Способ наладки системы охлаждения с параллельными каналами и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК F25B19/04 

Изобретение относится к холодильной технике, а именно к установкам для отвода тепла от охлаждаемых объектов, например тепловыделяющих электронных печатных плат(ЭПП).

Для обеспечения тепловых режимов процессора ЭВМ, состоящего из ЭПП, используются прямоточные хладоновые системы охлаждения с большим числом (несколько десятков) параллельных испарительных каналов. Условия эксплуатации ЭПП определяют различные тепловые нагрузки на каждом из каналов охлаждения. Это является причиной неравномерного распределения расхода хладагента по каналам и, как следствие - нарушения теплового режима (кризис теплообмена).

Предлагается способ управления паро- компрессионной холодильной установкой, у которой испарители представляют собой систему параллельных каналов. Однако не предлагается способ устранения гидравлической разверки системы параллельных испарительных каналов.

Известна хладоновая система охлаждения для электронного комплекса, которая состоит из ЭПП, являющихся объектами охлаждения. Система охлаждения представляет собой парокомпрессионную холодильную установку, испаритель которой состоит из ряда параллельных каналов, соединяемых раздающим и собирающим коллекторами. Каждый параллельный канал в системе охлаждения после раздающего коллектора разделяется на две параллельные ветви: охлаждающие стержни и охлаждаемые полки.

Недостатки этого изобретения, принятого в качестве прототипа, следующие. Не предлагается процедура наладки системы охлаждения с такой сложной гидравлической схемой. Конструкция зажимного устройства требует специальной регулировки для снижения термических сопротивлений. При выдвижении теплопроводных плит с расположенными на них ЭПП из стоек шасси происходит нарушение теплового режимаЭПП.Значительная теплоинерционность системы (плиты, шасси, зажимные устройства) не может обеспечить термостабилизацию ЭПП при изменении на них тепловой нагрузки.

Сложная система параллельно соединенных охлаждающих стержней и охлаждаемых полок, зажимных устройств, шасси с пазами, в которые вмонтированы теплопроводные плиты, создают конструкцию с большим числом термических сопротивлений с избыточным количеством циркулирующего

хладагента, что снижает надежность охлаждения ЭПП и повышает энергетические затраты при эксплуатации системы охлаждения. Массивные шасси, теплопроводные плиты, зажимные устройства, охлаждающие стержни и полки ухудшают массогабаритные характеристики прототипа.

Целью изобретения является повыше0 ние надежности системы охлаждения, снижение ее массогабаритных характеристик и энергетических затрат.

Указанная цель достигается тем, что система охлаждения с параллельными канала5 ми охлаждения электронных печатных плат, имеющих различную тепловую нагрузку, настраивается с помощью индивидуальных регулирующих вентилей по температуре стенки испарительного канала, которая из0 меряется в зоне дополнительного обогрева, тепловая мощность которого устанавливается равной тепловой мощности максимально нагруженной платы испарительного канала, уменьшают расход хладагента на

5 максимально нагруженном канале с помощью индивидуального регулирующего вентиля до появления температурных пульсаций в зоне дополнительного обогрева, из- меряют перепад давлений на

0 испарительном канале, затем проводят измерение перепада давления для испарительного канала, имеющего максимально нагруженную плату, до появления темпера турных пульсаций, величину минимального

5 перепада давлений из этих значений принимают за базовую, а все остальные испарительные каналы настраивают с помощью регулирующих вентилей по базовому перепаду давления и устанавливают в стойку си0 стемы охлаждения,

Таким образом, налаженная по предлагаемому способу система охлаждения с па- раллельными каналами обеспечивает равномерную раздачу хладагента по каждо5 му испарительному каналу и бескризисный режим работы для каналов с различной нагрузкой на ЭПП, что обеспечивает их термо- стабилизацию на определенном температурном уровне. Так как надежность

0 ЭПП непосредственно зависит от температурного режима, то обеспечение термостабилизации с помощью налаженной системы охлаждения повышает эксплуатационную надежность ЭПП, а следовательно, и систе5 мы охлаждения в целом. Кроме того, повышение надежности и снижение массогабаритных характеристик обеспечиваются за счет возможности относительного перемещения элементов стойки охлаждения без их отключения от системы.

а также исключения из стойки массивных и габаритных элементов, применения пластмассовых подложек с отверстиями.

