ИСПАРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ СВЕТОДИОДНОГО МОДУЛЯ
EVAPORATIVE COOLING SYSTEM FOR LIGHT-EMITTING DIODE MODULE

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к охлаждению тепловыделяющих элементов электронной аппаратуры, светодиодных систем.
Известна плоская тепловая труба [US 3613778, 19.10.1971, B64G 1/50; B64G 1/58; F28D 15/02], заполненная пористым металлическим фитилем или сеткой в паровом канале.
Толщина фитиля способствует увеличению теплопередающей способности тепловой трубы. Однако с ростом толщины фитиля увеличивается его термическое сопротивление в радиальном направлении, что препятствует росту теплопередающей способности трубы в целом и снижает допустимую максимальную плотность теплового потока в испарителе.
Известно устройство для охлаждения электронных компонентов [US 4975803, 04.12.1990, H05K 7/20], которое имеет сэндвич-конструкцию и представляет собой заключенные в металлический корпус (параллелепипед) множество пластин, параллельных плоскости установки электронных компонентов и выполненных из пористого материала с диагональными микроканалами, причем микроканалы соседних пластин имеют противоположные направления. Пористое ядро с микроканалами заполнено жидким теплоносителем. Тепло передается на торцевые части корпуса, где находится радиатор.
В такой конструкции отвод тепла в основном на торцевую часть не обеспечивает эффективную теплоотдачу к радиатору. Эффективная теплопроводность насыщенного жидкостью пористого материала в направлении, перпендикулярном плоскости установки электронных компонентов, существенно меньше, чем в направлении, параллельном плоскости установки электронных компонентов.
Известно устройство - термосифон [RU 2373473, 16.07.2008, H05K 7/20], позволяющий существенно повысить эффективность передачи тепла от нагреваемой части к охлаждаемому участку путем интенсификации теплоотдачи при конденсации в условиях высокого содержании воздуха в системе. Термосифон содержит корпус, заполненную жидкостью нижнюю камеру, воронку с паропроводом, парогенератор в нижней камере и конденсатор в верхней камере, причем в нижней камере установлен клапан для сбрасывания части воздуха наружу.
Термосифон без воронки с трубопроводом для движения пара может нормально работать только в том случае, если из системы откачен воздух и жидкость тщательно дегазирована.
Наиболее близким по технической сущности заявляемой системе является устройство охлаждения тепловыделяющих компонентов модуля радиоэлектронной аппаратуры [RU 2403692, 29.04.2009, H05K 1/00, H05K 7/20], состоящее из теплоотводящего основания, печатных плат и установленных на них электрорадиоэлементов. Теплоотводящее основание выполнено из микропористого материала с микроканалами и заполнено жидким теплоносителем. Микроканалы расположены в теплоотводящем основании в двух ортогональных направлениях параллельных плоскости печатной платы. Тепло передается на торцевую часть теплоотводящего основания.
Однако отвод тепла в основном на торцевую часть теплоотводящего основания не обеспечивает эффективную теплоотдачу к радиатору, примыкающему к плоскости печатной платы.
Практически все известные тепловые трубы и термосифоны для эффективной работы требуют предварительной откачки воздуха и поддержания высокой герметичности, что приводит к снижению надежности устройств и их высокой стоимости [Справочник по теплообменникам. М. Энергоатомиздат,1987, Дан П., Рей Д. Тепловые трубы. М. Энергия, 1979, 272 с., Пиоро И.Л., Антоненко В.А., Пиоро Л.С. Эффективные теплообменники с двухфазными термосифонами. Киев. Наукова думка, 1991, 246 с.]. Наличие даже незначительной примеси воздуха во внутренней части тепловых труб или термосифонов приводит к резкому снижению коэффициента теплопередачи при конденсации рабочей жидкости.
Таким образом, основная проблема всех тепловых труб - неконденсированные примеси (воздух или газ), которые скапливаются в зоне конденсации, что приводит к уменьшению конденсации и, следовательно, к падению эффективности их работы.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение высокоэффективного отвода тепла от каждого из собранных в модуль полупроводниковых светодиодов при минимальном значении сопротивления теплопередачи и минимальном влиянии неконденсированных примесей.
Поставленная задача решается путем сочетания известных элементов, а именно известного признака устройств охлаждения электронных компонентов, теплоотводящего основания из пористого материала с каналами, заполненного жидким теплоносителем [RU 2403692, 29.04.2009, H05K 1/00, H05K 7/20], и известного элемента конструкции термосифона, воронки с паропроводом, [RU 2373473, 16.07.2008, H05K 7/20], приводящего к достижению объектом нового результата.
Поставленная задача решается тем, что в испарительной системе охлаждения светодиодного модуля, состоящей из основания с установленными на нем светодиодами, к которому примыкает слой заполненного жидким теплоносителем микропористого материала с каналами, согласно изобретению, основание выполнено из высокотеплопроводного материала, примыкающая к теплопроводящему основанию микропористая структура находится в объеме, ограниченном теплопроводящим основанием и радиатором, поверхность которого покрыта тонким слоем непористого теплопроводного материала. В микропористой структуре под светодиодами перпендикулярно плоскости их установки расположены каналы, причем они расположены так, что части теплопроводящего основания, примыкающие к торцам каналов, образуют в максимальной близости к p-n-переходам светодиодов интенсифицирующую поверхность теплообмена, которая выполнена из пористого материала, размеры пор которого меньше размеров пор микропористой структуры и уменьшаются по направлению к центру светодиода. Каждый канал перегорожен воронкой с паропроводом так, что воронка верхней частью примыкает к интенсифицирующей поверхности, а интенсифицирующая поверхность теплообмена.
