RU2649170C1 - Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости - Google Patents
Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости Download PDFInfo
- Publication number
- RU2649170C1 RU2649170C1 RU2016152540A RU2016152540A RU2649170C1 RU 2649170 C1 RU2649170 C1 RU 2649170C1 RU 2016152540 A RU2016152540 A RU 2016152540A RU 2016152540 A RU2016152540 A RU 2016152540A RU 2649170 C1 RU2649170 C1 RU 2649170C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- gas flow
- electronic component
- electronic equipment
- equipment cooling
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 238000001816 cooling Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 5
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 13
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 8
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000005486 microgravity Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28C—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA COME INTO DIRECT CONTACT WITHOUT CHEMICAL INTERACTION
- F28C3/00—Other direct-contact heat-exchange apparatus
- F28C3/06—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанном на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа, согласно изобретению, осушенные области электронного компонента дополнительно орошаются потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала, над областями электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока, причем истечение микрокапель жидкости осуществляют против направления течения газа под углом от 10 до 80 градусов к направлению течения газа. Технический результат - повышение эффективности охлаждения электронных компонентов. 1 ил.
Description
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования.
Часто плотность теплового потока на электронном компоненте, например, на чипе компьютера, является неоднородной (A. Bar-Cohen, P. Wang, Thermal Management of On-Chip Hot Spot // J. Heat Transfer 134(5), 051017, 2012). На участках более интенсивного тепловыделения жидкостный теплоноситель испаряется быстрее, чем на всем чипе, что может вызывать образование локализованных сухих пятен. Термокапиллярные силы стараются переместить жидкость с более нагретых областей в менее нагретые и усиливают проблему возникновения локального кризиса теплообмена. В случае однородного тепловыделения по поверхности чипа, разрушение и высыхание теплоносителя начинается, как правило, от кромки электронного компонента, что подтверждается многочисленными опытами авторов патента.
В статье (Kabov О.А., Kuznetsov V.V., and Legros J.C., Heat transfer and film dynamic in shear-driven liquid film cooling system of microelectronic equipment // Proc. of 2nd International Conference on Microchannels and Minichannels, June 17-19, 2004, Rochester, Paper No. ICMM2004-2399, pp. 687-694, 2004) предложено техническое решение, в котором охлаждение электронного компонента основано на движении пленки жидкости под действием вынужденного потока пара или газа.
Наиболее близкое техническое решение описано в статье (Kabov О.А., Lyulin Yu.V., Marchuk I.V. and Zaitsev D.V., Locally heated shear-driven liquid films in microchannels and minichannels, Int. Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 28, p. 103-112, 2007). В данном способе охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, движущейся под действием вынужденного потока газа в канале.
Недостатком этих технических решений является относительно малые величины критического теплового потока, которые можно иметь в данной системе охлаждения при небольших расходах жидкости и газа.
Данный факт объясняется тем, что охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения жидкости, которая движется вдоль канала под действием потока газа. Таким образом, чтобы отвести определенное количество тепла, постоянно выделяющегося на электронном компоненте, необходимо испарить определенное количество жидкости. Наиболее оптимальной системой охлаждения является система, в которой G/Gevap=1, где G - массовый расход жидкости на входе в канал, кг/с, G - массовый расход испаряющейся жидкости, кг/с. На практике данное отношение может существенно превышать 1, т.к. на пленку жидкости действуют различные силы -поверхностные, термокапиллярные и др., которые приводят к волнообразованию и неоднородному распределению пленки жидкости по поперечному сечению канала (смотрите, например, Chinnov Е.A., Ron'shin F.V., Kabov О.A. Two-Phase Flow Patterns in Short Horizontal Rectangular Microchannels, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 80, pp. 57-68, 2016.).
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов за счет использования комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости.
