УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В ПЛЕНКЕ ЖИДКОСТИ, УВЛЕКАЕМОЙ ПОТОКОМ ГАЗА ПОСРЕДСТВОМ МИКРОКАВЕРН Российский патент 2024 года по МПК F28C3/06 H05K7/20 

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 или 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 мини каналами являются значительные потери энергии при прокачке двухфазного потока. Жидкость, а также пар или газ в микро- и мини каналах, 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 200-400 кВт/м²К и более, тепловых потоков порядка 1500 - 2000 Вт/см² и более. Используются однокомпонентные двухфазные системы, где происходит совместное движение жидкости и пара используемой жидкости в мини и микроканалах. Кроме того, используются двухкомпонентные двухфазные системы, где происходит совместное движение жидкости, пара используемой жидкости и неконденсируемого газа т.е. воздуха в мини и микроканалах.

Известно устройство охлаждения интегральных микросхем (патент 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 (патент EP1662852, 31.05. 2006 г., H01L 23/473; H05K 7/20), 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 имитирующими 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) либо чистого пара в микроканале. Общим недостатком таких систем охлаждения с использованием чистого газа, в случае продолжительной работы системы, является то, что требуется сепарационное и конденсационное оборудование для осушения газа и его возвращения на вход системы. Существенную трудность представляет создание тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества. Кроме того, интенсивность теплообмена в таких пленочных аппаратах недостаточно высока.

Известно устройство охлаждения оборудования с локальным тепловыделением и использованием конденсатора-пленкоформирователя (патент РФ № 2581522, 2014 г., 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. 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.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является устройство охлаждения оборудования с локальным тепловыделением [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]. Система содержит микроканал высотой 170 - 2000 мкм и шириной 40 мм с нагревателем имитирующим электронный тепловыделяющий элемент размером 10 мм, расположенным на нижней стенке канала. Плёнка воды толщиной порядка 50 - 100 мкм движется за счет спутного потока газа (азота). В пленке жидкости было обнаружено формирование динамических разрывов размером порядка 200 - 400 микрон с временем жизни порядка 1:1000 секунды. Зафиксированы рекордные для пленок жидкости коэффициент теплоотдачи 350 000 Вт/м²К и тепловой поток 1200 Вт/см². Предполагается, что причиной формирования микроразмерных разрывов в пленке жидкости является возникновение микропузырьков при кипении. Недостатком предложенной системы охлаждения является неуправляемый и непредсказуемый процесс формирования динамических разрывов в пленке жидкости, который может зависеть от большого числа различных факторов таких как шероховатость и смачиваемость поверхности, тепловой поток и температура поверхности, расходы жидкости и газа и др.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов, что требует существенной интенсификации теплообмена.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для интенсификации теплообмена, содержащем плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой для расположенных на ней электронных тепловыделяющих элементов, а охлаждение происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости увлекаемой потоком пара, газа или парогазовой смеси, согласно изобретению, поверхность тепловыделяющих элементов покрыта микрокавернами цилиндрической формы диаметром 30 - 50 мкм и глубиной 200 - 300 мкм, расположенными друг от друга на расстоянии в диапазоне 300 - 800 мкм, при этом поверхность тепловыделяющих элементов, не занятая микрокавернами, покрыта несмачиваемым микро- или нанопокрытием, причем наступающий и отступающий контактный угол смачивания находится в диапазоне от 80 до 140 градусов.

Поверхность тепловыделяющих элементов покрыта микрокавернами, что вызывает упорядоченное формирование центров кипения и как следствие массовых динамических разрывов пленки жидкости и тем самым существенно интенсифицирует теплообмен.

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

1 - электронный тепловыделяющий элемент;

2 - подложка;

3 - испаряющаяся плёнка жидкости;

4 - вход жидкости в канал;

5 - вход пара или парогазовой смеси в канал;

6 - клапан для сброса пара или парогазовой смеси;

7 - компрессор;

8 - пластинчатый конденсатор пара;

9 - система охлаждения конденсатора;

10 - резервуар для жидкой и газовой фаз;

11 - жидкостный насос;

12 - микрокаверна;

13 - накладка из высокотеплопроводного материала;

14 - микроразрыв пленки жидкости;

15 - линия контакта газ - жидкость - твердое тело;

16 - мениск жидкости;

17 - паровой пузырь;

18 - не смачиваемое микро- или нанопокрытие.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

В случае незначительного тепловыделения на электронном тепловыделяющем элементе (1), который установлен на подложке (2) в канал поступает только пар или парогазовая смесь (5), которая подается компрессором (7). Парогазовая смесь или пар отдают тепло в пластинчатом конденсаторе (8), который охлаждается системой охлаждения (9) и далее поступают в резервуар для жидкой и газовой фаз (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 паром или парогазовой смесью из канала поступает в конденсатор (8), где происходит частичная конденсация пара. Из конденсатора (8) жидкость и парогазовая смесь или пар поступают в резервуар для жидкой и газовой фаз (10), где под действием гравитации происходит сепарация жидкой и газовой фаз. Таким образом, данная система охлаждения может работать как однокомпонентная двухфазная система, где происходит совместное движение жидкости и пара используемой жидкости в мини или микроканале. Кроме того, система может работать как двухкомпонентная двухфазная система, где происходит совместное движение жидкости, пара используемой жидкости и неконденсируемого газа т.е. воздуха в мини и микроканале.

