RU2731439C2

RU2731439C2 - Система охлаждения электронной системы

Info

Publication number: RU2731439C2
Application number: RU2018129654A
Authority: RU
Inventors: Константин Викторович Котельник
Original assignee: Константин Викторович Котельник; Котельник Сергей Викторович
Priority date: 2018-08-14
Filing date: 2018-08-14
Publication date: 2020-09-02
Also published as: RU2018129654A3; RU2018129654A

Abstract

Заявленное изобретение относится к системам охлаждения электронной системы при помощи жидкого теплоносителя. Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение эффективности теплообмена и снижение количества необходимого теплоносителя. Система охлаждения электронной системы состоит из: корпуса, частично заполненного жидким теплоносителем, и радиатора-охладителя, причем по меньшей мере один тепловыделяющий охлаждаемый элемент электронной системы частично погружен в жидкий теплоноситель; отвод тепла от упомянутого элемента производится за счёт образования паров, поступающих на радиатор-охладитель; конденсат теплоносителя поступает на не погружённую в теплоноситель часть упомянутого элемента и течёт вдоль него для охлаждения всего упомянутого элемента, при этом осуществляется разделение потоков паров теплоносителя и потока конденсата. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Заявленное изобретение относится к системам обработки информации и, в частности, к системам охлаждения электронной системы при помощи жидкого теплоносителя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Развитие электронных систем породило необходимость отвода тепла. Наиболее распространенным способом отвода тепла является обеспечение циркуляции воздуха. Воздушное охлаждение, при своей простоте, имеет существенные недостатки:

a) воздух является теплоизолятором (из-за низкой теплоёмкости), поэтому для отвода тепла, необходимо значительное его количество; b) для обеспечения циркуляции и охлаждения воздуха необходима дорогостоящая система вентиляции и охлаждения; c) для обеспечения циркуляции и охлаждения воздуха необходимо потрать электрическую энергию в размере 30% (в лучших вариантах - 10%) от объёма электрической энергии, потраченной на работу электронных систем; d) генерация тепла электронными устройствами не является равномерным по площади и постоянным по времени, поэтому наличие постоянного воздушного потока по площади и перепады температуры, иногда резкие, создают пыль, имеющую в своём составе токопроводящие частицы; e) для обеспечения циркуляции воздуха необходимы устройства (вентиляторы, турбины и т.п.), которые создают шум; f) не обеспечивается снижение адвективного сопротивления электрического тока в элементах электронной системы из-за разной температуры элементов электронных систем, размещённых на одной плате.

Наличие указанных недостатков и наращивание производительности электронных устройств, приводящее к увеличению производства тепла, создаёт потребность к изменению используемых систем охлаждения электронных систем. Альтернативой воздушной системы охлаждения является система охлаждения, которая для отвода тепла использует жидкость, как теплоноситель, имеющую значительно более высокую теплоёмкость (до 4000 раз). В настоящее время созданы и, в основном, активно используются системы жидкостного охлаждения электронных систем, основанные на двух принципах: подведение теплоносителя к радиаторам электронных компонентов с помощью трубопроводов (жидкостные); погружение электронных систем в теплоноситель (иммерсионные системы).

Указанные типы систем так же имеют недостатки, ограничивающие их применение. Для создания жидкостных систем необходимо система из: блока управления, специальных радиаторов, насосов, клапанов и трубопроводов, а охлаждение производится только отдельных элементов электронных систем, что: не приводит к уменьшению адвективного сопротивления и создает необходимость в системе вентиляции (пусть и меньшей мощности). Главными недостатками иммерсионных систем являются: большой объём дорогостоящего теплоносителя, обеспечение герметичности объёма и обеспечение циркуляции теплоносителя (при отсутствии естественной циркуляции).

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является построение систем охлаждения электронных систем (двухфазных с естественной циркуляцией – BFCG (Biphase, gravity-based circulation)), устраняющих недостатки иммерсионных систем, основанных на использовании следующих принципов:

I. Использование двух фаз теплоносителя (жидкость и пар). Этот принцип является необходимым из-за: большой теплоёмкости и теплоотдачи процессов парообразования и конденсации (изменением формы теплоносителя жидкость/пар и пар/жидкость), что увеличивает эффективность теплообмена (как между элементами электронных систем и теплоносителя, так и между теплоносителем и радиатором-охладителем). Это особенно важно из-за небольшого диапазона рабочих температур электронных систем (минимальная- 17 С°, максимальная- 75-80 С°);

