Рідинний теплообмінник для охолодження потужного мікропроцесора

1. Рідинний теплообмінник для охолодження потужного мікропроцесора, що містить основу із теплопровідного матеріалу, щонайменше одне ребро із теплопровідного матеріалу, виконане із забезпеченням теплового контакту з основою, щонайменше один канал для рідкого теплоносія, утворений за допомогою ребра, кришку, вхідний та вихідний штуцери, який відрізняється тим, що ребро із теплопровідного матеріалу виконано у вигляді пластини, встановленої за допомогою дистанційного елемента із теплопровідного матеріалу паралельно основі із зазором відносно неї, при цьому канал для рідкого теплоносія виконаний у вигляді щонайменше однієї щілини, висота щілини визначається за формулою: 2 / , 3 17091 4 містить в своєму складі корпус з основою із теплорис. 4, крива 2 на с. 43 згаданої статті], що дещо провідного матеріалу всередині якого виконана нижче потужностей сучасних високопродуктивних порожнина з гладкою внутрішньою поверхнею темікропроцесорів. плообміну, та вхідний і вихідний штуцери для поНайбільш близьким до запропонованого за судачі в порожнину рідкого теплоносія та відведення купністю ознак і технічному результату є рідинний його [див. рис. 6, вариант 3 на с. 44 статті: Кравець теплообмінник охолоджувача процесорів електВ. Ю., Коньшин В. И., Пархоменко Г. А. Система ронних пристроїв, що відомий із статті: [Кравець В. водяного охлаждения мощного процессора ПЭВМ. Ю., Коньшин В. И., Пархоменко Г. А. Система во- Технология и конструирование в электронной дяного охлаждения мощного процессора ПЭВМ. аппаратуре, 2005г., №1, с. 42-44]. Площа внутрішТехнология и конструирование в электронной апньої гладкої поверхні теплообміну складає 1,3х10паратуре. 2005г., №1, с. 42-44, рис. 1 на с. 42 та із 3 2 м . Експериментальні дослідження характеристик патенту України №59101 А, МПК7 Н05К7/20. описаної кострукції теплообмінника показали, що опубл. 15.08.2003р., Бюл. №8, який взято за прозадана температура імітатора мікропроцесора тотип]. Рідинний теплообмінник містить у своєму +60°С, приєднаного до основи корпуса теплообскладі корпус з основою із теплопровідного матемінника, при прокачуванні скрізь його порожнину ріалу, ребра, що виконані у вигляді шипів прямокуводи з витратами 55мл/с досягається при потужтного перерізу, які встановлені всередині корпуса ности імітатора 19Вт [див. рис. 4, крива 3 на с. 43 із забезпеченням теплового контакту з основою під згаданої статті], що значне нижче потужностей прямим кутом до неї, що утворюють всередині сучасних мікропроцесорів. корпуса канали для рідини, кришку та вхідний і Відома інша конструкція теплообмінника для вихідний штуцери, встановлені на кришці по діагосистеми рідинного охолодження мікропроцесора налі у протилежних її кутах із сполученням з порокомп'ютера, що містить у своєму складі корпус з жниною каналів. основою із теплопровідного матеріалу, 5 ребер, Потік рідини, що подається через вхідний штущо встановлені всередині корпуса на основі та цер в канали теплообмінника, до якого приєднують закріплені одним зі своїх кінців почергово на промікропроцесор, завдяки шипам турбулізується, тилежних бічних стінках корпуса таким чином, що інтенсивно поглинає теплоту віл мікропроцесора, і утворюють всередині корпуса зігзагоподібний кадалі скрізь вихідний штуцер виходить з теплообнал для рідини. кришку і а вхідний і вихідний штумінника. Підвищення ефективності роботи такого цери, встановлені на одній бічній стінці корпусу із теплообмінника обумовлено турбулентним хараксполученням -з порожниною каналу [див. рис. 22 тером руху теплоносія в каналах між шипами. Ексна с. 43 статті: Сергей Асмаков. Системы охлажпериментальні дослідження характеристик описадения: экспансия продолжается. - КомпьютерПної кострукції теплообмінника з площею ресс, 2002г., №4, с. 38-43]. Рідина, що подається внутрішньої оребреної шипами поверхні 3,6х10-3м2 вп системи охолодження через вхідний штуцер