Патент на изобретение №2332818

(54) ОХЛАЖДАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОНИКИ

(57) Реферат:

Предлагаемое изобретение относится к электронике и может быть использовано для охлаждения мощных тепловыделяющих элементов, в том числе центральных процессоров компьютеров. Технический результат – снижение общего термического сопротивления за счет использования в качестве теплопередающего элемента контурной тепловой трубы, характеризующейся локальным размещением капиллярной структуры в испарителе. Достигается тем, что устройство состоит из тепловой трубы, выполненной в виде контура, содержащего плоский испаритель с капиллярной структурой, который имеет паровую и жидкостную торцевые полости, сообщающиеся между собой параллельным пучком трубок, выполняющим роль конденсатора, соединенного с внешним оребрением, и вентилятора. Пучок трубок может быть соединен с полостями испарителя напрямую или посредством трубчатых коллекторов. За счет применения испарителя плоской формы и повышения равномерности прогрева ребер радиатора конденсатором, выполненным по коллекторной схеме, снижается общее термическое сопротивление устройства. Это позволяет уменьшить массу устройства и снизить уровень шума за счет снижения необходимой скорости воздушного потока и частоты вращения вентилятора. 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к электронике и может быть использовано для охлаждения мощных тепловыделяющих элементов, в том числе центральных процессоров компьютеров.

Известные конструкции охлаждающих устройств с тепловыми трубами являются более эффективными по сравнению с традиционными охладителями, представляющими собой сочетание базового теплопринимающего основания с оребрением, благодаря высокой эффективной теплопроводности тепловых труб. В таких конструкциях тепло от охлаждаемого объекта передается к ребрам радиатора тепловыми трубами, что обеспечивает более равномерный прогрев ребер и высокую эффективность охлаждения. Наиболее точно эффективность устройства охлаждения в целом выражается величиной общего термического сопротивления, равного отношению разности температур охлаждаемого объекта и окружающей среды к величине отводимой тепловой мощности. В общем случае термическое сопротивление устройства складывается из сопротивлений теплопринимающего основания, мест сопряжения тепловых труб с основанием и ребрами радиатора и сопротивления самих тепловых труб. В тепловых трубах, как известно, существенное значение имеет термическое сопротивление смоченной жидким теплоносителем пористой структуры (фитиля), расположенной на всей внутренней поверхности, включая зоны испарения и конденсации [Чи С., Тепловые трубы: Теория и практика. – М.: Машиностроение, 1981. – 207 с.; Васильев Л.Л., Теплообменники на тепловых трубах. – Мн.: Наука и техника, 1981. – 143 с.]. Кроме того, существенную величину имеет термическое сопротивление передачи тепла от радиатора в поток воздуха, которое определяется степенью равномерности прогрева ребер радиатора и выражается коэффициентом эффективности оребрения [Справочник по теплообменникам: в 2-х т. Т.2. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.]. Очевидно, что конструкция тепловых труб в значительной степени определяет конструктивное исполнение узлов устройства охлаждения, его массогабаритные характеристики и эффективность в целом

Известен охладитель типа тепловой трубы [опубликованная заявка на патент США №2001/0001981, дата публикации – 31 мая 2001 г.], содержащий теплопринимающее базовое основание прямоугольного сечения из теплопроводного материала, к которому присоединен теплопередающий элемент, выполненный в виде одной или нескольких U- или V-образных тепловых труб круглого сечения, боковые ветви которых соединены с пакетом параллельных ребер радиатора. Тепловые трубы присоединены к теплопринимающему основанию своей центральной изогнутой частью так, что плоскости их изгиба расположены перпендикулярно к основанию, а ребра радиатора – параллельно. Устройство содержит также осевой вентилятор, создающий поток воздуха вдоль ребер радиатора, заключенного в направляющем воздухопроводе.

Известное устройство имеет следующие недостатки.

Низкая эффективность охлаждения, которая обусловлена высоким суммарным термическим сопротивлением устройства на пути передачи тепла от тепловоспринимающей поверхности основания к ребрам радиатора. Существенные значения термических сопротивлений в последовательной цепочке представляют собой сопротивление толстостенного теплопринимающего основания и сопротивление перехода в местах сопряжения плоской поверхности основания с цилиндрическими поверхностями тепловых труб. Площадь контакта тепловых труб с основанием мала и тепло к ним от тепловоспринимающей поверхности передается на значительной протяженности основания только за счет теплопроводности его материала. Ребра радиатора имеют тепловой контакт с концами тепловых труб всего в двух “точках” по своей длине и поэтому имеют большую неизотермичность и, следовательно, низкую эффективность.

