Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанном на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа, согласно изобретению, осушенные области электронного компонента дополнительно орошаются потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала, над областями электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока, причем истечение микрокапель жидкости осуществляют против направления течения газа под углом от 10 до 80 градусов к направлению течения газа. Технический результат - повышение эффективности охлаждения электронных компонентов. 1 ил.

 

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

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 кромки электронного компонента, 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 или газа.

Наиболее близкое техническое решение описано в статье (Kabov О.А., 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. 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, G - массовый расход испаряющейся жидкости, кг/с. На практике данное отношение может существенно превышать 1, т.к. на пленку жидкости действуют различные силы -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.).

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов за счет использования комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости.

Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанном на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, согласно изобретению, осушенные области электронного компонента орошают потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала над областями электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока, причем истечение микрокапель жидкости осуществляют против направления течения газа под некоторым углом к направлению течения газа (от ~ 10 до 80 градусов, в зависимости от скорости движения газа, а также скорости и размера микрокапель). Истечение микрокапель жидкости осуществляется с таким расчетом, чтобы капли преодолели движущийся поток газа и достигли поверхности электронного компонента в нужной области. Области электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока определяются исходя из особенностей архитектуры чипа. В случае однородного тепловыделения по поверхности чипа, микрокапли жидкости направляются в область нижней по потоку кромки чипа, где возникают первые сухие пятна.

Поступающие микрокапли жидкости препятствуют осушению поверхности электронного компонента, увеличивают критический тепловой поток и в целом увеличивают эффективность охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонент за счет использования комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости.

Необходимо отметить, что 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 - резервуар для газа;

8 - конденсатор-сепаратор;

9 - система охлаждения конденсатора;

10 - резервуар для жидкости.

Способ осуществляется следующим образом.

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). 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 над заранее известными зонами наиболее интенсивного тепловыделения. Причем истечение микрокапель жидкости осуществляется против направления течения газа, с таким расчетом, чтобы капли преодолели движущийся поток газа и достигли поверхности электронного компонента в нужной области (например, в области повышенного локального тепловыделения в чипе, или в области нижней по потоку кромке чипа, где зарождается первое сухое пятно). Неиспарившаяся жидкость вместе с парогазовой смесью из канала поступают в конденсатор-сепаратор (8), где происходит конденсация пара и сепарация газа. Из конденсатора-сепаратора (8) жидкость поступает в резервуар для жидкости (10), а газ поступает в резервуар для газа (7). Для поддержания необходимой температуры конденсатора, используется система охлаждения конденсатора (9).

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 с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанный на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, отличающийся тем, что осушенные области электронного компонента дополнительно орошают потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала, 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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, может быть использовано в устройствах дозирования газов, а также может быть использовано в химической, нефтеперерабатывающей и других областях промышленности.

Изобретение относится к области электроники, в частности к микромасштабным охлаждающим устройствам таким, как микроканальные теплообменники. Изобретение заключается в том, что в канале, на одной из сторон, которая является поверхностью подложки тепловыделяющего элемента, выполнены продольные микроканавки или нанесены продольные полосы гидрофобного нанопокрытия, формирующие микроручейковые течения жидкости.

Изобретение относится к энергетике. Установка для преобразования низкопотенциального геотермального тепла в электричество содержит вытяжную башню с воздуховходными окнами в ее основании, водосборный бассейн, ветровое колесо, соединенное с электрогенератором.

Изобретение относится к способам переработки растительного, животного, морского сырья или их смесей. Способу получения твердого продукта и жидкого продукта из растительного, животного, морского сырья или их смесей содержит следующие стадии: а) нагревание мелкодисперсного исходного материала прямым введением водяного пара, b) разделение нагретого исходного материала на твердый продукт и водную жидкость, с) нагревание и опрессовывание водной жидкости и d) снижение давления водной жидкости с генерированием в результате водяного пара и жидкого продукта, в котором водяной пар, генерированный на стадии d), возвращается на стадию а) для введения в мелкодисперсный исходный материал.

Изобретение относится 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 объемах.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в газотранспортной отрасли промышленности в системах подогрева топливного газа. Система подогрева топливного газа включает подогреватель топливного газа, в котором трубный пучок топливного газа погружен в раствор промежуточного теплоносителя, содержащегося в емкости, установленной внутри подогревателя топливного газа.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано при охлаждении электронного и микроэлектронного оборудования. Способ охлаждения электронного и микроэлектронного оборудования реализуется за счет использования конденсатора пара в качестве пленкоформирователя, обеспечивающего формирование тонких безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества.

Изобретение относится к устройствам и способам поддержания устройств для контакта пара с жидкостью. Устройство для сбора и распределения жидкости, установленное в колонне, содержащей наружный кожух и внутреннюю область, в которой происходят массоперенос и/или теплообмен, содержит сборник жидкости, проходящий поперек внутренней области колонны и содержащий множество каналов сбора, которые проходят в продольном направлении параллельно друг другу для сбора жидкости, нисходящей в пределах внутренней области колонны, причем каналы сбора имеют выпуски для выпуска жидкости, собираемой в каналах сбора; по меньшей мере, один каркас, проходящий поперек внутренней области колонны и имеющий противоположные концы, поддерживаемые кожухом колонны, причем каркас расположен под сборником жидкости и поддерживает его; распределитель жидкости, расположенный под каркасом и несомый им; и внутренний проход для текучей среды, сформированный в каркасе и выполненный с возможностью приема жидкости, выпускаемой из выпусков каналов сбора, и транспортировки ее в распределитель жидкости.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в контактных пленочных теплообменных аппаратах. Изобретение заключается в том, что в пленочном теплообменном аппарате с помощью армирующих стержней, закрепленных посредством горизонтальных упоров в верхней и нижней частях цилиндрического корпуса аппарата, установлены отсечные устройства, расположенные сверху вниз на одинаковом расстоянии, при этом каждое отсечное устройство разделено на две части: внутреннюю и находящуюся поверх внутренней внешнюю часть, с возможностью регулировки внутреннего пространства устройства путем перемещения пластин внутренней части, с помощью резьбовых вентилей.

Изобретение относится к области энергетики. Водораспределительное устройство для контактных аппаратов выполняется в виде тарелок с равномерно расположенными отверстиями прямоугольной формы, причем тарелки расположены в два яруса, они имеют форму поперечного сечения контактного аппарата, днища каждого яруса имеют равное количество отверстий со скругленными углами, причем живое сечение каждого яруса составляет 40-60%, при этом отверстия в соседних по высоте ярусах расположены с поворотом на угол 80-100 градусов, а расстояние между соседними отверстиями составляет 0,2-0,3 их ширины, при этом расстояние между днищами ярусов равно 8-10 ширины отверстий.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанном на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа, согласно изобретению, осушенные области электронного компонента дополнительно орошаются потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала, над областями электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока, причем истечение микрокапель жидкости осуществляют против направления течения газа под углом от 10 до 80 градусов к направлению течения газа. Технический результат - повышение эффективности охлаждения электронных компонентов. 1 ил.

Наверх