ПРИБОРНЫЙ БЛОК С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Полезная модель относится к устройствам охлаждения электронных компонентов с использованием циркуляции жидкого хладоносителя. Охлаждение электронных компонентов, установленных в приборном блоке, осуществляется с помощью пассивной системы жидкостного охлаждения, т.е. без принудительной подачи хладоносителя.
Известна полезная модель по патенту РФ № 165068 Корпус охлаждения блока РЭА (дата приоритета: 30.12.2015г., дата публикации: 10.10.2016г., Бюл. № 28). Корпус охлаждения блока РЭА содержит панель из электропроводящего материала с крышками и установленными на панели элементами РЭА, в которой выполнены взаимно перпендикулярно и взаимно параллельно расположенные коллекторные и распределительные каналы для охлаждающей жидкости, при этом распределительные каналы начинаются и заканчиваются в коллекторных каналах.
Недостатком корпуса охлаждения известной конструкции является невысокая эффективность охлаждения, т.к. тепло не отводится за пределы блока РЭА, в котором будет установлен данный корпус. Кроме того, недостатком является низкая надежность корпуса охлаждения, т.к. все выполненные в нем каналы соединены между собой. В результате при разгерметизации хотя бы одного канала, охлаждающая жидкость выльется из корпуса охлаждения.
Известно изобретение по патенту РФ № 2301510 Система охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры (дата приоритета: 21.07.2005г., дата публикации: 27.01.2007г., Бюл. № 3). Система охлаждения элементов радиоэлектронной аппаратуры выполнена в виде охлаждающего контура, который состоит из испарителя, наполненного теплоносителем, конденсатора и соединенных между собой двумя эластичными термоизолированными шлангами. Конденсатор крепится на металлической стенке корпуса радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), испаритель крепится на охлаждаемом элементе радиоэлектронной аппаратуры. При этом испаритель и конденсатор выполнены в виде емкостей, имеющих равные объемы.
Недостатком данной системы охлаждения является низкая надежность из-за наличия в системе только одного контура, при протечке которого выйдет из строя вся система охлаждения. Кроме того, данная система имеет невысокую эффективность охлаждения, которая ограничена площадью контакта РЭА с испарителем.
Известно техническое решение, которое является наиболее близким к заявленной полезной модели, «Блок радиоэлектронной аппаратуры» по авторскому свидетельству SU 1120501 (дата приоритета: 25.03.1983г., дата публикации: 23.10.1984г., Бюл. № 39). Устройство содержит нижний и верхний теплообменник, субблок радиоэлектронной аппаратуры, который является источником выделения тепла. Теплообменники представляют собой плиты из теплопроводного материала, снабженные внутренними каналами для прохождения хладоносителя. Нижний и верхний теплообменники соединены между собой посредством переходных трубок. При этом несколько каналов теплообменника соединены с одной трубкой. Трубки в свою очередь соединены с внешней магистралью.
Недостатками данной конструкции блока является невысокая надежность устройства, т.к. внутренние каналы теплообменников и соединяющие их трубки не образуют независимые контуры. При этом трубки соединены с внешней магистралью, следовательно, охлаждение осуществляется принудительным способом с использованием нагнетательных устройств (насосов). Таким образом, для осуществления движения теплоносителя по трубкам и магистрали требуются дополнительные затраты электроэнергии. При этом работа насоса сопровождается возникновением высокого уровня шума. Следовательно, конструкция блока, известная по авторскому свидетельству SU1120501, не может применяться в помещениях, к которым предъявляются высокие требования по шуму. Кроме того, электронные компоненты, содержащиеся в субблоке, не разделяют на теплонагруженные (активные) и нетеплонагруженные (пассивные) электронные компоненты, в результате охлаждают весь блок, что снижает эффективность охлаждения.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении надежности конструкции и эффективности охлаждения при исключении дополнительных энергозатрат и шума.
