RU2713486C2 - System of conductive heat removal from electronic modules of stack form factor for housing electronics products - Google Patents
System of conductive heat removal from electronic modules of stack form factor for housing electronics products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2713486C2 RU2713486C2 RU2017113675A RU2017113675A RU2713486C2 RU 2713486 C2 RU2713486 C2 RU 2713486C2 RU 2017113675 A RU2017113675 A RU 2017113675A RU 2017113675 A RU2017113675 A RU 2017113675A RU 2713486 C2 RU2713486 C2 RU 2713486C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat sink
- plate
- housing
- heat
- module
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Устройство относится к электронной технике и предназначено для обеспечения отвода тепловой энергии от тепловыделяющих компонентов элементов корпусных радиоэлектронных изделий - от электронных модулей, выполненных в формате стекового форм-фактора.The device relates to electronic equipment and is designed to ensure the removal of thermal energy from the fuel components of the components of the housing electronic components - from electronic modules made in the format of the stack form factor.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известна система отвода тепла, реализованная путем изготовления индивидуальных секций корпуса (например, см. каталог продукции компании RTD Embedded Technologies, Inc. «2015 Q1 Product Guide», 2015, стр. 13, 20, 21, http://www.rtd.com/catalog/RTD_Product_Catalog.pdf). Данная система в каталоге именуется как Advanced heat transportation technology и применима для стековых модулей, подключаемых без объединительной платы непосредственно друг к другу через разъемы расширения. Принцип теплоотвода в такой системе заключается в том, что для каждого модуля отдельно изготавливается из металла, преимущественно из алюминия, рамка-каркас ("frame") определенной высоты, обрамляющая электронный модуль. Каждая из таких рамок одновременно выполняет роль составной части (секции) корпуса всего изделия. С внешней стороны каждая из указанных рамок может иметь ребрение, способствующее более эффективному теплоотводу. С внутренней стороны каждой рамки крепится электронный модуль за монтажные отверстия. Крепление осуществляется таким образом, что бы тепловыделяющие компоненты прилегали к рамке. Так как рамка выполняется из алюминия, а его теплопроводность заметно ниже теплопроводности меди, то между тепловыделяющими компонентами модуля, которые обычно находятся в центре, и внутренней стенкой рамки для повышения эффективности теплоотвода крепится одна или несколько тепловых трубок, как правило, выполненных из меди и заполненных специальным теплоносителем. Расположение тепловых трубок на внутренней площади каждой рамки, равно как и габариты (высота) самой рамки, определяются особенностями электронного модуля, устанавливаемого в такую рамку. Так как данная рамка является элементом корпуса, то снаружи она окрашивается или обрабатывается согласно требованиям на корпус. Все модули, даже если не требуется теплоотвод, устанавливаются каждый в свою рамку, что бы их можно было соединить друг с другом в стек (единую системную группу). Далее стек рамок с установленными в них электронными модулями закрывается с двух сторон крышками и стягиваются четырьмя длинными шпильками через отверстия в углах рамок, что обеспечивает монолитную конструкцию корпуса изделия.The prior art heat removal system, implemented by manufacturing individual sections of the housing (for example, see the product catalog of RTD Embedded Technologies, Inc. "2015 Q1 Product Guide", 2015, p. 13, 20, 21, http: // www .rtd.com / catalog / RTD_Product_Catalog.pdf). This system is referred to as Advanced heat transportation technology in the catalog and is applicable for stack modules that are connected directly to each other without expansion boards through expansion slots. The principle of heat removal in such a system is that for each module separately made of metal, mainly from aluminum, a frame frame of a certain height framing the electronic module. Each of these frames simultaneously serves as an integral part (section) of the body of the entire product. On the outside, each of these frames may have a rib, contributing to a more efficient heat sink. An electronic module is mounted on the inside of each frame for mounting holes. Mounting is carried out in such a way that the fuel components would fit on the frame. Since the frame is made of aluminum, and its thermal conductivity is noticeably lower than that of copper, between the heat-generating components of the module, which are usually located in the center, and one or more heat pipes, usually made of copper and filled, are attached to the internal wall of the frame to increase the heat sink efficiency special heat carrier. The location of the heat pipes on the inner area of each frame, as well as the dimensions (height) of the frame itself, are determined by the features of the electronic module installed in such a frame. Since this frame is an element of the body, it is painted or processed from the outside according to the requirements for the body. All modules, even if a heat sink is not required, are installed each in their own frame, so that they can be connected to each other on a stack (a single system group). Further, the stack of frames with electronic modules installed in them is closed on both sides by covers and pulled together by four long pins through holes in the corners of the frames, which ensures a monolithic design of the product body.
Отвод тепла от модуля в такой системе осуществляется на боковые стенки корпуса изделия через алюминиевые части рамки и тепловые трубки, за счет плотного их контакта с тепловыделяющими элементами установленного в рамку электронного модуля.Heat is removed from the module in such a system to the side walls of the product body through the aluminum parts of the frame and heat pipes, due to their close contact with the fuel elements installed in the frame of the electronic module.
Общими для заявленного технического решения и указанного устройства являются материалы, применяемые для изготовления элементов, а также наличие элемента, осуществляющего транспортировку тепла от тепловыделяющих элементов электронного модуля на боковую стенку корпуса изделия.Common to the claimed technical solution and the specified device are materials used for the manufacture of elements, as well as the presence of an element that transports heat from the fuel elements of the electronic module to the side wall of the product body.
Недостатком данной системы является необходимость изготовления под каждый модуль своей рамки - части корпуса изделия, конструкция которой обусловлена особенностями устанавливаемого в нее модуля. Это исключает возможность применения в системе типового образца продукции без принятия специальных мер по его интеграции в систему (изготовления индивидуального элемента корпуса).The disadvantage of this system is the need to manufacture for each module its own frame - part of the product housing, the design of which is due to the features of the module installed in it. This excludes the possibility of using a product sample in the system without taking special measures to integrate it into the system (manufacturing an individual case element).
