Способ охлаждения электронного оборудования
METHOD FOR COOLING 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 объемах. 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 объему 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 использование модификаций твердой поверхности на микро- и наноуровне и обеспечение влияния этих модификаций на тепломассообмен в двухфазных микросистемах, 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 (US 7957137, 25.02.2010, H01L 23/38; H01L 23/473; Н05К 7/20), в котором используют систему плоских микроканалов и тонкую пленку жидкости для охлаждения интегральных микросхем. Устройство включает в себя подложку, на которой методом перевернутого 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 (ЕР 1662852, 31.05. 2006 г., H01L 23/473; Н05К 7/20), 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 (заявка №2014123346, 2014, МПК: В81В 7/00; В81С 1/00; H01L 23/46; Н05К 7/20), при котором на поверхность микроканала наносят гидрофобные полосы поперек течения охлаждающей жидкости для снижения гидравлического сопротивления. Основным недостатком данного решения является низкий коэффициент теплоотдачи.
Важной не решенной проблемой остается снятие высоких и сверхвысоких тепловых потоков (более 1 кВт с 1 квадратного см) с различных электронных компонентов. Часто плотность теплового потока на электронном компоненте, например, на чипе компьютера, является существенно неоднородной (A. Bar-Cohen, Р. Wang, Thermal Management of On-Chip Hot Spot // J. Heat Transfer 134(5), 051017, 2012). На участках более интенсивного тепловыделения жидкостный теплоноситель испаряется быстрее, чем на всем чипе, что может вызывать образование локализованных сухих пятен. Термокапиллярные силы на границе раздела газ-жидкость стараются переместить жидкость с более нагретых областей в менее нагретые и усиливают проблему возникновения локального кризиса теплообмена. В случае однородного тепловыделения по поверхности чипа, разрушение и высыхание теплоносителя начинается, как правило, от дальней кромки электронного компонента по течению, что подтверждается многочисленными опытами авторов патента.
В статье (Kabov О.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 О.А., 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.
Наиболее близкое техническое решение описано в патенте О.А. Кабов, В.В. Чеверда, И.В. Марчук, Е.Ф. Быковская Устройство для формирования микроручейкового течения жидкости в микро- и миниканалах. Патент РФ №2629516 от 29.08.2017. Задачей упомянутого изобретения является создание устройства, где течение пленки жидкости заменяется формированием микроручейкового течения жидкости в микро- и миниканалах с целью существенной интенсификации теплообмена.
Согласно изобретению, вариант 1, вдоль канала на поверхности подложки (одной из стенок канала) с электронным тепловыделяющим элементом расположены формирующие микроручейковые течения жидкости продольные микроканавки, причем микроканавки выполнены таким образом, что A>>D, A/D=3÷100, С/А≥10, где А - ширина ручейка, D - ширина микроканавки, В≤С≤Cm, где В - ширина электронного тепловыделяющего элемента, С - ширина микроручейкового течения, Cm - расстояние между крайними микроканавками, L/Cm=1÷10, где L - ширина мини- (микро-) канала, а угол между плоскостью электронного тепловыделяющего элемента и стороной микроканавки α≤135 градусов.
Согласно изобретению, вариант 2, вдоль канала на поверхности подложки (одной из стенок канала) с электронным тепловыделяющим элементом расположены формирующие микроручейковые течения жидкости продольные полосы гидрофобного нанопокрытия, причем полосы нанопокрытия выполнены таким образом, что A>>D, A/D=3÷100, С/А≥10, где А - ширина гидрофильной области (поверхность без нанопокрытия), D - ширина гидрофобного нанопокрытия.
При этом для обоих случаев рекомендуется покрыть внутренние поверхности всех остальных стенок мини- или микроканала сплошным гидрофобным нанопокрытием, ограничивающим микроручейковое течение по краям. Размер наноструктур может составлять от 1 до 500 нм и более, в зависимости от типа поверхности, и не является принципиальным параметром, т.е. заметным сужением канала. Замена течения в виде сплошной пленки жидкости микроручейковым течением с тем же расходом жидкости имеет целый ряд существенных преимуществ: 1) За счет искривления поверхности в ручейке средняя интегральная толщина жидкости уменьшается. Известно, что коэффициент теплоотдачи обратно пропорционален толщине пленки, таким образом, переход к микроручейковому течению приводит к интенсификации теплообмена. 2) Большая часть расхода жидкости протекает в средней части ручейка, что снижает гидравлическое сопротивление течения жидкости и как следствие снижает потери энергии на прокачку жидкости за счет течения газа. 3) Переход к микроручейковому течению благодаря наличию контактных линий может приводить к существенной интенсификации теплообмена при испарении. Причем интенсификация тем больше, чем больше протяженность контактных линий. 4. Микроручейковое течение в отличие от пленки жидкости занимает только часть поперечного сечения канала. В углах канала движется газ. Достигается снижение расхода жидкости и снижение энергетических затрат на прокачку жидкости и пара или газа в микроканале.
