ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована для нормализации температуры электронных компонентов, в частности центральных процессорных устройств (ЦПУ) современных компьютеров, особенно промышленных компьютеров, предназначенных для установки в уличных условиях или в помещениях при неблагоприятных условиях внешней среды: повышенной запыленности, повышенной влажности, а также при повышенных температурах.
Известно устройство для охлаждения деталей компьютера (см. патент РФ №2348963, МПК G06F 1/20 (2006.01), опубл.: 10.03.2009), содержащее теплопередающий блок, соединенный с возможностью передачи тепла с тепловыделяющими деталями для приема выделяемого тепла теплорассеивающими деталями; по меньшей мере, одну тепловую трубку, содержащую участок для соединения с теплопередающим блоком, соединенную с возможностью передачи тепла с теплопередающим блоком, и участок для соединения с теплорассеивающими ребрами, согнутый с получением изогнутой формы; и множество теплорассеивающих ребер.
Однако описанное устройство имеет следующие недостатки: при отведении большого количества тепла такое устройство нуждается в принудительном обдуве при помощи вентилятора, наличие которого повышает уровень шума и снижает надежность системы. Кроме этого, так как отвод тепла осуществляется ребрами, находящимися внутри корпуса компьютера, внутренний объем воздуха быстро нагревается и возникает необходимость обеспечения эффективной циркуляции воздуха через вентиляционные отверстия в наружных стенках корпуса, что делает невозможным защиту конструкции компьютера от попадания внутрь пыли и влаги, что негативно сказывается на его надежности.
Известна также система пассивного охлаждения моноблочного компьютера (см. патент РФ на полезную модель №64400, МПК G06F 3/00 (2006.01), G06F 15/00 (2006.01), опубл. 27.06.2007), под пассивной системой охлаждения имеется в виду то, что моноблочный компьютер не содержит специальных электромеханических блоков, предназначенных для его охлаждения, тепло, выделяемое такими элементами моноблочного компьютера как процессор, chipset и т.д. отводится либо непосредственно от их корпуса, либо с помощью радиаторов за счет излучения и естественной конвекции, без принудительного обдува (принудительной конвекции) или циркуляции охлаждающей жидкости.
Однако описанное устройство имеет следующие недостатки: отвод тепла от тепловыделяющих элементов исключительно при помощи радиаторов имеет ограничения, связанные с тем, что из-за конечной теплопроводности материала радиатора тепловое поле неравномерно распределяется по поверхности радиатора, не позволяя, без дополнительных мер, таких как применение тепловых трубок, эффективно использовать всю его площадь. Таким образом, охлаждение с использованием описанного устройства недостаточно эффективно и не может быть применено для охлаждения современных высокопроизводительных процессоров и других элементов, характеризующихся высоким тепловыделением.
Известно также охлаждающее устройство для электронных компонентов, описанное в принятом нами за прототип патенте (см. патент США №7177154, МПК Н05К 7/20 (2006.01), опубл. 13.02.2007), содержащее корпус, на наружной поверхности одной из вертикальных стенок которого, являющейся радиатором, имеются теплорассеивающие ребра, внутри корпуса размещен базовый теплопередающий блок, предназначенный для контактирования с теплонагруженными электронными компонентами; к базовому теплопроводящему блоку присоединены тепловые трубки с капиллярно-пористой структурой или пульсирующие (змеевидные) тепловые трубки, связанные с радиатором, при этом тепловые трубки направлены только в одну сторону (в сторону ближайшего к ЦПУ края системной платы). В этом устройстве предполагается использование тепловых трубок с капиллярно-пористой структурой в случае, когда нагретый конец трубки находится на одном уровне с охлаждаемым концом или ниже и использование пульсирующих тепловых трубок в противном случае. Для равномерного распределения теплового поля по поверхности радиатора в описанном устройстве использованы дополнительные тепловые трубки, проходящие вдоль радиатора между его ребрами.
К недостаткам конструкции можно отнести то, что зоны отвода теплоты тепловых трубок сконцентрированы в одной (верхней или нижней) части радиатора. Это приводит к неоднородности температурного поля по его высоте и повышению температуры в области присоединения отводящей части тепловых трубок по сравнению со всей поверхностью радиатора. Толщина теплового пограничного слоя по высоте радиатора увеличивается. В верхней части радиатора тепловой пограничный слой имеет большую толщину, чем в нижней части радиатора. Даже при условии изотермичности поверхности охлаждения это приводит к снижению коэффициентов теплоотдачи в верхней части и, соответственно, к ухудшению отвода теплоты от радиатора в окружающую среду. Температура зон отвода теплоты тепловых трубок повышается, что в конечном итоге приводит к росту температуры объекта охлаждения (ЦПУ) и ухудшению его функциональных возможностей. Для устранения этого недостатка и возникла необходимость использования в конструкции двух различных видов тепловых трубок (как показано выше), а также размещения дополнительных трубок, проходящих вдоль радиатора между его ребрами, что существенно усложняет конструкцию описанного устройства и приводит к снижению ее надежности при эксплуатации.
