭМ и поддержание заданной рабочей температуры РЭА.The T-shaped GTPS diverts the total heat flux from the ERA and TEC to the surface of the thermal plate. In this case, the temperature gradient along the GTP increases slightly due to its extremely high effective thermal conductivity (λ = 10000-20000 W / m deg.). With an increase in the thermal power transmitted to the lateral HPT, the temperature difference at the thermal contact "GTPS - TEM - GPT" increases slightly due to the fact that GTPS has a significantly larger thermal contact area with TEM and HPT and thereby acts as a heat flux transformer . The presence of feedback through thermocouples (10) with the TEM control units (11) ensures optimal use of the TEM and maintaining the specified operating temperature of the REA.

Данный способ и устройство отвода тепла обеспечивают по сравнению с имеющимися способами и устройствами:This method and device for heat dissipation provide, in comparison with existing methods and devices:

- снижение рабочей температуры мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков даже ниже температуры термоплиты;- lowering the operating temperature of powerful EIRs, electronic components, modules and blocks even below the temperature of the thermal plate;

- выравнивание температуры мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков по всей их поверхности, присоединенной к ГПТ;- temperature equalization of powerful EIR, electronic components, modules and blocks over their entire surface attached to the gas turbine;

- регулирование рабочей температуры мощных ЭРИ, электронных узлов, модулей и блоков;- regulation of the operating temperature of powerful ERI, electronic components, modules and units;

- уменьшение габаритов и веса;- reduction in size and weight;

- минимальную потребляемую электрическую мощность;- minimum electric power consumption;

- применение низковольтных источников питания;- use of low voltage power supplies;

- возможность встраивания в традиционные модульные электронные конструкции;- the ability to integrate into traditional modular electronic designs;

- отсутствие движущихся деталей и шумов;- lack of moving parts and noise;

- повышение ресурса эксплуатации аппаратуры.- increase the service life of the equipment.

Осуществляется направленное движение тепловых потоков через устройство отвода тепла - последовательно от мощных ЭРИ, электронных узлов, блоков или модулей (фиг. 1, поз. 5 и 8) через ГПТ (фиг. 1, поз. 3), ТЭМ (фиг. 1, поз. 4 и 7) РЕ-127-10-08, и ГПТС Т-образного типа (фиг. 1, поз 2) УФАИ.774113ТУ на термоплиту.The directional movement of heat flows through the heat removal device is carried out - sequentially from powerful EIRs, electronic components, blocks or modules (Fig. 1, items 5 and 8) through the gas turbine (Fig. 1, item 3), TEM (Fig. 1, pos. 4 and 7) PE-127-10-08, and GPTS T-type (Fig. 1, pos 2) UFAI.774113TU on a thermal plate.

В устройстве отвода тепла могут применяться ТЭМ различных габаритов и мощности с металлизированными и неметаллизированными рабочими поверхностями, а также ГПТС Т-образного типа различных размеров и мощности (50-100 Вт), что определяет отводимую мощность и способ монтажа.In a heat removal device, TEMs of various sizes and power with metallized and non-metallized working surfaces, as well as T-type GPTS of various sizes and power (50-100 W) can be used, which determines the power output and the installation method.

На фиг. 2 показана зависимость температуры транзисторной сборки, установленной на устройстве отвода тепла от тока питания ТЭМ. На графике видно, что температура транзисторной сборки Т_тс (минус 10°С) значительно меньше, чем на термоплите (плюс 25°С) при токе питания ТЭМ, равном 4 А.In FIG. Figure 2 shows the temperature dependence of the transistor assembly installed on the heat removal device from the TEM supply current. The graph shows that the temperature of the transistor assembly T _tf (minus 10 ° C) is much lower than on a thermal plate (plus 25 ° C) with a TEM supply current of 4 A.

По совокупности признаков предлагаемое устройство и способ обладают элементами новизны.By the totality of the features of the proposed device and method have elements of novelty.

