ЖИДКОСТНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ МОЩНОГО ЭЛЕКТРОННОГО КОМПОНЕНТА

Жидкостная система охлаждения мощного электронного компонента относится к области электронно-вычислительной техники, радиоэлектронной техники и приборостроения и может быть использована при создании современных и перспективных электронно-вычислительных машин, в т.ч. персональных, и других средств радиоэлектронной техники с целью обеспечения нормальных тепловых режимов мощных электронных компонентов, в частности микропроцессоров, а также - для охлаждения других тепловыделяющих устройств, например, для отвода теплоты от горячих пластин термоэлектрических модулей и т.п.
Для повышения эффективности охлаждения мощных электронных компонентов радиоэлектронной и электронно-вычислительной техники вместо воздушных систем охлаждения все чаще используются жидкостные системы охлаждения.
Известна жидкостная система охлаждения портативного персонального компьютера, размещенная в корпусе портативного компьютера и содержащая жидкостный теплообменник, помпу и радиатор, которые соединены между собой с помощью трубопроводов в замкнутый жидкостный контур (см. патент США №6697253, МПК7 G06F 1/20, Н05К 1/20, опубл. 24.02.2004 г.Liquid cooling system and personal computer using thereof. Rintaro Minamitani et.al., Hitachi Ltd (JP)). Жидкостный теплообменник установлен на микропроцессоре с обеспечением теплового контакта. Теплота, выделяемая при работе микропроцессора, поглощается жидкостью, которая прокачивается помпой по каналу жидкостного теплообменника и которая дальше поступает по замкнутому жидкостному контуру системы к радиатору, выполненному в виде зигзагообразной трубки и расположенному в крышке-дисплее компьютера. В радиаторе жидкость охлаждается, а теплота с поверхности радиатора и крышки компьютера отводится в окружающую среду путем естественной конвекции воздуха.
Недостатком известного устройства является ограниченная эффективность охлаждения, что обусловлено низкой интенсивностью теплоотдачи от радиатора путем естественной конвекции и ограниченной площадью теплоотдающей поверхности радиатора, размещенного в крышке-дисплее компьютера.
Известна другая жидкостная система охлаждения компьютера, содержащая теплообменник, помпу (насос) и радиатор, соединенные между собой с помощью шлангов в замкнутый жидкостный контур (см. рис.20, рис.21 на с.43 статьи: Сергей Асмаков. Системы охлаждения: экспансия продолжается. - Компьютерпресс, 2002 г., №4,
с.38-43). Теплообменник системы охлаждения выполнен в виде герметичного корпуса прямоугольной формы с входным и выходным штуцерами и каналом зигзагообразной формы внутри корпуса. Помпа обеспечивает необходимое давление жидкости в системе охлаждения для циркуляции ее по каналу теплообменника, присоединенного к электронному компоненту, от которого необходимо отвести теплоту. Жидкость в теплообменнике поглощает теплоту от электронного компонента и дальше по шлангам подается в радиатор, где охлаждается с целью дальнейшей подачи ее снова в канал теплообменника.
Эффективность работы такой системы охлаждения зависит от скорости циркуляции жидкости в канале теплообменника, что требует большого расхода жидкости и затрат энергии на ее подачу под давлением в зигзагообразный канал теплообменника.
Известна конструкция жидкостной системы охлаждения мощного процессора ПЭВМ, содержащая первичный теплообменник, присоединенный к нему тепловой имитатор процессора, емкость с жидкостью, погруженную в нее помпу, вторичный теплообменник (радиатор) и шланги, соединяющие указанные элементы в замкнутый жидкостный контур (см. статью: Кравец В.Ю., Коныпин В.И., Пархоменко Г.А. Система водяного охлаждения мощного процессора ПЭВМ. - Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2005 г., №1, с.42-44, рис.3 на с.43). Теплообменник жидкостной системы охлаждения выполнен в виде корпуса из теплопроводного материала, внутри которого выполнены продольные ребра, образующие каналы, расширяющиеся от входа к выходу (см. там же, вариант 2, рис.4 на с.43, текст на с.44).
