Щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну

1. Щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну, що містить у своєму складі щонайменше дві пластини, перша з яких є основою і виконана з теплопровідного матеріалу, між якими виконано щонайменше один щілинний канал для теплоносія, вхідний та вихідний патрубки, вхідний та вихідний колектори, порожнини яких 3 Більш ефективним є рідинний теплообмінник охолоджувача процесорів електронних пристроїв, відомий із патенту України №59101 А, МПК7 Н05К7/20, опубл. 15.08.2003 p., бюл. №8. Рідинний теплообмінник містить у своєму складі корпус з основою із теплопровідного матеріалу, ребра, що виконані у вигляді шипів прямокутного перетину, які встановлені всередині корпуса із забезпеченням теплового контакту з основою, що утворюють всередині корпуса канали для рідини, кришку та вхідний і вихідний штуцери, встановлені на кришці по діагоналі у протилежних її кутах із сполученням з порожниною каналів. Потік рідини, що подається через вхідний штуцер в канали теплообмінника, до якого приєднують мікропроцесор, завдяки шипам турбулізується, інтенсивно поглинає теплоту від мікропроцесора, і далі скрізь вихідний штуцер виходить з теплообмінника. Експериментальні дослідження показали, що за допомогою такого теплообмінника можна відвести від імітатора мікропроцесора 65 Вт потужності при його температурі +60°С та витраті води 55мл/с [Кравець В.Ю., Коньшин В.И., Пархоменко Г.А. Система водяного охлаждения мощного процессора ПЭВМ. // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 2005. - №1. - С.42-44. - див. Рис.4, крива 1 на С.43 статті]. Разом з тим, потужність сучасних та перспективних високопродуктивних мікропроцесорів з підвищеною тактовою частотою значно перевищує 65Вт і відомий рідинний теплообмінник з оребренням внутрішньої поверхні основи у вигляді шипів не може забезпечити заданий тепловий режим таких мікропроцесорів. Найбільш близьким до запропонованого за сукупністю ознак і технічному результату є щілинний рідинний теплообмінник для охолодження потужного мікропроцесора, відомий із деклараційного патенту України на корисну модель №17091, МПК (2006) H01L23/34, Н05К7/20, опубл. 15.09.2006, бюл. №9, який обрано за прототип. Щілинний теплообмінник для охолодження потужного мікропроцесора містить у своєму складі основу у вигляді пластини із теплопровідного матеріалу та щонайменше одне ребро із теплопровідного матеріалу, що виконано у вигляді пластини як верхня кришка теплообмінника, і встановлено із забезпеченням теплового контакту з основою. За допомогою дистанційного елементу із теплопровідного матеріалу ребро (верхня пластина теплообмінника) встановлено паралельно основі із зазором відносно до неї, при цьому канал для рідкого теплоносія виконано у вигляді щонайменше однієї щілини, висота якої визначається за формулою =2 / , де - висота щілини, м, - коефіцієнт теплопровідності рідкого теплоносія, Вт/(м2°С), - задане значення коефіцієнту тепловіддачі від основи та ребра до рідкого теплоносія, Вт/(м2 С). Щілинний канал є плоским і розташований паралельно основі. При виконанні теплообмінника з декількома ребрами, більше одного, вони виконані у вигляді пластин, встановлених за допомогою дистанційних елементів із теплопровідного матеріалу паралельно основі і з зазором відносно до сусіднього ребра з утворенням паралельних каналів у вигляді плоских 50978 4 щілин для рідкого теплоносія між сусідніми ребрами, а висота щілин визначається за наведеною вище формулою. Порожнини щілинних каналів сполучені з порожнинами вхідних та вихідних колекторів та вхідних і вихідних патрубків. Виконання рідинного каналу у вигляді плоскої щілини в описаному теплообміннику дозволило одержати високу ефективність охолодження. Експериментально встановлено, що при витраті води 3мл/с скрізь теплообмінник з висотою щілинного каналу 0,2мм можна відвести від мікропроцесора тепловий потік 230Вт [див. статтю: Экспериментальное исследование одноканального щелевого теплообменника жидкостной системы охлаждения для микропроцессора / Ю.Е. Николаенко, Э.С. Малкин, И.Э. Фуртат, Т.