Теплообменник охлаждения компьютерных систем
1. Объект технического решения относится к теплообменникам снятия и отвода избыточного тепла для охлаждения, и обеспечения необходимых температурных режимов работы компьютерных устройств.
2. Область применения: электрические устройства, особенно электронные, компьютерные и радиоэлектронные устройства.
3. Суть технического решения: Теплообменник охлаждения компьютерных систем имеет цилиндрическую полость, сообщенную с подводом и отводом охлаждающей среды посредством патрубков. Полость ограничена теплопроводным основанием со множеством перпендикулярных к ней штырей и крышкой.
Штыри выполнены коническими и размещены равномерно, прилегая к крышке своими меньшими основаниями.
Особенно эффективно устройство работает, если штыри размещены на основании группами в виде отдельных секторов. При этом вертикальная ось одного патрубка пересечена с первой половиной диаметральной линии основания, расположенной между двумя параллельными рядами штырей. Вертикальная ось другого патрубка пересечена с другой половиной той же диаметральной линии основания, на которой на и вдоль ее размещен один ряд штырей.
Штыри могут быть размещены на основании равномерными группами в виде трех отдельных равных секторов. Причем на и вдоль каждого радиуса раздела основания на указанные секторы размещен один ряд штырей.
Радиус, который размещен вдоль и между двумя параллельными рядами штырей, является осью симметрии каждого сектора. 5. Технический результат: снижение гидравлического сопротивления при повышении турбулентности охлаждающей среды за счет оптимизации геометрии и размещения штырей на основании, а также обеспечение прочности и жесткости устройства в работе вместе с высокой технологичностью его изготовления также за счет оптимизации геометрии.
1 н.п. ф-лы; 3 з.п. ф-лы; ил.; 1 пр.
Заявляемое техническое решение относится к устройствам снятия и отвода избыточного тепла для охлаждения электрических устройств, в том числе электронных, и, особенно, к теплообменникам, обеспечивающим необходимые температурные режимы работы компьютерных и радиоэлектронных устройств.
Широко известны применяемые в энергетике малоразмерные теплообменники, у которых собственно теплообменный узел имеет основание с множеством выступов или ребер самой разнообразной формы, предназначенных для передачи тепла в окружающую теплоотводящую среду, в частности газ или жидкость.
Из описания к патенту Украины №59101, принадлежащего ЗАТ "Консультацiйна компанiя "Енергетичний консалтинг", известен охладитель процессоров электронных устройств (заявлен 20.01.2003, публикация от 15.08.2003, кл. МПК7 Н05К 7/20).
Охладитель представляет собой замкнутую систему и включает в себя металлический контейнер с патрубками подвода и отвода охлаждающей среды, например, жидкости. Основание контейнера имеет прямоугольную, в частности, квадратную форму. В качестве средства обеспечения теплообмена охлаждающей среды основание содержит множество выполненных на нем четырехгранных штырей.
Штыри размещены на основании четырьмя симметричными группами относительно горизонтальной и вертикальной осей координат и равномерно между собой Они закреплены на основании перпендикулярно к последнему и омываются проходящей поверх охлаждающей средой, например жидкостью. Вход жидкости обеспечивается через входной патрубок в одном углу прямоугольного основания контейнера, выход - через выходной патрубок в противоположном по диагонали углу.
Для подачи жидкости в системе предусмотрен насос, а для ее охлаждения - внешний радиатор.
Известное устройство несомненно работоспособно и выполняет функцию охлаждения, например, процессоров электронных устройств. Однако в силу размещения отбирающих тепло штырей на четырехугольном основании с прохождением жидкости из одного угла к другому по диагонали не обеспечивается равномерный съем тепла с остальных штырей в двух других углах, а, следовательно, известное устройство недостаточно эффективно.
Близкий принцип используется в устройстве теплообменника согласно декларационному патенту Украины №47769, принадлежащему HТУ "Киевский политехнический институт" (заявлен 10.09.2001, опубликован 15.07.2002, кл. МПК6 Н05К 7/20).
Это известное устройство в первых двух примерах его выполнения представляет из себя цилиндр, разделенный на верхнюю и нижнюю полости посредством пересечения плоской перегородкой. Верхняя часть, как патрубок, предназначена для циркуляции охлаждающей среды.
В нижней части устройства указанная перегородка цилиндра, как верхнее основание, образует совместно с продолжением стенки упомянутого цилиндра замкнутую съемную цилиндрическую крышку из капиллярно-пористого материала.
