УСТРОЙСТВО ТЕПЛООТВОДА ОТ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ И ВЕНТИЛЯТОР УСТРОЙСТВА ТЕПЛООТВОДА ОТ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR REMOVING HEAT FROM ELECTRONIC DEVICES AND FAN FOR DEVICE FOR REMOVING HEAT FROM ELECTRONIC DEVICES (VERSIONS)

Изобретение относится к вентиляции с принудительной циркуляцией воздуха, например к удалению тепла при помощи охладителей от нагретых элементов компьютера, в частности микропроцессора путем теплообмена посредством радиатора и воздушного потока.
Известно устройство теплоотвода от электронных приборов (кулер) микропроцессора фирмы Zalman (патент Кореи №00-54635), который содержит электродвигатель с осевым вентилятором, окруженным ребрами радиатора и снабженным элементами крепления к нему (Korean PatentApplication №00-54635 // http://www.zalman.co.kr: http://www.zalmanusa.com).
Недостатком данного устройства является "провал" скорости воздуха, то есть "ветровая тень" в центральной зоне по оси электродвигателя, находящейся в наиболее нагретой области радиатора напротив источника тепла.
Известно наиболее близкое к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому эффекту устройство для удаления тепла, содержащее радиатор с ребрами, корпус в виде каркаса для закрепления платы схемы управления и осевого вентилятора, включающего электродвигатель со статором и ротором, снабженным лопастями. На удлиненной оси основного осевого вентилятора расположен дополнительный осевой вентилятор под обтекателем. Лопасти обоих вентиляторов выполнены поворотными на 180 градусов (патент РФ №2258181, F24H 3/06, опубл. 04.09.2003).
Устройство недостаточно эффективно решает задачу теплоотвода от нагретых элементов компьютера, имеет большие габариты и сложную конструкцию.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности теплоотвода, упрощении конструкции, уменьшении веса и габаритов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве теплоотвода от электронных приборов, содержащем радиатор с ребрами, каркас для закрепления платы схемы управления устройством и вентилятора, включающего электродвигатель, ротор которого снабжен лопастями, новым является то, что ротор вентилятора выполнен стаканообразным с цилиндрической поверхностью и торцевой поверхностью, обращенной к теплоотводящей поверхности радиатора, при этом каждая лопасть вентилятора расположена по спирали относительно цилиндрической и торцевой поверхностей ротора.
Ротор вентилятора установлен внутри радиатора, теплоотводящая поверхность которого выполнена в виде разновысоких ребер соответственно вдоль оси ротора и радиуса его торцевой части.
Радиатор выполнен цилиндрической или прямоугольной формы. Пластинчатые ребра в торцевой части радиатора изогнуты по спирали противоположно спиралевидным участкам лопастей на торцевой поверхности ротора вентилятора.
Каркас выполнен в виде 3- или 4-лучевой крестовины и укреплен на ребрах-стойках радиатора. Каркас выполнен в виде отдельного модуля из двух 3- или 4-лучевых крестовин, соединенных между собой стойками с образованием рамочной конструкции, при этом одна крестовина предназначена для закрепления платы схемы управления устройством и вентилятора, а часть рамочной конструкции, состоящая из второй крестовины и стоек, выполнена по форме и пространственному положению в соответствии с разновысокими ребрами радиатора.
В вентиляторе устройства теплоотвода от электронных приборов (вариант 1), включающем электродвигатель, ротор которого снабжен лопастями, новым является то, что лопасти представляют собой спиралевидные поверхности, подобные Г-образным элементам конической поверхности, каждая лопасть сопряжена своей внутренней боковой кромкой с цилиндрической поверхностью стаканообразного ротора и с его торцевой поверхностью, при этом лопасти своими торцевыми кромками сопряжены по геометрической оси ротора.
Начальные участки лопастей на цилиндрической поверхности ротора расположены под углом атаки от 0 до 30 градусов, а выходные участки лопастей на торцевой поверхности ротора - под углом атаки 90 градусов.
