RU2620732C1 - Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels - Google Patents
Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels Download PDFInfo
- Publication number
- RU2620732C1 RU2620732C1 RU2016125624A RU2016125624A RU2620732C1 RU 2620732 C1 RU2620732 C1 RU 2620732C1 RU 2016125624 A RU2016125624 A RU 2016125624A RU 2016125624 A RU2016125624 A RU 2016125624A RU 2620732 C1 RU2620732 C1 RU 2620732C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- micro
- mini
- liquid
- flow
- channel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D5/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
- H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
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 или длительным 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 or long-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. При движении двухфазных потоков микроканалы обеспечивают формирование очень тонких слоев жидкости, что существенно интенсифицирует процесс испарения, так как термическое сопротивление прямо пропорционально толщине пленки.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, the microchannels provide a high heat transfer rate 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. When two-phase flows move, microchannels provide the formation of very thin layers of liquid, which significantly intensifies the evaporation process, since the thermal resistance is directly proportional to the film thickness.
Из области техники известны устройства, в которых тонкие пленки жидкости создают с помощью генераторов капель (каплеформирователей).Devices are known in the art in which thin films of liquid are created using droplet generators (droplet former).
Известно устройство для охлаждения фотоэлектрических панелей [FR 2961024, 2011-12-09, H01L 31/052], согласно которому гравитационная тонкая пленка жидкости создается с помощью генератора капель, представляющего собой трубу, по которой прокачивается жидкость, с отверстиями диаметром 1,5 мм, расположенными вдоль трубы с равномерным шагом, равным 1,5 мм. Генератор капель располагают выше охлаждаемой панели таким образом, что формируемые капли жидкости под действием силы тяжести падают на охлаждаемую поверхность и формируют тонкую пленку, стекающую вдоль поверхности.A device for cooling photovoltaic panels is known [FR 2961024, 2011-12-09, H01L 31/052], according to which a gravitational thin film of liquid is created using a droplet generator, which is a pipe through which liquid is pumped, with holes with a diameter of 1.5 mm located along the pipe with a uniform pitch of 1.5 mm. The droplet generator is positioned above the cooled panel in such a way that the formed liquid droplets under the action of gravity fall on the cooled surface and form a thin film flowing down along the surface.
В таких устройствах создают обычно гравитационные тонкие пленки.In such devices, usually gravitational thin films are created.
Известен способ охлаждения интегральных микросхем и устройство для его реализации [US 7957137, 25.02.2010, H01L 23/38; H01L 23/473; H05K 7/20]. Для охлаждения интегральных микросхем в указанном техническом решении используют систему плоских микроканалов. Устройство включает в себя подложку, на которой смонтирована интегральная микросхема, а на микросхеме - система микроканалов. Высота микроканалов составляет порядка 300 мкм, ширина - порядка 200 мкм. В некоторых каналах установлены термоэлектрические элементы.A known method of cooling integrated circuits and a device for its implementation [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, которая связана с монтажом, а также необходимость 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 is associated with the installation, as well as the need for measures to isolate thermoelectric elements.
В качестве прототипа выбрана двухфазная система и способ охлаждения микроэлектронного оборудования [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 электронным тепловыделяющим элементом или несколькими электронными тепловыделяющими элементами размерами от 2,5 до 5 мм, расположенными на одной стороне канала, либо на двух противоположных сторонах канала. Формирование пленки жидкости толщиной от 50 до 200 мкм осуществляют с помощью пленкоформирователя, который включает накопительную камеру, распределительное устройство и сопло с калиброванной плоской щелью. Рабочая жидкость подается в пленкоформирователь с помощью насоса. Движения пленки жидкости организовано посредством действия спутного потока газа (азота), подаваемого через газовое сопло.As a prototype, a two-phase system and a method of cooling microelectronic equipment were 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 an electronic fuel element or several electronic fuel elements with sizes from 2.5 to 5 mm, located on one side of the channel, or on two opposite sides of the channel. The formation of a liquid film with a thickness of 50 to 200 μm is carried out using a film former, which includes a storage chamber, a switchgear and a nozzle with a calibrated flat gap. The working fluid is supplied to the film former using a pump. The motion of the liquid film is organized by the action of a satellite stream of gas (nitrogen) supplied through a gas nozzle.
