Рідинна система охолодження потужного електронного компонента

Рідинна система охолодження потужного електронного компонента відноситься до галузі електроннообчислювальної техніки, радіоелектронної техніки та приладобудування і може бути використана при створенні сучасних та перспективних електронно-обчислювальних машин, в т.ч. персональних, та інших засобів радіоелектронної техніки з метою забезпечення нормальних теплових режимів потужних електронних компонентів, зокрема мікропроцесорів, а також - для охолодження інших тепловиділяючих пристроїв, наприклад, для відведення теплоти від гарячих пластин термоелектричних модулів тощо. Для підвищення ефективності охолодження потужних електронних компонентів радіоелектронної та електронно-обчислювальної техніки замість повітряних систем охолодження все частіше використовуються рідинні системи охолодження. Відома рідинна система охолодження портативного персонального комп'ютера, яка розміщена в корпусі портативного комп'ютера і містить рідинний теплообмінник, помпу та радіатор, що з'єднані між собою за допомогою трубопроводів у замкнений рідинний контур [див. патент США №6697253, МПК7 G06F1/20, Н05К1/20, опубл. 24.02.2004p. Liquid cooling system and personal computer using thereof. Rintaro Minamitani et. al., Hitachi Ltd (JP)]. Рідинний теплообмінник установлено на мікропроцесорі із забезпеченням теплового контакту. Теплота, що виділяється при роботі мікропроцесора, поглинається рідиною, що прокачується помпою по каналу рідинного теплообмінника і яка далі поступає по замкненому рідинному контуру системи до радіатора, виконаного у вигляді зигзагоподібної трубки і розташованого в кришці-дисплеї комп'ютера. В радіаторі рідина охолоджується, а теплота з поверхні радіатора та кришки комп'ютера відводиться в оточуюче середовище шляхом природної конвекції повітря. Недоліком відомого пристрою є обмежена ефективність охолодження, що обумовлено низькою інтенсивністю тепловіддачі від радіатора шляхом природної конвекції та обмеженою площею тепловіддаючої поверхні радіатора, розміщеного в кришці-дисплеї комп'ютера. Відома інша рідинна система охолодження комп'ютера, яка містить теплообмінник, помпу (насос) та радіатор, що з'єднані між собою за допомогою шлангів у замкнений рідинний контур [див. рис.20, рис.21 на с.43 статті: Сергей Асмаков. Системы охлаждения: экспансия продолжается. - КомпьютерПресс, 2002г., №4, с.38-43]. Теплообмінник системи охолодження виконано у вигляді герметичного корпусу прямокутної форми з вхідним та вихідним штуцерами та каналом зигзагоподібної форми всередині корпуса. Помпа забезпечує необхідний тиск рідини в системі охолодження для циркуляції її по каналу теплообмінника, який приєднується до електронного компонента, від якого необхідно відвести теплоту. Рідина в теплообміннику поглинає теплоту від електронного компонента і далі по шлангах подається до радіатора, де охолоджується з метою подальшої подачі її знов до каналу теплообмінника. Ефективність роботи такої системи охолодження залежить від швидкості циркуляції рідини в каналі теплообмінника, що потребує великих витрат рідини та витрат енергії на її подачу під тиском в зигзагоподібний канал теплообмінника. Відома конструкція рідинної системи охолодження потужного процесора ПЕОМ, яка містить первинний теплообмінник, приєднаний до нього тепловий імітатор процесора, ємність з рідиною, занурену в неї помпу, вторинний теплообмінник (радіатор) та шланги, які з'єднують зазначені елементи у замкнений рідинний контур [див. статтю: Кравец В.Ю., Коньшин В.И., Пархоменко Γ.