СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ СО СМЕСЬЮ ПАРА И НЕКОНДЕНСИРУЕМОГО ГАЗА Российский патент 2024 года по МПК F28C3/06 H01L23/34 

Изобретение относится к энергетике и теплотехнике, а также 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 и длительным высоким тепловым нагрузкам; в устройствах для охлаждения электроники, управления температурными режимами в аэрокосмической индустрии; в микроэлектромеханических устройствах для биологических и химических исследований. Одним из важнейших препятствий на пути внедрения и распространения микросистем с протяженными плоскими микро- и миниканалами 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. 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 достижение коэффициентов теплоотдачи порядка 100-300 кВт/м²К и более, тепловых потоков порядка 500-1500 Вт/см² 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.

Известно устройство охлаждения 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 нагревателями (электронные тепловыделяющие элементы) 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. Недостатком такой системы является относительная сложность создания устойчивого расслоенного режима течения. Также общими недостатками таких систем охлаждения с использованием чистого газа являются: 1) система должна быть укомплектована источником чистого, сухого газа; 2) система должна быть разомкнута по газовой фазе, иначе потребуется громоздкое сепарационное и конденсационное оборудование для осушения газа и его возвращения на вход системы.

Известен способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя (патент РФ № 2581522, 15.12.2014, F28C3/06; H05K7/20; H01L23/467). Система является одноконтурной, содержит микроканал и встроенный в него конденсатор пара. Таким образом, решается проблема создания тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества. Система является одноконтурной, содержит микроканал и встроенный в него конденсатор пара. Таким образом, решается проблема создания тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества.

Недостатком этого технического решения является относительно малая мощность конденсатора пара и его низкая эффективность из-за стесненных условий его расположения в миниканале и относительно малой площади его поверхности. Данный факт снижает общую возможную мощность охлаждаемых электронных компонентов, т.к. для отвода определенного количества тепла от электронного компонента необходимо испарить строго определенное количество жидкости. Недостатком вышеупомянутого технического решения является также то, что система является достаточно сложной в техническом исполнении, т.к. конденсатор должен быть встроен в миниканал, т.е. конденсатор должен иметь уникальную конструкцию. Не представляется возможным использовать стандартные высокоэффективные конденсаторы, например пластинчатые.

Система предполагает использование чистого пара либо присутствие незначительной примеси неконденсируемого газа, иначе конденсатор будет работать недостаточно эффективно. Можно перечислить следующие основные недостатки системы охлаждения с использованием чистого пара: 1) система должна быть тщательно герметизирована; 2) перед заправкой в систему жидкость должна быть тщательно дегазирована; 3) система перед ее заправкой должна быть тщательно дегазирована с использования дорогостоящего вакуумного оборудования; 4) в ходе эксплуатации должны быть исключены присосы воздуха в систему из атмосферы; 5) при использовании в качестве теплоносителя воды, система находится под избыточным давлением, только если все ее части имеют температуру выше 100 °С. 6) материал внутренних поверхностей системы охлаждения не должен выделять неконденсируемых примесей при контакте с теплоносителем. Упомянутые аспекты могут приводить к существенному росту металлоемкости и габаритов системы охлаждения и как следствие к росту ее стоимости, а также к росту стоимости ее эксплуатации.

Наиболее близким по совокупности признаков и получаемому результату является устройство для формирования расслоенного течения жидкости в микро- и миниканалах (патент РФ 2796381, 19.07.2022, F28D 13/00; F28F 13/02; F28D 1/03; H05K 7/20). Устройство включает 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. 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. Микроканавки имеют форму треугольника или прямоугольника и выполнены таким образом, что угол между плоскостью боковой стенки канала и стороной микроканавки 90 ≤ α ≤ 135 градусов. На внутреннюю поверхность боковых стенок канала в области газовой фазы, верхнюю стенку канала и на поверхность канавок дополнительно наносится сплошное гидрофобное нанопокрытие, ограничивающее течение жидкости, при этом размер наноструктур 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.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов с возможной существенной общей мощностью тепловыделения всей системы. Отведение значительных тепловых потоков требует относительно больших расходов жидкости и газа. Также задачей изобретения является уменьшение габаритов и металлоёмкости системы охлаждения.

