RU49607U1

RU49607U1 - CPU COOLING DEVICE

Info

Publication number: RU49607U1
Application number: RU2005120344/22U
Authority: RU
Inventors: В.С. Верба; В.А. Гандурин; А.А. Алексеев
Original assignee: Верба Владимир Степанович; Гандурин Виктор Александрович; Алексеев Александр Анатольевич
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2005-11-27

Abstract

Устройство относится к вычислительной техники, в частности, к устройствам охлаждения центрального процессора (CPU), видеокарты и т.п. Устройство охлаждения процессора, содержащее радиатор, состоящий из медного основания с внутренними продольными отверстиями, вход и выход которых соединен с тепловыми трубками, отличающееся тем, что в него дополнительно введены клапан, выход которого соединен с входом тепловых трубок, теплообменник, выход которого соединен с входом клапана, а выход тепловых трубок - с входом теплообменника, кроме того, в качестве основания радиатора используется подложка из окиси алюминия Al₂O₃ с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками.The device relates to computing, in particular, to cooling devices of a central processing unit (CPU), video card, etc. A processor cooling device comprising a radiator consisting of a copper base with internal longitudinal openings, the input and output of which is connected to heat pipes, characterized in that a valve is further introduced into it, the output of which is connected to the input of the heat pipes, a heat exchanger whose output is connected to the input valve, and the output of heat pipes - to an input of the heat exchanger, in addition, as used radiator base substrate of Al ₂ O ₃ aluminum oxide with a plurality longitudinal holes are connected with thermal logging.

Description

Устройство относится к вычислительной техники, в частности, к устройствам охлаждения центрального процессора (CPU), видеокарты и т.п.The device relates to computing, in particular, to cooling devices of a central processing unit (CPU), video card, etc.

С ростом вычислительной мощности современные процессоры потребляют все больше и больше энергии. Основная ее часть выделяется в виде тепла. Этот непрерывный тепловой поток можно отбирать только через ограниченную площадь процессорного ядра. Производители стараются бороться с потреблением энергии и тепловыделением переходом на более низкие напряжения питания и технологические нормы. С уменьшением микронных норм производства потребление мощности действительно уменьшается, однако уменьшается и площадь кристалла самого ядра, что в свою очередь, ведет к увеличению плотности теплового потока. И хоть тепла становиться меньше, но снизится ли температура внутри ядра меньшей площади - это уже под вопросом. С увеличением интеграции и уменьшением площади чипа отвод тепла с его поверхности становится все более трудной задачей. Здесь требуются специальные материалы и теплоносители. Неизменный рост тактовых частот предполагает неизбежное увеличение тепловыделения CPU в дальнейшем. Для процессоров с тактовыми частотами, превышающими 2 ГГц, рекомендуются coolers (вентиляторы) с радиаторами из меди, либо хотя бы с медной подошвой на алюминиевом радиаторе.With the growth of computing power, modern processors consume more and more energy. Its main part is released in the form of heat. This continuous heat flux can only be taken through a limited area of the processor core. Manufacturers are trying to deal with energy consumption and heat by switching to lower supply voltages and technological standards. With a decrease in micron production rates, power consumption actually decreases, but the crystal area of the core itself decreases, which in turn leads to an increase in heat flux density. And although the heat becomes less, but whether the temperature inside the core of a smaller area will decrease is already in question. With increasing integration and decreasing chip area, heat removal from its surface becomes an increasingly difficult task. Special materials and coolants are required here. A constant increase in clock frequencies suggests an inevitable increase in CPU heat in the future. For processors with clock speeds exceeding 2 GHz, coolers (fans) with copper radiators, or at least with a copper sole on an aluminum radiator, are recommended.

В случае охлаждения системы жидкостью с использованием радиаторов ситуация коренным образом меняется. Охлаждающая жидкость циркулирует в изолированном пространстве - по гибким трубкам малого диаметра. В отличие от воздушных магистралей, трубкам для жидкости можно задать практически любую конфигурацию и направление. Занимаемый ими объем гораздо меньше, чем воздушные каналы при такой же или гораздо большей эффективности.In the case of cooling the system with liquid using radiators, the situation changes radically. Coolant circulates in an isolated space - through flexible tubes of small diameter. Unlike airways, fluid tubes can be configured with virtually any configuration and direction. The volume they occupy is much less than the air ducts at the same or much greater efficiency.

