ИСПАРИТЕЛЬНО-КОНДЕНСАЦИОННАЯ ГАЗОЖИДКОСТНАЯ СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
EVAPORATIVE-CONDENSING GAS-LIQUID COOLING SYSTEM FOR ELECTRONIC EQUIPMENT

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В частности, оно относится к микромасштабным охлаждающим устройствам таким, как микроканальные теплообменники, которые обеспечивают высокую интенсивность теплообмена при течении жидкостей в относительно небольших объёмах. Такие условия реализуются в микроэлектромеханических системах, интегрированных электрических цепях, лазерно-диодных массивах, высокоэнергетических отражателях и других микроустройствах, подверженных кратковременным или длительным высоким тепловым нагрузкам; в устройствах для управления температурными режимами в аэрокосмической индустрии; в микроэлектромеханических устройствах для биологических и химических исследований.
По мере развития микро- и нанотехнологий и внедрения их в различные отрасли человеческой деятельности (электроника, энергетика, химическая, биологическая, пищевая индустрии) все чаще возникают задачи, где объектом изучения является течение жидкости в мини- и микроканалах. Несмотря на низкие значения чисел Рейнольдса и, как правило, отсутствие турбулентности, в микроканалах обеспечивается высокая интенсивность теплопередачи благодаря малым значениям термических сопротивлений стенок и теплоносителей. Поверхность теплообмена в расчете на единицу объема достигает чрезвычайно высоких значений. Часто применяются плоские мини - и микроканалы с отношением ширины к высоте 10 – 400. При уменьшении высоты плоских каналов соотношение поверхности канала к его объёму увеличивается обратно пропорционально его высоте, что приводит к высокой интенсивности передачи тепла.
2
2
Поиск новых методов существенной интенсификации теплообмена является одной из самых актуальных проблем. Глобальной задачей является интенсификация теплообмена с целью достижения коэффициентов теплоотдачи порядка 100 - 300 кВт/мК и более, тепловых потоков порядка 500 - 1500 Вт/см и более.
Известно устройство охлаждения интегральных микросхем [US7957137, 25.02.2010, H01L23/38; H01L23/473; H05K7/20], в котором используют систему плоских микроканалов и тонкую плёнку жидкости для охлаждения интегральных микросхем. Устройство включает в себя подложку, на которой методом перевёрнутого кристалла ("flip-chip" методом) смонтирована интегральная микросхема, а на микросхеме - система микроканалов, сформированных множеством микроканавок. Высота микроканалов составляет порядка 300 мкм, ширина - порядка 200 мкм. В некоторых каналах установлены термоэлектрические элементы.
Недостатки устройства: 1) значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах; 2) техническая сложность реализации такой системы, которая связана с монтажом, а также с необходимостью принятия мер по изоляции термоэлектрических элементов.
Известно устройство охлаждения микроэлектронного оборудования [EP1662852, 31.05. 2006, H01L23/473; H05K7/20], включающее один или несколько микроканалов длиной от 50 до 500 мкм и шириной 500 мкм, на внутреннюю поверхность которых нанесены наноструктурные области с гидрофобным покрытием. Расположение и геометрия наноструктурных областей подбираются таким образом, чтобы минимизировать сопротивление при движении потока жидкости по каналу и регулировать эффективность теплообмена.
Основной недостаток устройства - значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах.
Известен способ изготовления системы охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования [RU2581342, 06.06.2014, B81B7/00; B81C1/00; H01L23/46; H05K7/20], при котором на поверхность микроканала наносят гидрофобные полосы поперёк течения охлаждающей жидкости для снижения гидравлического сопротивления.
Основным недостатком данного решения является низкий коэффициент теплоотдачи.
2
Важной не решенной проблемой остается снятие высоких и сверхвысоких тепловых потоков (более 1 кВт с 1 см) с различных электронных компонентов. В статье [Kabov O.A., Kuznetsov V.V., and Legros J.C., Heat transfer and film dynamic in shear-driven liquid film cooling system of microelectronic equipment // Proc. of 2nd International Conference on Microchannels and Minichannels, June 17-19, 2004, Rochester, Paper No. ICMM2004-2399, pp. 687-694, 2004] предложено техническое решение, в котором охлаждение электронного компонента основано на движении пленки жидкости под действием вынужденного потока пара или газа.