в показали, що задана температура імітатора мікроканал теплообмінника, до якого приєднують мікропроцесора +60°С, приєднаного до основи корпуса процесор, поглинає теплоту від мікропроцесора, і теплообмінника, при прокачуванну скрізь його подалі скрізь вихідний штуцер виходить з теплооброжнину води з витратами 55мл/с досягається при мінника і подається до радіатора системи, де охопотужності імітатора 65Вт [див. рис. 4, крива 1 на лоджується з метою подальшої подачі її знов до с. 43 згаданої статті]. каналу теплообмінника. Ефективність роботи такоРазом з тим, потужність сучасних високопрого теплообмінника залежить від швидкості рідини в дуктивних мікропроцесорів з підвищеною тактовою його каналі та площі радіатора системи, що потчастотою та перспективних мікропрцесорів значно ребує великих витрат рідини та витрат енергії на її перевищує 65Вт. Тому відомий рідинний теплообподачу під тиском в канал теплообмінника. мінник з шиповим оребренням не може забезпечиКонструкція рідинного теплообмінника для ти заданий тепловий режим їх роботи, що є основохолодження мікропроцесора ПЕОМ. що наведена ним недоліком рідинного теплообмінникав статті: [Кравець В. Ю., Коньшин В. И., Пархоменпрототипу. Крім того. для його роботи необхідні ко Г. А. Система водяною охлаждения мощного великі витрати рідкого теплоносія (55мл/с або процессора ПЭВМ. - Технология и конструирова198л/год) та енергії на прокачування його скрізь ние в электронной аппаратуре, 2005г., №1, с. 42теплообмінник. 44, рис. 6, вариант 2 на с. 44 та текст на с. 43 та В основу технічного рішення, що заявляється, 44], містить в своєму складі корпус з основою із поставлено задачу створити такий рідинний тептеплопровідного матеріалу, всередині якого на лообмінник для охолодження потужного мікропрооснові виконані поздовжні ребра, які утворюють цесора, конструкція якого забезпечила б підвиканали, що розширюються від входу до виходу, та щення ефективності відведення теплоти від його вхідний і вихідний штуцери для подачі на вхід каоснови при одночасном зниженні витрат рідкого налів та відведення з їхніх виходів рідини. відповітеплоносія. дно. Площа внутрішньої оребреної поверхні тепПоставлена задача вирішується за рахунок то-3 2 лообміну складає 3,6х10 м . Експериментальні го, що в рідинному теплообміннику для охолодослідження характеристик описаної кострукції дження потужного мікропроцесора, що містить у теплообмінника показали. що задана температура своєму складі основу із теплопровідного матеріаімітатора мікропроцесора +60°С, приєднаного до лу, щонайменше одне ребро із теплопровідного основи корпуса теплообмінника, при прокачуванну матеріалу, виконане із забезпеченням теплового скрізь його порожнину води з витратами 55мл/с контакту з основою, ребро із теплопровідного мадосягається при потужності імітатора 40Вт [див. теріалу виконано у вигляді пластини, встановленої 5 17091 6 за допомогою дистанційного елементу із теплопром відносно до сусіднего ребра 4 таким чином, ровідного матеріалу паралельно основі із зазором що при цьому ребро 4 утворило разом з основою 1 відносно до неї, при цьому канал для рідкого тепта дистанційним елементом 2 канал 6 для рідкого лоносія виконаний у вигляді щонайменше однієї теплоносія, а ребро 5 разом з дистанційним елещілини, висота щілини визначається за формулою ментом 3 та ребром 4 утворили канал 7 для рідкого теплоносія. Кожний з каналів 6 та 7 виконаний у =2 / , вигляді плоскої щілини шириною, наприклад, де - висота щілини, м, 20мм. Висота щілини визначається за формулою: - коефіцієнт теплопровідності рідкого тепло=2 / , носія, Вт/(м2°С), де - висота щілини, м, - задане значення коефіцієнту тепловіддачі - коефіцієнт теплопровідності рідкого тепловід основи та ребра до рідкого теплоносія, носія, Вт/(м°С), Вт(м°С), висота дистанційного елементу не перевищує висоту щілини, а кришка виконана у вигляді - задане значення коефіцієнту тепловіддачі зовнішнього ребра. Плоска щілина