Поставленная задача решается тем, что в способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанном на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, согласно изобретению, осушенные области электронного компонента орошают потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала над областями электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока, причем истечение микрокапель жидкости осуществляют против направления течения газа под некоторым углом к направлению течения газа (от ~ 10 до 80 градусов, в зависимости от скорости движения газа, а также скорости и размера микрокапель). Истечение микрокапель жидкости осуществляется с таким расчетом, чтобы капли преодолели движущийся поток газа и достигли поверхности электронного компонента в нужной области. Области электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока определяются исходя из особенностей архитектуры чипа. В случае однородного тепловыделения по поверхности чипа, микрокапли жидкости направляются в область нижней по потоку кромки чипа, где возникают первые сухие пятна.
Поступающие микрокапли жидкости препятствуют осушению поверхности электронного компонента, увеличивают критический тепловой поток и в целом увеличивают эффективность охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонент за счет использования комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости.
Необходимо отметить, что за счет комбинации трех видов охлаждения: газ; пленка жидкости; микрокапли жидкости в предложенной системе достигается высокая надежность и одновременно экономия энергоресурсов - электрической мощности на прокачку теплоносителей. Такая система может приближаться к оптимальной с точки зрения соотношения G/Gevap=1.
На фиг. 1 показана система охлаждения электронного оборудования, где:
1 - вход газа в канал;
2 - вход жидкости в канал;
3 - испаряющаяся пленка жидкости;
4 - подложка;
5 - электронный компонент;
6 - каплеформирователь;
7 - резервуар для газа;
8 - конденсатор-сепаратор;
9 - система охлаждения конденсатора;
10 - резервуар для жидкости.
Способ осуществляется следующим образом.
В случае незначительного тепловыделения на электронном компоненте (чипе) (5) в канал подается только газ (1). Если тепловая нагрузка возрастает, то в канал подается дополнительно жидкость (2), формируется пленка жидкости (3). С ростом тепловой нагрузки максимально увеличиваются расходы жидкости и газа (до ~1 г/с и 1 л/с, соответственно). В случае еще большего повышения тепловыделения на электронном компоненте (5), жидкость дополнительно подается в каплеформирователь (6), который расположен над заранее известными зонами наиболее интенсивного тепловыделения. Причем истечение микрокапель жидкости осуществляется против направления течения газа, с таким расчетом, чтобы капли преодолели движущийся поток газа и достигли поверхности электронного компонента в нужной области (например, в области повышенного локального тепловыделения в чипе, или в области нижней по потоку кромке чипа, где зарождается первое сухое пятно). Неиспарившаяся жидкость вместе с парогазовой смесью из канала поступают в конденсатор-сепаратор (8), где происходит конденсация пара и сепарация газа. Из конденсатора-сепаратора (8) жидкость поступает в резервуар для жидкости (10), а газ поступает в резервуар для газа (7). Для поддержания необходимой температуры конденсатора, используется система охлаждения конденсатора (9).
Данная система охлаждения может работать в условиях микрогравитации, гипергравитации и переменной гравитации, а кроме того на транспортных средствах -автомобили, скоростные поезда, морские суда, самолеты, обитаемые и необитаемые космические аппараты, и станции.