Снизу цилиндрическая крышка установлена на четырехугольное теплопроводное основание, предназначенное для установки на объект теплосъема.
При этом своей нижней кольцевой кромкой указанная капиллярно-пористая цилиндрическая крышка сверху и вокруг ограничивает круглую донную часть этого основания крепления.
В обоих примерах именно эта круглая донная часть основания осуществляет отвод тепла, как часть теплопроводного четырехугольного основания, поскольку на поверхности этой круглой части донного основания и заодно с ним, внутри цилиндрической крышки, выполнено или множество выступов типа радиальных ребер, или множество отдельных игольчатых или цилиндрических штырей. Они размещены перпендикулярно к поверхности этой круглой донной части и своими вершинами соприкасаются с верхним основанием цилиндрической крышки.
В показанных примерах выполнения и штыри, и ребра предлагается выполнять из капиллярно-пористого материала. Предполагается, что цилиндрический корпус выполнен в виде замкнутой крышки, но сообщен через поры с подводом и отводом охлаждающей среды. Снизу показан тепловой поток Q от объекта съема тепла и его охлаждения.
При этом сверху через один общий цилиндрический патрубок, соосный со своей нижней частью - основанием и донной частью со штырями или ребрами, осуществляется подвод-отсасывание охлаждающей среды. Следует отметить, что технические признаки средств подвода - отвода охлаждающей среды в данном известном устройстве конструктивно не конкретизированы.
Описанное выше устройство по декларационному патенту №47769 в примере, где выделено круглое основание со множеством перпендикулярно расположенных относительно последнего штырей в виде тел вращения, в частности в виде трубчатых цилиндров, принято авторами в качестве прототипа.
Именно последнее техническое решение достаточно близко по конструкции заявляемому, хотя можно предполагать, что капиллярно - пористые стенки цилиндрического корпуса только ухудшают теплообмен. Кроме того, известное устройство недостаточно технологично и трудоемко в производстве, если выполнять упомянутые штыри и часть устройства дополнительно из пористо-капиллярного материала. Тем не менее оно рассматривается авторами как наиболее близкое по постановке задачи, техническому результату и общности существенных признаков, а, главное, как устройство, которое может быть далее усовершенствовано.
Перед авторами стояла задача создать такой теплообменник, который при его применении для охлаждения, в частности, компьютерных систем, обеспечивал бы, будучи компактным, высокую функциональную эффективность охлаждения.
При этом указанный технический результат логически зависит от нескольких взаимосвязанных между собою технических результатов, а именно:
- обеспечение снижения гидравлического сопротивления при повышении турбулентности охлаждающей среды за счет оптимизации геометрии и расположения штырей на основании;
- обеспечение прочности и жесткости устройства в работе при высокой технологичности его изготовления также за счет оптимизации геометрии.
Поставленная задача решатся тем, что в известном теплообменнике охлаждения компьютерных систем, содержащем круглое основание с множеством перпендикулярных к последнему штырей, касательно размещенных относительно цилиндрической крышки, и средства подвода и отвода охлаждающей среды, произведено усовершенствование.
Усовершенствование состоит в том, что указанные штыри выполнены коническими, в частности в виде отдельных усеченных конусов. Такая оптимизация их геометрии решает вопрос технологичности при отливке основания заодно со штырями.
Указанные штыри располагаются касательно своими малыми основаниями относительно цилиндрической крышки.
При этом средства подвода и отвода охлаждающей среды выполнены в крышке в виде параллельных ее вертикальной оси двух отдельных патрубков, размещенных диаметрально противоположно друг относительно друга.
Повышение турбулентности охлаждающей среды обеспечивается особенно эффективно, если штыри размещены на основании равномерно, одинаковыми группами в нечетном количестве в виде отдельных секторов между линий радиусов.
При этом все отдельные детали - основание со штырями, корпус-крышка предпочтительно выполнять из одного и того же материала, чтобы избежать значительного влияния термического воздействия на места их соединения.
Заявляемое техническое решение иллюстрируется фигурами, где на;
- Фиг.1 представлен общий вид заявляемого теплообменника охлаждения компьютерных систем в сборе;
- Фиг.2 показаны отдельные детали как обязательные входящие перед сборкой заявляемого теплообменника;
- Фиг.3 дан вид сверху на основание заявляемого теплообменника со штырями, размещенными тремя одинаковыми секторами, причем показаны проекции двух патрубков подвода и отвода, размещенных на общей диаметральной линии и симметрично между собой, но над разными группами штырей;
- Фиг.4 показано диаметральное сечение А-А основания, проходящее через середину одного сектора до вертикальной оси, т.е. на одной радиальной части, а затем на другой радиальной части, проходящей по линии раздела двух остальных секторов, пересекающей ряд указанных штырей;
- Фиг.5 дан вид сверху по стрелке С Фиг.2 на крышку теплообменника;
- Фиг.6 показана крышка теплообменника в диаметральном сечении Б-Б.