В такой системе для прокачки жидкости и газа в микроканале требуются значительные затраты энергии, что вызвано следующими причинами:In such a system, pumping liquid and gas in a microchannel requires significant energy costs, which is caused by the following reasons:
1 - замедление скорости движения жидкости в углах канала, из-за образования в них мениска жидкости;1 - deceleration of the fluid velocity in the corners of the channel, due to the formation of a meniscus in them;
2 - образование в пленке жидкости локального утонения, вызывающего разрыв пленки жидкости вблизи боковых стенок канала;2 - formation of local thinning in the liquid film, causing a rupture of the liquid film near the side walls of the channel;
3 - затапливание углов канала.3 - flooding the corners of the channel.
В такой системе при относительно малых расходах жидкости и относительно большом угле смачивания (более 30-40°), в углах канала формируется мениск жидкости. Скорость течения жидкости в углах канала существенно замедляется, что ведет к потере энергии при прокачке жидкости и газа в микроканале. К тому же часть жидкости практически не участвует в процессе охлаждения.In such a system, at relatively low flow rates and a relatively large wetting angle (more than 30–40 °), a meniscus is formed in the corners of the channel. The fluid flow rate in the corners of the channel is significantly slowed down, which leads to a loss of energy when pumping liquid and gas in the microchannel. In addition, part of the liquid is practically not involved in the cooling process.
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 вблизи боковых стенок канала при малых скоростях газа и расходах жидкости. Жидкость, движущаяся в углах канала, фактически теряется. Прокачка же дополнительной жидкости вблизи боковых стенок канала требует дополнительного расхода энергии. 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 1.8×g0.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 near the side walls of the channel at low gas velocities and liquid flow rates. The fluid moving in the corners of the channel is actually lost. Pumping additional fluid near the side walls of the channel requires additional energy consumption. 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 1.8 × g 0 .
Решение данной проблемы путем увеличения ширины канала ведет к дополнительным материальным затратам.Solving this problem by increasing the channel width leads to additional material costs.
При относительно больших расходах жидкости или относительно малых углах смачивания (менее 20-30°), 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 и приводит к ухудшению эффективности теплообмена.At relatively large flow rates or relatively small wetting angles (less than 20-30 °), 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 a sufficiently 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 and leads to a deterioration in the efficiency of heat transfer.
Таким образом, важнейшими препятствиями на пути внедрения и распространения микросистем с протяженными плоскими микро- и мини-каналами для охлаждения микроэлектронных компонент малых размеров являются значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах и относительно низкие коэффициенты теплообмена.Thus, the major obstacles to the introduction and diffusion of microsystems with extended flat micro- and mini-channels for cooling small-sized microelectronic components are significant energy losses during fluid pumping in the channels and relatively low heat transfer coefficients.
Задачей изобретения является создание устройства формирования пристенных капельных течений жидкости в микро- и мини-каналах, позволяющего достичь существенной интенсификации теплообмена и соответственно достичь эффективного охлаждения микроэлектронного оборудования с локальным тепловыделением.The objective of the invention is to provide a device for the formation of wall droplet fluid flows in micro- and mini-channels, which allows to achieve significant intensification of heat transfer and, accordingly, to achieve effective cooling of microelectronic equipment with local heat release.
Для решения указанной задачи используют устройство, включающее:To solve this problem, use a device that includes:
1) плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой, расположенных на ней одного или нескольких электронных тепловыделяющих элементов,1) a flat mini- or microchannel of rectangular cross-section, one of the walls of which is a substrate, one or more electronic fuel elements located on it,
2) формирователь газового потока, включающий резервуар для газа, насос, распределительное устройство и сопло,2) a gas flow former including a gas reservoir, a pump, a switchgear and a nozzle,
3) генератор капель.3) droplet generator.