Кроме того, каждый элемент корпуса - рамка, является технологически сложным в изготовлении, т.к. требует значительных по объему фрезеровочных работ, что негативно сказывается на стоимости изделия.In addition, each case element - frame, is technologically difficult to manufacture, because requires significant milling work, which negatively affects the cost of the product.
Так же минусом такой системы является возможность вывода интерфейсов от модуля лишь на боковые стенки корпуса, где должны крепиться интерфейсные разъемы, а вывод на верхнюю крышку невозможен, т.к. пространство для подключения и прокладки интерфейсных кабелей на верхнюю крышку корпуса, расположенную над стеком, недоступно при сборе всех секций корпуса.Also a minus of such a system is the ability to output interfaces from the module only to the side walls of the housing where the interface connectors should be mounted, and output to the top cover is impossible, because the space for connecting and laying interface cables to the top cover of the chassis located above the stack is not available when collecting all sections of the chassis.
Таким образом, применение такой системы теплоотвода в изделии снижает его технологичность и негативно влияет на его стоимость.Thus, the use of such a heat sink system in a product reduces its manufacturability and negatively affects its cost.
Из уровня техники известно устройство, в котором кондуктивный отвод тепла, реализуется через теплораспределяющую пластину, выполненную из теплопроводящего материала (алюминий) и выполняющую функцию монтажной платформы для системы электронных стековых модулей (например, см. Diamond Systems Corporation «Conduction Cooled Single Board Computers», http://www.diamondsystems.com/aboutus/conductioncooled.php). Указанная пластина крепится к нижней стороне печатной платы электронного модуля, лежащего в основании стека модулей, прилегая своей верхней поверхностью к тепловыделяющим компонентам данного модуля. Поскольку теплораспределяющая пластина выполняет в такой системе (стеке) модулей функцию монтажной платформы, то за счет ее фиксации на нижней стенке корпуса изделия обеспечивается плотный контакт пластины по всей площади ее нижней поверхности с нижней стенкой корпуса. Данный контакт обеспечивает отвод тепловой энергии, накопившейся на пластине, на стенку корпуса. Накопление же тепла на самой пластине обеспечивается за счет того, что она выполнена из материала, обладающего значительно большей теплоемкостью, нежели материалы, из которых выполняются тепловыделяющие элементы электронного модуля.A device is known in the prior art in which conductive heat dissipation is realized through a heat-distributing plate made of heat-conducting material (aluminum) and acting as an assembly platform for an electronic stack module system (for example, see Diamond Systems Corporation “Conduction Cooled Single Board Computers”, http://www.diamondsystems.com/aboutus/conductioncooled.php). The specified plate is attached to the lower side of the printed circuit board of the electronic module lying at the base of the stack of modules, resting its upper surface against the heat-generating components of this module. Since the heat-distributing plate performs the function of an assembly platform in such a system (stack) of modules, due to its fixation on the lower wall of the product’s body, the plate is in tight contact over the entire area of its lower surface with the lower wall of the housing. This contact provides the removal of thermal energy accumulated on the plate to the wall of the housing. The accumulation of heat on the plate itself is provided due to the fact that it is made of a material having a significantly higher heat capacity than the materials from which the fuel elements of the electronic module are made.
Общим для заявленного технического решения и указанного устройства является задействование в процессе теплоотвода корпуса изделия, применение теплораспределяющей пластины, крепящейся к электронному модулю в стеке и обеспечивающей транспортировку выделяемой модулем тепловой энергии на стенку корпуса. Недостатком данного устройства является то, что его применение в изделии может обеспечить эффективный забор тепла лишь с одного (нижнего) из электронных модулей в стеке (того, к которому крепится теплораспределяющая пластина), Кроме того, теплоотвод в изделии с применением такого устройства осуществляется только на одну из стенок корпуса изделия в связи с тем, что теплораспределяющая пластина выполняет в изделии функцию монтажной платформы для стека модулей и имеет плотный контакт лишь с нижней стенкой корпуса. Указанные обстоятельства существенным образом ограничивают потенциал и архитектуру изделия, в котором применяется данное устройство теплоотвода.Common to the claimed technical solution and the specified device is the involvement in the process of heat removal of the housing of the product, the use of a heat-distributing plate, attached to the electronic module in the stack and providing transportation of the thermal energy released by the module to the wall of the housing. The disadvantage of this device is that its use in the product can provide effective heat removal from only one (lower) of the electronic modules in the stack (the one to which the heat distribution plate is attached). In addition, heat removal in the product using such a device is carried out only on one of the walls of the product’s case due to the fact that the heat-distributing plate performs the function of the mounting platform in the product for the stack of modules and has tight contact only with the bottom wall of the case. These circumstances significantly limit the potential and architecture of the product in which this heat sink device is used.
Ближайшим аналогом (прототипом) описываемого технического решения является система теплоотвода, реализованная в магистрально-модульной системе CompactPCI с кондуктивным теплоотводом через клинья на корпус (например, см. ADLINK Technology Inc. «ADLINK Applications: COTS Conduction Cooled CompactPCI for Military Applications», http:// www.adlinktech.com/Military/COTS-Conduction-Cooled-CompactPCI_Military-Applications.php?utm_source=).The closest analogue (prototype) of the described technical solution is a heat sink system implemented in a CompactPCI backbone-modular system with conductive heat sink through wedges to a case (for example, see ADLINK Technology Inc. “ADLINK Applications: COTS Conduction Cooled CompactPCI for Military Applications”, http: // www.adlinktech.com/Military/COTS-Conduction-Cooled-CompactPCI_Military-Applications.php?utm_source=).
