ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2005 года по МПК F28F3/00 

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано при охлаждении тепловыделяющих электронных элементов компьютеров.

Известен теплообменник [1], состоящий из двух частей и снабженный пластинами для разделения первичного и вторичного потоков охлаждающей жидкости, приспособлениями для дополнительного охлаждения одного из ее потоков. Первичный поток жидкости, проходящий через одну из частей теплообменника, разделяется на основной и вспомогательный потоки, при этом вспомогательный поток проходит через вторую часть теплообменника, дополнительно охлаждая его до более низкой температуры.

Теплообменник является громоздким и сложным в изготовлении.

Известен также теплообменник [2], включающий сборку на твердой плоской пластине набора гофрированных пластин, прилегающих друг к другу и окруженных по периферии корпусом, обеспечивающим замкнутое пространство между ними.

Недостатком этого теплообменника является его сложность и слишком длинный путь охлаждающей жидкости, которая излишне нагревается от входа к выходу и не обеспечивает, в результате, равномерного и эффективного охлаждения электронных компонентов.

Известен также теплообменник [3] в виде резервуара с установленными в нем множеством удлиненных пластин, расположенных слоями, с полостями между ними для движения охлаждающей жидкости. Каждая из полостей сформирована внутренними парами слоистых пластин, которые образуют центральную секцию. Полости между пластинами снабжены дополнительным теплообменным контуром. На каждой паре слоистых пластин выполнены множественные выпуклости двух типов: округлого и трапециевидного профиля. Первый тип выпуклостей на одной из пластин находится в плотном контакте со вторым типом выпуклостей на другой из пары слоистых пластин и наоборот.

Недостатком этого теплообменника также является сложность конструкции и, как следствие, изготовления.

Наиболее близким к заявляемому является теплообменник для охлаждения электронных модулей и устройств [4], представляющий собой блок пластин с многочисленными отверстиями для подачи и отвода потока охлаждающей жидкости. В теплообменнике образуется сеть пересекающихся потоков охлаждающей жидкости, пути которых окружают блоки материала, используемые в качестве теплоотводов. Каналы подачи и отвода охлаждающей жидкости расположены ортогонально к направлениям потока и таким образом, что каждому подающему каналу соответствуют множество возвращающих каналов и каждому возвращающему каналу - множество подающих. Конструктивное выполнение подающих и отводящих каналов гарантирует наикратчайший возможный путь потока теплоносителя, что обеспечивает достаточно эффективное охлаждение, так как температура охлаждающей жидкости во время прохождения от подающего до отводящего трубопроводов не повышается в значительной степени. Благодаря минимальному повышению температуры охлаждающей жидкости на коротком пути потока обеспечивается равномерное охлаждение электронных компонентов. Конструктивные элементы пластины могут быть собраны и зажаты или могут быть прочно скреплены посредством пайки либо сварки. В таком теплообменнике жидкость разделяется на множество мелких потоков, что обеспечивает наиболее полное участие охлаждающей жидкости в процессе теплообмена, равномерный теплосъем.

Недостатком прототипа является трудоемкость изготовления, необходимость применения высокоточного оборудования при изготовлении, а также высокая вероятность засорения узких каналов при низком качестве теплоносителя.

Перед автором заявляемого изобретения стояла задача создания теплообменника достаточно простой конструкции, который бы при минимальных затратах на его изготовление позволил осуществлять эффективный теплосъем с электронных компонентов компьютеров.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в известном теплообменнике, представляющем собой блок пластин и снабженном каналами подачи и отвода охлаждающей жидкости, блок пластин состоит из пластины-основания, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, и пластины-крышки, состоящей, как минимум, из одной части. На внутренней поверхности пластины-основания сформированы углубления, а каналы для охлаждающей жидкости в виде дугообразных полостей выполнены в пластине-крышке и расположены от ее наружного периметра к центру таким образом, что стенки каналов простираются до верхней плоскости пластины-основания и пересекают углубления, которые выполнены на ее внутренней поверхности.

На фиг.1 представлена пластина-основание теплообменника (вид изнутри).

На фиг.2 представлена крышка теплообменника (вид изнутри).

