RU2012174C1

RU2012174C1 - Electronic device

Info

Publication number: RU2012174C1
Authority: RU
Inventors: Ю.П. Филиппов
Original assignee: Объединенный Институт Ядерных Исследований
Priority date: 1990-12-27
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: cooling device has high-pressure chamber separated from low-pressure chamber by wall with ports for forced admission of cooling medium, heat source, and nozzles provided at separating wall ports in close proximity of heat source surface at a distance of 0.1 mm. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к охлаждающим устройствам преимущественно для электроники. The invention relates to cooling devices primarily for electronics.

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.Known devices for cooling, in which heat is removed from the heat-generating electronic equipment by boiling a cooling dielectric medium, for example, freon or liquid nitrogen [1]. However, the maximum specific heat fluxes in this case are relatively small and limited by the critical heat flux (CFT), the value of which for liquid nitrogen is about 100-200 kW / m ² . To increase KTP, cooling devices with a forced supply of a cooling medium are used.

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. Closest to the claimed device by technical essence is a cooling device [2] selected as a prototype, including a heat source (cooled object), a high pressure chamber, a low pressure chamber that separates their wall with openings for forced supply of a cooling medium. Heat removal from the cooled object and the relative uniformity of its temperature are carried out by jets flowing from the holes due to the pressure difference in the chambers of the device. In this case, the intensity (efficiency) of cooling depends, in particular, on the distance h between the surface of the heat source and the wall with holes, and the cooling efficiency may increase as the value of h decreases.

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. The disadvantage of this device is that, starting from a certain distance, a decrease in the value of h leads to a deterioration in the efficiency of heat removal, which is associated with an adverse effect on the boundary layer of a relatively closely spaced wall with holes for the forced supply of a cooling medium.

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. The purpose of the invention is to increase the efficiency of heat removal by increasing the speed of the flow flowing onto the surface of the heat source without inhibiting this flow by a dividing wall with holes for forcing the cooling medium.

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. The goal is achieved in that in a cooling device comprising low and high pressure chambers separated by a wall with openings for forced supply of a cooling medium, a heat source located inside the low pressure chamber, nozzles are installed in the places of the separation wall openings, the output sections of which are located in the immediate proximity, of the order of 0.1 mm, from the surface of the heat source.

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. Comparison with the prototype showed that the claimed device differs additionally installed in the places of the holes of the separation wall of the nozzles, the output sections of which are located in close proximity, about 0.1 mm, from the surface of the heat source.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the claimed device meets the criteria of the invention of "novelty."

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. The installation of nozzles in places of the openings of the separation wall allows increasing the speed of the flow flowing onto the surface of the heat source without braking this flow by the separating wall with openings for supplying a cooling medium. In addition, the evacuation conditions of the resulting vapor phase are improved. It is also essential that the desired effect is achieved at the same flow rate of the cooling medium, which is characteristic of the prototype.

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. The drawing shows a diagram of the proposed device, where 1 is a heat source, 2 is a low-pressure chamber, 3 is a high-pressure chamber, 4 is a dividing wall with holes for supplying a cooling medium, 5 is a nozzle. The low-pressure chamber 2 is separated from the high-pressure chamber 3 by a wall 4 with holes in which nozzles 5 are installed, the output sections of which are located near the surface of the heat source 1 located in the low-pressure chamber 2.

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. The device operates as follows. In the chamber 3, excessive pressure is created by the pump or by connecting to a vessel with a cooling medium under pressure. The low pressure chamber 2 can be connected either to the pump inlet or to the atmosphere. Due to the pressure difference, the flow through the nozzle 5 enters the heat source 1 and removes it.

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.The effectiveness of the device was evaluated as follows. Were made prototype with four holes in the wall 4 and the proposed device with the same number of nozzles. Saturated liquid nitrogen served as a working medium. The overpressure was 0.098 MPa, which made it possible to ensure a flow rate of about 1.5 ˙ 10 ^-3 kg / s through each hole or nozzle with a diameter of 1 mm. The surface of the heat source was the end face of a copper rod with an area of about 4 × 10 ^-4 m ² . The surface temperature was controlled by a copper-constantan thermocouple located in the center. Heat was supplied from a nichrome heater wound on the side surface of a copper rod. The results of the experiments showed that for the prototype the maximum value of the first critical heat flux q _cr = 370 kW / m ^{2 is} provided when the distance between the surface of the heat source and the wall with openings is about 1.0 mm. For the proposed device q _cr = 620 kW / m ² at a distance from the outlet section of the nozzle to the surface of the heat source about 0.1-0.15 mm. Thus, the efficiency of heat removal, the indicator of which is the value of the first critical heat flux for saturated liquid nitrogen, increases approximately

times at the same flow rate of the cryoagent.

Claims

ELECTRONIC DEVICE containing an electronic device unit located in the low pressure chamber, a high pressure chamber separated from the low pressure chamber by a wall with holes for forcing a liquid cooling medium, characterized in that, in order to increase the efficiency of the cooling process, the wall with holes is provided with nozzles which are installed by the inlet sections in the indicated holes and directed by the outlet sections into the low-pressure chamber to the electronic unit with their location from of the specified block at a distance of 0.1 mm.