Задачей настоящей полезной модели является повышение однородности температурного поля по высоте радиатора и снижение температуры в области присоединения отводящей части тепловых трубок с одновременным упрощением конструкции охлаждающего устройства, вследствие чего улучшаются функциональные возможности устройства и повышается надежность его работы.
Для решения этой задачи в охлаждающем устройстве для электронных компонентов, содержащем корпус, на наружной поверхности одной из вертикальных стенок которого, являющейся радиатором, имеются теплорассеивающие ребра, а внутри корпуса размещен базовый теплопередающий блок, предназначенный для контактирования с теплонагруженными электронными компонентами, к базовому теплопередающему блоку присоединены тепловые трубки с капиллярно-пористой структурой, связанные с радиатором, согласно полезной модели, часть тепловых трубок расположена выше базового теплопередающего блока (восходящие тепловые трубки), а другая часть - ниже базового теплопередающего блока (нисходящие тепловые трубки); при оптимальных вариантах выполнения заявляемого устройства радиус пор внутренней структуры восходящих и нисходящих тепловых трубок различен и выбран из условия компенсации влияния сил гравитации на характеристики теплопередачи; радиус пор внутренней структуры восходящих и нисходящих трубок выбирается из следующего условия:
H
B
B
H
где ρ - плотность теплоносителя; g - ускорение силы тяжести; R - радиус пор в капиллярной структуре нисходящих тепловых трубок; R - радиус пор в капиллярной структуре восходящих тепловых трубок; h - высота расположения теплоотводящей части восходящих тепловых трубок над базовым основанием; h - высота расположения теплоотводящей части нисходящих тепловых трубок ниже базового основания; радиатор является неотъемлемой частью корпуса или выполнен в виде отдельной детали; базовый теплопередающий блок и остальные теплопередающие блоки состоят из двух частей, имеющих со стороны стыковки частей друг с другом пазы для установки тепловых трубок или выполнены сплошными и имеют отверстия для установки тепловых трубок или выполнены сплошными и имеют пазы для установки тепловых трубок со стороны контакта с теплонагруженными электронными компонентами или радиатором; зазоры между частями базового теплопередающего блока и других теплопередающих блоков и тепловыми трубками заполнены теплопроводящей пастой любого типа или легкоплавким припоем; между базовым теплопередающим блоком теплонагруженными электронными компонентами, а также остальными теплопроводящими блоками и радиатором нанесена теплопроводящая паста любого типа; часть внутреннего пространства корпуса со стороны радиатора заполнена теплоизоляционным материалом.
Причинно-следственная связь между предлагаемой совокупностью признаков и достигаемым техническим эффектом состоит в следующем.
Эффективность теплоотвода достигается тем, что одна часть тепловых трубок, теплоотдающие поверхности которых равномерно расположенных по поверхности радиатора, расположена выше базового теплопередающего блока (восходящие тепловые трубки), а другая - ниже базового теплопередающего блока (нисходящие тепловые трубки), при этом эффективная площадь отвода теплоты радиатором увеличивается и температура базового теплопередающего блока, с которым контактирует теплонагруженных электронный компонент, например ЦПУ, снижается, следовательно, нормализуется температурный режим охлаждаемого электронного компонента, что увеличивает надежность работы всего устройства. Зоны отвода теплоты тепловых трубок, которые расположены ниже теплопередающего блока находятся в лучших условиях по теплоотдаче по сравнению с теми, которые размещены выше, поскольку толщина теплового пограничного слоя в этой части радиатора меньше, чем в верхней. Однако при передаче тепловой энергии против сил гравитации эффективность работы тепловых трубок несколько снижается (увеличивается общее тепловое сопротивление и снижается максимальный тепловой поток), что может незначительно сказаться на равномерности отвода теплоты от теплонагруженного электронного компонента. Для компенсации снижения эффективности работы тепловых трубок, которые расположены ниже базового теплопередающего блока, они конструктивно выполнены таким образом, чтобы компенсировать силы гравитации, которые препятствуют движению теплоносителя внутри капиллярной структуры к зоне подвода теплоты (базовому теплопередающего блоку). Это достигается тем, что радиус пор капиллярной структуры в нисходящих тепловых трубках выбран таким образом, чтобы капиллярный напор в них был выше, чем в восходящих тепловых трубках.
H
B
где σ - коэффициент поверхностного натяжения теплоносителя; R - радиус пор в капиллярной структуре нисходящих тепловых трубок; R - радиус пор в капиллярной структуре восходящих тепловых трубок.
