Микроканал с комбинированными покрытиями для охлаждения электронных компонентов Российский патент 2025 года по МПК H01L23/473 F28C3/08 B82Y40/00 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для охлаждения компонентов электронного оборудования, в частности радиоэлектронных систем, микросхем, процессоров в стесненных условиях, в летательных аппаратах или автомобилях.

Известна система микроканального охлаждения (Патент РФ №2768258, МПК G12B 15/02, H05K 7/20263, опубл. 23.03.2022, бюл. №9), включающая в себя панель из высокотеплопроводного материала, в которой выполнены распределительные каналы, микроканалы и каналы для охлаждающей жидкости, содержащие прямые и изогнутые участки, на входе и выходе каналов установлены штуцеры, каналы содержат элементы, создающие турбулентность. Элементы, создающие турбулентность, представляют собой перфорированные спирали, шаг которых увеличивается от краев к центру. Перфорация представляет собой набор из чередующихся в продольном направлении крупных и мелких отверстий, центры которых расположены вдоль линии, отстоящей на одинаковых расстояниях от краев сечения развертки спирали.

Недостатками системы являются рост гидравлического сопротивления за счет турбулизации потоков в каналах, а также узкая область применения данной системы.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система охлаждения электронного оборудования (Патент РФ №2755608, МПК H01L 23/473, H05K 7/20 опубл. 17.09.2021, бюл. №26), основанная на движении микроручейков под действием потока газа вдоль канала на поверхности, образующей нижнюю стенку канала с одним или несколькими электронными тепловыделяющими элементами за счет периодических продольных микроканавок или полос гидрофобного нанопокрытия, отличающаяся тем, что в случае незначительного тепловыделения на электронном компоненте в канал подают только газ, если тепловая нагрузка возрастает, то в канал подают дополнительно жидкость и формируются ручейки жидкости, в случае еще большего повышения тепловыделения на электронном компоненте жидкость дополнительно подают в микросопла, которые расположены вдоль микроканавок или полосок гидрофобного нанопокрытия.

Недостатком данной микроканальной системы является присутствие струй, что сужает область применения, а также увеличенный расход теплоносителя (около 1кг/с), и неравномерное распределение коэффициента теплоотдачи по поверхности, что снижает надежность системы.

Техническая задача состоит в том, чтобы повысить надежность охлаждения теплонагруженных устройств в условиях ограниченного пространства.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении критической тепловой нагрузки при кипении в микроканале за счет нанесения на нижней и верхней пластинах комбинированного гидрофильного и супергидрофобного покрытий.

Указанный технический результат достигается микроканалом в виде горизонтально расположенной щели, согласно изобретению, на нижней сплошной стенке микроканала сформировано гидрофильное покрытие из слоя наночастиц карбида кремния и их агломератов с размерами от 50 до 250 нм, а на верхней стенке - супергидрофобное покрытие, которое выполняют путем создания в стенке впадин мелкодисперсными твердыми частицами с размерами от 40 до 120 мкм с нанорельефом.

Сущность изобретения поясняется иллюстрациями, где

на фиг. 1 - микроканал с комбинированными покрытиями, и приняты следующие обозначения: 1 - горизонтально расположенная щель, 2 - гидрофильное покрытие, 3 - супергидрофобное покрытие;

на фиг. 2 - покрытие из наночастиц и агломератов;

на фиг. 3 - кривые кипения и приняты следующие обозначения: 4 - кривая кипения воды, 5 - кривая кипения наножидкости, основанной на воде и наночастицах карбида кремния.

Микроканал представляет собой горизонтально расположенную щель 1, например, в медной детали, на нижней сплошной стенке которого сформировано гидрофильное покрытие 2, а на верхней стенке - супергидрофобное покрытие 3 (фиг. 1). Гидрофильное покрытие 2 на нижней стенке микроканала представляет собой слой наночастиц карбида кремния (теплопроводность 150 Вт/м К) и их агломератов с размерами от 50 до 250 нм, которые образуют пористую структуру с комбинацией маленьких и больших пор (фиг. 2). Супергидрофобное покрытие 3 на верхней стенке микроканала обладает супергидрофобными свойствами, его выполняют путем создания в стенке впадин мелкодисперсными твердыми частицами с размерами от 40 до 120 мкм с нанорельефом, что позволяет достичь эффекта «листа лотоса» и более однородного распределения коэффициента теплоотдачи по поверхности, за счет уменьшения количества пара на входе в микроканал.

