СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ ПЛЕНОЧНЫХ И ГАЗОКАПЕЛЬНЫХ ПОТОКОВ
METHOD OF COOLING ELECTRONIC EQUIPMENT USING COMBINED FILM AND GAS-DROPLET FLOWS

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования.
Известен способ охлаждения электронного компонента [Kabov О.А., Lyulin Yu.V., Marchuk I.V. and Zaitsev D.V., Locally heated shear-driven liquid films in microchannel and minichannels, Int. Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 28, p. 103-112, 2007, Gatapova E.Ya., Marchuk I.V., Kabov O.A., Thermocapillary Deformation of a Locally Heated Liquid Film Moving under the Action of a Gas Flow, Technical Physics Letters, Vol. 30, Issue 5, pp. 418-421, 2004], в котором охлаждение происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, движущейся под действием вынужденного потока газа в канале.
Известен способ охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения [патент РФ №2706325 от 25.12.2018. F28C 3/06], который основан на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, при котором поверхность электронного компонента орошают потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного в верхней стенке канала по всей длине электронного компонента, причем поверхность электронного компонента структурирована путем нанесения ребер треугольного сечения, ориентированных вдоль течения, а истечение микрокапель жидкости осуществляют вдоль вершин ребер с таким расчетом, чтобы капли попадая на не смоченную поверхность ребер деформировались, формировали существенную суммарную длину контактных линий газ-жидкость-твердое тело и быстро испарялись.
Наиболее близкое техническое решение - способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков [патент РФ №2649170, 30.12.2016, F28C 3/06], который основан на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, при этом электронный компонент орошают потоками микрокапель жидкости, формируемых с помощью каплеформирователя, расположенного в верхней стенке канала над областями электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока, причем истечение микрокапель жидкости осуществляют против направления течения газа под углом от 10 до 80 градусов к направлению течения газа.
Недостаток указанных технических решений - относительно малые величины критического теплового потока, которые можно иметь в данной системе охлаждения при небольших расходах жидкости и газа. Данный факт можно объяснить с точки зрения понятия оптимальной системы охлаждения, т.е. в оптимальной системе охлаждения массовые расходы жидкости на входе в канал и испаряющейся равны. На практике массовый расход испарившейся жидкости существенно меньше массового расхода жидкости на входе в канал, т.к. на пленку жидкости действуют различные силы - инерции, поверхностные, термокапиллярные и др., которые приводят к волнообразованию и неоднородному распределению пленки жидкости по поперечному сечению канала [Chinnov Е.А., Ron'shin F.V., Kabov О.А. Two-Phase Flow Patternsin Short Horizontal Rectangular Microchannels, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 80, pp. 57-68, 2016].
Недостатком этих технических решений является также то, что для разделения впрыскиваемой струи на капли требуется значительная длина пробега струи. Это приводит к увеличению проходного сечения канала и габаритов системы. Кроме того, капли образуются самопроизвольно в результате неустойчивости впрыскиваемой струи жидкости и размерами капель трудно управлять. С точки зрения оптимизации системы и интенсификации процесса испарения необходимо иметь капли жидкости максимально малого размера, которые создают на поверхности теплообмена максимальную длину линий контакта газ - жидкость - подложка и относительно быстро испаряются.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов за счет использования комбинированных пленочных и газокапельных потоков жидкости.
Поставленную задачу решают тем, что в способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанном на движении тонкой пленки жидкости под действием потока газа в канале и дополнительном орошении поверхности электронного компонента смесью газа и микрокапель жидкости, которую формируют в сопловом устройстве путем смешения жидкости с потоком быстродвижущегося газа, подаваемого в сопловое устройство со стороны верхней крышки канала, и подают на электронный компонент с помощью соплового устройства. Полученную смесь газа и микрокапель жидкости подают на нагревательный элемент таким образом, чтобы по поверхности нагреваемого электронного компонента микрокапли распределялись равномерно, чтобы поверхность нагреваемого электронного компонента всегда была покрыта тонкой пленкой жидкости и температура нагреваемого электронного компонента не превышала заданную предельную температуру, чтобы формировались протяженные динамические контактные линии газ-жидкость-твердое тело, в которых осуществляется наиболее интенсивное испарение.
Поступающие микрокапли жидкости обеспечивают высокую интенсивность теплообмена, препятствуют полному осушению поверхности электронного компонента по всей его длине, увеличивают критический тепловой поток и, в целом, увеличивают эффективность охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонент.