Указанная система предусматривает отведение тепла на корпус изделия за счет применения внутри корпуса для каждого модуля системы металлической оболочки-радиатора, выполненной преимущественно из меди или алюминия, к которой прилегают тепловыделяющие компоненты на печатной плате модуля. По длинным краям оболочки модуля устанавливаются замки для фиксации в пазах направляющих объединительной корзины или корпуса изделия. Теплоотвод с установленного модуля обеспечивается через оболочку модуля на направляющие корпуса и далее на сам корпус. Направляющие и корпус выполняются из теплопроводного материала, как правило, из алюминия или меди.The specified system provides for the removal of heat to the body of the product due to the use inside the case for each module of the system of the metal shell-radiator, made mainly of copper or aluminum, to which the heat-generating components on the printed circuit board of the module are adjacent. Locks are installed along the long edges of the module shell for fixing in the grooves of the guides of the unification basket or the body of the product. The heat sink from the installed module is provided through the module shell to the housing guides and then to the housing itself. The guides and the housing are made of heat-conducting material, usually aluminum or copper.
Общим для заявленного технического решения и прототипа является задействование в процессе теплоотвода корпуса изделия, наличие на внутренних стенках корпуса системы пазов для фиксации модулей в корпусе за счет клиньев (замков) на краях печатной платы.Common to the claimed technical solution and prototype is the use in the process of heat removal of the housing of the product, the presence on the inner walls of the housing of the grooves for fixing the modules in the housing due to wedges (locks) at the edges of the printed circuit board.
Однако, указанная система теплоотвода не применима к изделиям, построенным на базе стекового форм-фактора, и ориентирована только на изделия, имеющие магистрально-модульную архитектуру, т.е. все модули изделия подключаются к объединительной плате, установленной в каркас. Такая архитектура изделия неизменна, ее элементы не мобильны.However, this heat sink system is not applicable to products built on the basis of the stack form factor, and is focused only on products having a backbone-modular architecture, i.e. All product modules are connected to the backplane installed in the chassis. This product architecture is unchanged, its elements are not mobile.
Так же недостатком описанной системы относится отсутствие возможности единовременной установки как модулей с кондуктивным теплоотводом, так и типовых образцов продукции без кондуктивного теплоотвода и их взаимозаменяемости.Another disadvantage of the described system is the lack of the ability to install both modules with conductive heat sink and standard product samples without conductive heat sink and their interchangeability at the same time.
Еще одним минусом указанной системы является применение в процессе теплоотвода более сложных по конструкции теплоотводящих элементов (оболочка-радиатор, в который устанавливается электронный модуль), изготовление которых требует существенных финансовых затрат, что негативным образом сказывается на конечной стоимости готового корпусного изделия. Каждая оболочка-радиатор изготавливается исходя из индивидуальных особенностей электронного модуля, помещаемого в нее, что исключает возможность размещения в такой оболочке другого модуля, а значит и ограничивает взаимозаменяемость элементов изделия (возможность модернизации изделия без существенных затрат на доработку системы теплоотвода).Another disadvantage of this system is the use of more complex heat-dissipating elements in the heat removal process (shell-radiator, into which the electronic module is installed), the manufacture of which requires significant financial costs, which negatively affects the final cost of the finished case product. Each radiator shell is made on the basis of the individual characteristics of the electronic module placed in it, which excludes the possibility of placing another module in such a shell, and therefore limits the interchangeability of product elements (the possibility of upgrading the product without significant costs for finalizing the heat removal system).
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Задачей технического решения является создание системы эффективного кондуктивного теплоотвода от электронных модулей стекового форм-фактора для корпусных изделий электроники, отвечающей современным требованиям по технологичности, ремонтопригодности, надежности, устойчивости к воздействию внешних факторов, долговечности, удобству монтажа и эксплуатации, с возможностью применения современных тепловыделяющих стековых модулей в нужном количестве в составе корпусного изделия.Task technical The solution is to create a system of effective conductive heat removal from the electronic modules of the stack form factor for electronics housing products that meets modern requirements for manufacturability, maintainability, reliability, resistance to external factors, durability, ease of installation and operation, with the possibility of using modern heat-generating stack modules in the right amount in the hull.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении эффективного отвода тепла от группы модулей (стека модулей), расположенного внутри корпуса радиоэлектронного изделия, при одновременном обеспечении высокой технологичности изделия с минимальным увеличением его стоимости. Технологичность выражается, в частности, в возможности вывода интерфейсов как на две оставшиеся (не задействованные в теплоотводе) боковые стенки корпуса изделия, так и на верхнюю либо нижнюю крышки без необходимости изготовления под каждый электронный модуль изделия отдельной специальной теплоотводящей конструкции, а также без необходимости применения дополнительных, креплений для каждого электронного модуля в корпусе изделия, что существенно экономит пространство внутри корпуса изделия).The technical result achieved is to ensure effective heat removal from the group of modules (module stack) located inside the housing of the electronic product, while ensuring high manufacturability of the product with a minimum increase in its cost. Manufacturability is expressed, in particular, in the ability to output interfaces to both the two remaining (not involved in the heat sink) side walls of the product body, and to the upper or lower covers without the need for a separate special heat-sink design for each electronic module of the product, as well as without the need for application additional fastenings for each electronic module in the product body, which significantly saves space inside the product body).
