Устройство для охлаждения процессора

Предлагаемая полезная модель относится к средствам для обеспечения требуемых тепловых режимов работы элементов радиоэлектронной аппаратуры, в частности, процессоров с высоким тепловыделением. Задачей полезной модели является повышение эффективности термостабилизации процессора. Устройство для охлаждения процессора содержит контейнер с плавящимся веществом, предназначенный для контакта с одной стороны с процессором, а с другой стороны имеющий радиатор, и средство для охлаждения, расположенное со стороны радиатора. В качестве плавящегося вещества использован теплоаккумулирующий материал (ТАМ) с теплотой плавления больше 200 Дж/г. Устройство позволяет стабильно поддерживать температуру процессора на требуемом уровне, который задается путем подбора ТАМ с необходимой температурой плавления.

Предлагаемая полезная модель 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 рабочим веществом.

В качестве примеров таких устройств 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, а также средство 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).

В известном устройстве используемое плавящееся вещество имеет низкую теплоту плавления, и его температура в процессе работы не остается постоянной, а колеблется относительно температуры плавления в некотором диапазоне, что отрицательно сказывается на термостабилизации процессора.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности термостабилизации процессора.

Поставленная задача решается тем, что устройство для охлаждения процессора содержит контейнер с плавящимся веществом, предназначенный для контакта с одной стороны с процессором, а с другой стороны имеющий радиатор, и средство для охлаждения, отличающееся тем, что в качестве плавящегося вещества использован теплоаккумулирующий материал (ТАМ) с теплотой плавления больше 200 Дж/г, а средство для охлаждения расположено со стороны радиатора.

Применение теплоаккумулирующих материалов (ТАМ) с теплотой плавления больше 200 Дж/см³ позволяет стабильно поддерживать температуру процессора на требуемом уровне, который задается путем подбора ТАМ с необходимой температурой плавления и тем самым избежать выпадения «росы».

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. Этим обеспечивается термостабилизация и повышается надежность процесса охлаждения. Данные материалы широко известны, доступны и применяются в строительстве и ж/д транспорте. Особенно широко применяются ТАМ на основе неорганических соединений - кристаллогидратов. Они входят в состав тепловых аккумуляторов, незаменимых для холодного запуска зимой двигателей автомобилей, тракторов, маневровых тепловозов, при этом существенно экономят топливо.

В предложенном устройстве теплоаккумулирующий материал представляет собой кристаллогидрат соли неорганической кислоты с температурой плавления от 32 до 42ºС.

При этом средство для охлаждения представляет собой вентилятор.

Кроме того, контейнер с ТАМ может быть снабжен источником и приемником светового излучения, установленными с возможностью передачи оптического сигнала через ТАМ и передачи сигнала на включение или выключение средства для охлаждения, например, вентилятора при изменении интенсивности оптического сигнала при смене фазового состояния ТАМ.

Указанное выполнение обеспечивает термостабилизацию процессора путем включения и выключения вентилятора, которое происходит вследствие смены фазовых состояния ТАМа, имеющего свою собственную температуру плавления.

Сущность полезной модели поясняется с помощью фиг.1, на котором изображена схема предлагаемого устройства.

В таблице приведена характеристика некоторых кристаллогидратов, используемых в качестве ТАМ.

Предлагаемое устройство содержит контейнер 1 с ТАМ, который с одной стороны плотно прижат к процессору 2, а с другой взаимодействует со средством охлаждения, в качестве которого может быть использован вентилятор 3, устанавливаемый около задней стенки контейнера 1. Для интенсификации процесса отвода тепла от контейнера 1 последний имеет на задней стенке перед вентилятором 3 радиатор 4 с теплопроводящими ребрами.

Контейнер 1 снабжен источником и приемником светового излучения - светодиодом 5 и фотодиодом 6, установленными с возможностью передачи оптического сигнала от светодиода 5 к фотодиоду 6 через ТАМ. При смене фазового состояния ТАМ происходит передача сигнала на включение или выключение вентилятора 3.

В контейнере 1 выполнены два ряда закрепленных на его противоположных стенках теплопроводящих ребер 7. Ребра 7 одного ряда входят в зазоры между ребрами 7 другого ряда. В ребрах 7 выполнены отверстия по оптической оси, проходящей от светодиода 5 к фотодиоду 6.