Для того чтобы тепловые трубки (восходящие и нисходящие) одинаково передавали тепловую энергию, необходимо выполнение следующего условия:
B
H
H
B
где σ - коэффициент поверхностного натяжения теплоносителя; ρ - плотность теплоносителя; g - ускорение силы тяжести; h - высота расположения теплоотводящей части восходящих тепловых трубок над базовым основанием; h - высота расположения теплоотводящей части нисходящих тепловых трубок ниже базового основания; R - радиус пор в капиллярной структуре нисходящих тепловых трубок; R - радиус пор в капиллярной структуре восходящих тепловых трубок. Например, если радиус пор капиллярной структуры у восходящих тепловых трубок равен 45 мкм (что соответствует пористости 90%), а их зона отвода теплоты располагается выше базового основания на 0,1 м, и зона отвода теплоты нисходящих тепловых трубок ниже базового основания на 0,1 м, то радиус пор капиллярной структуры нисходящих тепловых трубок должен составлять 25 мкм (пористость 75%). В этом случае достигаются одинаковые условия для отвода теплоты как восходящими, так и нисходящими тепловыми трубками.
Существенно, что эффективное охлаждение электронных компонентов осуществляется без необходимости обеспечения воздухообмена между внутренним объемом корпуса и внешней средой, что позволяет выполнить корпус защищенным от проникновения внутрь пыли и влаги.
На фиг.1 показано предлагаемое охлаждающего устройство для электронных компонентов при снятой противоположной радиатору стенке, вид спереди; на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.1; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1, вариант выполнения устройства с теплоизоляционным материалом.
Предлагаемое устройство содержит корпус 1, на наружной поверхности одной из вертикальных стенок которого, являющейся радиатором 2, имеются теплорассеивающие ребра 3, а внутри корпуса 1 размещен базовый теплопередающий блок 4, предназначенный для контактирования с теплонагруженными электронными компонентами 5, в данном случае ЦПУ, установленным на системной плате 6, к базовому теплопередающему блоку 4 присоединены в данном конкретном примере четыре тепловые трубки 7 с капиллярно-пористой структурой, связанные с радиатором 2 через соответственно четыре теплопередающих блока 8. Часть тепловых трубок 7 расположена выше базового теплопередающий блока 4 (восходящие тепловые трубки), а другая часть - ниже базового теплопередающий блока 4 (нисходящие тепловые трубки), при этом радиус пор внутренней структуры восходящих и нисходящих тепловых трубок 7 различен и выбран из условия компенсации влияния сил гравитации на характеристики теплопередачи.
Радиатор 2 с ребрами 3 может являться неотъемлемой частью корпуса 1 или быть выполненным в виде отдельной детали (как показано на фиг.1-3), соединенной с корпусом 1 при помощи винтов 9, либо состоять из множества составных частей. Базовый теплопередающий блок 4 может быть закреплен внутри корпуса 1 при помощи монтажных стоек 10 или любым другим образом.
Базовый теплопередающий блок 4 и остальные теплопередающие блоки 8 могут состоять из двух частей, имеющих со стороны стыковки частей друг с другом пазы для установки тепловых трубок 7, или быть сплошными и иметь отверстия для установки тепловых трубок 7, либо быть сплошными и иметь пазы для установки тепловых трубок 7 со стороны контакта с теплонагруженными электронными компонентами 5 или радиатором 2. Части базового теплопередающего блока 4 могут скрепляться между собой и с монтажными стойками 10 при помощи винтов 11. Части остальных теплопередающих блоков 8 могут скрепляться между собой и с радиатором 2 при помощи винтов 12. Для улучшения теплопередачи, между частями базового теплопередающего блока 4 или теплопередающих блоков 8 и тепловыми трубками 7 зазоры заполнены теплопроводящей пастой любого типа или легкоплавким припоем. Между базовым теплопроводящим блоком 4 и теплонагруженными электронными компонентами 5, а также остальными теплопроводящими блоками 8 и радиатором 2 нанесена теплопроводящая паста любого типа.
Для предотвращения возврата тепла от радиатора 2 во внутреннюю часть корпуса 1, часть внутреннего пространства корпуса 1 со стороны радиатора 2 может быть заполнена теплоизоляционным материалом 13, например силиконовой композицией с наполнителем, как показано на фиг.4.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Различное электронное оборудование, как например функциональные блоки промышленного компьютера, устанавливаются внутрь корпуса 1 таким образом, что наиболее теплонагруженные электронные компоненты 5, например ЦПУ, контактируют с базовым теплопередающим блоком 4. Тепло, выделяемое электронными компонентами 5, передается при помощи восходящих и нисходящих тепловых трубок 7, работающих с равной эффективностью (вследствие выбора пористости их внутренней структуры из условия компенсации влияния сил гравитации на характеристики теплопередачи), теплопередающим блокам 8, контактирующим с разными частями радиатора 2, что позволяет равномерно распределить тепловое поле по его высоте. Далее тепло отводится с поверхности радиатора 2 и поверхности его ребер 3 в окружающую среду путем излучения, естественной или вынужденной конвекции. Эффективный отвод тепла от наиболее теплонагруженных электронных компонентов 5 наружу корпуса 1 позволяет нормализовать не только их температурный режим, но также уменьшить температуру воздуха во всем внутреннем объеме корпуса 1, тем самым обеспечив более благоприятные условия для работы всех функциональных блоков, повысив надежность их работы.