Достижение указанного результата обеспечивается за счет использования в составе описываемой системы кондуктивного теплоотвода:The achievement of this result is achieved through the use of conductive heat sink as a part of the described system:
1. По меньшей мере одной теплоотводящей пластины с выступающими за габариты электронного модуля с двух сторон краями. К каждому электронному модулю, от которого требуется теплоотвод, крепится своя пластина, обеспечивающая теплопередачу от тепловыделяющих компонентов модуля на стенки корпуса. Пластина крепится винтами к радиатору, установленному на модуле - например в случае процессорного модуля или источника питания, либо крепится на стойках к печатной плате, прилегая своей внутренней поверхностью непосредственно к тепловыделяющим элементам модуля. Пластина выполнена из теплопроводящего материала, преимущественно из меди или алюминия.1. At least one heat sink plate with edges protruding beyond the dimensions of the electronic module. Each electronic module, from which heat removal is required, has its own plate attached, which ensures heat transfer from the heat-generating components of the module to the housing walls. The plate is screwed to a radiator mounted on the module - for example, in the case of a processor module or power supply, or mounted on racks to a printed circuit board, resting its inner surface directly on the fuel elements of the module. The plate is made of a heat-conducting material, mainly of copper or aluminum.
На двух противоположных краях теплоотводящей пластины устанавливаются замки, позволяющие закрепить пластину в пазах корпуса изделия. Замок представляет собой конструкцию из нескольких секций - клиньев, каждый из которых выполняется из теплопроводящего материала, предпочтительно алюминия или латуни. По центру через все секции замка проходит фиксирующий винт. При закручивании фиксирующего винта клинья раздвигаются в разные стороны, что приводит к расклиниванию замка.Locks are installed on two opposite edges of the heat sink plate, which allows fixing the plate in the grooves of the product body. The lock is a structure of several sections - wedges, each of which is made of a heat-conducting material, preferably aluminum or brass. In the center through all sections of the lock passes the fixing screw. When tightening the fixing screw, the wedges move apart in different directions, which leads to wedging of the lock.
В целях получения более высоких показателей работы системы теплоотвода допускается применение в ее составе радиатора охлаждения в качестве промежуточного элемента между теплоотводящей пластиной и электронным модулем. При этом высота радиатора рассчитывается так, что при установке теплоотводящей пластины модуль может быть установлен в систему пазов корпуса, выполненную, как правило, с регулярным «шагом». Теплоотводящая пластина также может иметь защитное гальваническое или порошковое покрытие.In order to obtain higher performance of the heat sink system, it is allowed to use a cooling radiator in its composition as an intermediate element between the heat sink plate and the electronic module. In this case, the height of the radiator is calculated so that when installing the heat-removing plate, the module can be installed in the groove system of the housing, which is usually made with a regular “step”. The heat sink plate may also have a protective galvanic or powder coating.
2. Расположенных в корпусе изделия, на двух его внутренних противоположных стенках, алюминиевых деталей с ребрами, образующими систему пазов с «шагом», т.е. расстоянием, отделяющим один паз от другого. В указанных пазах замками фиксируются теплоотводящие пластины с установленными на них электронными модулями. Система пазов внутри корпуса может быть выполнена также непосредственно на стенках корпуса методом фрезерования. При этом ширина каждого паза соответствует сумме толщины теплоотводящей пластины, высоты замка, устанавливаемого на краю пластины и зазора, необходимого для фиксации конструкции замком при его расклинивании. «Шаг» лазов должен соответствовать «шагу» стека модулей - расстоянию между верхними краями печатных плат двух соединенных между собой модулей. В этой связи «шаг» пазов, как правило, регулярен, т.е. выполнен по всей длине внутренней стенки корпуса. Детали с ребрами своими габаритами соответствуют габаритам (ширина, высота) внутренних стенок корпуса, на которые эти детали устанавливаются.2. Aluminum parts located in the product’s body, on its two opposite walls, with ribs forming a groove system with a “step”, i.e. the distance separating one groove from another. In these grooves, heat sink plates with electronic modules mounted on them are fixed with locks. The groove system inside the housing can also be performed directly on the walls of the housing by the milling method. At the same time, the width of each groove corresponds to the sum of the thickness of the heat-removing plate, the height of the lock installed on the edge of the plate and the gap necessary to fix the structure with the lock when it is wedged. The “step” of the manholes should correspond to the “step” of the module stack — the distance between the upper edges of the printed circuit boards of the two modules interconnected. In this regard, the “step” of the grooves is usually regular, i.e. made along the entire length of the inner wall of the housing. Parts with ribs with their dimensions correspond to the dimensions (width, height) of the inner walls of the housing on which these parts are installed.
Регулярный «шаг» пазов внутри корпуса позволяет устанавливать отдельные модули и/или стек модулей в любое положение внутри корпуса, что обеспечивает мобильность элементов архитектуры корпусного изделия электроники.The regular “step” of the grooves inside the housing allows you to install individual modules and / or the stack of modules in any position inside the housing, which ensures the mobility of the architecture elements of the electronics housing product.
В частном случае пазы могут быть выполнены лишь в определенной области внутри корпуса, куда, в зависимости от архитектуры изделия, планируется установка модулей с теплоотводящим пластинами.In the particular case, the grooves can be made only in a certain area inside the housing, where, depending on the architecture of the product, it is planned to install modules with heat-removing plates.
Корпус представляет собой конструкцию кубической формы, которая может быть как монолитной, например фрезерованной или литьевой деталью, так и быть выполненной из четырех стенок, скрученных между собой, и закрытых сверху и снизу двумя крышками. Корпус предпочтительно выполнен из алюминия или меди.The case is a cubic shape design, which can be either monolithic, for example, a milled or injection molded part, or made of four walls twisted together and closed with two covers on top and bottom. The housing is preferably made of aluminum or copper.
Теплоотвод осуществляется на боковые стенки, на которых выполнены пазы. При этом не блокируется доступ к двум другим боковым стенкам корпуса, не имеющим пазов, которые могут быть задействованы для размещения дополнительных интерфейсов. Кроме того, одна стенка корпуса, расположенная в. основании стека модулей, может быть задействована в процессе отвода тепла путем прижатия радиатора или теплоотводящей пластаны крайнего модуля стека к поверхности такой стенки.The heat sink is carried out on the side walls on which the grooves are made. At the same time, access to two other side walls of the case that do not have grooves that can be used to accommodate additional interfaces is not blocked. In addition, one wall of the housing located at. the base of the stack of modules, it can be involved in the process of heat removal by pressing the heatsink or heat sink plate of the extreme module of the stack to the surface of such a wall.
