WO2020005094A1 - Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы - Google Patents

Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы Download PDF

Info

Publication number
WO2020005094A1
WO2020005094A1 PCT/RU2018/000435 RU2018000435W WO2020005094A1 WO 2020005094 A1 WO2020005094 A1 WO 2020005094A1 RU 2018000435 W RU2018000435 W RU 2018000435W WO 2020005094 A1 WO2020005094 A1 WO 2020005094A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat
frame
control system
evaporator
system based
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2018/000435
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Юрий Фольевич МАЙДАНИК
Владимир Григорьевич ПАСТУХОВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
"thercon Lhp" LLC
Original Assignee
"thercon Lhp" LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by "thercon Lhp" LLC filed Critical "thercon Lhp" LLC
Publication of WO2020005094A1 publication Critical patent/WO2020005094A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20009—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating using a gaseous coolant in electronic enclosures
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/20709—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for server racks or cabinets; for data centers, e.g. 19-inch computer racks
    • H05K7/20718—Forced ventilation of a gaseous coolant
    • H05K7/20727—Forced ventilation of a gaseous coolant within server blades for removing heat from heat source
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/10—Arrangements for heating
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
    • H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
    • H10W40/73—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control for cooling by change of state

Definitions

  • the invention relates to heat engineering, can be used mainly in cooling systems of electronic components, in particular for cooling processors and programmable logic integrated circuits in electronic modules and servers for space and aviation applications.
  • the cooling of the fuel elements is carried out by transferring heat through the motherboard to a carrier plate of heat-conducting material, the edges of which are connected to an external heat sink (Steinberg, Dave, Cooling Techniques for Electronic Equipment, 2nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., NY, 1991).
  • This solution also does not provide effective heat dissipation, leading to overheating of powerful elements, there is no reliable high-quality thermal contact of the heat transfer device simultaneously with the cooling object and heat-dissipating elements of the system, and the rigidity of the system does not allow the use of a system with different-height elements and tolerances of their installation on the motherboard.
  • the technical problem that the proposed technical solution solves is the creation of a thermal control system that can efficiently remove heat, providing 5 high-quality thermal contact of the heat transfer device simultaneously with the heat-removing element and the cooling object, which has the necessary flexibility, which allows using the system with different-height elements and tolerances of their installation on the mother circuit board.
  • the technical result consists in increasing the efficiency of heat removal, .0 ensuring reliable high-quality thermal contact of the heat transfer device simultaneously with the heat-removing element and the cooling object, ensuring the flexibility of the system that allows using the system with different-height elements and tolerances for installing them on the motherboard, ensuring stable operation of the temperature control system.
  • a passive thermal control system based on a contour heat pipe contains a frame of heat-conducting material mounted on a motherboard with at least one heat source, made with at least one window for size a heat source in contact with an external heat exchanger, and at least one two-phase heat transfer: 0 device installed in the frame window, made in the form of a contour heat pipe, including an evaporator with a wick ture in providing thermal contact with a heat source and a condenser in communication through the hollow steam pipe and the condensate to the evaporator.
  • At least one window of the frame is formed by vertical, internal: 5 longitudinal and transverse edges of the frame, and at the base of the ribs has internal horizontal shelves.
  • Evaporator and condenser have thermal interfaces.
  • a two-phase heat transfer device is installed in the frame window in such a way that its evaporator contacts the heat source through its thermal interface, and the condenser ⁇ through its thermal interface contacts the internal horizontal shelf of the frame window.