Известны устройства жидкостного охлаждения. Наиболее близким к описываемому техническому решению является устройство с использованием тепловых трубок, производимых фирмами Auras (CoolEngine-Т6С) (www.auras.com.tw), Poseidon(WCL-02) (www.3rsystem.co.kr), Thermalright (www.thermalright.com) (прототип), содержащее радиатор, состоящий из медного основания с внутренними Known liquid cooling devices. Closest to the described technical solution is a device using heat pipes manufactured by Auras (CoolEngine-T6C) (www.auras.com.tw), Poseidon (WCL-02) (www.3rsystem.co.kr), Thermalright (www .thermalright.com) (prototype) containing a radiator consisting of a copper base with internal

продольными отверстиями, вход и выход которых соединен с тепловыми трубками, и на котором установлены медные ребра. При этом каждое ребро соприкасается с трубкой довольно обширной площадью. Для этого отверстия в ребрах имеют специальные "лепестки", которые плотно охватывают трубку. Что касается основания, то качество его обработки очень хорошее.longitudinal holes, the input and output of which is connected to the heat pipes, and on which copper fins are installed. Moreover, each rib is in contact with the tube over a fairly large area. For this, the holes in the ribs have special “petals” that tightly enclose the tube. As for the base, the quality of its processing is very good.

Вода или другие подходящие для охлаждения жидкости отличаются хорошей теплопроводностью и большой теплоемкостью. Циркулирующий хладаген обеспечивает гораздо лучший теплоотвод, чем поток воздуха. Это дает не только более низкую температуру охлаждаемых элементов, но и сглаживает резкие перепады температуры работающих в переменных режимах устройств.Water or other liquids suitable for cooling are characterized by good thermal conductivity and high heat capacity. Circulating refrigerant provides much better heat dissipation than air flow. This gives not only a lower temperature of the cooled elements, but also smoothes out sudden temperature changes in devices operating in variable modes.

Типичный жидкостный радиатор для процессора гораздо меньше любого применяемого на сегодняшний день cooler. Радиатор небольшого теплообменника может быть сравним с размерами крупного процессорного кулера. Трубки не занимают много места внутри корпуса, и им не мешают все те неровности и выступающие элементы, которые критичны для потока воздуха.A typical liquid cooler for a processor is much smaller than any cooler in use today. The radiator of a small heat exchanger can be compared with the size of a large processor cooler. The tubes do not take up much space inside the case, and they are not disturbed by all those irregularities and protruding elements that are critical to the air flow.

Спроектированная определенным образом система жидкостного охлаждения не только превосходит по эффективности воздушный cooler, но и отличается более компактными размерами.The liquid cooling system, designed in a certain way, not only surpasses the air cooler in efficiency, but also has a more compact size.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность охлаждения, а также значительный объем медных ребер.The disadvantage of this device is the low cooling efficiency, as well as a significant amount of copper fins.

Цель полезной модели - повышение эффективности теплообмена жидкостного радиатора для охлаждения центрального процессора (CPU).The purpose of the utility model is to increase the heat exchange efficiency of a liquid radiator for cooling a central processing unit (CPU).

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее радиатор, состоящий из медного основания с внутренними продольными отверстиями, вход и выход которых соединен с тепловыми трубками, дополнительно введены клапан, выход которого соединен с входом тепловых трубок, теплообменник, выход которого соединен с входом клапана, а выход тепловых трубок - с входом теплообменника, кроме того, в качестве основания радиатора используется подложка из окиси алюминия Аl₂O₃ с множеством продольных отверстий, соединенных с тепловыми трубками.This goal is achieved by the fact that in the device containing a radiator consisting of a copper base with internal longitudinal holes, the inlet and outlet of which is connected to the heat pipes, a valve is introduced, the output of which is connected to the input of the heat pipes, a heat exchanger, the output of which is connected to the valve inlet and the output of the heat pipes is with the inlet of the heat exchanger; in addition, an aluminum oxide substrate Al ₂ O ₃ with many longitudinal openings connected to the heat pipes is used as the radiator base.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними, также нового конструктивного элемента. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».Comparison with the prototype shows that the inventive device is characterized by the presence of new blocks and their connections between them, also a new structural element. Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что добавление блоков и конструктивного элемента приводит к решению новой задачи повышения эффективности теплообмена. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».A comparison of the proposed solution with other technical solutions shows that the addition of blocks and a structural element leads to the solution of a new problem of increasing heat transfer efficiency. This confirms the conformity of the technical solution to the criterion of "significant differences".

На фиг.1 представлен общий вид рассматриваемого устройства, на фиг.2 показана общая блок-схема устройства, а на фиг.3 - строение подложки радиатора.Figure 1 presents a General view of the considered device, figure 2 shows a General block diagram of the device, and figure 3 - the structure of the substrate of the radiator.