Другим недостатком является низкая интенсивность охлаждения ребер радиатора потоком воздуха, направленным вдоль длинной стороны ребер радиатора. С одной стороны, такой радиатор имеет большое гидравлическое сопротивление потоку воздуха. С другой стороны, интенсивность охлаждения снижается вдоль потока в результате прогрева воздуха на большой длине следования.

К числу недостатков можно отнести использование большого числа тепловых труб, что приводит к значительному росту массы и габаритов охлаждающего устройства.

Известно также устройство теплового стока как комбинация плиты и оребрения в виде гофрированной ленты [патент США №6830097], предназначенное для использования с вентилятором и содержащее теплопринимающее базовое основание с плоской тепловоспринимающей поверхностью и теплопроводящую плиту, выходящую с противоположной тепловоспринимающей стороны основания и снабженную на боковых сторонах оребрением в виде гофрированной ленты, как минимум одну тепловую трубу, вложенную в плиту и основание, или тепловую трубу в виде паровой камеры, вложенную в основание и плиту.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность охлаждения из-за высокого термического сопротивления передачи тепла за счет теплопроводности на значительные расстояния в базовом основании и плите, в том числе и в вариантах с вложенными тепловыми трубами. Устройство, выполненное с тепловой трубой в виде паровой камеры, вложенной в основание и башню, также имеет большую толщину стенок, обусловленную конструкцией устройства. При этом паровая камера работоспособна лишь в положениях, когда теплопринимающее базовое основание, выполняющее роль испарителя тепловой трубы, находится ниже башни, выполняющей роль конденсатора. Кроме того, при вертикальных положениях плоскости основания, жидкий теплоноситель покрывает нижележащую внутреннюю поверхность камеры, препятствуя конденсации пара и прогреву ребер радиатора, что значительно ухудшает отвод тепла.

Существенным недостатком устройства является маленькая площадь оребрения радиатора, расположенного на двух противоположных сторонах плиты. Что также существенно увеличивает общее термическое сопротивление устройства и снижает его эффективность.

Другим недостатком известного устройства является низкая эффективность охлаждения потоком воздуха, направленным на теплопринимающее основание вдоль боковых сторон плиты с оребрением. При этом часть воздушного потока перекрывается сечением плиты и, кроме того, воздушный поток тормозится стоящим поперек потока основанием.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является теплоотводящее устройство для центрального процессора компьютера [Патент США 5959837], содержащее теплопринимающее устройство с плоской рабочей поверхностью, как минимум одну цилиндрическую тепловую трубу, соединенную одним концом с теплопринимающим устройством, а другим – с ребрами вынесенного радиатора, к которому прикреплен вентилятор, создающий поток воздуха в направлении радиатора вдоль короткой стороны ребер. Теплопринимающее устройство выполнено в виде основания из теплопроводного материала, имеющего центральную часть, содержащую цилиндрические отверстия для соединения с тепловыми трубами, и две симметричные боковые части, снабженные охлаждающими ребрами.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность охлаждения из-за большого термического сопротивления, определяемого суммой термических сопротивлений в теплопринимающем монолитном основании, в разъемном соединении основания с тепловыми трубами и внутреннего термического сопротивления тепловых труб, содержащих смоченный жидким теплоносителем фитиль.

Другим недостатком известного устройства является неравномерность прогрева ребер радиатора по их длине из-за ограниченности контакта с тепловыми трубами и большого расстояния между ними. Это также снижет эффективность охлаждения из-за высокого термического сопротивления передаче тепла от радиатора в воздушный поток.

Низкая эффективность устройства приводит к необходимости использования большого числа тепловых труб и значительному росту его массы и габаритов. При этом для обеспечения рабочих температур охлаждаемого объекта требуется применение мощных вентиляторов с большим числом оборотов и высоким уровнем шума.

В основу предлагаемого изобретения положена задача снижения общего термического сопротивления устройства за счет снижения термического сопротивления в зоне передачи тепла от охлаждаемого элемента к испарителю тепловой трубы и повышения степени прогрева ребер радиатора.

