УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ КРИСТАЛЛА КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЦЕССОРА Российский патент 2005 года по МПК H01L23/34 

Предлагаемое изобретение относится к электронной промышленности и может быть использовано в компьютерах, имеющих повышенное тепловыделение кристалла процессора.

Известно устройство для охлаждения кристалла компьютерного процессора (статья: А.Гнатуш. "ННС-001: тепловая труба Coolermaster". Интернет-сайт: www.composter.kiev.ua, 25.03.2003 г.), содержащее медный радиатор кубической формы с вертикально расположенными теплопроводящими ребрами, теплопередающий элемент, выполненный в виде двух тепловых труб круглого сечения, осевой вентилятор, кристалл процессора. Ребра радиатора имеют общее теплопринимающее основание, к которому через тепловой интерфейс прикреплен охлаждаемый кристалл процессора. Геометрическая ось радиатора расположена вертикально. Тепловые трубы имеют тепловой контакт с теплопринимающим основанием радиатора, расположенным в его нижней части, а их концы контактируют с противолежащей торцевой стороной радиатора. Тепловые трубы не имеют теплового контакта с ребрами радиатора по его периметру, расположенному вокруг его вертикальной геометрической оси. Ось вращения вентилятора направлена вертикально и расположена перпендикулярно плоскости теплопринимающего основания радиатора. Поток охлаждающего воздуха от осевого вентилятора проходит между вертикально расположенными медными ребрами радиатора, достигает поверхности основания радиатора, отражается от него и выходит наружу через боковые зазоры между ребрами радиатора.

Известное устройство имеет следующие недостатки.

1. Неэффективное использование потока охлаждающего воздуха, нагнетаемого осевым вентилятором. Причиной этого недостатка является то, что основное количество образовавшегося тепла от основания радиатора передается тепловыми трубами только в его противолежащую торцевую часть, а не по периметру радиатора, расположенному вокруг его геометрической оси. Значительное количество тепла от основания радиатора через его ребра поступает в центральную зону радиатора. Однако при работе осевого вентилятора наибольшее количество охлаждающего воздуха нагнетается в периферийную зону радиатора, то есть к его периметру. Это происходит потому, что окружная скорость вращения рабочего колеса вентилятора выше в периферийной его зоне, то есть там, где радиус его вращения больше, чем в его центральной зоне. Кроме того, значительное количество воздуха отбрасывается в периферийную зону радиатора под действием центробежных сил, создаваемых вращением рабочего колеса вентилятора. Поэтому в периферийной зоне радиатора обеспечивается наибольший расход нагнетаемого вентилятором потока воздуха, а в центральной зоне радиатора расход воздуха существенно меньше. В результате при повышении нагрузок на процессор увеличивается тепловыделение именно в центральной зоне радиатора и возникает вероятность перегрева кристалла процессора. Кроме того, воздух, нагнетаемый осевым вентилятором, достигает основания радиатора уже нагретым и не может внести существенного вклада в его охлаждение. Поэтому вероятность перегрева кристалла процессора увеличивается, что ограничивает возможность использования компьютера при повышенных нагрузках на кристалл.

2. Другим недостатком является повышенный уровень шума из-за большой частоты вращения рабочего колеса вентилятора, которую необходимо поддерживать, чтобы избежать перегрева кристалла процессора.

3. Заметным недостатком также является пониженная интенсивность теплопередачи от тепловых труб к ребрам радиатора из-за того, что места их теплового контакта находятся только в торцевых зонах радиатора, то есть удалены от его периферийной зоны, имеющей значительную общую площадь теплообмена.

Известно наиболее близкое по конструкции предлагаемому изобретению устройство для охлаждения кристалла компьютерного процессора (опубликованная заявка на патент США №2001/0001981, дата публикации - 31 мая 2001 г., фиг.4 и 13), содержащее радиатор, выполненный в виде набора горизонтально расположенных теплопроводящих ребер, нанизанных на теплопередающий элемент, выполненный в виде одной или нескольких U-или V-образных тепловых труб круглого сечения, вертикально установленных на горизонтальном теплопринимающем основании, направляющий воздухопровод, расположенный горизонтально, осевой вентилятор, установленный на радиаторе, продольная ось которого расположена горизонтально. Ось вращения вентилятора расположена на продольной оси радиатора и направлена параллельно плоскости теплопринимающего основания. Тепловые трубы имеют тепловой контакт своей нижней изогнутой частью с теплопринимающим основанием, на котором укреплен кристалл процессора. Направленные кверху боковые ветви тепловых труб контактируют своей поверхностью с теми участками ребер радиатора, которые находятся внутри радиатора в его средней части, то есть в зоне, находящейся между его периметром и его горизонтально расположенной продольной осью. Радиатор, составленный из вертикального ряда горизонтально расположенных ребер, имеет прямоугольный периметр, расположенный вокруг его продольной геометрической оси.

