Пристрій для охолодження електронних компонентів

Реферат: Пристрій для охолодження електронних компонентів належить до радіоелектроніки і може бути використаний для нормалізації температури електронних компонентів, зокрема центральних процесорних пристроїв сучасних комп'ютерів, особливо промислових комп'ютерів. Пристрій містить корпус, на зовнішній поверхні однієї з вертикальних стінок якого, що є радіатором, є теплорозсіюючі ребра, а всередині корпуса розміщений базовий теплопередавальний блок, призначений для контактування з теплонавантаженими електронними компонентами, до базового теплопередавального блока приєднані теплові трубки з капілярно-пористою структурою, які з'єднані з радіатором. Частина теплових трубок розташована вище базового теплопередавального блока (висхідні теплові трубки), а інша частина - нижче базового теплопередавального блока (низхідні теплові трубки). Радіус пор внутрішньої структури висхідних і низхідних теплових трубок різний і обраний з умови компенсації впливу сил гравітації на характеристики теплопередачі. Радіатор є невід'ємною частиною корпуса або виконаний у вигляді окремої деталі. Базовий теплопередавальний блок та інші теплопередавальні блоки складаються із двох частин, які мають із боку стикування частин одна з одною пази для установки теплових трубок або виконані суцільними і мають отвори для установки теплових трубок або виконані суцільними і мають пази для установки теплових трубок з боку контакту з теплонавантаженими електронними компонентами або радіатором. Зазори між частинами базового теплопередавального блока та інших теплопередаючих блоків і теплових трубок заповнені теплопровідною пастою будь-якого типу або легкоплавким припоєм. Між базовим теплопередавальним блоком, теплонавантаженими електронними компонентами, а також іншими теплопровідними блоками та радіатором нанесена теплопровідна паста будь UA 100080 C2 (12) UA 100080 C2 якого типу. Частина внутрішнього простору корпуса з боку радіатора заповнена теплоізоляційним матеріалом. Технічним результатом є підвищення однорідності температурного поля по висоті радіатора і зниження температури в області приєднання тепловідвідної частини теплових трубок, з одночасним спрощенням конструкції пристрою, внаслідок чого поліпшуються функціональні можливості пристрою і підвищується надійність його роботи. UA 100080 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до радіоелектроніки і може бути використаний для нормалізації температури електронних компонентів, зокрема центральних процесорних пристроїв (ЦПП) сучасних комп'ютерів, особливо промислових комп'ютерів, призначених для встановлення в умовах вулиці або в приміщеннях при несприятливих умовах зовнішнього середовища: підвищеній запиленості, підвищеній вологості, а також при підвищених температурах. Відомий пристрій для охолодження деталей комп'ютера (див. патент РФ № 2348963, МПК G06F1/20 (2006.01), опубл. 10.03.2009), який містить теплопередавальний блок, з'єднаний з можливістю передачі тепла з тепловиділяючими деталями для прийому тепла, яке виділяється, теплорозсіюючими деталями; щонайменше одну теплову трубку, яка містить ділянку для з'єднання з теплопередавальним блоком, з'єднану з можливістю передачі тепла з теплопередавальним блоком, і ділянку для з'єднання з теплорозсіюючими ребрами, зігнутий з одержанням вигнутої форми; і множину теплорозсіюючих ребер. Однак описаний пристрій має наступні недоліки: при відведенні великої кількості тепла такий пристрій має потребу в примусовому обдуві за допомогою вентилятора, наявність якого підвищує рівень шуму і знижує надійність системи. Крім цього, у зв'язку тим, що відвід тепла здійснюється ребрами, які перебувають усередині корпуса комп'ютера, внутрішній обсяг повітря швидко нагрівається і виникає необхідність забезпечення ефективної циркуляції повітря через вентиляційні отвори в зовнішніх стінках корпуса, що унеможливлює захист конструкції комп'ютера від попадання всередину пилу й вологи, що негативно позначається на його надійності. Відома також система пасивного охолодження моноблочного комп'ютера (див. патент РФ на корисну модель № 64400, МПК G06F3/00 (2006.01), G06F15/00 (2006.01), опубл. 