RU2581522C1 - Способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя - Google Patents
Способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581522C1 RU2581522C1 RU2014150461/06A RU2014150461A RU2581522C1 RU 2581522 C1 RU2581522 C1 RU 2581522C1 RU 2014150461/06 A RU2014150461/06 A RU 2014150461/06A RU 2014150461 A RU2014150461 A RU 2014150461A RU 2581522 C1 RU2581522 C1 RU 2581522C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- film
- cooling
- condenser
- steam
- Prior art date
Links
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
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. Технический результат - обеспечение более интенсивного, контролируемого и экономичного охлаждения. 1 ил.
Description
В последние десятилетия существенное развитие получило использование двухфазных потоков для охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов, таких как компьютерные чипы, силовая электроника (транзисторы, тиристоры), чипы конверторов и инверторов в гибридных автомобилях, мощные лазеры и др. Ведутся исследования, в которых для охлаждения электронных компонентов используется пленка жидкости, увлекаемая потоком газа в микро- и мини-каналах. В ряде случаев поток жидкости в микроканале может охлаждать сразу несколько электронных компонентов, между которыми находятся адиабатические секции. В таких системах жидкость вводится в поток газа с использованием специального устройства - пленкоформирователя. Основной задачей данного устройства является обеспечить равномерное распределение жидкости поперек канала, а также ввести жидкость без излишней дестабилизации границы раздела газ-жидкость. Неравномерность жидкости и дестабилизация границы раздела газ-жидкость могут привести к нежелательным разрывам тонкой пленки жидкости. Обычно роль такого устройства выполняет плоская щель в подложке под острым углом к потоку газа, плоская пластина, установленная параллельно подложке или отверстие в подложке. Во всех случаях устройство пленкоформирователя обладает целым рядом недостатков и, как правило, не обеспечивает нужного качества создаваемой пленки. Например, проблематичным является создание очень тонких пленок от 1·10-5 м до 2·10-5 м. Как правило, затруднительно изготовить детали сопла с погрешностью от 1·10-6 м до 2·10-6 м и менее и отъюстировать зазор с погрешностью от 5·10-6 м до 1·10-5 м и менее. Это приводит к значительным неоднородностям в расходе жидкости и толщине пленки. Экспериментально было установлено, что сразу после щелевого сопла жидкости для канала высотой 1·10-4 м формировалось неустойчивое течение двухфазного потока.
Известен способ, описанный 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, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, NY, ASME, New York, pp. 687-694 (2004)), при котором охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости. Тонкая пленка диэлектрической жидкости FC-72 движется со спутным потоком газа (азота) в микроканале с электронными тепловыделяющими элементами.
Наиболее близкое техническое решение, которое можно рассматривать как прототип, описано 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, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, NY, ASME, New York, pp. 687-694 (2004)), при котором охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, которая создается за счет движения пара в мини- или микроканале. Тонкая пленка жидкости движется с потоком пара в микроканале с электронными тепловыделяющими элементами, расположенными либо на одной стороне канала, либо на двух противоположных сторонах канала. Тонкая пленка жидкости формируется за счет использования щелевого пленкоформирователя.
Недостатки описанных выше способов:
1) усложнение конструкции и, как следствие, дороговизна способа за счет использования пленкоформирователя;
2) проблематичным является создание очень тонких пленок от 1·10-5 м до 2·10-5 м.
Как правило, затруднительно изготовить детали сопла с погрешностью от 1·10-6 м до 2·10-6 м и менее и отъюстировать зазор с погрешностью от 5·10-6 м до 1·10-5 м и менее. Это приводит к значительным неоднородностям в расходе жидкости и толщине пленки.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение более интенсивного, контролируемого и экономичного охлаждения электронного оборудования за счет создания тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества.
Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя, при котором охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, сформированной с помощью пленкоформирователя и за счет движения пара в мини- или микроканале, согласно изобретению в качестве пленкоформирователя используют конденсатор пара, обеспечивающий формирование тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества.
Использование конденсатора пара в качестве пленкоформирователя позволяет создавать ровные, равномерные по ширине, практически идеально гладкие (безволновые) тонкие пленки жидкости.
Известно, что в тонких пленках жидкости (порядка 1·10-4 м) тепло передается практически только теплопроводностью. В результате коэффициент теплоотдачи можно описать следующей зависимостью:
где δ - толщина слоя жидкости; λ - коэффициент теплопроводности жидкости (Вт/м К).
Зависимость показывает, что снижение толщины пленки на порядок, например от 1·10-4 м до 1·10-5 м, ведет к интенсификации испарения на порядок.
Для обеспечения равномерности пленки по ширине канала достаточно обеспечить равномерное охлаждение конденсатора пара. Конденсатор пара может создавать очень тонкие пленки, от 1·10-5 м до 5·10-5 м и менее. Практически толщина в меньшую сторону не ограничена и может составлять даже несколько мкм. Толщина пленки может точно регулироваться и достаточно точно рассчитываться с помощью имеющейся математической модели (Marchuk I.V., Lyulin Y.V., and Kabov O.A., Theoretical and Experimental Study of Convective Condensation inside Circular Tube, Interfacial Phenomena and Heat Transfer, vol. 1(2), pp. 153-171, 2013). Регулировка толщины пленки осуществляется простой регулировкой температуры стенки конденсатора пара.
Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что конденсация подавляет неустойчивость в пленке жидкости. Это связано с тем, что утонение пленки в силу ее неустойчивости вызывает интенсификацию теплообмена в этой области и выпадающий конденсат частично сглаживает утонение пленки. Этот факт потенциально позволяет создавать пленки очень высокого качества, в том числе и при относительно больших расходах жидкости. Можно ожидать снижение расхода жидкости, необходимой для охлаждения электронных компонентов в таких системах, за счет более высокого качества создаваемых пленок. Это, в свою очередь, приведет к снижению энергозатрат на прокачку жидкости и газа и повышению общей эффективности системы.
Данные системы могут работать как двухфазные однокомпонентные системы. В этом случае в качестве рабочего тела используется чистая жидкость, т.е. без неконденсирующихся примесей. В качестве рабочего тела может использоваться смесь жидкостей. Использование добавки неконденсирующегося газа может позволить существенно расширить параметры системы и управляемость ее работы. Известно, что присутствие неконденсирующегося газа существенно снижает интенсивность теплообмена при конденсации, но действие газа снижается с ростом скорости парогазовой смеси. Снижение интенсивности конденсации позволяет более точно контролировать толщину пленки и ее равномерность за счет снижения к требованию по распределению температуры на стенке конденсатора. Регулировкой концентрации неконденсирующегося газа можно добиться ситуации, когда отклонения температуры на стенке конденсатора от 0,1°C до 0,5°C практически не будут влиять на толщину пленки. В таких случаях может использоваться обычное водяное охлаждение конденсатора, где нагрев воды, абсорбирующей тепло конденсации, в пределах от 1°C до 0,5°C вдоль тракта охлаждения не приведет к заметным изменениям толщины пленки. Для очень точной регулировки толщины пленки в однокомпонентных системах для охлаждения конденсатора могут использоваться Пельтье-элементы с последующим их охлаждение водой или воздухом.
На фиг. 1 представлен общий вид системы охлаждения микроэлектронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя, где обозначено: 1 - подложка, 2 - электронный компонент, 3 - конденсатор пара, 4 - система охлаждения конденсатора пара, 5 - мини- или микроканал, 6 - конденсирующаяся и испаряющаяся пленка жидкости, 7 - дополнительный подогреватель, 8 - резервуар пара, 9 - насос, 10 - вход пара или парогазовой смеси.
Способ осуществляется следующим образом.
В начальном состоянии, перед началом работы, жидкость перетекает в нижнюю часть системы. Включается дополнительный подогреватель 7, который превращает жидкость в пар. Пар или парогазовая смесь равномерно распределяется по системе. Включается насос 9 и начинает подавать пар или парогазовую смесь через вход 10 в микроканал 5. Резервуар пара 8 служит для более устойчивой работы насоса и может быть конструктивно совмещен с подогревателем 7. Включается система охлаждения конденсатора 4, конденсатор 3 начинает генерировать пленку жидкости 6, которая увлекается частью не сконденсировавшегося пара или парогазовой смеси. Пленка натекает на электронный компонент 2, расположенный на подложке 1, и охлаждает его. При этом часть жидкости превращается в пар и уходит по каналу к насосу. Часть жидкости может не испариться и также уходит по каналу в сторону насоса под действием потока пара и гравитации. Эта часть жидкости превращается в пар в подогревателе 7 таким образом, чтобы на вход насоса всегда подавался чистый пар или парогазовая смесь.
Использование заявляемого изобретения позволяет обеспечить более интенсивное, контролируемое и экономичное охлаждение электронного оборудования за счет создания тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества.