II. Охлаждаемые электронные системы, должны быть ниже радиатора-теплообменника, чтобы использовать силу гравитации Земли дважды (подъем пара теплоносителя от охлаждаемых электронных систем к радиатору-теплообменнику и падением капель сконденсированного теплоносителя с радиатора-теплообменника на электронные системы);

III. Разведением потоков: паров теплоносителя и конденсата теплоносителя. Этот принцип является необходимым для повышения эффективности теплообмена: необходимо подвести конденсат теплоносителя минимально-возможной температуры и конденсацию на радиаторе-теплообменнике максимального количества теплоносителя;

IV. Использование минимально-необходимого количества теплоносителя. Для иммерсионных систем охлаждения необходимый объём теплоносителя определяется: габаритными размерами электронных систем и термодинамическими характеристиками элементами электронных систем и теплоносителя, а объём теплоносителя в BPGBC-системах охлаждения определяется только термодинамическими характеристиками теплоносителя и охлаждаемых электронных систем. Отсутствие ёмкости полностью заполненной жидкостью (теплоносителя) так же упрощает её конструкцию.

Также в заявленной системе может быть обеспечен переток теплоносителя по поверхности электронных систем за счет наклонного расположения электронных систем. Течение теплоносителя по электронной системе обеспечивает охлаждение всех элементов электронных систем. Использование в радиатора-охладителе пластин специальной формы позволит обеспечить образование и сброс капель конденсируемого теплоносителя в заданные точки.

Техническим результатом является упрощение конструкции и кардинальное снижение стоимости системы охлаждения электронных систем с одновременным повышением эффективности теплообмена и снижением количества необходимого теплоносителя.

Указанный технический результат достигается за счет создания системы охлаждения электронных систем, состоящей из: корпуса, частично заполненного жидким теплоносителем и радиатора-охладителя, отличающаяся тем, что: по меньшей мере один тепловыделяющий охлаждаемый элемент электронной системы частично погружен в жидкий теплоноситель; отвод тепла от упомянутого элемента производится за счёт образования паров, поступающих на радиатор-охладитель; конденсат теплоносителя поступает на непогружённую в теплоноситель часть упомянутого элемента и течёт вдоль него для охлаждения всего упомянутого элемента; при этом осуществляется разделение потоков паров теплоносителя и его конденсата.

Дополнительно система охлаждения электронных систем может быть выполнена с возможностью обеспечения образование и сброса конденсата теплоносителя в заданные точки системы охлаждения за счёт: формы пластин радиатор-охладителя и расположения радиатора-охладителя относительно охлаждаемых элементов электронных систем

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 – пример выполнения электронной системы.

На фиг. 2 – пример формы пластин радиатора-охладителя.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ

В соответствии со схемой, приведенной на фиг. 1, электронная система содержит: элементы 1 электронной системы с низкой теплогенерацией (материнские платы, блоки питания); тепловыделяющие охлаждаемые элемент 2 электронной системы; элементы электронной системы 3, которые необходимо размещать вне воздействия жидкостей или паров (накопители на жёстких дисках); а также систему охлаждения электронной системы, состоящую из корпуса, радиатора-охладителя 4 и жидкого теплоносителя 7.

Соответственно, тепловыделяющие охлаждаемые элемент 2 электронной системы, радиатор-охладитель 4 и жидкий теплоноситель 7 размещаются в корпусе системы охлаждения электронных систем, при этом по меньшей мере один тепловыделяющий охлаждаемый элемент 2 электронной системы частично погружен в жидкий теплоноситель. После включения электронной системы происходит нагрев жидкого теплоносителя (7) упомянутым тепловыделяющим охлаждаемым элементом 2. При нагреве до температуры кипения жидкий теплоноситель начинает испаряться, пары теплоносителя 6 поднимаются к радиатору-охладителю 4 и из-за температуры радиатора-охладителя 4 более низкой, чем температура кипения теплоносителя, происходит конденсация паров теплоносителя 5 с передачей тепла от теплоносителя на радиатор-охладитель 4.

После накопления конденсата теплоносителя в количестве, достаточном для отрыва капли, происходит падение сконденсированного теплоносителя 5 на непогружённую в теплоноситель часть упомянутого элемента 2, который течёт вдоль него для охлаждения всего упомянутого элемента 2. Для обеспечения конденсации на радиаторе-охладителе 4 максимального количества теплоносителя в системе охлаждения обеспечивается разделение потоков паров теплоносителя и его конденсата, например, посредством размещения средней наклонной перегородки 8. Пары теплоносителя 6, огибая среднюю наклонную перегородку 8, будут подниматься к радиатору-охладителю 4, в связи с чем предотвращается смешивание паров 6 с конденсатом.