27.06.2007), під пасивною системою охолодження мається на увазі те, що моноблочний комп'ютер не містить спеціальних електромеханічних блоків, призначених для його охолодження, тепло, яке виділяється такими елементами моноблочного комп'ютера як процесор, chipset і т.д., виділяється або безпосередньо від їхнього корпуса, або за допомогою радіаторів за рахунок випромінювання та природної конвекції, без примусового обдуву (примусової конвекції) або циркуляції охолоджувальної рідини. Однак описаний пристрій має наступні недоліки: відвід тепла від тепловиділяючих елементів винятково за допомогою радіаторів має обмеження, пов'язані з тим, що через кінцеву теплопровідність матеріалу радіатора теплове поле нерівномірно розподіляється по поверхні радіатора, не дозволяючи, без додаткових заходів, таких як застосування теплових трубок, ефективно використовувати всю його площу. Таким чином, охолодження з використанням описаного пристрою недостатньо ефективне і не може бути застосоване для охолодження сучасних високопродуктивних процесорів та інших елементів, які характеризуються високим тепловиділенням. Відомий також пристрій для охолодження електронних компонентів, описаний у прийнятому нами за прототип патенті (див. патент США № 7177154, МПК Н05К 7/20 (2006.01), опубл. 13.02.2007), який містить корпус, на зовнішній поверхні однієї з вертикальних стінок якого, що є радіатором, є теплорозсіюючі ребра, всередині корпуса розміщений базовий теплопередавальний блок, призначений для контактування з теплонавантаженими електронними компонентами; до базового теплопровідного блока приєднані теплові трубки з капілярно-пористою структурою або пульсуючі (змієподібні) теплові трубки, з'єднані з радіатором, при цьому теплові трубки спрямовані тільки в одну сторону (у бік найближчого до ЦПП краю системної плати). У цьому пристрої передбачається використання теплових трубок з капілярно-пористою структурою у випадку, коли нагрітий кінець трубки перебуває на одному рівні з охолоджуваним кінцем або нижче, і використання пульсуючих теплових трубок у протилежному випадку. Для рівномірного розподілу теплового поля по поверхні радіатора в описаному пристрої використані додаткові теплові трубки, які проходять уздовж радіатора між його ребрами. До недоліків конструкції можна віднести те, що зони відводу теплоти теплових трубок сконцентровані в одній (верхній або нижній) частині радіатора. Це призводить до неоднорідності температурного поля по його висоті і підвищення температури в області приєднання тепловідводної частини теплових трубок, у порівнянні з усією поверхнею радіатора. Товщина теплового приграничного шару по висоті радіатора збільшується. У верхній частині радіатора тепловий приграничний шар має більшу товщину, чим у нижній частині радіатора. Навіть за умови ізотермічності поверхні охолодження це призводить до зниження коефіцієнтів тепловіддачі у верхній частині і, відповідно, до погіршення відводу теплоти від радіатора в навколишнє середовище. Температура зон відводу теплоти теплових трубок підвищується, що в кінцевому результаті призводить до росту температури об'єкта охолодження (ЦПП) і 1 UA 100080 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 погіршення його функціональних можливостей. Для усунення цього недоліку і виникла необхідність використання в конструкції двох різних видів теплових трубок (як показано вище), а також розміщення додаткових трубок, що проходять уздовж радіатора між його ребрами, що істотно ускладнює конструкцію описаного пристрою і призводить до зниження її надійності при експлуатації. В основу винаходу поставлено задачу підвищення однорідності температурного поля по висоті радіатора і зниження температури в області приєднання тепловідвідної частини теплових трубок, з одночасним спрощенням конструкції пристрою, внаслідок чого поліпшуються функціональні можливості пристрою і підвищується надійність його роботи. Для вирішення цієї задачі в пристрої для охолодження електронних компонентів, який містить корпус, на зовнішній поверхні однієї з вертикальних стінок якого, що є радіатором, є теплорозсіюючі ребра, а всередині корпуса розміщений базовий теплопередавальний блок, призначений для контактування з теплонавантаженими електронними компонентами, до базового теплопередавального блока приєднані теплові трубки з капілярно-пористою структурою, з'єднані з радіатором, відповідно