Устройство для охлаждения изделий микроэлектроники

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение устройства для охлаждения изделий микроэлектроники относится к отрасли электротехники и может применяться в быстродействующих устройствах информационных систем для охлаждения изделий микроэлектроники внутри серверов путем схемного решения управления воздушными потоками с размещением нескольких видеокарт внутри одного металлического корпуса и с разделением потоков горячего и холодного коридоров.
Современные системы изоляции горячего и холодного воздуха типа HACS (Hot Aisle Containment System) или CACS (Cold Aisle Containment System) предназначены для повышения эффективности традиционных систем охлаждения в электронике. В системе центра обработки данных (ЦОД) используется размещение стоек с оборудованием, обратная сторона которых, выдувающая горячий воздух - изолирована от стороны, на которую подается холодный. Как правило, система типа HACS используется в больших специально построенных центрах обработки данных типа крупных компьютерных залов и требует разработки специальных в каждом конкретном случае крупных готовых воздушных вентиляционных каналов. В ряде случаев это могут быть специально построенные здания, в которых размещены охлаждающие системы, эффективно работающие с большими объемами воздушных масс, материалоёмкие и энергоёмкие.
При использовании компактных электронных компонентов задача разработки системы охлаждения решается другими путями. Изолирование горячего коридора и отвод горячего воздуха является первоочередной задачей для системы электронных устройств.
Известно техническое решение устройства кондиционирования для охлаждения воздуха в шкафу для электронных устройств по патенту РФ на изобретение № 2515530 от 19.09.2011г., МПК: G12B 15/00; H05K 7/20; G06F 1/20, опубликованному 27.03.2013 г. Устройство кондиционирования содержит корпус с первой стороной и второй стороной, противоположной первой стороне, устройство для подачи воздуха и теплообменник, при этом устройство для подачи воздуха всасывает воздух с первой стороны, направляет его через теплообменник ко второй стороне и выпускает воздух в радиальном направлении со второй стороны, и при этом теплообменник соединен с внешним охлаждающим устройством или с внутренним охлаждающим устройством для подвода в теплообменник охлажденной охлаждающей среды, причем устройство для подачи воздуха выполнено в виде радиального вентилятора, который выходит наружу из второй стороны устройства кондиционирования и расположен с возможностью вывода осевого потока воздуха, поступающего в устройство кондиционирования, в радиальном направлении параллельно граничной поверхности второй стороны. Как указано в описании аналога, в одном предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство кондиционирования содержит на второй стороне выступающую раму, в которой установлено устройство для подачи воздуха. В одном из вариантов выполнения аналога показано, что устройство кондиционирования согласно изобретению предпочтительно выполнено с возможностью его установки между шкафами для электронных устройств или рядом с ними, при этом передняя выпускная область с боковыми отверстиями явно удалена в пространстве от передней части шкафов для электронных устройств, поэтому воздух, выходящий через отверстия в решетке, может проходить вдоль передней части шкафов для электронных устройств и прилипать к ней. Данный аналог является автономной конструкцией устройства кондиционирования, однако предназначение аналога по патенту РФ № 2515530 существенно отличается от заявляемого технического решения. В данном аналоге разработана система типа HACS, которая используется для больших компьютерных залов. Тем не менее, общие принципы построения системы кондиционирования для охлаждения воздуха в шкафу для электронных устройств во многом аналогичны заявляемой полезной модели.
Общими признаками аналога по патенту РФ № 2515530 и заявляемого технического решения являются наличие корпуса, устройства для подачи воздуха и вентилятора.
Однако применение технического решения-аналога по патенту РФ № 2515530 влечет за собой сложность и длительность процесса кондиционирования. Усложняют установку-аналог замена многочисленные дополнительные элементы устройства. Так, теплообменник аналога содержит несколько индивидуально управляемых сегментов, расположенных на различной высоте, а также по меньшей мере один трубопровод, соединяющий теплообменник с центральным охлаждающим устройством. Усложняет аналог также допущенная возможность регулирования объемного потока воздуха, создаваемого устройством для подачи воздуха, причем это регулирование может быть индивидуальным для каждого устройства для подачи воздуха, причем измеренные температуры специальными температурными датчиками используется для индивидуального регулирования объемных потоков воздуха и/или сегментов теплообменника.