Α. Система водяного охлаждения мощного процессора ПЭВМ. -Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2005г., №1, с.42-44, рис.3 на с.43]. Теплообмінник рідинної системи охолодження виконано у вигляді корпуса із теплопровідного матеріалу, всередині якого виконані поздовжні ребра, які утворюють канали, що розширюються від входу до виходу [див. там же, варіант 2, рис.4 на с.43, текст на с.44]. Недоліком цієї системи охолодження є обмежені можливості по відведенню теплоти. Так, наприклад, експериментальні дослідження описаної системи охолодження показали, що при заданій температурі імітатора процесора +60°С, витратах води 55мл/с система забезпечує відведення від імітатора лише 40Вт теплоти [див. криву 2 на рис.4, с.43 згаданої статті], що дещо нижче потужностей сучасних високопродуктивних мікропроцесорів. Найбільш близькою до запропонованої за сукупністю ознак і технічному результату є рідинна система охолодження процесора електронних пристроїв, що відома із [деклараційного патенту України №59101А, МПК7 Н05К7/20, опубл. 15.08.2003р., бюл. №8, 2003р. та із статті: Глеб Пархоменко. Водные процедуры. -Мой компьютер, 2004г., №9/284, 01 марта - 08 марта, с.17-19, рис.1, рис.7, рис.9]. Система рідинного охолодження потужного процесора містить первинний рідинний теплообмінник, приєднаний до нього процесор, резервну ємність з рідким теплоносієм, занурений в неї насос (помпу), зовнішній радіатор (зовнішній теплообмінник), вхідний, вихідний та з'єднувальний трубопроводи (шланги), які з'єднують зазначені елементи у замкнений рідинний контур. Первинний рідинний теплообмінник виконано у вигляді металевого контейнера, в якому розташований радіатор з шипами. Шипи радіатора виконані у вигляді прямокутних паралелепіпедів із міді або алюмінію. Потік рідкого теплоносія (води), що подається насосом по вхідному трубопроводу системи охолодження в канали первинного теплообмінника, завдяки шипам радіатора турбулізується, інтенсивно поглинає теплоту від приєднаного процесора, і далі виходить з первинного теплообмінника і по вихідному трубопроводу поступає у вторинний радіатор, де охолоджується, і по з'єднувальному трубопроводу поступає в порожнину насосу і далі насосом знов подається в первинний рідинний теплообмінник. Підвищення ефективності такої системи охолодження обумовлено турбулентним характером руху теплоносія в каналах між шипами теплообмінника. Експериментальні дослідження характеристик описаної системи охолодження (див. зазначену статтю) показали, що при заданій температурі контактної поверхні +60°С та витратах води 42г/с система охолодження забезпечує відведення від процесора теплового потоку 58Вт (див. діаграму на с.19 вищезазначеної статті). Разом з тим, потужність сучасних високопродуктивних процесорів з підвищеною тактовою частотою та перспективних процесорів значно перевищує 58Вт. Тому відома рідинна система охолодження не може забезпечити заданий тепловий режим їх роботи, що є основним недоліком прототипу. Крім того, для її роботи необхідні великі витрати рідкого теплоносія (42г/с або 151,2л/год) та відповідно значні витрати енергії на прокачування його по рідинному контуру системи. В основу технічного рішення, що заявляється, поставлено задачу створити таку рідинну систему охолодження потужного електронного компонента, конструкція якої забезпечила б підвищення ефективності відведення теплоти при одночасному зниженні витрат рідкого теплоносія. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в рідинній системі охолодження потужного електронного компонента, що містить основний рідинний теплообмінник з контактною поверхнею для приєднання до потужного електронного компонента, насос, зовнішній теплообмінник і трубопроводи, за допомогою яких основний рідинний теплообмінник, насос та зовнішній теплообмінник об'єднані у замкнений рідинний контур, згідно корисної моделі, рідинний теплообмінник виконано у вигляді щонайменше двох паралельно розміщених пластин, між якими виконано плоский щілинний канал для рідини, причому висота щілинного каналу визначається за формулою, одержаною шляхом прирівнювання співвідношень для підведеного та відведеного теплових потоків, d = 2 lS (1 + E )Dt / GCp (t вих - t вх ) , ( ) де δ - висота щілинного каналу, м; λ - коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/(м°С); S - площа поверхні теплообміну пластин з рідиною, м2; Е - теплова ефективність пластини, яка не контактує з електронним компонентом, як ребра; Δt - середньологарифмічна різниця температур