Устройство для иммерсионного двухфазного охлаждения изделий электронной техники

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно к устройствам для охлаждения вертикально установленных вычислительных плат на основе принципа перехода фаз посредством их полного погружения в хладагент, представляющий собой диэлектрическую жидкость или смесь диэлектрических жидкостей с разной температурой кипения.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является устройство для иммерсионного двухфазного охлаждения изделий электронной техники, которое представляет собой резервуар, частично заполненный хладагентом и снабженный конденсатором [Интернет ресурс: «Разработка устройства для иммерсионного двухфазного охлаждения», http://www.botik.ru/PSI/RCMS/activity/developments.html, 29.09. 2020 г.].
В качестве приспособлений для направления конденсата используют наклонно установленную под конденсатором направляющую и перегородку с выемкой, установленную параллельно одной из боковых стенок резервуара с образованием двух камер. Направляющая выполнена волнообразной и обеспечивает направление потока охлажденного хладагента в первую камеру и препятствует прохождению нисходящего потока капель охлажденного хладагента в камеру с установленными вычислительными платами. Выемка в перегородке обеспечивает направление потока охлажденного хладагента из первой камеры в камеру с установленными вычислительными платами.
Недостаток данного научно-технического решения заключается в том, что сконденсированный и охлажденный ниже температуры кипения хладагент подается в камеру для установки вычислительных плат сбоку, что приводит к возникновению горизонтальных потоков хладагента в этой камере и разницы температур хладагента по горизонтали, по мере удаления от точки его подачи. Кроме того, при таком способе подачи процесс перемешивания охлажденного хладагента и нагретого от электронных изделий хладагента инициируется только у боковой стенки резервуара. Таким образом, возникает дисперсия температуры восходящего потока хладагента в каждом из горизонтальных сечений резервуара.
Технической проблемой, решаемой с помощью предлагаемой полезной модели, является повышение энергетической эффективности охлаждения.
Технический результат заключается в снижении дисперсии распределения температур восходящего потока хладагента в каждом из горизонтальных сечений резервуара.
Технический результат достигается тем, что устройство для иммерсионного двухфазного охлаждения изделий электронной техники включает герметичный резервуар, частично заполненный хладагентом, крышку, конденсатор, приспособления для направления охлажденного хладагента в виде перегородки и направляющей, согласно изобретению, приспособления для направления охлажденного хладагента дополнительно включают вторую перегородку, причем вторая перегородка установлена в нижней части резервуара на уровне верхнего края выемки первой перегородки параллельно днищу вплотную к боковым стенкам резервуара, первой перегородке и противоположной ей торцевой стенке резервуара с образованием третьей камеры, и на второй перегородке выполнено несколько рядов круглых отверстий диаметром 8 мм, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом отверстия обеспечивают поток охлажденного хладагента из третьей камеры во вторую камеру, а выемка первой перегородки обеспечивает поток охлажденного хладагента из первой камеры в третью камеру, а во второй камере выполнены направляющие для установки изделий электронной техники параллельно первой перегородке и перпендикулярно днищу. При этом возможно, что во второй камере выполнены направляющие для установки изделий электронной техники перпендикулярно первой перегородке и перпендикулярно днищу.
На чертеже показана схема предлагаемого устройства для иммерсионного двухфазного охлаждения изделий электронной техники.
Устройство для иммерсионного двухфазного охлаждения изделий электронной техники представляет собой герметичный прямоугольный резервуар 1, снабженный крышкой 2 и частично заполненный хладагентом. Крышка выполнена с возможностью герметичного соединения с резервуаром.
На расстоянии не менее 50 мм от одной из торцевых стенок резервуара и параллельно ей вплотную к боковым стенкам и днищу резервуара установлена первая перегородка 3 с образованием первой камеры 4 и второй камеры 5. Верхняя кромка первой перегородки 3 не доходит до крышки резервуара, но находится выше уровня хладагента. Нижняя кромка первой перегородки 3 выполнена с выемкой.
В нижней части резервуара на уровне верхнего края выемки первой перегородки 3 параллельно днищу и вплотную к боковым стенкам резервуара, первой перегородке 3 и противоположной ей торцевой стенке резервуара установлена вторая перегородка 6 с образованием третьей камеры 7.