Технический результат достигается за счет того, что приборный блок с жидкостным охлаждением содержит две параллельные стенки, соединенные стяжками, между стенками параллельно им установлена перегородка, на которой размещены теплонагруженные электронные компоненты, внутри перегородки и одной из стенок выполнены сквозные продольные каналы, при этом каналы перегородки и каналы стенки соединены с помощью трубок, образуя герметичные независимые замкнутые контуры жидкостного охлаждения.
Каналы, выполненные внутри перегородки и одной стенки и соединенные с помощью трубок, образуют несколько герметичных независимых контуров жидкостного охлаждения, что позволяет повысить надежность приборного блока, т.к. при потере герметичности одного или нескольких контуров, оставшиеся контуры жидкостного охлаждения продолжают работать в штанном режиме. Кроме того, герметичные независимые замкнутые контуры жидкостного охлаждения обеспечивают эффективный отвод тепла от теплонагруженных электронных компонентов, установленных на перегородке. Количество контуров жидкостного охлаждения зависит от требований по охлаждению теплонагруженных компонентов или требований по надежности. Чем выше требования по охлаждению и надежности, тем большее количество независимых контуров жидкостного охлаждения содержит приборный блок.
При этом герметичные независимые контуры жидкостного охлаждения являются замкнутыми и не имеют связь с внешней системой охлаждения, в результате не требуется принудительного перекачивания жидкости (хладоносителя), что исключает дополнительные затраты на электроэнергию.
Приборный блок, содержащий герметичные независимы замкнутые контуры жидкостного охлаждения, образованные продольными сквозными каналами на перегородке и стенке и их соединяющими трубками, обеспечивает жидкостное охлаждение теплонагруженных компонентов и является практически бесшумным, т.к. для его эксплуатации не требуется установки перекачивающего оборудования, при работе которого возникает дополнительный шум.
Теплонагруженные электронные компоненты устанавливаются на стенку, имеющую сквозные продольные каналы, с которой снимается тепло. При этом ненагруженные теплом компоненты могут быть размещены в оставшемся пространстве. Таким образом, для более эффективного снятия и вывода тепла за пределы приборного блока электронные компоненты внутри приборного блока могут быть разделены на две группы: теплонагруженные и ненагруженные теплом электронные компоненты. В результате тепло, образованное внутри приборного блока, локализуется в области перегородки и направленно с использованием независимых замкнутых контуров жидкостного охлаждения выводится за пределы приборного блока.
Кроме того, приборный блок с жидкостным охлаждением может содержать герметичные независимые замкнутые контуры жидкостного охлаждения для заполнения диэлектрической жидкостью. Диэлектрическая жидкость позволяет более эффективно охлаждать теплонагруженные электронные компоненты.
На стенке, содержащей сквозные продольные каналы, может быть установлен радиатор. Радиатор устанавливается для более эффективного снятия тепла со стенки приборного блока, содержащей каналы для заполнения жидкостью.
Приборный блок с жидкостным охлаждением может содержать трубки и каналы диаметром 4-6 мм. Данный диапазон диаметров трубок и каналов позволяет сохранять скорость циркуляции жидкости по независимым замкнутым контурам жидкостного охлаждения, что также увеличивает эффективность охлаждения теплонагруженных электронных компонентов.
Сущность заявленной полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен приборный блок с жидкостным охлаждением (вид 3/4 спереди). На фиг. 2 представлен разрез А-А блока с жидкостным охлаждением в повороте 3/4 спереди.
На фигурах 1 и 2 обозначены следующие части конструкции:
1 – стяжки;
2 – перегородка;
3 – теплонагруженные электронные компоненты;
4 – стенка с каналами;
5 – каналы;
6 – трубки.
Приборный блок с жидкостным охлаждением (фиг. 1, фиг. 2) содержит две параллельные стенки, соединенные стяжками 1, между стенками параллельно им установлена перегородка 2, на которой размещены теплонагруженные электронные компоненты 3, внутри перегородки 2 и одной из стенок 4 выполнены сквозные продольные каналы 5. При этом каналы 5 перегородки 2 и каналы 5 стенки 4 соединены с помощью трубок 6, образуя герметичные независимые замкнутые контуры жидкостного охлаждения.