Согласно изобретению в подложке поперек мини- или микроканала вдоль линии, перпендикулярной его оси, между соплом формирователя газового потока и передней кромкой электронного тепловыделяющего элемента выполнен ряд микроотверстий, которые соединены системой трубок с генератором капель. Микроотверстия выполнены с равномерным шагом и таким образом, что расстояние между центрами крайних микроотверстий, С, лежит в диапазоне В≤C<L, где В - ширина электронного тепловыделяющего элемента, L - ширина мини- или микроканала. Генератор капель включает компрессор для подачи газа и насос для подачи жидкости, соединенные системой трубок с выполненными в подложке микроотверстиями.According to the invention, a series of microholes are made in the substrate across the mini- or microchannel along a line perpendicular to its axis, between the nozzle of the gas flow former and the front edge of the electronic fuel element, which are connected by a tube system to the droplet generator. Microholes are made with a uniform pitch and so that the distance between the centers of the extreme microholes, C, lies in the range B≤C <L, where B is the width of the electronic fuel element, L is the width of the mini or microchannel. The droplet generator includes a compressor for supplying gas and a pump for supplying liquid, connected by a system of tubes with micro-holes made in the substrate.
На фиг. 1 и 2 схематично показано устройство формирования пристенных капельных течений жидкости в микро- и мини-канале.In FIG. 1 and 2 schematically shows a device for forming wall droplet fluid flows in a micro- and mini-channel.
На фиг. 1 показано устройство, вид сверху.In FIG. 1 shows a device, a top view.
На фиг. 2 показано устройство, вид сбоку в разрезе.In FIG. 2 shows a device, a side view in section.
Где: 1 - канал; 2 - подложка; 3 - электронный тепловыделяющий элемент или несколько элементов; 4 - микроотверстия; 5 - поток газа, 6 - формирователь газового потока с соплом; 7 - компрессор для основного потока, 8 - компрессор; 9 - насос жидкостный, 10 - распределительное устройство; 11 - генератор капель; 12 - капли; 13 - жидкость; 14 - газ; 15 - пробковое течение; L - ширина мини- или микроканала; В - ширина электронного тепловыделяющего элемента; А - длина электронного компонента; d - диаметр микроотверстия; Е - шаг расположения микроотверстий в устройстве; С - расстояние между центрами крайних микроотверстий; Cflow - ширина микрокапельного течения; D - диаметр капли; S - шаг движения капель в капельных струях.Where: 1 - channel; 2 - substrate; 3 - electronic fuel element or several elements; 4 - microholes; 5 - gas flow; 6 - gas flow former with nozzle; 7 - compressor for the main stream, 8 - compressor; 9 - liquid pump, 10 - switchgear; 11 - droplet generator; 12 - drops; 13 - liquid; 14 - gas; 15 - cork flow; L is the width of the mini or microchannel; B is the width of the electronic fuel element; A is the length of the electronic component; d is the diameter of the micro-hole; E is the step of the location of the micro holes in the device; C is the distance between the centers of the extreme micro-holes; C flow - the width of the microdrip flow; D is the diameter of the droplet; S is the step of droplet movement in droplet jets.
Устройство формирования пристенных капельных течений жидкости в микро- и мини-канале включает плоский мини- или микроканал 1 прямоугольного сечения шириной L, одна из стенок которого является подложкой 2, расположенных на ней одного или нескольких электронных тепловыделяющих элементов 3 шириной В, формирователь газового потока с соплом 6, компрессор для основного потока 7, генератор капель 11. В подложке поперек мини- или микроканала вдоль линии, перпендикулярной его оси, между соплом формирователя газового потока и передней кромкой электронного тепловыделяющего элемента выполнен ряд микроотверстий 4 диаметром d с шагом Е. Расстояние от ряда микроотверстий 4 до передней кромки электронного тепловыделяющего элемента 3 выбирают таким образом, чтобы поток газа натекал на нагреватель со стабилизированным профилем скорости. Крайние в этой линии микроотверстия выполнены таким образом, чтобы расстояние между их центрами, С, было больше или равно ширине тепловыделяющего элемента и меньше ширины микро- или мини-канала, В≤С<L.The device for forming wall droplet liquid flows in a micro- and mini-channel includes a flat mini- or
Формирователь газового потока с соплом 6 и компрессор для основного потока 7 служат для формирования и поддержания заданной скорости потока газа (воздуха или азота) в канале.A gas flow former with a
Генератор капель 11 включает компрессор 8 и жидкостный насос 9, соединенные системой трубок через распределительное устройство 10 с микроотверстиями в подложке 4.The