Описанная процедура наладки системы с параллельными каналами обеспечивает для самого теплонагруженного канала (через него же проходит самый большой расход G) максимально допустимое паросодер жание Ху на выходе из канала, при котором под каждой ЭПП не возникают пульсации температуры. При этом на выходе из канала расход жидкой фазы равен G (1-Ху), который является минимально допустимым, чтобы обеспечить бескризисный режим работы канала. Все остальные каналы стойки охлаждения настраиваются по т репаду давления на самом теплонагру- женном канале, что также обеспечивает минимально возможный расход жидкой фазы из выходе из испарителя, чтобы исключить гидравлическую разверку каналов. Таким образом, суммарное количество жидкой фазы G от всех каналов, поступающее в собирающий коллектор, будет минимально возможным и, следовательно, количество тепла, которое необходимо отвести в регенеративном теплообменнике для обеспечения сухого хода компрессора, будет минимальным, что снижает энергетические затраты при эксплуатации систему охлаждения.

Указанная цель изобретения реализуется с помощью устройства, содержащего компрессор, конденсатор, регулятор давления конденсации и кипения, фильтр-осушитель, раздающий и собирающий коллекторы, систему параллельных испарительных каналов с индивидуальными регулирующими вентилями, электронные печатные платы, датчики температуры, расположенные в выходной части испарительных каналов, стойка системы охлаждения выполняется многоэтажной с параллельными испарительными каналами, на внешней поверхности которых размещены электронные печатные платы, а сами каналы установлены на подложках, выполненных из пластмассы с отверстиями, во входной части каждого испарительного канала установ- лен индивидуальный регулирующий вентиль, а в выходной части каждого канала установлен дополнительный источник обогрева, совпадающий по размерам и условиям контакта на испарительном канале с охлаждаемыми электронными печатными платами, в непосредственной близости от дополнительного источника расположен датчик температуры, а испарительный канал присоединен гибкими шлангами к раздающему и собирающему коллекторам, Б которые встроены отсечные вентили, и образуют верхние этажи стойки охлаждения, а нижний этаж стойки охлаждения образуют

контур теплогидравлической настройки, в котором после отсечного вентиля раздающего коллектора и перед отсечным вентилем собирающего коллектора установлены манометры, система создания и измерения

тепловой мощности на настраиваемом испарительном канале и источнике дополни- . тельного обогреаа. а также самопишущий прибор, соединенный с датчиком температуры.

Таким образом, в предлагаемом устройстве содержится контур теплогидравлической настройки, который обеспечивает наладку системы охлаждения, а следовательно, повышает ее надежность и снижает

энергетические затраты при эксплуатации. Наличие в устройстве гибких шлангов и пластинчатых пружин, а также отсутствие в ус- тройстве массивных металлических теплопередающих конструкций повышают

эксплуатационную надежность системы охлаждения и снижаст энергетические затраты. Кроме того, поскольку в заявляемом устройстве, налаженном по предлагаемому способу, циркулирует минимально возможное количество жидкой фазы, обеспечивающее бескризисный режим работы системы охлаждения с параллельными каналами, то электрическая мощность, потребляемая компрессором, будет минимальна, что также снижает энергетические затраты при эксплуатации и обеспечивает указанную цель изобретения.

На чертеже представлена схема хладоновой системы охлаждения ЭПП с параллельными каналами.

Система охлаждения содержит компрессор 1, регулятор давления конденсации 2, конденсатор-регенератор 3, охлаждаемый водой, фильтр-осушитель 4. раздающий коллектор 5, отсечные вентили 6, резьбовые соединения 7, подводящие гибкие шланги 8, регулирующие вентили 9, испарительные каналы 10 с ЭПП 11. резьбовые соединения

12, отводящие гибкие шланги 13, отсечные вентили 14, собирающий коллектор 15, всасывающий трубопровод 16. регулятор давления кипения 17, а также контур теплогидравлической настройки 18, который включает образцовые манометры 19 и 20, автотрансформатор 21, ваттметр 22, основной нагреватель 23, источник дополнительного обогрева 24, автотрансформатор 25, ваттметр 26, датчик температуры 27, самопишущий милливольтметр 28.

Принцип действия хладоноппй системы охлаждения следующий.