Перегородка 2 может быть установлена на равном удалении от обеих стенок.
Общее количество каналов 5 (k), выполненных внутри перегородки 2 и одной стенки 4, должно совпадать с общим количеством трубок 6 (t). В результате число независимых замкнутых контуров (N) жидкостного охлаждения, которые должны быть выполнены герметичными, будет равно N= = .
Поскольку все контуры жидкостного охлаждения теплонагруженных электронных компонентов 3 выполнены независимыми, то в случае разгерметизации одного или нескольких из них, другие контуры продолжат работать. Таким образом, наличие герметичных замкнутых независимых контуров жидкостного охлаждения обеспечивает увеличение надежности приборного блока с жидкостным охлаждением.
Чем больше независимых замкнутых контуров жидкостного охлаждения содержит приборный блок, тем эффективнее снимается тепло с теплонагруженных электронных компонентов 3, передается на стенку 4, содержащую продольные каналы 5, и отводят за пределы приборного блока, а также выше надежность приборного блока с жидкостным охлаждением.
Длина каналов 5 может приблизительно соответствовать длине трубок 6. Каналы 5, а также внутренняя полость трубок 6, могут иметь круглое, квадратное или иное сечение. Трубки 6 могут быть выполнены термоизолированными.
Независимые замкнутые контуры жидкостного охлаждения должны быть выполнены герметичными для заполнения их жидкостью - хладоагентом. В качестве хладоагента может использоваться диэлектрическая жидкость, т.к. технологически диэлектрическая жидкость позволяет эффективнее снимать тепло с теплонагруженных электронных компонентов 3, установленных на перегородке 2 с каналами 5.
Для охлаждения теплонагруженных электронных компонентов 3 может быть использована диэлектрическая жидкость, например ПФДТ-70. Это жидкость на основе фторуглеродных соединений, прозрачная без цвета и запаха. Эффект диэлектричности обусловлен крупным строением молекул и отсутствием в составе токопроводящих примесей. Жидкость негорюча, нетоксична, взрывобезопасна, не взаимодействует с органическими и неорганическими твердыми и жидкими веществами, обладает высокой степенью испаряемости, закипает при температуре +70°С, обладает теплопроводностью в 3,5 раза выше, чем у воздуха, а также обладает высокой плотностью и теплоемкостью.
Таким образом, использование диэлектрической жидкости ПФДТ-70 в качестве хладоагента позволяет сохранять внутренние стенки герметичных независимых замкнутых контуров жидкостного охлаждения от коррозии и других повреждений длительное время.
Кроме того, использование диэлектрической жидкости обеспечивает не только более эффективное снятие тепла по сравнению с другими жидкостями, а также удовлетворяет экологическим требованиям. Следовательно, диэлектрическая жидкость обладает не только отличными техническими характеристиками, но и отвечает требованиям безопасности для окружающей среды и высокой пожарной безопасности.
Электронные компоненты, предназначенные для установки в приборный блок, могут быть разделены на теплонагруженные 3 и ненагруженные теплом электронные компоненты. Теплонагруженные электронные компоненты 3 устанавливают на перегородку 2 со стороны, например противоположной стенке 4, имеющей каналы 5. Ненагруженные теплом электронные компоненты устанавливаются в свободном внутреннем пространстве приборного блока.
Стенка 4, имеющая каналы 5, может быть выполнена из теплопроводного материала или иметь радиатор, установленный на внешнюю сторону стенки 4, для более эффективной отдачи тепла в окружающую среду. Перегородка 2 также может быть изготовлена из теплопроводного материала.
Вторая стенка (на фигуре не обозначена) также внутри может содержать сквозные продольные каналы.