С помощью генератора капель на поверхности подложки формируют капли диаметром D таким, что D≤Е, где Е - шаг расположения микроотверстий в устройстве. Жидкость 13 подают с помощью жидкостного насоса, газ 14 подают с помощью компрессора в систему трубок таким образом, чтобы образовалось пробковое течение. Жидкость и газ подают с определенной частотой. Параметры образующегося пробкового течения 15 в трубке небольшого диаметра имеют статическую природу и изменяются в зависимости от режима барботажа. Через микроотверстия 4 капли 12 поступают на подложку. Под действием спутного потока газа 5 цепочки пристенных капельных струй жидкости движутся по подложке вдоль микро- или мини-канала. Движение жидкости происходит за счет касательного напряжения, создаваемого потоком газа в канале. Капли движутся вдоль подложки с одним или несколькими электронными тепловыделяющими элементами и не коагулируют в силу интенсивного испарения, что подтверждают эксперименты авторов [Fedorets A.A., Marchuk I.V. and Kabov О.А., Role of vapor flow in the mechanism of levitation of a droplet-cluster dissipative structure, Technical Physics Letters, Vol. 37, No. 2, pp. 116-118].Using a droplet generator, droplets of diameter D are formed on the surface of the substrate such that D≤E, where E is the location of the micro-holes in the device. The
Ширина микрокапельного течения составляет Cflow=E×(N-1)+D, где D - диаметр капель, E - шаг расположения отверстий в устройстве, N - число микроотверстий и, соответственно, число капельных струй жидкости. В капельных струях жидкости капли движутся с шагом S, причем D≤S. При течении вдоль электронного тепловыделяющего элемента или элементов диаметр капель уменьшается из-за испарения жидкости.The width of the micro-droplet flow is C flow = E × (N-1) + D, where D is the diameter of the droplets, E is the pitch of the holes in the device, N is the number of microholes and, accordingly, the number of droplets of liquid. In droplet jets of a liquid, droplets move with a step S, with D≤S. When flowing along an electronic fuel element or elements, the diameter of the droplets decreases due to evaporation of the liquid.
Капля имеет линию контакта газ-жидкость - твердое тело. В литературе эту область так же называют «переходный слой» или «микрорегион». Это область длиной порядка 1-10 микрон в месте контакта жидкого мениска и твердой стенки. Толщина пленки в этой области плавно снижается от величин порядка нескольких микрометров до значений в диапазоне 10-20 нанометров (адсорбированная пленка). Именно в области «микрорегиона» достигаются наиболее высокие значения локального теплового потока вследствие сверхвысокой интенсивности испарения, как показано не только в теоретических работах, но и в экспериментах [Gokhale S.J., Plawsky J.L., Wayner Jr P.C., Experimental investigation of contact angle, curvature, and contact line motion in dropwise condensation and evaporation, Journal of Colloid and Interface Sci., Vol. 259 (2), 2003, 354-366.] и в работе авторов патента применительно к каплям жидкости [Marchuk Igor, Karchevsky Andrey, Surtaev Anton, and Kabov Oleg A. Heat flux at the surface of metal foil heater under evaporating sessile droplets // International Journal of Aerospace Engineering Volume 2015 (2015), Article ID 391036, 5 pages.]. Плотность теплового потока в этой области может достигать до нескольких киловатт на см2.The drop has a gas-liquid contact line - a solid. In the literature, this area is also called the "transition layer" or "microregion". This is a region of about 1-10 microns in length at the contact point of the liquid meniscus and the solid wall. The film thickness in this region gradually decreases from values of the order of several micrometers to values in the range of 10–20 nanometers (adsorbed film). It is in the "microregion" region that the highest values of the local heat flux are achieved due to the ultrahigh evaporation rate, as shown not only in theoretical works, but also in experiments [Gokhale SJ, Plawsky JL, Wayner Jr PC, Experimental investigation of contact angle, curvature, and contact line motion in dropwise condensation and evaporation, Journal of Colloid and Interface Sci., Vol. 259 (2), 2003, 354-366.] And in the work of the authors of the patent with respect to drops of liquid [Marchuk Igor, Karchevsky Andrey, Surtaev Anton, and Kabov Oleg A. Heat flux at the surface of metal foil heater under evaporating sessile droplets / / International Journal of Aerospace Engineering Volume 2015 (2015),
Таким образом, переход от течения в виде сплошной пленки, как в прототипе, к пристенному капельному течению благодаря наличию контактных линий приводит к интенсификации теплообмена при испарении. Причем интенсификация тем больше, чем больше протяженность контактных линий. Степень интенсификации можно оценить коэффициентом К, равным отношению протяженности контактных линий, находящихся в области капельного течения, Cflow, на длине электронного компонента А к периметру области охлажденияThus, the transition from the flow in the form of a continuous film, as in the prototype, to the near-wall drip flow due to the presence of contact lines leads to the intensification of heat transfer during evaporation. Moreover, the intensification is greater, the greater the length of the contact lines. The degree of intensification can be estimated by the coefficient K, equal to the ratio of the length of the contact lines located in the region of the drop flow, C flow , along the length of the electronic component A to the perimeter of the cooling region
Видно, что коэффициент К растет с уменьшением S и Е, т.е. с увеличением плотности заполнения каплями поверхности. Самая плотная упаковка возможна, когда S=E=D. Также коэффициент К растет с уменьшением размеров капель.It can be seen that the coefficient K increases with decreasing S and E, i.e. with an increase in the density of filling with surface drops. The densest packing is possible when S = E = D. The coefficient K also increases with decreasing droplet size.