може бути розвід основи та ребра до рідкого теплоносія, ташована паралельно основі, а висот дистанційВт/(м2°С). них елементів не перевищує висоту щілини. ДисТак, наприклад, при використанні в якості рідтанційний елемент може бути виконано у вигляді кого теплоносія води з коефіцієнтом теплопровідрозташованої по контуру ребра прокладки. При ності 0,6 Вт/(м°С) для забезпечення заданого коевиконанні теплообмінника з декількома ребрами, фіцієнта тепловіддачі, наприклад, 6000 Вт/(м2°С), більше одного, вони виконані у вигляді пластин. значення висоти щіліни, визначене за наведеною встановлених за допомогою дистанційних елеменвище формулою, складає 2х10-4м, тобто 0,2мм. тів із теплопровідного матеріалу паралельно осноВисота дистанційного елементу не перевищує ві і з зазором відносно до сусіднього ребра з утвовисоту щілини і обумовлює висоту каналу. Наприренням каналів у вигляді плоских щілин для клад, в разі кріплення дистанційних елементів за рідкого теплоносія між сусідними ребрами, а висодопомогою пайки їх висота менше висоти каналів та щілин визначається за наведеною вище форта товщину шарів припою, а в разі спіканна - дорімулою. внює висоті каналів. Для забезпечення коефіцієнСуть та принцип дії запропонованого рідиннотів тепловвідачі в межах від 12000 до го теплообмінника для охолодження потужного 6000Вт/(м°С), висота щіливих каналів 6 та 7 обимікропроцесора пояснюються кресленнями. На рається в межах від 0,1 до 0,2мм (при використанФіг.1 наведено загальний вигляд рідинного теплоні в теплообміннику води в якості охолоджувальної обмінника з двома ребрами (вид спереду, суміщерідини). В загальному випадку, при використанні ний з вертикальним перерізом по осі вхідного штуінших рідин, та в залежності від потрібних теплоцера), на Фіг.2 - загальний вигляд рідинного технічних характеристик пристрою висота каналів теплообмінника (вид зверху), на Фіг.3 - його переможе знаходиться в межах від 0,01 до 1мм. різ по лінії А-А, а на Фіг.4 - зовнішній вигляд вигоЗовнішнє ребро 5 є одночасно кришкою рідинтовленого експериментальнгого зразка рідинного ного теплообмінника, на якій розташовані вхідний теплообмінника. штуцер 8 та вихідний штуцер 9, що призначені для Рідинний теплообмінник для охолодження повведення та відведення охолоджувальної рідини, тужного мікропроцесора (див. Фіг.1) містить у свовідповідно. Внутрішній отвір вхідного штуцера 8 єму складі основу 1, наприклад з розмірами, відкритий у розподільник 10, а внутрішній отвір 40х40х3мм, із теплопровідного матеріалу, на якій вихідного штуцера 9 відкритий у збірник 11 рідкого за допомогою двох дистанційних елементів 2 та 3 теплоносія (див. Фіг.3). Розподільник 10 та збірник встановлено із забезпеченням теплового контакту 11 рідкого теплоносія виконані у вигляді об'єднадва ребра 4 та 5, відповідно, що виконані з теплоних отворів, наприклад прямокутньої форми, в тілі провідного матеріалу у вигляді пластин товщиною, ребра 4 та заглиблень. наприклад, також прямокунаприклад, 6 мм кожне. встановлених паралельно тньої форми, в тілі ребра 5. основі. В якості матеріалу основи 1, дистанційних Потужний мікропроцессор 12 (см. Фіг.3), який елементів 2 та 3, ребер 4 та 5 можуть бути виконеобхідно охолоджувати, приєднано із забезперистані метали (алюміній, мідь, срібло тощо) або ченням теплового контакту до зовнішньої поверхні їх сплави, теплопровідна кераміка, алмаз тощо, основи 1, напроти каналу 6 (на Фіг.1 та на Фіг.3 причому основа, дистанційні елементи та ребра мікропроцесор показано пунктирною лінією). можуть бути виконані як з одного і того ж матеріаРобота запропонованого рідинного теплооблу, так і з різних матеріалів. Дистанційні елементи мінника для охолодження потужного мікропроце(див. Фіг.1 та 3) виконані у вигляді плоских рамок з сора, конструкція якого містить два ребра, поясміді, розташованих по контуру ребер. Забезпеченнюється за допомогою креслення (див. Фіг.3). ня теплового контакту дистанційних елементів 