Первая камера 4 ограничена одной из боковых стенок резервуара, частями торцевых стенок резервуара, частью днища резервуара и первой перегородкой 3. Вторая камера 5 ограничена частью первой перегородки 3, второй перегородкой 6, другой боковой стенкой, частями двух торцевых стенок резервуара. Третья камера 7 ограничена частями стенок резервуара, частями первой перегородки 3, второй перегородкой 6 и днищем резервуара.
На второй перегородке 6 выполнено несколько рядов круглых отверстий диаметром 8 мм, расположенных на равном расстоянии друг от друга. Отверстия обеспечивают поток охлажденного хладагента из третьей камеры 7 во вторую камеру 5, а выемка первой перегородки 3 обеспечивает поток охлажденного хладагента из первой камеры 4 в третью камеру 7.
Во второй камере 5 выполнены направляющие для установки изделий электронной техники перпендикулярно или параллельно первой перегородке 3 и перпендикулярно днищу.
Внутри крышки 2 над второй камерой 5 установлен конденсатор 8.
2
Под конденсатором 8 вплотную к верхнему краю перегородки 3 наклонно смонтирована направляющая 9, предназначенная для направления охлажденного хладагента в первую камеру 4. Направляющая 9 перекрывает всю площадь под конденсатором, а также перекрывает первую перегородку 3 сверху, но не доходит до торцевой стенки резервуара. Направляющая 9 выполнена волнообразной в направлении, перпендикулярном торцевым стенкам резервуара, с параллельными выступами и желобами. Вдоль выступов направляющей 9 выполнены отверстия с эффективным диаметром 4 – 10 мм и площадью 12–100 мм, обеспечивающие прохождение пара к конденсатору. Желоба направляющей предназначены для направления охлажденного хладагента в первую камеру 4. Таким образом, первая перегородка 3 и направляющая 9 предотвращают попадание охлажденного хладагента во вторую камеру 5 сбоку и сверху. Наличие второй перегородки 6 с отверстиями создает дополнительное гидравлическое сопротивление, за счет которого интенсивность потоков охлажденного хладагента из третьей камеры 7 во вторую камеру 5 выравнивается.
На одной из стенок резервуара выполнен кабельный ввод для герметичного прохода кабелей питания и ввода/вывода данных (на чертеже не показан).
Направляющая 9, стенки резервуара, первая и вторая перегородки 3 и 6 выполнены из материала с теплопроводностью не более 0,1 Вт/м∙ºС.
Конденсатор посредством трубопроводов соединен с внешним теплообменником и насосом (на чертеже не показаны).
В качестве хладагента используется диэлектрическая жидкость с температурой кипения от +30 до +60 ºС или неазеотропная смесь двух жидкостей с разной температурой кипения, где легкокипящий компонент имеет температуру кипения от +30 до +60 ºС.
В качестве теплоносителя для охлаждения конденсатора используется вода или другие жидкости.
Устройство для иммерсионного двухфазного охлаждения изделий электронной техники работает следующим образом.
Во вторую камеру устанавливают изделия электронной техники. В процессе их работы выделяется тепло, хладагент вблизи них нагревается до температуры кипения. Образующийся пар поднимается вверх, достигает направляющей и проходит через отверстия в ее выступах к конденсатору. Соприкасаясь с поверхностью труб конденсатора, по которым циркулирует теплоноситель, пар конденсируется. Охлажденный хладагент отводится по наклонным желобам направляющей в первую камеру и через выемку первой перегородки поступает в третью камеру, откуда через отверстия во второй перегородке поступает во вторую камеру.
Теплоноситель конденсатора при помощи насоса по трубопроводам циркулирует через внешний теплообменник, где охлаждается.
Обеспечение снижения дисперсии распределения температур восходящего потока хладагента в каждом из горизонтальных сечений резервуара достигается за счет того, что охлажденный хладагент в камеру с установленными изделиями вычислительной техники поступает снизу через равномерно расположенные на второй перегородке отверстия. За счет этого хладагент движется в восходящем потоке равномерно, а горизонтальная составляющая скорости его движения отсутствует. Таким образом, скорость движения восходящего потока хладагента одинакова в каждой точке любого из горизонтальных сечений второй камеры, поэтому градиент его температуры вдоль этих сечений незначителен. Следовательно, дисперсия распределения температур восходящего потока хладагента в каждом из горизонтальных сечений резервуара близка к нулю.