Рідинна система охолодження потужного електронного компонента

1. Рідинна система охолодження потужного електронного компонента, що містить один або декілька рідинних щілинних теплообмінників з контактною поверхнею для приєднання до потужного електронного компонента, насос, зовнішній теплообмінник і трубопроводи, за допомогою яких рідинні теплообмінники, насос та зовнішній теплообмінник об'єднані у замкнений рідинний контур, яка відрізняється тим, що рідинні теплообмінники виконані з багатьох паралельних щілинних мікроканалів шириною =0,1 0,3 мм і товщиною стінок =1 1,2 мм, розташованих по всій ширині теплообмінника перпендикулярно до контактної поверхні, та висотою, що визначається за формулою: 2 (19) 1 3 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. КомпьютПресс, 2002 г., № 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 Г.А., Система водяного охлаждения мощного процесора ПЭВМ. - Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2005 г., № 1, с. 42-44, рис. 3 на с. 43]. Теплообмінник рідинної системи охолодження виконано у вигляді корпуса із теплопровідного матеріалу, всередині якого виконані повздовжні 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 55 мл/с система забезпечує відведення від імітатора лише 40 Вт теплоти [див. криву 2 на рис. 4, с. 43 згаданої статті], що дещо 48048 4 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 № 59101 А, МПК7 НО5К7/20, опубл. 15.08.2003 р., бюл. №8, 2003 р. та із статті: Глеб Пархоменко. Водные процедуры. - Мой компьютер, 2004 г., № 9/284, 01 марта - 08 марта, с. 1719, 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 ізміді 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 42 г/с система охолодження забезпечує відведення від процесора теплового потоку 58 Вт (див. діаграму на с. 19 вищезазначеної статті). Разом з тим, потужність сучасних високопродуктивних процесорів з підвищеною тактовою частотою та перспективних процесорів значно перевищує 58 Вт. 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 (42 г/с або 151,2 л/год) та відповідно значні витрати енергії на прокачування його по рідинному контуру системи. Підвищення ефективності відведення теплоти від теплонапруженої поверхні потужного електронного компонента з одночасним зменшенням кількості охолоджуючої рідини може бути досягнуто за рахунок застосування теплообмінників з більш високими коефіцієнтами тепловіддачі, які не залежать від швидкості руху рідини. Найбільш близьким аналогом системи, що заявляється, вибраним як прототип, є рідинна система охолодження потужного електронного компонента [патент України на корисну модель № 5 22628, БИ № 5, 2007 р.], 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, 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, =2 S(1+E) t/(GCp(tвих-tвx)), де - висота щілинного каналу, м; - 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; t - 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). Загальними суттєвими ознаками відомої системи та системи, що заявляється, є використання рідинного мікрощілинного теплообмінника. При роботі відомої системи досягається підвищення коефіцієнту тепловіддачі від поверхні каналів до рідини до (8 24)103 Вт/(м2К), але неефективне розміщення мікроканалів для руху рідини паралельно контактній поверхні теплообміну призводить до того, що ефективно працює лише один нижній канал з однією з тепловіддаючих поверхонь якого є поверхня плити контактної основи, а значення температурної ефективності інших каналів різко спадає. Завдяки цьому кількість ефективно працюючих каналів обмежується двома, навіть при значній товщині пластин ( =4 6 мм), що утворюють канали. Подальше збільшення кількості каналів не є ефективним, тобто поверхня теплообміну не розвинена. Все призводить до того, що максимальна потужність тепловідведення, в цьому випадку, хоча і більша за попередні аналоги в 1,5 2 рази, але не перевищує 25 Вт/см основи при середній різниці температур між поверхнею тепло напруженого компонента і рідиною t=30 °C. Задачею технічного рішення, що заявляється, є вдосконалення рідинної системи охолодження потужного електронного компонента з метою підвищення у 2,5 3,5 рази питомого тепловідведення від тепло напруженої поверхні і зменшення у 1,5 2 рази гідравлічного опору. Поставлена задача вирішується шляхом переходу на щілинні теплообмінники, виконані з багатьох щілинних паралельних мікроканалів, розташова 48048 6 них перпендикулярно до поверхні контакту з тепло напруженим компонентом. А саме: 1. в рідинній системі охолодження потужного електронного компонента, що містить один або декілька рідинних щілинних теплообмінників з контактною поверхнею для приєднання до потужного електронного компонента, насос, зовнішній