Устройство включает: подложку радиатора 1, теплообменник 2, клапан 3, «тепловые» трубки 4.The device includes: a radiator substrate 1, a heat exchanger 2, a valve 3, “heat” tubes 4.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В данном устройстве используется принцип испарителя, создающего направленное давление для движения охлаждающего вещества, в качестве которого используется специальный хладагент (жидкость с низкой точкой кипения). Все компоненты конструкции соединены между собой гибкими трубками. Сначала, в холодном состоянии радиатор 1 и магистрали заполнены жидкостью. Но когда радиатор процессора нагревается выше определенной температуры, жидкость в нем превращается в пар. При этом сам процесс превращения в пар поглощает дополнительную энергию в виде тепла, а значит, повышает эффективность охлаждения. Горячий пар создает давление и старается покинуть пространство радиатора процессора. Через односторонний клапан 3 пар может выйти только в одну сторону: двигаться в радиатор теплообменника 2. Попадая в радиатор теплообменника 2, пар вытесняет оттуда холодную жидкость в радиатор процессора, а сам остывает и превращается вновь в жидкость. Таким образом, хладагент в чередующихся фазах жидкость-пар постоянно циркулирует по замкнутой системе трубопровода, пока радиатор горячий. Энергией для движения здесь является само тепло, выделяемой охлаждаемым элементом.This device uses the principle of an evaporator, which creates a directional pressure for the movement of the coolant, which is used as a special refrigerant (liquid with a low boiling point). All components of the structure are interconnected by flexible tubes. First, in the cold state, the radiator 1 and the lines are filled with liquid. But when the processor heat sink is heated above a certain temperature, the liquid in it turns into steam. Moreover, the process of conversion into steam absorbs additional energy in the form of heat, which means it increases the cooling efficiency. Hot steam creates pressure and tries to leave the processor heat sink space. Through a one-way valve 3, steam can escape only in one direction: move into the heat exchanger heat sink 2. Once it enters the heat exchanger heat sink 2, the steam displaces cold liquid from there into the processor heat sink, and it cools down and turns back into liquid. Thus, the refrigerant in alternating phases of liquid-vapor is constantly circulating through a closed pipeline system while the radiator is hot. The energy for movement here is the heat itself generated by the cooled element.

В качестве нового конструктивного элемента (подложка радиатора 1) (фиг.3) взят по специально выращенной технологии [1] монокристалл Аl₂О₃ (сапфир) с микроканальными теплообменниками, обладающий высочайшей теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью алмаза. Микроканалы имеют диаметр порядка 50 микрон и образуются армированием выращиваемого кристалла кремнием с последующим его удалением (вытравливанием). Такая подложка позволяет снять до 25 Вт/см² тепловой мощности и обладает уникальным сочетанием физико-химических свойств: высокой твердостью, химической инертностью, высокой температурой плавления (2050°С), низким термическим расширением при высоких температурах и высокой стойкостью к термоударам.As a new structural element (radiator substrate 1) (Fig. 3), a single crystal Al ₂ O ₃ (sapphire) with microchannel heat exchangers, having the highest thermal conductivity comparable to the thermal conductivity of diamond, was taken according to specially grown technology [1]. Microchannels have a diameter of about 50 microns and are formed by reinforcing the grown crystal with silicon, followed by its removal (etching). This substrate allows you to remove up to 25 W / cm ² thermal power and has a unique combination of physico-chemical properties: high hardness, chemical inertness, high melting point (2050 ° C), low thermal expansion at high temperatures and high resistance to thermal shock.

Таким образом, предложенная циркуляционная система с использованием специально выращенной подложки с микроканальными теплообменниками значительно повышает эффективность теплообмена для охлаждения центрального процессора.Thus, the proposed circulation system using a specially grown substrate with microchannel heat exchangers significantly increases the heat transfer efficiency for cooling the central processor.

Источники информации:Sources of information:

1. Проспект института физики твердого тела российской академии наук.1. Prospectus of the Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences.

Claims

A processor cooling device comprising a radiator consisting of a copper base with internal longitudinal openings, the input and output of which is connected to heat pipes, characterized in that a valve is further introduced into it, the output of which is connected to the input of the heat pipes, a heat exchanger whose output is connected to the input valve, and the output of heat pipes - to an input of the heat exchanger, in addition, as used radiator base substrate of Al ₂ O ₃ aluminum oxide with a plurality longitudinal holes are connected with thermal logging.