Claims (1)
- Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанный на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, отличающийся тем, что осушенные области электронного компонента дополнительно орошают потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного на верхней стенке канала, над областями электронного компонента с максимальной плотностью теплового потока, причем истечение микрокапель жидкости осуществляется против направления течения газа под углом от 10 до 80 градусов к направлению течения газа.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016152540A RU2649170C1 (ru) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016152540A RU2649170C1 (ru) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2649170C1 true RU2649170C1 (ru) | 2018-03-30 |
Family
ID=61867244
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016152540A RU2649170C1 (ru) | 2016-12-30 | 2016-12-30 | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2649170C1 (ru) |
Cited By (4)
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 |
RU2732624C1 (ru) * | 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) | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и газокапельных потоков |
RU2760884C1 (ru) * | 2020-12-29 | 2021-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Двухфазная, гибридная, однокомпонентная система охлаждения электронного оборудования |
RU2773679C1 (ru) * | 2021-12-28 | 2022-06-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных потоков газа и микрокапель |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2246671C1 (ru) * | 2003-07-14 | 2005-02-20 | Киреев Владимир Васильевич | Испаритель-конденсатор |
WO2005030358A1 (de) * | 2003-10-02 | 2005-04-07 | Vtu-Engineering Planungs- Und Beratungsgesellschaft M.B.H. | Dünnschichtverdampfer |
US20130248153A1 (en) * | 2010-12-07 | 2013-09-26 | Breville Pty Limited | Direct air impingment cooling of package structures |
RU141207U1 (ru) * | 2013-12-05 | 2014-05-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИТФ УрО РАН) | Конденсатор контурной тепловой трубы |
-
2016
- 2016-12-30 RU RU2016152540A patent/RU2649170C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2246671C1 (ru) * | 2003-07-14 | 2005-02-20 | Киреев Владимир Васильевич | Испаритель-конденсатор |
WO2005030358A1 (de) * | 2003-10-02 | 2005-04-07 | Vtu-Engineering Planungs- Und Beratungsgesellschaft M.B.H. | Dünnschichtverdampfer |
US20130248153A1 (en) * | 2010-12-07 | 2013-09-26 | Breville Pty Limited | Direct air impingment cooling of package structures |
RU141207U1 (ru) * | 2013-12-05 | 2014-05-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИТФ УрО РАН) | Конденсатор контурной тепловой трубы |
Cited By (7)
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 |
RU2732624C1 (ru) * | 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) | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и газокапельных потоков |
RU2760884C1 (ru) * | 2020-12-29 | 2021-12-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Двухфазная, гибридная, однокомпонентная система охлаждения электронного оборудования |
RU2773679C1 (ru) * | 2021-12-28 | 2022-06-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных потоков газа и микрокапель |
RU2816280C1 (ru) * | 2023-10-25 | 2024-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Способ подачи микрокапель жидкости на нагретую поверхность твердого тела |
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 |
---|---|---|
US6571569B1 (en) | Method and apparatus for high heat flux heat transfer | |
US20060162365A1 (en) | Cooling electronics via two-phase tangential jet impingement in a semi-toroidal channel | |
US6827135B1 (en) | High flux heat removal system using jet impingement of water at subatmospheric pressure | |
RU2649170C1 (ru) | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости | |
US20070119568A1 (en) | System and method of enhanced boiling heat transfer using pin fins | |
Wang et al. | Investigation of a spray cooling system with two nozzles for space application | |
Kalani et al. | Flow patterns and heat transfer mechanisms during flow boiling over open microchannels in tapered manifold (OMM) | |
US5412536A (en) | Local condensation control for liquid impingement two-phase cooling | |
US7787248B2 (en) | Multi-fluid cooling system, cooled electronics module, and methods of fabrication thereof | |
US6952346B2 (en) | Etched open microchannel spray cooling | |
US9383145B2 (en) | System and method of boiling heat transfer using self-induced coolant transport and impingements | |
Wang et al. | Enhanced heat transfer by an original immersed spray cooling system integrated with an ejector | |
US6993926B2 (en) | Method and apparatus for high heat flux heat transfer | |
Liao et al. | Experimental study of boiling heat transfer in a microchannel with nucleated-shape columnar micro-pin-fins | |
Wang et al. | Comparative study of the heating surface impact on porous-material-involved spray system for electronic cooling–an experimental approach | |
CA2556666A1 (en) | Hotspot spray cooling | |
CN108444325B (zh) | 一种纳米薄膜与微通道相结合的冷却装置 | |
EP2265880A1 (en) | System and method for cooling a heat generating structure | |
US20050039883A1 (en) | High flux heat removal system using liquid ice | |
Tan et al. | Enhancement of flow boiling in the microchannel with a bionic gradient wetting surface | |
EP1860695A2 (en) | System and method of jet impingement cooling with extended surfaces | |
RU2706325C1 (ru) | Способ охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения | |
FI3913312T3 (fi) | Lämmönvaihdinlaitteisto sekä lämmönvaihdinlaitteiston käsittäviä jäähdytysjärjestelmiä | |
RU2773679C1 (ru) | Способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных потоков газа и микрокапель | |
RU2755608C1 (ru) | Способ охлаждения электронного оборудования |