Термический распределитель для охлаждающих устройств на тепловых трубах и водяных охлаждающих устройствах
Владельцы патента RU 2433505:
Помыткин Вадим Анатольевич (RU)
Помыткин Игорь Анатольевич (RU)
Вертелецкий Павел Васильевич (RU)
Изобретение относится к охлаждающим устройствам для рассеивания тепла от электронных компонентов в электронных приборах. Сущность изобретения: термический распределитель состоит из первой поверхности, имеющей термический контакт с электронным компонентом, и противоположной второй поверхности, имеющей тепловой контакт с устройством, рассеивающим тепло, входящим в группу, включающую охлаждающие устройства на тепловых трубах и водяные охлаждающие устройства, при этом соблюдены следующие соотношения размеров термического распределителя: T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности данного термического распределителя. Кроме того, изобретение относится к электронным системам, включающим данный термический распределитель. Упомянутый термический распределитель имеет оптимальное соотношение размеров для обеспечения оптимальных параметров термического сопротивления и снижения акустического шума, создаваемого вентилятором охлаждающего устройства, а также для улучшения температурных режимов функционирования электронных компонентов, входящих в эти электронные системы. 5 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к охлаждающим устройствам для рассеивания тепла от электронных компонентов в электронных приборах. Введение в данное изобретение
Электронные приборы выделяют тепло в процессе своей работы. Известно электронное оборудование для обеспечения охлаждения систем для сохранения работоспособности электронных компонентов в диапазоне заданных рабочих температур. Охлаждающие системы различных типов, включающие охлаждающие устройства на тепловых трубах, водяные охлаждающие устройства используются для охлаждения электронных компонентов. Вентиляторы принудительного охлаждения часто монтируются на охлаждающие устройства на тепловых трубах, водяные охлаждающие устройства для передачи тепла от источника тепла в окружающую воздушную среду. Общее термическое сопротивление охлаждающих устройств на тепловых трубах и водяных охлаждающих устройств зависит как от конструкции охлаждающего устройства, так и от воздушного потока, создаваемого вентилятором.
Возьмем некую систему охлаждения, включающую теплопроводящее основание или термический распределитель, которая распространяет тепло от микропроцессора к рассеивающим тепло элементам, таким, как охлаждающие устройства на тепловых трубах и водяные охлаждающие устройства, и элементам, передающим тепло в поток воздуха. Мы нашли, что существует оптимальное соотношение размеров термического распределителя, обеспечивающее оптимальную теплопередачу через термический распределитель, и, следовательно, минимизирующее термическое сопротивление охлаждающих устройств на тепловых трубах и водяных охлаждающих устройств. Это отношение равно T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и /(√S) - квадратный корень из площади поверхности данного термического распределителя. Термический распределитель данного оптимального соотношения T/(√S)≥0,17 не известен из текущего уровня техники и никогда не использовался для уменьшения термического сопротивления охлаждающих устройств на тепловых трубах и водяных охлаждающих устройств. Вследствие минимизации термического сопротивления охлаждающих устройств при использовании данного термического распределителя, имеющего оптимальное соотношение размеров T/(√S)≥0,17, стало возможным уменьшить воздушный поток, создаваемый вентилятором, и, тем не менее, обеспечить работу электронных компонентов в заданном диапазоне рабочих температур. Соответственно, стало возможным уменьшить скорость вращения вентилятора и, тем самым, уменьшить акустический шум, генерируемый действующим вентилятором, поскольку уровень шума действующего вентилятора пропорционален скорости вращения вентилятора.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - перспективный вид термического распределителя, соответствующего данному изобретению в примере исполнениях.
Фиг.2А - перспективный вид охлаждающего устройства на тепловых трубах, соответствующего данному изобретению в примере исполнения.
Фиг.2В - вид в разрезе охлаждающего устройства на тепловых трубах, соответствующего данному изобретению в примере исполнения.
Фиг.3А - перспективный вид водяного охлаждающего устройства, соответствующего данному изобретению в примере исполнения.
Фиг.3В и 3С - виды в разрезе водяного охлаждающего устройства, соответствующего данному изобретению в примерах исполнения.
Фиг.4 - схематический боковой вид электронной системы в примере исполнения, в которую включен охлаждающее устройство на тепловых трубах с фиг.2.
