DEVICE FOR FORMING A STRATIFIED LIQUID FLOW IN MICRO- AND MINI-CHANNELS
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАССЛОЕННОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В МИКРО- И МИНИКАНАЛАХ

Изобретение относится к энергетике и теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения оборудования в солнечной энергетике. Также изобретение относится к области электроники, в частности, к микромасштабным охлаждающим устройствам таким, как микроканальные теплообменники, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи 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 охлаждения электроники, 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, 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 теплопередачи 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.
Keynote lecture
2
2
Одним из важнейших препятствий на пути внедрения и распространения микросистем с протяженными плоскими микро- и мини каналами являются значительные потери энергии при прокачке жидкости и пара или газа. Значительные потери энергии возникают из-за требования прокачивать строго определенное количество жидкости и пара или газа для обеспечения отвода определенного количества тепла от электронного компонента [Kabov O., Cooling of Microelectronics by Thin Liquid Films, , Proc. Int. Workshop on “Wave Dynamics and Stability of Thin Film Flow Systems”, September 1-4, Chennai, India, Narosa Publishing House, pp. 279-311, 2006]. Кроме того, жидкость, а также пар или газ, как правило, должны двигаться со значительными скоростями, чтобы обеспечить требуемую интенсивность теплообмена. 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 (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 г., 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.
В качестве прототипа выбрана двухфазная система охлаждения микроэлектронного оборудования с локальным тепловыделением [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, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, NY, ASME, New York, pp. 687-694 (2004)]. Система содержит микроканал высотой 150 – 500 мкм и длиной 50- 70 мм с электронными тепловыделяющими элементами (нагревателями) размерами порядка 10 – 20 мм, расположенными на одной стенке канала, либо на двух противоположных стенках канала. Плёнка диэлектрической жидкости FC-72 толщиной от 50 до 200 мкм движется со спутным потоком газа (азота) в микроканале, т.е. система охлаждения использует расслоенный или кольцевой режимы течения.
Недостатком такой системы является сложность создания устойчивого расслоенного режима течения. Отведение значительных тепловых потоков требует больших расходов жидкости и газа. В таких условия наиболее устойчивым является кольцевой режим течения. В случае если электронные тепловыделяющие элементы расположены на одной стенке канала, то более половины протекающей по каналу жидкости не участвует в процессе теплообмена. Имеется в виду жидкость, протекающая по боковым стенкам канала и по верхней стенке, если компоненты расположены на нижней стенке.
Microgravity sci. technol
В такой системе при относительно малых расходах жидкости и относительно большом угле смачивания (более 30 – 40 градусов), в углах канала формируется мениск жидкости. Скорость течения жидкости в углах канала существенно замедляется, что ведёт к потере энергии при прокачке жидкости и пара или газа в микроканале. К тому же часть жидкости практически не участвует в процессе охлаждения. При относительно больших расходах жидкости или относительно малых углах смачивания (менее 20 – 30 градусов) в углах канала формируется жидкостное течение, т.е. углы канала затапливаются. Затопление может достигать половины и более по ширине канала [Chinnov E.A., Guzanov V.V., Cheverda V., Markovich D.M and Kabov O.A., Regimes of Two-Phase Flow in Short Rectangular Channel, ., Vol. 21, Suppl. 1, p. S199-S205, 2009]. Это связано с достаточно малым радиусом кривизны жидкости в углах канала, что вызывает пониженное давление в мениске жидкости и приток жидкости из основного потока плёнки. Таким образом, если электронные тепловыделяющие элементы расположены на одной стенке канала, то до 60 – 80 % протекающей по каналу жидкости может не участвовать в процессе теплообмена, что значительно повышает затраты энергии на прокачку теплоносителя.
Задачей заявляемого изобретения является создание устройства для формирования расслоенного течения жидкости в микро- и миниканалах с целью существенной интенсификации теплообмена и повышение эффективности охлаждения в системах с миниканалами.
Для решения поставленной задачи предложено устройство для формирования расслоенного течения жидкости в микро- и миниканалах, включающее плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения с двухфазным потоком жидкости и газа или пара, одновременно подаваемых в канал из параллельно расположенных входных сопел, подложку, образующую нижнюю стенку канала, с одним или несколькими электронными тепловыделяющими элементами, заделанными в подложку в её центре.
Согласно изобретению, вдоль канала на поверхности обеих его боковых стенок, в их центральной части расположены формирующие расслоенный режим течения жидкости продольные микроканавки, делящие проходное сечение канала на область газовой фазы и область жидкой фазы,
причём микроканавки имеют форму треугольника или  прямоугольника и выполнены таким образом, что угол между плоскостью боковой стенки канала и стороной микроканавки 90 ≤ α ≤ 135 градусов. Ширина канавки, а, может составлять 20 – 1000 мкм.