Claims (1)
- Способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя, при котором охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, сформированной с помощью пленкоформирователя и за счет движения пара в мини- или микроканале, отличающийся тем, что в качестве пленкоформирователя используют конденсатор пара, обеспечивающий формирование тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014150461/06A RU2581522C1 (ru) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014150461/06A RU2581522C1 (ru) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2581522C1 true RU2581522C1 (ru) | 2016-04-20 |
Family
ID=56194873
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014150461/06A RU2581522C1 (ru) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2581522C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2706325C1 (ru) * | 2018-12-25 | 2019-11-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Способ охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения |
RU2747858C2 (ru) * | 2016-12-21 | 2021-05-17 | ЛЕОНАРДО С.п.А. | Система пассивного охлаждения с двухфазной текучей средой, в частности, для охлаждения электронной аппаратуры, например приборов авионики |
RU2807853C1 (ru) * | 2023-07-07 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Двухфазная однокомпонентная система охлаждения |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1084579A1 (ru) * | 1980-07-04 | 1984-04-07 | Предприятие П/Я В-8662 | Способ исследовани теплообмена на наружной поверхности труб парового конденсатора |
JPS62118553A (ja) * | 1985-11-19 | 1987-05-29 | Hitachi Ltd | 冷媒導通管 |
JPS6413752A (en) * | 1987-07-07 | 1989-01-18 | Fujitsu Ltd | Conduction cooling device for integrated circuit part |
RU2403692C1 (ru) * | 2009-04-29 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Модуль радиоэлектронной аппаратуры с гипертеплопроводящим основанием |
WO2013151606A1 (en) * | 2012-04-02 | 2013-10-10 | Raytheon Company | Semiconductor cooling apparatus |
-
2014
- 2014-12-15 RU RU2014150461/06A patent/RU2581522C1/ru active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1084579A1 (ru) * | 1980-07-04 | 1984-04-07 | Предприятие П/Я В-8662 | Способ исследовани теплообмена на наружной поверхности труб парового конденсатора |
JPS62118553A (ja) * | 1985-11-19 | 1987-05-29 | Hitachi Ltd | 冷媒導通管 |
JPS6413752A (en) * | 1987-07-07 | 1989-01-18 | Fujitsu Ltd | Conduction cooling device for integrated circuit part |
RU2403692C1 (ru) * | 2009-04-29 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Модуль радиоэлектронной аппаратуры с гипертеплопроводящим основанием |
WO2013151606A1 (en) * | 2012-04-02 | 2013-10-10 | Raytheon Company | Semiconductor cooling apparatus |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2747858C2 (ru) * | 2016-12-21 | 2021-05-17 | ЛЕОНАРДО С.п.А. | Система пассивного охлаждения с двухфазной текучей средой, в частности, для охлаждения электронной аппаратуры, например приборов авионики |
RU2706325C1 (ru) * | 2018-12-25 | 2019-11-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Способ охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения |
RU2807853C1 (ru) * | 2023-07-07 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Двухфазная однокомпонентная система охлаждения |
RU2816279C1 (ru) * | 2023-10-05 | 2024-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Система охлаждения электронного оборудования со смесью пара и неконденсируемого газа |
RU2820933C1 (ru) * | 2023-11-14 | 2024-06-13 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Устройство для интенсификации теплообмена посредством микроразрывов в пленке жидкости |
RU2818424C1 (ru) * | 2023-11-29 | 2024-05-02 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Двухфазная однокомпонентная замкнутая система охлаждения с использованием конденсатора - пленкоформирователя |
RU2821687C1 (ru) * | 2023-12-14 | 2024-06-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Устройство для интенсификации теплообмена в пленке жидкости, увлекаемой потоком газа посредством микрокаверн |
RU2822416C1 (ru) * | 2023-12-14 | 2024-07-04 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Система охлаждения электронного оборудования с использованием потока газа и комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhou et al. | Heat transfer enhancement due to surface modification in the close-loop R410A flash evaporation spray cooling | |
Liu et al. | Experimental investigation on heat transfer of spray cooling with the mixture of ethanol and water | |
JP2023134477A (ja) | 比例式熱流体送達システムを使用した基板キャリア | |
Wang et al. | Enhanced heat transfer by an original immersed spray cooling system integrated with an ejector | |
Zhang et al. | Experimental investigation on heat transfer characteristics of R1336mzz flash spray cooling | |
Karwa et al. | Experimental study of non-boiling heat transfer from a horizontal surface by water sprays | |
Liao et al. | Experimental study of boiling heat transfer in a microchannel with nucleated-shape columnar micro-pin-fins | |
CN103107119B (zh) | 基板冷却系统、基板处理装置、静电吸盘及基板冷却方法 | |
CN108444325B (zh) | 一种纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置 | |
RU2581522C1 (ru) | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя | |
Wang et al. | Transition between thin film boiling and evaporation on nanoporous membranes near the kinetic limit | |
KR102427104B1 (ko) | 냉각장치, 반도체 제조장치 및 반도체 제조방법 | |
EP3171111A1 (en) | Evaporator assembly | |
Ji et al. | Parametric investigation on the close-loop R410A flash spray system for high power electronics cooling under low temperature | |
Mortazavi et al. | Compact and efficient generator for low grade solar and waste heat driven absorption systems | |
RU2649170C1 (ru) | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости | |
Zhao et al. | Experimental investigation of heat transfer performance in gas-atomized spray cooling | |
RU2818424C1 (ru) | Двухфазная однокомпонентная замкнутая система охлаждения с использованием конденсатора - пленкоформирователя | |
TWI706229B (zh) | 工作台裝置和浸潤微影設備 | |
RU2816279C1 (ru) | Система охлаждения электронного оборудования со смесью пара и неконденсируемого газа | |
RU2807853C1 (ru) | Двухфазная однокомпонентная система охлаждения | |
Orlova et al. | Evaporation rate of a liquid layer streamlined by gas flow in minichannel | |
Cheverda et al. | Crisis of heat transfer on a micro-finned heater with gas-driven FC-72 film flow in a mini-channel | |
Li et al. | High heat flux dissipation of membrane-venting heat sink with thin film boiling | |
RU2614897C1 (ru) | Конденсатор-сепаратор для двухкомпонентных двухфазных систем |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QA4A | Patent open for licensing |
Effective date: 20181102 |