Недостатком этой системы охлаждения является ограниченная возможность по отводу теплоты. Так, например, экспериментальные исследования описанной системы охлаждения показали, что при заданной температуре имитатора процессора +60°С, расходе воды 55 мл/с система обеспечивает отвод от имитатора лишь 40 Вт теплоты (см. кривую 2 на рис.4, с.43 упомянутой статьи), что намного ниже мощностей современных высокопроизводительных микропроцессоров.
Наиболее близкой к предложенной по совокупности признаков и техническому результату является жидкостная система с охладителем процессоров электронных устройств, известная из декларационного патента Украины на изобретение №59101 А, МПК7 Н05К 7/20, опубл. 15.08.2003 г., бюл. №8, 2003 г.(см. фиг.1 в описании патента) и из статьи: Глеб Пархоменко. Водные процедуры. - Мой компьютер, 2004 г., №9/284, 01 марта-08 марта, с.17-19, рис.1, рис.7, рис.9, которая взята за прототип. Жидкостная система охлаждения мощного процессора содержит первичный жидкостный теплообменник, присоединенный к нему процессор, резервную емкость с жидким
теплоносителем, погруженный в нее насос (помпу), внешний радиатор (внешний теплообменник), входной, выходной и соединительный трубопроводы (шланги), соединяющие указанные элементы в замкнутый жидкостный контур. Первичный жидкостный теплообменник выполнен в виде металлического контейнера, в котором расположен радиатор с шипами. Шипы радиатора выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов из меди или алюминия.
Поток жидкого теплоносителя (воды), подаваемого насосом по входному трубопроводу системы охлаждения в каналы первичного теплообменника, благодаря шипам радиатора турбулизируется, интенсивно поглощает теплоту от присоединенного процессора, и дальше выходит из первичного теплообменника и по выходному трубопроводу поступает во вторичный радиатор, где охлаждается, и по соединительному трубопроводу поступает в полость насоса и дальше насосом снова подается в первичный жидкостный теплообменник.
Повышение эффективности такой системы охлаждения обусловлено турбулентным характером движения теплоносителя в каналах между шипами теплообменника. Экспериментальные исследования характеристик описанной системы охлаждения (см. указанную статью) показали, что при заданной температуре контактной поверхности +60°С и расходе воды 42 г/с система охлаждения обеспечивает отвод от процессора теплового потока 58 Вт (см. диаграмму на с.19 вышеупомянутой статьи).
Вместе с тем, мощность современных высокопроизводительных процессоров с повышенной тактовой частотой и перспективных процессоров значительно превышает 58 Вт. Поэтому известная жидкостная система охлаждения не может обеспечить заданный тепловой режим их работы, что является основным недостатком прототипа. Кроме того, для ее работы необходим большой расход жидкого теплоносителя (42 г/с или 151,2 л/ч) и соответственно значительные затраты энергии на прокачку его по жидкостному контуру системы.
В основу заявляемого технического решения поставлена задача создать такую жидкостную систему охлаждения мощного электронного компонента, конструкция которой обеспечила бы повышение эффективности отвода теплоты при одновременном снижении расхода жидкого теплоносителя.
Поставленная задача решается за счет того, что в жидкостной системе охлаждения мощного электронного компонента, содержащей основной жидкостный теплообменник с контактной поверхностью для присоединения к мощному электронному компоненту, насос, внешний теплообменник и трубопроводы, с помощью которых основной жидкостный теплообменник, насос и внешний теплообменник объединены в замкнутый
жидкостный контур, жидкостный теплообменник выполнен в виде по меньшей мере двух параллельно размещенных пластин, между которыми выполнен плоский щелевой канал для жидкости, причем высота щелевого канала определяется по формуле, полученной путем приравнивания соотношений для подведенного и отведенного тепловых потоков,
p
вых
вх
δ=2λS(1+E)Δt/(GC(t-t)),
где δ - высота щелевого канала, м;
λ - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м°С);
2
S - площадь поверхности теплообмена пластин с жидкостью, м;
Е - тепловая эффективность пластины, не контактирующей с электронным компонентом, как ребра;
вых
вх
конт
Δt - средняя логарифмическая разность температур по заданным значениям температур жидкости на выходе из жидкостного теплообменника и на его входе и температуры пластины, контактирующей с электронным компонентом, t, t, tсоответственно, °С;
G - расход жидкости, кг/с;
р
С - удельная теплоемкость жидкости при постоянном давлении и средней температуре жидкости в теплообменнике, Дж/(кг °С).