за заданими значеннями температур рідини на виході з рідинного теплообмінника та на його вході та температури пластини, що контактує з електронним компонентом, tвих, tвх, tконт відповідно, оС; G - витрати рідини, кг/с; Ср - питома теплоємність рідини при постійному тиску і середній температурі рідини в теплообміннику, Дж/(кг°С). Кути щілинного каналу для рідини виконані заокругленими. Рідинна система охолодження може мати додаткові рідинні теплообмінники такої ж конструкції, як основний рідинний теплообмінник, підключені трубопроводами до замкненого рідинного контура. Суть та принцип дії запропонованої рідинної системи охолодження потужного електронного компонента пояснюються кресленнями. На Фіг.1 схематично наведено загальний вигляд системи охолодження, на Фіг.2 - загальний вигляд основного рідинного теплообмінника (вид зверху) з частковим перерізом в горизонтальній площині по середині прокладки, на Фіг.3 - вид спереду по стрілці А на теплообмінник з частковим перерізом в вертикальній площині. Рідинна система охолодження потужного електронного компонента (див. Фіг.1) містить основний рідинний теплообмінник 1 з контактною поверхнею 2 для приєднання до неї потужного електронного компонента 3, насос 4, зовнішній теплообмінник 5, вхідний трубопровід 6, вихідний трубопровід 7, з'єднувальний трубопровід 8, за допомогою яких основний рідинний теплообмінник, насос та зовнішній теплообмінник об'єднані у замкнений рідинний контур. Трубопроводи 6, 7 та 8 виконані, наприклад, у вигляді гнучких шлангів. Основний рідинний теплообмінник виконано у вигляді щонайменше двох паралельно розміщених пластин 9 та 10 з теплопровідного матеріалу, розташованих одна відносно іншої за допомогою прокладки 11 з теплопровідного матеріалу і герметично з'єднаних між собою з утворенням між пластинами 9 та 10 плоского щілинного каналу 12 для рідини (див. Фіг 2 та Фіг.3). Прокладка 11, пластини 9 та 10 можуть бути виконані як з одного і того ж матеріалу, так і з різних матеріалів, наприклад, з алюмінію, міді, теплопровідної кераміки тощо. Прокладка 11 має форму рамки з заокругленими внутрішніми кутами (див. Фіг.2) і герметично з'єднана з пластинами 9 та 10 з забезпеченням теплового контакту, наприклад за допомогою паяння, зварювання, пресування, спікання тощо. Завдяки виконанню внутрішніх кутів в прокладці 11 заокругленої форми щілинний канал 12 для рідини всередині основного рідинного теплообмінника має також заокруглені кути. Сполучення плоского щілинного каналу для рідини основного рідинного теплообмінника з вхідним та вихідним трубопроводами 6 та 7 системи охолодження здійснено за допомогою патрубка 13 для вводу рідини та патрубка 14 для виводу рідини відповідно. В одному з варіантів виконання рідинної системи охолодження потужного процесора комп'ютера пластини 9 та 10 мають розміри, наприклад, 40´40´6мм кожна. До контактної поверхні 2 рідинного теплообмінника 1 встановлено із забезпеченням теплового контакту потужний електронний компонент 3, наприклад, процесор, який має розміри контактної тепловіддаючої поверхні 35´35мм. При внутрішніх розмірах плоского щілинного каналу 35´35мм, радіусі заокруглення кутів в прокладці 5мм площа поверхні теплообміну пластин 9 та 10 з рідиною складає 24,07´10-4м2, а задане значення теплової ефективності пластини 10, як ребра, виконаної з алюмінію, може складати, наприклад 0,7. При зазначених умовах товщина прокладки 11 дорівнює висоті плоского щілинного каналу 12, яка визначається за формулою d = 2 lS (1 + E )Dt / GCp (t вих - t вх ) , ( ) де δ - висота щілинного каналу, м; λ - коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/(м°С); S - площа поверхні теплообміну пластин з рідиною, м2; Е - теплова ефективність пластини, яка не контактує з електронним компонентом, як ребра; Δt - середньологарифмічна різниця температур за заданими значеннями температур рідини на виході з рідинного теплообмінника та на його вході та температури пластини, що контактує з електронним компонентом, tвих, tвх, tконт відповідно, °С; G - витрати