УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОЦЕССОРА
PROCESSOR COOLER

Предлагаемое изобретение 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 плавящимся веществом. Подводимое тепло затрачивается на расплавление плавящегося вещества. Данные материалы широко известны, доступны и применяются в строительстве и ж/д транспорте.
В качестве примеров устройств для охлаждения (термостабилизации) элементов радиоэлектронной аппаратуры с использованием плавящихся веществ 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, и устройство 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).
Недостатком ближайшего аналога является пониженная эффективность работы ТЭМ, связанная с непостоянным перепадом температур между его горячей и холодной сторонами, что отражается на стабильности работы устройства в целом. Кроме того, используемое плавящееся вещество имеет низкую теплоту плавления, и его температура в процессе работы не остается постоянной, а изменяется в некотором диапазоне, что также снижает стабильность охлаждения процессора.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности термостабилизации процессора.
Технический результат заключается в обеспечении постоянной низкой температуры охлаждаемого процессора.
Поставленная задача решается тем, что устройство для охлаждения процессора содержит первый контейнер с плавящимся веществом, предназначенный для контакта с одной стороны с процессором, а с другой стороны - контактирующий с холодной стороной термоэлектрического модуля (ТЭМ), и устройство для охлаждения, причем в отличие от ближайшего аналога плавящееся вещество представляет собой теплоаккумулирующий материал (ТАМ), в контакте с горячей стороной ТЭМ установлен второй контейнер с ТАМ, температура плавления которого выше температуры плавления ТАМ первого контейнера, предназначенного для контакта с процессором, а устройство для охлаждения установлено со стороны радиатора второго контейнера.
Кроме того, первый контейнер с ТАМ, находящийся в контакте с процессором, может быть снабжен источником и приемником светового излучения, установленными с возможностью передачи оптического сигнала через ТАМ и передачи сигнала на включение или выключение ТЭМ при изменении интенсивности оптического сигнала при смене фазового состояния ТАМ.
Кроме того, второй контейнер также может быть снабжен источником и приемником светового излучения, установленными с возможностью передачи оптического сигнала через ТАМ и передачи сигнала на включение или выключение устройства для охлаждения второго контейнера при изменении интенсивности оптического сигнала при смене фазового состояния ТАМ.
В первом варианте выполнения устройства ТАМ в первом контейнере представляет собой кристаллогидрат соли неорганической кислоты с температурой плавления от 32 до 42°С, а ТАМ во втором контейнере - кристаллогидрат соли неорганической кислоты с температурой плавления от 48 до 78°С. При этом в качестве устройства для охлаждения второго контейнера с ТАМ достаточно использовать вентилятор.
Во втором варианте устройства ТАМ в первом контейнере представляет собой кристаллогидрат калия азотнокислого с температурой плавления 39-42°С, а ТАМ во втором контейнере - хлорид алюминия с температурой плавления 192°С, а ТЭМ выполнен сдвоенным с общей средней стенкой. При этом в качестве устройство для охлаждения второго контейнера целесообразно использовать низкотемпературную тепловую трубу.
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. Эти материалы поглощают большое количество тепла при постоянной температуре без гистерезиса, обеспечивая термостабилизацию и повышая надежность процесса охлаждения. Термоэлектрический модуль (ТЭМ) Пельтье вносит свой вклад в термостабилизацию. Действуя как теплонасос, он отбирает тепло от процессора (через ТАМ в первом контейнере) и передает его радиатору (через ТАМ во втором контейнере). Установка ТЭМ между контейнерами с различными ТАМ, улучшает теплосъем с более горячего контейнера, поскольку при равенстве перепада температур между контейнерами и между рабочими сторонами ТЭМ эффективность работы последних максимальна.
Особенно широко применяются ТАМ на основе неорганических соединений - кристаллогидратов солей. Они входят в состав тепловых аккумуляторов, незаменимых при холодном запуске зимой двигателей автомобилей, тракторов, маневровых тепловозов.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей.
На фиг.1 изображена схема варианта выполнения предложенного устройства с традиционным ТЭМ и с вентилятором в разрезе по Б-Б на фиг.2.