Согласно изобретению, на внутреннюю поверхность боковых стенок мини- или микроканала в области газовой фазы, верхнюю стенку канала и на поверхность микроканавок, нанесено сплошное гидрофобное нанопокрытие или микропокрытие с контактным углом смачивания 140 - 160 градусов и более, ограничивающее течение жидкости,
при этом размер наноструктур покрытия составляет 1 - 500 нм, а разница между равновесным контактным углом смачивания на гидрофобной поверхности и равновесным контактным углом смачивания на гидрофильной поверхности, являющейся поверхностью течения жидкости, составляет 10 – 175 градусов.
Замена течения в виде сплошного потока жидкости на расслоенное течение с тем же расходом жидкости имеет существенное преимущество. Известно, что вязкость газа на несколько порядков меньше, чем жидкости, что обеспечивает значительное снижение сопротивления при движении потока и, как следствие, снижение перепада давления вдоль канала, а значит снижение энергетических затрат на прокачку жидкости и пара или газа в микроканале. Использование микроканавок и нанопокрытия позволяет достичь стабильной работы устройства охлаждения микроэлектронного оборудования в любых, в том числе нестандартных, ситуациях.
На фиг. 1 показана схема устройства охлаждения с расслоенным режимом течения жидкости и газа в микро- и миниканалах.
На фиг. 2 схематически показано поперечное сечение микроканала (миниканала) устройства с использованием микроканавок для формирования расслоенного режима течения жидкости со спутным потоком газа или пара.
На фиг. 3 показано поперечное сечение микроканала (миниканала) устройства с использованием микроканавок и гидрофобного нанопокрытия с контрастным смачиванием для формирования расслоенного режима течения жидкости со спутным потоком газа или пара, где: 1 – подложка; 2 – электронный тепловыделяющий элемент; 3 – верхняя крышка канала; 4 – слой жидкости; 5 – газ или пар; 6 – вход жидкости в канал; 7 – вход газа в канал; 8 – микроканавка, ограничивающая поток жидкости;  9 – конденсатор-сепаратор; 10 – система охлаждения конденсатора; 11 – резервуар для жидкости; 12 – жидкостной насос; 13 – резервуар для газа; 14 – насос для газа; 15 – боковая стенка канала; 16 – гидрофобное нанопокрытие с контрастным смачиванием; α – угол между плоскостью боковых стенок и стороной микро-канавки; а – ширина канавки.
Устройство для формирования расслоенного течения жидкостисодержит плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения. По центру подложки 1 заделан электронный тепловыделяющий элемент 2 или несколько элементов, расположенных в ряд (на схеме не показано). Движение жидкости происходит за счёт касательного напряжения, создаваемого потоком газа или пара 5 в канале. Для обеспечения устойчивого расслоенного течения жидкости, в том числе и в случае существенного повышения расхода жидкости, пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном тепловыделяющем компоненте на поверхности боковых стенок канала, в их центральной части, с обеих сторон канала расположены микроканавки 8, ограничивающие область течения жидкости.
Микроканавки могут быть треугольные, прямоугольные и в форме «ласточкин хвост». Эффективность микроканавки зависит от величины угла между плоскостью боковых стенок и стороной микроканавки α, чем меньше этот угол, тем эффективнее стабилизирующее действие микроканавки. Микроканавки могут быть изготовлены фрезерованием, искра-дуговым способом, лазером или другим способом в зависимости от размера канавки и материала стенки.
В другом варианте исполнения устройства для формирования расслоенного течения жидкости в микро- и миниканалах дополнительноиспользуют гидрофобное нанопокрытие, которое наносят только на поверхность верхней стенки канала и боковые стенки канала в области газовой фазы. Гидрофобное нанопокрытие может наноситься также на поверхность канавок. Таким образом, поверхность течения жидкости по подложке с тепловыделяющим элементом всегда остаётся гидрофильной.
Устройство для формирования расслоенного течения жидкости в микро- и миниканалахвключается в замкнутый циркуляционный контур, содержащий резервуары для газа и жидкости, регуляторы поддержки расхода газа и давления, насосы для подачи жидкости и газа и эвакуации двухфазной смеси, сепарационную систему для разделения использованной жидкости от газовой фазы. Жидкость и газ подают при помощи насосов из резервуаров через сопла в микро- или миниканал устройства. Газ подают под давлением над жидкостным соплом, и газ течёт, увлекая поток жидкости. Заданные расход газа и давление в устройстве поддерживаются автоматически при помощи регуляторов, например, регуляторов BRONKHORST.