Поставленная задача решается тем, что в системе охлаждения электронного оборудования со смесью пара и неконденсируемого газа в качестве теплоносителя, включающей плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой для расположенных на ней электронных тепловыделяющих компонентов, жидкостный насос, при этом система выполнена с возможностью частичной конденсации пара, согласно изобретению, система содержит клапан для регулировки концентрации неконденсируемого газа, который выполнен с возможностью сброса неконденсируемого газа вместе с некоторым количеством пара, и расположен в самой верхней точке системы, компрессор, выполненный с возможностью подачи парогазовой смеси, пластинчатый теплообменник, в котором происходит частичная конденсация пара, сепаратор, совмещенный с баком-накопителем для жидкости и газовой фазы, при этом система является двухконтурной и замкнутой.

Согласно изобретению, в системе охлаждения электронного оборудования в качестве сепаратора используют гравитационный сепаратор, совмещенный с баком- накопителем для жидкости и газовой фазы, что снижает габариты и металлоёмкость предложенной системы охлаждения, т.к. позволяет объединить три устройства в одном.

В качестве теплоносителя используется пар с высоким содержанием неконденсируемых примесей, которое регулируется клапаном для сброса и регулировки концентрации неконденсируемого газа. Пар, образующийся при испарении жидкости на электронных компонентах, только частично конденсируется в конденсаторе, что существенно повышает эффективность конденсатора с движущимся паром. Использование пластинчатого теплообменника в качестве конденсатора позволяет достигать большой площади теплообменной поверхности при высокой компактности и относительно низкой стоимости. Остатки пара с неконденсируемыми примесями поступают в сепаратор, совмещенный с баком накопителем жидкости и газовой фазы, и оттуда перекачиваются компрессором обратно в систему охлаждения.

Предложенная система является наиболее энергоэффективной, что является одним из важнейших преимуществ, особенно с ростом общей мощности системы. Система позволяет запускаться в работу из состояния с любым количеством неконденсируемого газа внутри системы и нарабатывать нужное количество пара только за счет испарения на охлаждаемом электронном оборудовании. Данная система охлаждения может эффективно работать с неконденсируемым газом внутри, что существенно упрощает и удешевляет ее конструкцию и эксплуатацию, а также повышает эффективность теплообмена.

С точки зрения теплообмена в работе авторов патента (Yu.O. Kabova, V.V. Kuznetsov, O.A. Kabov. Flow and Evaporation of Nonisothermal Fluid Film Moving under the Action of a Vapor Stream in a Microchannel Taking into Account Heat and Mass Transfer on the Free Interface // Doklady Physics, 2016, Vol. 61, No. 4, pp. 201–205) было показано, что в случае чистого пара испарение становится менее интенсивным. Было установлено, что основной особенностью движения пленки под действием чистого газа и под действием чистого пара является наличие существенного термокапиллярного эффекта в первом случае, что способствует разрыву пленки жидкости.

В работе авторов патента (Oleg Kabov, Dmitry Zaitsev, Egor Tkachenko, Interfacial thermal fluid phenomena in shear-driven thin liquid films, Proceedings of the Intern. Heat Trasfer Conference, IHTC-16, August 10-15, Beijing, 2018, paper 24435, pp. 1061-1067) было показано, что в тонких пленках жидкости, увлекаемых потоком газовой фазы возможен новый высокоинтенсивный механизм теплообмена. Механизм связан со сверхинтенсивным испарением жидкости из областей динамической линии контакта газ-жидкость-подложка. Такие области возникают на краю сухого пятна. В пленках формируются сверхмалые динамические сухие пятна размером порядка 100-500 мкм при высоких тепловых потоках. Важно, что такие малоразмерные сухие пятна являются метастабильными, т.е. они постоянно формируются и исчезают с достаточно высокой частотой. Существенную роль в формировании сверхмалых динамических сухих пятен играет термокапиллярный эффект. Поэтому газовая фаза должна содержать определенное количество неконденсируемого газа, т.е. быть парогазовой смесью. Удалось достичь коэффициентов теплоотдачи до 250000 Вт/м²К в случае использования воды, что является рекордным по сравнению с многими другими техниками охлаждения электроники. Для случая чистого пара или высоких концентраций пара в парогазовой смеси, микроразрывы пленки будут затруднены, что ухудшит теплообмен. В рассматриваемом техническом решении предложена промежуточная концепция по сравнению с чистым паром и чистым газом, т.е. использование в качестве газовой фазы парогазовой смеси оптимальной концентрации. При этом концентрация газа становится дополнительным параметром, определяющим эффективность теплообмена, с помощью, которого можно управлять гидродинамикой и морфологией пленки жидкости, наряду с такими параметрами как расход жидкости и газа.