Основной недостаток известного устройства - невысокая эффективность использования охлаждающего воздуха. Причина этой неэффективности заключается в том, что передача тепла от теплопринимающего основания радиатора осуществлена с помощью тепловых труб в его внутреннюю среднюю часть, а концевые части ребер радиатора, образующие его прямоугольный периметр, а также торцевые части ребер не имеют контакта с тепловыми трубами. При вращении рабочего колеса осевого вентилятора его лопасти захватывают воздух и направляют его по воздухопроводу вдоль оси радиатора. Поток воздуха, создаваемый вентилятором, имеет наибольшую поступательную скорость и наибольший расход в периферийной зоне радиатора за счет того, что величина линейной (окружной) скорости вращения рабочего колеса вентилятора является наибольшей в его периферийной части, где длина лопастей колеса наибольшая. В центральной же зоне радиатора поток охлаждающего воздуха имеет наименьшую поступательную скорость и расход ввиду наименьшего радиуса взаимодействия лопастей с воздухом. Кроме того, большое количество воздуха отбрасывается лопастями в периферийную зону радиатора под действием центробежных сил, создаваемых вращением рабочего колеса вентилятора. Поэтому именно в периферийной зоне радиатора создаются наиболее высокие значения расхода воздуха, а в центральной зоне радиатора - наиболее низкие. Основное же количество тепла от места нагрева изогнутой части тепловых труб к ребрам радиатора в первую очередь поступает в среднюю часть ребер радиатора, а не к концевым их частям, расположенным по периметру радиатора, находящемуся в периферийной его зоне. Поэтому высокий расход потока воздуха, нагнетаемого осевым вентилятором именно в периферийную зону радиатора, используется неэффективно. Кроме того, из-за прямоугольной формы периметра радиатора некоторая часть кольцевого потока охлаждающего воздуха, нагнетаемого в радиатор, не используется по назначению, так как проходит в свободное пространство между радиатором и воздухопроводом, где ребра радиатора не доходят до воздухопровода. В центральной и средней зонах радиатора сосредоточено основное количество тепла, поступающего от U-образных тепловых труб. Однако интенсивность отбора тепла от ребер радиатора и от участков тепловых труб, расположенных в средней и центральной зонах радиатора, существенно снижена вследствие меньшей величины расхода воздуха, нагнетаемого вентилятором в эти зоны радиатора. Ввиду указанного, ограничена возможность использования компьютера при повышенных нагрузках в связи с тем, что возрастает вероятность перегрева кристалла процессора, что требует соответствующего повышения мощности вентилятора и увеличения частоты его вращения.

Другой недостаток известного устройства заключается в сниженной интенсивности теплопередачи от тепловой трубы к ребрам радиатора. Причиной этого недостатка является малая суммарная площадь теплового контакта между поверхностью тепловой трубы и ребрами радиатора, так как тепловая труба круглого сечения имеет тепловой контакт только с небольшой частью поперечного сечения ребра радиатора. Площадь этого контакта определяется длиной и диаметром тепловой трубы и толщиной ребра радиатора. Кроме того, параллельное расположение ребер радитора не позволяет обеспечить передачу тепла от тепловых труб ко всем ребрам одновременно и на всю их длину, особенно это касается торцевых частей ребер, так как они значительно удалены от тепловых труб.

Одним из недостатков известного устройства является также повышенный уровень шума при работе вентилятора, имеющего большую частоту вращения рабочего колеса из-за неэффективного использования охлаждающего воздуха.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования потока охлаждающего воздуха, нагнетаемого осевым вентилятором в радиатор, и повышение интенсивности теплопередачи между тепловой трубой и ребрами радиатора.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для охлаждения кристалла компьютерного процессора, содержащем радиатор с ребрами, теплопринимающим основанием и с теплопередающим элементом типа тепловой трубы, имеющей тепловой контакт с теплопринимающим основанием и с ребрами радиатора, осевой вентилятор, расположенный на продольной оси радиатора, кристалл процессора, согласно изобретению периметр радиатора, образованный внешними сторонами его ребер по отношению к продольной оси радиатора, имеет форму окружности, а теплопередающий элемент установлен на радиаторе по его периметру, при этом ребра радиатора расположены радиально по отношению к его продольной оси.