Фиг.5 - схематический боковой вид электронной системы в примере исполнения, в которую включен водяное охлаждающее устройство с фиг.3.
Фиг.6 - перспективный вид охлаждающего устройства на тепловых трубах, использованного в измерениях зависимости термического сопротивления и уровня акустического шума в зависимости от соотношения размеров T/(√S) термического распределителя.
Фиг.7 - график изменения термического сопротивления охлаждающего устройства на тепловых трубах, изображеннного на фиг.6 с вентилятором, в зависимости от соотношения размеров T/(√S) термического распределителя, соответствующего некоторому исполнению.
Фиг.8 - график изменения уровня акустического шума вентилятора охлаждающего устройства на тепловых трубах, изображенного на фиг.6 в зависимости от соотношения размеров T/(√S) термического распределителя, соответствующего некоторому исполнению.
Детальное описание изобретения.
Настоящее изобретение представляет собой термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность, имеющую тепловой контакт с устройством, рассеивающим тепло, входящим в группу, включающую охлаждающие устройства на тепловых трубах и водяные охлаждающие устройства, при этом соотношения размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и /(√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности данного термического распределителя.
В различных применениях, термический распределитель, представленный в изобретении, может быть изготовлен из теплопроводящих материалов, таких как меди, серебра, алюминия и его сплавов и графита, и прочих без ограничений.
Фиг.1 представляет собой перспективный вид термического распределителя, представленного в изобретении, соответствующего некоторым исполнениям. Исполнения термического распределителя 1 включают, но не ограничиваются, термическими распределителями 1a, 1b, и 1с. Все эти термические распределители имеют первую поверхность и противоположную первой вторую поверхность, и соответствуют соотношению размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина упомянутого термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности данного термического распределителя. Для термических распределителей 1а и 1b, где первая поверхность является прямоугольником, ее площадь вычисляется по формуле S=LW, где L - это длина и W - это ширина распределителя. Для термического распределителя 1с, первая поверхность является окружностью, и ее площадь вычисляется по формуле S=pD2/4, где D - это диаметр термического распределителя.
Таким образом, настоящее изобретение представляет охлаждающее устройство на тепловых трубах для электронных компонентов, включающее: (1) термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность; (2) по меньшей мере одна тепловая труба, имеющая тепловой контакт с второй поверхностью упомянутого термического распределителя; (3) множество пластин, прикрепленных к упомянутой тепловой трубе; и (4) вентилятор для для создания воздушного потока от окружающей среды к элементам, рассеивающим тепло, и соответствующее соотношению размеров Т/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
Фиг.2А - вид в перспективе, фиг.2В - вид в разрезе охлаждающего устройства на тепловых трубах для электронных компонентов, соответствующего некторому воплощению. Охлаждающее устройство 2 включает термический распределитель 1, соответствующий соотношению размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя. Охлаждающее устройство 2 также включает множество тепловых труб 3, имеющих термический контакт с термическим распределителем 1; множество ребер 4 установлено на упомянутых тепловых трубах 3; и вентилятор 5 для обдува ребер 4 окружающим воздухом. Охлаждающее устройство на тепловых трубах для электронных компонентов имеет термический контакт с электронным компонентом 6, смонтированном на монтажной плате 7. Винты 8 прикрепляют термический распределитель 2 к электронному компоненту 6.
