RU2588917C1 - Apparatus for generating of channelized liquid flow in micro-and mini-channels (versions) - Google Patents
Apparatus for generating of channelized liquid flow in micro-and mini-channels (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2588917C1 RU2588917C1 RU2014150464/06A RU2014150464A RU2588917C1 RU 2588917 C1 RU2588917 C1 RU 2588917C1 RU 2014150464/06 A RU2014150464/06 A RU 2014150464/06A RU 2014150464 A RU2014150464 A RU 2014150464A RU 2588917 C1 RU2588917 C1 RU 2588917C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- channel
- micro
- brook
- liquid
- substrate
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of electronics, in particular to micro-scale cooling devices, such as microchannel heat exchangers, which provide high values of the heat transfer coefficient during the flow of liquids in relatively small volumes.
Такие условия реализуются в микроэлектромеханических системах, интегрированных электрических цепях, лазерно-диодных массивах, высокоэнергетических отражателях и других микроустройствах, подверженных кратковременным высоким тепловым нагрузкам; в устройствах для охлаждения электроники, управления температурными режимами в аэрокосмической индустрии; в микроэлектромеханических устройствах для биологических и химических исследований.Such conditions are realized in microelectromechanical systems, integrated electrical circuits, laser-diode arrays, high-energy reflectors and other microdevices, subject to short-term high thermal loads; in devices for cooling electronics, temperature control in the aerospace industry; in microelectromechanical devices for biological and chemical research.
По мере развития микро- и нанотехнологий и внедрения их в различные отрасли человеческой деятельности (электроника, химическая, биологическая, пищевая индустрии) все чаще возникают задачи, где объектом изучения является течение жидкости в микро- и наноканалах. Несмотря на низкие значения чисел Рейнольдса и, как правило, отсутствие турбулентности в микроканалах обеспечивается высокая интенсивность теплопередачи благодаря малым значениям термических сопротивлений стенок и теплоносителей. Поверхность теплопередачи в расчете на единицу объема достигает чрезвычайно высоких значений.With the development of micro- and nanotechnologies and their introduction into various branches of human activity (electronics, chemical, biological, food industries), tasks more often arise where the object of study is the flow of fluid in micro- and nanochannels. Despite the low Reynolds numbers and, as a rule, the absence of turbulence in the microchannels, a high heat transfer rate is ensured due to the low values of the thermal resistance of the walls and coolants. The heat transfer surface per unit volume reaches extremely high values.
Известно устройство охлаждения интегральных микросхем [US 7957137, 25.02.2010, H01L 23/38; H01L 23/473; Н05К 7/20], в котором используют систему плоских микроканалов и тонкую пленку жидкости для охлаждения интегральных микросхем. Устройство включает в себя подложку, на которой методом перевернутого 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.A device for cooling integrated circuits is known [US 7957137, 02/25/2010, H01L 23/38; H01L 23/473;
Недостатки устройства: значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах, техническая сложность реализации такой системы, которые связаны с монтажом, а также необходимостью мер по изоляции термоэлектрических элементов.The disadvantages of the device: significant energy losses during pumping fluid in the channels, the technical complexity of the implementation of such a system, which are associated with installation, as well as the need for measures to isolate thermoelectric elements.
Известно устройство охлаждения микроэлектронного оборудования [ЕР 1662852, 31.05.2006 г., H01L 23/473; Н05К 7/20], включающее один или несколько микроканалов шириной 500 мкм, на внутреннюю поверхность которых нанесены наноструктурные области с гидрофобным покрытием. Расположение и геометрия наноструктур подбираются таким образом, чтобы минимизировать сопротивление при движении потока жидкости по каналу и регулировать эффективность теплообмена.A device for cooling microelectronic equipment is known [EP 1662852, 05/31/2006, H01L 23/473;
Основной недостаток устройства - значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах.The main disadvantage of the device is the significant energy loss during pumping fluid in the channels.
В качестве прототипа выбрана двухфазная система охлаждения микроэлектронного оборудования с локальным тепловыделением [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)]. Система содержит микроканал высотой 150-500 мкм и длиной порядка 10-50 мм с нагревателями (электронные тепловыделяющие элементы) размерами от 2,5 до 5 мм, расположенными на одной стороне канала либо на двух противоположных сторонах канала. Пленка диэлектрической жидкости FC-72 толщиной от 50 до 200 мкм движется со спутным потоком газа (азота) в микроканале.As a prototype, a two-phase cooling system for microelectronic equipment with local heat generation was selected [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)]. The system contains a microchannel with a height of 150-500 microns and a length of about 10-50 mm with heaters (electronic fuel elements) ranging in size from 2.5 to 5 mm, located on one side of the channel or on two opposite sides of the channel. The FC-72 dielectric fluid film with a thickness of 50 to 200 μm moves with a satellite gas (nitrogen) flow in the microchannel.