  • a two-phase heat transfer device is installed on the internal horizontal shelves of the frame window.
  • the horizontal horizontal window shelves and the thermal interfaces of the evaporator and condenser have holes for attaching a two-phase heat transfer device to the 5 internal horizontal shelves of the frame window using a screw connection.
  • the frame is made of aluminum.
  • the thermal interfaces of the evaporator and condenser are made of aluminum. At the edges of the frame are mating surfaces in contact with an external heat exchanger.
  • the contour heat pipe of a two-phase heat transfer device has compensation loops.
  • Figure 1 Diagram of a passive thermal control system with a two-phase heat transfer device.
  • Figure 2 Diagram of a two-phase heat transfer device.
  • Fig. For. The dependence of the maximum thermal load on the radius of the pores for freon 134a. About Fig. Zb. The dependence of the maximum heat load on the radius of the pores for freon 141 b.
  • the passive thermal control system is based on a two-phase heat transfer device (TPU), it can be designed to cool processors and programmable logic integrated circuits in electronic modules and servers 0 for space and aviation applications.
  • TPU two-phase heat transfer device
  • the system includes a frame 1 (heat sink element) with at least one window 2 in contact with an external heat exchanger (not shown) and mounted on the motherboard 3, on which at least one heat source 4 is located, requiring cooling , and at least one two-phase heat transfer device 5, 5 installed in the window 2 of the frame 1.
  • a frame 1 heat sink element
  • an external heat exchanger not shown
  • the system includes a frame 1 (heat sink element) with at least one window 2 in contact with an external heat exchanger (not shown) and mounted on the motherboard 3, on which at least one heat source 4 is located, requiring cooling , and at least one two-phase heat transfer device 5, 5 installed in the window 2 of the frame 1.
  • Frame 1 is installed on the motherboard E in such a way that it covers the entire board, and the heat source 4, which requires cooling, is located in the window 2 of the frame 1.
  • the window 2 of the frame is formed by vertical, internal, longitudinal and transverse edges (walls) of the frame, and is made under heat source size 4.
  • Frame 1 can be made of heat-conducting material, for example, aluminum alloy (D16). On the two opposite edges of the frame, mating surfaces 6 are made, each of which is associated with an external heat sink (external heat exchanger). On the edges of the frame 1, holes are made for its fastening to the motherboard, for example, by means of a screw, bolt or other known suitable 5 connection.
  • D16 aluminum alloy
  • mating surfaces 6 are made, each of which is associated with an external heat sink (external heat exchanger).
  • external heat exchanger external heat exchanger
  • holes are made for its fastening to the motherboard, for example, by means of a screw, bolt or other known suitable 5 connection.
  • the two-phase heat transfer device 5 is made in the form of a closed loop heat pipe (CTT) partially filled with a coolant located simultaneously in the liquid and vapor phases, including an evaporator 7 with a capillary structure inside, providing thermal contact with the heat source 4 and the tubular condenser 8, communicating via hollow pipelines (steam pipe 9 and condensate pipe 10) with the evaporator.
  • CCT closed loop heat pipe
  • the condensate line 10 is a section of the circuit located between the 5 output of the condenser 8 and the inlet of the evaporator 7, which is completely filled with the liquid phase of the coolant.
  • the steam line 9 is a section of the circuit located between the outlet of the evaporator 7 and the inlet of the condenser 8, which is completely filled with the vapor phase of the coolant.
  • L0 Pipelines may be capillary sized and flexible enough to adapt to placement conditions.
  • the evaporator 7 and the condenser 8 are equipped with special interfaces 11, 12.
  • Interfaces 11, 12 can be made of aluminum (D16).
  • D16 aluminum alloy
  • a two-phase heat transfer device 5 is installed in the window 2 of the frame 1, namely on its horizontal shelves 13, without going beyond the dimensions of the window 2.
  • the shelves 13 are made inside the window 2 in its lower part (at the base of the window edges).