до винаходу, частина теплових трубок розташована вище базового теплопередавального блока (висхідні теплові трубки), а інша частина - нижче базового теплопередавального блока (низхідні теплові трубки); при оптимальних варіантах виконання пристрою, що заявляється, радіус пор внутрішньої структури висхідних і низхідних теплових трубок різний і вибраний з умови компенсації впливу сил гравітації на характеристики теплопередачі; радіус пор внутрішньої структури висхідних і низхідних трубок вибирається з наступної умови: 2 2  ghв   ghH Rв RH , де ρ - щільність теплоносія; g - прискорення сили ваги; RH - радіус пор у капілярній структурі низхідних теплових трубок; RB - радіус пор у капілярній структурі висхідних теплових трубок; hв висота розташування тепловідвідної частини висхідних теплових трубок над базовим теплопередавальним блоком; hH - висота розташування тепловідвідної частини низхідних теплових трубок нижче базового теплопередавального блока; радіатор є невід'ємною частиною корпуса або виконаний у вигляді окремої деталі; базовий теплопередавальний блок та інші теплопередавальні блоки складаються із двох частин, які мають із боку стикування частин одна з одною пази для установки теплових трубок або виконані суцільними і мають отвори для установки теплових трубок, або виконані суцільними і мають пази для установки теплових трубок з боку контакту з теплонавантаженими електронними компонентами або радіатором; зазори між частинами базового теплопередавального блока та інших теплопередавальних блоків і теплових трубок заповнені теплопровідною пастою будь-якого типу або легкоплавким припоєм; між базовим теплопередавальним блоком, теплонавантаженими електронними компонентами, а також іншими теплопровідними блоками та радіатором нанесена теплопровідна паста будь-якого типу; частина внутрішнього простору корпуса з боку радіатора заповнена теплоізоляційним матеріалом. Причинно-наслідковий зв'язок між пропонованою сукупністю ознак і технічним ефектом, який досягається, полягає в наступному. Ефективність тепловідводу досягається тим, що одна частина теплових трубок, тепловіддавальні поверхні яких рівномірно розташовані по поверхні радіатора, розташована вище базового теплопередавального блока (висхідні теплові трубки), а інша - нижче базового теплопередаючого блока (низхідні теплові трубки), при цьому ефективна площа відводу теплоти радіатором збільшується і температура базового теплопередавального блока, з яким контактує теплонавантажений електронний компонент, наприклад ЦПП, знижується, отже, нормалізується температурний режим охолоджуваного електронного компонента, що збільшує надійність роботи всього пристрою. Зони відводу теплоти теплових трубок, які розташовані нижче теплопередавального блока перебувають у кращих умовах по тепловіддачі в порівнянні з тими, які розміщені вище, оскільки товщина теплового приграничного шару в цій частині радіатора менше, ніж у верхній. Однак при передачі теплової енергії проти сил гравітації ефективність роботи теплових трубок трохи знижується (збільшується загальний тепловий опір і знижується максимальний тепловий потік), що може незначно позначитися на рівномірності відводу теплоти від теплонавантаженого електронного компонента. Для компенсації зниження ефективності роботи теплових трубок, які розташовані нижче базового теплопередавального блока, вони конструктивно виконані таким чином, щоб компенсувати сили гравітації, які перешкоджають руху теплоносія усередині капілярної структури до зони підведення теплоти (базового теплопередавального блока). Це досягається тим, що радіус пор капілярної структури в 2 UA 100080 C2 низхідних теплових трубках обраний таким чином, щоб капілярний напір у них був вище, ніж у висхідних теплових трубках: 2 2  RH R в , 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 де σ - коефіцієнт поверхневого натягу теплоносія; RH - радіус пор у капілярній структурі низхідних теплових трубок; RB - радіус пор у капілярній структурі висхідних теплових трубок. Для того щоб теплові трубки (висхідні й низхідні) однаково передавали теплову енергію, необхідним є виконання наступної умови: 2 2  ghв   ghH Rв RH , де σ - коефіцієнт поверхневого натягу теплоносія; ρ - щільність теплоносія; g - прискорення сили ваги; hв - висота розташування