В такой системе при относительно малых расходах жидкости и относительно большом угле смачивания (более 30-40 град), в углах канала формируется мениск жидкости. Скорость течения жидкости в углах канала существенно замедляется, что ведет к потере энергии при прокачке жидкости и пара или газа в микроканале. К тому же часть жидкости практически не участвует в процессе охлаждения. Кроме того, непосредственно перед формированием мениска в пленке жидкости образуется локальное утонение в силу специфики действия капиллярных сил. Часто именно это утонение вызывает разрыв пленки жидкости при малых скоростях газа и расходах жидкости. Данный факт подтвержден экспериментально в работах авторов [Zaitsev D.V. and Kabov О.А., Flow patterns and CHF in a locally heated liquid film shear-driven in a minichannel // Proceedings of ASME 2010 3rd Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting and 8th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, FEDSM2010-ICNMM2010, August 1-5, 2010, Montreal, Canada, ISBN: 978-0-7918-3880-8, Paper FEDSM-ICNMM2010-31209, P. 1-8, 2010] для условий земной гравитации, микрогравитации и гипергравитации до 1.8xg0.In such a system, at relatively low liquid flow rates and a relatively large wetting angle (more than 30-40 degrees), a meniscus of liquid forms in the corners of the channel. The velocity of the fluid in the corners of the channel slows down significantly, which leads to a loss of energy when pumping liquid and steam or gas in the microchannel. In addition, part of the liquid is practically not involved in the cooling process. In addition, immediately before the formation of the meniscus in the liquid film, local thinning is formed due to the specific action of capillary forces. Often it is this thinning that causes a rupture of the liquid film at low gas velocities and liquid flow rates. This fact is confirmed experimentally in the works of the authors [Zaitsev DV and Kabov OA, Flow patterns and CHF in a locally heated liquid film shear-driven in a minichannel // Proceedings of ASME 2010 3rd Joint US-European Fluids Engineering Summer Meeting and 8th International Conference on Nanochannels, Microchannels, and Minichannels, FEDSM2010-ICNMM2010, August 1-5, 2010, Montreal, Canada, ISBN: 978-0-7918-3880-8, Paper FEDSM-ICNMM2010-31209, P. 1-8, 2010] for conditions of terrestrial gravity, microgravity and hypergravity up to 1.8xg 0 .
Эксперименты показали, что жидкость утоняется вблизи боковых стенок канала и в некоторых случаях образуются сухие пятна. Данные обстоятельства требуют увеличивать ширину канала, что ведет к дополнительным материальным затратам. Жидкость, движущаяся в углах канала, фактически теряется, что приводит к потери энергии, которая требуется для прокачки жидкости и пара или газа в микроканале.The experiments showed that the liquid is thinned near the side walls of the channel and in some cases dry spots form. These circumstances require increasing the width of the channel, which leads to additional material costs. The fluid moving in the corners of the channel is actually lost, which leads to the loss of energy that is required to pump liquid and steam or gas in the microchannel.
При относительно больших расходах жидкости или относительно малых углах смачивания (менее 20-30 градусов) в углах канала формируется жидкостное течение, т.е. углы канала затапливаются. Затопление может достигать половины и более по ширине канала [Chinnov Е.А., Guzanov V.V., Cheverda V., Markovich D.M and Kabov O.A., Regimes of Two-Phase Flow in Short Rectangular Channel, Microgravity sci. technol., Vol.21, Suppl. 1, p. S199-S205, 2009]. Это связано с достаточно малым радиусом кривизны жидкости в углах канала, что вызывает пониженное давление в мениске жидкости и приток жидкости из основного потока пленки.At relatively large flow rates or relatively small wetting angles (less than 20-30 degrees), a fluid flow forms in the corners of the channel, i.e. the corners of the channel are flooded. Flooding can reach half or more in channel width [Chinnov E.A., Guzanov V.V., Cheverda V., Markovich D.M. and Kabov O.A., Regimes of Two-Phase Flow in Short Rectangular Channel, Microgravity sci. technol., Vol. 21, Suppl. 1, p. S199-S205, 2009]. This is due to the rather small radius of curvature of the liquid in the corners of the channel, which causes a reduced pressure in the meniscus of the liquid and the influx of liquid from the main stream of the film.
Одним из важнейших препятствий на пути внедрения и распространения микросистем с протяженными плоскими микро- и мини-каналами 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 [Kabov О., Cooling of Microelectronics by Thin Liquid Films, Keynote lecture, Proc. Int. Workshop on "Wave Dynamics and Stability of Thin Film Flow Systems", September 1-4, Chennai, India, Narosa Publishing House, pp. 279-311, 2006]. Кроме того, жидкость, а также пар или газ, как правило, должны двигаться со значительными скоростями, чтобы обеспечить требуемую интенсивность теплообмена.One of the most important obstacles to the introduction and distribution of microsystems with extended flat micro- and mini-channels is the significant energy loss when pumping liquid and steam or gas. Significant energy losses occur due to the requirement to pump a strictly defined amount of liquid and steam or gas to ensure the removal of a certain amount of heat from the electronic component [Kabov O., Cooling of Microelectronics by Thin Liquid Films, Keynote lecture, Proc. Int. Workshop on "Wave Dynamics and Stability of Thin Film Flow Systems", September 1-4, Chennai, India, Narosa Publishing House, pp. 279-311, 2006]. In addition, the liquid, as well as steam or gas, as a rule, must move at significant speeds to provide the required heat transfer rate.