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

1 –электронный компонент;

2 – подложка;

3 –испаряющаяся плёнка жидкости;

4 – вход жидкости в канал;

5 – вход парогазовой смеси в канал;

6 – клапан для регулировки концентрации неконденсируемого газа;

7 – компрессор;

8 – пластинчатый теплообменник;

9 – система охлаждения конденсатора;

10 – сепаратор, совмещенный с баком-накопителем для жидкости и газовой фазы;

11- жидкостный насос.

Способ осуществляется следующим образом.

В случае незначительного тепловыделения на электронном компоненте (1), который установлен на подложке (2) в канал поступает только парогазовая смесь (5), которая подается компрессором (7). Парогазовая смесь отдает тепло в пластинчатом теплообменнике (8), который охлаждается системой охлаждения (9) и далее поступает в бак-накопитель (10).

Если тепловая нагрузка возрастает, то в канал с помощью насоса (11) подается дополнительно жидкость (4), формируется испаряющаяся плёнка жидкости (3). С ростом тепловой нагрузки максимально увеличиваются расходы жидкости и газа (до ~1 г/с и 1 л/с, соответственно). Неиспарившаяся жидкость вместе с парогазовой смесью из канала поступает в пластинчатый теплообменник (8), где происходит частичная конденсация пара. Из теплообменника (8) жидкость и парогазовая смесь поступает в сепаратор, совмещенный с баком-накопителем для жидкости и газовой фазы (10), где под действием гравитации происходит сепарация жидкой и газовой фаз. Оптимальная концентрация неконденсируемого газа регулируется специальным клапаном (6), который располагается в самой верхней точке системы.

Клапаном (6) может являться запорный вентиль. Система запускается в работу из состояния с минимальной температурой конденсатора и максимальной концентрацией неконденсируемого газа, для этого включается система охлаждения конденсатора (9) и открывается в атмосферу клапан (6). По мере возрастания тепловой нагрузки на электронном компоненте (1) и испарении жидкости на электронном компоненте, давление в системе повышается более атмосферного. При всех постоянных параметрах работы системы, клапан (6) кратковременно открывается и происходит сброс неконденсируемого газа вместе с некоторым количеством пара в атмосферу в случае использования воды или в специальный баллон в случае использования в качестве теплоносителя, например фреонов. Периодический сброс продолжается пока температура на электронном компоненте (1) не достигнет минимума, т.е. эффективность теплообмена в данный момент достигнет максимума.

Использование изобретения позволяет повысить эффективность охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов с возможной существенной общей мощностью тепловыделения всей системы.

Изобретение относится к энергетике и теплотехнике, а также 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. Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов с возможной существенной общей мощностью тепловыделения всей системы. Отведение значительных тепловых потоков требует относительно больших расходов жидкости и газа. Также задачей изобретения является уменьшение габаритов и металлоёмкости системы охлаждения. Поставленная задача решается тем, что в системе охлаждения электронного оборудования с неконденсируемым газом оптимальной концентрации, включающей плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой для расположенных на ней электронных тепловыделяющих компонентов, конденсатор пара, насос для парогазовой смеси, согласно изобретению система содержит клапан для сброса и регулировки концентрации неконденсируемого газа, который расположен в самой верхней точке системы, стандартизованный высокоэффективный компрессор, выполняющий функции насоса для парогазовой смеси, высокоэффективный пластинчатый теплообменник, выполняющий функции конденсатора пара, сепаратор, совмещенный с баком-накопителем для жидкости и газовой фазы, при этом система является двухконтурной и замкнутой. 1 ил.

Система охлаждения электронного оборудования со смесью пара и неконденсируемого газа в качестве теплоносителя, включающая плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой для расположенных на ней электронных тепловыделяющих компонентов, жидкостный насос, при этом система выполнена с возможностью частичной конденсации пара, отличающаяся тем, что система содержит клапан для регулировки концентрации неконденсируемого газа, который выполнен с возможностью сброса неконденсируемого газа вместе с некоторым количеством пара, и расположен в самой верхней точке системы, компрессор, выполненный с возможностью подачи парогазовой смеси, пластинчатый теплообменник, в котором происходит частичная конденсация пара, сепаратор, совмещенный с баком-накопителем для жидкости и газовой фазы, при этом система является двухконтурной и замкнутой.