RU2732419C1 - Micro heat exchanger - Google Patents

Micro heat exchanger Download PDF

Info

Publication number
RU2732419C1
RU2732419C1 RU2019135253A RU2019135253A RU2732419C1 RU 2732419 C1 RU2732419 C1 RU 2732419C1 RU 2019135253 A RU2019135253 A RU 2019135253A RU 2019135253 A RU2019135253 A RU 2019135253A RU 2732419 C1 RU2732419 C1 RU 2732419C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
micro
heat exchanger
microchannels
channels
Prior art date
Application number
RU2019135253A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Руфат Шовкет оглы Абиев
Максим Павлович Васильев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт(технический университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт(технический университет)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт(технический университет)"
Priority to RU2019135253A priority Critical patent/RU2732419C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2732419C1 publication Critical patent/RU2732419C1/en

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
    • F28D1/00—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, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—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, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—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, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/047—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, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D1/0477—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, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag the conduits being bent in a serpentine or zig-zag
    • 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
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

FIELD: heating equipment.
SUBSTANCE: proposed invention relates to heat engineering and can be used for removal of large amount of heat from small surface. In micro heat exchanger containing heated rectangular base with micro channels placed on it, inputs into which are connected to heat carrier supply header, and outputs from micro channels are connected to heat carrier removal header, micro channels are located across heated base, wherein each of micro channels has from three to five strokes.
EFFECT: invention increases heat power transferred by the micro heat exchanger at a given area of heat removal, id est specific heat power, increasing density of heat flow at simultaneous reduction of coefficient of non-uniformity of temperature distribution along area of cooled object.
1 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для передачи тепла от различных устройств микроэлектроники, таких как микропроцессоры, видеопроцессоры, для охлаждения солнечных батарей, люминесцентных ламп, а также для использования с микрофлюидными устройствами - микрореакторами, микросмесителями, микроэмульгаторами с целью поддержания заданной температуры процесса, отвода или подвода теплоты реакции, и может применяться для других объектов, требующих отвода большого количества тепла с маленькой поверхности.The proposed invention relates to devices for transferring heat from various microelectronic devices, such as microprocessors, video processors, for cooling solar batteries, fluorescent lamps, as well as for use with microfluidic devices - microreactors, micro-mixers, microemulsifiers in order to maintain a given temperature of the process, removal or supply heat of reaction, and can be used for other objects requiring a large amount of heat to be removed from a small surface.

В одной из первых работ по исследованию микротеплообменников для охлаждения микропроцессоров (D.В. Tuckerman, R. F. W. Pease, High-Performance Heat Sinking for VLSI // IEEE Electron device letters, VOL. EDL-2, NO. 5, MAY 1981, c. 126-129) исследовано термическое сопротивление микротеплообменника с параллельными каналами от расхода жидкости (хладагента). В последующих работах также исследовались характеристики микротеплообменника с параллельными каналами.In one of the first works on the study of micro heat exchangers for cooling microprocessors (D.V. Tuckerman, RFW Pease, High-Performance Heat Sinking for VLSI // IEEE Electron device letters, VOL. EDL-2, NO. 5, MAY 1981, p. 126-129), the thermal resistance of a micro-heat exchanger with parallel channels on the flow rate of the liquid (refrigerant) was investigated. Subsequent works also investigated the characteristics of a micro heat exchanger with parallel channels.

Известно устройство (устройство-аналог) - охлаждаемый жидкостью микротеплообменник (пат. США 4894709, 1988 г., H01L 25/04), применяемый для охлаждения силовых электронных компонентов, содержащий множество параллельных каналов, находящихся в непосредственном контакте с охлаждаемой поверхностью интегральной микросхемы, через которые подается жидкость в ламинарном или турбулентном режиме, отличающийся тем, что вокруг охлаждаемой поверхности интегральной микросхемы расположен компенсирующий нагреватель, нагреваемый с такой же интенсивностью, как и интегральная микросхема.A known device (analog device) is a liquid-cooled micro-heat exchanger (US Pat. which are supplied with liquid in a laminar or turbulent mode, characterized in that a compensating heater is located around the cooled surface of the integrated microcircuit, heated with the same intensity as the integrated microcircuit.

Известное устройство позволяет снизить неравномерность температуры по охлаждаемой поверхности. Однако, в связи с необходимостью отвода теплоты от дополнительного источника - компенсирующего нагревателя, в известном устройстве приходится подводить хладагент с удвоенным расходом.The known device makes it possible to reduce the temperature unevenness over the cooled surface. However, due to the need to remove heat from an additional source - a compensating heater, in the known device it is necessary to supply a refrigerant with a double flow rate.