Внешняя поверхность боковых стенок корпуса, к которым крепятся модули, предпочтительно имеет ребрение для улучшения теплоотвода.The outer surface of the side walls of the housing to which the modules are attached preferably has a rib for improving heat dissipation.
3. Особого метода крепления электронных модулей внутри корпуса. Благодаря применению в изделии теплоотводящей пластины и системы пазов на корпусе (как правило, с регулярным «шагом») фиксация всей группы (стека) модулей внутри корпуса изделия возможна за счет плотного закрепления (расклинивания замков) в пазах корпуса теплоотводящей пластины, прикрепленной лишь к одному из электронных модулей в стеке. Поскольку все модули в стеке (в том числе не имеющие установленных на них теплоотводящих пластин) крепятся друг к другу за счет специальных стоек, высота которых рассчитывается исходя из «шага» стека, и подсоединяются друг к другу через разъемы расширения, весь стек модулей прочно держится за счет крепления теплоотводящей пластины одного из модулей на корпус посредством размещенных на ее краях замков и не нуждается в дополнительном креплении. Это обеспечивает сохранение свободного пространства внутри корпуса изделия, а также возможность установки дополнительных интерфейсных разъемов и, как следствие, вывода интерфейсов от любого модуля, установленного в таком корпусе, как на любую из двух боковых стенок, не имеющих пазов для фиксации стека модулей, так и на верхнюю или нижнюю крышку корпуса изделия.3. A special method of mounting electronic modules inside the case. Due to the use of a heat sink plate and a groove system on the case (usually with a regular “step”) in the product, fixing the entire group (stack) of modules inside the product body is possible due to tight fixing (wedging of locks) in the grooves of the heat sink plate attached to only one from electronic modules on the stack. Since all modules in the stack (including those that do not have heat sink plates installed on them) are attached to each other due to special racks, the height of which is calculated based on the “step” of the stack, and are connected to each other through expansion slots, the entire stack of modules holds firmly due to the fastening of the heat sink plate of one of the modules to the housing by means of locks located on its edges and does not need additional fastening. This ensures the preservation of free space inside the product’s case, as well as the possibility of installing additional interface connectors and, as a result, the output of interfaces from any module installed in such a case, as to any of the two side walls that do not have slots for fixing the module stack, and on the top or bottom cover of the product.
Техническое решение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:The technical solution is illustrated by drawings, which do not cover and, moreover, do not limit the entire scope of the claims of this technical solution, but are only illustrative materials of a particular case of execution:
На фиг. 1 показан процессорный стековый модуль с установленной теплоотводящей пластиной, вид сбоку.In FIG. 1 shows a processor stack module with a heat sink plate installed, side view.
На фиг. 2 показана теплоотводящая пластина, установленная на стековый модуль.In FIG. 2 shows a heat sink plate mounted on a stack module.
На фиг. 3 показана теплоотводящая пластина с вырезами под стековые разъемы расширения.In FIG. 3 shows a heat sink plate with cutouts for stack expansion slots.
На фиг. 4 показан корпус радиоэлектронного изделия с системой пазов для установки модулей с теплоотводящими пластинами.In FIG. 4 shows the housing of a radio electronic product with a groove system for installing modules with heat sink plates.
На фиг. 5 показан корпус радиоэлектронного изделия с установленным стеком модулей и отдельно стоящими модулями с теплоотводящими пластинами.In FIG. 5 shows the housing of an electronic product with an installed stack of modules and stand-alone modules with heat sink plates.
Теплоотводящая пластина 2 посредством стоек 6 устанавливается на печатную плату электронного стекового модуля 5, причем высота стоек 6 рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить плотное прилегание внутренней поверхности пластины 2 к тепловыделяющим компонентам 4 электронного модуля 5. В случае процессорного модуля или источника питания, а также в случае, когда в целях получения более высоких показателей работы системы теплоотвода в качестве промежуточного элемента между теплоотводящей пластиной и электронным модулем применяется радиатор охлаждения 3, пластина 2 винтами крепится на радиатор 3, прилегающий к тепловыделяющим компонентам 4 стекового модуля 5. Пластина. 2 с двух сторон выступает за габариты модуля 5 и на этих выступах устанавливаются замки (клинья) 1. Причем ширина выступов пластины 2 с каждой стороны равна расстоянию от соответствующего края модуля 5 до поверхности детали 10 в пазу 11, установленной на стенку корпуса 9, (либо стенки корпуса 9). Пластина 2 с клиньями 1 служит для транспортировки тепла, а так же для фиксации модуля 5 в корпусе 9. Следующий модуль, не имеющий пластины 2, крепится к предыдущему с помощью стоек 6. Пластина 2 выполняется преимущественно из меди и может иметь защитное гальваническое или порошковое покрытие, предотвращающее коррозию пластины при контакте с алюминием. Радиатор 3 преимущественно выполняется из алюминия, но может быть выполнен из меди, если требуется отводить как можно больше тепла. Предпочтительная толщина пластины 2 составляет от 2,8 мм до 3 мм. В случае процессорного модуля, радиатор 3 и пластина 2 устанавливается с одной стороны, противоположной установке следующих модулей стека (модули расширения устанавливаются всегда с одной стороны от процессорного модуля). В частном случае в радиаторе 3 и пластине 2 могут быть предусмотрены отверстия (дополнительные вырезы) 15 и/или 16 для установленных на модуле разъемов расширения, к которым могут подключаться другие модули, или в случае наличия на модуле иных высоких компонентов, упирающихся в пластину. Сама теплоотводящая пластина 2 имеет отверстия 7 для крепления замков 1 и отверстия 8 для крепления к стековому модулю 5 или его радиатору 3. Замки 1 в зависимости от высоты крепления теплоотводящей пластины 2 над или под модулем могут устанавливаться с той или иной стороны согласно конструкции корпуса - в зависимости от того в верхнюю или нижнюю часть паза 11 будет фиксироваться пластина при установке стека модулей в корпус 9. Дополнительные отверстия 14 в пластине могут изготавливаться для фиксации кабелей и проводов внутри корпуса 9. Для увеличения площади контакта с корпусом 9, что влияет на повышение объемов отводимого с модуля 5 тепла, выступающие за пределы модуля 5 по его высоте края пластины могут иметь уширения, как показано на фиг. 2.The
