СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ГАЗА И МИКРОКАПЕЛЬ
METHOD FOR COOLING ELECTRONIC EQUIPMENT USING COMBINED GAS AND MICRODROPLES FLOW

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В частности, оно относится к микромасштабным охлаждающим устройствам, 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.
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/м2К и более. Важной не решенной проблемой остается снятие высоких и сверхвысоких тепловых потоков (более 1 кВт с 1 квадратного 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. Недостатком этих технических решений является относительно малые величины критического теплового потока, которые можно иметь в данной системе охлаждения при 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. 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 может быть существенно меньше 1, т.к. на пленку жидкости действуют различные силы – поверхностные, термокапиллярные, инерционные и др., которые приводят к волнообразованию и неоднородному распределению пленки жидкости по поперечному сечению канала. Расслоенный режим течения является неустойчивым и может переходить в кольцевой с ростом расхода жидкости (смотрите, например, Chinnov E. A., Ron’shin F. V., Kabov O. A. Two-Phase Flow Patterns in Short Horizontal Rectangular Microchannels, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 80, pp. 57-68, 2016.).
В работе (Milan Visaria and Issam Mudawar, Theoretical and experimental study of the effects of spray inclination on two-phase spray cooling and critical heat flux, International Journal of Heat and Mass Transfer, 51, (2008) 2398-2410) для охлаждения используется спрей, направляемый на нагреваемый элемент под некоторым углом α (0 – 55 град), который отсчитывается от вертикали. Преимущество такой системы заключатся в том, что наклон спрея позволяет существенно изменять геометрию и размер пятна орошения. В тоже время было показано, что с ростом α, т.е. с отклонением сопел от вертикали заметно снижается критический тепловой поток, из-за формирования более толстых слоев жидкости.
Известна система распылительного охлаждения полупроводниковых приборов (патент US6205799B1, 2001, F25B39/04; F25D17/02; F25D9/00; H01L23/473; H05K7/20).  Распылительное устройство струйного типа распыляет капли охлаждающей жидкости на полупроводниковые устройства, на которых жидкость испаряется, охлаждая устройства.  Данное изобретение имеет недостаток в том, что распылительное устройство в виде головки струйного принтера расположено непосредственно над всей охлаждаемой поверхностью. В данной компоновке существенно растут габаритные и пространственные размеры системы, не позволяя менять компоновку системы из полупроводниковых приборов и распылительного устройства. Так же происходит снижение интенсивности теплообмена при возникновении толстых пленок охлаждающей жидкости, толщина которой не контролируется и не регулируется. Существенным недостатком является отсутствие принудительного отвода пара неконденсируемым газом.
Известна система охлаждения полупроводникового кристалла (заявка US 20020113142, 2001, B05C 001/00). В системе охлаждения используются струйные термические распылители для распыления охлаждающей жидкости на чип (ы) в распылительной камере. Количество распыляемой жидкости может регулироваться. Распылительное устройство в виде головки термоструйного принтера расположено непосредственно над всей охлаждаемой поверхностью. В данной компоновке существенно растут габаритные и пространственные размеры системы, не позволяя менять компоновку системы из полупроводниковых приборов и распылительного устройства. В данном решении отмечено, что регулирование потока жидкости, поступающей к поверхности охлаждения, осуществляется созданием тумана из этой жидкости во всем объеме полости устройства. Однако такая схема имеет существенный недостаток – объем жидкости, который попадет непосредственно на участок, требующий охлаждения, не контролируется. Он может быть как критически недостаточен из-за оседания тумана на более холодных поверхностях или в результате его уноса в конденсатор, но так же и быть слишком избыточен в результате перетоков с соседних поверхностей. А толстые пленки, движущиеся с низкими скоростями, резко снижают эффективность охлаждения. Важным и существенным недостатком так же является отсутствие принудительного отвода пара неконденсируемым газом.
Наиболее близким техническим решением является способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости (патент РФ № 2649170, 2016 г., F28C 3/06). Задачей данного 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 относительно сложная конструкция системы с двумя входами для жидкости. Основная часть жидкости (более 50%) движется в виде тонкого слоя (50-100 мкм) по подложке с электронными компонентами за счет трения о прокачиваемый газ, что вызывает значительное гидравлическое сопротивление. Данная конструктивная особенность не позволяет использовать в системе значительные расходы жидкости из-за относительно низких скоростей потока.  Кроме того, как было указано выше, с ростом расхода жидкости расслоенный режим течения переходит в кольцевой, и система теряет свою эффективность. Ограничения по расходам жидкости автоматически вызывают и ограничения по критическим тепловым потокам для отвода тепла, т.к. для отвода 1 Вт тепла от электронного компонента нужно испарить определенное количество жидкости, которое определяется теплотой фазового перехода. Например, для воды эта величина составляет 0,44 мг/с.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов.
Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных потоков газа и микрокапель, основанном на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, при котором области электронного компонента орошают потоками микрокапель жидкости с помощью спреера, расположенного  на одной из поверхностей канала, причем истечение микрокапель жидкости осуществляется под углом, согласно изобретению, истечение микрокапель жидкости осуществляется в направлении потока газа или рабочей жидкости в канале под углом от 10 до 90 градусов, который отсчитывается от оси направления потока газа, спреер представляет собой сопло или линейку сопел.