2 та Теплоносій у рідкій фазі (наприклад, дистильована 3 і ребер 4 та 5 з основою 1 здійснено, наприклад вода, спирт тощо) через вхідний штуцер 8 під відза допомогою паяння, зварювання, пресування, носно невеликим тиском подається у порожнину спікання тощо. розподільника 10, сполученого з входами каналів Дистанційні елементи 2 та 3 можуть бути ви6 та 7 (рух теплоносія, на Фіг.3 показано довгими конані також, наприклад, у вигляді прокладок або стрілками). З розподільника 10 теплоносій постувиступів на поверхні ребер по їх контуру. Завдяки пає у канали 6 та 7, де відбувається його ламінардистанційному елементу 2 ребро 4 розташовано із на течія. Теплота, яка надходить від потужного зазором відносно до основи 1, а завдяки дистанмікропроцесора 12 (на Фіг.3 потік теплоти показаційному елементу 3 ребро 5 розташовано із зазоно короткими стрілками) до основи 1, завдяки ви 7 17091 8 сокій теплопровідності основи 1, дистанційних 0,2мм кожний завдяки підвищенюю коефіцієнта елементів 2 та 3 і ребер 4 та 5 та їхній високій тепловіддачі майже у 5 разів при заданій темпераефективності, а також завдяки малій висоті щілитурі корпуса імітатора +60°С була відведена тепвих каналів 6 та 7, наприклад 0,2мм, ефективно лова потужность 170Вт, у той час, як за допомогою передається теплопровідністю від основи та ребер прототипа - лише 65Вт (при інших однакових умоскрізь тонкий шар рідини, що дорівнює половині вах). Габарити ж запропонованого теплообмінника висоти щілини (тобто 0,1мм) до теплоносія в канау 1,5 рази менші за прототипу. З іншого боку, при лах. Це призводить до підвищення коефіцієнту потужності імітатора мікропроцесора, наприклад, тепловіддачі та швидкого нагрівання теплоносія у 65Вт температура корпуса імітатора в зоні контакканалах 6 та 7. Теплота від ребра 5 в основному та з теплообмінником складала лише +45°С, запередається більш холодному теплоносію, котрий мість +60°С, що мала місце у прототипі при аналоподається на вхід канала 7 із розподільника 10, а гічних інших умовах. частково - в оточуюче середовище від зовнішньої Згідно з заявленою формулою корисної моделі поверхні ребра 5. Нагрітий рідкий теплоносій, що можуть бути і інші варіанти виконання рідинного витікає з каналів 6 та 7, надходить у збірник 11, а з теплообмінника. Наприклад, коли на основі теплонього - в вихідний штуцер 9. обмінника встановлено з зазором до основи лише В результаті цього відбувається ефективне віодне ребро, а за його допомогою утворено два або дведення теплоти від охолоджуваного потужного більше розташованих рядом вузьких каналів для мікропроцесора 12 за рахунок швидкого нагріванрідкого теплоносія. Ще в інших варіантах виконання теплоносія в тонкому приповерхневому шарі, ня теплообмінник може містити 3, 4 або більше товщина якого дорівнює половині висоти канала у ребер. В цьому варіанті кожне наступне ребро вигляді щілини. встановлено з зазором відносно до попереднього Для експериментальної перевірки ефективносусіднього ребра. Висота і ширина окремих канасті запропонованого рідинного теплообмінника для лів також можуть бути як однаковими з іншими, так охолодження потужного мікропроцесора було виі різними. готовлено його макет, зовнішній вигляд якого поТаким чином, запропонований рідинний тепказан на Фіг.4. Розміри основи 4х40х3мм, ребер лообмінник для охолодження потужного мікропро40х26х6мм. Експериментальні дослідження підтцесора є новим, промислове придатним, має вивердили його високу ефективність у порівнянні з нахідницький рівень і забезпечує досягнення прототипом. Так, при витратах води 10мл/с (що в 5 поставленої мети: підвищення ефективності охоразів менше, ніж у прототипа) за допомогою теплодження при одночасному зниженні витрат рідколообмінника описаної конструкції з двома каналаго теплоносія. ми шириной 20мм, довжиной 13,6мм і висотой 9 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 17091 Підписне 10 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