Далее, настоящее изобретение представляет водяное охлаждающее устройство для электронных компонентов, включающее: (1) термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность; (2) водяной блок, термически соединенный с упомянутой второй поверхностью термического распределителя для переноса тепла от упомянутого термического распределителя; (3) радиатор, соединенный с водяным блоком водопроводами; (2) вентилятор для обдува радиатора окружающим воздухом; и (5) водяная помпа для циркуляции воды через охлаждающий контур, включающий водяной блок и радиатор, упомянутая помпу, присоединенную водопроводами к водяному блоку и радиатору, соответствующее соотношению размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
Фиг.3А - вид в перспективе водяной охлаждающей системы, соответствующей данному изобретению в примере исполнения. Водяная система охлаждения 13 включает термический распределитель 1, имеющий термический контакт с электронным компонентом 10, смонтированным на монтажную плату 24, водяной блок 9, имеющий термический контакт с термическим распределителем для переноса тепла от термического распределителя 1, водяная помпа 11 и радиатор 12. Водяной блок 9 имеет впускное отверстие для воды 15 и выпускное отверстие для воды 14. Труба 16 соединяет впускное отверстие для воды 15 и выпускное отверстие для воды 17 водяной помпы 11. Другая труба 23 соединяет выходное отверстие для воды 14 и входное отверстие для воды 18 радиатора 12. Радиатор 12 включает множества ребер 19. Труба 20 соединяет выходное отверстие для воды 21 радиатора 12 и входное отверстие для воды 22 водяной помпы 11. Таким образом устроена цепь циркуляции охлаждающей жидкости водяной охлаждающей системы 13. При работе охлажденная вода подается в водяной блок 9 из водяной помпы 11. После теплообмена вода нагревается электронным компонентом 10 через термический распределитель 1 и становится нагретой водой. Поток нагретой воды поступает в радиатор 12, где она охлаждается. Таким образом, охлажденная вода поступает обратно в водяную помпу 11 и питает схему циркуляции. Фиг.3В и 3С - виды в разрезе водяного блока 9, соответствующего данному изобретению в примере исполнения. Тепло, выделяемое электронным компонентом 10, передается воде в водяном блоке через термический распределитель, соответствующий соотношению размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя. Охлажденная вода поступает во входной отверстие для воды 15 и затем вытекает из выходного водяного отверстия 14. Таким образом, вода нагревается электронным компонентом 10 для удаления тепла с электронного компонента 10.
Далее, настоящее изобретение представляет электронную систему, включающую: подложку; электронный компонент, смонтированный на подложку; охлаждающее устройство на тепловых трубах для электронных компонентов, включающее: (1) термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность; (2) по меньшей мере одна тепловая труба, имеющая тепловой контакт с второй поверхностью упомянутого термического распределителя; (3) множество пластин, прикрепленных к упомянутой тепловой трубе; и (4) вентилятор для для создания воздушного потока от окружающей среды к элементам, рассеивающим тепло, и соответствующее соотношение размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя. Чаще всего подложка представляет собой монтажную плату. Чаще всего электронный компонент выбирается из множества микропроцессоров и графических процессоров. Чаще всего система выбирается из группы, включающей персональные компьютеры и медиацентры.
Фиг.4 - схематический вид сбоку электронной системы, соответствующей данному изобретению в примере исполнения, в которую включена охлаждающая система на тепловых трубах для электронных компонентов с фиг.2. Электронная система 25, включающая подложку 26, электронный компонент 27, смонтированный на подложку 26, и охлаждающее устройство на тепловых трубах для электронных компонентов, включающее термический распределитель 1, имеющий термический контакт с электронным компонентом и соответствующий соотношению размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
Далее, настоящее изобретение представляет электронную систему, включающую: подложку; электронный компонент, смонтированный на подложку; водяное охлаждающее устройство для электронных компонентов, включающее: (1) термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность; (2) водяной блок, термически соединенный с упомянутой второй поверхностью термического распределителя для переноса тепла от упомянутого термического распределителя; (3) радиатор, соединенный с водяным блоком водопроводами; (2) вентилятор для обдува радиатора окружающим воздухом; и (5) водяная помпа для циркуляции воды через охлаждающий контур, включающий водяной блок и радиатор, упомянутую помпу, присоединенную водопроводами к водяному блоку и радиатору, соответствующее соотношение размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
Фиг.5 - схематический вид сбоку электронной системы, соответствующей данному изобретению в примере исполнения, в которую включено водяное охлаждающее устройство для электронных компонентов с фиг.3. Электронная система 29, включающая подложку 30, электронный компонент 31, смонтированный на подложку 30, и водяное охлаждающее устройство для электронных компонентов, включающее термический распределитель 1, имеющий термический контакт с электронным компонентом, и соответствующий соотношению размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
В некоторых реализациях, электронная 25 и 29 система выбирается из группы, включающей персональные компьютеры и медиацентры.