В предлагаемом устройстве теплопередающий элемент может иметь тепловой контакт с ребрами по всей ширине радиатора.

В предлагаемом устройстве теплопередающий элемент может быть выполнен в виде набора нескольких тепловых труб.

В предлагаемом устройстве теплопередающий элемент может быть выполнен в виде полого цилиндра с двумя концентрично расположенными стенками, образующими между собой рабочую полость, в которую помещена рабочая жидкость для осуществления процесса теплопередачи.

В предлагемом устройстве полый цилиндр может быть расположен соосно продольной оси радиатора.

Предлагаемое устройство может быть снабжено теплопроводящим цилиндром, установленным по периметру радиатора и расположенным между теплопередающим элементом и ребрами радиатора с образованием теплового контакта с ними.

В предлагаемом устройстве теплопроводящий цилиндр может иметь тепловой контакт с теплопринимающим основанием радиатора.

В предлагаемом устройстве теплопроводящий цилиндр может быть изготовлен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.

В преджлагаемом устройстве теплопроводящий цилиндр может быть размещен на радиаторе по всей его ширине.

В предлагаемом устройстве радиатор может быть снабжен дополнительными теплопроводящими ребрами.

В предлагаемом устройстве дополнительные ребра могут быть размещены радиально по отношению к продольной оси радиатора.

В предлагаемом устройстве дополнительные ребра могут быть размещены между основными ребрами радиатора.

В предлагаемом устройстве дополнительные ребра могут быть прикреплены консольно к теплопередающему элементу или к теплопроводящему цилиндру.

В предлагаемом устройстве дополнительные ребра могут иметь меньшую радиальную ширину по сравнению с основными ребрами

Технический результат предлагаемого изобретения выражается в повышении интенсивности теплоотбора за счет увеличения количества тепла, передаваемого от теплопринимающего основания к периметру радиатора, то есть в зону, куда вентилятором нагнетается максимальное количество охлаждающего воздуха и где скорость воздушного потока имеет наибольшую величину. Дополнительный технический результат выражается в увеличении скорости теплопередачи от тепловых труб к ребрам радиатора за счет их сосредоточения в периферийной зоне радиатора, а также за счет максимального сближения теплопередающего элемента к торцевым частям ребер радиатора. Благодаря этому суммарная площадь их теплового контакта с ребрами радиатора увеличивается. При этом снижается количество тепла, передаваемого в центральную зону радиатора, куда от вентилятора поступает наименьшее количество охлаждающего воздуха.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показано устройство в поперечном разрезе с набором нескольких тепловых труб круглого сечения, установленных на промежуточном теплопроводящем цилиндре, имеющем тепловой контакт с ребрами радиатора; на фиг.2 - общий вид сбоку на данное устройство согласно фиг.1; на фиг.3 - устройство, в котором тепловая труба выполнена в виде полого цилиндра с двумя стенками, вид по А-А с фиг.4; на фиг.4 - вид по В-В на устройство с фиг.3; на фиг.5 - схема распределения поступательной скорости охлаждающего воздуха по сечению радиатора (скорость потока воздуха указана в процентах).