Высокая эффективность охлаждения достигается за счет более равномерного распределения капель малого размера по поверхности нагреваемого элемента, за счет создания более тонких пленок жидкости, а также за счет формирования протяженных динамических контактных линий газ-жидкость-твердое тело, в которых осуществляется наиболее интенсивное испарение (см. работу Ajaev, V.S., & Kabov, О.A. Heat and mass transfer near contact lines on heated surfaces. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 108, 918-932. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.079).
Необходимо отметить, что равномерный газокапельный поток с верхней крышки канала структурирует охлаждающая жидкость на электронном компоненте и делает температуру на электронном компоненте более однородной, что является важным в целом ряде приложений. За счет комбинации четырех видов охлаждения, а именно газ, прокачиваемый вдоль канала, пленка жидкости, микрокапли жидкости, поток газа с верхней крышки канала, в предложенном способе достигается высокая эффективность охлаждения, надежность и, одновременно, экономия энергоресурсов - электрической мощности на прокачку теплоносителей.
Такая система приближается к оптимальной с точки зрения соотношения Gevap/G=1, где G - массовый расход жидкости на входе в канал, кг/с, Gevap - массовый расход испаряющейся жидкости, кг/с. На практике данное отношение, как правило, существенно меньше 1, т.к. на пленку жидкости действуют различные силы - инерции, поверхностные, термокапиллярные и др., которые приводят к волнообразованию и неоднородному распределению пленки жидкости по поперечному сечению канала.
На чертеже показана система охлаждения электронного компонента на основе предлагаемого способа охлаждения электронного оборудования, где: 1 - вход газа в канал; 2 - вход жидкости в канал; 3 - испаряющаяся пленка жидкости; 4 - подложка; 5 - электронный компонент; 6 - сопловое устройство; 7 - вентиль для регулировки расхода жидкости в сопловое устройство; 8 - резервуар для газа; 9 - конденсатор-сепаратор; 10 - система охлаждения конденсатора; 11 - резервуар для жидкости; 12 - микрокапли жидкости с потоком газа; 13 - вентиль для регулировки расхода газа в сопловое устройство; 14 - верхняя крышка канала; 15 - микроканал.
Способ осуществляют следующим образом.
В микроканал 15, одна из стенок которого является подложкой 4 с электронным тепловыделяющим компонентом 5, через вход 2 подают жидкость, а через вход 1 подают газ, создавая течение тонкой пленки жидкости 3, увлекаемой потоком газа.
2
При достижении критического теплового потока (1 кВт/см) в сопловое устройство подают жидкость, формируют в нем микрокапли, и орошают поверхность электронного компонента.
При достижении на электронном компоненте предельных значений теплового потока (значений теплового потока при котором температура поверхности достигает критической для заданного электронного компонента, либо при котором осушается поверхность электронного компонента) в сопловое устройство со стороны верхней крышки канала 14 подают дополнительно поток быстродвижущегося газа, формируя в нем смесь газа и микрокапель жидкости 12, которой через сопловое устройство орошают поверхность электронного компонента. Истечение смеси газа и микрокапель жидкости осуществляют против направления течения газа вдоль канала, с таким расчетом, чтобы микрокапли жидкости преодолели движущийся поток газа и достигли поверхности электронного компонента.
Микрокапли жидкости, формирующиеся в сопловом устройстве, поступают на электронный компонент и обеспечивают высокую интенсивность теплообмена, препятствуют полному осушению поверхности электронного компонента, увеличивают критический тепловой поток и в целом увеличивают эффективность охлаждения электронного устройства за счет формирования протяженной динамической линии контакта газ-жидкость-твердое тело в которой осуществляется наиболее интенсивное испарение.
Неиспарившаяся жидкость вместе с паро-газовой смесью из канала поступает в конденсатор-сепаратор 9, где происходит конденсация пара и сепарация газа.
Из конденсатора-сепаратора жидкость поступает в резервуар для жидкости 11, а газ поступает в резервуар для газа 8.
Для поддержания необходимой температуры конденсатора, используют систему охлаждения конденсатора 10.
Регулировку расхода жидкости в сопловом устройстве осуществляют с помощью вентиля 7, а регулировку расхода газа в сопловом устройстве осуществляют с помощью вентиля 13.
Использование исследуемого технического решения позволяет достичь стабильной работы устройств охлаждения микроэлектронного оборудовании в любых, в том числе нестандартных ситуациях, в частности, в случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте.
Данная система охлаждения может работать в условиях микрогравитации, гипергравитации и переменной гравитации.