В некоторых реализациях, электронный компонент может быть в обычной упаковке 1C (интегральной схемы). Так, например, электронными компонентами, могут быть, такие, как процессор любого типа вычислительной схемы, в том числе, но не ограничиваясь микропроцессор, микроконтроллер, CISC (complex instruction set computing) микропроцессор, RISC (reduced instruction set computing) микропроцессор, VLIW (very long instruction word) микропроцессор, графический процессор, DSP (digital signal processor) процессор, или любой другой тип процессора, или схема обработки.
Электронные системы 25 и 29 могут также включать в себя ряд других компонентов, которые не показаны. Эти компоненты включают, но не ограничиваются перечисленными, наборы микросхем и/или коммуникационные схемы, которые могут быть функционально связаны с электронными компонентами, цифровой коммутацией, RF (radio frequency) схемами, схемами памяти, заказными схемами, ASIC (application-specific integrated) схемами, усилителями, внешнюю память в виде одного или нескольких элементов памяти, RAM (random access memory) и/или ROM (read only memory), один или несколько жестких дисков и/или один или более дисков, которые на съемных носителях, таких как дискеты, компакт-диски (CD), цифровые видео-диски (DVD) и т.д. Все эти компоненты могут быть функционально связаны с упомянутыми электронными компонентами.
Тем не менее другие компоненты (не показаны) могут быть включены в электронные системы 25 и 29, такие как устройства отображения из одного или нескольких дисплеев, клавиатура и/или контроллер, который может включать в себя мышь, трекбол, игровой контроллер, устройство распознавания речи или любое другое устройство, которое позволяет пользователю вводить информацию в и/или получать информацию из электронных систем. Каждое из этих устройств, также может быть функционально связаны с упомянутыми электронными компонентами.
Следует понимать, что электронные системы 25 и 29 не должны быть только персональным компьютером, но могут быть также сервером или игровой приставкой.
Вследствие использования термического распределителя, имеющего отношение Т/(√S)≥0,17, можно уменьшить термического сопротивления охлаждающих устройств на тепловых трубах и водяных охлаждающих устройств. Из-за минимизации термического сопротивления охлаждающих устройств с помощью данного изобретения при использовании термического распределителя, имеющего оптимальное соотношение размеров T/(√S)≥0,17, стало возможным уменьшить воздушный поток, создаваемый вентилятором, и, тем не менее, обеспечить работу электронных компонентов в заданном диапазоне рабочих температур. Соответственно, стало возможным уменьшить скорость вращения вентилятора и, тем самым, уменьшить акустический шум, генерируемый действующим вентилятором, поскольку уровень шума действующего вентилятора пропорционален скорости вращения вентилятора.
Фиг.6 - вид в перспективе охлаждающего устройства на тепловых трубах для электронных компонентов, использованного в измерениях зависимости термического сопротивления и уровня акустического шума от соотношения размеров T/(√S) термического распределителя. Охлаждающее устройство 33 включает в себя термический распределитель 1; две тепловых трубы 34, имеющих тепловой контакт с термическим распределителем 1; множество ребер 35, смонтированное на тепловых трубах 34; и вентилятор 36 для обдува ребер 35 окружающим воздухом. Охлаждающее устройство 33 имеет термический контакт с тепловым источником, установленным на монтажной плате 37.
Фиг.7 - график изменения термического сопротивления охлаждающего устройства на тепловых трубах для электронных компонентов, изображенного на фиг.6 с воздушным вентилятором от соотношения размеров T/(√S) термического распределителя, соответствующему примеру исполнения. Термическое сопротивление охлаждающего устройства на тепловых трубах для электронных компонентов измерено для термического распределителя 1 переменной высоты и постоянных ширины и длины, при прочих равных условиях. Найдено, что искомое минимальное значение термического сопротивления достигается при соотношении T/(√S)≥0.17. Таким образом, термическое сопротивление кулера на тепловых трубках сведено к минимуму с тепловым распределителем, имеющим оптимальное соотношение T/(√S).