Предлагаемое техническое решение теплообменника компьютерных систем представлено на конкретном примере его выполнения, а именно:
- теплообменник (см. фиг.1) имеет основание 1, выполненное в основном в виде круглого диска, нижняя поверхность 2 основания которого предназначена для необходимого теплосъема.
- Верхняя поверхность 3 основания 2 покрыта множеством перпендикулярных к ней штырей 4, выполненных заодно с основанием. 2.
Штыри 4 размещены между собой равномерными группами, в данном частном случае в виде трех одинаковых секторов основания, т.е. в 120° каждый.
Радиусы 5 раздела между секторами выбраны условно пересекающими вертикальные оси ряда штырей 4, размещенных вдоль каждого из трех упомянутых радиусов раздела. С тем же успехом можно было бы принять радиусами раздела секторов те, которые проходят между двумя соседними рядами штырей 4 на равном расстоянии от них,
Как видно на фигурах, верхние поверхности 6 каждого штыря меньше места его присоединения к поверхности 3 основания 1, т.е. штыри выполнены в виде усеченных конусов, Это облегчает выполнение основания 2 отливкой или штамповкой.
Основание 1 покрыто крышкой 7. Обе детали скреплены между собой таким образом, чтобы верхние поверхности 6 конических штырей 4 прилегали к внутренней поверхности 8 крышки 7. В крышке 7 выполнены друг другу диаметрально противоположно относительно ее вертикальной оси два отверстия 9 и 10, куда введены с уплотнениями 11 и 12 два патрубка 13 отвода и 14 подвода охлаждающей жидкости.
В оптимальном варианте вертикальная ось патрубка 14 подвода пересечена с радиусом или половиной диаметра основания 1 и проходит через оси штырей 4, а вертикальная ось патрубка 13 отвода пересечена с другой половиной диаметра основания 1 между двумя рядами штырей 4. Это позволяет оптимизировать проходящий поток охлаждающей жидкости за счет ее турбулентности. На Фиг.3 условно отмечены проекции патрубков на поверхность 3 основания 1 со штырями 4
Таким образом охлаждающая среда подводится от любого источника к патрубку 14, сталкивается с рядами штырей 4, особенно теми, что размещены по радиусу основания, который пересекает ось патрубка 14. Поток турбулизуется и тем самым расходится по поверхности 3 основания 1, омывая его штыри и осуществляя теплосъем. Далее охлаждающая среда проходит, в частности, между рядами штырей 4 к выходному патрубку 13 на выход для отдачи тепла уже от охлаждающей среды любым известным способом.
Устройство испытано на опытных образцах и показало стабильную эффективность теплосъема высоконагруженных электронных, в частности компьютерных систем при обеспечении технологичности его изготовления.:
1. Теплообменник охлаждения компьютерных систем, цилиндрическая полость которого содержит теплопроводное основание со множеством перпендикулярных к последнему штырей, размещенных равномерно и касательно к цилиндрической крышке, и средства циркуляции охлаждающей среды, отличающийся тем, что указанные штыри выполнены коническими и размещены касательно относительно крышки своими малыми основаниями.
2. Теплообменник охлаждения компьютерных систем по п.1, отличающийся тем, что средства циркуляции выполнены в виде двух отдельных патрубков в крышке, один для подвода, а другой для отвода охлаждающей среды, размещенных диаметрально противоположно друг другу, а их вертикальные оси параллельны вертикальной оси устройства.
3. Теплообменник охлаждения компьютерных систем по п.2, отличающийся тем, что штыри размещены на основании группами в виде отдельных секторов, при этом вертикальная ось одного патрубка пересечена с первой половиной диаметральной линии основания, расположенной между двумя параллельными рядами штырей, а вертикальная ось другого патрубка пересечена с другой половиной диаметральной линии основания, на и вдоль которой размещен один ряд штырей.
4. Теплообменник охлаждения компьютерных систем по п.3, отличающийся тем, что штыри размещены на основании равномерными группами в виде трех отдельных равных секторов, причем на и вдоль каждого радиуса раздела основания на сектора размещен один ряд штырей, а радиус, являющийся осью симметрии каждого сектора, размещен вдоль и между двумя параллельными рядами штырей.