В отличие от аналога по патенту РФ № 2515530, заявляемая полезная модель более компактна и предназначена для охлаждения изделий микроэлектроники при размещении нескольких видеокарт внутри одного металлического корпуса с разделением потоков горячего и холодного коридоров, а вентиляторы расположены в стенке корпуса, из которого забирается горячий воздух, сгенерированный при работе, а не радиально, как в аналоге. Эти факторы ведут к упрощению и удешевлению процесса охлаждения.
Известно техническое решение корпуса для вычислительного устройства произвольной формы по патенту Украины на полезную модель № 125662 (ПРОТОТИП) от 11.08.2017г., МПК: G06F 1/20; H05K 7/20, опубликованному 25.05.2018г. Устройство-прототип представляет собой корпус с вентиляционными отверстиями для забирания наружного холодного воздуха и удаления нагретого воздуха из корпуса, в котором находится как минимум одно вычислительное устройство, которое имеет несколько отсеков, по меньшей мере два из которых являются смежными или соединенными между собой воздуховодом, которые соединены с внешним пространством, или со вторыми отсеками, которые в свою очередь соединены с внешним пространством вентиляционными отверстиями или воздуховодами произвольной формы и размера. Охлаждаемое вычислительное устройство устанавливается на границе этих двух отсеков таким образом, что поток холодного воздуха  извне, двигаясь за счет конвекционного движения теплоносителя и за счет движителей воздуха, которые установлены на вычислительном устройстве, из одного отсека через вентиляционное отверстие попадает на нагревательный элемент вычислительного устройства, нагревается и нагретый после этого воздух попадает во второй отсек, из которого сквозь вентиляционное отверстие выводится наружу.
Устройство-прототип наиболее близко к заявляемому техническому решению.
Общими признаками по патенту Украины на полезную модель № 125662 и заявляемого технического решения являются наличие корпуса, а также системы для подачи воздуха и специальных движителей воздуха.
Недостатком является то, что в техническом решении прототипа нет возможности размещения в едином корпусе систем управления, хранения, обработки и обмена данными и электропитания, предназначенных для эффективной работы вычислительных устройств (видеокарт).
Отличием от прототипа является то, что в заявляемом устройстве пространство камеры корпуса само по себе выполняет роль вентиляционной трубы и поэтому не требует дополнительной системы вентиляции на подачу холодного воздуха. Корпус в заявляемом решении представляет собой устройство с разделением потоков холодного и горячего коридора и во внутреннем пространстве корпуса есть возможность установки систем электропитания, управления, контроля, хранения, обработки и обмена данными.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является предотвращение неудобства эксплуатации устройства. Заявляемая полезная модель разработана для того, чтобы решить вышеуказанную проблему и повысить эффективность охлаждения, увеличить бесперебойность работы.
Цель разработки заявляемого технического решения - расширение функциональных возможностей применения устройства для охлаждения изделий микроэлектроники, в частности, возможности применения в условиях небольших помещений с исключением размещения сопутствующих дополнительных установок.
Техническая задача заявляемой полезной модели заключается в создании такого устройства, которое удобно в эксплуатации, обладает малой энерго- и материалоемкостью и имеет технически оправданные относительно небольшие габариты в условиях необходимости размещения нескольких видеокарт внутри корпуса.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности и надежности, а также удобства размещения всех компонентов прибора в едином корпусе. Технический результат достигается тем, что устройство включает все необходимые для осуществления охлаждения элементы.
В результате применения заявленного технического решения происходит снижение температуры нагревания чипа процессора и оперативной памяти каждой видеокарты, а также цепей питания на 10-15 градусов Цельсия. Тем самым повышается стабильность работы оборудования по сравнению с работой штатных систем охлаждения. Такое охлаждение положительно влияет на продолжительность работы видеокарт и других электронных компонентов, повышая продолжительность их работы за счет более лучшего охлаждения, чем в известных системах.
В заявляемом техническом решении задача повышения удобства эксплуатации решается не с помощью воздуховодов, как в прототипе, а применением другого принципа охлаждения. Обычно в серверах используется продольное размещение видеокарт в корпусе, не изолированных друг от друга. В заявляемом решении видеокарты располагаются горизонтально и их собственные вентиляторы направлены внутрь короба, из которого забирается горячий воздух, сгенерированный при их работе, либо воздух, наоборот, выталкивается наружу через радиаторы этих видеокарт, тем самым также охлаждая их.