Одно из технических решений описано в статье [Kabov O.A., Lyulin Yu.V., Marchuk I.V. and Zaitsev D.V., Locally heated shear-driven liquid films in microchannels and minichannels, Int. Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 28, p. 103-112, 2007]. В данном способе охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, движущейся под действием вынужденного потока газа в канале. За счет использования входов газа и жидкости в канал специальной конструкции осуществляется расслоенное течение жидкости, которое является оптимальным с точки зрения гидравлического сопротивления как показано в работе авторов [Ronshin F.V., Dementyev Y.A., Chinnov E.A., Cheverda V.V., Kabov O.A. Experimental investigation of adiabatic gas-liquid flow regimes and pressure drop in slit microchannel // Microgravity science and technology. – 2019. –31(5) . – p. 693-707. – DOI:10.1007/s12217-019-09747-1].
2
Таким образом, наиболее оптимальная система охлаждения электронного оборудования становится двухкомпонентной и двухфазной. Наличие неконденсируемого газа в такой системе, т.е. второй компоненты, позволяет при вводе обеих сред в охлаждаемый канал сразу сформировать наиболее эффективный с точки зрения теплообмена и гидравлического сопротивления расслоенный режим течения минуя такие режимы как пузырьковый, снарядный, вспененный и кольцевой характерные для кипения однокомпонентной жидкости. В работе авторов [Kabov O., Zaitsev D., Tkachenko E., Interfacial thermal fluid phenomena in shear-driven thin liquid films, Proceedings of the 16th Int. Heat Transfer Conference, August 10-15, 2018, Beijing, paper IHTC16-24435] показано, что в подобной системе охлаждения с использованием воды в качестве теплоносителя можно достичь достаточно высоких тепловых потоков (около 1 кВт с 1 квадратного см) и рекордных для пленок жидкости коэффициентов теплоотдачи порядка 250 кВт/мК.
Однако технически система охлаждения существенно усложняется и требует дополнительных устройств, наиболее сложным из которых является сепаратор неконденсируемого газа и рабочей жидкости.
Наиболее близкое техническое решение «Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости» описано в патенте [RU2649170, 30.03.18, F28C 3/06 (2006.01)]. Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов за счёт использования комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости.
Недостатком этого технического решения является сложная конструкция системы. Кроме миниканала с охлаждаемыми электронными компонентами и двух насосов для перекачки охлаждающей жидкости и неконденсируемого газа дополнительно требуется еще четыре в общем случае отдельных устройства: 1) сепаратор неконденсируемого газа и рабочей жидкости; 2) охлаждаемый конденсатор пара; 3) резервуар для жидкости; и 4) резервуар для газа.
Необходимо отметить, что, конструкция конденсатора существенно усложняется если в него подается пар с существенной примесью неконденсируемого газа. Эффективность конденсации может снизиться на порядок, если используются кожухотрубные аппараты. Если используются внутритрубные конденсаторы, то эффективность конденсации снижается не так существенно, но существенно возрастает гидравлическое сопротивление такого конденсатора и одновременно энергия на прокачку теплоносителя. В целом потребность в указанных выше четырех отдельных дополнительных устройств в рассматриваемой системе охлаждения существенно увеличивает ее вес, габариты и стоимость.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности системы охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов, повышение ее компактности, а также снижение металлоемкости и стоимости.
Поставленная задача решается тем, что в испарительно-конденсационной газожидкостнойсистеме охлаждения электронного оборудования, основанной на использовании испарения тонкой пленки жидкости, движущейся под действием вынужденного потока газа в плоском прямоугольном мини- или микроканале, четыре в общем случае отдельных устройства необходимых для обеспечения работы системы охлаждения, а именно, сепаратор неконденсируемого газа и рабочей жидкости, охлаждаемый конденсатор пара, резервуар для жидкости и резервуар для газа, объединяют в одно устройство, которое одновременно выполняет функцию конденсатора пара погружного типа.
Согласно изобретению,испарительно-конденсационная газожидкостнаясистема охлаждения электронного оборудования включает плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, на нижней стенке которого расположены один или несколько электронных тепловыделяющих компонентов, насосы подачи парогазовой смеси и жидкости в канал, а также аппарат обеспечения работы системы охлаждения.