Оптимальная концентрация неконденсируемого газа может регулироваться клапаном (6), который располагается в самой верхней точке системы. 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 тепловыделяющем элементе (1) и испарении жидкости на электронном тепловыделяющем элементе, давление в системе повышается более атмосферного. При всех постоянных параметрах работы системы, клапан (6) кратковременно открывается и происходит сброс неконденсируемого газа в атмосферу в случае использования воды или в специальный баллон в случае использования агрессивных жидкостей. Таким образом, система позволяет запускаться в работу из состояния с любым количеством неконденсируемого газа внутри и нарабатывать нужное количество пара только за счет испарения на охлаждаемом электронном оборудовании. Образующийся пар только частично конденсируется в конденсаторе, что существенно повышает эффективность конденсатора с движущимся паром. Данная система охлаждения может эффективно работать с неконденсируемым газом внутри, что существенно упрощает и удешевляет ее конструкцию и эксплуатацию, а также повышает эффективность теплообмена.

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 - формирование малоразмерных разрывов пленки, которые являются метастабильными, т.е. они постоянно формируются и исчезают с достаточно высокой частотой. На фиг. 2 показана форма предлагаемой поверхности тепловыделяющих элементов, покрытая микрокавернами цилиндрической формы (12). Такая поверхность может быть непосредственно выполнена на верхней части тепловыделяющего элемента либо на этот элемент может быть припаяна или наклеена накладка из высокотеплопроводного материала (13) с микрокавернами.

Геометрические размеры микрокаверн подобраны таким образом, что они являются центрами кипения жидкости. Жидкость внутри микрокаверн перегревается относительно температуры насыщения, которая определяется давлением в системе охлаждения и превращается в пар. Данная микропорция пара становится зародышем для формирования парового пузыря (17). Таким образом, наличие системы микрокаверн вызывает формирование массовых динамических разрывов пленки жидкости. Механизм формирования разрывов следующий. Диаметр растущих пузырьков становится на много больше толщины испаряющейся плёнки жидкости (3). Пузырьки разрушают пленку жидкости и за счет сил инерции вокруг микрокаверн возникают разрывы пленки жидкости (14), фиг. 3. В области каждого разрыва формируется мениск жидкости (16) и линия контакта газ - жидкость - твердое тело (15).

На электронный компонент (1) жидкость поступает, охлаждённая в конденсаторе (9). В области мениска жидкости (16) и линии контакта газ - жидкость - твердое тело пленка тоньше и прогревается быстрее, чем жидкость вокруг микрокаверны. На поверхности пленки жидкости возникает термокапиллярная сила, которая старается переместить жидкость из более нагретых мест в менее нагретые. Данный эффект возникает в силу зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры. Изменение поверхностного натяжения на поверхности жидкости определяется зависимостью:

где σ - поверхностное натяжение жидкости (Н/м), T - температура на поверхности пленки жидкости (К), σ_T - температурный коэффициент поверхностного натяжения жидкости (Н/м К). Для обычных жидкостей данный коэффициент меньше нуля, т.е. поверхностное натяжение уменьшается с температурой. Тангенциальная сила, возникающая на поверхности пленки, отнесенная к единице поверхности равна [Левич В.Г., 1959, Физико-химическая гидродинамика. - М.: Гос. изд. Физ. - мат. литературы]:

Таким образом, первоначальные микроразрывы пленки жидкости расширяются. Разрыв расширяется до тех пор, пока свободная энергия Гиббса, которая определяется поверхностной энергией твердого тела, энергией взаимодействия жидкости и твердого тела и поверхностным натяжением, не станет минимальной.

Пленка жидкости движется под действием потока пара или газа. Известно, что такое движение неустойчиво и имеет волновой характер [Andrey V. Cherdantsev, David B. Hann, Barry J. Azzopardi, Study of gas-sheared liquid film in horizontal rectangular duct using high-speed LIF technique: Three-dimensional wavy structure and its relation to liquid entrainment, International Journal of Multiphase Flow, vol. 67, pp. 52-64, 2014]. Периодичность следования волн и их амплитуда зависят от расхода жидкости и газа. Гребни волн смачивают поверхность теплообмена вокруг микрокаверн, т.е. ликвидируют разрывы в пленке жидкости. После схлопывания жидкостного слоя (3) в микрокавернах будут сохраняться микропорции пара, которые будут облегчать формирование последующих пузырьков пара. Таким образом, возникает колебательное движение жидкости, которое приводит к формированию малоразмерных разрывов пленки вокруг микрокаверн. Разрывы постоянно формируются и исчезают с достаточно высокой частотой порядка 100 - 1000 Гц.