На внутренней стороне корпуса 9 формируется с регулярным «шагом» система пазов 11, ширина которых соответствует толщине пластины 2 и ширине замка 1, установленного на пластину 2 в расклиненном положении (рекомендованной производителем замка высоте расклинивания), причем «шаг» пазов соответствует «шагу» стека модулей - расстоянию между верхними краями печатных плат двух соединенных между собой модулей, что обеспечивает возможность устанавливать отдельные модули и/или стек модулей в любое положение внутри корпуса (мобильность элементов в стеке, «гибкость» архитектуры корпусного изделия электроники). Пазы 11 на внутренних стенках корпуса 9 формируются за счет установки винтами на внутренних стенках корпуса деталей 10 с системой ребер 12. Детали 10 предпочтительно выполнены из алюминия и по своим габаритам (ширина, высота) соответствуют габаритам внутренних стенок корпуса 9, на которые они крепятся. Возможно формирование системы ребер путем их фрезерования на внутренних стенках корпуса 9. В частном случае для стека с шагом 16,8 мм при толщине плат 1,6 мм и расстоянию между платами 15,2 мм, с пластиной 2 толщиной 2,95 мм и с рекомендованной высотой зазора 7,7 мм для замка 1 ширина пазов будет составлять 10,7 мм (или ширина ребер составляет 6,1 мм). Для модулей расширения пластина обычно устанавливается с другой стороны, нежели чем для процессорного стекового модуля и расстояние от печатной платы толщиной 1,6 мм модуля расширения до пластины толщиной 2,95 мм, установленной на этом модуле расширения, будет 7 мм. Модули 5 соединяются между собой в стек посредством разъемов расширения 17, установленных на каждом модуле. Модули расширения, не имеющие теплоотводящей пластины крепятся к предыдущему модулю посредством стоек 6, а отсчет модулей ведется от процессорного. Отдельно стоящие модули с пластиной 2, например источники питания, могут быть закреплены в корпусе 9 в любом свободном месте, в том числе и в крайнее положение, прилегая к стенке 13 корпуса 9, для более эффективного теплоотвода.On the inner side of the housing 9, a system of
Система кондуктивного теплоотвода работает следующим образом.The conductive heat sink system operates as follows.
Образующееся в процессе работы электронного модуля 5 тепло сначала отводится на пластину 2, установленную на данный модуль 5 и выполненную предпочтительно из алюминия или меди. Отвод тепла достигается за счет плотного прилегания тепловыделяющих элементов 4 электронного модуля 5 непосредственно к внутренней поверхности пластины 2. В случае процессорного модуля или источника питания, а также в целях получения более высоких показателей работы системы теплоотвода допускается использовать в системе в качестве промежуточного между электронным модулем 5 и теплоотводящей пластиной 2 элемента радиатор охлаждения 3.The heat generated during operation of the
Так как теплоотводящая пластина 2 имеет достаточно большую теплоемкость по сравнению с тепловыделяющими элементами 4 электронного модуля 5, то тепло эффективно отбирается пластиной 2 и перераспределяется от точечного источника с малой площадью (микросхема или другой тепловыделяющий компонент) по всей площади пластины. Так как пластина 2 предпочтительно выполняется из алюминия или меди, то в устоявшемся тепловом режиме она практически по всей площади будет иметь одинаковую температуру несколько выше температуры корпуса тепловыделяющих элементов 4 электронного модуля 5. Так при отведении тепла с одного основного тепловыделяющего элемента стекового модуля, мощностью 15 Вт, с применением промежуточного между элементом модуля и теплоотводящей пластиной алюминиевого радиатора, разница температур в устоявшемся режиме между компонентом модуля и пластиной может быть порядка 10 градусов Цельсия. В каждом отдельном случае, в зависимости от типов тепловыделяющих элементов, их корпусов, конструкции модулей и выделяемой мощности могут применяться различные теплопроводящие материалы, обусловленные технологией производства и сборки изделий или доступности материалов.Since the heat-removing
Далее, так как расположенные на краях теплоотводящей пластины 2 замки выполнены предпочтительно из алюминия или латуни, то отвод тепла на корпус 9 изделия обеспечивается за счет плотного контакта (прижатия) краев пластины 2 по всей площади контакта пластины 2 и корпуса 9 - в пазах 11. Так как корпус 9 имеет еще большую теплоемкость, чем пластина 2 и кopпyc 9 снаружи обычно подвержен охлаждению (кондуктивному или конвективному) с еще большей площади, чем площадь пластины 2 и, тем более, чем площадь тепловыделяющих элементов 4 модуля 5, то тепло от пластины 2 отводится на корпус 9 по всей площади контакта пластины 2 и корпуса 9 (в пазах 11). В результате, внутри радиоэлектронного изделия тепло перераспределяется пластиной с малой площади корпусов тепловыделяющих элементов электронного модуля через площадь контакта пластины с корпусом на сам корпус и впоследствии выводится в окружающую корпус изделия среду. За счет применения для теплоотводящей пластины материала с высокой теплопроводностью тепло эффективно распределяется от точечного источника на модуле по всей площади пластины, что обеспечивает эффективный теплоотвод от компонентов модуля.Further, since the locks located at the edges of the
При этом все детали - теплоотводящая пластина, детали с системой ребер внутри корпуса, имеют достаточно простую и технологичную форму, просты в производстве и такая конструкция проста в сборке и предоставляет гибкую возможность модифицировать готовую систему (архитектуру изделия) путем установки новых модулей без необходимости менять габариты и конструкцию корпуса. Для повышения теплоотвода между пластиной 2 и корпусом 9 (в пазах 11), а так же между пластиной 2 и радиатором 3 возможно применение теплопроводящей пасты.At the same time, all the details - the heat sink plate, the parts with the rib system inside the case, are quite simple and technologically advanced, easy to manufacture and this design is easy to assemble and provides the flexibility to modify the finished system (product architecture) by installing new modules without having to change dimensions and housing design. To increase the heat sink between the
Эффективность работы системы теплоотвода наглядным образом следует из результатов следующих проведенных экспериментов.The efficiency of the heat sink system clearly follows from the results of the following experiments.
