УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОЦЕССОРА

Устройство относится к вычислительной техники, в частности, к устройствам охлаждения центрального процессора (CPU), видеокарты и т.п.
С ростом вычислительной мощности современные процессоры потребляют все больше и больше энергии. Основная ее часть выделяется в виде тепла. Этот непрерывный тепловой поток можно отбирать только через ограниченную площадь процессорного ядра. Производители стараются бороться с потреблением энергии и тепловыделением переходом на более низкие напряжения питания и технологические нормы. С уменьшением микронных норм производства потребление мощности действительно уменьшается, однако уменьшается и площадь кристалла самого ядра, что в свою очередь, ведет к увеличению плотности теплового потока. И хоть тепла становиться меньше, но снизится ли температура внутри ядра меньшей площади - это уже под вопросом. С увеличением интеграции и уменьшением площади чипа отвод тепла с его поверхности становится все более трудной задачей. Здесь требуются специальные материалы и теплоносители. Неизменный рост тактовых частот предполагает неизбежное увеличение тепловыделения CPU в дальнейшем. Для процессоров с тактовыми частотами, превышающими 2 ГГц, рекомендуются coolers (вентиляторы) с радиаторами из меди, либо хотя бы с медной подошвой на алюминиевом радиаторе.
В случае охлаждения системы жидкостью с использованием радиаторов ситуация коренным образом меняется. Охлаждающая жидкость циркулирует в изолированном пространстве - по гибким трубкам малого диаметра. В отличие от воздушных магистралей, трубкам для жидкости можно задать практически любую конфигурацию и направление. Занимаемый ими объем гораздо меньше, чем воздушные каналы при такой же или гораздо большей эффективности.
Известны устройства жидкостного охлаждения. Наиболее близким к описываемому техническому решению является устройство с использованием тепловых трубок, производимых фирмами Auras (CoolEngine-Т6С) (www.auras.com.tw), Poseidon(WCL-02) (www.3rsystem.co.kr), Thermalright (www.thermalright.com) (прототип), содержащее радиатор, состоящий из медного основания с внутренними
продольными отверстиями, вход и выход которых соединен с тепловыми трубками, и на котором установлены медные ребра. При этом каждое ребро соприкасается с трубкой довольно обширной площадью. Для этого отверстия в ребрах имеют специальные "лепестки", которые плотно охватывают трубку. Что касается основания, то качество его обработки очень хорошее.
Вода или другие подходящие для охлаждения жидкости отличаются хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью. Циркулирующий хладаген обеспечивает гораздо лучший теплоотвод, чем поток воздуха. Это дает не только более низкую температуру охлаждаемых элементов, но и сглаживает резкие перепады температуры работающих в переменных режимах устройств.
Типичный жидкостный радиатор для процессора гораздо меньше любого применяемого на сегодняшний день cooler. Радиатор небольшого теплообменника может быть сравним с размерами крупного процессорного кулера. Трубки не занимают много места внутри корпуса, и им не мешают все те неровности и выступающие элементы, которые критичны для потока воздуха.
Спроектированная определенным образом система жидкостного охлаждения не только превосходит по эффективности воздушный cooler, но и отличается более компактными размерами.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность охлаждения, а также значительный объем медных ребер.
Цель полезной модели - повышение эффективности теплообмена жидкостного радиатора для охлаждения центрального процессора (CPU).
2
3
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее радиатор, состоящий из медного основания с внутренними продольными отверстиями, вход и выход которых соединен с тепловыми трубками, дополнительно введены клапан, выход которого соединен с входом тепловых трубок, теплообменник, выход которого соединен с входом клапана, а выход тепловых трубок - с входом теплообменника, кроме того, в качестве основания радиатора используется подложка из окиси алюминия АlO с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними, также нового конструктивного элемента. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что добавление блоков и конструктивного элемента приводит к решению новой задачи повышения эффективности теплообмена. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг.1 представлен общий вид рассматриваемого устройства, на фиг.2 показана общая блок-схема устройства, а на фиг.3 - строение подложки радиатора.
Устройство включает: подложку радиатора 1, теплообменник 2, клапан 3, «тепловые» трубки 4.
Устройство работает следующим образом.
В данном устройстве используется принцип испарителя, создающего направленное давление для движения охлаждающего вещества, в качестве которого используется специальный хладагент (жидкость с низкой точкой кипения). Все компоненты конструкции соединены между собой гибкими трубками. Сначала, в холодном состоянии радиатор 1 и магистрали заполнены жидкостью. Но когда радиатор процессора нагревается выше определенной температуры, жидкость в нем превращается в пар. При этом сам процесс превращения в пар поглощает дополнительную энергию в виде тепла, а значит, повышает эффективность охлаждения. Горячий пар создает давление и старается покинуть пространство радиатора процессора. Через односторонний клапан 3 пар может выйти только в одну сторону: двигаться в радиатор теплообменника 2. Попадая в радиатор теплообменника 2, пар вытесняет оттуда холодную жидкость в радиатор процессора, а сам остывает и превращается вновь в жидкость. Таким образом, хладагент в чередующихся фазах жидкость-пар постоянно циркулирует по замкнутой системе трубопровода, пока радиатор горячий. Энергией для движения здесь является само тепло, выделяемой охлаждаемым элементом.
2
3
2
В качестве нового конструктивного элемента (подложка радиатора 1) (фиг.3) взят по специально выращенной технологии [1] монокристалл АlО (сапфир) с микроканальными теплообменниками, обладающий высочайшей теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью алмаза. Микроканалы имеют диаметр порядка 50 микрон и образуются армированием выращиваемого кристалла кремнием с последующим его удалением (вытравливанием). Такая подложка позволяет снять до 25 Вт/см тепловой мощности и обладает уникальным сочетанием физико-химических свойств: высокой твердостью, химической инертностью, высокой температурой плавления (2050°С), низким термическим расширением при высоких температурах и высокой стойкостью к термоударам.
Таким образом, предложенная циркуляционная система с использованием специально выращенной подложки с микроканальными теплообменниками значительно повышает эффективность теплообмена для охлаждения центрального процессора.
Источники информации:
1. Проспект института физики твердого тела российской академии наук.