Поставленная задача решается тем, что в охлаждающем устройстве для элементов электроники, содержащем радиатор с ребрами, теплопринимающее устройство с плоской рабочей поверхностью, тепловую трубу, имеющую тепловой контакт с теплопринимающим устройством и с ребрами радиатора, и вентилятор, согласно изобретению тепловая труба выполнена в виде контура, а теплопринимающее устройство – в виде испарителя этой тепловой трубы, который содержит капиллярную структуру и имеет паровую и жидкостную торцевые полости, соединенные между собой пучком трубок, к внешней поверхности которых прикреплены ребра радиатора.

При этом:

– испаритель может иметь плоскоовальное или прямоугольное поперечное сечение;

– ребра радиатора трубок пучка могут быть выполнены из гофрированных лент, имеющих в вершинах сгибов полуцилиндрические выемки, которые плотно охватывают поверхности трубок пучка в собранном пакете лент навстречу вершинами друг к другу;

– испаритель может быть снабжен дополнительным радиатором, укрепленным на поверхности противоположной его рабочей стороне;

– дополнительный радиатор может состоять из двух отдельных блоков, где первый блок расположен поверх рабочей зоны и паровой торцевой полости испарителя, а второй – на жидкостной торцевой полости;

– трубки пучка могут быть прямолинейны и соединены в плоский параллельный пучок трубчатыми коллекторами, которые в свою очередь соединены с паровой и жидкостной торцевыми полостями испарителя;

– коллекторы могут примыкать к полостям боковой поверхностью вдоль большой оси поперечного сечения испарителя и иметь специальные вырезы, соединяющие внутренние объемы коллекторов и полостей;

– коллекторы могут иметь изгиб на участке между трубным пучком и испарителем, а угол между плоскостями трубного пучка и испарителя может находиться в интервале 0-180°;

– трубки пучка могут иметь подковообразный изгиб с прямым участком в центральной части, где расположен радиатор, и соединяться своими концами с паровой и жидкостной торцевыми полостями испарителя;

– прямолинейные участки трубок пучка могут находиться в одной плоскости, а угол ее сопряжения с плоскостью испарителя может находиться в интервале 0-90°;

– вентилятор может крепиться к радиатору трубного пучка со стороны, обращенной к испарителю.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается в снижении общего термического сопротивления за счет использования в качестве теплопередающего элемента контурной тепловой трубы, характеризующейся локальным размещением капиллярной структуры в испарителе. Кроме того, снижение общего термического сопротивления достигается, во-первых, за счет применения испарителя плоского типа, при котором исключается использование дополнительного теплопринимающего элемента в виде основания. Во-вторых, за счет равномерного прогрева ребер радиатора пучком трубок конденсатора, выполненного по коллекторной схеме. Дополнительный технический результат выражается в уменьшении массы устройства за счет исключения из конструкции массивного теплопринимающего основания и повышения эффективности оребрения радиатора. Кроме того, снижается уровень шума вентилятора за счет уменьшения необходимой интенсивности воздушного потока и частоты вращения вентилятора.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показан вид в изометрии охлаждающего устройства с пучком трубок конденсатора, соединенных с полостями испарителя посредством коллекторов, и местным разрезом ребер радиатора и стенки испарителя;

на фиг.2 показан вид в изометрии охлаждающего устройства с пучком трубок конденсатора, имеющих подковообразный изгиб и соединенных своими концами с полостями испарителя, и местным разрезом ребер радиатора и вентилятора;

на фиг.3 показано соединение трубок пучка конденсатора с ребрами в виде гофрированных лент;

на фиг.4 показан вид сбоку охлаждающего устройства с коллекторным соединением пучка трубок конденсатора при различных углах сопряжения с плоскостью испарителя в диапазоне от 0 до 180° (вентилятор не показан);

на фиг.5 показан вид сбоку охлаждающего устройства с пучком трубок конденсатора, соединенных своими концами с полостями испарителя, при различных углах сопряжения с плоскостью испарителя в диапазоне от 0 до 90° (вентилятор не показан).