Задачей изобретения является создание устройства для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах с целью охлаждения микроэлектронного оборудования с локальным тепловыделением, позволяющего существенно снизить гидравлическое сопротивление стенок и теплоносителя.The objective of the invention is to provide a device for forming a brook fluid flow in micro- and mini-channels with the aim of cooling microelectronic equipment with local heat generation, which can significantly reduce the hydraulic resistance of the walls and coolant.
Также задачей изобретения является создание устройства эффективно и устойчиво работающего как в земных условиях, так и в невесомости, в том числе при любых нестандартных ситуациях, в частности в случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте.Another objective of the invention is to provide a device that efficiently and stably operates both in terrestrial conditions and in zero gravity, including in any non-standard situations, in particular in the case of pressure pulsations, system vibrations, deviation of the system from a horizontal position, inhomogeneous or unsteady heat generation on electronic component.
Указанные задачи решают тем, что в устройстве для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах, включающем плоский микро- или мини-канал прямоугольного сечения с расположенным на одной из стенок (подложке) электронным тепловыделяющим элементом, для охлаждения микроэлектронного оборудования используют ручеек жидкости, оборудования используют ручеек жидкости, движущийся вдоль микро- или миниканала под действием спутного потока газа или пара.These problems are solved by the fact that in the device for forming a rivulet fluid flow in micro- and mini-channels, including a flat micro- or mini-channel of rectangular cross section with an electronic fuel element located on one of the walls (substrate), a trickle is used to cool the microelectronic equipment liquids, equipment use a trickle of liquids moving along the micro- or minichannel under the influence of a satellite stream of gas or steam.
Согласно изобретению, вариант 1, вдоль канала на поверхности подложки с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента выполнены ограничивающие ширину ручейка жидкости продольные микроканавки. Микроканавки выполнены таким образом, что В≤С<Cm, где В - ширина электронного тепловыделяющего элемента, С - ширина ручейка, Cm - расстояние между микроканавками.According to the invention,
Ограничивающие ширину ручейка жидкости микроканавки имеют форму треугольника, прямоугольника или форму «ласточкин хвост».Micro grooves limiting the width of a brook of liquid have the shape of a triangle, a rectangle, or a dovetail shape.
Согласно изобретению, вариант 2, на внутреннюю поверхность канала нанесено гидрофобное нанопокрытие. Гидрофобное нанопокрытие нанесено на поверхность всех стенок канала или только на подложку, причем на поверхность подложки гидрофобное нанопокрытие нанесено вдоль канала с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента, исключая область течения ручейка, таким образом, что С≥В, где С - ширина ручейка, В - ширина электронного тепловыделяющего элемента.According to the invention,
Ручеек жидкости в отличие от пленки жидкости занимает только часть поперечного сечения канала. В углах канала движется газ. Таким образом, достигается снижение расхода жидкости. Известно, что вязкость газа на несколько порядков меньше, чем жидкости, что и обеспечивает значительное снижение сопротивления при движении потока и, как следствие, снижение перепада давления вдоль канала, а значит снижение энергетических затрат на прокачку жидкости и пара или газа в микроканале. Снижение расхода жидкости пропорционально отношению ширины канала к ширине ручейка жидкости, L/C.A liquid trickle, unlike a liquid film, occupies only a part of the channel cross section. Gas moves in the corners of the channel. Thus, a reduction in fluid flow is achieved. It is known that the viscosity of a gas is several orders of magnitude lower than that of a liquid, which provides a significant decrease in resistance during flow and, as a result, a decrease in pressure drop along the channel, which means lower energy costs for pumping liquid and steam or gas in a microchannel. The reduction in fluid flow is proportional to the ratio of the channel width to the width of the liquid brook, L / C.
Гидродинамические и капиллярные силы обеспечивают стабильное течение ручейка жидкости увлекаемого потоком газа в мини- или микроканале.Hydrodynamic and capillary forces provide a stable flow of a stream of liquid carried by a gas stream in a mini- or microchannel.
Скорость течения газа в канале без ручейка жидкости не однородна по его ширине. На краях канала скорость течения замедляется из-за трения о боковые стенки канала. Неоднородность скорости вызывает неоднородность давления в газе. В центральной части канала скорость максимальна, а давление минимально. Таким образом, неоднородность давления по ширине канала будет стабилизировать течение ручейка по центральной части канала.The gas flow rate in a channel without a liquid stream is not uniform in its width. At the edges of the channel, the flow velocity slows down due to friction against the side walls of the channel. The inhomogeneity of velocity causes the inhomogeneity of pressure in the gas. In the central part of the channel, the speed is maximum and the pressure is minimum. Thus, the heterogeneity of pressure across the width of the channel will stabilize the flow of the brook along the central part of the channel.