Устройство для охлаждения кристалла компьютерного процессора содержит радиатор, в состав которого входят теплопередающий элемент типа тепловой трубы, выполненный в виде набора нескольких тепловых труб 1 круглого сечения или в виде полого цилиндра 2, основные теплопроводящие ребра 3 и дополнительные ребра 4, теплопринимающее основание 5. На радиаторе установлен осевой вентилятор 6 с электродвигателем и рабочим колесом лопастного типа (показаны условно). На теплопринимающем основании 5 укреплен кристалл 7 процессора. Ребра 3 и 4 радиатора своими внешними сторонами образуют периметр радиатора, имеющий форму окружности, расположенной соосно продольной оси радиатора. Диаметр периметра радиатора выполнен соразмерным с диаметром рабочего колеса вентилятора 6. Ширина радиатора определяется продольной длиной ребер 3 и 4. Ребра 3 и 4 радиатора расположены радиально по отношению к его продольной оси и своими внешними сторонами прикреплены консольно к внутренней стороне тепловых труб 1 (на чертежах не показано) или к внутренней стороне полого цилиндра 2 (фиг.3 и 4) и размещены в периферийной зоне радиатора. При этом дополнительные ребра 4 расположены между основными ребрами 3 и имеют меньшую радиальную ширину по сравнению с ребрами 3. Наличие дополнительных ребер 4 значительно увеличивает суммарную поверхность теплоотбора в той части периферийной зоны радиатора, которая расположена ближе к его периметру. Теплопринимающее основание 5 установлено на внешней стороне набора тепловых труб 1 или на внешней стороне полого цилиндра 2 с образованием теплового контакта. Кристалл 7 процессора прикреплен к теплопринимающему основанию 5 с помощью теплового интерфейса (на чертежах не показан). Набор нескольких тепловых труб 1 круглого сечения установлен на радиаторе по его периметру (фиг.1) и охватывает радиатор по его ширине. В вакууммированной полости тепловых труб 1 содержится рабочая жидкость (на чертежах не показано) для осуществления процесса теплопередачи. Теплопередающий элемент типа тепловой трубы выполнен в виде полого цилиндра 2 с двумя концентрично расположенными цилиндрическими стенками, образующими между собой вакууммированную рабочую полость 8, в которую помещена рабочая жидкость 9 (например, вода) для осуществления процесса теплопередачи. Рабочая полость 8 имеет цилиндрическую форму. Полый цилиндр 2 установлен на радиаторе по его периметру и расположен соосно продольной оси радиатора. Длина полого цилиндра 2 выполнена равной ширине радиатора, что позволяет установить его с охватом радиатора по всей его ширине (фиг.4). В случае когда теплопередающий элемент выполнен в виде набора нескольких тепловых труб 1 круглого сечения, ребра 3 и 4 могут быть прикреплены к ним непосредственно (на чертежах не показано) или через посредство теплопроводящего цилиндра 10 (фиг.1 и 2), с которым тепловые трубы 1 и ребра 3 и 4 имеют тепловой контакт. Цилиндр 10 изготовлен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и установлен на радиаторе по его периметру. Цилиндр 10 расположен между тепловыми трубами 1 и ребрами 3 и 4. Цилиндр 10 укреплен на теплопринимающем основании 5 с образованием теплового контакта с ним. Геометрическая ось цилиндра 10 расположена соосно продольной оси радиатора и параллельно плоскости теплопринимающего основания 5. Длина цилиндра 10 равняется ширине радиатора, то есть цилиндр 10 размещен на радиаторе по всей его ширине Осевой вентилятор 6 установлен на торцевой стороне радиатора и расположен соосно продольной оси радиатора. Продольная ось радиатора может быть расположена горизонтально или вертикально.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При работе процессора его кристалл 7 нагревается. Тепло, которое вырабатывается кристаллом 7, через тепловой интерфейс передается на теплопринимающее основание 5, от которого тепло быстро отбирается или набором тепловых труб 1 и цилиндром 10, или цилиндром 2, от которых наибольшая часть теплового потока передается по всему периметру радиатора и одновременно ко всем его ребрам 3 и 4 на всю их длину и радиальную ширину. При этом тепловой поток мгновенно передается и в торцевые части ребер 3 и 4 радиатора благодаря их радиальному расположению. При включенном двигателе осевого вентилятора 6 его рабочее колесо, вращаясь, нагнетает охлаждающий воздух вдоль продольной оси радиатора. Поток воздуха, нагнетаемый вентилятором 6, имеет наибольшую поступательную скорость (100%) и наибольший расход в периферийной зоне радиатора. Это обусловлено тем, что наибольшую величину окружной скорости вращения рабочее колесо вентилятора 6 имеет в его периферийной части, где радиус вращения лопастей наибольший, а наименьшую - к центру вращения, где радиус вращения лопастей наименьший (фиг.5). Кроме того, значительное количество воздуха отбрасывается в периферийную зону радиатора под действием центробежных сил, создаваемых вращением рабочего колеса вентилятора 6. В результате этого наибольшая часть воздушного потока, имеющая наибольшие показатели по расходу (фиг.5), нагнетается в периферийную зону радиатора, где расположены тепловые трубы 1, цилиндр 10 или цилиндр 2, теплопроводящие ребра 3 и 4. Максимально высокий расход охлаждающего воздуха, нагнетаемого в периферийную зону, способствует быстрому отбору тепла от ребер 3 и 4. При этом за счет радиального расположения ребер 3 и 4 происходит наиболее быстрое распределение теплового потока по всему поперечному сечению радиатора. Процесс передачи тепла к ребрам 3 и 4 от теплопередающих элементов 1 и 2 или от цилиндра 10, а также процесс его отбора от ребер 3 и 4 происходят одновременно по всей ширине радиатора и по всему его периметру, благодаря чему обеспечивается высокая интенсивность этих процессов. Высокая интенсивность отбора тепла от той части ребер 3 и 4, которая расположена ближе к периметру радиатора, где благодаря наличию дополнительных ребер 4 создана развитая поверхность теплообмена, способствует уменьшению количества тепла, поступающего в центральную зону радиатора, что соответствует меньшей по величине поступательной скорости воздуха (40%), подаваемого вентилятором 6 в центральную зону радиатора.