Недостатком этих технических решений является относительно малые величины критического теплового потока, которые можно иметь в данной системе охлаждения при относительно небольших расходах жидкости и газа. Данный факт объясняется тем, что охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения жидкости, которая движется вдоль канала под действием потока газа. Таким образом, чтобы отвести определенное количество тепла, постоянно выделяющегося на электронном компоненте, необходимо испарить определенное количество жидкости. Наиболее оптимальной системой охлаждения является система, в которой 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 жидкость в каждом отдельном ручейке действуют различные силы - инерции, поверхностные, термокапиллярные и др., которые приводят к волнообразованию и неоднородному распределению жидкости между ручейками. Таким образом расход жидкости в конечном сечении источника тепла не может быть близок к нулю. Недостатком этих технических решений является также то, что для разделения жидкости на ручейки используются продольные микроканавки или продольные полосы гидрофобного нанопокрытия. Данные части поверхности практически не покрыты жидкостью и достаточно плохо охлаждаются, что также снижает величину критического теплового потока.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа, техническим результатом которого является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов за счет использования комбинированных микроручейковых и капельных потоков жидкости.
Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных микроручейковых и капельных потоков жидкости, основанном на движении ручейков жидкости за счет потока газа в канале, согласно изобретению, со стороны верхней крышки канала с использованием микросопловых устройств формируется поток капель жидкости, который охлаждает продольные микроканавки или продольные полосы гидрофобного нанопокрытия. 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.
Более высокая эффективность охлаждения, чем в прототипе, достигается за счет равномерного распределения капель малого размера по поверхности продольных микроканавок или продольных полос гидрофобного нанопокрытия, за счет создания тонких пленок жидкости на этих частях поверхности, а также за счет формирования протяженных динамических контактных линий газ-жидкость-твердое тело в которых осуществляется наиболее интенсивное испарение (см. работу авторов 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 капельный поток с верхней стенки канала в дополнение к прокачиваемому ручейковому течению структурирует хладагент на электронном компоненте и делает температуру на электронном компоненте более однородной, что является важным в целом ряде конкретных приложений. Микрокапли жидкости могут соединяться с ручейками и подпитывать их жидкостью по ходу движения. С ростом теплового потока на электронном компоненте расход жидкости может увеличиваться как в ручейках, так и в капельном потоке. Расход жидкости в капельном потоке может быть неоднородным по длине источника тепла. Он может возрастать по длине источника тепла и частично компенсировать испарившуюся жидкость. Т.е. предложенная система обеспечивает более однородное распределение жидкости как вдоль, так и поперек нагревательного элемента. Если жидкость (микрокапли) попадает в канавки, смачивает их и образует мениск, то возникает дополнительный капиллярный транспорт жидкости вдоль канавок, так называемый эффект «тепловой трубы». Причем жидкость транспортируется из более залитых частей канавок в менее залитые, что способствует более равномерному распределению жидкости в канавках и как следствие к повышению интенсивности теплообмена (см. работу авторов Sibiryakov N., Kabov О. Numerical simulation of flow with evaporation in triangular grooves // J. Phys.: Conf. Ser. 1369 (012060). - 2019. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1369/1/012060). За счет комбинации трех видов охлаждения: 1) газ, прокачиваемый вдоль канала; 2) микроручейки жидкости; 3) микрокапли жидкости с верхней стенки канала в предложенной системе достигается высокая надежность и одновременно экономия энергоресурсов - электрической мощности на прокачку теплоносителей. Такая система может приближаться к оптимальной с точки зрения соотношения Gevap /G=1.
На фиг. 1 показана схема системы охлаждения с использованием микроручейковых и капельных потоков жидкости.
На фиг. 2 показано поперечное сечение микро- (мини-) канала с использованием микроканавок, выполненных вдоль микроручейкового течения в случае использования дополнительных капельных потоков жидкости.
На фиг. 3 показано поперечное сечение микро- (мини-) канала с использованием гидрофобного нанопокрытия с контрастным смачиванием, нанесенного на подложку вдоль течения в случае использования дополнительных капельных потоков жидкости.
Где: 1 - подложка; 2 - электронный тепловыделяющий элемент; 3 - ручейки жидкости; 4 - вход газа или пара; 5 - вход жидкости в канал; 6 - микросопла; 7 - вентиль для регулировки расхода жидкости в сопловое устройство; 8 - резервуар для газа или пара; 9 - конденсатор-сепаратор; 10 - система охлаждения конденсатора; 11 - резервуар для жидкости; 12 - микрокапли жидкости; 13 - микроканавки; 14 - мениск жидкости в микроканавке; 15 - подложка закрывающая электронный компонент; 16, 17 - гидрофобное нанопокрытие. А - ширина ручейка (гидрофильной области); D - ширина микроканавки (гидрофобного нанопокрытия); L - ширина мини- (микро-) канала; С -ширина микроручейкового течения, Cm - расстояние между крайними микроканавками; В - ширина электронного тепловыделяющего элемента.