Фиг.8 - график изменения уровня акустического шума, генерируемого вентилятором охлаждающего устройства на тепловых трубах для электронных компонентов с фиг.6 от соотношения T/(√S) термического распределителя, соответствующего примеру исполнения. Уровень акустического шума, создаваемый вентилятором, измерялся при фиксированном значении термического сопротивления 0.6°С/Вт. Уровень акустического шума регулировался изменением скорости вращения вентилятора 36. Был использован термический распределитель 1 переменной высоты и постоянных ширины и длины. Найдено, что искомое минимальное значение акустического шума достигается при соотношении T/(√S)≥0.17. Таким образом, уровень акустического шума кулера на тепловых трубках сведен к минимуму с тепловым распределителем, имеющим оптимальное соотношение T/(√S).
Несколько примеров, описанных здесь исключительно для иллюстрации, не предназначены для ограничения сферы применения изобретения в каком-либо случае. Различные функции, описанные здесь, не обязательно должны быть использованы все вместе, и любая одна или несколько из этих функций могут быть включены в одно воплощение. Поэтому специалисты в данной области узнают из этого описания, что и другие воплощения могут быть осуществлены на практике с различными модификациями и изменениями.
1. Термический распределитель, характеризующийся тем, что состоит из первой поверхности, имеющей термический контакт с электронным компонентом, и противоположной второй поверхности, имеющей тепловой контакт с устройством, рассеивающим тепло, входящим в группу, включающую охлаждающие устройства на тепловых трубах и водяные охлаждающие устройства, при этом соотношения размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности данного термического распределителя.
2. Охлаждающее устройство на тепловых трубах для электронного компонента, включающее:
(1) термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность;
(2) по меньшей мере одну тепловую трубу, имеющую тепловой контакт с второй поверхностью упомянутого термического распределителя;
(3) множество пластин, прикрепленных к упомянутой тепловой трубе; и
(4) вентилятор для создания воздушного потока от окружающей среды к элементам, рассеивающим тепло,
где соотношение размеров T/(√S)>0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
3. Водяное охлаждающее устройство для электронного компонента, включающее:
(1) термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность;
(2) водяной блок, термически соединенный с упомянутой второй поверхностью термического распределителя для переноса тепла от упомянутого термического распределителя;
(3) радиатор, соединенный с водяным блоком водопроводами;
(4) вентилятор для обдува радиатора окружающим воздухом; и
(5) водяную помпу для циркуляции воды через охлаждающий контур, включающий водяной блок и радиатор, упомянутую помпу, присоединенную водопроводами к водяному блоку и радиатору, где соотношение размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
4. Электронная система, включающая: подложку; электронный компонент, смонтированный на подложку; охлаждающее устройство на тепловых трубах для электронных компонентов, включающее:
(1) термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность;
(2) по меньшей мере одну тепловую трубу, имеющую тепловой контакт с второй поверхностью упомянутого термического распределителя;
(3) множество пластин, прикрепленных к упомянутой тепловой трубе; и
(4) вентилятор для создания воздушного потока от окружающей среды к элементам, рассеивающим тепло, где соотношение размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
5. Система по п.4, где подложка является печатной платой.
6. Система по п.4, где упомянутый электронный компонент выбирается из группы, включающей микропроцессоры и графические процессоры.
7. Система по п.4, где электронная система выбирается из группы, включающей персональные компьютеры и медиацентры.
8. Электронная система, включающая: подложку; электронный компонент, смонтированный на подложку; водяное охлаждающее устройство для электронных компонентов, включающее:
(1) термический распределитель, имеющий первую поверхность, имеющую термический контакт с электронным компонентом, и противоположную вторую поверхность;
(2) водяной блок, термически соединенный с упомянутой второй поверхностью термического распределителя для переноса тепла от упомянутого термического распределителя;
(3) радиатор, соединенный с водяным блоком водопроводами;
(4) вентилятор для обдува радиатора окружающим воздухом; и
(5) водяную помпу для циркуляции воды через охлаждающий контур,
включающий водяной блок и радиатор, упомянутую помпу,
присоединенную водопроводами к водяному блоку и радиатору,
где соотношение размеров T/(√S)≥0,17, где Т - толщина данного термического распределителя и (√S) - квадратный корень из площади поверхности первой поверхности упомянутого термического распределителя.
9. Система по п.8, где подложка является печатной платой.
10. Система по п.8, где упомянутый электронный компонент выбирается из группы, включающей микропроцессоры и графические процессоры.
11. Система по п.8, где электронная система выбирается из группы, включающей персональные компьютеры и медиацентры.