На фиг.3 представлен общий вид теплообменника, где:

1 - пластина-основание;

2 - пластина-крышка;

3 - входное отверстие;

4 - выходное отверстие.

На фиг.4 представлена схема траекторий потоков теплоносителя в теплообменнике, вид со стороны основания (основание не показано), где:

1 - основной поток теплоносителя;

2 - дополнительные потоки.

На фиг.5 представлена схема траекторий потоков теплоносителя в теплообменнике, вид со стороны крышки (крышка не показана), где:

1 - основной поток теплоносителя;

2 - дополнительные потоки.

Охлаждающая жидкость через входное отверстие подается по каналам, выполненным в пластине-крышке, и достигает центра пластины-основания, прилегающей к охлаждаемому электронному компоненту компьютера, где и происходит теплосъем. Благодаря заявляемой топологии теплообменника создаются несколько потоков охлаждающей жидкости (фиг.4; фиг.5): основные, с помощью которых осуществляется собственно теплосъем, и дополнительные, осуществляющие перемешивание основного потока.

В настоящее время создан опытный образец заявляемого теплообменника, основание которого выполнено из медной пластины размерами 50×50 мм и толщиной 5 мм с куполообразными углублениями, расположенными следующим образом: одно углубление - параллельно стороне основания; другое - под углом 45° к первому; третье - под углом 60° к первому, а еще три - симметрично первым трем относительно горизонтальной оси основания. Основания куполообразных углублений имеют форму овалов длиной 15 мм, шириной 4 мм, а глубина углублений составляет 3 мм. В общем случае размеры теплообменника определяются размерами контактной площадки, через которую происходит теплосъем с охлаждаемого элемента. Крышка заявляемого теплообменника представляет собой цельный блок из оргстекла, в котором фрезерованием выполнены подающие и отводящие каналы для охлаждающей жидкости в виде дугообразных незамкнутых полостей, расположенных от наружного периметра пластины-крышки к центру. Первый канал для охлаждающей жидкости, считая от наружной стороны блока-крышки, своей вертикальной плоскостью пересекает углубления блока-основания. Фиксация крышки относительно основания осуществлена с помощью нескольких винтовых соединений, исполняемых по периметру теплообменника. Герметичность соединения между крышкой и основанием обеспечена использованием дополнительной прокладки из резины.

Заявляемый теплообменник прост в изготовлении, обладая в то же время низким термическим сопротивлением, составляющим не более 0,15°C/W, что достигается за счет формирования дополнительных потоков охлаждающей жидкости и высокой турбулентности потока.

Источники информации

1. Патент США 5461878.

2. Патент США 5860471.

3. Патент США 5860471.

4. Патент США 5269372 (прототип).

Изобретение предназначено для применения в области вычислительной техники, а именно может быть использовано при охлаждении тепловыделяющих электронных элементов компьютеров. Теплообменник представляет собой блок пластин, снабженный каналами подачи и отвода охлаждающей жидкости, причем блок пластин состоит из пластины-основания, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, и пластины-крышки, состоящей, как минимум, из одной части, при этом на внутренней поверхности пластины-основания сформированы углубления, а каналы для охлаждающей жидкости в виде дугообразных полостей выполнены в пластине-крышке и расположены от ее наружного периметра к центру таким образом, что стенки каналов простираются до верхней плоскости пластины-основания и пересекают углубления выполненные на ней. Изобретение позволяет создать теплообменник достаточно простой конструкции, который при минимальных затратах на его изготовление позволил бы осуществлять эффективный теплосъем с электронных компонентов компьютеров. 5 ил.

Теплообменник, представляющий собой блок пластин и снабженный каналами подачи и отвода охлаждающей жидкости, отличающийся тем, что блок пластин состоит из пластины-основания, выполненной из материала с высокой теплопроводностью, и пластины-крышки, состоящей, как минимум, из одной части, при этом на внутренней поверхности пластины-основания сформированы углубления, а каналы для охлаждающей жидкости в виде дугообразных полостей выполнены в пластине-крышке и расположены от ее наружного периметра к центру таким образом, что стенки каналов простираются до верхней плоскости пластины-основания и пересекают углубления выполненные на ней.