Достижение технического результата подтверждается результатами моделирования. Моделирование тепловых потоков в герметичных замкнутых независимых контурах жидкостного охлаждения подтвердило, что наличие двух параллельных стенок, соединенных стяжками 1, установленную между стенками параллельно им перегородку 2, на которой размещены теплонагруженные электронные компоненты 3, с выполненными внутри перегородки 2 и одной из стенок 4 сквозными продольными каналами 5, при этом каналы 5 перегородки 2 и каналы 5 стенки 4 соединены с помощью трубок 6 так, что образуют герметичные независимые замкнутые контуры жидкостного охлаждения и обеспечивают повышение надежности конструкции приборного блока и эффективности охлаждения при исключении дополнительных энергозатрат и шума.
Моделирование осуществлялось с помощью программных средств «Солидворкс Фло Симулэйшн» («SolidWorks Flow Simulation») с целью определения эффективности охлаждения теплонагруженных электронных компонентов 3.
При моделировании было принято, что температура окружающей среды составляет +25°С при нормальном атмосферном давлении. Стенки прибора установлены вертикально, при этом соединены стяжками 1 расположенными горизонтально. Перегородка 2 внутри приборного блока также установлена вертикально. Сквозные продольные каналы 5 перегородки 2 и сквозные продольные каналы 5 внутри стенки 4 соединены трубками 6, расположенными горизонтально. При этом было принято, что каналы 5 и трубки 6 образуют пять герметичных независимых замкнутых контуров жидкостного охлаждения. Контуры заполняются диэлектрической жидкостью ПФДТ-70. На перегородку 2 установлено три транзистора, которые имеют равномерно распределенную постоянную суммарную мощность 49 Вт.
Результаты моделирования показали, что при вертикальном расположении каналов 5, которые имеются внутри перегородки 2 и одной из стенок 4, и горизонтальной установке трубок 6, в результате кондуктивной передачи тепла от теплонагруженных электронных компонентов 3 температура на поверхности перегородки 2 достигла 48,53°С. Далее осуществляется теплоотдача от перегородки 2 на хладоагент, которым были заполнены каналы 5, выполненные внутри перегородки 2. В результате нагрева хладоагент становится легче и поднимается по продольным сквозным каналам 5, перетекая в трубки 6, установленные в верхней части приборного блока, что подтверждается температурными замерами на поверхности трубок 6, установленных в верхней части приборного блока. Температура на поверхности данных трубок 6 составляет 43,1°С. По трубкам 6, установленным в верхней части приборного блока, жидкость стекает в каналы 5, выполненные внутри стенки 4. В результате естественной конвекции хладоагент передает тепло на стенку 4, от которой тепло переходит в окружающую среду. Температура на поверхности стенки 4 составляет 37,2°С. Охлажденная жидкость опускается по продольным каналам 5. Т.к. каналы 5 выполнены сквозными хладоагент, остывая, опускается и поступает в трубки 6, расположенные внизу приборного блока. Далее по трубкам 6 внизу приборного блока жидкость поступает обратно в каналы 5 перегородки 2. В результате моделирования установлено, что при охлаждении теплонагруженных элементов 3, установленных в приборном блоке с жидкостным охлаждением, отведено 50-55% мощности.
При горизонтальном расположении стенок и перегородки 2 и вертикальном расположении трубок 6 и тех же принятых условиях (температура окружающей среды +25°С, атмосферное давление, транзистора с суммарной мощностью 49Вт, независимые замкнутые контуры заполнены диэлектрической жидкостью ПФДТ-70) процесс охлаждения осуществляется также эффективно, как и при вертикальном расположении стенок и перегородки 2, и горизонтальном расположении трубок 6. Характер циркуляция жидкости в герметичных независимых замкнутых контурах жидкостного охлаждения при данном расположении каналов 5 и трубок 6 осуществляется в следующем режиме. В результате кондуктивной передачи тепла от теплонагруженных электронных компонентов 3 на перегородку 2, происходит нагрев жидкости в каналах 5 перегородки 2. Нагретый хладоагент вдоль центральной оси трубок 6, установленных с обеих сторон перегородки 2, поднимается и проходит в каналы 5 стенки 4. В результате естественной конвекции хладоагент передает тепло на стенку 4, от которой тепло переходит в окружающую среду. Далее охлажденная жидкость опускается вдоль стенок трубок 6 и поступает обратно в каналы 5 перегородки 2.