тепловідвідної частини висхідних теплових трубок над базовою підставою; hH - висота розташування тепловідвідної частини низхідних теплових трубок нижче базового теплопередавального блока; RH - радіус пор у капілярній структурі низхідних теплових трубок; RB - радіус пор у капілярній структурі висхідних теплових трубок. Наприклад, якщо радіус пор капілярної структури у висхідних теплових трубок дорівнює 45 мкм (що відповідає пористості 90 %), а їхня зона відводу теплоти розташовується вище базового теплопередавального блока на 0,1 м, і зона відводу теплоти низхідних теплових трубок нижче базового теплопередавального блока на 0,1 м, то радіус пор капілярної структури низхідних теплових трубок повинен становити 25 мкм (пористість 75 %). У цьому випадку досягаються однакові умови для відводу теплоти як висхідними, так і низхідними тепловими трубками. Істотно, що ефективне охолодження електронних компонентів здійснюється без необхідності забезпечення повітрообміну між внутрішнім об'ємом корпуса та зовнішнім середовищем, що дозволяє виконати корпус захищеним від проникнення всередину пилу та вологи. На фіг. 1 показано пропонований пристрій для охолодження електронних компонентів при знятій протилежній радіатору стінці, вид спереду; на фіг. 2 - розріз по А-А на фіг. 1; на фіг. 3 розріз по Б-Б на фіг. 1; на фіг. 4 - розріз Б-Б на фіг. 1, варіант виконання пристрою з теплоізоляційним матеріалом. Пропонований пристрій містить корпус 1, на зовнішній поверхні однієї з вертикальних стінок якого, що є радіатором 2, є теплорозсіюючі ребра 3, а всередині корпуса 1 розміщений базовий теплопередавальний блок 4, призначений для контактування з теплонавантаженими електронними компонентами 5, у цьому випадку ЦПП, встановленим на системній платі 6, до базового теплопередавального блока 4 приєднані в даному конкретному прикладі чотири теплові трубки 7 з капілярно-пористою структурою, з'єднані з радіатором 2 через, відповідно, чотири теплопередавальні блоки 8. Частина теплових трубок 7 розташована вище базового теплопередавального блока 4 (висхідні теплові трубки), а інша частина - нижче базового теплопередавальний блока 4 (низхідні теплові трубки), при цьому радіус пор внутрішньої структури висхідних і низхідних теплових трубок 7 різний і вибраний відповідно до умови компенсації впливу сил гравітації на характеристики теплопередачі. Радіатор 2 з ребрами 3 може бути невід'ємною частиною корпуса 1 або бути виконаним у вигляді окремої деталі (як показано на фіг. 1-3), з'єднаної з корпусом 1 за допомогою гвинтів 9, або складатися з багатьох складових частин. Базовий теплопередавальний блок 4 може бути закріплений всередині корпуса 1 за допомогою монтажних стійок 10 або будь-яким іншим чином. Базовий теплопередавальний блок 4 та інші теплопередавальні блоки 8 можуть складатися із двох частин, які мають із боку стикування частин одна з одною пази для установки теплових трубок 7, або бути суцільними і мати отвори для установки теплових трубок 7, або бути суцільними і мати пази для установки теплових трубок 7 з боку контакту з теплонавантаженими електронними компонентами 5 або радіатором 2. Частини базового теплопередавального блока 4 можуть скріплюватися між собою та з монтажними стійками 10 за допомогою гвинтів 11. Частини інших теплопередавальних блоків 8 можуть скріплюватися між собою та з радіатором 2 за допомогою гвинтів 12. Для поліпшення теплопередачі, між частинами базового теплопередавального блока 4 або теплопередавальних блоків 8 і тепловими трубками 7 зазори заповнені теплопровідною пастою будь-якого типу або легкоплавким припоєм. Між базовим теплопередаючим блоком 4 і теплонавантаженими електронними компонентами 5, а також іншими теплопередавальними блоками 8 і радіатором 2 нанесена теплопровідна паста будьякого типу. 3 UA 100080 C2 5 10 15 Для запобігання поверненню тепла від радіатора 2 у внутрішню частину корпуса 1, частина внутрішнього простору корпуса 1 з боку радіатора 2 може бути заповнена теплоізоляційним матеріалом 13, наприклад силіконовою композицією з наповнювачем, як показано на фіг. 4. Робота пропонованого пристрою здійснюється в такий спосіб. Різне електронне устаткування, як наприклад функціональні блоки промислового комп'ютера, встановлюються всередину корпуса 1 таким чином, що найбільше