Скорость течения газа в канале с плоским ручейком жидкости еще более не однородна по его ширине, когда ширина канала соизмерима с его длиной, т.к. расход газа не успевает перераспределиться по ширине канала. Ручеек жидкости перекрывает часть проходного сечения канала и, как следствие, скорость течения в области ручейка, т.е. в средней части канала, еще более увеличивается, а давление еще более уменьшается и стабилизирует течение ручейка по центру канала. Такой эффект наблюдался авторами в опытах с ручейком жидкости в условиях невесомости, гравитации и гипергравитации [Cheverda V. Liquid rivulets moved by shear stress of gas flow at altered levels of gravity / V. Cheverda, A. Glushchuk, P. Queeckers, S.B. Chikov, O.A. Kabov // Microgravity sci. technol. - 2013. - Vol. 25(1). - P. 73-81].The gas flow rate in a channel with a flat liquid stream is even more nonuniform in its width, when the channel width is comparable with its length, because gas flow does not have time to redistribute along the width of the channel. The brook of liquid covers part of the passage section of the channel and, as a consequence, the flow velocity in the brook region, i.e. in the middle part of the channel, it increases even more, and the pressure decreases even more and stabilizes the stream of the brook in the center of the channel. Such an effect was observed by the authors in experiments with a liquid brook under conditions of weightlessness, gravity, and hypergravity [Cheverda V. Liquid rivulets moved by shear stress of gas flow at altered levels of gravity / V. Cheverda, A. Glushchuk, P. Queeckers, S.B. Chikov, O.A. Kabov // Microgravity sci. technol. - 2013 .-- Vol. 25 (1). - P. 73-81].
Когда ручеек начинает поворачивать или растекаться, то наступающий контактный угол увеличивается, что увеличивает кривизну на границе раздела ручейка и, как следствие, возникает капиллярная сила, которая стремится вернуть ручеек на место. Кроме того, поверхностное натяжение стремится выпрямить ручеек, минимизируя поверхностную энергию и, соответственно, площадь поверхности жидкости.When the brook begins to turn or spread, the advancing contact angle increases, which increases the curvature at the brook’s interface and, as a result, a capillary force arises that tends to return the brook to its place. In addition, surface tension tends to straighten the trickle, minimizing surface energy and, accordingly, the surface area of the liquid.
Однако эти силы в ряде случаев не достаточны для обеспечения стабильного течения ручейка жидкости. В случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте ручеек жидкости может терять устойчивость и менять направление течения, касаться боковых стенок канала, распадаться на части, что может приводить к частичному или полному осушению электронного компонента и выходу его из строя.However, in some cases, these forces are not sufficient to ensure a stable flow of a liquid stream. In the event of pressure pulsations, system vibrations, deviation of the system from a horizontal position, inhomogeneous or unsteady heat generation on the electronic component of the liquid streams, it can lose stability and change the direction of flow, touch the side walls of the channel, disintegrate into parts, which can lead to partial or complete draining of the electronic component and its failure.
Использование вместо пленки жидкости, как в прототипе, занимающей все поперечное сечение канала, ручейка жидкости позволяет снизить гидравлическое сопротивление стенок и теплоносителя. Использование микроканавок и нанопокрытия позволяет достичь стабильной работы устройства охлаждения микроэлектронного оборудовании в любых, в том числе нестандартных, ситуациях.The use of a liquid instead of a film, as in the prototype, which occupies the entire cross section of the channel, the liquid stream allows to reduce the hydraulic resistance of the walls and coolant. The use of micro grooves and nanocoating allows achieving stable operation of the cooling device for microelectronic equipment in any, including non-standard, situations.
На фиг. 1 показана схема устройства для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах, вид сверху.In FIG. 1 shows a diagram of a device for forming a brook fluid flow in micro- and mini-channels, top view.
На фиг. 2, 3 и 4 схематически показано поперечное сечение микро- (мини-) канала устройства с использованием разных технических решений для стабилизации ручейкового течения жидкости со спутным потоком газа или пара.In FIG. 2, 3 and 4 schematically shows the cross section of the micro- (mini-) channel of the device using different technical solutions to stabilize the brook flow of a liquid with a satellite gas or vapor stream.
На фиг. 2 показано поперечное сечение микро- (мини-) канала с использованием микроканавок, выполненных вдоль течения ручейка.In FIG. 2 shows a cross section of a micro (mini) channel using micro grooves made along the stream of the brook.
На фиг. 3 показано поперечное сечение микро- (мини-) канала с использованием гидрофобного нанопокрытия с контрастным смачиванием, нанесенного на подложку.In FIG. Figure 3 shows a cross section of a micro (mini) channel using a hydrophobic nanocoating with contrast wetting applied to a substrate.
На фиг. 4 показано поперечное сечение микро- (мини-) канала с использованием гидрофобного нанопокрытия с контрастным смачиванием, нанесенного на все стенки канала за исключением области течения ручейка, которая обычно бывает гидрофильной.In FIG. 4 shows a cross section of a micro (mini) channel using a hydrophobic nanocoating with contrast wetting applied to all channel walls except for the brook flow region, which is usually hydrophilic.
