УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОЦЕССОРА

Предлагаемая полезная модель относится к средствам для обеспечения требуемых тепловых режимов работы элементов радиоэлектронной аппаратуры, в частности, процессоров с высоким тепловыделением.
Из уровня техники известны следующие способы охлаждения процессоров.
Первый, наиболее широко распространенный, при котором тепло с горячего процессора передается радиатору, а с последнего непосредственно снимается хладагентом либо конвективно (чаще воздухом, реже-водой), либо кондуктивно, т.е. контактом с холодным твердым телом.
Второй, крайне мало применяемый, при котором между процессором и радиатором устанавливается термоэлектрический модуль (ТЭМ) Пельтье, включением которого в электрическую сеть, тепло с процессора снимается холодной стороной ТЭМ и передается его горячей стороной - радиатору, а далее с радиатора - аналогично первому способу.
Недостатком указанных способов является отсутствие термостабилизации процессора на приемлемом уровне температур, что обусловлено следующим. В процессе работы, в зависимости от решаемых задач и их программной реализации, энергопотребление процессоров (и тепловыделение) сильно изменяются. Но проектирование системы охлаждения ведется исходя из максимального тепловыделения. Особо важным это становится для многоядерных процессоров. Поскольку эффективность систем охлаждения в значительной степени определяется температурой хладагента (чаще воздуха), то иметь ее ниже +24-х градусов не рекомендуется, а ниже +20-ти - запрещено. Тому причина - образование росы в устройствах ЭВА. Следствием образования росы являются так называемые перемежающиеся неисправности, которые крайне трудно отыскать. Следует отметить, что во втором способе улучшается теплосъем при повышенном тепловыделении процессора, но при малом - возрастает опасность возникновения росы, т.к. с включением в работу ТЭМ начинается резкое охлаждение еще холодного процессора.
Термостабилизацию процессора при определенной температуре решают путем установки между элементами радиоэлектронной аппаратуры и ТЭМ контейнеров с рабочим веществом.
В качестве примеров таких устройств можно привести технические решения, описанные в следующих источниках информации: М.П.Ленюк, Применение методов и средств моделирования, ISSN0204-3572. Электронное моделирование, 2010, Т.32, №3, патенты на изобретения РФ №2180161, опубл. 2002 г, №2214701, опубл. 2003 г, №2334380, опубл. 2008 г., №2334381, опубл. 2008 г., №235102, опубл. 2008 г., №2366129, опубл. 2009 г., №2214702, опубл. 2003 г.
В качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения можно принять устройство для охлаждения процессора, содержащее контейнер с плавящимся веществом, например, парафином, находящийся в контакте с одной стороны с процессором, а с другой - с холодной стороной ТЭМ, а также средство для охлаждения ТЭМ (см. статью М.П.Ленюка «Математическая модель полупроводникового термоэлектрического устройства для охлаждения компьютерного процессора» Применение методов и средств моделирования, ISSN0204-3572. Электронное моделирование, 2010, Т.32, №3, с.53-56, рис.1).
В известном устройстве используемое плавящееся вещество имеет низкую теплоту плавления, и его температура в процессе работы не остается постоянной, а колеблется относительно температуры плавления в некотором диапазоне, что отрицательно сказывается на термостабилизации процессора.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности термостабилизации процессора.
Поставленная задача решается тем, что устройство для охлаждения процессора содержит контейнер с плавящимся веществом, предназначенный для контакта с одной стороны с процессором, а с другой стороны имеющий радиатор, и средство для охлаждения, отличающееся тем, что в качестве плавящегося вещества использован теплоаккумулирующий материал (ТАМ) с теплотой плавления больше 200 Дж/г, а средство для охлаждения расположено со стороны радиатора.
3
Применение теплоаккумулирующих материалов (ТАМ) с теплотой плавления больше 200 Дж/см позволяет стабильно поддерживать температуру процессора на требуемом уровне, который задается путем подбора ТАМ с необходимой температурой плавления и тем самым избежать выпадения «росы».
К теплоаккумулирующим материалам (ТАМ) принято относить материалы с фазовым переходом первого рода, поглощающие при плавлении большое количество тепла, сохраняя постоянной температуру плавления. Обратный процесс затвердевания без гистерезиса происходит с выделением тепла. Этим обеспечивается термостабилизация и повышается надежность процесса охлаждения. Данные материалы широко известны, доступны и применяются в строительстве и ж/д транспорте. Особенно широко применяются ТАМ на основе неорганических соединений - кристаллогидратов. Они входят в состав тепловых аккумуляторов, незаменимых для холодного запуска зимой двигателей автомобилей, тракторов, маневровых тепловозов, при этом существенно экономят топливо.
В предложенном устройстве теплоаккумулирующий материал представляет собой кристаллогидрат соли неорганической кислоты с температурой плавления от 32 до 42ºС.
При этом средство для охлаждения представляет собой вентилятор.
Кроме того, контейнер с ТАМ может быть снабжен источником и приемником светового излучения, установленными с возможностью передачи оптического сигнала через ТАМ и передачи сигнала на включение или выключение средства для охлаждения, например, вентилятора при изменении интенсивности оптического сигнала при смене фазового состояния ТАМ.
Указанное выполнение обеспечивает термостабилизацию процессора путем включения и выключения вентилятора, которое происходит вследствие смены фазовых состояния ТАМа, имеющего свою собственную температуру плавления.