  • the heat transfer device 5 10 is located so that the evaporator 7 is mounted on the heat source 4, and the condenser on the shelf 13 of the frame window 2, while the evaporator 7 and the condenser 8 are in contact with the heat source 4 and the shelves 13 of the frame window through its thermal interface 11 and 12 respectively.
  • Coaxial holes are made in the shelves of the frame window and in the interfaces of the evaporator and condenser for attaching the two-phase heat transfer device to the shelves using, for example,> 5 screw connections. The method of connecting a capacitor to its interface is soldering.
  • the condenser in contact with the window shelf through its interface, transfers heat from the source to the frame, which in turn transfers heat to the external heat exchanger through the mounting surfaces made at the edges.
  • the capacitor can be made without a thermal interface. In the absence of a thermal interface, a tubular capacitor can be placed with heat-conducting paste in grooves made in the shelves of the frame and pressed on top of the pressure plate.
  • a characteristic design feature of a heat transfer device based on loop heat pipes is the local placement of the capillary structure (CS) in the evaporator and the connection of the evaporator with the condenser via 55 smooth-walled pipelines.
  • Pipelines can have a capillary size and have sufficient flexibility to adapt to placement conditions.
  • the heat transfer device may have compensating piping loops that allow sufficient flexibility of the temperature control system when evaporator offsets.
  • the contour can be made of a metal tube with a diameter of 1 to 2 mm.
  • Ammonia or Freon 141 b or Freon can be used as a heat carrier.
  • Ammonia or Freon 141 L or O Freon 134a can be used as a heat carrier for CTT.
  • Table 1 presents the values of the critical temperature T cr , temperature of the triple point T Tr , saturated vapor pressure P s and fluid density pi for these coolants.
  • Freon 141 has a wider temperature range between T Tr and T cr , and its pressure P s is significantly lower than that of ammonia and Freon 134a.
  • the density of freons is two times higher than that of ammonia. This makes them heavier liquids than ammonia, but when choosing a coolant, this parameter is not critical, since the volume of liquid refueling in CTT is insignificant, it is approximately 1, 5 cm 3 , which ultimately weakly affects the mass characteristics of the entire system.
  • the choice of the parameters of the capillary structure was carried out on the basis of the standard procedure for calculating the maximum heat load Q depending on the radius of the pores R c .
  • the nominal value of the thermal load is 15 watts.
  • the geometrical parameters of the CTT used in the calculations were taken according to the scheme of the two-phase heat transfer device L0 based on the CTT shown in FIG. 2. Fig.
  • Ammonia CTT has a significantly excess supply of heat transfer capacity 35 relative to the nominal thermal load of 15 W over the entire range of pore radius changes from 0.5 to 15 ⁇ m. Moreover, the peak values of the Qmax curves are located in the same region as for CTT with freon 141 b, namely, at R c » 2 ⁇ m. It is also seen that an increase in the temperature of the steam of ammonia CTT leads to a decrease in its heat transfer ability.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Изобретение относится к теплотехнике, может быть использовано преимущественно в системах охлаждения электронных компонентов, в частности для охлаждения процессоров и программируемых логических интегральных схем в электронных модулях и серверах космического и авиационного применения. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы содержит рамку из теплопроводного материала, установленную на материнскую плату с, по меньшей мере, одним источником тепла, выполненную, с, по меньшей мере, одним окном под размер источника тепла, контактирующую с внешним теплообменником, и, по меньшей мере, одно двухфазное теплопередающее устройство, установленное в окне рамки, выполненное в виде контурной тепловой трубы, включающее испаритель с фитильной структурой внутри, обеспечивающий тепловой контакт с источником тепла и конденсатор, сообщающийся посредством пустотелых паропровода и конденсатопровода с испарителем. Технический результат заключается в повышении эффективности теплоотвода, обеспечении надежного качественного теплового контакта теплопередающего устройства одновременно с теплоотводящим элементом и объектом охлаждения, обеспечении гибкости системы, позволяющей применять систему с разновысотными элементами и допусками установки их на материнской плате, обеспечении устойчивой работы системы терморегулирования.