ЛитератураLiterature

1. Вычислительное моделирование процессов теплообмена в системах терморегулирования космических аппаратов. Васильев Е.Н., Деревянко В.А., Нестеров Д.А., Косенко В.Е., Чеботарев В.Е. Вычислительные технологии. 2009. Т. 14. №6. С. 19-28.1. Computational modeling of heat transfer processes in spacecraft thermal control systems. Vasiliev E.N., Derevyanko V.A., Nesterov D.A., Kosenko V.E., Chebotarev V.E. Computational technology. 2009.Vol. 14. No. 6. S. 19-28.

2. Прогнозирование теплового режима бортовой радиоэлектронной аппаратуры. Алексеев В.А., Чукин В.Ф., Шишанов А.В. (ФГУП «НИИ точных приборов»).2. Prediction of the thermal regime of on-board electronic equipment. Alekseev V.A., Chukin V.F., Shishanov A.V. (FSUE "Research Institute of Precision Instruments").

3. Гипертеплопроводящие пористые структуры в блоках радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов. В.А. Деревянко, А.В. Макуха, Д.А. Нестеров.3. Hyper-conductive porous structures in the blocks of electronic equipment of spacecraft. V.A. Derevyanko, A.V. Makukha, D.A. Nesterov.

4. Гипертеплопроводящая система ГПТС УФАИ.774113ТУ. Технические условия.4. Hyperthermal conductive system GPTS UFAI.774113TU. Technical conditions

5. ТЭМ ТУ25-2477/00066-2001-01. Теплоэлектрические модули. Технические условия.5. TEM TU25-2477 / 00066-2001-01. Thermoelectric modules. Technical conditions

6. Клей ТОК-101 ТУ 6365-001-07543077-2012. Технические условия.6. Glue TOK-101 TU 6365-001-07543077-2012. Technical conditions

7. Патент РФ №2385516. Электронное устройство с охлаждающим эффектом (Абрамов В., Агафонов Д., Драбкин И), опубл. 27.03.2010 г.7. RF patent No. 2385516. An electronic device with a cooling effect (Abramov V., Agafonov D., Drabkin I), publ. 03/27/2010

Claims

1. Способ отвода тепла от мощных ЭРИ, электронных узлов, блоков и модулей устройством отвода тепла, отличающийся тем, что отвод тепла осуществляют охлаждением теплонагруженных элементов радиоэлектронной аппаратуры ниже температуры термоплиты и исключением обратного теплового потока от составных частей устройства отвода тепла за счет создаваемого отрицательного градиента температур от теплонагруженных элементов последовательно через плоские гипертеплопроводящие системы, термоэлектрические модули и Т-образную гипертеплопроводящую систему на термоплиту.1. The method of heat dissipation from powerful ERI, electronic components, blocks and modules by a heat removal device, characterized in that the heat is removed by cooling the heat-loaded elements of electronic equipment below the temperature of the thermal plate and excluding the return heat flux from the components of the heat removal device due to the created negative gradient temperatures from heat-loaded elements sequentially through planar hyperthermal conductive systems, thermoelectric modules and a T-shaped hyperthermal conductive thermal plate system.

2. Устройство отвода тепла, выполненное как единый конструкционный узел и состоящее из устанавливаемой на термоплиту Т-образной гипертеплопроводящей системы (ГПТС), с двух сторон которой закреплены методом пайки или приклеивания нагреваемыми сторонами термоэлектрические модули (ТЭМ), на охлаждаемые стороны которых установлены методами пайки или приклеивания плоские гипертеплопроводящие системы (ГПТ), на которых крепятся методом пайки или приклеивания мощные ЭРИ, электронные узлы, блоки и модули и термопары, электрически соединенные с блоком обратной связи и обеспечивающие оптимальный теплоотвод в различных режимах функционирования РЭА. 2. A heat dissipation device, made as a single structural unit and consisting of a T-shaped hyperthermally conductive system (GPTS) installed on a thermal plate, on both sides of which are fixed by soldering or gluing by heated sides thermoelectric modules (TEM), on the cooled sides of which are installed by soldering or gluing flat hyperthermally conductive systems (GPT), on which powerful EREs, electronic components, blocks and modules, and thermocouples are electrically connected to Locke feedback and providing optimum heat sink in various modes of operation of CEA.