ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК H05K7/20 H01L23/34 

Изобретение относится к охлаждающим устройствам преимущественно для электроники.

Известны устройства для охлаждения, в которых отвод тепла от тепловыделяющей электронной аппаратуры осуществляется за счет кипения охлаждающей диэлектрической среды, например, фреона или жидкого азота [1] . Однако максимальные удельные тепловые потоки в этом случае относительно невелики и ограничены критическим тепловым потоком (КТП), величина которого для жидкого азота составляет около 100-200 кВт/м². Для увеличения КТП применяют охлаждающие устройства с вынужденной подачей охлаждающей среды.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является выбранное в качестве прототипа устройства для охлаждения [2] , включающее источник тепла (охлаждаемый объект), камеру высокого давления, камеру низкого давления, разделяющую их стенку с отверстиями для принудительной подачи охлаждающей среды. Отвод тепла от охлаждаемого объекта и относительная равномерность его температурного режима осуществляются натекающими из отверстий струями за счет разности давлений в камерах устройства. При этом интенсивность (эффективность) охлаждения зависит, в частности, от расстояния h между поверхностью источника тепла и стенкой с отверстиями, причем эффективность охлаждения может повышаться по мере сокращения величины h.

Недостаток этого устройства состоит в том, что, начиная с некоторого расстояния, уменьшение величины h приводит к ухудшению эффективности теплосъема, что связано с неблагоприятным воздействием на пограничный слой относительно близко расположенной стенки с отверстиями для принудительной подачи охлаждающей среды.

Цель изобретения состоит в повышении эффективности теплоотвода за счет увеличения скорости натекающего на поверхность источника тепла потока без торможения этого потока разделяющей стенкой с отверстиями для принудительной подачи охлаждающей среды.

Цель достигается тем, что в устройстве для охлаждения, содержащем камеры низкого и высокого давлений, разделенные стенкой с отверстиями для принудительной подачи охлаждающей среды, источник тепла, расположенный внутри камеры низкого давления, в местах отверстий разделительной стенки установлены сопла, выходные сечения которых расположены в непосредственной близости, порядка 0,1 мм, от поверхности источника тепла.

Сопоставление с прототипом показало, что заявляемое устройство отличается дополнительно установленными в местах отверстий разделительной стенки соплами, выходные сечения которых расположены в непосредственной близости, порядка 0,1 мм, от поверхности источника тепла.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Установка сопл в местах отверстий разделительной стенки позволяет увеличить скорость натекающего на поверхность источника тепла потока без торможения этого потока разделяющей стенкой с отверстиями для подачи охлаждающей среды. Кроме того, улучшаются условия эвакуации образующейся паровой фазы. Существенно также, что необходимый эффект достигается при том же расходе охлаждающей среды, который характерен для прототипа.

На чертеже представлены схема предлагаемого устройства, где 1 - источник тепла, 2 - камера низкого давления, 3 - камера высокого давления, 4 - разделительная стенка с отверстиями для подачи охлаждающей среды, 5 - сопла. Камера 2 низкого давления отделена от камеры 3 высокого давления стенкой 4 с отверстиями, в которых установлены сопла 5, выходные сечения которых расположены около поверхности источника 1 тепла, размещенного в камере 2 низкого давления.

Устройство работает следующим образом. В камере 3 создается избыточное давление насосом или присоединением к сосуду с охлаждающей средой под давлением. Камера 2 низкого давления может быть соединена либо со всасом насоса, либо с атмосферой. За счет разности давлений поток через сопла 5 поступает к источнику 1 тепла и отводит его.

Эффективность устройства оценивалась следующим образом. Были изготовлены прототип с четырьмя отверстиями в стенке 4 и предлагаемое устройство с тем же числом сопл. Рабочей средой служил насыщенный жидкий азот. Избыточное давление составляло 0,098 МПа, что позволяло обеспечить расход около 1,5 ˙10^-3 кг/с через каждое отверстие или сопло с диаметрами 1 мм. Поверхностью источника тепла служил торец медного стержня площадью около 4˙ 10^-4 м². Температура поверхности контролировалась медь-константановой термопарой, расположенной в центре. Подвод тепла обеспечивался от нихромового нагревателя, намотанного на боковой поверхности медного стержня. Результаты экспериментов показали, что для прототипа максимальная величина первого критического теплового потока q_кр = 370 кВт/м² обеспечивается при расстоянии между поверхностью источника тепла и стенкой с отверстиями около 1,0 мм. Для предлагаемого устройства q_кр = 620 кВт/м² при расстоянии от выходного сечения сопла до поверхности источника тепла около 0,1-0,15 мм. Таким образом, эффективность теплоотвода, показателем которой служит величина первого критического теплового потока для насыщенного жидкого азота, увеличивается примерно в раз при одинаковом расходе криоагента.

Область использования: изобретение относится к охлаждающим устройствам преимущественно для электроники. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для охлаждения содержит камеру высокого давления, отделенную от камеры низкого давления стенкой с отверстиями для принудительной подачи охлаждающей среды, источник тепла, причем в местах отверстий разделительной стенки установлены сопла, расположенные в непосредственной близости от поверхности источника тепла на расстоянии 0,1 мм. 1 ил.

ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее блок электронной аппаратуры, расположенный в камере низкого давления, камеру высокого давления, отделенную от камеры низкого давления стенкой с отверстиями для принудительной подачи жидкой охлаждающей среды, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса охлаждения, стенка с отверстиями снабжена соплами, которые установлены входными сечениями в указанных отверстиях и направлены выходными сечениями в камеру низкого давления на блок электронной аппаратуры с расположением их от поверхности указанного блока на расстоянии 0,1 мм.