Углы щелевого канала для жидкости выполнены закругленными. Жидкостная система охлаждения может иметь дополнительные жидкостные теплообменники такой же конструкции, как основной жидкостный теплообменник, подключенные трубопроводами к замкнутому жидкостному контуру.
Сущность и принцип работы предложенной жидкостной системы охлаждения мощного электронного компонента поясняются чертежами. На фиг.1 схематично приведен общий вид системы охлаждения, на фиг.2 - общий вид основного жидкостного теплообменника (вид сверху) с частичным разрезом в горизонтальной плоскости по середине прокладки, на фиг.3 - вид спереди по стрелке А на теплообменник с частичным разрезом в вертикальной плоскости.
Жидкостная система охлаждения мощного электронного компонента (см. фиг.1) содержит основной жидкостный теплообменник 1 с контактной поверхностью 2 для присоединения к ней мощного электронного компонента 3, насос 4, внешний теплообменник 5, входной трубопровод 6, выходной трубопровод 7, соединительный трубопровод 8, с помощью которых основной жидкостный теплообменник, насос и внешний теплообменник объединены в замкнутый жидкостный контур. Трубопроводы 6, 7 и 8 выполнены, например, в виде гибких шлангов. Основной жидкостный теплообменник выполнен в виде по меньшей мере двух параллельно размещенных
пластин 9 и 10 из теплопроводного материала, расположенных одна относительно другой с помощью прокладки 11 из теплопроводного материала и герметично соединенных между собой с образованием между пластинами 9 и 10 плоского щелевого канала 12 для жидкости (см. фиг 2 и фиг.3). Прокладка 11, пластины 9 и 10 могут быть выполнены как из одного и того же материала, так и из разных материалов, например, из алюминия, меди, теплопроводной керамики и т.п. Прокладка 11 имеет форму рамки с закругленными внутренними углами (см. фиг.2) и герметично соединена с пластинами 9 и 10 с обеспечением теплового контакта, например с помощью винтов, пайки, сварки, прессования, спекания и т.п.. Благодаря выполнению в прокладке 11 внутренних углов закругленной формы щелевой канал 12 для жидкости внутри основного жидкостного теплообменника имеет также закругленные углы. Соединение плоского щелевого канала для жидкости основного жидкостного теплообменника с входным и выходным трубопроводами 6 и 7 системы охлаждения осуществлено с помощью патрубка 13 для ввода жидкости и патрубка 14 для вывода жидкости соответственно. Патрубки 13 и 14 могут быть расположены, как вариант, на верхней пластине теплообменника, при этом отверстие каждого патрубка сообщено с полостью щелевого канала.
-4
2
В конкретном варианте выполнения жидкостной системы охлаждения мощного процессора пластины 9 и 10 имеют размеры, например, 40×40×6 мм. На контактной поверхности 2 жидкостного теплообменника 1 установлен с обеспечением теплового контакта мощный электронный компонент 3, например, процессор, который имеет размеры контактной теплоотдающей поверхности 35×35 мм. При внутренних размерах плоского щелевого канала 35×35 мм, радиусе закругления углов в прокладке 5 мм площадь поверхности теплообмена пластин 9 и 10 с жидкостью составляет 24,07·10 м, а заданное значение тепловой эффективности пластины 10, как ребра, выполненной из алюминия, составляет, например 0,7. При указанных условиях толщина прокладки 11 равняется высоте плоского щелевого канала 12, которая определяется по формуле
p
вых
вх
δ=2λ S (1+E) Δt /(GC (t-t)),
где δ - высота щелевого канала, м;
λ - коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м °С);
2
S - площадь поверхности теплообмена пластин с жидкостью, м;
Е - тепловая эффективность пластины, не контактирующей с электронным компонентом, как ребра;
вых
вx
конт
Δt - средняя логарифмическая разность температур по заданным значениям температур жидкости на выходе из жидкостного теплообменника и на его входе и температуры пластины, контактирующей с электронным компонентом, t, t, t
соответственно, °С;
G - расход жидкости, кг/с;
р
С - удельная теплоемкость жидкости при постоянном давлении и средней температуре жидкости в теплообменнике, Дж/(кг °С).