Пары хладона компрессором 1 сжимаются до давления конденсации при температуре хладагента. Давление конденсации поддерживается регулятором давления конденсации 2, который регулирует расход охлаждающей воды через конденсатор 3. Механическая очистка и осушение жидкого хладагента происходят в фильтре 4. Хладагент поступает в раздающий коллектор 5 и через отсечной вентиль 6, резьбовые соединения 7 и гибкий шланг 8, затем на регулирующий вентиль 9, где происходит дросселирование хладагента. Далее двухфазный хладагент поступает в испарительный канал 10, на внешней поверхности которого расположены (приклеены или припаяны) ЭПП 11. За счет тепла, выделяемого ЭПП, хладагент кипит, охлаждая поверхность испарительного канала и сами ЭПП, далее двухфазная смесь с большим паросо- держанием проходит через резьбовое соединение 12, отводящий гибкий шланг 13, отсечной вентиль 14 и попадает в собирающий коллектор 15, затем по всасывающему трубопроводу 16 через регулятор давления кипения 17 двухфазная смесь попадает в конденсатор-регенератор 3, где осушается, одновременно переохлаждая хладагент высокого давления, и возвращается на всасывание компрессора 1.

Испарительные каналы представляют собой плоские змеевиковые каналы, на внешней поверхности которых установлены ЭПП. В состав испарительного канала входит индивидуальный регулирующий вентиль, установленный на его входе, а в выходной части установлен дополнительный источник обогрева, в непосредственной близости от которого расположен датчик температуры. Для испарительного канала является известной тепловая мощность каждой ЭПП, установленной на его поверхности. На дополнительном источнике обогрева с помощью контрольно-измерительной аппаратуры имеется возможность устанавливать тепловую мощность, равную максимально нагруженной ЭПП. В ходе многочисленных экспериментальных исследований, проводимых в лаборатории ОИН- ТЭ, установлено, что для контроля температурного режима охлаждаемых ЭПП датчик температуры (термопара) должен располагаться либо под ЭПП, либо в непосредственной близости от ЭПП на поверхности канала и удален от края ЭПП не более 3 мм.

Испарительные каналы 10 устанавливаются на пластмассовых плитах 29, которые

выполняют функцию подложки. Испарительные каналы крепятся к подложке обхватывающими скобами таким образом, чтобы скобы не контактировали с ЭПП Л. Габаритные размеры подложки больше, чем габаритные размеры испарительного канала, что позволяет испарительные каналы с подложками устанавливать в направляющие пазы стойки охлаждения, образованные

0 конструкцией типа швеллер. Позиция 30 - направляющие пазы, в которые устанавливаются пластмассовые подложки, выполненные с перфорационными отверстиями. Наличие отверстий уменьшает вес подло5 жек и не препятствует конвективному движению воздуха. В пазах швеллера пластмассовые подложки прижимаются упругими пластинчатыми пружинами 31, которые исключают самопроизвольное

0 перемещение испарительных каналов с подложками. Пластинчатые пружины не выполняют теплопередающих функций по сравнению с зажимными устройствами, как в прототипе, поэтому не требуют специаль5 ных тарировочных опытов.

Конструкция стойки охлаждения и подсоединение испарительных каналов к собирающему и раздающему коллекторам гибкими шлангами позволяет выдвигать их

0 в продольном направлении для проведения профилактических и наладочных работ без отключения циркуляции хладоносителя по испарительному каналу. Испарительный канал с подложкой, два противоположныхтор5 ца которой вдвинуты в пазы, образуют один этаж многоэтажной стойки охлаждения. Между собой этажи стойки соединены вертикальными уголковыми конструкциями 32 таким образом, что образуют углы прямо0 угольного параллелепипеда. Раздающий и собирающий коллекторы устанавливаются вдоль вертикальных уголковых конструкций по разные стороны направляющих пазов, что обеспечит беспрепятственное выдвиже5 ние испарительных каналов с подложками. Коллекторы выполнены с отсечными вентилями по числу этажей в стойке охлаждения. Нижний этаж стойки охлаждения выполняет функцию контура теплогидравличе0 ской настройки 18. В контур входят образцовые манометры, резьбовые соединения, гибкие шланги, настраиваемый испа- рительный канал с регулировочным вентилем, автотрансформаторы, основной и

5 дополнительный нагреватели, датчик температуры, расположенный под дополнительным источником обогрева или в непосредственной близости от него, самопишущий милливольтметр. Процедура настройки испарительных каналов с

индивидуальными регулирующими вентилями предлагается следующая. Для группы каналов, входящих в стойку охлаждения процессора, настройку начинают с канала, у которого наибольшая суммарная тепловая мощность ЭПП или канала, у которого имеется самая теплонагруженная ЭПП из всех плат стойки. Для каждого испарительного канала известными являются суммарная тепловая мощность ЭПП в эксплуатационном режиме и тепловая мощность каждой ЭПП. Испарительный канал с индивидуальным регулирующим вентилем в максимально открытом состоянии устанавливается в контур теплогидравлической настройки с помощью соответствующих резьбовых соединений. Включается циркуляция хладона I. подается тепловая мощность на испарительный канал, равная суммарной тепловой мощности ЭПП, располагающихся на данном испарительном канале, а на дополнительный источник обогрева подается тепловая мощность, равная одной самой теплонагруженной ЭПП этого канала. Установка и контроль тепловой мощности производятсяспомощьюавтотрансформаторов 21 и 25 и ваттметров 21 и 26.

