Микротеплообменник
MICRO HEAT EXCHANGER

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для передачи тепла от различных устройств микроэлектроники, таких как микропроцессоры, видеопроцессоры, для охлаждения солнечных батарей, люминесцентных ламп, а также для использования с микрофлюидными устройствами - микрореакторами, микросмесителями, микроэмульгаторами с целью поддержания заданной температуры процесса, отвода или подвода теплоты реакции, и может применяться для других объектов, требующих отвода большого количества тепла с маленькой поверхности.
В одной из первых работ по исследованию микротеплообменников для охлаждения микропроцессоров (D.В. Tuckerman, R. F. W. Pease, High-Performance Heat Sinking for VLSI // IEEE Electron device letters, VOL. EDL-2, NO. 5, MAY 1981, c. 126-129) исследовано термическое сопротивление микротеплообменника с параллельными каналами от расхода жидкости (хладагента). В последующих работах также исследовались характеристики микротеплообменника с параллельными каналами.
Известно устройство (устройство-аналог) - охлаждаемый жидкостью микротеплообменник (пат. США 4894709, 1988 г., H01L 25/04), применяемый для охлаждения силовых электронных компонентов, содержащий множество параллельных каналов, находящихся в непосредственном контакте с охлаждаемой поверхностью интегральной микросхемы, через которые подается жидкость в ламинарном или турбулентном режиме, отличающийся тем, что вокруг охлаждаемой поверхности интегральной микросхемы расположен компенсирующий нагреватель, нагреваемый с такой же интенсивностью, как и интегральная микросхема.
Известное устройство позволяет снизить неравномерность температуры по охлаждаемой поверхности. Однако, в связи с необходимостью отвода теплоты от дополнительного источника - компенсирующего нагревателя, в известном устройстве приходится подводить хладагент с удвоенным расходом.
Известно устройство (устройство-аналог) - микроканальный теплообменник (пат. США 5099311, 1992 г., H01L 25/04; H01L 23/02; F28F 7/00; Н02В 1/00), содержащий микроканальный слой, выполненный преимущественно из силикона, и слой коллекторов, преимущественно выполненный из стекла. Эластичный уплотнитель расположен между подводящим патрубком и корпусом теплообменника для обеспечения герметичности.
Известное устройство может использоваться в суперкомпьютерах и других электронных устройствах, в том числе для охлаждения до сверхнизких температур.
В известном устройстве микроканалы выполнены параллельно, что, как показывают расчеты, не обеспечивает необходимой равномерности распределения температуры по площади охлаждаемого объекта (микропроцессора, микросхемы и т.п.), как указано в работе (Н.-С. Chiu, J.-Н. Jang, H.-W. Yeh, M.-S. Wu, The heat transfer characteristics of liquid cooling heatsink containing microchannels // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, т. 54, с. 34-42).
Известен микротеплообменник (устройство-прототип) (J. Li, G. P. "Bud" Peterson, Geometric Optimization of a Micro Heat Sink With Liquid Flow // IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 29, NO. 1, MARCH 2006, c. 145-154), в котором в параллельно расположенные микроканалы подают хладагент. В указанной работе исследовано влияние линейной плотности (числа на единицу длины) параллельных микроканалов (оно варьировалось от 40 до 140 на сантиметр) на термическое сопротивление. Было выявлено, что оптимальными являются значения: плотность каналов 120 шт/см, отношение глубины микроканала к ширине должно быть максимально большим.
Известное устройство позволяет минимизировать термическое сопротивление устройства, но в рамках заданной геометрии (топологии) устройства с параллельными каналами.
Вместе с тем, предельная тепловая нагрузка, а также коэффициента неравномерности распределения температуры в устройстве-прототипе ограничена особенностями его топологии.
По мере роста производительности микропроцессоров и выделяемой ими тепловой мощности использование известных устройств приводит к существенному локальному перегреву на некоторых участках известных микротеплообменников, в результате чего происходит преждевременный отказ охлаждаемых ими электронных компонентов.
Задача предлагаемого изобретения - повышение передаваемой микротеплообменником тепловой мощности при заданной площади теплосъема (площади объекта, от которого отводится тепло, равной площади основания микротеплообменника), т.е. удельной тепловой мощности, повышение плотности теплового потока при одновременном снижении коэффициента неравномерности распределения температуры по площади охлаждаемого объекта.