Охлаждающее устройство для элементов электроники содержит тепловую трубу, выполненную в виде контурной тепловой трубы, заправленной двухфазным теплоносителем (не показано) и снабженной плоским испарителем 1, выполняющим роль теплопринимающего устройства и имеющим паровую и жидкостную торцевые полости 2 и 3 соответственно, сообщающиеся между собой пучком гладкостенных трубок 4, выполняющих роль конденсатора тепловой трубы и соединенных с ребрами 5 радиатора 6. Вентилятор 7 крепится к радиатору 6 со стороны, обращенной к испарителю 1. Испаритель 1 имеет плоскоовальное или прямоугольное сечение (не показано) и содержит в центральной части между торцевыми полостями 2 и 3 капиллярную структуру 8, охватывающую площадь рабочей (тепловоспринимающей контактной) поверхности 9. Трубки 4 пучка имеют прямолинейную форму (фиг.1) и соединены с полостями 2 и 3 испарителя 1 посредством коллекторов 10 и 11 или имеют подковообразный изгиб с центральным прямым участком и соединены своими концами непосредственно с полостями 2 и 3 испарителя 1 (фиг.2), которые в этом варианте выполняют роль коллекторов. В обоих вариантах прямолинейные участки пучка трубок 4 находятся в одной плоскости и соединены на этих участках с ребрами 5 радиатора 6. Ребра 5 радиатора 6 выполнены или в виде прямоугольных пластин (фиг.2), нанизанных на пучок трубок 4, или в виде гофрированных лент 12 (фиг.3), имеющих в вершинах сгибов 13 выемку 14 полуцилиндрической формы. При этом поверхность каждой трубки 4 пучка плотно обхватывается выемками 14 лент 12, собранных в пакет навстречу вершинами сгибов 13. При коллекторном соединении пучка трубок 4 (фиг.1) коллекторы 10 и 11 примыкают к полостям 2 и 3 испарителя 1 своей боковой поверхностью вдоль большой оси поперечного сечения испарителя 1 и имеют специальные вырезы 15, сообщающие между собой объемы коллекторов 10 и 11 и полостей 2 и 3 испарителя 1. При этом коллекторы 10 и 11 имеют изгиб 16 на участке между пучком трубок 4 и испарителем 1 так, что угол между плоскостями пучка трубок 4 и испарителя 1 может находиться в интервале 0-180° (Фиг.4). При соединении пучка трубок 4 непосредственно с полостями 2 и 3 испарителя 1 (фиг.2) плоскости трубок 4 находятся в одной плоскости, а угол ее сопряжения с плоскостью испарителя 1 может находиться в интервале 0-90° (фиг.5). На поверхности испарителя 1, противоположной рабочей стороне, может располагаться дополнительный радиатор, состоящий из двух блоков 17 и 18 (фиг.2). Первый блок 17 расположен напротив рабочей контактной поверхности 9 и на паровой полости 2, а второй блок 18 – на жидкостной полости 3.

Предложенное охлаждающее устройство работает следующим образом. При разогреве электронного компонента, который контактирует с рабочей поверхностью 9 испарителя 1, происходит передача тепла по всей контактной площади через стенку корпуса испарителя 1 к капиллярной структуре 8. Находящийся в капиллярной структуре 8 жидкий теплоноситель испаряется, и пар по пароотводным каналам (не показаны) поступает в паровую полость 2. При этом между паровой 2 и жидкостной 3 полостями испарителя формируется разность температур и давлений, под действием которых в пучке трубок 4 и коллекторах 10 и 11 возникает направленная циркуляция теплоносителя из паровой полости 2 испарителя 1 в жидкостную полость 3. Из паровой полости 2 пар распределяется или сразу по пучку трубок 4 (фиг.2), или предварительно проходит паровой коллектор 11 (фиг.1) и достигает участка трубок 4, находящихся в контакте с ребрами 5 радиатора 6. Одновременно с этим происходит более полное заполнение жидкостной полости 3 испарителя 1 жидким теплоносителем, который вытесняется паром из пучка трубок 4 и парового коллектора 11. Пар, двигаясь в пучке трубок 4 в зоне оребрения радиатора 6, охлаждается и конденсируется. Выделившееся при этом тепло прогревает ребра 5 радиатора 6 и удаляется потоком воздуха, создаваемым вентилятором 7. Образовавшийся конденсат движется по трубкам 4 пучка в жидкостную полость 3 испарителя 1 (фиг.2) или сразу, или предварительно проходит через жидкостной коллектор 10 (фиг.1). В жидкостной полости 3 теплоноситель впитывается капиллярной структурой 8 и под действием капиллярных сил поступает в зону испарения, сопряженную с рабочей контактной поверхностью 9, рабочий цикл циркуляции теплоносителя замыкается. С ростом тепловой нагрузки равномерность прогрева радиатора 6 постоянно увеличивается. В продольном направлении пучка трубок 4 прогрев осуществляется за счет освобождения их от жидкости и интенсификации внутренних процессов теплообмена с ростом скорости циркуляции теплоносителя. В поперечном направлении к пучку трубок 4 равномерный прогрев радиатора 6 обеспечивается коллекторной схемой соединения. Максимальную эффективность устройство охлаждения имеет при больших нагрузках, соответствующих наибольшему освобождению трубок 4 пучка от жидкости в области радиатора 6, и, следовательно, максимально эффективному использованию площади оребрения радиатора 6 во внешнем теплообмене с охлаждающим потоком воздуха. Дополнительные радиаторы 18 и 19 отводят часть тепла, проникающего на противоположную сторону испарителя 1 через стенки испарителя и капиллярную структуру 8, и увеличивают эффективность устройства охлаждения за счет увеличения общей площади оребрения. Кроме того, за счет охлаждения жидкостной полости 3 радиатором 18 происходит более быстрое формирование разности температур между полостями 2 и 3, необходимой для начала циркуляции теплоносителя. В обоих вариантах охлаждающего устройства (фиг.1 и фиг.2) поток воздуха, создаваемый вентилятором 7, направлен от теплопринимающего устройства – испарителя и от охлаждаемого электронного элемента и не подогревает соседние с ним элементы.