Где: 1 - подложка; 2 - электронный элемент; 3 - ручеек жидкости; 4 - газ или пар; 5 - микроканавки; 6 - гидрофобное нанопокрытие; 7 - сопло; L - ширина мини- или микроканала; С - ширина ручейка, Cm - расстояние между микроканавками, Cn - ширина поверхности без нанопокрытия.Where: 1 - substrate; 2 - electronic element; 3 - a trickle of liquid; 4 - gas or steam; 5 - microgrooves; 6 - hydrophobic nanocoating; 7 - nozzle; L is the width of the mini or microchannel; C is the width of the brook, Cm is the distance between the microgrooves, Cn is the width of the surface without nanocoating.
Устройство для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах содержит плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения. По центру подложки 1 заделан электронный тепловыделяющий элемент 2 или несколько элементов, расположенных в ряд (на схеме не показано).A device for forming a brook fluid flow in micro- and mini-channels contains a flat mini- or microchannel of rectangular cross section. In the center of the
В канале организовано течение плоского ручейка жидкости шириной, равной или больше ширины электронного компонента, но меньше ширины канала, под действием спутного потока газа или пара 4. Движение ручейка жидкости происходит за счет касательного напряжения, создаваемого потоком газа или пара в канале.A flow of a planar liquid brook is organized in the channel with a width equal to or greater than the width of the electronic component, but smaller than the channel width, under the influence of a satellite gas or
Для обеспечения устойчивости ручейкового течения жидкости в случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте на поверхности подложки 1 с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента 2 выполняют микроканавки 5, ограничивающие область течения ручейка. Микроканавки выполненяют так, что ширина ручейка, С, больше или равна ширине электронного тепловыделяющего элемента, В, и меньше расстояние между микроканавками, С.To ensure the stability of the brook fluid flow in the event of pressure pulsations, system vibrations, deviation of the system from a horizontal position, inhomogeneous or unsteady heat generation on the electronic component on the surface of the
В другом варианте исполнения устройства для обеспечения устойчивости ручейкового течения жидкости используют гидрофобное нанопокрытие, которое наносят либо только на поверхность подложки вдоль канала по течению ручейка с обеих сторон от тепловыделяющего элемента, либо на внутреннюю поверхность всех стенок канала, включая поверхность подложки, при этом на поверхность подложки нанопокрытие наносят также вдоль канала с обеих сторон от тепловыделяющего элемента. Таким образом, поверхность течения ручейка жидкости по подложке всегда остается гидрофильной. Нанопокрытие выполнено так, что ширина ручейка, С, больше или равна ширине электронного тепловыделяющего элемента, В, и равна ширине поверхности без нанопокрытия, Cn.In another embodiment of the device, to ensure the stability of the brook fluid flow, a hydrophobic nanocoating is applied, which is applied either only on the surface of the substrate along the channel along the stream of the brook on both sides of the fuel element, or on the inner surface of all channel walls, including the surface of the substrate, while on the surface Nano-coatings are also applied along the channel on both sides of the fuel element. Thus, the surface of the flow of a liquid brook along the substrate always remains hydrophilic. The nanocoating is made so that the width of the brook, C, is greater than or equal to the width of the electronic fuel element, B, and equal to the width of the surface without nanocoating, Cn.
Устройство для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и мини-каналах, содержащее плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения с расположенным на одной из его стенок (подложке) электронным тепловыделяющим элементом или несколькими тепловыделяющими элементами, включается в замкнутый циркуляционный контур, содержащий резервуары для газа и жидкости, регуляторы поддержки расхода газа и давления, насосы для подачи жидкости и газа и эвакуации двухфазной смеси, сепарационную систему для разделения использованной жидкости от газовой фазы.A device for forming a rivulet fluid flow in micro- and mini-channels, containing a flat mini- or microchannel of rectangular cross section with an electronic fuel element or several fuel elements located on one of its walls (substrate), is included in a closed circulation circuit containing gas tanks and liquids, gas and pressure flow support regulators, pumps for supplying liquid and gas and evacuating a two-phase mixture, a separation system for separating used liquid from the gas phase.
Жидкость и газ подаются при помощи насоса из резервуаров через сопла в микро- или мини-канал устройства. Газ подается под давлением над жидкостным соплом и течет, увлекая поток жидкости. Заданные расход газа и давление в устройстве поддерживаются автоматически при помощи регуляторов, например регуляторов BRONKHORST. Плоский ручеек жидкости шириной равной или больше ширины электронного компонента, но меньше ширины канала, формируется благодаря узкой щели сопла и ограничивающим канавкам или нанопокрытию с контрастным смачиванием и движется под действием спутного потока газа. Толщина ручейка меняется в зависимости от расходов жидкости и газа.Liquid and gas are pumped from reservoirs through nozzles into the micro- or mini-channel of the device. Gas is supplied under pressure above the fluid nozzle and flows, entraining the fluid flow. The set gas flow rate and pressure in the device are maintained automatically by means of regulators, for example BRONKHORST regulators. A flat liquid trickle with a width equal to or greater than the width of the electronic component, but smaller than the channel width, is formed due to the narrow nozzle slit and limiting grooves or nanocoating with contrasting wetting and moves under the influence of a gas flow. The thickness of the brook varies depending on the flow of liquid and gas.