Микроканал функционирует следующим образом: теплоноситель попадает в горизонтально расположенную щель 1, находящуюся на теплонагруженном элементе. По всей длине горизонтально расположенной щели 1 располагаются два покрытия: на нижней стенке, куда подводится тепловой поток и где реализуется кипение, нанесено гидрофильное покрытие 2, благодаря которому улучшается транспорт жидкости в осушенные участки; на верхней стенке нанесено супергидрофобное покрытие 3, позволяющее получить более равномерное распределение пара в микроканале и предотвратить ранее закупоривание канала паровым агломератом.

Комбинация двух видов покрытий, гидрофильного покрытия 2 и супергидрофобного покрытия 3 позволяет: обеспечить подтекание жидкости в осушенные участки за счет гидрофильного покрытия 2, а также уменьшить количество пара на входе в микроканал за счет супергидрофобного покрытия 3, тем самым повысить критическую тепловую нагрузку при кипении, основного параметра надежности системы охлаждения. Пористое гидрофильное покрытие 2 из наночастиц и агломератов увеличивает действие капиллярных сил - это затрудняет образование очагов паровой пленки, а на верхней поверхности микроканала происходит конденсация пара. Супергидрофобное покрытие 3 приводит к увеличению краевого угла и уменьшает размер капель, которые образуются и отрываются от поверхности.

Гидрофильное покрытие 2 на нижней стенке микроканала формируется из наночастиц карбида кремния и их агломератов с размерами 50-250 нм, что позволяет за счет частиц меньшего размера обеспечить прилипание к поверхности, а за счет скопления наночастиц в агломераты увеличить капиллярные свойства покрытия. Экспериментально доказано, что использование агломератов больше 250 нм снижает прочность покрытия, а применение частиц менее 50 нм не обеспечивает должной пористости. Супергидрофобную поверхность 3 на верхней стенке микроканала формируют продавливанием поверхности металла мелкодисперсными твердыми частицами, имеющими нанорельеф, с размерами от 40 до 120 мкм. Экспериментально доказано, что данная комбинация масштабов обеспечивает больший краевой угол и позволяет добиться эффекта «листа лотоса». Расположение покрытий в микроканале представлено на фиг.1.

На фиг. 3 показано, что в микроканале с комбинированными покрытиями для охлаждения электронных компонентов критический тепловой поток увеличивается до 1,4 раза, эта закономерность сохраняется с течением времени.

Использование микроканала с комбинированными покрытиями для охлаждения электронных компонентов позволяет повысить критическую тепловую нагрузку при кипении, основного параметра надежности системы охлаждения, тем самым повысить надежность охлаждения теплонагруженных устройств в условиях ограниченного пространства.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для охлаждения компонентов электронного оборудования, в частности радиоэлектронных систем, микросхем, процессоров, в стесненных условиях, в летательных аппаратах или автомобилях. Микроканал согласно изобретению представляет собой горизонтально расположенную щель (1), на нижней сплошной стенке которого сформировано гидрофильное покрытие (2), а на верхней стенке - супергидрофобное покрытие (3). Гидрофильное покрытие (2) на нижней стенке микроканала представляет собой слой наночастиц карбида кремния и их агломератов с размерами от 50 до 250 нм, которые образуют пористую структуру с комбинацией маленьких и больших пор. Супергидрофобное покрытие (3) на верхней стенке микроканала выполнено путем создания в стенке впадин мелкодисперсными твердыми частицами с размерами от 40 до 120 мкм с нанорельефом. Изобретение обеспечивает возможность повысить надежность охлаждения теплонагруженных устройств в условиях ограниченного пространства, при этом происходит увеличение критической тепловой нагрузки при кипении в микроканале. 3 ил.

Микроканал в виде горизонтально расположенной щели, отличающийся тем, что на нижней сплошной стенке микроканала сформировано гидрофильное покрытие из слоя наночастиц карбида кремния и их агломератов с размерами от 50 до 250 нм, а на верхней стенке – супергидрофобное покрытие, которое выполняют путем создания в стенке впадин мелкодисперсными твердыми частицами с размерами от 40 до 120 мкм с нанорельефом.