Микрокапельное течение в отличие от пленочного течения 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 газа в микроканале. Снижение расхода жидкости пропорционально отношению ширины канала к ширине микрокапельного течения жидкости, L/Cflow.The microdroplet flow, unlike the film flow, 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 gas in the microchannel. The reduction in fluid flow is proportional to the ratio of the channel width to the width of the micro-droplet fluid flow, L / C flow .
Таким образом, замена течения в виде сплошной пленки жидкости микрокапельным течением (фактически это означает уменьшение ширины пленки) приводит к снижению расхода жидкости, снижению гидравлического сопротивления на прокачку жидкости и интенсификации теплообмена.Thus, replacing the flow in the form of a continuous film of liquid by a microdroplet flow (in fact, this means reducing the width of the film) leads to a decrease in the liquid flow rate, a decrease in the hydraulic resistance to pumping the liquid, and intensification of heat transfer.
Использование цепочек пристенных капельных струй жидкости, увлекаемых потоком газа, позволяет также достичь стабильной работы устройства охлаждения микроэлектронного оборудовании в любых, в том числе нестандартных ситуациях, в частности в случае пульсаций давления, вибраций системы, отклонения системы от горизонтального положения, неоднородного или нестационарного тепловыделения на электронном компоненте. Однако, если предполагается, что электронные тепловыделяющие элементы работают в нестандартных ситуациях, необходимо выдержать условие, когда ширина капельного течения, Cflow, в 1,1-2 раза превосходит ширину электронных тепловыделяющих элементов.The use of chains of wall droplets of liquid droplets carried away by a gas stream also makes it possible to achieve stable operation of the cooling device for microelectronic equipment in any, including 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 by electronic component. However, if it is assumed that electronic fuel elements operate in non-standard situations, it is necessary to withstand the condition when the width of the droplet flow, C flow , is 1.1-2 times greater than the width of the electronic fuel elements.
Таким образом, достигают интенсификации теплообмена, снижения энергетических затрат на прокачку жидкости в канале, а также стабильной работы устройства охлаждения микроэлектронного оборудовании в любых условиях.Thus, intensification of heat transfer, reduction of energy costs for pumping liquid in the channel, as well as stable operation of the cooling device for microelectronic equipment in any conditions are achieved.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016125624A RU2620732C1 (en) | 2016-06-27 | 2016-06-27 | Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016125624A RU2620732C1 (en) | 2016-06-27 | 2016-06-27 | Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2620732C1 true RU2620732C1 (en) | 2017-05-29 |
Family
ID=59032288
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016125624A RU2620732C1 (en) | 2016-06-27 | 2016-06-27 | Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2620732C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2732624C1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method of cooling electronic equipment using combined film and gas-droplet flows |
| RU2807853C1 (en) * | 2023-07-07 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Two-phase single-component cooling system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1718576A1 (en) * | 1988-06-20 | 1996-12-20 | Уфимский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе | Device for cooling rotor blades of gas turbine of gas-turbine engine |
| US20020075651A1 (en) * | 2000-12-19 | 2002-06-20 | Harris Corporation | Electronic device using evaporative micro-cooling and associated methods |
| US20100046167A1 (en) * | 2004-03-29 | 2010-02-25 | Ravi Prasher | Cooling an integrated circuit die with coolant flow in a microchannel and a thin film thermoelectric cooling device in the microchannel |
| CN101742889A (en) * | 2008-11-14 | 2010-06-16 | 富准精密工业(深圳)有限公司 | Miniature liquid cooling device and micro-droplet generator adopted by same |