В зависимости от расположения корпусных вентиляторов, работа устройства и функциональное назначение пространства камеры корпуса меняется следующим образом: при работе расположении корпусных вентиляторов в боковой стенке корпуса они работают на выдув, в пространстве внутренней камеры корпуса собирается горячий воздух от нагревающихся элементов изделий микроэлектроники и удаляется в атмосферу; при расположении корпусных вентиляторов внутри корпуса с боковой стороны совокупности видеокарт они работают на вдув, в камеру подается холодный воздух, который нагревается, проходя через нагревающиеся элементы изделий микроэлектроники, и удаляется из карт пассивным образом.
В процессе решения технической задачи за счет простоты монтажа и эксплуатации заявляемого устройства одновременно решается сразу нескольких дополнительных утилитарных задач:
с помощью разворота корпусных вентиляторов охлаждение может происходить как при выдуве воздуха из корпуса, так и развернув вентиляторы, можно продувать видеокарты напором воздуха, причем напор воздуха проходит через радиатор, находящийся за вентилятором видеокарт;
достижение возможности энергосбережения за счет регулирования вращения скорости вентиляторов в зависимости от температуры окружающей среды;
собственные вентиляторы на видеокартах могут не использоваться при благоприятных температурных условиях при работе корпусных вентиляторов на вдув, и принудительно отключаются при работе корпусных вентиляторов на выдув, что также создает возможности энергосбережения.
Такие технические результаты в прототипе не достигнуты. Перечисленные дополнительные технические задачи решаются с помощью применения удобных в применении, удешевленных в производстве деталей заявляемого устройства.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что устройство для охлаждения изделий микроэлектроники включает корпус, устройства подачи воздуха и движители воздуха, причем корпус выполнен прямоугольным с разделением потоков холодного и горячего коридора, посредством внутреннего пространства камеры корпуса для сбора горячего воздуха от нагревающихся элементов изделий микроэлектроники и  движителей воздуха в виде корпусных вентиляторов, встроенных в боковую стенку корпуса при работе на выдув, и подачи холодного воздуха извне в пространство камеры с помощью корпусных вентиляторов, встроенных внутрь корпуса в его центральной части при работе на вдув, причем в корпусе размещены материнская плата с процессором, устройство накопления и обработки данных, блоки  питания и разводка проводов к видеокартам, причем видеокарты располагаются горизонтально и их собственные вентиляторы направлены внутрь пространства камеры корпуса для сбора горячего воздуха/подачи холодного воздуха в зависимости от места установки корпусных вентиляторов, при этом в корпусе дополнительно размещено устройство регулирования потока воздуха на вентиляторах, размещенных в боковой стенке корпуса, в зависимости от температуры окружающей среды. В корпусе в зависимости от числа видеокарт установлены корпусные вентиляторы, на каждую пару видеокарт по одному вентилятору. Например, в случае четырех, шести или восьми видеокарт, будут установлены два, три или четыре, соответственно, корпусных вентилятора.
Применение вышеуказанной комплектации корпуса с размещенными в нем микроэлектронными приборами и устройствами вентиляции дает возможность облегчить и ускорить процесс охлаждения, а также улучшить характеристики охлаждаемых устройств и увеличить длительность их бесперебойной работы. Преимуществом заявляемого технического решения является универсальность комплектации корпуса, возможность размещения необходимого количества видеокарт при сохранении стабильности работы, а также возможность регулировки вентиляции входящих в устройство электронных компонентов в соответствии с конкретной решаемой задачей.
Корпус для вычислительного устройства прямоугольной формы, со специальным отсеком (камерой) для сбора горячего воздуха, поступающего в камеру от нагревающихся элементов вычислительных устройств (четырех, шести или восьми видеокарт) и удаления этого горячего воздуха с помощью корпусных вентиляторов при их расположении на боковой стенке и работе на выдув (два, три или четыре соответственно числу видеокарт). Корпус для вычислительного устройства прямоугольной формы, со специальным отсеком (камерой) для подачи холодного воздуха, поступающего в камеру извне от корпусных вентиляторов, расположенных в центральной стенке и работающих на вдув, проходящего через нагревающиеся элементы вычислительных устройств (четырех, шести или восьми видеокарт) и удаления горячего воздуха пассивным образом.
Вычислительные устройства (видеокарты) расположены в два ряда друг к другу и находятся на границе между холодным и горячим коридорами. В заявляемом корпусе при работе корпусных вентиляторов на выдув применяется система изоляции горячего коридора HACS (Hot Aisle Containment System), применяемая при построении ЦОД, когда изолируется горячий коридор, а все остальное пространство служит для подачи холодного воздуха, причем корпус не требует установки дополнительных систем вентиляции. При работе корпусных вентиляторов на вдув применяется система изоляции холодного коридора СACS (Cold Aisle Containment System), применяемая при построении ЦОД, когда изолируется холодный коридор, а все остальное пространство является большим вентиляционным каналом горячего воздуха, причем в таком варианте корпус также не требует установки дополнительных систем вентиляции.