Известно устройство (устройство-аналог) - микроканальный теплообменник (пат. США 5099311, 1992 г., H01L 25/04; H01L 23/02; F28F 7/00; Н02В 1/00), содержащий микроканальный слой, выполненный преимущественно из силикона, и слой коллекторов, преимущественно выполненный из стекла. Эластичный уплотнитель расположен между подводящим патрубком и корпусом теплообменника для обеспечения герметичности.A known device (analog device) is a microchannel heat exchanger (US Pat. No. 5099311, 1992, H01L 25/04; H01L 23/02; F28F 7/00; H2B 1/00) containing a microchannel layer made mainly of silicone, and a layer of collectors, preferably made of glass. An elastic seal is located between the inlet and the heat exchanger body to ensure tightness.

Известное устройство может использоваться в суперкомпьютерах и других электронных устройствах, в том числе для охлаждения до сверхнизких температур.The known device can be used in supercomputers and other electronic devices, including for cooling to ultra-low temperatures.

В известном устройстве микроканалы выполнены параллельно, что, как показывают расчеты, не обеспечивает необходимой равномерности распределения температуры по площади охлаждаемого объекта (микропроцессора, микросхемы и т.п.), как указано в работе (Н.-С. Chiu, J.-Н. Jang, H.-W. Yeh, M.-S. Wu, The heat transfer characteristics of liquid cooling heatsink containing microchannels // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, т. 54, с. 34-42).In the known device, the microchannels are made in parallel, which, as calculations show, does not provide the necessary uniformity of temperature distribution over the area of the cooled object (microprocessor, microcircuit, etc.), as indicated in the work (N.-C. Chiu, J.-H Jang, H.-W. Yeh, M.-S. Wu, The heat transfer characteristics of liquid cooling heatsink containing microchannels // International Journal of Heat and Mass Transfer, 2011, vol. 54, pp. 34-42).

Известен микротеплообменник (устройство-прототип) (J. Li, G. P. "Bud" Peterson, Geometric Optimization of a Micro Heat Sink With Liquid Flow // IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 29, NO. 1, MARCH 2006, c. 145-154), в котором в параллельно расположенные микроканалы подают хладагент. В указанной работе исследовано влияние линейной плотности (числа на единицу длины) параллельных микроканалов (оно варьировалось от 40 до 140 на сантиметр) на термическое сопротивление. Было выявлено, что оптимальными являются значения: плотность каналов 120 шт/см, отношение глубины микроканала к ширине должно быть максимально большим.Known micro heat exchanger (prototype device) (J. Li, GP "Bud" Peterson, Geometric Optimization of a Micro Heat Sink With Liquid Flow // IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 29, NO. 1, MARCH 2006, p. . 145-154), in which the refrigerant is supplied to the parallel located microchannels. In this work, the influence of the linear density (number per unit length) of parallel microchannels (it varied from 40 to 140 per centimeter) on thermal resistance was investigated. It was found that the optimal values are: channel density 120 pcs / cm, the ratio of microchannel depth to width should be as large as possible.

Известное устройство позволяет минимизировать термическое сопротивление устройства, но в рамках заданной геометрии (топологии) устройства с параллельными каналами.The known device makes it possible to minimize the thermal resistance of the device, but within a given geometry (topology) of a device with parallel channels.

Вместе с тем, предельная тепловая нагрузка, а также коэффициента неравномерности распределения температуры в устройстве-прототипе ограничена особенностями его топологии.At the same time, the limiting thermal load, as well as the coefficient of uneven temperature distribution in the prototype device, is limited by the peculiarities of its topology.

По мере роста производительности микропроцессоров и выделяемой ими тепловой мощности использование известных устройств приводит к существенному локальному перегреву на некоторых участках известных микротеплообменников, в результате чего происходит преждевременный отказ охлаждаемых ими электронных компонентов.As the performance of microprocessors and the thermal power emitted by them grows, the use of known devices leads to significant local overheating in some areas of the known micro heat exchangers, as a result of which premature failure of the electronic components cooled by them occurs.

Задача предлагаемого изобретения - повышение передаваемой микротеплообменником тепловой мощности при заданной площади теплосъема (площади объекта, от которого отводится тепло, равной площади основания микротеплообменника), т.е. удельной тепловой мощности, повышение плотности теплового потока при одновременном снижении коэффициента неравномерности распределения температуры по площади охлаждаемого объекта.The objective of the present invention is to increase the heat power transmitted by the micro heat exchanger for a given heat removal area (the area of the object from which heat is removed, equal to the area of the base of the micro heat exchanger), i.e. specific heat power, increasing the heat flux density while reducing the coefficient of uneven temperature distribution over the area of the cooled object.