Поставленная задача достигается тем, что в микротеплообменнике, содержащем нагреваемое прямоугольное основание с размещенными на нем микроканалами, входы в которые соединены с коллектором подачи теплоносителя, а выходы из микроканалов соединены с коллектором отвода теплоносителя, отличающийся тем, что микроканалы расположены поперек нагреваемого основания, причем каждый из микроканалов имеет от трех до пяти ходов.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.
b
b
b
fin
fin
ch
ch
На фиг. 1 показаны принципиальные схемы топологий микротеплообменников, или микроканальных теплообменников (далее сокращенно обозначенных как МКТО): а - одноходовой традиционной топологии (I-образный МКТО); б - трехходовой МКТО с поперечным расположением микроканалов (N-образной топологии); в - пятиходовой МКТО с поперечным расположением микроканалов (W-образной топологии). На фиг. 2 - основные геометрические размеры, общие для всех топологий микроканального теплообменника (включая базовую): длина и ширина основания L и W, толщина основания H, толщина ребра (стенки между микроканалами) W, высота ребра H, совпадающая с высотой микроканала H, ширина микроканала W. На фиг. 3 представлены графики зависимости: общего теплового сопротивления (а), коэффициента неравномерности распределения температуры (б), среднего числа Нуссельта (в) от мощности, необходимой для перекачивания хладагента для всех трех исследованных топологий микротеплообменников.
Предлагаемый микротеплообменник (фиг. 1б, в) содержит нагреваемое прямоугольное основание 1 с размещенными на нем микроканалами 2, входы в которые соединены с коллектором 3 подачи теплоносителя, а выходы из микроканалов 2 соединены с коллектором 4 отвода теплоносителя. При этом микроканалы 2 расположены поперек нагреваемого основания 1, причем каждый из микроканалов имеет от трех (фиг. 1б) до пяти (фиг. 1в) ходов.
fin
fin
Микроканалы отделены друг от друга стенками 5 (фиг. 2), имеющими высоту H и толщину W (эти и остальные размеры представлены в таблице 1).
Поперечное сечение микроканалов может быть прямоугольной, эллиптической формы или иметь иную форму. Число ходов микроканалов может составлять три, четыре или пять. Число ходов микроканалов, равное трем (фиг. 1б) или пяти (фиг. 1в), является предпочтительным, поскольку позволяет вывести все входы в микроканалы на одну сторону микротеплообменников - в коллектор 3, а все выходы из них - на другую сторону микротеплообменников - в коллектор 4 (фиг. 1б, в).
Выполненные нами расчеты, изложенные в примерах конкретного выполнения 1-3, показали, что микроканальный теплообменник с прямыми параллельными каналами (базовой топологии), отражающий уровень изобретений-аналогов и изобретения-прототипа, показали, что значения коэффициента теплоотдачи в нем недостаточно высокое, а коэффициент неравномерности распределения температуры довольно значительный, что может приводить к локальному перегреву охлаждаемого объекта - микропроцессора, микросхемы, а в последующем - к их отказу.
В таблице 1 приведены геометрические размеры поперечного сечения прямоугольных микроканалов микроканального теплообменника и размеры его основания. Указанные геометрические размеры микроканалов и основания для всех топологий, описанных в примерах 1-3, были одинаковыми.
Пример конкретного выполнения 1. Микроканальный теплообменник с прямыми параллельными каналами (базовая конфигурация согласно известным изобретениям, I-образная топология).
2
-4
2
h
b
b
Оценим эффективность и тепловую производительность классического микроканального теплообменника (МКТО) с прямыми параллельными каналами (см. фиг. 1, а). Целевая величина теплового потока, отводимого теплообменником, составляет q=100 кВт/м; площадь поверхности, к которой приложена тепловая нагрузка (площадь основания МКТО) A=4,75⋅10 м (длина и ширина основания L=50 мм, W=9,5 мм соответственно, эти и другие важные геометрические характеристики МКТО приведены на фиг. 2 и таблице 1). Материал, из которого выполнен теплообменник, - алюминий марки 6063-Т83, в качестве охлаждающей жидкости используется вода с начальной температурой Т=25°C (298 K), а скорость движения хладагента в каналах  варьировалась от 0,1 до 1 м/с. Ниже приведены примеры расчетов важнейших критериев оценки тепловых характеристик МКТО при .
Общее термическое сопротивление определяется как:
b.max
где T - максимальная температура на основании МКТО, К;
- температура хладагента на входе, К.
Коэффициент неравномерности распределения температуры, определяется как
b.min
где T - минимальная температура на основании МКТО, К.
Среднее число Нуссельта, рассчитывается как
где  - средняя температура на поверхности стенок МКТО и средняя температура хладагента, соответственно, К.