Таким образом, за счет того, что тепловыделяющие охлаждаемые элементы 2 охлаждается как жидким теплоносителем, в который он частично погружен, так и поступающим на него конденсатом теплоносителя, а также обеспечивается естественная циркуляция жидкого теплоносителя внутри корпуса, повышается эффективность теплообмена между элементами электронной системы, а также упрощается конструкция системы охлаждения электронных систем. Кроме того, поскольку нет потребности погружать тепловыделяющие охлаждаемые элементы 2 в жидкий теплоноситель полностью, снижается количество требуемого теплоносителя для обеспечения охлаждение элементов электронной системы.

Для обеспечения более эффективной конденсации паров теплоносителя 6 в корпусе может быть размещена верхняя наклонная перегородка 8, а радиатор-охладитель может быть размещен под наклоном. Также более эффективную конденсацию паров теплоносителя 6 может обеспечить специальная форма пластин радиатора-охладителя 4, обеспечивающая каплеобразование конденсата теплоносителя в определённых местах радиатора-охладителя 4.

Например, плаcтина радиатора-охладителя 4 может быть выполнена в форме пятиугольника (см. фиг. 2), содержащего верхнее основание AB, боковые стороны AD и BC, и нижние стороны DE и CE, причем расстояние от точки E до основания АB меньше, чем расстояние от точек D и С до основание АВ, а длинна боковой стороны BC меньше длинны боковой стороны AD. Боковая сторона BC располагается к верхнему основанию AB под таким углом, чтобы обеспечить поступление паров теплоносителя по всей ее длине, прохождение паров вдоль пластины с образованием конденсата теплоносителя и концентрацию теплоносителя в точке D.Также пластина содержит отверстия для размещения в них трубопровода.

Дополнительно на среднюю наклонную перегородку 8 могут быть размещены элементы 1 электронной системы с низкой теплогенерацией. Соответственно, при падении части сконденсированного теплоносителя 5 на элементы 1 электронных систем с низкой теплогенерацией происходит их охлаждение, а вследствие наклона этих элементов происходит сток теплоносителя на тепловыделяющие охлаждаемые элемент 2 электронной системы, имеющие более высокую теплогенерацию. Вследствие попадания части сконденсированного потока теплоносителя 5 и стока теплоносителя с элементов 1 электронных систем с низкой теплогенерацией происходит нагрев жидкого теплоносителя тепловыделяющими охлаждаемыми элементами 2 с последующим испарением (производства пара) теплоносителя 6.

Для обеспечения равномерного охлаждения тепловыделяющих охлаждаемых элементов 2 электронной системы может использоваться наклон этих элементов 2, который формируется нижними наклонными перегородками 8. Отвод тепла от радиатора-охладителя (4) производится теплоносителя второго контура, который пропускается по трубопроводу радиатора-охладителя.

В составе электронных систем могут быть элементы 3, которые невозможно располагать в зонах возможного воздействия жидкостей или их паров. Чтобы не увеличивать общие габаритные размеры устройств элементы электронных систем 3 возможно располагать под нижней или над верхней наклонной перегородками 8. Оптимальные углы наклонов перегородок и форма пластин определяются исходя из термодинамических характеристик теплоносителя, габаритов и термодинамических характеристик элементов электронных систем.

Claims

1. Система охлаждения электронной системы, состоящая из корпуса, частично заполненного жидким теплоносителем, и радиатор-охладителя, отличающаяся тем, что по меньшей мере один тепловыделяющий охлаждаемый элемент электронной системы частично погружен в жидкий теплоноситель; отвод тепла от упомянутого элемента производится за счёт образования паров, поступающих на радиатор-охладитель; конденсат теплоносителя поступает на не погружённую в теплоноситель часть упомянутого элемента и течёт вдоль него для охлаждения всего упомянутого элемента, при этом осуществляется разделение потоков паров теплоносителя и потока конденсата.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что обеспечивается образование и сброс конденсата теплоносителя в заданные точки системы охлаждения за счёт формы пластин радиатор-охладителя и расположения радиатор-охладителя относительно охлаждаемых элементов электронных систем.