Description

ПАССИВНАЯ СИСТЕМА ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ
КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к теплотехнике, может быть использовано преимущественно в системах охлаждения электронных компонентов, в частности для охлаждения процессоров и программируемых логических интегральных схем в электронных модулях и серверах космического и авиационного применения.
Уровень техники
Как правило, в герметичных электронных сборках космической техники охлаждение тепловыделяющих элементов осуществляется за счет передачи тепла по материнской плате к несущей пластине из теплопроводного материала, края которой сопряжены с внешним тепловым стоком (Steinberg, Dave, Cooling Techniques for Electronic Equipment, 2nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., NY, 1991).
Недостатком такого решения является достаточно высокое термическое сопротивление теплопередачи и, как результат, не эффективный теплоотвод и перегрев мощных элементов, не эффективность и трудность применения дополнительных теплоотводящих элементов.
Из уровня техники известно решение US20110277967, 17.11.2011 г. В данном патенте описана система охлаждения тепловыделяющих элементов, в котором на материнской плате расположены тепловыделяющие элементы, контур охлаждения в виде контурной тепловой трубы (КТТ), испаритель, которой установлен на процессоре, посредством паропровода и конденсатопровода связан с конденсатором, а конденсатор разъемно-термически контактирует со стоком тепла.
В данном решении также не обеспечен эффективный теплоотвод, приводящий к перегреву мощных элементов, отсутствует надежный качественный тепловой контакт теплопередающего устройства одновременно с объектом охлаждения и теплоотводящими элементами системы, жесткость системы, не позволяющая применять систему с разновысотными элементами и допусками установки их на материнской плате.
Заявленная система устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат. Раскрытие изобретения
Технической задачей, которую решает предлагаемое техническое решение, является создание системы терморегулирования, способной эффективно отводить тепло, обеспечивая 5 качественный тепловой контакт теплопередающего устройства одновременно с теплоотводящим элементом и объектом охлаждения, имеющую необходимую гибкость, позволяющую применять систему с разновысотными элементами и допусками установки их на материнской плате.
Технический результат заключается в повышении эффективности теплоотвода, .0 обеспечении надежного качественного теплового контакта теплопередающего устройства одновременно с теплоотводящим элементом и объектом охлаждения, обеспечении гибкости системы, позволяющей применять систему с разновысотными элементами и допусками установки их на материнской плате, обеспечении устойчивой работы системы терморегулирования.
.5 Технический результат достигается за счет того, что пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы содержит рамку из теплопроводного материала, установленную на материнскую плату с, по меньшей мере, одним источником тепла, выполненную, с, по меньшей мере, одним окном под размер источника тепла, контактирующую с внешним теплообменником, и, по меньшей мере, одно двухфазное теплопередающее :0 устройство, установленное в окне рамки, выполненное в виде контурной тепловой трубы, включающее испаритель с фитильной структурой внутри, обеспечивающий тепловой контакт с источником тепла и конденсатор, сообщающийся посредством пустотелых паропровода и конденсатопровода с испарителем.
По меньшей мере, одно окно рамки образовано вертикальными, внутренними, :5 продольными и поперечными ребрами рамки, а в основании ребер имеет внутренние горизонтальные полки.
Испаритель и конденсатор имеют тепловые интерфейсы.
Двухфазное теплопередающее устройство установлено в окно рамки таким образом, что его испаритель через свой тепловой интерфейс контактирует с источником тепла, а конденсатор Ό через свой тепловой интерфейс контактирует с внутренней горизонтальной полкой окна рамки.
Двухфазное теплопередающее устройство установлено на внутренние горизонтальные полки окна рамки.
Внутренние горизонтальные полки окна и тепловые интерфейсы испарителя и конденсатора, имеют отверстия под крепление двухфазного теплопередающего устройства к 5 внутренним горизонтальным полкам окна рамки с помощью винтового соединения.
Рамка выполнена из алюминия.
Тепловые интерфейсы испарителя и конденсатора выполнены из алюминия. На краях рамки выполнены привалочные поверхности, контактирующие с внешним теплообменником.
