Способ охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В способе охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения поверхность электронного компонента орошают потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного в верхней стенке канала, поверхность электронного компонента структурируют путем нанесения ребер треугольного сечения, ориентированных вдоль течения, при этом каплеформирователь расположен по всей длине электронного компонента. 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. Технический результат - повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов. 2 ил.

 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования.

Важной не решенной проблемой является снятие высоких тепловых потоков с различных электронных компонентов. В настоящее время в электронной промышленности плотности тепловых потоков приближаются к величине 1 кВт с 1 квадратного см. Часто плотность теплового потока на электронном компоненте, например, на чипе компьютера, является неоднородной (A. Bar-Cohen, P. 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 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.А., 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 (Gatapova E.Ya., Kabov О.А., Slip effect on shear-driven evaporating liquid film in microchannel // Microgravity Science and Technology, XIX-3/4, 2007, pp. 132-134) или газа (Gatapova E.Y., Lyulin Y.V., Marchuk I.V., Kabov O.A. and Legros J-C., The thermocapillary convection in locally heated laminar liquid film flow caused by a co-current gas flow in narrow channel // Proc. First International Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, April 24-25, 2003, Rochester, NY, USA; 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).

Одно из технических решений описано в статье (Kabov О.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; Gatapova E.Ya., Kabov O.A., Shear-driven flows of locally heated liquid films // Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 51, issues 19-20, 2008, pp. 4797-4810; Kabov O.A., Gatapova E.Ya., Zaitsev D.V. Cooling Technique Based on Evaporation of Thin and Ultra Thin Liquid Films // IEEE Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems, ISBN: 978-1-4244-1701-8, ISSN: 1087-9870, pp. 520-527, 2008). В данном способе охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, движущейся под действием вынужденного потока газа в канале.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому решению является способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков (патент РФ №2649170, F28C 3/06, 2016 г. ). Осушенные области электронного компонента, расположенные в области дальней кромки электронного компонента по течению, дополнительно орошаются потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала. Отдельные каплеформирователи предлагается также располагать над областями электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока, причем истечение микрокапель жидкости осуществляется против направления течения газа под углом от 10 до 80 градусов к направлению течения газа.

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. 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 G/Gevap=1, где G - массовый расход жидкости на входе в канал, кг/с, Gevap - массовый расход испаряющейся жидкости, кг/с.На практике данное отношение может существенно превышать 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 (смотрите, например, Chinnov Е.A., Ron'shin F.V., Kabov О.A. Two-Phase Flow Patterns in Short Horizontal Rectangular Microchannels, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 80, pp. 57-68, 2016.). Недостатком этих технических решений является также то, что поверхность охлаждаемого электронного компонента является гладкой и не способствует оптимизации и интенсификации процесса.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов за счет использования пленочных и капельных потоков жидкости, а также структурирования поверхности охлаждения.

Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения, основанном 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, согласно изобретению, поверхность электронного компонента структурируют путем нанесения ребер треугольного сечения, ориентированных вдоль течения, при этом каплеформирователь расположен по всей длине электронного компонента. Ребра орошаются потоком микрокапель жидкости по всей длине электронного компонента с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала, причем 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.

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 разделения ребрами пленки жидкости на отдельные ручейки, которые по всей длине подпитываются микрокаплями, что препятствует формированию существенного волнообразования и неоднородному распределению пленки жидкости по поперечному сечению канала, а главное 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 орошаемые ребра структурируют хладогент на электронном компоненте и делают температуру на электронном компоненте более однородной, что является важным в целом ряде конкретных приложений. За счет комбинации трех видов охлаждения: газ; пленка жидкости; микрокапли жидкости 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 G/Gevap=1.

На фиг. 1 показана система охлаждения электронного оборудования, где:

1 - вход газа в канал;

2 - вход жидкости в канал;

3 - испаряющаяся пленка жидкости;

4 - подложка;

5 - электронный компонент;

6 - каплеформирователь;

7 - ребра

8 - резервуар для газа;

9 - конденсатор-сепаратор;

10 - система охлаждения конденсатора;

11 - резервуар для жидкости;

12 - микрокапля жидкости;

13 - ручеек жидкости;

14 - линия контакта газ-жидкость-твердое тело.

На фиг. 2 показана структурированная поверхность электронного компонента.

Способ осуществляется следующим образом.