t
вых
вх
конт
Так, например, при значении средней логарифмической разности температур Δ=15,41°С, которое определено по заданным значениям температуры воды на выходе из жидкостного теплообменника t=+60°С, температуры воды на входе t=+30°С и температуры пластины, которая контактирует с электронным компонентом, t равной +65°С, по зависимости
р
-3
-6
при использовании в качестве жидкого теплоносителя системы охлаждения дистиллированной воды с коэффициентом теплопроводности λ=0,64 Вт/(м °С) и теплоемкостью С=4174 Дж/(кг °С) при средней температуре воды в теплообменнике +45°С и расходе воды G=3,6·10 кг/с, значение высоты щелевого канала для жидкости, определенное по приведенной выше формуле, составляет 161·10 м, т.е. 0,16 мм.
В других вариантах выполнения жидкостная система охлаждения может иметь жидкостный теплообменник, выполненный в виде нескольких пластин (трех и больше), размещенных параллельно между собой с выполнением между ними нескольких плоских щелевых каналов.
Как вариант выполнения, жидкостная система охлаждения может иметь дополнительные жидкостные теплообменники такой же конструкции, как основной жидкостный теплообменник, подключенные трубопроводами к замкнутому жидкостному контуру.
Работа предложенной жидкостной системы охлаждения мощного электронного компонента поясняется с помощью чертежа (см. фиг.1). При работе мощного электронного компонента 3 выделяется теплота Q, которая передается теплопроводностью к контактной поверхности 2 присоединенного жидкостного теплообменника 1. Благодаря высокой теплопроводности пластин 9, 10 и прокладки 11 и высокой эффективности пластины 10 как ребра, а также благодаря малой высоте щелевого канала 12 для жидкости, например 0,16 мм, теплота Q эффективно передается к жидкости, которая прокачивается насосом 4 по плоскому щелевому каналу 12. В канале 12 происходит ламинарное течение жидкого теплоносителя. Коэффициент теплоотдачи
2
при ламинарном течении в щелевом канале значительно превышает его значение в широких каналах и обусловлен незначительной толщиной приповерхностного тонкого слоя и коэффициентом теплопроводности жидкости. Значение коэффициента теплоотдачи в щелевом канале высотой, например 0,16 мм, может составлять при этом 14480 Вт/(м°С), сопоставимое со значением коэффициента теплоотдачи при кипении жидкости в большом объеме. Высокое значение коэффициента теплоотдачи обусловливает высокую эффективность поглощения теплоты жидкостью. Ее температура в щелевом канале повышается и нагретый жидкий теплоноситель (на фиг.1 показан зачерненной стрелкой) по патрубку 14 для вывода жидкости и выходному трубопроводу 7 поступает во внешний теплообменник 5, где охлаждается потоком воздуха, продуваемым сквозь теплообменник с помощью вентиляторов 15, и отдает теплоту Q в окружающую среду. Охлажденная жидкость по соединительному трубопроводу 8 из внешнего теплообменника 5 поступает в насос 4 и дальше цикл отвода теплоты от мощного электронного компонента повторяется.
Закругление углов плоского щелевого канала для жидкости препятствует образованию в углах канала жидкостного теплообменника застойных зон жидкости и способствует повышению эффективности теплообмена.
Расчетное количество теплоты, которую при заданных характеристиках и параметрах отводит от мощного электронного компонента предложенная жидкостная система охлаждения, составляет 456 Вт. Для сравнения устройство-прототип при такой же температуре контактной поверхности +65°С может отвести тепловой поток лишь 65 Вт (см. диаграмму в статье: Глеб Пархоменко. Водные процедуры. - Мой компьютер, 2004 г., №9/284, 01 марта-08 марта, с.17-19), т.е. в 7 раз меньше. При этом расход воды в предложенной жидкостной системе охлаждения в 11,7 раз меньше, чем в прототипа (3,6 г/с и 42 г/с соответственно).
Таким образом, предложенная жидкостная система охлаждения мощного электронного компонента является новой, промышленно пригодной, имеет изобретательский уровень и обеспечивает достижение поставленной цели: повышение эффективности охлаждения при одновременном снижении расхода жидкого теплоносителя.