- коэффициент теплопроводности хладагента, Вт/м⋅К;
h
D - гидравлический диаметр микроканала, м, который рассчитывается как
ch
2
где A - площадь поперечного сечения канала, м;
ch
P - периметр канала, м.
Мощность, необходимая для перекачивания хладагента через МКТО, определяется как
p
-6
N=V⋅ΔР=6⋅10⋅2652,5=0,0159 Вт,
3
где V - объемный расход хладагента через микроканальный теплообменник, м/с;
ΔР - потери давления в теплообменнике, Па.
Максимальный достигаемый коэффициент теплоотдачи для базового варианта
1
2
α=7215 Вт/мК.
Пример конкретного выполнения 2. Микроканальный трехходовой микротеплообменник с поперечным расположением каналов (N-образная топология).
Для оценки тепловой производительности трехходового МКТО (N-образной топологии) с поперечным расположением каналов (см. фиг. 1, б), как и в примере 1, рассчитаем общее термическое сопротивление, коэффициент неравномерности распределения температуры, среднее число Нуссельта (пример расчета при ):
Мощность, необходимая для перекачивания хладагента через МКТО N-образной топологии с поперечным расположением каналов равна
p
-5
N=V⋅ΔР=1,1⋅10⋅4787=0,0527 Вт
Максимальный достигаемый коэффициент теплоотдачи
2
2
α=21456 Вт/мК,
что в 2,97 раз выше, чем для базового варианта (пример 1).
Пример конкретного выполнения 3. Микроканальный пятиходовой микротеплообменник с поперечным расположением каналов (W-образная топология).
Для оценки тепловой производительности пятиходового МКТО (W-образной топологии) с поперечным расположением каналов (см. фиг. 1, в), рассчитаем общее термическое сопротивление, коэффициент неравномерности распределения температуры, среднее число Нуссельта (пример расчета при ):
Мощность, необходимая для перекачивания хладагента через МКТО двойной W-образный топологии с поперечным расположением каналов равна
p
-6
N=V⋅ΔР=6⋅10⋅3847,1=0,0231 Вт.
Максимальный достигаемый коэффициент теплоотдачи
3
2
α=23476 Вт/мК,
что в 3,25 раз выше, чем для базового варианта (пример 1).
Сравнение топологий микротеплообменников по примерам конкретного выполнения 1-3. Из результатов расчетов, представленных на фиг. 3, можно сделать вывод, что более высокие значения среднего числа Нуссельта наблюдаются для топологий с поперечным расположением каналов (с числом ходов три и пять, согласно предлагаемому изобретению) и  увеличивается с увеличением числа проходов теплоносителя, особенно при повышенных расходах хладагента. Вместе с тем, средние числа Нуссельта для трехходового и пятиходового микротеплообменников (N-образной и W-образной топологий) с поперечными каналами примерно совпадают и превышают средние числа Нуссельта для традиционной топологии МКТО в 2,2-2,9 раза при равных энергетических затратах на подачу хладагента (см. фиг. 3в). Во столько же раз возрастают и коэффициенты теплоотдачи в предлагаемых топологиях микротеплообменников, по сравнению с микротеплообменником базовой топологии. Кроме того, графики зависимости общего теплового сопротивления и коэффициента неравномерности распределения температуры по основанию МКТО от мощности, необходимой для перекачивания хладагента, демонстрируют преимущество топологий с поперечным расположением каналов, с числом ходов от трех до пяти, по сравнению с традиционной, I-образной, топологией МКТО (см. фиг. 3а, б).
p
Аналогичные расчеты, проведенные для семиходового микротеплообменника, показали, что при увеличении числа ходов возрастают потери давления и затраты энергии N на подачу хладагента, а неравномерность распределения температуры Θ возрастает (по сравнению с трехходовым и пятиходовым микротеплообменниками), приближаясь к значениям, полученным для теплообменника с I-образной топологией (продольными микроканалами).
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет существенно (в 2,2-2,9 раза) при равных энергетических затратах на подачу хладагента и при одинаковой площади основания микротеплообменника повысить коэффициенты теплоотдачи, увеличить плотность теплового потока, а значит, во столько же раз повысить эффективность теплосъема. При этом, несмотря на повышение плотности теплового потока, предлагаемое изобретение позволяет в 1,15 раза (для пятиходовой топологии МКТО) и в 1,73 раза (для трехходовой топологии МКТО) снизить коэффициент неравномерности распределения температуры по сравнению с известным микротеплообменником с продольными микроканалами (при скорости движения хладагента по микроканалам ).