Сущность полезной модели поясняется с помощью фиг.1, на котором изображена схема предлагаемого устройства.
В таблице приведена характеристика некоторых кристаллогидратов, используемых в качестве ТАМ.
Предлагаемое устройство содержит контейнер 1 с ТАМ, который с одной стороны плотно прижат к процессору 2, а с другой взаимодействует со средством охлаждения, в качестве которого может быть использован вентилятор 3, устанавливаемый около задней стенки контейнера 1. Для интенсификации процесса отвода тепла от контейнера 1 последний имеет на задней стенке перед вентилятором 3 радиатор 4 с теплопроводящими ребрами.
Контейнер 1 снабжен источником и приемником светового излучения - светодиодом 5 и фотодиодом 6, установленными с возможностью передачи оптического сигнала от светодиода 5 к фотодиоду 6 через ТАМ. При смене фазового состояния ТАМ происходит передача сигнала на включение или выключение вентилятора 3.
В контейнере 1 выполнены два ряда закрепленных на его противоположных стенках теплопроводящих ребер 7. Ребра 7 одного ряда входят в зазоры между ребрами 7 другого ряда. В ребрах 7 выполнены отверстия по оптической оси, проходящей от светодиода 5 к фотодиоду 6.
Ниже приведен пример работы устройства.
3
2
2
В качестве ТАМа выбрана кальциевая селитра Са(NО)·4НО, с температурой плавления 40ºС (согласно таблице ТАМ-40). Таким образом, температура как процессора 2, так и радиатора 4 будет поддерживаться на уровне 40ºС. Мощность процессора составляет 10 Вт.
3
Включение и работа процессора 2 проходят при нормальной температуре помещения (+20ºС). Изготовленный из меди контейнер 2 практически без потерь передает тепло кристаллогидрату ТАМ-40. С момента включения процессора начинается разогрев ТАМ до 40ºС, а далее начинается его плавление при этой температуре. Например, при объеме ТАМ-40 равном 150 см на процесс плавления затрачивается энергии в 123,3 кДж. При средней тепловой мощности процессора 10 Вт процесс расплавления займет почти 3,5 часа. Смена фазового состояния с твердого на жидкое (и обратно), т.е. процесс расплавление - затвердевание, а также смена при этом непрозрачности на прозрачность (и обратно) позволяет использовать на просвет пару светодиод 5 - фотодиод 6 для управления началом и окончанием процесса затвердевания и расплавления. Световой луч от светодиода 5 к фотодиоду 6 проходит внутри контейнера 1 через соосные отверстия в теплопроводящих ребрах 7. Световая фиксация прозрачности ТАМ-40 означает завершение плавления, и дает команду на включение вентилятора 3, вследствие чего начинается интенсивное охлаждение радиатора 4 воздухом, имеющим температуру окружающей среды, и начинается процесс затвердевания ТАМ. Далее процессы повторяются с определенной цикличностью, при этом температура контейнера 1 с ТАМ-40 сохраняется постоянной, равной 40ºС. Следует отметить, что в работе процессора 1 его мощность может изменяться, поэтому строгой цикличности в процессах включения-выключения вентилятора 3 нет.
Предлагаемое устройство компактно и просто в изготовлении и может особенно эффективно использоваться для термостабилизации процессоров «домашних» ПК с небольшой мощностью.
Таблица.
Характеристики кристаллогидратов и солей - теплоаккумулирующих материалов (ТАМ)
№
Химическое название кристаллогидрата
Химическая формула кристаллогидрата
Плотность г/см<sup>3</sup>
Температура плавления ºC
Теплота плавления
Условное название
Дж/г
Дж/см<sup>3</sup>
1
Натрия сульфат
Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>·10H<sub>2</sub>O
1,554
32
251,4
390,7
ТАМ-32
2
Натрия карбонат
Nа<sub>2</sub>СО<sub>3</sub>·10H<sub>2</sub>О
1,442
32-36
247,6
357
ТАМ-34
3
Натрий фосфорнокислый
Na<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub>·12H<sub>2</sub>O
1,45
35,2
279,6
405,4
ТАМ-35
4
Кальций азотнокислый
Ca(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·4H<sub>2</sub>O
1,826
39-42
450
822
ТАМ-40
5
Натрия тиосульфат
Na<sub>2</sub>S<sub>2</sub>O<sub>3</sub>·5H<sub>2</sub>O
1,715
48,5
204
350
ТАМ-48
6-1
90%
Ацетат натрия
10%H<sub>2</sub>O
(СН<sub>3</sub>СОO)Nа·3Н<sub>2</sub>O
1,405
52
290
407,5
ТАМ-52
6-2
95%
+5%H<sub>2</sub>O
1,43
58
220
319
ТАМ-58
7
Сегнетовая соль
KNaC<sub>4</sub>H<sub>4</sub>О<sub>6</sub>·4Н<sub>2</sub>О
1,79
70-80
181,4
324,7
ТАМ-75
8
Бария гидроксид
Ba(OH)<sub>2</sub>·8H<sub>2</sub>O
2,18
78
266,7
580
ТАМ-78
9
Галун алюмокалиевый
KAl(SO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>·12H<sub>2</sub>O
1,75
92
254,3
445
ТАМ-92
10
Соль хлорид алюминия
АlСl<sub>3</sub>
2,48
192
2801
6946
ТАМ-192