Для обеспечения устойчивого течения ручейка в заданной области используют микроканавки, которые располагают вдоль течения ручейка, ограничивая его течение с двух сторон, как показано на фиг. 2.To ensure a steady stream of the brook in a given area, micro grooves are used that are located along the stream of the brook, restricting its flow from two sides, as shown in FIG. 2.
Микроканавка удерживает жидкость в области выреза, а также предотвращает разлив жидкости по поверхности подложки, используя эффект острой кромки. Впервые использование эффекта острой кромки в качестве барьера против растекания жидкости было предложено Гибсом [Gibbs, J.W. Scientific Papers, p. 326, 1906]. В дальнейшем эта идея была развита и проанализирована в работе [Fang, G., Amirfazli, A.: Understanding the edge effect in wetting: a thermodynamic approach. Langmuir (2012). doi:10.1021/la301623h], а также исследована экспериментально в работах [Oliver, J.F., Huh, С., Mason, S.G.: Resistance to spreading of liquids by sharp edges. J. Colloid Interface Sci. 59, 568-581 (1977); Bayramli, E., Mason, S.G.: Liquid spreading: edge effect for zero contact angle. J. Colloid Interface Sci. 66, 200-202 (1978); Yu, L.M.Y., Lu J.J., Chan, Y.W., Ng, A., Zhang, L., Hoorfar, M., Policova, Z., Grundke, K., Neumann, A.W.: Constrained sessile drop as a new configuration to measure low surface tension in lung surfactant systems. J. Appl. Physiol. 97, 704-715 (2004); Sheng, X., Zhang, J., Jiang, L.: Application of the restricting flow of solid edges in fabricating superhydrophobic surfaces. Langmuir 25, 9903-9907 (2009); Toth, В.: Future experiments to measure liquid-gas phase change and heat transfer phenomena on the international space station. Microgravity Sci. Technol. (2011). doi:10.1007/s 12217-011-9286-1].A micro-groove holds fluid in the cut-out area and also prevents fluid from spilling over the surface of the substrate using the sharp edge effect. For the first time, the use of the sharp edge effect as a barrier against liquid spreading was proposed by Gibbs [Gibbs, J.W. Scientific Papers, p. 326, 1906]. This idea was further developed and analyzed in [Fang, G., Amirfazli, A .: Understanding the edge effect in wetting: a thermodynamic approach. Langmuir (2012). doi: 10.1021 / la301623h], and also experimentally studied in [Oliver, J.F., Huh, C., Mason, S.G .: Resistance to spreading of liquids by sharp edges. J. Colloid Interface Sci. 59, 568-581 (1977); Bayramli, E., Mason, S.G .: Liquid spreading: edge effect for zero contact angle. J. Colloid Interface Sci. 66,200-202 (1978); Yu, LMY, Lu JJ, Chan, YW, Ng, A., Zhang, L., Hoorfar, M., Policova, Z., Grundke, K., Neumann, AW: Constrained sessile drop as a new configuration to measure low surface tension in lung surfactant systems. J. Appl. Physiol. 97, 704-715 (2004); Sheng, X., Zhang, J., Jiang, L .: Application of the restricting flow of solid edges in fabricating superhydrophobic surfaces. Langmuir 25, 9903-9907 (2009); Toth, W.: Future experiments to measure liquid-gas phase change and heat transfer phenomena on the international space station. Microgravity Sci. Technol. (2011). doi: 10.1007 / s 12217-011-9286-1].
Жидкость на поверхности твердого тела приближается к острой кромке с контактным углом θ. Этот угол отражает взаимодействие жидкости и поверхности твердого тела. Для того чтобы жидкость могла преодолеть острую кромку твердого тела, контактный угол должен достигнуть соответствующего критического угла θc=α+θ где α - угол наклона поверхности твердого тела, θ - контактный угол жидкости на верхней поверхности твердого тела. При достижении жидкостью положения, когда контактный угол достигает критического угла θc, жидкость закрепляется на краю твердого тела (кромки микроканавки). Таким образом, контактный угол жидкости с поверхностью твердого тела может быть увеличен при помощи острой кромки.The liquid on the surface of a solid approaches a sharp edge with a contact angle θ. This angle reflects the interaction of a liquid and a solid surface. In order for the liquid to overcome the sharp edge of the solid, the contact angle must reach the corresponding critical angle θc = α + θ where α is the angle of inclination of the surface of the solid, θ is the contact angle of the liquid on the upper surface of the solid. When the liquid reaches the position where the contact angle reaches the critical angle θc, the liquid is fixed on the edge of the solid (the edges of the microgroove). Thus, the contact angle of the liquid with the surface of the solid can be increased with a sharp edge.