Контурная тепловая труба двухфазного теплопередающего устройства имеет компенсационные петли.
5 Краткое описание чертежей
Фиг.1. Схема пассивной системы терморегулирования с двухфазным теплопередающим устройством.
Фиг.2. Схема двухфазного теплопередающего устройства.
Фиг.За. Зависимость максимальной тепловой нагрузки от радиуса пор для фреона 134а. О Фиг.Зб. Зависимость максимальной тепловой нагрузки от радиуса пор для фреона 141 Ь.
Фиг.Зв. Зависимость максимальной тепловой нагрузки от радиуса пор для аммиака.
Осуществление изобретения
5
Пассивная система терморегулирования выполнена на основе двухфазного теплопередающего устройства (ТПУ), может быть предназначена для охлаждения процессоров и программируемых логических интегральных схем в электронных модулях и серверах 0 космического и авиационного применения.
Система включает в себя рамку 1 (теплоотводящий элемент) с, по меньшей мере, одним окном 2, контактирующую с внешним теплообменником (не показан) и установленную на материнскую плату 3, на которой расположен, по меньшей мере, один источник тепла 4, требующий охлаждения, и, по меньшей мере одно двухфазное теплопередающее устройство 5, 5 установленное в окно 2 рамки 1.
Рамка 1 установлена на материнскую плату Э таким образом, что перекрывает всю плату, а источник тепла 4, требующий охлаждения, располагался в окне 2 рамки 1. Окно 2 рамки образовано вертикальными, внутренними, продольными и поперечными ребрами (стенками) рамки, и выполнено под размер источника тепла 4.
0 Рамка 1 может быть выполнена из теплопроводного материала, например, из алюминиевого сплава (Д16). По двум противоположным краям рамки выполнены привалочные поверхности 6, каждая из которых сопряжена с внешним тепловым стоком (внешним теплообменником). На краях рамки 1 выполнены отверстия под ее крепление к материнской плате, например, с помощью винтового, болтового или другого известного подходящего 5 соединения.
Двухфазное теплопередающее устройство 5 выполнено в виде замкнутой контурной тепловой трубы (КТТ) частично заполненной теплоносителем, находящимся одновременно в жидкостной и паровой фазах, включающей в себя испаритель 7 с капиллярной структурой внутри, обеспечивающий тепловой контакт с источником тепла 4 и трубчатый конденсатор 8, сообщающийся посредством пустотелых трубопроводов (паропровода 9 и конденсатопровода 10) с испарителем.
Конденсатопровод 10 представляет собой участок контура, расположенный между 5 выходом конденсатора 8 и входом испарителя 7, который целиком заполнен жидкой фазой теплоносителя.
Паропровод 9 представляет собой участок контура, расположенный между выходом испарителя 7 и входом конденсатора 8, который целиком заполнен паровой фазой теплоносителя.
L0 Трубопроводы могут иметь капиллярный размер и обладать достаточной гибкостью для адаптации к условиям размещения. Для осуществления теплового контакта между источником 4 и стоком тепла, испаритель 7 и конденсатор 8 снабжаются специальными интерфейсами 11 ,12. Интерфейсы 11 ,12 могут быть выполнены из алюминия (Д16). Использование сплава алюминия (Д16) в качестве материала интерфейсов испарителя и конденсатора позволило снизить массу L5 системы терморегулирования. Оценки масс показали, что за счет этого масса системы терморегулирования может быть снижена более чем в 2 раза и составит около 30 г.
Двухфазное теплопередающее устройство 5 установлено в окне 2 рамки 1 , а именно на его горизонтальные полки 13, не выходя за габариты окна 2. Полки 13 выполнены внутри окна 2 в нижней его части (в основании ребер окна). При этом теплопередающее устройство 5 Ю расположено так, что испаритель 7 установлен на источнике тепла 4, а конденсатор на полке 13 окна 2 рамки, при этом испаритель 7 и конденсатор 8 контактируют с источником тепла 4 и полками 13 окна рамки через свой тепловой интерфейс 11 и 12 соответственно. В полках окна рамки и в интерфейсах испарителя и конденсатора выполнены соосные отверстия под крепление двухфазного теплопередающего устройства к полкам с помощью, например, >5 винтового соединения. Способ соединения конденсатора со своим интерфейсом - пайка.
Конденсатор, соприкасаясь через свой интерфейс с полкой окна, отдает тепло от источника к рамке, которая в свою очередь через привалочные поверхности, выполненные на краях, отдает тепло внешнему теплообменнику.
Конденсатор может быть выполнен и без теплового интерфейса. При отсутствии Ю теплового интерфейса, трубчатый конденсатор может быть размещен с теплопроводной пастой в канавках, выполненных в полках рамки и прижат сверху прижимной пластиной.