Проведено два исследования эффективности теплоотвода, которая оценивалась путем замера температуры корпуса мощного транзистора и температуры радиатора, к которому он прилегает. В качестве тепловой модели выбран транзистор, поскольку размер корпуса транзистора (ТО-220) по площади контакта с радиатором практически равен площади прилегания кристалла процессора модуля СРС309, который под нагрузкой так же выделяет мощность порядка 5-7 Вт (конкретные показатели зависят от выполняемой программы и режима работы процессора). В отличие от процессорного модуля, на котором распределено большое количество тепловыделяющих элементов, исследование теплоотвода с помощью одного тепловыделяющего компонента малого размера (транзистора) представляется более целесообразным. При этом выделяемая мощность задается источником тока и может быть оценена достаточно точно по сравнению с процессором, выделяемую мощность которого можно лишь косвенно оценить по показаниям встроенных датчиков температуры ядра.Two studies of the efficiency of the heat sink were carried out, which was estimated by measuring the temperature of the body of a powerful transistor and the temperature of the radiator to which it is adjacent. The transistor was chosen as the thermal model, since the size of the transistor case (TO-220) in terms of contact area with the radiator is almost equal to the contact area of the chip of the processor module СРС309, which under load also releases power of the order of 5-7 W (specific indicators depend on the program and processor mode). In contrast to the processor module, on which a large number of fuel elements are distributed, the study of heat removal using one small heat-generating component (transistor) seems more appropriate. In this case, the allocated power is set by the current source and can be estimated quite accurately compared to the processor, the released power of which can only be indirectly estimated by the readings of the built-in core temperature sensors.
В экспериментах схема прилегания корпуса транзистора полностью повторяла схему прилегания процессора в модуле СРС309 к радиатору: транзистор с одной стороны через термопасту прилегал к медной пластинке технологической пластинке, применяемой в модуле СРС309 для выравнивания погрешности установки корпуса процессора при пайке компонентов от партии к партии. Медная пластинка через термопрокладку прилегала к радиатору 3. Медная пластинка применялась для идентичности схемы теплоотдачи между процессорным модулем СРС309 и тепловой моделью. Первый эксперимент проводился без применения теплоотводящей пластины 2. Во втором эксперименте к радиатору 3 подсоединялась теплоотводящая пластина 2. В обоих случаях через внутренний защитный диод транзистора пропускался прямой ток 7 А и в результате падения напряжения на диоде выделялась мощность порядка 5 Вт (падение напряжения на диоде контролировалось вольтметром и пересчитывалось в мощность). При помощи термоскопа замерялась температура на медной пластинке, к которой через термопасту прилегал корпус транзистора, и на корпусе транзистора. Показатели данных замеров оказались равны. Так же измерялась температура радиатора.In experiments, the fitting circuit of the transistor case completely repeated the fitting circuit of the processor in the CPC309 module to the heatsink: on the one hand, the transistor adhered to the copper plate on the technological plate used in the CPC309 module to align the error in installing the processor case when soldering components from batch to batch. The copper plate through the thermal pad was adjacent to the
Для тестовой сборки без установленной теплоотводящей 2 на радиатор 3 термостабилизация происходила в течение часа, что подтверждалось прекращением роста показаний термодатчиков, а во втором - в течение двух часов, что обусловлено разным весом исследуемых сборок. По истечении указанного времени температуры сравнивались для оценки эффективности применения теплоотводящей пластины.For the test assembly without
В результате исследования при температуре окружающего воздуха 27 градусов Цельсия температура корпуса транзистора составила 57 градусов Цельсия в первом и 41 градус Цельсия во втором эксперименте соответственно. Температура радиатора в первом и втором экспериментах составили 52,5 и 33 градуса Цельсия соответственно. Таким образом, при выделяемой мощности 5 Вт и при установке теплоотводящей пластины 2 с последующей установкой тестовой сборки в корпус 9, разница температур на корпусе тепловыделяющего элемента составила 16 градусов Цельсия, а разница температур радиатора - 19,5 градусов Цельсия, что свидетельствует об эффективности работы предлагаемого решения. При выделяемой мощности 5 Вт с одного элемента установка пластины 2 и размещение тестовой сборки в корпусе 9 (т.е. применение в изделии заявленного технического решения) эффективность теплоотвода повышается на 40%.As a result of the study, at an ambient temperature of 27 degrees Celsius, the transistor case temperature was 57 degrees Celsius in the first and 41 degrees Celsius in the second experiment, respectively. The temperature of the radiator in the first and second experiments was 52.5 and 33 degrees Celsius, respectively. Thus, with a power output of 5 W and when installing a heat-removing
Таким образом, применение заявленного технического решения в изделии обеспечивает эффективный отвод тепла от расположенного внутри корпуса тепловыделяющих элементов, при одновременном обеспечении высокой технологичности изделия за счет существенной экономии внутреннего пространства при минимальном увеличении стоимости изделия, связанной с дополнительной установкой простых в изготовлении элементов (пластины, деталей на стенки корпуса с системой пазов).Thus, the application of the claimed technical solution in the product provides effective heat removal from the heat-generating elements located inside the housing, while ensuring high technological effectiveness of the product due to significant savings in internal space with a minimum increase in the cost of the product associated with additional installation of elements (plates, parts, which are easy to manufacture) on the walls of the body with a groove system).