Ю. Николаенко // Технологические системы. - 2007. - № 4. - С.54-62]. При цьому температура його основи не перевищує +65°С при температурі води на вході +16°С, на виході +34°С. Показано, що найбільш раціональною з точки зору теплових та гідравлічних характеристик є висота каналу 0,2...0,3мм. Недоліком прототипу є обмеження можливостей по відведенню теплових потоків невеликою площею тепловіддаючих поверхонь плоских щілин, розташованих паралельно основі, що не дозволяє використовувати його при значному підвищенні теплової потужності перспективних мікропроцесорів в майбутньому, а також інших потужних компонентів. Виконання ж каналу з висотою менше за 0,2мм внаслідок зменшення поперечного перетину щілинного каналу призводить до різкого збільшення гідравлічного опору теплообмінника, що потребує збільшення енерговитрат на прокачування теплоносія. В основу технічного рішення, що заявляється, поставлено задачу створити такий щілинний теплообмінник, який би за рахунок розвинення поверхні теплообміну забезпечив підвищення кількості відведеної від його основи теплоти при одночасному зниженні гідравлічного опору та був би технологічним у виготовленні в промислових умовах. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в щілинному теплообміннику, що містить у своєму складі щонайменше дві пластини, перша з яких є основою і виконана з теплопровідного матеріалу, між якими виконано щонайменше один щілинний канал для теплоносія, вхідний та вихідний патрубки, вхідний та вихідний колектори, порожнини яких сполучені з порожнинами щілинних каналів та патрубків, на суміжних поверхнях пластин виконані ребра, причому ребра першої пластини вставлені із зазором у міжреберні простори другої пластини і навпаки, а щілинний канал, висота якого заходиться в межах від 0,05 до 0,5мм включно, утворено між поверхнями ребер сусідніх пластин. Пластини з теплопровідного матеріалу з'єднані між собою по периметру з забезпеченням теплового контакту. Можливі варіанти виготовлення, коли всі пластини виконані з теплопровідного матеріалу. Суть та принцип дії запропонованого щілинного теплообмінника з розвинутою поверхнею теплообміну пояснюються кресленнями. На Фіг.1 наведено загальний вигляд щілинного теплообмін 5 ника з розвинутою поверхнею теплообміну (вид зверху, суміщений з горизонтальним перерізом), на Фіг.2 - у збільшеному масштабі показано переріз по лінії А-А, на Фіг.3 - варіант утворення окремих щілинних каналів ребрами з прямокутним перетином, а на Фіг.4 - варіант утворення щілинних каналів ребрами з трикутним перетином. На Фіг.5 наведено вертикальний переріз теплообмінника з трикутними ребрами, перша пластина (основа) якого виконана з теплопровідного матеріалу, а друга - з прозорого нетеплопровідного матеріалу. Щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну (див. Фіг.1) містить у своєму складі щонайменше дві пластини 1 та 2, щільно з'єднані між собою по периметру із забезпеченням теплового контакту, наприклад, за допомогою паяння, зварювання, стягування гвинтами тощо. Перша пластина 1 є основою і виконана з теплопровідного матеріалу. Друга пластина 2 може бути виконана як з теплопровідного матеріалу (див. Фіг.1, Фіг.2, Фіг.3, Фіг.4), так і з нетеплопровідного матеріалу (див. Фіг.5). Найбільш ефективним є варіант виконання пластини 2 з теплопровідного матеріалу. На одній (внутрішній) поверхні першої пластини 1 виконані ребра 3, а на суміжній поверхні пластини 2 виконані ребра 4. Ребра можуть мати, наприклад, прямокутний перетин (див. Фіг.2 та Фіг.3), трикутний перетин (див. Фіг.4 та Фіг.5), трапецеїдальний перетин (не показано) тощо. Ребра 3 першої пластини 1 вставлені із зазором у міжреберні простори другої пластини 2 та навпаки - ребра 4 другої пластини 2 вставлені із зазором у міжреберні простори першої пластини 1, завдяки чому між поверхнями ребер 3 та 4 сусідніх пластин 1 та 2, відповідно, виконано щонайменше один щілинний канал 5 для теплоносія. Висота щілинного каналу заходиться в межах від 0,05 до 0,5мм включно. Нижнє значення висоти щілинного каналу (0,05мм) обумовлено тим, що при меншій висоті каналу значно зростає гідравлічний опір теплообмінника. Верхнє значення висоти щілинного каналу (0,5мм) обумовлено тим, що при більшій висоті каналу значно зменшується коефіцієнт тепловіддачі в каналі. Вхідні відкриті торці щілинних каналів 5 сполучені з порожнинами вхідного колектору 6 та вхідного патрубка 7, а вихідні відкриті