Характерной особенностью конструкции теплопередающего устройства на основе контурных тепловых труб (КТТ) является локальное размещение капиллярной структуры (КС) в испарителе и соединение испарителя с конденсатором посредством гладкостенных 55 трубопроводов. Трубопроводы могут иметь капиллярный размер и обладать достаточной гибкостью для адаптации к условиям размещения.
Теплопередающее устройство может иметь компенсационные петли трубопроводов, которые позволяют обеспечить достаточную гибкость системы терморегулирования при смещениях испарителя.
Важным фактором является переменная величина положения контактной поверхности источников тепла, обусловленная допусками монтажа и использования источников тепла разных типов. Это осложняет осуществление качественного теплового контакта теплопередающего 5 устройства одновременно с рамкой и источником тепла, если конструкция теплопередающего устройства не обладает достаточной гибкостью, а его крепление недостаточно надежно.
Контур может быть выполнен из металлической трубки диаметром от 1 до 2 мм.
В качестве теплоносителя может быть использован аммиак или фреон 141 b или фреон
134а.
0 Пассивная система терморегулирования работает следующим образом.
При подводе тепловой нагрузки от охлаждаемого объекта, который является источником тепла, к испарителю, содержащему капиллярную структуру, теплоноситель испаряется из капиллярной структуры, забирая скрытую теплоту парообразования. Пар по паропроводу поступает в конденсатор, где передает тепло рамке, которая является стоком тепла, и 5 конденсируется. Образовавшаяся жидкость по конденсатопроводу возвращается в испаритель, замыкая рабочий цикл КТТ. При этом никакие другие дополнительные источники энергии для циркуляции теплоносителя не требуются. Передача тепла от источника к стоку является пассивной.
В качестве теплоносителя для КТТ может быть использован аммиак или фреон 141 Ь или О фреон 134а. В таблице 1 представлены значения критической температуры Ткр, температуры тройной точки Ттр, давления насыщенного пара Ps и плотности жидкости pi для этих теплоносителей.
Таблица 1. Основные теплофизические параметры теплоносителей
Figure imgf000007_0001
5 Согласно этой таблице, фреон 141 имеет более широкий температурный диапазон между Ттр и Ткр, а его давление Ps существенно ниже, чем у аммиака и фреона 134а. Плотность фреонов в два раза выше, чем у аммиака. Это делает их более тяжелыми жидкостями, чем аммиак, но при выборе теплоносителя этот параметр не является решающим, поскольку объем жидкости заправляемой в КТТ незначителен, он составляет приблизительно 1 ,5 см3, что в конечном итоге, слабо влияет на массовые характеристики всей системы.
Выбор параметров капиллярной структуры производился на базе стандартной процедуры расчета максимальной тепловой нагрузки Q в зависимости от радиуса пор Rc. Капиллярное 5 давление, создаваемое этими порами, должно быть достаточным, чтобы компенсировать потери давления при циркуляции теплоносителя в КТТ, массовый расход которого определяется передаваемой тепловой нагрузкой: G = Q/k, где к - скрытая теплота парообразования. Номинальное значение тепловой нагрузки равно 15 Вт. Геометрические параметры КТТ, используемые в расчетах, брались согласно схеме двухфазного теплопередающего устройства L0 на основе КТТ, показанной на фиг.2. На фиг.З представлены результаты расчета максимальной тепловой нагрузки в зависимости от радиуса пор для трех теплоносителей - фреона 134а, фреона 141 b и аммиака. Пористость капиллярной структуры составляла 50%. Рабочая температура пара в контурной тепловой трубе менялась от 40 до 60 °С. Расчет представлен для наиболее тяжелой вертикальной ориентации КТТ в поле силы тяжести, при которой испаритель L5 расположен выше конденсатора.
Анализ данных на фиг.З показывает, что фреон 134а является наиболее “слабым” теплоносителем по сравнению с двумя другими. Его расчетные кривые Qmax = f(Rc) при всех значениях температуры пара Tv лежат ниже соответствующих кривых, полученных для фреона 141 b и аммиака. Следует также отметить, что у КТТ с этим теплоносителем имеет место сильная 20 зависимость теплопередающей способности Qmax от температуры Т„, приводящая к тому, что с ростом температуры пара Tv величина Qmax резко снижается. Можно наблюдать ещё одну негативную тенденцию в поведении расчетных кривых при увеличении Tv. Чем выше температура пара Tn, тем более узким становится диапазон изменения размеров пор Rc, обеспечивающих капиллярное давление, необходимое для работы КТТ при тепловой нагрузке 25 15 Вт. Так, при Tv = 20 °С диапазон изменения радиуса пор Rc для Qmax = 15 Вт составляет от 1 до 13 мкм. При Tv = 40 °С, он сокращается в 1.5 раза, за счет смещения верхней границы к значению 8 мкм. При Tv = 60 °С размер пор может варьироваться в ещё более узких пределах от 1 мкм до 4 мкм. Пиковые значения Qmax при всех Tv находятся вблизи Rc= 2 мкм.