Для стабилизации течения ручейка в случае резких вибраций работают канавки очень широкого спектра форм - треугольные, прямоугольные и в форме «ласточкин хвост» [Viktor Grishaev, A. Amirfazli, Sergey Chikov, Yuriy Lyulin, Oleg Kabov, Study of Edge Effect to Stop Liquid Spillage for Microgravity Application, Microgravity Sci. Technol. (2013) 25:27-33].To stabilize the flow of the brook in the case of sharp vibrations, grooves of a very wide range of shapes work - triangular, rectangular and dovetail [Viktor Grishaev, A. Amirfazli, Sergey Chikov, Yuriy Lyulin, Oleg Kabov, Study of Edge Effect to Stop Liquid Spillage for Microgravity Application, Microgravity Sci. Technol. (2013) 25: 27-33].
Канавки выполняют эксимерным лазером или электроэрозионным методом.The grooves are performed by an excimer laser or by an EDM method.
Для обеспечения устойчивости ручейкового течения жидкости также используют гидрофобное нанопокрытие. Сплошное гидрофобное нанопокрытие 6 наносят вдоль течения на поверхность подложки с обеих сторон от ручейка, как показано на фиг. 3. Течение ручейка удерживается за счет контрастной смачиваемости на подложке канала. Когда ручеек начинает растекаться на поверхность с нанопокрытием, то контактный угол смачивания существенно увеличивается, что увеличивает кривизну на границе раздела ручейка и, как следствие, возникает капиллярная сила, которая стремится вернуть ручеек на место. Однако в случае существенных вибраций системы и отклонения системы от горизонтального положения могут возникнуть силы, способные перебросить ручеек на одну из стенок канала, без нанопокрытия. Для предотвращения такой ситуации гидрофобное нанопокрытие 6 наносят и на поверхность подложки с обеих сторон от электронного тепловыделяющего элемента, и на внутреннюю поверхность трех других стенок канала. Таким образом, вся поверхность стенок канала имеет сплошное гидрофобное нанопокрытие, за исключением области течения ручейка, которая обычно бывает гидрофильной, как показано на фиг. 4. В этом случае ручеек вернется на обычное место его течения при любых отклонениях устройства, как только исчезнет источник дестабилизации, так как течение по гидрофильной поверхности является наиболее энергетически выгодным для ручейка.To ensure the stability of the brook fluid flow, hydrophobic nanocoating is also used. A continuous
Для получения нанопокрытия часть поверхности обрабатывают химическим способом (нанесением монослоя молекул другого вещества) так, чтобы на поверхности появилась область с наноразмерной шероховатостью и более высоким значением контактного угла смачивания. Области поверхности с нанесенными на нее наноструктурами являются гидрофобными относительно остальной поверхности.To obtain nanocoating, part of the surface is treated chemically (by applying a monolayer of molecules of another substance) so that a region with a nanoscale roughness and a higher contact angle of contact appears on the surface. Areas with nanostructures deposited on it are hydrophobic with respect to the rest of the surface.
Работоспособность предложенной конструкции устройства для формирования ручейкового течения жидкости в микро- и миниканалах подтверждается экспериментальными данными и выполненными оценками и расчетами [Viktor Grishaev, A. Amirfazli, Sergey Chikov, Yuriy Lyulin, Oleg Kabov, Study of Edge Effect to Stop Liquid Spillage for Microgravity Application, Microgravity Sci. Technol. (2013) 25:27-33; [Cheverda V. Liquid rivulets moved by shear stress of gas flow at altered levels of gravity / V. Cheverda, A. Glushchuk, P. Queeckers, S. B. Chikov, O.A. Kabov // Microgravity sci. technol. - 2013. - Vol. 25(1). - P. 73-81].The operability of the proposed device design for the formation of a brook fluid flow in micro- and minichannels is confirmed by experimental data and estimates and calculations [Viktor Grishaev, A. Amirfazli, Sergey Chikov, Yuriy Lyulin, Oleg Kabov, Study of Edge Effect to Stop Liquid Spillage for Microgravity Application , Microgravity Sci. Technol. (2013) 25: 27-33; [Cheverda V. Liquid rivulets moved by shear stress of gas flow at altered levels of gravity / V. Cheverda, A. Glushchuk, P. Queeckers, S. B. Chikov, O.A. Kabov // Microgravity sci. technol. - 2013 .-- Vol. 25 (1). - P. 73-81].
Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемого изобретения выполнена следующая совокупность условий:Thus, the above information shows that when using the claimed invention, the following combination of conditions:
- заявляемое изобретение при его осуществлении предназначено для использования в промышленности, а именно для охлаждения теплонапряженных электронных элементов;- the claimed invention in its implementation is intended for use in industry, namely for cooling heat-stressed electronic elements;
- для заявляемого изобретения подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;- for the claimed invention, the possibility of implementation using the methods and methods described above or known prior to the priority date is confirmed;
- заявляемое изобретение при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- the claimed invention in its implementation is able to achieve the perceived by the applicant technical result.
Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что предложенное устройство позволяет существенно снизить энергозатраты на прокачку охлаждающей жидкости, обеспечивая при этом высокую эффективность и устойчивость работы в нестандарных ситуациях в том числе, как в земных условиях, так и в невесомости.The advantage of the claimed invention is that the proposed device can significantly reduce energy costs for pumping coolant, while ensuring high efficiency and stability in unstandable situations, including both in terrestrial conditions and in zero gravity.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150464/06A RU2588917C1 (en) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Apparatus for generating of channelized liquid flow in micro-and mini-channels (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014150464/06A RU2588917C1 (en) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Apparatus for generating of channelized liquid flow in micro-and mini-channels (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2588917C1 true RU2588917C1 (en) | 2016-07-10 |
Family
ID=56370843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014150464/06A RU2588917C1 (en) | 2014-12-15 | 2014-12-15 | Apparatus for generating of channelized liquid flow in micro-and mini-channels (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2588917C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2640888C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-01-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3613779A (en) * | 1969-10-06 | 1971-10-19 | Clinton E Brown | Apparatus for obtaining high transfer rates in falling water film evaporators and condensers |
| EP1662852B1 (en) * | 2004-11-24 | 2007-05-09 | Lucent Technologies Inc. | Techniques for microchannel cooling |
| EP2028432A1 (en) * | 2007-08-06 | 2009-02-25 | Université de Mons-Hainaut | Devices and method for enhanced heat transfer |
| JP2010243035A (en) * | 2009-04-03 | 2010-10-28 | Sony Corp | Heat transport device, electronic apparatus and method of manufacturing the heat transport device |
| RU2403692C1 (en) * | 2009-04-29 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Module of radio-electronic equipment with hyperheatconducting base |
-
2014
- 2014-12-15 RU RU2014150464/06A patent/RU2588917C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3613779A (en) * | 1969-10-06 | 1971-10-19 | Clinton E Brown | Apparatus for obtaining high transfer rates in falling water film evaporators and condensers |
| EP1662852B1 (en) * | 2004-11-24 | 2007-05-09 | Lucent Technologies Inc. | Techniques for microchannel cooling |
| EP2028432A1 (en) * | 2007-08-06 | 2009-02-25 | Université de Mons-Hainaut | Devices and method for enhanced heat transfer |
| JP2010243035A (en) * | 2009-04-03 | 2010-10-28 | Sony Corp | Heat transport device, electronic apparatus and method of manufacturing the heat transport device |
| RU2403692C1 (en) * | 2009-04-29 | 2010-11-10 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Module of radio-electronic equipment with hyperheatconducting base |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2640888C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-01-12 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Intensive steam condenser with contrast and gradient wetting |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10897833B2 (en) | Hierarchical hydrophilic/hydrophobic micro/nanostructures for pushing the limits of critical heat flux | |
| Amon et al. | Microelectromechanical system-based evaporative thermal management of high heat flux electronics | |
| US10867887B2 (en) | Enhanced flow boiling heat transfer in microchannels with structured surfaces | |
| Chandesris et al. | Uphill motion of droplets on tilted and vertical grooved substrates induced by a wettability gradient | |
| Huang et al. | Analysis of the flow rate characteristics of valveless piezoelectric pump with fractal-like Y-shape branching tubes | |
| Li et al. | Capillary-assisted evaporation/boiling in PDMS microchannel integrated with wicking microstructures | |
| RU2588917C1 (en) | Apparatus for generating of channelized liquid flow in micro-and mini-channels (versions) | |
| Paik et al. | Thermal effects on droplet transport in digital microfluidics with applications to chip cooling | |
| RU2629516C2 (en) | Device for generating micro-flow liquid flow in micro- and minichannels | |
| RU2796381C1 (en) | Device for forming a stratified liquid flow in micro- and mini-channels | |
| Gu et al. | A hybrid microfluidic chip with electrowetting functionality using ultraviolet (UV)-curable polymer | |
| RU2620732C1 (en) | Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels | |
| Joshi et al. | Keynote Lecture: Micro and Meso Scale Compact Heat Exchangers in Electronics Thermal Management–Review | |
| RU2755608C1 (en) | Method for cooling electronic equipment | |
| RU2581342C2 (en) | Method for producing a cooling system and microelectronic equipment | |
| Shabani et al. | Flow rate analysis of an EWOD-based device: how important are wetting-line pinning and velocity effects? | |
| Al-Rjoub et al. | Improved flow rate in electro-osmotic micropumps for combinations of substrates and different liquids with and without nanoparticles | |
| RU2760884C1 (en) | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system | |
| JP5577897B2 (en) | Electronic device and manufacturing method thereof | |
| RU2781758C1 (en) | Evaporative-condensing gas-liquid cooling system for electronic equipment | |
| Bhattacharya et al. | Thermal management of electronics using sprays and droplets | |
| Betz | Multiphase microfluidics for convective heat transfer and manufacturing | |
| Sourtiji | An Evaporation Based Micro-Synthetic Jet in Microchannel and its Applications | |
| Shirinzadeh et al. | Experimental investigation of slip velocity and settling distribution of micro-particles in converging–diverging microchannel | |
| Agonafer et al. | 2024 World Scientific Publishing Company |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20170220 |
|
| QA4A | Patent open for licensing |
Effective date: 20181101 |