Поставленная задача достигается тем, что в микротеплообменнике, содержащем нагреваемое прямоугольное основание с размещенными на нем микроканалами, входы в которые соединены с коллектором подачи теплоносителя, а выходы из микроканалов соединены с коллектором отвода теплоносителя, отличающийся тем, что микроканалы расположены поперек нагреваемого основания, причем каждый из микроканалов имеет от трех до пяти ходов.The task is achieved by the fact that in a micro heat exchanger containing a heated rectangular base with microchannels placed on it, the inputs to which are connected to the coolant supply manifold, and the microchannel outputs are connected to the coolant outlet collector, characterized in that the microchannels are located across the heated base, each of microchannels has from three to five passes.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.

На фиг. 1 показаны принципиальные схемы топологий микротеплообменников, или микроканальных теплообменников (далее сокращенно обозначенных как МКТО): а - одноходовой традиционной топологии (I-образный МКТО); б - трехходовой МКТО с поперечным расположением микроканалов (N-образной топологии); в - пятиходовой МКТО с поперечным расположением микроканалов (W-образной топологии). На фиг. 2 - основные геометрические размеры, общие для всех топологий микроканального теплообменника (включая базовую): длина и ширина основания Lb и Wb, толщина основания Hb, толщина ребра (стенки между микроканалами) Wfin, высота ребра Hfin, совпадающая с высотой микроканала Hch, ширина микроканала Wch. На фиг. 3 представлены графики зависимости: общего теплового сопротивления (а), коэффициента неравномерности распределения температуры (б), среднего числа Нуссельта (в) от мощности, необходимой для перекачивания хладагента для всех трех исследованных топологий микротеплообменников.FIG. 1 shows the schematic diagrams of the topologies of micro heat exchangers, or microchannel heat exchangers (hereinafter abbreviated as MKTO): a - one-way traditional topology (I-shaped MKTO); b - three-way MKTO with a transverse arrangement of microchannels (N-shaped topology); c - a five-way MKTO with a transverse arrangement of microchannels (W-shaped topology). FIG. 2 - basic geometric dimensions common to all topologies of a microchannel heat exchanger (including the basic one): length and width of the base L b and W b , thickness of the base H b , thickness of the rib (walls between microchannels) W fin , height of the rib H fin , coinciding with the height microchannel H ch , microchannel width W ch . FIG. 3 shows the graphs of the dependence: the total thermal resistance (a), the coefficient of non-uniformity of the temperature distribution (b), the average Nusselt number (c) on the power required for pumping the refrigerant for all three investigated topologies of micro heat exchangers.

Предлагаемый микротеплообменник (фиг. 1б, в) содержит нагреваемое прямоугольное основание 1 с размещенными на нем микроканалами 2, входы в которые соединены с коллектором 3 подачи теплоносителя, а выходы из микроканалов 2 соединены с коллектором 4 отвода теплоносителя. При этом микроканалы 2 расположены поперек нагреваемого основания 1, причем каждый из микроканалов имеет от трех (фиг. 1б) до пяти (фиг. 1в) ходов.The proposed micro-heat exchanger (Fig.1b, c) contains a heated rectangular base 1 with microchannels 2 placed on it, the inputs to which are connected to the coolant supply manifold 3, and the outputs from the microchannels 2 are connected to the coolant outlet collector 4. In this case, the microchannels 2 are located across the heated base 1, and each of the microchannels has from three (Fig. 1b) to five (Fig. 1c) passages.

Микроканалы отделены друг от друга стенками 5 (фиг. 2), имеющими высоту Hfin и толщину Wfin (эти и остальные размеры представлены в таблице 1).The microchannels are separated from each other by walls 5 (Fig. 2) having a height H fin and a thickness W fin (these and other dimensions are presented in Table 1).

Поперечное сечение микроканалов может быть прямоугольной, эллиптической формы или иметь иную форму. Число ходов микроканалов может составлять три, четыре или пять. Число ходов микроканалов, равное трем (фиг. 1б) или пяти (фиг. 1в), является предпочтительным, поскольку позволяет вывести все входы в микроканалы на одну сторону микротеплообменников - в коллектор 3, а все выходы из них - на другую сторону микротеплообменников - в коллектор 4 (фиг. 1б, в).The cross section of the microchannels can be rectangular, elliptical, or otherwise. The number of microchannel passes can be three, four or five. The number of microchannel passes equal to three (Fig.1b) or five (Fig.1c) is preferable, since it allows all the inputs to the microchannels to be brought to one side of the micro heat exchangers - to the collector 3, and all the outputs from them - to the other side of the micro heat exchangers - to collector 4 (Fig. 1b, c).