торці щілинних каналів 5 сполучені з порожнинами вихідного колектора 8 та вихідного патрубка 9. В інших варіантах виконання теплообмінник може мати декілька пластин з теплопровідного матеріалу. Ребра на різних пластинах можуть мати неоднаковий перетин, наприклад трикутний і трапецеїдальний, мати хвилеподібний профіль тощо. Всі пластини з теплопровідного матеріалу з'єднані між собою з забезпеченням надійного теплового контакту. Робота запропонованого щілинного теплообмінника з розвинутою поверхнею теплообміну пояснюється за допомогою креслення (див. Фіг.1). Теплоносій, наприклад, у рідкій фазі (дистильована вода, антифриз, спирт тощо) через вхідний штуцер 7 під певним тиском подається у порожнину вхідного колектора 6, сполученого з входами щілинних каналів 5 (рух теплоносія на Фіг.1 показано стрілками). З вхідного колектора 6 теплоносій 50978 6 поступає у щілинні канали 5, де відбувається його ламінарна течія. Теплота від потужного мікропроцесора або іншого тепловиділяючого компонента (на Фіг.1 не показані), приєднаного до нижньої поверхні першої пластини 1 (основи), передається їй та другій пластині 2, завдяки надійному тепловому контакту між ними. Завдяки високій теплопровідності пластини 1 та пластини 2 теплота передається по пластинах до ребер 3 та 4 і нагріває їх. У щілинних каналах з визначеною малою висотою, наприклад 0,2мм, при ламінарній течії теплоносія відбувається досить інтенсивний теплообмін між розвинутою поверхнею ребер та теплоносієм. Як було показано раніше [див. статтю: Экспериментальное исследование одноканального щелевого теплообменника жидкостной системы охлаждения для микропроцессора / Ю.Е. Николаенко, Э.С. Малкин, И.Э. Фуртат, Т.Ю. Николаенко // Технологические системы. - 2007. - №4. - С.54-62, рис.6], коефіцієнт тепловіддачі при висоті каналу 0,2мм становить 12000Вт/(м2°С). Це призводить до ефективного поглинання теплоти та нагрівання теплоносія у щілинних каналах 5. Нагрітий рідкий теплоносій з каналів 5 витікає у вихідний колектор 8, а з нього - у вихідний патрубок 9. Таким чином забезпечується відведення теплоти від мікропроцесора (або іншого тепловиділяючого компонента) за допомогою щілинного теплообмінника з розвинутою поверхнею теплообміну. Оскільки площа поверхні теплообміну у заявленому щілинному теплообміннику, завдяки виконанню оребрення на внутрішніх поверхнях пластин, перевищує площу поверхні теплообміну у щілинному теплообміннику - прототипі, то при однаковому значенні коефіцієнту тепловіддачі (що обумовлено однаковою висотою щілинного каналу) заявлений теплообмінник забезпечує відведення відповідно більшої кількості теплоти, тобто дозволяє з однаковою ефективністю охолоджувати більш потужний мікропроцесор або інший тепловиділяючий компонент. Наприклад, при виконанні на внутрішніх поверхнях пластин ребер з трикутним перетином, як показано на Фіг.4, з кутом 60° площа поверхні теплообміну в щілинних каналах однакової висоти збільшується у 2 рази у порівнянні з гладкою поверхнею пластин у прототипі. Відповідно вдвічі збільшується і тепловий потік, що відводиться за допомогою запропонованого щілинного теплообмінника з розвинутою поверхнею теплообміну. Оскільки у запропонованого теплообмінника з ребрами трикутного перетину сумарна площа перетину щілинних каналів вдвічі більша, ніж у прототипу, то одночасно із збільшенням потужності, що відводиться, зменшується й гідравлічний опір теплообмінника. Заявлений щілинний теплообмінник з розвинутою поверхнею теплообміну є технологічним у виготовленні в промислових умовах, оскільки його можна виготовити з двох оребрених заготовок, одержаних за допомогою екструзії з теплопровідного матеріалу, наприклад, з алюмінію або його сплавів, та із застосуванням добре відпрацьованих інших технологічних процесів для виготовлення колекторів, патрубків та збирання теплообмінника. 7 50978 Таким чином, запропонований рідинний теплообмінник для охолодження потужного мікропроцесора є новим, промислово придатним, має винахідницький рівень і забезпечує досягнення пос Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 8 поставленої мети: підвищення кількості відведеної від його основи теплоти при одночасному зниженні гідравлічного опору. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601