Ниже приведен пример работы устройства.

В качестве ТАМа выбрана кальциевая селитра Са(NО₃) ₂·4Н₂О, с температурой плавления 40ºС (согласно таблице ТАМ-40). Таким образом, температура как процессора 2, так и радиатора 4 будет поддерживаться на уровне 40ºС. Мощность процессора составляет 10 Вт.

Включение и работа процессора 2 проходят при нормальной температуре помещения (+20ºС). Изготовленный из меди контейнер 2 практически без потерь передает тепло кристаллогидрату ТАМ-40. С момента включения процессора начинается разогрев ТАМ до 40ºС, а далее начинается его плавление при этой температуре. Например, при объеме ТАМ-40 равном 150 см³ на процесс плавления затрачивается энергии в 123,3 кДж. При средней тепловой мощности процессора 10 Вт процесс расплавления займет почти 3,5 часа. 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 5 - фотодиод 6 для управления началом и окончанием процесса затвердевания и расплавления. Световой луч от светодиода 5 к фотодиоду 6 проходит внутри контейнера 1 через соосные отверстия в теплопроводящих ребрах 7. Световая фиксация прозрачности ТАМ-40 означает завершение плавления, и дает команду на включение вентилятора 3, вследствие чего начинается интенсивное охлаждение радиатора 4 воздухом, имеющим температуру окружающей среды, и начинается процесс затвердевания ТАМ. Далее процессы повторяются с определенной цикличностью, при этом температура контейнера 1 с ТАМ-40 сохраняется постоянной, равной 40ºС. Следует отметить, что в работе процессора 1 его мощность может изменяться, поэтому строгой цикличности в процессах включения-выключения вентилятора 3 нет.

Предлагаемое устройство компактно и просто в изготовлении и может особенно эффективно использоваться для термостабилизации процессоров «домашних» ПК с небольшой мощностью.

Таблица.
Характеристики кристаллогидратов и солей - теплоаккумулирующих материалов (ТАМ)
	Химическое название кристаллогидрата	Химическая формула кристаллогидрата	Плотность г/см3	Температура плавления ºC	Теплота плавления	Условное название
Дж/г	Дж/см3
1	Натрия сульфат	Na 2SO4·10H2O	1,554	32	251,4	390,7	ТАМ-32
2	Натрия карбонат	Nа2СО3·10H2О	1,442	32-36	247,6	357	ТАМ-34
3	Натрий фосфорнокислый	Na2HPO4·12H2O	1,45	35,2	279,6	405,4	ТАМ-35
4	Кальций азотнокислый	Ca(NO3)2·4H2O	1,826	39-42	450	822	ТАМ-40
5	Натрия тиосульфат	Na2S2O3·5H2O	1,715	48,5	204	350	ТАМ-48
6-1	90%	Ацетат натрия	10%H 2O	(СН3СОO)Nа·3Н2O	1,405	52	290	407,5	ТАМ-52
6-2	95%	+5%H2O	1,43	58	220	319	ТАМ-58
7	Сегнетовая соль	KNaC4H4О6·4Н2 О	1,79	70-80	181,4	324,7	ТАМ-75
8	Бария гидроксид	Ba(OH)2·8H2O	2,18	78	266,7	580	ТАМ-78
9	Галун алюмокалиевый	KAl(SO4)2·12H2O	1,75	92	254,3	445	ТАМ-92
10	Соль хлорид алюминия	АlСl3	2,48	192	2801	6946	ТАМ-192

1. Устройство для охлаждения процессора, содержащее контейнер с плавящимся веществом, предназначенный для контакта с одной стороны с процессором, а с другой стороны имеющий радиатор, и средство для охлаждения, отличающееся тем, что в качестве плавящегося вещества использован теплоаккумулирующий материал (ТАМ) с теплотой плавления больше 200 Дж/г, а средство для охлаждения расположено со стороны радиатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнер с ТАМ снабжен источником и приемником светового излучения, установленными с возможностью передачи оптического сигнала через ТАМ и передачи сигнала на включение или выключение средства для охлаждения при изменении интенсивности оптического сигнала при смене фазового состояния ТАМ.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплоаккумулирующий материал представляет собой кристаллогидрат соли неорганической кислоты с температурой плавления от 32 до 42ºС.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство для охлаждения представляет собой вентилятор.