Результаты для фреона 141 b показывают, что для отвода тепла от объекта с мощностью 30 тепловыделения до 15 Вт может быть использован пористый материал, радиус пор которого не должен превышать 15 мкм. Пик кривых теплопередающей способности КТТ Qmax = f(Rc) приходится на поры с радиусом 2 мкм. Видно также, что с ростом температуры пара значения Qmax увеличиваются.
Аммиачная КТТ, согласно данным на фиг.З, имеет существенно избыточный запас 35 теплопередающей способности относительно величины номинальной тепловой нагрузки 15 Вт во всем диапазоне изменения радиуса пор от 0.5 до 15 мкм. При этом, пиковые значения кривых Qmax располагаются в той же области, что и для КТТ с фреоном 141 b, а именно при Rc » 2 мкм. Видно также, что увеличение температуры пара аммиачной КТТ приводит к снижению её теплопередающей способности.
Все теплоносители являются химически совместимыми с конструкционными материалами КТТ (нержавеющая сталь) и капиллярной структуры (титан).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы, характеризующаяся тем, что содержит рамку из теплопроводного материала, установленную
5 на материнскую плату с, по меньшей мере, одним источником тепла, выполненную, с, по меньшей мере, одним окном под размер источника тепла, контактирующую с внешним теплообменником, и, по меньшей мере, одно двухфазное теплопередающее устройство, установленное в окне рамки, выполненное в виде контурной тепловой трубы, включающее испаритель с фитильной структурой внутри, обеспечивающий тепловой контакт с источником
.0 тепла и конденсатор, сообщающийся посредством пустотелых паропровода и конденсатопровода с испарителем.
2. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.1 , характеризующаяся тем, что, по меньшей мере, одно окно рамки образовано вертикальными, внутренними, продольными и поперечными ребрами рамки, а в основании ребер имеет
.5 внутренние горизонтальные полки.
3. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.1 , характеризующаяся тем, что испаритель и конденсатор имеют тепловые интерфейсы.
4. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.1 , характеризующаяся тем, что двухфазное теплопередающее устройство установлено в окно рамки таким образом, что его испаритель через свой тепловой интерфейс контактирует с источником тепла, а конденсатор через свой тепловой интерфейс контактирует с внутренней горизонтальной полкой окна рамки.
5. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.1 , характеризующаяся тем, что двухфазное теплопередающее устройство установлено на
!5 внутренние горизонтальные полки окна рамки.
6. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.2, характеризующаяся тем, что внутренние горизонтальные полки окна и тепловые интерфейсы испарителя и конденсатора, имеют отверстия под крепление двухфазного теплопередающего устройства к внутренним горизонтальным полкам окна рамки с помощью винтового
!0 соединения.
7. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.1 , характеризующаяся тем, что рамка выполнена из алюминия.
8. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.З, характеризующаяся тем, что тепловые интерфейсы испарителя и конденсатора выполнены из
$5 алюминия.
9. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.1 , характеризующаяся тем, что на краях рамки выполнены привалочные поверхности, контактирующие с внешним теплообменником.
10. Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы по п.1 , характеризующаяся тем, что контурная тепловая труба двухфазного теплопередающего устройства имеет компенсационные петли.
PCT/RU2018/000435 2018-06-29 2018-06-29 Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы Ceased WO2020005094A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018123765 2018-06-29
RU2018123765A RU2685078C1 (ru) 2018-06-29 2018-06-29 Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы для охлаждения процессоров и программируемых логических интегральных схем в электронных модулях и серверах космического и авиационного применения