Электронные компоненты находятся в канале, вдоль которого в направлении потока микрокапель устанавливается поток неконденсируемого газа или пара рабочей жидкости, который формирует тонкую пленку жидкости и интенсифицирует теплообмен. Поток неконденсируемого газа в данной системе решает сразу несколько задач: 1) позволяет дополнительно контролировать поток микрокапель и изменять геометрию и размер пятна орошения; 2) уносит образовавшийся пар испаряющейся жидкости; 3) движет образующуюся пленку жидкости по нагревательному элементу, делает ее тоньше, замывает образующиеся сухие области; 4) быстро транспортирует по каналу неиспарившуюся часть жидкости, предотвращает заливание канала, что привело бы к снижению интенсивности теплообмена. В общем случае роль газа может выполнять пар рабочей жидкости. Тогда система становится однокомпонентной, двухфазной системой.
В предложенной системе охлаждения вся жидкость сразу в виде микрокапель подается на электронный компонент, без протекания части жидкости по поверхности канала в виде тонкой пленки, что снижает гидравлическое сопротивление и потери энергии на прокачку теплоносителя. За счет нужного отклонения сопел от оси направления потока газа и оптимальной скорости газа, жидкость в виде микрокапель подается более равномерно на электронный компонент, что позволяет реализовывать относительно большие расходы жидкости, без существенного утолщения слоя жидкости на электронном компоненте и без залива канала. При этом также решается проблема оголения нижних по течению частей электронных компонентов в случае охлаждения пленкой жидкости увлекаемой потоком газа. Сопла любой конструкции генерируют некоторый спектр капель по диаметрам. Поток неконденсируемого газа влияет более существенно на капли меньшей массы и сносит их дальше по потоку, удлиняя область охлаждения. В итоге предложенная система позволяет регулировать область охлаждения в широком диапазоне за счет скорости газа, наклона сопла и расхода жидкости. Т.е. система может применяться для охлаждения целого ряда электронных компонентов, причем интенсивность теплообмена будет практически одинаковой на всей орошаемой площади, т.к. определяется в основном взаимодействием единичной капли с поверхностью. Поток микрокапель может генерироваться одним соплом, расположенным поперек канала, либо линейкой сопел.  Система позволяет линейкой сопел охлаждать электронные компоненты с гораздо большей длинной, чем ширина спрея, т.к. поток неконденсируемого газа сносит микрокапли на заданную величину пропорционально скорости течения газа. Таким образом, отсутствует необходимость располагать спреер непосредственно над всей площадью зоны наиболее интенсивного тепловыделения или каким-либо ее участком. Это важнейшее преимущество дает возможность расположения спреера в наиболее удобной, с точки зрения общей компоновки, позиции. Наличие спреера в виде всего одного сопла или линейки сопел существенно упрощает систему, т.е. предложенная система имеет существенное преимущество по сравнению с классической чисто спрейной системой.
На фиг. 1 показана схема предложенной системы охлаждения, где:
1 – вход газа в канал;
2 – вход жидкости в сопло;
3 –  сопло;
4 – поток капель;
5 – электронный компонент;
6 – подложка;
7 – миниканал;
8 – вход парогазовой смеси и жидкости, не успевшей испарится на тепловыделяющем элементе в конденсатор-сепаратор;
9 – конденсатор-сепаратор;
10 – система охлаждения конденсатора;
11- резервуар для газа;
12- насос для газа;
13- резервуар для жидкости;
14- насос для подачи жидкости;
Способ осуществляется следующим образом. Электронный компонент (5) или несколько компонентов расположены на подложке (6), которая помещена в миниканал (7). В случае незначительного тепловыделения на электронном компоненте (чипе) (5) в канал подается только газ (1). Если тепловая нагрузка возрастает, то в канал подается дополнительно жидкость (2) с помощью сопла (3). Причем истечение микрокапель жидкости осуществляется в направлении потока газа или рабочей жидкости в канале под углом от 10 до 90 градусов, который отсчитывается от оси направления потока газа. Сопло (3) формирует поток микрокапель (4), который за счет силы инерции и под действием потока газа орошает электронный компонент (5). Кроме того, в общем случае может использоваться одно или несколько цилиндрических или плоских сопел, расположенных в ряд. Не испарившаяся жидкость вместе с паро-газовой смесью (8) из канала поступают в конденсатор-сепаратор (9), где происходит конденсация пара и сепарация газа и жидкости. Конденсатор-сепаратор охлаждается системой охлаждения (10). Из конденсатора-сепаратора (9) газ поступает в резервуар для газа (11) и далее перекачивается насосом для газа (12). Жидкость поступает из конденсатора-сепаратора (9) в резервуар для жидкости (13) и далее перекачивается насосом для жидкости (14).
Необходимо отметить, что данная система охлаждения, при соответствующей конструкции конденсатора-сепаратора 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.