Предложенное устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение интенсивности теплоотбора в 2-3 раза за счет перенесения теплопередающего элемента к периметру радиатора и приближения его к торцевым частям ребер 3 и 4, а также сосредоточения теплообменных поверхностей ребер радиатора ближе к периметру радиатора, то есть в ту зону, где поток охлаждающего воздуха имеет максимальные показатели по расходу и поступательной скорости. Благодаря этому степень использования охлаждающего воздуха повысилась с 50 почти до 100%. Высокая эффективность использования охлаждающего воздуха в предложенном устройстве позволяет понизить уровень шума за счет уменьшения частоты вращения вентилятора, а главное - открывает возможность использования его для охлаждения кристалла компьютерного процессора при повышенных нагрузках на кристалл.

Использование: в электронной промышленности, в компьютерах, имеющих повышенное тепловыделение кристалла процессора. Сущность изобретения: устройство для охлаждения кристалла компьютерного процессора включает радиатор с радиальными ребрами, тепловыми трубами, расположенными по всей ширине радиатора и по его периметру, имеющему форму окружности, основание радиатора, на котором укреплен кристалл процессора, осевой вентилятор, расположенный на продольной оси радиатора. Благодаря периферийному размещению тепловых труб и ребер радиатора обеспечивается быстрая передача теплового потока от основания радиатора в периферийную зону радиатора, где поступательная скорость потока охлаждающего воздуха, нагнетаемого осевым вентилятором, имеет максимальную величину. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования потока охлаждающего воздуха, нагнетаемого осевым вентилятором в радиатор, и повышение интенсивности теплопередачи между тепловой трубой и ребрами радиатора. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для охлаждения кристалла компьютерного процессора, содержащее радиатор с ребрами, теплопринимающим основанием и теплопередающим элементом типа тепловой трубы, имеющей тепловой контакт с теплопринимающим основанием и с ребрами радиатора, осевой вентилятор, расположенный на продольной оси радиатора, кристалл процессора, отличающееся тем, что периметр радиатора, образованный внешними сторонами его ребер, имеет форму окружности, а теплопередающий элемент установлен по периметру радиатора, при этом ребра радиатора расположены радиально по отношению к его продольной оси.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопередающий элемент имеет тепловой контакт с ребрами по всей ширине радиатора.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопередающий элемент выполнен в виде набора нескольких тепловых труб.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопередающий элемент выполнен в виде полого цилиндра с двумя концентрично расположенными стенками, образующими между собой рабочую полость, в которую помещена рабочая жидкость для осуществления процесса теплопередачи.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что полый цилиндр расположен соосно с продольной осью радиатора.6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено теплопроводящим цилиндром, установленным по периметру радиатора и расположенным между теплопередающим элементом и ребрами радиатора с образованием теплового контакта с ними.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что теплопроводящий цилиндр имеет тепловой контакт с теплопринимающим основанием радиатора.8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что теплопроводящий цилиндр изготовлен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что теплопроводящий цилиндр размещен на радиаторе по всей его ширине.10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что радиатор снабжен дополнительными теплопроводящими ребрами.11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительные ребра размещены радиально по отношению к продольной оси радиатора.12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительные ребра размещены между основными ребрами радиатора.13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительные ребра прикреплены консольно к теплопередающему элементу или к теплопроводящему цилиндру.14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительные ребра имеют меньшую радиальную ширину по сравнению с основными ребрами.