Контролируются показания датчика температуры, сигнал от которого поступает на самопишущий прибор, регистрирующий значение температуры во времени, включая и температурные пульсации. При отсутствии температурных пульсаций производится постепенное уменьшение расхода хладагента путем прикрытия индивидуального регулирующего вентиля, В случае, если пульсации температуры под дополнительным источником обогрева отсутствуют, то продолжается прикрытие вентиля, перепад давлений, фиксируемый манометрами 19 и 20, возрастает. При появлении температурных пульсаций прекращается прикрытие вентиля индивидуальной настройки и фиксируется перепад давлений. В контур тепло- гидравлической настройки устанавливается второй испарительный канал. В случае, если первый настроенный канал имел наибольшую суммарную мощность ЭПП, то у второго канала должна быть максимально нагруженная ЭПП из числа всех ЭПП стойки охлаждения. Если первый канал был выбран с максимально нагруженной ЭПП, то второй канал должен быть с наибольшей суммарной мощностью ЭПП. Процедура настройки следующая: после включения циркуляции и создания соответствующих тепловых нагрузок на основном и дополнительном нагревателях осуществляется прикрытие вентиля индивидуальной настройки до наступления

перепада давления, ззфикс фовэнного длп первого канала при условии, что для второго канала под дополнительным источником обогрева пульсации температуры не имеют места. Если пульсации температуры возникают до установления требуемого перепада давления, то фиксируется перепад давлений в момент наступления пульсаций температуры, и этот перепад является базовым.

Базовый перепад давления между раздающим и собирающим коллекторами обеспечивает минимально необходимый и достаточный расход хладагента, при котором под дополнительным источником обогрева не наступают температурные пульсации. Процедура настройки проводится для всех испарительных каналов стойки по базовому перепаду давлений. Настроенные таким образом испарительные каналы

устанавливаются в стойку охлаждения.

Реальная система охлаждения, разработанная в НИИ Дельта, включает в себя контур холодильной установки и стойку охлаждения процессора ЭВМ. Стойка охлаждения представляет систему из 56-ти параллельных каналов. Тепловые нагрузки на испарительных каналах различны и варьируются от 100 до 500 Вт. Электронно-печатные платы представляют собой

прямоугольники размером 12 х4 мм и расположены на внешней поверхности каналов с интервалом 12 мм. Тепловая мощность, выделяемая на каждой ЭПП, составляет от 3 до 6 Вт. В рабочем режиме все каналы стойки

охлаждения теплонагружены. Допустимая температура корпуса ЭПП до 30°С, а допустимые колебания температуры 2-3°С. Температура кипения хладона R 22, которым заправлена система охлаждения, находится

в пределах 18...23°С.

Для наладки испарительных каналов стойки охлаждения в лаборатории ОИНТЭ создан экспериментальный стенд, представляющий собой парокомпрессионную холодильную машину с одним испарительным каналом. На входе и выходе из испари- тельного канала устанавливались образцовые манометры типа МО-1227. По

всей длине испарительного канала тепловая нагрузка подводилась пропусканием переменного электрического тока по прерывисто расположенным резисторам марки С6-5В, которые имитируют работу ЭПП. Резисторы

припаивались к каналу испарителя оловом. Под последним по ходу движения хладона резистором устанавливалась медь-констан- тановая термофара, которая подключалась к самопишущему миллиампервольтметру Н399.

На испарительный канал подается максимальная тепловая нагрузка, реализуемая в реальной стойке охлаждения, а именно 500 Вт. На дополнительный источник обогрева подается максимальная тепловая нагрузка ЭПП этого канала 5 Вт. Регулятором давления конденсации устанавливается давление конденсации 1.4 МПа. Регулирующим вентилем уменьшается расход хладагента до момента фиксации температурных пульсаций под дополнительным источником обогрева. Этому моменту соответствует амплитуда температурных пульсаций 0,5°С. Фиксируется перепад давления на испарителе, который составляет около 0.13 МПа. Давление кипения в выходной части испарительного канала, устанавливаемое регулятором давления кипения, около 0,8 МПа. Затем имитируется работа второго испарительного канала, у которого имеется самая теплонагруженная ЭПП из всех плат стойки, равная 6 Вт, а тепловая нагрузка на испарительном канале 350 Вт. Давление конденсации 1,4 МПа, давление кипения 0,8 МПа, а с помощью регулирующего вентиля устанавливается перепад давления на испарительном канале 0.13 МПа. При этом под дополнительным источником обогрева пульсаций не наблюдалось.