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017113675A RU2713486C2 (en) | 2017-04-13 | 2017-04-13 | System of conductive heat removal from electronic modules of stack form factor for housing electronics products |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017113675A RU2713486C2 (en) | 2017-04-13 | 2017-04-13 | System of conductive heat removal from electronic modules of stack form factor for housing electronics products |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016109576 Substitution | 2016-03-17 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2017113675A RU2017113675A (en) | 2018-10-15 |
| RU2017113675A3 RU2017113675A3 (en) | 2019-11-28 |
| RU2713486C2 true RU2713486C2 (en) | 2020-02-05 |
Family
ID=63863510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017113675A RU2713486C2 (en) | 2017-04-13 | 2017-04-13 | System of conductive heat removal from electronic modules of stack form factor for housing electronics products |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2713486C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU215075U1 (en) * | 2022-04-27 | 2022-11-28 | Акционерное общество "Информационная внедренческая компания" | Modular electronic device |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4027206A (en) * | 1975-01-27 | 1977-05-31 | L. H. Research | Electronic cooling chassis |
| SU736390A1 (en) * | 1977-05-16 | 1980-05-25 | Предприятие П/Я А-3162 | Device for cooling radio electronic apparatus |
| US4962444A (en) * | 1989-01-03 | 1990-10-09 | Sunstrand Corporation | Cold chassis for cooling electronic circuit components on an electronic board |
| RU2361378C2 (en) * | 2007-08-13 | 2009-07-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" | Cooling device |
-
2017
- 2017-04-13 RU RU2017113675A patent/RU2713486C2/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4027206A (en) * | 1975-01-27 | 1977-05-31 | L. H. Research | Electronic cooling chassis |
| SU736390A1 (en) * | 1977-05-16 | 1980-05-25 | Предприятие П/Я А-3162 | Device for cooling radio electronic apparatus |
| US4962444A (en) * | 1989-01-03 | 1990-10-09 | Sunstrand Corporation | Cold chassis for cooling electronic circuit components on an electronic board |
| RU2361378C2 (en) * | 2007-08-13 | 2009-07-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" | Cooling device |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU215075U1 (en) * | 2022-04-27 | 2022-11-28 | Акционерное общество "Информационная внедренческая компания" | Modular electronic device |
| RU2794347C1 (en) * | 2022-07-13 | 2023-04-17 | Лутохин Александр Анатольевич | Wedge retainer for electronic modules for systems with conductive heat removal from electronic equipment components |
| RU2821267C1 (en) * | 2023-03-24 | 2024-06-19 | Закрытое акционерное общество "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ДОЛОМАНТ" (ЗАО "НПФ "ДОЛОМАНТ") | System for heat removal of modules of computer system of highway-modular architecture |
| RU2820075C1 (en) * | 2023-04-17 | 2024-05-28 | Закрытое акционерное общество "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА "ДОЛОМАНТ" (ЗАО "НПФ "ДОЛОМАНТ") | System of conductive heat removal from electronic modules of main-modular form factor for package electronics products |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2017113675A3 (en) | 2019-11-28 |
| RU2017113675A (en) | 2018-10-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111989990B (en) | Cooling electronics in a data center | |
| US10595439B2 (en) | Movable heatsink utilizing flexible heat pipes | |
| US6982877B2 (en) | Heat sink having compliant interface to span multiple components | |
| US8270170B2 (en) | Contact cooled electronic enclosure | |
| KR101614227B1 (en) | Compact thermal module | |
| US20120085520A1 (en) | Heat spreader with flexibly supported heat pipe | |
| US20100320187A1 (en) | Heat Sink and Thermal Plate Apparatus for Electronic Components | |
| US20080029244A1 (en) | Heat sinks for dissipating a thermal load | |
| US8111516B2 (en) | Housing used as heat collector | |
| US11785743B2 (en) | Temperature control of closely packed electronic assemblies | |
| US20130155622A1 (en) | Electronic device with heat dissipation apparatus | |
| US20240196572A1 (en) | Heat sink for liquid cooling | |
| US20120000625A1 (en) | Heat dissipation device | |
| US9648789B2 (en) | Apparatus for cooling and mounting a circuit board | |
| US8422226B2 (en) | Heat dissipation device | |
| EP1648213B1 (en) | Heat dissipation for multiple integrated circuits mounted on a printed circuit board | |
| US7286365B2 (en) | Electronic substrate for a three-dimensional electronic module | |
| US9320176B2 (en) | Heat dissipation system and rack-mount server using the same | |
| RU2713486C2 (en) | System of conductive heat removal from electronic modules of stack form factor for housing electronics products | |
| EP3867729A1 (en) | Thermal management for modular electronic devices | |
| US20120085527A1 (en) | Heat spreader with mechanically secured heat coupling element | |
| CN111434199B (en) | Fanless cooling system and electronic module system | |
| RU2820075C1 (en) | System of conductive heat removal from electronic modules of main-modular form factor for package electronics products | |
| US20210298197A1 (en) | Conductive thermal management architecture employing a stiffener of a printed wiring board assembly | |
| RU138093U1 (en) | RADIATOR AND PCB MOUNTING DEVICE |