рідини, кг/с; Ср - питома теплоємність рідини при постійному тиску і середній температурі рідини в теплообміннику, Дж/(кг°С). Так, наприклад, при значенні середньологарифмічної різниці температур Δt=15,41°С, яке визначено за заданими значеннями температури води на виході з рідинного теплообмінника tвих=+60°С, температури води на вході tвх=+30°С та температури пластини, що контактує з електронним компонентом, tконт на рівні +65°С, по залежності (t - t ) - (tконт - t вих ) Dt = конт вх (t - t ) ln конт вх (t конт - t вих ) при використанні в якості рідкого теплоносія системи охолодження дистильованої води з коефіцієнтом теплопровідності λ=0,64Вт/(м°С) та теплоємністю Ср=4174Дж/(кг°С) при середній температурі води в теплообміннику +45°С та витратах води G=3,6´10-3кг/с, значення висоти плоского щілинного каналу для рідини, визначене за наведеною вище формулою, складає 161´10-6м, тобто 0,16мм. В інших варіантах виконання рідинна система охолодження може мати рідинний теплообмінник, виконаний у вигляді декількох пластин (трьох та більше), розміщених паралельно між собою з виконанням між ними декількох плоских щілинних каналів. Як варіант виконання, рідинна система охолодження може мати додаткові рідинні теплообмінники такої ж конструкції, як основний рідинний теплообмінник, підключені трубопроводами до замкненого рідинного контура. Робота запропонованої рідинної системи охолодження потужного електронного компонента пояснюється за допомогою креслення (див. Фіг.1). При роботі потужного електронного компонента 3 виділяється теплота Q, яка передається теплопровідністю до контактної поверхні 2 приєднаного рідинного теплообмінника 1. Завдяки високій теплопровідності пластин 9, 10 та прокладки 11 та високій ефективності пластини 10 як ребра, а також завдяки малій висоті щілинного каналу 12 для рідини, наприклад 0,16мм, теплота Q ефективно передається до рідини, яка прокачується насосом 4 по плоскому щілинному каналу 12. В каналі 12 відбувається ламінарна течія рідкого теплоносія. Коефіцієнт тепловіддачі при ламінарній течії в щілинному каналі значно перевищує його значення в широких каналах і обумовлений товщиною приповерхневого тонкого шару і коефіцієнтом теплопровідності рідини. Значення коефіцієнту тепловіддачі в щілинному каналі висотою, наприклад 0,16мм, може складати 14480Вт/(м2 °С). Високе значення коефіцієнту тепловіддачі обумовлює високу ефективність поглинання теплоти рідиною. Її температура в щілинному каналі підвищується і нагрітий рідкий теплоносій (на Фіг.1 показаний зачерненою стрілкою) по патрубку 14 для виводу рідини та вихідному трубопроводу 7 поступає в зовнішній теплообмінник 5, де охолоджується потоком повітря, що продувається крізь теплообмінник за допомогою вентиляторів 15, і віддає теплоту Q в оточуюче середовище. Охолоджена рідина по з'єднувальному трубопроводу 8 з зовнішнього теплообмінника 5 поступає в насос 4 і далі цикл відведення теплоти від потужного електронного компонента повторюється. Заокруглення кутів плоского щілинного каналу для рідини заважає утворенню в кутах каналу рідинного теплообмінника застійних зон рідини і сприяє підвищенню ефективності теплообміну. Розрахункова кількість теплоти, яку при заданих характеристиках і параметрах відводить запропонована рідинна система охолодження від потужного електронного компонента, складає 456Вт. Для порівняння пристрійпрототип при такій же температурі контактної поверхні +65°С може відвести тепловий потік лише 65Вт [див. діаграму в статті: Глеб Пархоменко. Водные процедуры. -Мой компьютер, 2004г., №9/284, 01 марта - 08 марта, с.17-19], тобто в 7 разів менше. При цьому витрати води у запропонованій рідинній системі охолодження у 11,7 разів менше, ніж у прототипа (3,6г/с та 42г/с відповідно). Таким чином, запропонована рідинна система охолодження потужного електронного компонента є новою, промислово придатною, має винахідницький рівень і забезпечує досягнення поставленої мети: підвищення ефективності охолодження при одночасному зниженні витрат рідкого теплоносія.