Поверхность электронного компонента (5) структурируется путем нанесения ребер (7) треугольного сечения, ориентированных вдоль течения. 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), формируется пленка жидкости (3), которая на чипе разделяется на отдельные ручейки (13). С ростом тепловой нагрузки максимально увеличиваются расходы жидкости и газа (до ~1 г/с и 1 л/с, соответственно). В случае еще большего повышения тепловыделения на электронном компоненте (5), жидкость дополнительно подается в каплеформирователь (6), который расположен по всей длине чипа. Истечение микрокапель жидкости (12) осуществляется против направления течения газа, с таким расчетом, чтобы капли преодолели движущийся поток газа и достигли поверхности ребер (7). При движении ручейков жидкости (13) вдоль электронного компонента и капель жидкости (12) вдоль ребер (7) формируется протяженная динамическая линия контакта газ-жидкость-твердое тело в которой осуществляется наиболее интенсивное испарение. Неиспарившаяся жидкость вместе с паро-газовой смесью из канала поступают 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).

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.

Способ охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения, основанный 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, отличающийся тем, что поверхность электронного компонента структурируют путем нанесения ребер треугольного сечения, ориентированных вдоль течения, при этом каплеформирователь расположен по всей длине электронного компонента.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к конструкции модульного, предварительно изготовленного центра обработки данных (ЦОД), в которой используется множество узлов кареток, связанных с каждой из множества блочных структур.

Изобретение относится к электротехнике. Электрический прибор (100) содержит: корпус (110), имеющий средства позиционирования (122, 123) для позиционирования в приемной емкости для электрического прибора; и электронную схему, выполненную с возможностью использовать информацию по управлению нагрузкой, по меньшей мере одну антенну (128) и модуль ближней связи, соединенный с антенной (128) и связанный с электронной схемой.

Изобретение относится к области конструктивных элементов распределительных шкафов, а именно к держателю панели для крепления панели к каркасу распределительного шкафа.

Изобретение относится к мобильному терминалу и, в частности, к теплоотводящей и экранирующей конструкции мобильного терминала. Технический результат – обеспечение возможности выполнения мобильного терминала и теплоотводящей и экранирующей конструкции легче и тоньше.

Изобретение относится к системам и способам для построения модульных быстровозводимых центров обработки данных, которые могут быть сконфигурированы с эффективным использованием пространства для целей транспортировки, затем легко развернуты на месте назначения, чтобы сформировать центр обработки данных, и в дальнейшем могут быть легко расширены модульным образом для удовлетворения меняющихся потребностей центров обработки данных на месте назначения.

Изобретение относится к теплообменному устройству на основе пульсационной тепловой трубы и системе охлаждения. Система охлаждения, содержащая множество блоков, которые механически соединены друг с другом, причем каждый блок содержит теплообменное устройство на основе пульсационной тепловой трубы; и устройство коммутации, причем устройство коммутации находится в физическом контакте с упомянутым, теплообменным устройством для переноса тепловой нагрузки из устройства коммутации в теплообменное устройство, и между двумя соседними блоками обеспечен электроизолирующий элемент, при этом теплообменное устройство содержит множество трубок для обеспечения путей протекания текучей среды между первым и вторым элементами распределения текучей среды теплообменного устройства, причем каждая трубка содержит группу каналов, при этом как первый, так и второй элементы распределения текучей среды содержат, пластину первого типа, причем каждая пластина первого типа имеет отверстия для обеспечения выравнивания множества трубок, пластины первого типа имеют одинаковую толщину, первый элемент распределения текучей среды содержит пластину второго типа, пластина второго типа имеет отверстия для обеспечения путей протекания текучей среды между трубками из множества трубок, и пластина второго типа расположена с противоположной стороны пластины первого типа из пластин первого элемента распределения текучей среды относительно второго элемента распределения текучей среды.

Изобретение относится к области распределительных шкафов, а именно к шкафам, содержащим конструктивные элементы для их охлаждения. Техническим результатом является повышение охлаждающей способности распределительного шкафа.

Изобретение относится к созданию центра обработки данных, конфигурация которого обеспечивает его работу, когда он погружен в воду. Технический результат - создание и/или развертывание центра обработки данных, спроектированного погружаемым на дно массы воды с обеспечением развертывания относительно близко к имеющимся потенциальным заказчикам и получения преимущества устойчивой, экологически чистой электроэнергии, а также преимущества массивного теплоотвода, обеспечиваемого водой.

Изобретение предназначено для эффективного охлаждения электронных блоков различной аппаратуры, в том числе радиоэлектронной, работающей при различных температурных режимах.

Изобретение относится к стойке для устройства распределительного шкафа, состоящей из основной рамы, которая содержит четыре вертикальные профилированные распорки и восемь горизонтальных профилированных распорок, четыре из указанных профилированных распорок образуют прямоугольную раму стойки с постоянным поперечным сечением; рама стойки имеет периферийный паз, который образован по меньшей мере двумя сторонами профилированной распорки и который открыт в направлении внешней стороны рамы стойки; раскрытая стойка характеризуется тем, что прямоугольная дополнительная рама вставлена в паз.

