УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РУЧЕЙКОВОГО ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ В МИКРО- И МИНИ-КАНАЛАХ (ВАРИАНТЫ)
APPARATUS FOR GENERATING OF CHANNELIZED LIQUID FLOW IN MICRO-AND MINI-CHANNELS (VERSIONS)

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 объемах.
Такие условия реализуются в микроэлектромеханических системах, интегрированных электрических цепях, лазерно-диодных массивах, высокоэнергетических отражателях и других микроустройствах, подверженных кратковременным 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 микро- и наноканалах. 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.
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: значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах, техническая сложность реализации такой системы, которые связаны с монтажом, а также необходимостью 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 шириной 500 мкм, на внутреннюю поверхность которых нанесены наноструктурные области с гидрофобным покрытием. Расположение и геометрия наноструктур 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 О.А., 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 порядка 10-50 мм с нагревателями (электронные тепловыделяющие элементы) размерами от 2,5 до 5 мм, расположенными на одной стороне канала либо на двух противоположных сторонах канала. Пленка диэлектрической жидкости FC-72 толщиной от 50 до 200 мкм движется со спутным потоком газа (азота) в микроканале.
0
В такой системе при относительно малых расходах жидкости и относительно большом угле смачивания (более 30-40 град), в углах канала формируется мениск жидкости. Скорость течения жидкости в углах канала существенно замедляется, что ведет к потере энергии при прокачке жидкости и пара или газа в микроканале. К тому же часть жидкости практически не участвует в процессе охлаждения. Кроме того, непосредственно перед формированием мениска в пленке жидкости образуется локальное утонение в силу специфики действия капиллярных сил. Часто именно это утонение вызывает разрыв пленки жидкости при малых скоростях газа и расходах жидкости. Данный факт подтвержден экспериментально в работах авторов [Zaitsev D.V. and Kabov О.А., Flow patterns and CHF in a locally heated liquid film shear-driven in a minichannel // Proceedings of ASME 2010 3rd Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting and 8th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, FEDSM2010-ICNMM2010, August 1-5, 2010, Montreal, Canada, ISBN: 978-0-7918-3880-8, Paper FEDSM-ICNMM2010-31209, P. 1-8, 2010] для условий земной гравитации, микрогравитации и гипергравитации до 1.8xg.
Эксперименты показали, что жидкость утоняется вблизи боковых стенок канала и в некоторых случаях образуются сухие пятна. Данные обстоятельства требуют увеличивать ширину канала, что ведет к дополнительным материальным затратам. Жидкость, движущаяся в углах канала, фактически теряется, что приводит к потери энергии, которая требуется для прокачки жидкости и пара или газа в микроканале.
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 Е.А., Guzanov V.V., Cheverda V., Markovich D.M and Kabov O.A., Regimes of Two-Phase Flow in Short Rectangular Channel, Microgravity sci. technol., 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 пленки.
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 О., Cooling of Microelectronics by Thin Liquid Films, Keynote lecture, 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.
Задачей изобретения является создание устройства для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах с целью охлаждения микроэлектронного оборудования с локальным тепловыделением, позволяющего существенно снизить гидравлическое сопротивление стенок и теплоносителя.
Также задачей изобретения является создание устройства эффективно и устойчиво работающего как в земных условиях, так и в невесомости, в том числе при любых нестандартных ситуациях, в частности в случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте.
Указанные задачи решают тем, что в устройстве для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах, включающем плоский микро- или мини-канал прямоугольного сечения с расположенным на одной из стенок (подложке) электронным тепловыделяющим элементом, для охлаждения микроэлектронного оборудования используют ручеек жидкости, оборудования используют ручеек жидкости, движущийся вдоль микро- или миниканала под действием спутного потока газа или пара.
Согласно изобретению, вариант 1, вдоль канала на поверхности подложки с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента выполнены ограничивающие ширину ручейка жидкости продольные микроканавки. Микроканавки выполнены таким образом, что В≤С<Cm, где В - ширина электронного тепловыделяющего элемента, С - ширина ручейка, Cm - расстояние между микроканавками.
Ограничивающие ширину ручейка жидкости микроканавки имеют форму треугольника, прямоугольника или форму «ласточкин хвост».
Согласно изобретению, вариант 2, на внутреннюю поверхность канала нанесено гидрофобное нанопокрытие. Гидрофобное нанопокрытие нанесено на поверхность всех стенок канала или только на подложку, причем на поверхность подложки гидрофобное нанопокрытие нанесено вдоль канала с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента, исключая область течения ручейка, таким образом, что С≥В, где С - ширина ручейка, В - ширина электронного тепловыделяющего элемента.