На фиг.1 схематично изображена испарительная система охлаждения светодиодного модуля, где: 1 - теплопроводящее основание; 2 - светодиоды; 3 - микропористая структура; 4 - каналы; 5 - радиатор, 6 - интенсифицирующая поверхность; 7 - паропровод; 8 - воронка.
Испарительная система охлаждения светодиодного модуля состоит из теплопроводящего основания 1, на которое установлены светодиоды 2, микропористой структуры 3, заполняющей объем между теплопроводящим основанием 1 и радиатором 5, в которой под светодиодами перпендикулярно плоскости их установки расположены каналы 4, каждый из которых перегорожен воронкой 8 с паропроводом 7.
Между теплопроводящим основанием 1 и торцами каналов 4 в максимальной близости к p-n-переходам светодиодов расположена интенсифицирующая поверхность теплообмена 6 (поверхность, интенсифицирующую кипение и испарение). Интенсифицирующая поверхность теплообмена 6 выполнена из пористого материала, причем размеры пор меньше размеров пор микропористой структуры 3 и уменьшаются по направлению к центру тепловыделяющего светодиода, чтобы создать необходимый капиллярный напор, что особенно важно при высоких тепловых потоках.
Воронка 8 своей верхней частью примыкаем к интенсифицирующей поверхности теплообмена, а нижняя ее часть представляет собой паропровод 7, оканчивающийся вблизи торца канала в зоне охлаждения.
Поверхность радиатора 5 покрыта тонким слоем непористого теплопроводного материала.
В процессе функционирования испарительной системы охлаждения светодиодного модуля светодиоды выделяют тепло (зона нагрева), которое передается на торцы каналов. Для того чтобы обеспечить передачу тепла, выделяемого светодиодами, в зону охлаждения (поверхность радиатора, микропористая структура 3 с каналами 4, находящаяся в объеме, ограниченном теплопроводящим основанием 1 и радиатором 5, заполнена жидким теплоносителем, например водой, причем микропористая структура 3 насыщена теплоносителем в жидкой фазе, а в каналах 4 теплоноситель находится в паровой фазе. Теплоноситель осуществляет передачу тепла из зоны нагрева светодиода в зону охлаждения за счет скрытой теплоты парообразования. Тепло, поступающее в зону нагрева от светодиодов, вызывает испарение теплоносителя. На интенсифицирующей поверхности кипение начинается при существенно меньших температурах перегрева, а коэффициент теплоотдачи значительно выше, чем на гладкой поверхности.
При кипении теплоносителя на интенсифицирующей поверхности пар собирается в воронке (зона испарения). В зоне испарения создается избыточное давление насыщения пара, которое расходуется на разгон пара и на преодоление силы трения парового потока на поверхности паропровода. Вследствие этого, давление по длине паропровода, от зоны испарения падает. В среднем участке канала давление стабилизируется (адиабатный участок). В зоне охлаждения давление восстанавливается почти до величины давления в зоне испарения.
Возникающая разность давлений побуждает пар двигаться по паропроводу из зоны нагрева в зону охлаждения, где пар конденсируется, отдавая при этом скрытую теплоту парообразования. Пар, двигаясь по паропроводу, вытесняет неконденсированные примеси (воздух или газ) и распространяется в канале, оттесняя неконденсированные примеси в среднюю область канала. Таким образом, большая часть неконденсированных примесей скапливается в средней части канала, а не в зоне охлаждения, и не влияет на эффективность конденсации.
В результате постоянного испарения количество жидкости в зоне нагрева уменьшается, и поверхность раздела фаз жидкость-пар сдвигается внутрь микропористой структуры, что вызывает возникновение здесь капиллярного давления. Это капиллярное давление заставляет сконденсировавшуюся в зоне охлаждения жидкость возвращаться обратно в зону нагрева. Таким образом, непрерывно осуществляется перенос тепла из зоны нагрева в зону охлаждения.
Дополнительный капиллярный напор возникает за счет того, что размеры пор интесифицирующей поверхности теплообмена существенно меньше размеров пор наполнителя из микропористого материала и еще уменьшаются по направлению к центру тепловыделяющего светодиода, что особенно важно при высоких тепловых потоках. При осушении пор в центральной части интенсифицирующей поверхности капиллярный напор возрастает, обеспечивая более интенсивный подвод жидкости к окрестности светодиода и, соответственно, более высокие значения отводимых тепловых потоков.
Таким образом, обеспечение высокоэффективного отвода тепла от полупроводниковых светодиодов при минимальном значении сопротивления теплопередачи и минимальном влиянии неконденсированных примесей достигается за счет:
1. высокого значения эффективной теплопроводности вдоль каналов (тепловых труб), которое более чем на два порядка превосходит теплопроводность современных печатных плат;
2. интенсивного кипения и испарения жидкости на интенсифицированной поверхности вблизи p-n-перехода светодиодов;
3. вытеснения неконденсированных примеси в среднюю область канала за счет наличия в канале воронки с паропроводом.
Предложенная конструкция требует одноразового заполнения жидкостью и менее чувствительна к вариациям первоначального объема жидкости в отличие от известных из области техники тепловых труб, которые требуют заполнения точно определенным объемом жидкости при одновременном вакуумировании.
Работоспособность предложенной конструкции испарительной системы охлаждения светодиодного модуля подтверждается экспериментальными данными и выполненными оценками и расчетами.