Совокупность лопастей образует осесимметричную фигуру, а ометаемая лопастями вентилятора поверхность образует, преимущественно, овальную фигуру в виде эллипсоида вращения, сжатую вдоль оси вентилятора.
Общая поверхность двух лопастей, сопряженных по оси ротора, представляет собой незамкнутую поверхность ленты Мебиуса.
В вентиляторе устройства теплоотвода от электронных приборов (вариант 2), включающем электродвигатель, ротор которого снабжен лопастями, новым является то, что каждая лопасть выполнена саблевидной с прямой саблевидностью на цилиндрическом участке ротора, плавно переходящей в обратную саблевидность на торцевом участке ротора, и закреплена кромкой прямой саблевидности на цилиндрической поверхности ротора, а все лопасти сопряжены между собой торцевыми кромками по оси торцевой поверхности ротора.
Начальные участки лопастей на цилиндрической поверхности ротора расположены под углом атаки от 0 до 30 градусов, а выходные участки лопастей на торцевой поверхности ротора - под углом атаки 90 градусов.
Развертка каждой лопасти представляет собой спиралевидную поверхность.
Совокупность лопастей образует осесимметричную фигуру, а сметаемая лопастями вентилятора поверхность образует, преимущественно, овальную фигуру в виде тела вращения, сжатого вдоль оси вентилятора.
Общая поверхность двух лопастей, сопряженных по оси ротора, представляет собой незамкнутую поверхность ленты Мебиуса.
В вентиляторе устройства теплоотвода от электронных приборов (вариант 3), включающем электродвигатель, ротор которого снабжен лопастями, новым является то, что лопасти представляют собой спиралевидные отрезки многозаходного шнека, каждая лопасть внутренней боковой кромкой сопряжена с цилиндрической поверхностью и торцевой поверхностью ротора без сопряжения между собой.
Каждая лопасть расположена на начальном участке цилиндрической поверхности ротора с углом атаки не более 10 градусов с увеличением угла атаки до 90 градусов на конечном участке торцевой поверхности ротора.
Общая поверхность двух лопастей, закрепленных на торцевой поверхности ротора, представляет собой незамкнутые отрезки ленты Мебиуса.
Совокупность лопастей образует осесимметричную фигуру, а ометаемая лопастями вентилятора поверхность образует, преимущественно, цилиндрическую фигуру, сжатую вдоль оси вентилятора.
Сущность изобретения поясняется на Фиг.1-6.
Фиг.1 - продольный разрез устройства с вентилятором по первому варианту;
Фиг.2 - поперечный разрез, вид снизу (А-А);
Фиг.3 - поперечный разрез, вид сверху (С-С);
Фиг.4 - изометрическое изображение устройства с вентилятором по второму варианту с круглым радиатором;
Фиг.5 - поперечный разрез устройства с вентилятором по третьему варианту, вид снизу;
Фиг.6 - изометрическое изображение устройства с вентилятором-вставкой по второму варианту.
Заявляется устройство теплоотвода от электронных приборов и вентилятор устройства теплоотвода от электронных приборов в трех вариантах.
Устройство содержит радиатор с ребрами, каркас для закрепления платы схемы управления устройством и вентилятора, включающего электродвигатель, ротор которого снабжен лопастями. Стаканообразный ротор имеет цилиндрическую и торцевую поверхности, причем ротор торцевой поверхностью обращен к теплоотводящей поверхности. Каждая лопасть расположена по спирали относительно цилиндрической и торцевой поверхностей ротора. Ротор ветилятора установлен внутри радиатора, теплоотводящая поверхность которого выполнена в виде разновысоких ребер соответственно вдоль оси ротора и радиуса его торцевой части, при этом форма радиатора может быть цилиндрической или прямоугольной формы, а пластинчатые ребра в торцевой части радиатора изогнуты по спирали противоположно спиралевидным участкам лопастей на торцевой поверхности ротора вентилятора. Каркас для закрепления платы схемы управления устройством теплоотвода от электронных приборов и закрепления вентилятора выполнен в виде 3- или 4-лучевой крестовины и укреплен на стойках радиатора. Каркас может быть выполнен в виде отдельного модуля из 3- или 4-лучевых крестовин, соединенных между собой стойками с образованием рамочной конструкции, при этом одна крестовина предназначена для закрепления платы схемы управления устройством и вентилятора, а часть рамочной конструкции, состоящая из второй крестовины и стоек, выполнена по форме и пространственному положению в соответствии с разновысокими ребрами радиатора.