Существенная интенсификация теплообмена возникает вследствие того, что разрывы в пленке формируют динамическую линию контакта газ - жидкость - твердое тело (15), фиг. 3. В работах авторов заявки [Ajaev, V. S., & Kabov, O. 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; Oleg A. Kabov, Dmitry V. Zaitsev, Dmitry P. Kirichenko, and Vladimir S. Ajaev. Interaction of Levitating Microdroplets with Moist Air Flow in the Contact Line Region, Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, 2017, vol. 21, is. 2, pp. 60-69.] показано, что в этой области возникает аномально высокая интенсивность испарения жидкости. Данное явление объясняется наличием сверхтонкой пленки в этой области, положение которой постоянно меняется. Заметную роль в формировании сверхмалых динамических разрывы в пленке играет термокапиллярный эффект. Для случая чистого пара роль термокапиллярного эффекта снижается и микроразрывы пленки будут затруднены, что ухудшит теплообмен. 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. Для интенсификации описанного выше колебательного эффекта разрушения и восстановления тонкой пленки жидкости на поверхности теплообмена газовая фаза должна содержать определенное количество неконденсируемого газа, т.е. быть парогазовой смесью.

Предложенная поверхность представляет собой трехмерную структуру, состоящую из системы микрокаверн. Центры микрокаверн располагаются друг от друга на одинаковом расстоянии, которое варьируется в диапазоне а = 300 - 800 микрон, фиг. 4. Размеры выбраны на основании результатов скоростной сьемки динамики сухих пятен в тонких интенсивно нагреваемых увлекаемых потоком газа пленках жидкости [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]. Микрокаверны имеют цилиндрическую форму диаметром D = 30 - 50 микрон и глубиной 200 - 300 микрон. Если центры микрокаверн располагаются друг от друга на расстоянии 300 микрон, то на каждом квадратном см поверхности теплообмена располагается порядка 1000 искусственных центров кипения, что кардинально меняет гидродинамику и теплообмен в пленке жидкости. Формирование микроразрывов пленки с частотой порядка 1000 Гц приведет к появлению и схлопыванию одного миллиона микроразмерных сухих пятен в секунду, что может обеспечить значительную интенсификацию теплообмена. Если центры микрокаверн располагаются друг от друга на расстоянии порядка 600 микрон, то на каждом квадратном см поверхности теплообмена располагается порядка 300 искусственных центров кипения, что также может оказать существенное влияние на гидродинамику и теплообмен в пленке жидкости.

Для дополнительной интенсификации теплообмена на верхней части тепловыделяющего элемента 1, либо на накладке из высокотеплопроводного материала (13) вся поверхность не занятая микрокавернами покрывается не смачиваемым микро- или нанопокрытием 18 (фиг. 2, 3). Причем наступающий и отступающий контактный угол смачивания Θ находится в диапазоне от 80 до 140 градусов. В работе авторов патента [Кочкин Д.Ю. Динамика термокапиллярного разрыва тонкого слоя жидкости на горизонтальной поверхности с локальным источником тепла. Диссертация на соискании ученой степени кандидата физико-математических наук. 1.3.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника. 18 октября 2023. Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Новосибирск, 119с.] показано что при увеличении контактного угла смачивания скорость движения линии контакта газ - жидкость - подложка U существенно возрастает. Причем имеет место зависимость U ^∞ Θ³. В диапазоне 80° < Θ <140° U достигает значений порядка 0.8-1 м/с. Увеличение скорости движения линии контакта способствует повышению частоты пульсаций микроразрывов в пленке жидкости и интенсификации теплообмена. Толщина не смачиваемого микро- или нанопокрытия должна быть в диапазоне 1 - 100 нм, либо иметь высокую теплопроводность, чтобы не увеличивать заметно термическое сопротивление стенки электронного компонента.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В устройстве для интенсификации теплообмена, содержащем плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой для расположенных на ней электронных тепловыделяющих элементов, а охлаждение происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости увлекаемой потоком пара, газа или парогазовой смеси, поверхность тепловыделяющих элементов покрыта микрокавернами цилиндрической формы диаметром 30-50 мкм и глубиной 200-300 мкм, расположенными друг от друга на расстоянии в диапазоне 300-800 мкм, при этом поверхность тепловыделяющих элементов, не занятая микрокавернами, покрыта несмачиваемым микро- или нанопокрытием, причем наступающий и отступающий контактный угол смачивания находится в диапазоне от 80 до 140 градусов. Технический результат - повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов. 4 ил.

Устройство для интенсификации теплообмена, содержащее плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой для расположенных на ней электронных тепловыделяющих элементов, а охлаждение происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, увлекаемой потоком пара, газа или парогазовой смеси, отличающееся тем, что поверхность тепловыделяющих элементов покрыта микрокавернами цилиндрической формы диаметром 30-50 мкм и глубиной 200-300 мкм, расположенными друг от друга на расстоянии в диапазоне 300-800 мкм, при этом поверхность тепловыделяющих элементов, не занятая микрокавернами, покрыта несмачиваемым микро- или нанопокрытием, причем наступающий и отступающий контактный угол смачивания находится в диапазоне от 80 до 140 градусов.