Предложенное устройство охлаждения по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую эффективность за счет снижения общего термического сопротивления устройства благодаря применению испарителя плоской формы и повышения равномерности прогрева ребер радиатора, находящихся в контакте с пучком трубок конденсатора, выполненного по коллекторной схеме. Более высокая эффективность устройства позволяет также уменьшить его массу и понизить уровень шума за счет уменьшения частоты вращения вентилятора.

Формула изобретения

1. Охлаждающее устройство для элементов электроники, содержащее радиатор с ребрами, теплопринимающее устройство с плоской рабочей поверхностью, тепловую трубу, имеющую тепловой контакт с теплопринимающим устройством и с ребрами радиатора, и вентилятор, отличающееся тем, что тепловая труба выполнена в виде контура, а теплопринимающее устройство – в виде испарителя этой тепловой трубы, который содержит капиллярную структуру, и имеет паровую и жидкостную торцевые полости, соединенные между собой пучком трубок, к внешней поверхности которых прикреплены ребра радиатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что испаритель имеет плоскоовальное или прямоугольное поперечное сечение.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ребра радиатора выполнены из гофрированных лент, имеющих в вершинах сгибов полуцилиндрические выемки, которые плотно охватывают поверхности трубок пучка в собранном пакете лент навстречу вершинами друг к другу.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что испаритель снабжен дополнительным радиатором, укрепленным на поверхности противоположной его рабочей стороне.

5. Устройство по п.1 или 4, отличающееся тем, что дополнительный радиатор состоит из двух отдельных блоков, где первый блок расположен поверх рабочей зоны и паровой торцевой полости испарителя, а второй – на жидкостной торцевой полости.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубки пучка прямолинейны и соединены в плоский параллельный пучок трубчатыми коллекторами, которые в свою очередь соединены с паровой и жидкостной торцевыми полостями испарителя.

7. Устройство по п.1 или 6, отличающееся тем, что коллекторы примыкают к полостям своей боковой поверхностью вдоль большой оси поперечного сечения испарителя и имеют специальные вырезы, сообщающие внутренние объемы коллекторов и полостей.

8. Устройство по п.1 или 6, отличающееся тем, что коллекторы имеют изгиб на участке между пучком трубок и испарителем, а угол между плоскостями пучка трубок и испарителя находится в интервале 0÷180°.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубки пучка имеют подковообразный изгиб с прямым участком в центральной части, где расположен радиатор, и соединены своими концами с паровой и жидкостной торцевыми полостями испарителя.

10. Устройство по п.1 или 9, отличающееся тем, что прямолинейные участки трубок пучка находятся в одной плоскости, а угол ее сопряжения с плоскостью испарителя находится в интервале 0÷90°.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вентилятор крепится к радиатору трубного пучка со стороны, обращенной к испарителю, для создания потока воздуха в направлении радиатора трубного пучка.

РИСУНКИ