Лопасти вентилятора по первому варианту представляют собой спиралевидные поверхности, подобные Г-образным элементам конической поверхности, и сопряжены с поверхностью ротора боковой внутренней кромкой, при этом лопасти своими торцевыми кромками сопряжены по геометрической оси ротора. По второму варианту лопасти вентилятора выполнены саблевидными и закреплены на роторе с обеспечением перехода от участка лопасти с прямой саблевидностью на цилиндрическом участке ротора к участку с обратной саблевидностью на торцевом участке ротора, а все лопасти сопряжены между собой торцевыми кромками по оси торцевой поверхности ротора, при этом развертка лопасти представляет собой спиралевидную поверхность. По третьему варианту лопасти вентилятора представляют собой спиралевидные отрезки многозаходного шнека, каждая лопасть внутренней боковой кромкой сопряжена с цилиндрической поверхностью и торцевой поверхностью ротора без сопряжения между собой.
Все три варианта имеют общие свойства, полученные благодаря форме лопастей и их расположению на роторе: а) общая поверхность двух диаметрально противоположно расположенных лопастей представляет собой незамкнутую поверхность ленты Мебиуса; б) совокупность лопастей образует осесимметричную фигуру, а ометаемая лопастями вентилятора поверхность образует фигуру в виде тела вращения, сжатую вдоль оси вентилятора. Заявляемое изобретение обеспечивает создание более усиленного по сравнению с аналогами потока воздуха в радиальном и центральном (осевом) направлениях одновременно. Его целесообразно использовать с радиатором круглой или прямоугольной формы.
Вентилятор окружен разновысокими ребрами радиатора вдоль оси ротора и радиуса его торцевой части, причем пластинчатые ребра изогнуты по спирали противоположно спиралевидным лопастям в торцевой части вентилятора. На ребрах-стойках радиатора укреплен 3- или 4-лучевой каркас устройства. Также каркас может быть выполнен в виде отдельного модуля из двух 3- или 4-лучевых крестовин, соединенных между собой стойками с образованием рамочной конструкции. На одной крестовине закреплены плата схемы управления устройством и вентилятор, а вторая крестовина вместе со стойками выполнена по форме в соответствии с разновысокими ребрами радиатора.
Устройство теплоотвода от электронных приборов содержит каркас 1, на котором закреплен электродвигатель 2 вентилятора 3. На вращающейся оси 4 электродвигателя 2 установлен стаканообразный ротор 5, снабженный лопастями 6. Особенности закрепления лопастей 6 на роторе определяют варианты исполнения вентилятора устройства.
1 вариант
Лопасти представляют собой спиралевидные поверхности. Каждая лопасть 6 сопряжена своей внутренней боковой кромкой с цилиндрической поверхностью 7 стаканообразного ротора 5 и с его торцевой частью 8, при этом лопасти 6 своими торцевыми кромками сопряжены по линии оси ротора 5. Угол атаки лопастей на торцевой части 8 ротора 5 составляет 90 градусов. При стаканообразном роторе 5 боковая внутренняя кромка лопасти 6, сопряженная с ротором 5, имеет Г-образную форму, а вся лопасть 6 может быть топологически описана как Г-образный элемент конической поверхности. Спиралевидная поверхность каждой лопасти 6 позволяет расположить их на роторе 5 так, что начальный участок 9 каждой лопасти на цилиндрической части 7 ротора имеет угол атаки до 30 градусов. По отношению друг к другу поверхности начальных и оконечных участков каждой лопасти 6 развернуты на угол, близкий 90 градусам. Такое положение лопасти 6 на торцевой части 8 ротора 5 обеспечивает создание мощного потока воздуха радиального направления от оси ротора 5.