Ручеек жидкости в отличие от пленки жидкости занимает только часть поперечного сечения канала. В углах канала движется газ. Таким образом, достигается снижение расхода жидкости. Известно, что вязкость газа на несколько порядков меньше, чем жидкости, что и 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. Снижение расхода жидкости пропорционально отношению ширины канала к ширине ручейка жидкости, L/C.
Гидродинамические и капиллярные силы обеспечивают стабильное течение ручейка жидкости увлекаемого потоком газа в мини- или микроканале.
Скорость течения газа в канале без ручейка жидкости не однородна по его ширине. На краях канала скорость течения замедляется из-за трения о боковые стенки канала. Неоднородность скорости вызывает неоднородность давления в газе. В центральной части канала скорость максимальна, а давление минимально. Таким образом, неоднородность давления по ширине канала будет стабилизировать течение ручейка по центральной части канала.
Скорость течения газа в канале с плоским ручейком жидкости еще более не однородна по его ширине, когда ширина канала соизмерима с его длиной, т.к. расход газа не успевает перераспределиться по ширине канала. Ручеек жидкости перекрывает часть проходного сечения канала и, как следствие, скорость течения в области ручейка, т.е. в средней части канала, еще более увеличивается, а давление еще более уменьшается и стабилизирует течение ручейка по центру канала. Такой эффект наблюдался авторами в опытах с ручейком жидкости в условиях невесомости, гравитации и гипергравитации [Cheverda V. Liquid rivulets moved by shear stress of gas flow at altered levels of gravity / V. Cheverda, A. Glushchuk, P. Queeckers, S.B. Chikov, O.A. Kabov // Microgravity sci. technol. - 2013. - Vol. 25(1). - P. 73-81].
Когда ручеек начинает поворачивать или растекаться, то наступающий контактный угол увеличивается, что увеличивает кривизну на границе раздела ручейка и, как следствие, возникает капиллярная сила, которая стремится вернуть ручеек на место. Кроме того, поверхностное натяжение стремится выпрямить ручеек, минимизируя поверхностную энергию и, соответственно, площадь поверхности жидкости.
Однако эти силы в ряде случаев не достаточны для обеспечения стабильного течения ручейка жидкости. В случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте ручеек жидкости может терять устойчивость и менять направление течения, касаться боковых стенок канала, распадаться на части, что может приводить к частичному или полному осушению электронного компонента и выходу его из строя.
Использование вместо пленки жидкости, как в прототипе, занимающей все поперечное сечение канала, ручейка жидкости позволяет снизить гидравлическое сопротивление стенок и теплоносителя. Использование микроканавок и нанопокрытия позволяет достичь стабильной работы устройства охлаждения микроэлектронного оборудовании в любых, в том числе нестандартных, ситуациях.
На фиг. 1 показана схема устройства для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах, вид сверху.
На фиг. 2, 3 и 4 схематически показано поперечное сечение микро- (мини-) канала устройства с использованием разных технических решений для стабилизации ручейкового течения жидкости со спутным потоком газа или пара.
На фиг. 2 показано поперечное сечение микро- (мини-) канала с использованием микроканавок, выполненных вдоль течения ручейка.
На фиг. 3 показано поперечное сечение микро- (мини-) канала с использованием гидрофобного нанопокрытия с контрастным смачиванием, нанесенного на подложку.
На фиг. 4 показано поперечное сечение микро- (мини-) канала с использованием гидрофобного нанопокрытия с контрастным смачиванием, нанесенного на все стенки канала за исключением области течения ручейка, которая обычно бывает гидрофильной.
Где: 1 - подложка; 2 - электронный элемент; 3 - ручеек жидкости; 4 - газ или пар; 5 - микроканавки; 6 - гидрофобное нанопокрытие; 7 - сопло; L - ширина мини- или микроканала; С - ширина ручейка, Cm - расстояние между микроканавками, Cn - ширина поверхности без нанопокрытия.
Устройство для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах содержит 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).
В канале организовано течение плоского ручейка жидкости шириной, равной или больше ширины электронного компонента, но меньше ширины канала, под действием спутного потока газа или пара 4. Движение ручейка жидкости происходит за счет касательного напряжения, создаваемого потоком газа или пара в канале.
Для обеспечения устойчивости ручейкового течения жидкости в случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте на поверхности подложки 1 с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента 2 выполняют микроканавки 5, ограничивающие область течения ручейка. Микроканавки выполненяют так, что ширина ручейка, С, больше или равна ширине электронного тепловыделяющего элемента, В, и меньше расстояние между микроканавками, С.
В другом варианте исполнения устройства для обеспечения устойчивости ручейкового течения жидкости используют гидрофобное нанопокрытие, которое наносят либо только на поверхность подложки вдоль канала по течению ручейка с обеих сторон от тепловыделяющего элемента, либо на внутреннюю поверхность всех стенок канала, включая поверхность подложки, при этом на поверхность подложки нанопокрытие наносят также вдоль канала с обеих сторон от тепловыделяющего элемента. Таким образом, поверхность течения ручейка жидкости по подложке всегда остается гидрофильной. Нанопокрытие выполнено так, что ширина ручейка, С, больше или равна ширине электронного тепловыделяющего элемента, В, и равна ширине поверхности без нанопокрытия, Cn.