Изобретение относится к конструкции модульного, предварительно изготовленного центра обработки данных (ЦОД), в которой используется множество узлов кареток, связанных с каждой из множества блочных структур.

Изобретение относится к системам охлаждения электронных блоков различной аппаратуры, в том числе радиоэлектронной, работающей при различных температурных режимах.

Изобретение относится к области электротехники в частности однофазному, неизолированному, миниатюрному силовому инвертору для преобразования постоянного тока в переменный и предназначено для создания силового инвертора с выходной удельной мощностью более 3000 Вт/дм3.

Изобретение относится к мобильному терминалу и, в частности, к теплоотводящей и экранирующей конструкции мобильного терминала. Технический результат – обеспечение возможности выполнения мобильного терминала и теплоотводящей и экранирующей конструкции легче и тоньше.

Изобретение относится к мобильному терминалу и, в частности, к теплоотводящей и экранирующей конструкции мобильного терминала. Технический результат – обеспечение возможности выполнения мобильного терминала и теплоотводящей и экранирующей конструкции легче и тоньше.

Изобретение относится к системам охлаждения электронных блоков различной аппаратуры, работающей при различных температурных режимах. Технический результат - обеспечение эффективного охлаждения электронных блоков различной аппаратуры, с обеспечением работоспособности электронных блоков в различных температурных условиях при сравнительно простой конструкции системы охлаждения.

Изобретение относится к области распределительных шкафов, а именно к шкафам, содержащим конструктивные элементы для их охлаждения. Техническим результатом является повышение охлаждающей способности распределительного шкафа.

Изобретение относится к области распределительных шкафов, а именно к шкафам, содержащим конструктивные элементы для их охлаждения. Техническим результатом является повышение охлаждающей способности распределительного шкафа.

Изобретение относится к созданию центра обработки данных, конфигурация которого обеспечивает его работу, когда он погружен в воду. Технический результат - создание и/или развертывание центра обработки данных, спроектированного погружаемым на дно массы воды с обеспечением развертывания относительно близко к имеющимся потенциальным заказчикам и получения преимущества устойчивой, экологически чистой электроэнергии, а также преимущества массивного теплоотвода, обеспечиваемого водой.

Изобретение относится к созданию центра обработки данных, конфигурация которого обеспечивает его работу, когда он погружен в воду. Технический результат - создание и/или развертывание центра обработки данных, спроектированного погружаемым на дно массы воды с обеспечением развертывания относительно близко к имеющимся потенциальным заказчикам и получения преимущества устойчивой, экологически чистой электроэнергии, а также преимущества массивного теплоотвода, обеспечиваемого водой.

Использование: для изготовления и использования микроканалов с газом. Сущность изобретения заключается в том, что система охлаждения содержит: микроканал, содержащий по меньшей мере основание и боковой элемент, причем основание и боковой элемент сконфигурированы с образованием по меньшей мере части впускного отверстия и выпускного отверстия; и газ, содержащий составляющую частицу, причем прохождение газа через микроканал вызвано путем создания перепада давления между первым давлением и вторым давлением, при этом первое давление газа вблизи впускного отверстия равно атмосферному давлению и второе давление газа вблизи выпускного отверстия является более низким, чем атмосферное давление; при этом микроканал сконфигурирован таким образом, что через него может проходить поток газа от впускного отверстия до выпускного отверстия в первом направлении, по существу перпендикулярном поперечному сечению микроканала; при этом основание выбрано из ряда материалов для основания, состоящего из: листового алюминия, анодированного алюминия, алюминия с тефлоновым покрытием, алюминия с лакокрасочным покрытием, листовой меди, графена и пиролитического графита; при этом боковой элемент выбран из ряда материалов для бокового элемента, состоящего из: алюминиевой фольги, медной фольги, графена и пиролитического графита; и при этом боковой элемент имеет толщину в диапазоне от приблизительно 0,5 мкм до приблизительно 500 мкм, и при этом микроканал с толщиной в диапазоне от приблизительно 0,5 мкм до приблизительно 500 мкм образован частично размещением бокового элемента на основании.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В способе охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения поверхность электронного компонента орошают потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного в верхней стенке канала, поверхность электронного компонента структурируют путем нанесения ребер треугольного сечения, ориентированных вдоль течения, при этом каплеформирователь расположен по всей длине электронного компонента. 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. Технический результат - повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов. 2 ил.

Наверх