Общая поверхность, например, 10 и 11 двух лопастей 6, расположенных на роторе 5 диаметрально противоположно, представляет собой незамкнутую поверхность ленты Мебиуса (фиг.2, 5). Эффективность теплоотвода обеспечивается, по крайней мере, при наличии двух лопастей 6 на роторе 5 (одной ленты Мебиуса) и увеличивается при выполнении ротора 5 с тремя и более лопастями 6. Рационально исполнение вентилятора во всех вариантах, при котором лопасти образуют осесимметричную фигуру, что подразумевает размещение не менее двух лопастей с обеспечением их статической и динамической балансировки. Упрощается технология и конструкция устройства в части изготовления вентилятора. Вентилятор с описанными лопастями-полувитками ленты Мебиуса обеспечивает увеличение скорости потока воздуха в центре радиатора не менее чем в 2,5 раза, что позволяет оптимизировать или значительно уменьшить габариты вентилятора. При оптимальном соотношении размеров ротора 5 и лопастей 6 поверхность, ометаемая лопастями вентилятора, образует, преимущественно, овальную фигуру в виде эллипсоида вращения, сжатую вдоль оси вентилятора.
Вентилятор 3 окружен разновысокими ребрами 12 радиатора 13 по всей поверхности, ометаемой его лопастями 6. Оребрение малой высоты выполнено на самой теплопередающей поверхности 14, а наибольший размер имеют периферийные ребра 12, параллельные оси вентилятора. Ребра прямоугольного радиатора (фиг.2) образованы продольными и поперечными прорезями 15. Исполнение радиатора 13, например, с пластинчатыми ребрами 16, изогнутыми по спирали (фиг.3) противоположно спиралевидным лопастям 6 в торцевой части ротора 5, целесообразно для целей лучшего теплооотвода. Торцевая часть 8 ротора 5 обращена внутрь радиатора 13 к теплопередающей поверхности 14. Эффективность теплопередачи обеспечивается тем, что в центральной высокотемпературной зоне осуществляется наибольший теплоотвод ввиду создания сфокусированного осевого потока воздуха вентилятором 3.
Часть ребер 16 радиатора 13, например угловые удлиненные ребра прямоугольного радиатора 13, являются стойками 17 и элементами крепления каркаса 1, выполненного 3- или 4-лучевым (соответственно позиции 18, фиг.4, и 19, фиг.2, 5). Крепление по трем точкам обеспечивает большую устойчивость каркаса с вентилятором; 4-лучевой крестообразный каркас более технологичен при наличии прямоугольного радиатора. На каркасе 1 также предусмотрены средства закрепления платы 20 (фиг.1, 6) схемы управления работой заявляемого устройства теплоотвода.
2 вариант
Вентилятор устройства теплоотвода от электронных приборов по второму варианту (фиг.4, 6) отличается от первого варианта закреплением на роторе 5 вентилятора 3 лопастей 6, имеющих спиралевидную поверхность с топологией элементов конической поверхности. Каждая лопасть 6 выполнена саблевидной с прямой саблевидностью на цилиндрическом участке ротора, плавно переходящей в обратную саблевидность на торцевом участке ротора, и закреплена кромкой прямой саблевидности на цилиндрической поверхности ротора 5 (фиг.6) с обеспечением угла атаки до 30 градусов, а все лопасти 6 сопряжены между собой торцевыми кромками по оси торцевой поверхности ротора 5 или непосредственно друг с другом, или посредством оси 4.
Начальный участок 9 лопасти на цилиндрической части 7 ротора 5 имеет прямую саблевидность, при которой передняя кромка 21 лопасти 6 отогнута назад по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения, и плавно переходит в оконечный участок обратной саблевидности на торце ротора 5, при которой передняя кромка 21 лопасти 6 отогнута вперед по отношению к направлению вращения и по отношению к плоскости вращения. Угол атаки лопасти 6 на торцевом участке ротора 5 составляет 90 градусов, и по отношению друг к другу поверхности начальных и оконечных участков каждой лопасти 6 развернуты на угол, близкий 90 градусам.