Устройство для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах, содержащее плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения с расположенным на одной из его стенок (подложке) электронным тепловыделяющим элементом или несколькими тепловыделяющими элементами, включается 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 подаются при помощи насоса из резервуаров через сопла в микро- или мини-канал устройства. Газ подается под давлением над жидкостным соплом и течет, увлекая поток жидкости. Заданные расход газа и давление в устройстве поддерживаются автоматически при помощи регуляторов, например регуляторов BRONKHORST. Плоский ручеек жидкости шириной равной или больше ширины электронного компонента, но меньше ширины канала, формируется благодаря узкой щели сопла и ограничивающим канавкам или нанопокрытию с контрастным смачиванием и движется под действием спутного потока газа. Толщина ручейка меняется в зависимости от расходов жидкости и газа.
Для обеспечения устойчивого течения ручейка в заданной области используют микроканавки, которые располагают вдоль течения ручейка, ограничивая его течение с двух сторон, как показано на фиг. 2.
Микроканавка удерживает жидкость в области выреза, а также предотвращает разлив жидкости по поверхности подложки, 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, С., 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); Toth, В.: Future experiments to measure liquid-gas phase change and heat transfer phenomena on the international space station. Microgravity Sci. Technol. (2011). doi:10.1007/s 12217-011-9286-1].
Жидкость на поверхности твердого тела приближается к острой кромке с контактным углом θ. Этот угол отражает взаимодействие жидкости и поверхности твердого тела. Для того чтобы жидкость могла преодолеть острую кромку твердого тела, контактный угол должен достигнуть соответствующего критического угла θc=α+θ где α - угол наклона поверхности твердого тела, θ - контактный угол жидкости на верхней поверхности твердого тела. При достижении жидкостью положения, когда контактный угол достигает критического угла θc, жидкость закрепляется на краю твердого тела (кромки микроканавки). Таким образом, контактный угол жидкости с поверхностью твердого тела может быть увеличен при помощи острой кромки.
Для стабилизации течения ручейка в случае резких вибраций работают канавки очень широкого спектра форм - треугольные, прямоугольные и в форме «ласточкин хвост» [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].
Канавки выполняют эксимерным лазером или электроэрозионным методом.
Для обеспечения устойчивости ручейкового течения жидкости также используют гидрофобное нанопокрытие. Сплошное гидрофобное нанопокрытие 6 наносят вдоль течения на поверхность подложки с обеих сторон от ручейка, как показано на фиг. 3. Течение ручейка удерживается за счет контрастной смачиваемости на подложке канала. Когда ручеек начинает растекаться на поверхность с нанопокрытием, то контактный угол смачивания существенно увеличивается, что увеличивает кривизну на границе раздела ручейка и, как следствие, возникает капиллярная сила, которая стремится вернуть ручеек на место. Однако в случае существенных вибраций системы и отклонения системы от горизонтального положения могут возникнуть силы, способные перебросить ручеек на одну из стенок канала, без нанопокрытия. Для предотвращения такой ситуации гидрофобное нанопокрытие 6 наносят и на поверхность подложки с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента, и на внутреннюю поверхность трех других стенок канала. Таким образом, вся поверхность стенок канала имеет сплошное гидрофобное нанопокрытие, за исключением области течения ручейка, которая обычно бывает гидрофильной, как показано на фиг. 4. В этом случае ручеек вернется на обычное место его течения при любых отклонениях устройства, как только исчезнет источник дестабилизации, так как течение по гидрофильной поверхности является наиболее энергетически выгодным для ручейка.
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 нанесенными на нее наноструктурами являются гидрофобными относительно остальной поверхности.
Работоспособность предложенной конструкции устройства для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и миниканалах подтверждается экспериментальными данными и выполненными оценками и расчетами [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; [Cheverda V. Liquid rivulets moved by shear stress of gas flow at altered levels of gravity / V. Cheverda, A. Glushchuk, P. Queeckers, S. B. Chikov, O.A. Kabov // Microgravity sci. technol. - 2013. - Vol. 25(1). - P. 73-81].
Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемого изобретения выполнена следующая совокупность условий:
- заявляемое изобретение при его осуществлении предназначено для использования в промышленности, а именно для охлаждения теплонапряженных электронных элементов;
- для заявляемого изобретения подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- заявляемое изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что предложенное устройство позволяет существенно снизить энергозатраты на прокачку охлаждающей жидкости, обеспечивая при этом высокую эффективность и устойчивость работы в нестандарных ситуациях в том числе, как в земных условиях, так и в невесомости.