Таким образом, достигается снижение температуры нагревания чипа процессора видеокарты, оперативной памяти видеокарты, цепей питания на 10-15°С. Тем самым повышается стабильность работы оборудования по сравнению с работой штатных систем охлаждения.
Заявляемое техническое решение проиллюстрировано чертежами:
Фиг. 1. Конструкция устройства для охлаждения изделий микроэлектроники на выдув в двух проекциях при расположении корпусных вентиляторов в боковой стенке корпуса, где:
1 - видеокарта;
2 - вентилятор;
3 - блок питания;
4 - камера горячего коридора.
Фиг. 2. Схема прохождения воздушных потоков в корпусе на выдув, в двух проекциях.
Фиг. 3. Конструкция устройства для охлаждения изделий микроэлектроники на вдув в двух проекциях при расположении корпусных вентиляторов внутри корпуса с боковой стороны совокупности видеокарт, где:
1 - видеокарта;
2 - вентилятор;
3 - блок питания;
4 - камера горячего коридора.
Фиг. 4 - Схема прохождения воздушных потоков в корпусе на вдув, в двух проекциях.
На чертежах фиг. 1-2 для удобства иллюстрации показан вариант без закрывающих крышек корпуса.
Конструкция устройства для охлаждения изделий микроэлектроники (фиг.1) состоит из тела корпуса, в котором расположены: вентиляторы 2, откачивающие или подающие воздух;  видеокарты 1, расположенные собственными вентиляторами каждой видеокарты вниз в приемное устройство - корпус; материнская плата с процессором на ней; блок питания 3; разводка проводов к видеокартам 1. Также в этом корпусе дополнительно находится устройство сбора и обрабоки данных, а также устройство, которое в зависимости от температуры окружающей среды способно регулировать поток воздуха на вентиляторах, вследствие чего каждый вентилятор может крутиться как медленно, так и на максимальной скорости вращения.
Схема прохождения воздушных потоков в корпусе, в двух проекциях показана на эскизах фиг.2 и 4, при работе соответственно, на выдув и на вдув воздуха. Схемы фиг. 2 и 4 иллюстрируют работу устройства в динамике в отношении расположения горячего и холодного коридоров при работе на выдув и на вдув. Пространство горячего коридора 4 показано на схемах фиг. 2 и 4 красными стрелками, холодный коридор обозначен синими стрелками.
Работа устройства в динамике описана для случая работы на выдув.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Внутри корпуса на площадках лежат видеокарты 1, охлаждение достигается тем, что вентиляторы 2 вытягивают от них воздух. Воздух из окружающей среды попадает вовнутрь корпуса сквозь ребра и технологические отверстия в видеокартах, охлаждает собой эти видеокарты 1 потоком воздуха, который создают вентиляторы 2. Собственные вентиляторы на видеокартах в данном случае принудительно отключаются, их в некоторых случаях вообще снимают, что является еще одним преимуществом заявляемого размещения устройства. Поскольку в этом же корпусе может находиться устройство (на чертеже не показано), которое в зависимости от температуры окружающей среды регулирует поток воздуха на вентиляторах 2, встроенных в стенку корпуса, каждый вентилятор 2 может крутиться как медленно, так и на максимальной скорости вращения. Причем в этом случае регуляция вращения вентиляторов 2 зависит не только от температуры окружающего воздуха, но также от температуры самих видеокарт 1 - если они сильнее греются, поток воздуха подают сильнее.
По сравнению с известными, заявляемая конструкция устройства для охлаждения изделий микроэлектроники обладает универсальностью. Область применения заявляемой конструкции за счет компактности и простоты как изготовления, так и эксплуатации, значительно шире, чем у известных аналогов. Заявляемая конструкция позволяет комплексно решать вопросы охлаждения изделий микроэлектроники.
Возможность многократного воспроизведения заявляемой конструкции проистекает из способа ее промышленной комплектации, что позволяет воспроизводить заявляемое устройство для охлаждения изделий микроэлектроники в промышленных масштабах.
Подобное сочетание универсальности, достижения возможности многократного воспроизведения с относительной простотой изготовления в прототипе не достигнуто.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение соответствует критериям «новизна» и «промышленная применимость».