На экспериментальном стенде устанавливались и другие сочетания тепловых нагрузок при постоянном давлении кипения и перепаде давления на испарительном канале, что подтверждает практическую осуществимость способа наладки.

Формула изобретения

1. Способ наладки системы охлаждения с параллельными каналами для охлаждения электронных печатных плат, имеющих различную тепловую нагрузку, заключающийся в настройке индивидуальных регулирующих оентилей по температуре стенки испарительного канала, отличающийся тем. что, с целью повышения надежности системы охлаждения и снижения энергетических затрат, температуру стенки испарительного канала измеряют в зоне дополнительного обогрева, тепловая мощность которого устанавливается равной тепловой мощности максимально нагруженной платы испарительного канала, уменьшают расход хладагента на максимально нагруженном канале с помощью индивидуального регулирующего вентиля до появления температурных пульсаций в зоне дополнительного обогрева, измеряют перепад давлений на испарительном канале, затем проводит измерение перепада давления для испарительного канала, имеющего максимально нагруженную плату до появления температурных пульсаций, величину минимального перепада давлений из этих значений принимают за базовую, а все остальные испарительные каналы настраивают с помощью регулирующих вентилей по базовому перепаду давления и устанавливают в стойку систему охлаждения.

2.Устройство для наладки системы охлаждения с параллельными каналами, содержащее компрессор, конденсатор.

регуляторы давления конденсации и кипения, фильтр-осушитель, раздающий и собирающий коллекторы, системы параллельных испарительных каналов, регулирующие вентили, электронные печатные платы, датчики температуры, расположенные в выходной части испарительных каналов, от л и ч а ю ще е с я тем, что устройство выполнено в виде многоэтажной стойки с параллельными.испарительными каналами, на внешней поверхности которых размещены электронные печатные платы, а сами каналы установлены на подложках, во входной части каждого испарительного канала установлен

индивидуальный регулирующий вентиль, а в выходной части - дополнительный источник обогрева, совпадающий по размерам и условиям контакта на испарительном канале с охлаждаемыми электронными, печатными

платами, в непосредственной близости от дополнительного источника расположен датчик температуры, при этом испарительный канал присоединен гибкими шлангами к раздающему и собирающему коллекторам, в которые встроены отсечные вентили и образуют верхние этажи стойки охлаждения, а нижний этаж стойки охлаждения образует контур теплогидравлической настройки, в котором после отсечного вентиля раздающего коллектора и перед отсечным вентилем собирающего коллектора установлены манометры, система создания и измерения тепловой мощности на настраиваемом испарительном канале и источнике

.дополнительного обогрева, а также самопишущий прибор, соединенный с датчиком температуры.

3.Устройство по п.2, отличающее- с я тем, что, с целью снижения массогабаритных характеристик, подложки выполнены из пластмассы с отверстиями.

Использование: в холодильной технике, а именно в установках для отвода тепла от охлаждаемых объектов электронно-вычислительных машин. Сущность изобретения: система охлаждения с параллельными каналами для охлаждения электронных печатных плат, имеющих различную тепловую нагрузку, настраивается с помощью индивидуальных регулирующих вентилей 9 по температуре стенки испарительного канала 10, которая измеряется в зоне дополнительного обогрева, тепловая мощность которого устанавливается равной тепловой мощности максимально нагруженной платы испарительного канала 10, уменьшают расход хладагента на максимально нагруженном канале 10 с помощью индивидуального регулирующего вентиля 9 до появления температурных пульсаций в зоне дополнительного обогрева, измеряют перепад давлений на испарительном канале 10. затем проводят измерение перепада давления для испарительного канала 10, имеющего максимально нагруженную плату, до появления температурных пульсаций, величину минимального перепада давлений из этих значений принимают за базовую, а все остальные испарительные каналы 10 настраивают с помощью регулирующих вентилей 9 по базовому перепаду давления и устанавливают в стойку системы охлаждения. 2 з.п.ф-лы, 1 ил. (Л С К