На фиг.2 - то же, разрез по А-А на фиг.1.
На фиг.2 - схема варианта выполнения устройства со сдвоенным ТЭМ и с низкотемпературной тепловой трубой.
В таблице приведена характеристика некоторых неорганических солей, преимущественно, кристаллогидратов, используемых в качестве ТАМ (теплота плавления более 200 Дж/г).
Предлагаемое устройство (по варианту, изображенному на фиг.1, 2) содержит первый контейнер 1 с ТАМ 2 (например, ТАМ с температурой плавления 32°С см. таблицу - ТАМ-32), который с одной стороны плотно прижат к процессору 3, а с другой - к холодной стороне ТЭМ 4, горячая сторона которого находится в контакте со вторым контейнером 5 с ТАМ 6 (например, с температурой плавления 92°С см. таблицу - ТАМ-92), температура плавления которого выше температуры плавления ТАМ 2 контейнера 1. Контейнер 1 снабжен источником и приемником светового излучения - светодиодом 7 и фотодиодом 8, установленными с возможностью передачи оптического сигнала от светодиода 7 к фотодиоду 8 через ТАМ 2. При смене фазового состояния ТАМ 2 происходит передача сигнала на включение или выключение ТЭМ 4. Контейнер 5 также снабжен светодиодом 9 и фотодиодом 10, установленными с возможностью передачи оптического сигнала через ТАМ 6 от светодиода 9 к фотодиоду 10. При смене фазового состояния ТАМ 6 происходит передача сигнала на включение или выключение вентилятора 11, установленного около задней стенки контейнера 5. Для улучшения на стенке контейнера 5 между ним и вентилятором 11 установлен радиатор 12.
В каждом из контейнеров 1 и 5 выполнены два ряда закрепленных на его противоположных сторонах (стенках) теплопроводящих ребер 13. Ребра 13 одного ряда входят в зазоры между ребрами 13 другого ряда. В ребрах 13 выполнены отверстия по оптической оси, соединяющие соответствующие светодиод и фотодиод.
Предлагаемое устройство в варианте, показанном на фиг.3, предназначено для охлаждения процессоров с очень большим тепловыделением («суперкомпьютеров»). В первом контейнере 1 находится ТАМ с температурой плавления 40°С - кристаллогидрат натрия карбонат ТАМ-40, во втором контейнере - ТАМ с температурой плавления 192°С - соль хлорид алюминия ТАМ-192 (см. таблицу). Для охлаждения второго контейнера 5 используется низкотемпературная тепловая труба (НТТТ) 15, имеющая ряд теплопроводящих излучающих ребер 16, расположенных между ребрами 14 радиатора 12. Большая разница температур потребовала использования сдвоенного ТЭМ 17 с общей средней стенкой - керамической пластиной.
Работа устройства показана на примере варианта реализации на фиг.1, 2.
3
Включение и работа процессора 3 проходят при нормальной температуре помещения (+20 градусов по Цельсию). Изготовленный из меди контейнер 1 практически без потерь передает тепло кристаллогидрату ТАМ 2 (ТАМ-32). Если условно не учитывать тепло на разогрев меди и ТАМ 2 на 12 градусов при первичном включении, то при мощности процессора в 20 Вт, время полного плавления 140 см сульфата натрия составит более 45-ти минут. Примерно такую среднюю тепловую мощность выделяет 64-х ядерный процессор TILE-Gx64. Все эти 45 минут температура содержимого в контейнере 1 остается равной 32°С, а все тепло уходит на плавление. 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 7-фотодиод 8 для управления началом и окончанием процесса затвердевания и расплавления. Световой луч от светодиода 7 к фотодиоду 8 проходит внутри контейнера 1 через соосные отверстия в теплопроводящих ребрах 13. Световая фиксация прозрачности ТАМ 2 означает завершение плавления и дает команду на включение ТЭМ 4, холодопроизводительность которого должна быть несколько выше тепловой мощности процессора 3. При этом условии ТЭМ 4, действуя как тепловой насос, перекачивает тепло на свою горячую сторону: в ТАМ 2 запускается процесс затвердевания, а в контейнере 5 с ТАМ 6 (ТАМ-92) запускается нагрев последнего до 92°С с последующим переходом в жидкое состояние.