Для обеспечения устойчивого течения жидкости в заданной области используют микроканавки, которые располагают вдоль канала, ограничивая течение слоя жидкости с двух сторон, как показано на фиг. 2 и 3. Микроканавка удерживает жидкость от растекания используя эффект острой кромки. Впервые использование эффекта острой кромки в качестве барьера против растекания жидкости было предложено Гибсом [Gibbs, J.W. Scientific Papers, p. 326, 1906]. В дальнейшем эта идея была развита и проанализирована в работе [Fang,G., Amirfazli, A.:Understanding the edge effect in wetting: a thermodynamic approach. Langmuir (2012). doi:10.1021/la301623h], а также исследована экспериментально в работах [Oliver, J.F., Huh, C., Mason, S.G.: Resistance to spreading of liquids by sharp edges. J. Colloid Interface Sci. 59, 568–581 (1977); Bayramli, E., Mason, S.G.: Liquid spreading: edge effect for zero contact angle. J. Colloid Interface Sci. 66, 200–202 (1978); Yu, L.M.Y., Lu J.J., Chan, Y.W., Ng, A., Zhang, L., Hoorfar, M., Policova, Z., Grundke, K., Neumann, A.W.: Constrained sessile drop as a new configuration to measure low surface tension in lung surfactant systems. J. Appl. Physiol. 97, 704–715 (2004); Sheng, X., Zhang, J., Jiang, L.: Application of the restricting flow of solid edges in fabricating superhydrophobic surfaces. Langmuir 25, 9903–9907 (2009); Tóth, B.: Future experiments to measure liquid-gas phase change and heat transfer phenomena on the international space station. Microgravity Sci. Technol. (2011). doi:10.1007/s12217-011-9286-1].
Жидкость на поверхности твёрдого тела приближается к острой кромке с контактным углом θ. Этот угол отражает взаимодействие жидкости и поверхности твёрдого тела. Для того, чтобы жидкость могла преодолеть острую кромку твёрдого тела, контактный угол должен достигнуть соответствующего критического угла θc = β + θ, где β – угол наклона поверхности твёрдого тела (β = π – α), θ – контактный угол жидкости на поверхности твердого тела. При достижении жидкостью положения, когда контактный угол достигает критического угла θc, жидкость закрепляется на краю твёрдого тела (кромки микроканавки). Таким образом, контактный угол жидкости с поверхностью твёрдого тела может быть увеличен при помощи острой кромки. В работе авторов заявки [Viktor Grishaev, A. Amirfazli, Sergey Chikov, Yuriy Lyulin, Oleg Kabov, Study of Edge Effect to Stop Liquid Spillage for Microgravity Application, Microgravity Sci. Technol. (2013) 25:27–33] было показано, что для стабилизации течения жидкости в случае резких вибраций хорошо работают канавки очень широкого спектра форм – треугольные, прямоугольные и в форме «ласточкин хвост». Чем меньше угол α между плоскостью стенки и стороной канавки, тем она эффективнее.
Для обеспечения устойчивости течения жидкости дополнительно используют гидрофобное нанопокрытие. Гидрофобное нанопокрытие 16 наносят на поверхность боковых стенок канала с обеих сторон, а также на всю верхнюю стенку 3 и канавки 8, как показано на фиг. 3. Гидрофобное нанопокрытие увеличивает контактный угол смачивания жидкости на поверхности канала и, как следствие, увеличивает критический угол для преодоления жидкостью канавки. Таким образом, стабилизирующие свойства канавки могут быть существенно улучшены.
Когда, вследствие существенных пульсаций расхода или массового образования капель, жидкость начинает растекаться на поверхность с нанопокрытием, то контактный угол смачивания существенно увеличивается, что увеличивает кривизну на границе трёхфазной линии контакта твёрдое тело – жидкость – газ и, как следствие, возникает капиллярная сила, которая стремится вернуть жидкость в область с гидрофильными стенками. В этом случае жидкость, капли и ручейки жидкости вернутся на обычное место их течения при любых отклонениях устройства и пульсациях, как только исчезнет источник дестабилизации, так как течение по гидрофильной поверхности является наиболее энергетически выгодным для жидкости.
Для получения нанопокрытия часть поверхности обрабатывают химическим способом (нанесением монослоя молекул другого вещества) так, чтобы на поверхности появилась область с наноразмерной шероховатостью и более высоким значением контактного угла смачивания. Области поверхности с нанесёнными на неё наноструктурами являются гидрофобными относительно остальной поверхности. 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. Разница между контактными углами смачивания на гидрофобных участках и необработанной поверхностью (поверхностью течения жидкости) может составлять от 10 до 175 градусов.
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 кипении за счёт того, что интенсивность теплообмена обратно пропорциональна толщине движущегося слоя жидкости. Таким образом, предложенное устройство обеспечивает высокую эффективность и устойчивость работы теплообменного устройства, в том числе и в нестандартных ситуациях, таких, как микрогравитация.