| FR2961024A1 (en) * | 2010-06-02 | 2011-12-09 | Sunbooster | Cooling device for cooling photovoltaic panel on e.g. roof of dwelling, has sprinkling unit arranged at proximity of upper edge to assure flow by gravity in form of liquid film on upper surface of photovoltaic panel |
-
2016
- 2016-06-27 RU RU2016125624A patent/RU2620732C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1718576A1 (en) * | 1988-06-20 | 1996-12-20 | Уфимский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе | Device for cooling rotor blades of gas turbine of gas-turbine engine |
| US20020075651A1 (en) * | 2000-12-19 | 2002-06-20 | Harris Corporation | Electronic device using evaporative micro-cooling and associated methods |
| US20100046167A1 (en) * | 2004-03-29 | 2010-02-25 | Ravi Prasher | Cooling an integrated circuit die with coolant flow in a microchannel and a thin film thermoelectric cooling device in the microchannel |
| CN101742889A (en) * | 2008-11-14 | 2010-06-16 | 富准精密工业(深圳)有限公司 | Miniature liquid cooling device and micro-droplet generator adopted by same |
| FR2961024A1 (en) * | 2010-06-02 | 2011-12-09 | Sunbooster | Cooling device for cooling photovoltaic panel on e.g. roof of dwelling, has sprinkling unit arranged at proximity of upper edge to assure flow by gravity in form of liquid film on upper surface of photovoltaic panel |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2732624C1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-09-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method of cooling electronic equipment using combined film and gas-droplet flows |
| RU2807853C1 (en) * | 2023-07-07 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Two-phase single-component cooling system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Fan et al. | A review of two-phase submerged boiling in thermal management of electronic cooling | |
| US9835363B2 (en) | Evaporative heat transfer system | |
| Morini | Single-phase convective heat transfer in microchannels: a review of experimental results | |
| 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 | |
| Palko et al. | High heat flux two-phase cooling of electronics with integrated diamond/porous copper heat sinks and microfluidic coolant supply | |
| Sarkar et al. | Review of jet impingement cooling of electronic devices: Emerging role of surface engineering | |
| Yuan et al. | Pool boiling enhancement through a guidance structure mounted above heating surface | |
| Alipanah et al. | Ultra-low pressure drop membrane-based heat sink with 1000 W/cm2 cooling capacity and 100% exit vapor quality | |
| RU2620732C1 (en) | Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels | |
| Wang et al. | Effects of non-wetting fraction and pitch distance in flow boiling heat transfer in a wettability-patterned microchannel | |
| Hirokawa et al. | Experimental investigation on behaviors and heat transfer in shear-driven liquid film flow | |
| Joshi et al. | Keynote Lecture: Micro and Meso Scale Compact Heat Exchangers in Electronics Thermal Management–Review | |
| RU2629516C2 (en) | Device for generating micro-flow liquid flow in micro- and minichannels | |
| Chinnov et al. | Two-phase flow in short horizontal rectangular microchannels with a height of 300 μm | |
| RU2796381C1 (en) | Device for forming a stratified liquid flow in micro- and mini-channels | |
| RU2755608C1 (en) | Method for cooling electronic equipment | |
| Hirokawa et al. | Experiments on heat transfer characteristics of shear-driven liquid film in co-current gas flow | |
| Al-Rjoub et al. | Improved flow rate in electro-osmotic micropumps for combinations of substrates and different liquids with and without nanoparticles | |
| Mahmoud M | Flow boiling of R134a in vertical mini-diameter tubes | |
| Sourtiji | An Evaporation Based Micro-Synthetic Jet in Microchannel and its Applications | |
| Kole et al. | Heat Transfer Augmentation of Air-Ferrofluid Taylor Bubble Flow in Presence of a Magnet | |
| RU2760884C1 (en) | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system | |
| Fazeli et al. | Hierarchical biphilic micro/nanostructures for a new generation phase-change heat sink with 1800 W/cm 2 CHF limit | |
| Chinnov et al. | Features of two-phase flow in a rectangular microchannel with the height of 300 μm |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QA4A | Patent open for licensing |
Effective date: 20201124 |