При замене диэлектрической жидкости на другой жидкий хладоагент, например на масло, эффективность охлаждения теплонагруженных электронных компонентов 3 будет незначительно ниже, но оставаться в пределах 50% отведенной мощности.
Кроме того, по результатам моделирования был проведен оценочный расчет диаметров каналов 5 и трубок 6, результаты которого приведены в таблице.
Таким образом, определено, что оптимальная скорость движения жидкости по герметичным независимым замкнутым контурам жидкостного охлаждения для эффективного отвода мощности и, соответственно, тепла от теплонагруженных электронных компонентов 3 осуществляется при диаметре каналов 5 и трубок 6, соответствующем 4-6 мм.
Устройство работает следующим образом.
Две параллельные стенки: стенку 4, содержащую сквозные продольные каналы 5, и вторую стенку (на фигуре не обозначена) соединяют с помощью стяжек 1. Между двумя стенками параллельно им внутрь приборного блока устанавливают перегородку 2, также содержащую сквозные продольные каналы 5. Перегородка 2 может быть прикреплена к стяжкам 1. Далее между перегородкой 2 и стенкой 4, содержащей каналы 5, устанавливают трубки 6 таким образом, чтобы оба конца каждого канала 5 перегородки 2 соединялись с помощью трубок 6 с концами каналов 5 стенки 4, образуя несколько независимых замкнутых контуров жидкостного охлаждения. Далее места стыков каналов 5 и трубок 6 герметизируют с целью создания герметичных независимых замкнутых контуров жидкостного охлаждения. С внешней стороны стенки 4 для каждого независимого замкнутого контура имеется отдельное заливное отверстие (на фигуре не показано), через которое контуры, выполненные герметичными, могут заполняться жидкостью, например диэлектрической. Далее устанавливают теплонагруженные электронные компоненты 3 на перегородку 2. Для более эффективного охлаждения теплонагруженные компоненты 3 устанавливают на перегородку 2 с противоположной стороны от стенки 4, имеющей каналы 5. Таким образом, одна сторона перегородки 2 будет более нагрета, чем другая, при этом та же сторона стенки 4 также является более нагретой, чем вторая - внешняя сторона. В результате одна сторона перегородки 2 и стенки 4 получает тепло в результате конвекции, а со второй стороны тепло снимается.
Однако, основной теплообмен осуществляется в результате естественной конвекции при контакте теплонагруженных электронных компонентов 3 и перегородки 2, далее тепло передается внутрь перегородки 2 жидкому хладоагенту. Жидкость нагревается в каналах 5 перегородки 2 и по трубкам 6 переносит тепло к стенке 4, через поверхность которой происходит снятие тепла в окружающую среду. В результате этого жидкость по каналам 5 и трубкам 6 движется без использования нагнетательных устройств в результате естественной, для чего не требуется затрат электроэнергии. Жидкость в замкнутых независимых контурах жидкостного охлаждения будет циркулировать до тех пор, пока температура теплонагруженных электронных компонентов 3 выше температуры окружающей среды за пределами приборного блока. При циркуляции жидкости не возникает дополнительного шума, т.к. устройство не содержит нагнетательных устройств (насосов).
Вертикальное или горизонтальное расположение перегородки 2 и стенки 4, а также трубок 6 влияет только на режим циркуляции жидкости внутри герметичных независимых замкнутых контуров жидкостного охлаждения, при этом эффективность охлаждения теплонагруженных электронных компонентов 3 не снижается.
Таким образом, приборный блок заявленной конструкции обеспечивает повышение надежности и эффективности охлаждения при исключении дополнительных энергозатрат и шума.