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020005094A1 true WO2020005094A1 (ru) 2020-01-02

Family

ID=66168380

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2018/000435 Ceased WO2020005094A1 (ru) 2018-06-29 2018-06-29 Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2685078C1 (ru)
WO (1) WO2020005094A1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4104700A (en) * 1977-01-31 1978-08-01 Burroughs Corporation Heat pipe cooling for semiconductor device packaging system
EA012095B1 (ru) * 2004-03-31 2009-08-28 Белитс Компьютер Системс, Инк. Плоская охлаждающая система на основе термосифона для компьютеров и других электронных устройств
RU2403692C1 (ru) * 2009-04-29 2010-11-10 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Модуль радиоэлектронной аппаратуры с гипертеплопроводящим основанием
US20110277967A1 (en) * 2007-04-16 2011-11-17 Stephen Samuel Fried Liquid cooled condensers for loop heat pipe like enclosure cooling
US9464849B2 (en) * 2012-05-14 2016-10-11 Fujitsu Limited Cooling device using loop type heat pipe
RU2605432C2 (ru) * 2014-04-29 2016-12-20 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" Устройство охлаждения многослойной керамической платы

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4104700A (en) * 1977-01-31 1978-08-01 Burroughs Corporation Heat pipe cooling for semiconductor device packaging system
EA012095B1 (ru) * 2004-03-31 2009-08-28 Белитс Компьютер Системс, Инк. Плоская охлаждающая система на основе термосифона для компьютеров и других электронных устройств
US20110277967A1 (en) * 2007-04-16 2011-11-17 Stephen Samuel Fried Liquid cooled condensers for loop heat pipe like enclosure cooling
RU2403692C1 (ru) * 2009-04-29 2010-11-10 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" Модуль радиоэлектронной аппаратуры с гипертеплопроводящим основанием
US9464849B2 (en) * 2012-05-14 2016-10-11 Fujitsu Limited Cooling device using loop type heat pipe
RU2605432C2 (ru) * 2014-04-29 2016-12-20 Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" Устройство охлаждения многослойной керамической платы

Also Published As

Publication number Publication date
RU2685078C1 (ru) 2019-04-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11116113B2 (en) Cooling electronic devices in a data center
US6657121B2 (en) Thermal management system and method for electronics system
JP6015675B2 (ja) 冷却装置及びそれを用いた電子機器
US10779436B2 (en) Space-efficient pressure relief mechanism for immersion cooling of computing elements
US9095942B2 (en) Wicking and coupling element(s) facilitating evaporative cooling of component(s)
US20200404805A1 (en) Enhanced cooling device
US7077189B1 (en) Liquid cooled thermosiphon with flexible coolant tubes
US8953317B2 (en) Wicking vapor-condenser facilitating immersion-cooling of electronic component(s)
US7013955B2 (en) Flexible loop thermosyphon
US20080225489A1 (en) Heat spreader with high heat flux and high thermal conductivity
US20060162903A1 (en) Liquid cooled thermosiphon with flexible partition
US20020185262A1 (en) Single or dual buss thermal transfer system
US20160073548A1 (en) Cooling module, cooling module mounting board and electronic device
TW200306402A (en) Loop heat pipe method and apparatus
US20050121180A1 (en) Use of graphite foam materials in pumped liquid, two phase cooling, cold plates
EP0856137A1 (en) Thermoelectric device with evaporating/condensing heat exchanger
US20180270993A1 (en) Cooling using a wick with varied thickness
CN111818756B (zh) 带有集成的两相散热器的热交换器
JP2010079401A (ja) 冷却システム及びそれを用いた電子機器
CN206294058U (zh) 散热装置及功率变换设备
JP2010079403A (ja) 電子装置用冷却システム
WO2020005094A1 (ru) Пассивная система терморегулирования на основе контурной тепловой трубы
RU2345511C2 (ru) Устройство для нагрева и охлаждения статического преобразователя
CN215269268U (zh) 一种集成式大功率散热模组
WO2023081401A1 (en) Cooling device having a boiling chamber with submerged condensation and method

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18924870

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18924870

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1