После завершения процесса затвердевания ТАМ 2 выключается ТЭМ 4, при этом температура контейнера 1 с ТАМ 2 сохраняется постоянной, равной 32°С.
В контейнере 5 с ТАМ 6 происходят процессы, аналогичные вышеописанным процессам, происходящим в контейнере 1. С завершением процесса расплавления, посредством аналогичного оптического сигнала включается вентилятор 11 и начинается интенсивное охлаждение радиатора воздухом, имеющим температуру окружающей среды. Цикл начинается заново, при этом температура в контейнере 5 сохраняется постоянной на уровне 92°С.
В работе процессора 3 его мощность может изменяться, поэтому строгой цикличности в процессах включения-выключения как ТЭМ 4, так и вентилятора 11 нет. При этом в каждом из контейнеров 1 и 5 поддерживается своя постоянная температура, равная температуре плавления помещенного в него ТАМ.
Устройство в варианте, изображенном на фиг.3, работает аналогично вышеописанному. Использование в контейнерах ТАМ-40 и ТАМ-192 позволяет реализовать наибольшие возможности аккумулирования тепла. При этом высокая температура плавления ТАМ-192 обеспечивает возможность передачи большого количества тепла излучением.
Ниже приведен упрощенный расчет варианта устройства на фиг.3 для средней тепловой мощности многоядерного процессора в 20 Вт.
У многоядерных процессоров почти равномерное тепловыделение по поверхности кристалла, а соответственно и корпуса. Поэтому тепло передается всей площадью корпуса процессора равномерно, без локальных перегревов.
3
3
Объем ТАМ 2 (ТАМ-40) в первом контейнере 1 составляет ~83 см, и для его плавления требуется 68 кДж тепловой энергии. При среднем тепловыделении процессора 20 Вт полное плавление завершится через 57 минут. Этот момент фиксируется парой светодиод 7-фотодиод 8, и включается сдвоенный ТЭМ 4 с целью отвода тепла на второй контейнер 5. Для передачи 20 Вт тепла от процессора 3 ТЭМ 4 должен произвести, как минимум, столько же холода. С учетом собственного КПД в 60% ТЭМ 4 потребит из сети 32 Вт. Всего 52 Вт мощности необходимы для термостабилизации процессора 3 про 40°С. Объем ТАМ 6 (ТАМ-192) второго контейнера 5 составляет 54 см, на его плавление будет затрачено ~369 кДж тепловой энергии. При мощности 52 Вт плавление ТАМ 6 завершится через 118 минут. Суммарное время стабилизации температуры процессора 3 на уровне 40°С составит 175 минут, т.е. ~3 часа. Данный расчет проведен только для установившегося, стационарного режима, поэтому тепло и время нагрева в интервалах температур от 20 до 40°С для ТАМ 2 и от 20 до 192°С для ТАМ 6 не учтено. С завершением плавления ТАМ 6 должен последовать установившийся режим передачи 52 Вт тепла излучением от ребер 14 радиатора 12 на ребра 16 НТТТ 15, имеющего температуру 20°С.
ТаблицаХарактеристики кристаллогидратов и солей - теплоаккумулирующих материалов (ТАМ)
№
Химическое название кристаллогидрата
Химическая формула кристаллогидрата
Плотностьг/см<sup>3</sup>
Температура плавления °С
Теплота плавления
Условное название
Дж/см<sup>3</sup>
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
Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>·10H<sub>2</sub>O
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%
+ 10% H<sub>2</sub>O
(СН<sub>3</sub>СОО)Na·3H<sub>2</sub>O
1,405
52
290
407,5
ТАМ-52
Ацетат натрия
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>O<sub>6</sub>·4H<sub>2</sub>O
1,79
70-80
181,4
324,7
ТАМ-75
8
Бария гидроксид
Ва(ОН)<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
AlCl<sub>3</sub>
2,48
192
2801
6946
ТАМ-192