Способ осуществляется следующим образом. В случае незначительного тепловыделения на электронном компоненте (чипе) (2) в канал подается только газ (4). Если тепловая нагрузка возрастает, то в канал подается дополнительно жидкость (5), формируются ручейки жидкости (3). С ростом тепловой нагрузки максимально увеличиваются расходы жидкости и газа (до ~1 г/с и 1 л/с, соответственно). Движение ручейков жидкости происходит за счет касательного напряжения, создаваемого потоком газа или пара (4) в канале. Микроканавка (13) удерживает жидкость от растекания используя эффект острой кромки. В случае еще большего повышения тепловыделения на электронном компоненте (2), жидкость дополнительно подается в микросопла (6), которые расположены по всей длине чипа вдоль микроканавок (полосок гидрофобного нанопокрытия). Истечение микрокапель жидкости (12) может осуществляется против направления течения газа вдоль канала, с таким расчетом, чтобы капли преодолели движущийся поток газа и достигли чипа (2) или поверхности подложки (15) закрывающий электронный компонент (2). Микрокапли жидкости, формирующиеся в сопловом устройстве (6), поступают на электронный компонент (5) и обеспечивают высокую интенсивность теплообмена, препятствуют полному осушению поверхности электронного компонента, увеличивают критический тепловой поток и в целом увеличивают эффективность охлаждения электронного устройства. Неиспарившаяся жидкость вместе с паро-газовой смесью из канала поступает в конденсатор-сепаратор (9), где происходит конденсация пара и сепарация газа. Из конденсатора-сепаратора (9) жидкость поступает в резервуар для жидкости (11), а газ поступает в резервуар для газа (8). Для поддержания необходимой температуры конденсатора, используется система охлаждения конденсатора (10). Регулировка расхода жидкости в сопловом устройстве осуществляется с помощью вентиля (7);
Для обеспечения устойчивости микроручейкового течения жидкости в случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте на поверхности подложки с обеих сторон от каждого ручейка 3 расположены микроканавки 13, ограничивающие область течения ручейка. Микроканавки выполнены так, что ширина ручейка, А, существенно больше ширины микроканавки D. Общая ширина микроручейкового течения, С, больше или равна ширине электронного тепловыделяющего элемента, В, и меньше расстояния между крайними микроканавками, Cm, отношение ширины мини- (микро-) канала, L, к расстоянию между крайними микроканавками, Cm, находится в диапазоне от 1 до 3, а угол между плоскостью электронного тепловыделяющего элемента и стороной микроканавки находится в диапазоне от 0 до 135 град.
Форма поперечного сечения микроканавки может быть треугольной, прямоугольной, и в форме «ласточкин хвост». Эффективность микроканавки зависит от величины угла между плоскостью электронного тепловыделяющего элемента и стороной канавки, чем больше этот угол, тем эффективнее стабилизирующее действие микроканавки.
В другом варианте исполнения устройства для обеспечения устойчивости микроручейкового течения жидкости используют гидрофобное нанопокрытие (16), которое наносят на поверхность подложки (1) в виде системы продольных полос вдоль канала, а также с обеих сторон от тепловыделяющего элемента для ограничения микроручейкового течения и на три другие внутренние поверхности канала (17). Таким образом, поверхность течения ручейков жидкости по подложке всегда остается гидрофильной. Нанопокрытие удерживает жидкость от растекания используя эффект «контрастной смачиваемости» (контактный угол смачивания существенно больше на гидрофобной поверхности с нанопокрытием, чем на гидрофильной). Нанопокрытие выполнено так, что ширина ручейка, А, существенно больше ширины гидрофобного нанопокрытия между ручейками, D. Ширина всего микроручейкового течения, С, больше или равна ширине электронного тепловыделяющего элемента, В, а отношение ширины мини- (микро-) канала, L, к ширине всего микроручейкового течения, С, находится в диапазоне от 1 до 3.
Плоское микроручейковое течение жидкости шириной равной или больше ширины электронного компонента, но меньше ширины канала, формируется благодаря узкой щели (5) входного сопла для жидкости и ограничивающим канавкам или нанопокрытию с контрастным смачиванием и движется под действием спутного потока газа. Толщина каждого ручейка меняется в зависимости от расходов жидкости и газа.
Данная система охлаждения может работать в условиях микрогравитации, гипергравитации и переменной гравитации, а кроме того, на транспортных средствах -автомобили, скоростные поезда, морские суда, самолеты, обитаемые и необитаемые космические аппараты и станции.
Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что предложенное устройство позволяет существенно снизить энергозатраты на прокачку охлаждающей жидкости одновременно позволяя существенно интенсифицировать теплообмен при испарении и увеличить критический тепловой поток, т.е. обеспечивает высокую эффективность и устойчивость работы, в том числе и в нестандартных ситуациях, таких как невесомость. Необходимо отметить, что орошение микроканавок и гидрофобного нанопокрытия позволяет предъявлять к ним менее жесткие требования по ширине, что может заметно удешевлять затраты на изготовление систем охлаждения.