3 вариант
В вентиляторе устройства теплоотвода от электронных приборов по третьему варианту (фиг.5) лопасти 6 представляют собой спиралевидные отрезки многозаходного шнека. На цилиндрической части ротора 5 каждая лопасть 6 расположена так, что ее начальный участок 23 имеет малый угол атаки не более 10 градусов. На торцевой части 8, обращенной к теплоотводящей поверхности радиатора, лопасти 6 расположены без сопряжения между собой с увеличением угла атаки 90 градусов на оконечном участке 24. Как и в других вариантах, совокупность лопастей шнека образует осесимметричную фигуру, а ометаемая лопастями поверхность образует, преимущественно, цилиндрическую фигуру, сжатую вдоль оси вентилятора.
Вентилятор по всем вариантам может использоваться как с радиатором 13, так и без него. Возможность использования без радиатора обеспечивается, с одной стороны, тем, что вентилятор 3 по всем вариантам создает направленный высокоскоростной поток воздуха, достаточный для охлаждения нагретых поверхностей электронных приборов. С другой стороны, каркас 1 устройства теплоотвода, содержащий элементы, аналогичные ребрам радиатора 13, адаптирован для его закрепления как на радиаторе в виде вставки, так и на другой опорной поверхности электронной аппаратуры.
Каркас 1 выполнен в виде отдельного модуля из двух 3- или 4-лучевых крестовин (на фиг.4 и 6 показан 3-лучевой каркас, на фиг.2 и 5 - 4-лучевой каркас). Крестовины каркаса соединены между собой стойками с образованием рамочной конструкции. На одной из крестовин закреплены плата 20 схемы управления устройством и вентилятор 3. Часть рамочной конструкции, состоящая из второй крестовины и стоек, выполнена по форме и пространственному положению в полном соответствии с разновысокими ребрами 12 радиатора 13. На фиг.4 модуль показан как вставка радиатора 13. Такой каркас 1 с вентилятором и платой 20 может быть применен как вставка радиатора 13, либо установлен самостоятельно на другой опорной поверхности электронной аппаратуры.
В режиме наддува лопасти 6 перераспределяют кольцевую струю воздуха с периферии ребер радиатора 13 к оси торцевой части 8 радиатора и всего устройства за счет аэродинамического воздействия сходящихся спиралевидных лопастей торцевой части ротора. Попадая в прорези между основаниями ребер радиатора, внутренняя часть струи эффективно охлаждает центральную часть радиатора 13, а затем выходит наружу вместе с внешней кольцевой струей подогретого воздуха. При этом обратная ориентация спиралевидных прорезей относительно лопастей 6 торцевой части 8 ротора способствует эффективному торможению тангенциальной компоненты воздушного потока и его выталкиванию в радиальном направлении за пределы радиатора 13. Малый угол атаки в начальной части вентилятора 3 и его постепенное увеличение до 90 градусов в торцевой части 8 ротора 5 по его оси приводит к плавному ускорению воздушного потока с малым градиентом давления и соответственно с малыми сопутствующими шумами.
В режиме вытяжной вентиляции воздуха при обратном вращении ротора 5 электродвигателя воздух последовательно перемещается односторонней лентой Мебиуса с переменным углом атаки при ее вращении. Из центральной части радиатора 13 теплый воздух отводится лопастями 6 торцевой части 8 ротора 5 и отбрасывается центробежными силами на осевые участки лопастей 6 цилиндрической части 7 ротора 5, которые отводят поток подогретого воздуха за пределы каркаса устройства.
Предлагаемое устройство при уменьшенном осевом размере более эффективно охлаждает центральную часть радиатора 13 при более низком уровне шума и существенном упрощении конструкции всего устройства. Лопасти 6, сопряженные на торцевой части 8 ротора 5 с расположением поверхности лопастей 6 по оси вентилятора, обеспечивают не только скоростной малошумящий поток воздуха, но и значительно увеличивают прочность и надежность конструкции.