теплообмінник і трубопроводи, за допомогою яких рідинні теплообмінники, насос та зовнішній теплообмінник об'єднані у замкнений рідинний контур, рідинні теплообмінники виконані з багатьох паралельних щілинних мікроканалів шириною =0,1 0,3 мм і товщиною стінок =1 1,2 мм, розташованих по всій ширині теплообмінника перпендикулярно до контактної поверхні, та висотою, що визначається за формулою: h опт 1,3 1,6 p p к ,м рід де hpoпт - оптимальна висота щілинного каналу; р - коефіцієнт теплопровідності матеріалу ребра (стінки каналу), Вт/(м2К); р - товщина ребра (стінки каналу), м; k - ширина каналу, м; рід коефіцієнт теплопровідності рідини, Вт/(мК); (1,3 1,6) - коефіцієнт, що враховує оптимізацію теплової ефективності ребра; 2. в рідинній системі охолодження потужного електронного компонента за п. 1 щілинні канали утворюються або між паралельними та приєднаними до контактної поверхні пластинами (ребрами) з р=1,0 1,2 мм та з прокладками пр=0,1 0,3 мм між ними, або - за рахунок прорізання перпендикулярно до контактної поверхні основи щілин шириною 0,1 0,3 мм з відстанями між ними 1 1,2 мм в пластині товщиною пл= осн+hPoпт+5пов, де осн - товщина основи пластини до каналів (3 4 мм), пов - товщина шару перекриття каналів (3÷4 мм); 3. в рідинній системі охолодження потужного електронного компонента за п. 1 перед системою паралельних перпендикулярних до бази щілинних каналів і після неї розміщують камери для рівномірного введення і відведення охолоджуючої рідини. Суть та принцип дії запропонованої рідинної системи охолодження потужного електронного компонента пояснюється кресленнями: - На фіг. 1 схематично наведено загальний вигляд рідинної системи охолодження. - На фіг. 2 схематичний вигляд фронтальної проекції і вигляду зверху рідинного щілинного теплообмінника. - На фіг. 3 переріз рідинного щілинного теплообмінника для варіанту утворення каналів за рахунок набору з пластин з прокладками. - На фіг. 4 переріз цього ж теплообмінника для варіанту прорізання щілинних каналів в одній плиті. 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 7 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. Сполучення основного рідинного теплообмінника з вхідним та вихідним трубопроводами 6 та 7 системи охолодження здійснено за допомогою патрубка 9 для вводу рідини та патрубка 10 для виводу рідини відповідно. Основний рідинний теплообмінник виконано з високо теплопровідного матеріалу у вигляді багатьох щілинних паралельних мікроканалів 11 (фіг. 2, фіг. 3, фіг. 4), розташованих перпендикулярно до контактної поверхні для приєднання до потужного електронного компонента та штуцерів 9 і 10 (фіг. 2, фіг. 3, фіг. 4) для приєднання до теплообмінників циркуляційних трубопроводів 6 і 7. Мікроканали 11 утворюють в двох варіантах: 1. шляхом збірки на стрижнях 15 з паралельних між собою та перпендикулярних до контактної основи 12 пластин 13 ( =1 1,2 мм) прокладок 14 ( =0,1 0,3 мм) між пластинами і пластин огородження 16 (фіг. 3). 2. шляхом прорізання в одній плиті 17 (фіг. 4). Робота запропонованої рідинної системи охолодження потужного електронного компонента пояснюється за допомогою креслення (фіг. 1). При роботі потужного електронного компонента 3 виділяється теплота Q, яка передається теплопровідністю до контактної поверхні 2 приєднаного рідинного теплообмінника 1. Завдяки 48048 8 високій теплопровідності пластин 13 та високій тепловій ефективності пластини 13 як ребра, а також завдяки малій ширині щілинних каналів 11 для рідини, наприклад, 0,16мм теплота Q ефективно передається до рідини, яка прокачується насосом 4 по щілинних каналах 11. В каналах 11 відбувається ламінарна течія рідкого теплоносія. Коефіцієнт тепловіддачі при ламінарній течії в щілинному каналі значно перевищує його значення в широких каналах. Значення коефіцієнту тепловіддачі в щілинному каналі висотою, наприк2 лад, 0,16 мм, може складати 14480 Вт/(м °С). Високе значення коефіцієнту теплопровідності обумовлює високу ефективність поглинання теплоти рідиною. її температура в щілинному каналі підвищується і нагрітий рідкий теплоносій (на фіг. 1 показаний зачерненою стрілкою) по патрубку 10 для виводу рідини та вихідному трубопроводу 7 поступає в зовнішній теплообмінник 5, де охолоджується потоком повітря, що продувається крізь теплообмінник за допомогою вентиляторів 18, 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. Розрахункова питома потужність відведення теплоти від поверхні потужного електронного компонента при t=30 °C становить 5 100 Вт/см2 основи, а в цілому для теплообмінника з розмірами в плані 5,15x5,15 см потужність тепловідведення досягає 1250 2500 Вт. 9 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 48048 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