теплонавантажені електронні компоненти 5, наприклад ЦПП, контактують із базовим теплопередавальним блоком 4. Тепло, яке виділяється електронними компонентами 5, передається за допомогою висхідних і низхідних теплових трубок 7, які працюють із рівною ефективністю (внаслідок вибору пористості їхньої внутрішньої структури відповідно до умови компенсації впливу сил гравітації на характеристики теплопередачі), теплопередавальним блокам 8, які контактують із різними частинами радіатора 2, що дозволяє рівномірно розподілити теплове поле по його висоті. Далі тепло відводиться з поверхні радіатора 2 і поверхні його ребер 3 у навколишнє середовище шляхом випромінювання, природної або вимушеної конвекції. Ефективний відвід тепла від найбільш теплонавантажених електронних компонентів 5 назовні корпуса 1 дозволяє нормалізувати не тільки їх температурний режим, але також зменшити температуру повітря у всьому внутрішньому об'ємі корпуса 1, тим самим забезпечуючи більш сприятливі умови для роботи всіх функціональних блоків та підвищуючи надійність їхньої роботи. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Пристрій для охолодження електронних компонентів, що містить корпус, на зовнішній поверхні однієї з вертикальних стінок якого, що є радіатором, є теплорозсіюючі ребра, а всередині корпуса розміщений базовий теплопередавальний блок, призначений для контактування з теплонавантаженими електронними компонентами, до базового теплопередавального блока приєднані теплові трубки з капілярно-пористою структурою, які з'єднані з радіатором, який відрізняється тим, що частина теплових трубок розташована вище базового теплопередавального блока, тобто висхідні теплові трубки, а інша частина - нижче базового теплопередавального блока, тобто низхідні теплові трубки. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що пористість внутрішньої структури висхідних і низхідних теплових трубок різна і вибрана відповідно до умови компенсації впливу сил гравітації на характеристики теплопередачі. 3. Пристрій за п. 1-2, який відрізняється тим, що радіус пор внутрішньої структури висхідних і низхідних трубок вибирається з наступної умови: 2 2  gh В   gh H , RВ RH де σ - коефіцієнт поверхневого натягу теплоносія, ρ - щільність теплоносія, g - прискорення сили ваги, hВ - висота розташування тепловідвідної частини висхідних теплових трубок над базовим теплопередавальним блоком, hH - висота розташування тепловідвідної частини низхідних теплових трубок нижче базового теплопередавального блока, RH - радіус пор у капілярній структурі низхідних теплових трубок, RB - радіус пор у капілярній структурі висхідних теплових трубок. 4. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що радіатор є невід'ємною частиною корпуса. 5. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що радіатор виконаний у вигляді окремої деталі. 6. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що базовий теплопередавальний блок і інші теплопередавальні блоки складаються із двох частин, які мають із боку стикування частин одна з одною пази для установки теплових трубок. 7. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що базовий теплопередавальний блок і інші теплопередавальні блоки виконані суцільними і мають отвори для установки теплових трубок. 8. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що базовий теплопередавальний блок і інші теплопередавальні блоки виконані суцільними і мають пази для установки теплових трубок з боку контакту з теплонавантаженими електронними компонентами або радіатором. 9. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що зазори між частинами базового теплопередавального блока та інших теплопередавальних блоків і теплових трубок заповнені теплопровідною пастою будь-якого типу або легкоплавким припоєм. 4 UA 100080 C2 5 10. Пристрій за п.1, який відрізняється тим, що між базовим теплопередавальним блоком, теплонавантаженими електронними компонентами, а також іншими теплопровідними блоками та радіатором нанесена теплопровідна паста будь-якого типу. 11. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що частина внутрішнього простору корпуса з боку радіатора заповнена теплоізоляційним матеріалом. 5 UA 100080 C2 6 UA 100080 C2 7 UA 100080 C2 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8