Согласно изобретению,аппарат обеспечения работы системы охлаждения представляет собой частично заполненный жидкостью, выше которой находится  парогазовое пространство, резервуар с входом парогазовой смеси и жидкости, не успевшей испариться на тепловыделяющих компонентах в мини- или микроканале, расположенном в дне резервуара так, чтобы парогазовые пузыри проходили через весь заполненный жидкостью объем, выходами парогазовой смеси и жидкости,
с установленным в парогазовом пространстве соосно с резервуаром капельным сепаратором, погруженным в жидкость охлаждаемым трубчатым теплообменником и экранирующей пластиной, разделяющей вход парогазовой смеси и жидкости и выход жидкости.
На фиг. 1 показана схема испарительно-конденсационной газожидкостной системы охлаждения электронного оборудования. Где: 1 - подложка; 2 – электронный тепловыделяющий компонент; 3 – испаряющаяся и кипящая пленка жидкости; 4 –мини- или микроканал; 5 – вход жидкости в канал; 6 – вход парогазовой смеси в канал; 7 – жидкость, не успевающая испариться на тепловыделяющем компоненте; 8 – вход парогазовой смеси и жидкости, не успевшей испариться на тепловыделяющем компоненте, в аппарат обеспечения работы системы охлаждения; 9 – парогазовые пузыри; 10 – охлаждаемый трубчатый теплообменник; 11 – выход жидкости из аппарата обеспечения работы системы охлаждения; 12 – экранирующая пластина; 13 – капельный сепаратор; 14 - жидкость; 15 – парогазовое пространство; 16 – насос для подачи парогазовой смеси; 17 - насос для подачи жидкости; 18 – аппарат обеспечения работы системы охлаждения (барботажный аппарат).
Испарительно-конденсационная газожидкостная система охлаждения электронного оборудования работаетследующим образом.
В мини- или микроканал 4 подают жидкость, через вход 5.
Под действием выделения тепла на электронном компоненте 2 жидкость нагревается и закипает, образуя пар.
Включают насос для подачи парогазовой смеси 16 в мини- или микроканал. Смесь через вход 6 поступает канал 4, вытесняет жидкость, и вдоль подложки 1 и электронного тепловыделяющего компонента 2 формируется поток в виде тонкой пленки жидкости 3, движущейся под действием вынужденного потока парогазовой смеси в канале.
Если тепловая нагрузка возрастает, то расход жидкости и парогазовой смеси может быть увеличен. Некоторая часть жидкости 7 не успевает испариться на тепловыделяющем компоненте и поступает вместе с образовавшимся паром и неконденсирующимся газом в аппарат обеспечения работы системы охлаждения 18 через вход 8. Формируются парогазовые пузыри 9, которые всплывают в жидкости 14 и конденсируются.
Жидкость охлаждают с помощью трубчатого теплообменника 10. Неконденсируемый газ поднимается в парогазовое пространство 15 и через капельный сепаратор 13 его перекачивают насосом 16 в канал через вход 6.
Через выход жидкости из аппарата обеспечения работы системы охлаждения  11 жидкость подают насосом 17 в канал через вход 5. Пластина 12 экранирует жидкость от попадания пузырей в насос.
Более высокая эффективность работы системы охлаждения, чем в прототипе, достигается за счёт существенного упрощения ее конструкции. За счет объединения четырех устройств в одно, аппарат обеспечения работы системы охлаждения, достигается также компактность системы, увеличение надежности, снижение металлоемкости и стоимости. Высокая надежность системы охлаждения достигается также за счет комбинации двух видов теплоносителей. В общем случае система может работать в трех режимах:
1) При малых тепловых нагрузках работает только насос для подачи парогазовой смеси. При этом обеспечивается однофазное охлаждение.
2) При существенных тепловых нагрузках работает только насос для подачи жидкости. При этом обеспечивается однофазное жидкостное охлаждение или охлаждение за счет кипения жидкости.
3) При самых высоких тепловых нагрузках включают оба насоса и обеспечивается двухфазное охлаждение максимальной эффективности.
Таким образом, в предложенной системе достигается не только высокая надежность, но и одновременно экономия энергоресурсов – электрической мощности на прокачку теплоносителей при пониженных или неоднородных по времени тепловых нагрузках.