Выполненные нами расчеты, изложенные в примерах конкретного выполнения 1-3, показали, что микроканальный теплообменник с прямыми параллельными каналами (базовой топологии), отражающий уровень изобретений-аналогов и изобретения-прототипа, показали, что значения коэффициента теплоотдачи в нем недостаточно высокое, а коэффициент неравномерности распределения температуры довольно значительный, что может приводить к локальному перегреву охлаждаемого объекта - микропроцессора, микросхемы, а в последующем - к их отказу.Our calculations, set out in examples of specific executions 1-3, showed that a microchannel heat exchanger with straight parallel channels (basic topology), reflecting the level of analogous inventions and prototype inventions, showed that the values of the heat transfer coefficient in it are not high enough, and the coefficient the uneven temperature distribution is quite significant, which can lead to local overheating of the cooled object - a microprocessor, microcircuit, and subsequently to their failure.

В таблице 1 приведены геометрические размеры поперечного сечения прямоугольных микроканалов микроканального теплообменника и размеры его основания. Указанные геометрические размеры микроканалов и основания для всех топологий, описанных в примерах 1-3, были одинаковыми.Table 1 shows the geometric dimensions of the cross-section of rectangular microchannels of a microchannel heat exchanger and the dimensions of its base. The specified geometric dimensions of the microchannels and the base for all topologies described in examples 1-3 were the same.

Пример конкретного выполнения 1. Микроканальный теплообменник с прямыми параллельными каналами (базовая конфигурация согласно известным изобретениям, I-образная топология).An example of a specific implementation 1. Microchannel heat exchanger with straight parallel channels (basic configuration according to known inventions, I-shaped topology).

Оценим эффективность и тепловую производительность классического микроканального теплообменника (МКТО) с прямыми параллельными каналами (см. фиг. 1, а). Целевая величина теплового потока, отводимого теплообменником, составляет q=100 кВт/м2; площадь поверхности, к которой приложена тепловая нагрузка (площадь основания МКТО) Ah=4,75⋅10-4 м2 (длина и ширина основания Lb=50 мм, Wb=9,5 мм соответственно, эти и другие важные геометрические характеристики МКТО приведены на фиг. 2 и таблице 1). Материал, из которого выполнен теплообменник, - алюминий марки 6063-Т83, в качестве охлаждающей жидкости используется вода с начальной температурой Т=25°C (298 K), а скорость движения хладагента в каналах

Figure 00000001
варьировалась от 0,1 до 1 м/с. Ниже приведены примеры расчетов важнейших критериев оценки тепловых характеристик МКТО при
Figure 00000002
.Let us estimate the efficiency and thermal performance of a classic microchannel heat exchanger (MCTO) with straight parallel channels (see Fig. 1, a). The target value of the heat flux removed by the heat exchanger is q = 100 kW / m 2 ; surface area to which the thermal load is applied (area of the base of the MCTO) A h = 4.75⋅10 -4 m 2 (length and width of the base L b = 50 mm, W b = 9.5 mm, respectively, these and other important geometrical characteristics of MKTO are shown in Fig. 2 and Table 1). The material from which the heat exchanger is made is aluminum grade 6063-T83, water with an initial temperature of T = 25 ° C (298 K) is used as a coolant, and the speed of movement of the refrigerant in the channels
Figure 00000001
ranged from 0.1 to 1 m / s. Below are examples of calculations of the most important criteria for assessing the thermal characteristics of the MCTO at
Figure 00000002
...

Общее термическое сопротивление определяется как:Total thermal resistance is defined as:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Tb.max - максимальная температура на основании МКТО, К;where T b.max is the maximum temperature based on the MKTO, K;

Figure 00000004
- температура хладагента на входе, К.
Figure 00000004
- temperature of the refrigerant at the inlet, K.

Коэффициент неравномерности распределения температуры, определяется какThe coefficient of uneven temperature distribution is defined as

Figure 00000005
Figure 00000005

где Tb.min - минимальная температура на основании МКТО, К.where T b.min is the minimum temperature based on the MCTO, K.

Среднее число Нуссельта, рассчитывается какAverage Nusselt number, calculated as

Figure 00000006
Figure 00000006

где

Figure 00000007
- средняя температура на поверхности стенок МКТО и средняя температура хладагента, соответственно, К.Where
Figure 00000007
is the average temperature on the surface of the MCTO walls and the average temperature of the coolant, respectively, K.

Figure 00000008
- коэффициент теплопроводности хладагента, Вт/м⋅К;
Figure 00000008
- coefficient of thermal conductivity of the refrigerant, W / m⋅K;

Dh - гидравлический диаметр микроканала, м, который рассчитывается какD h - hydraulic diameter of the microchannel, m, which is calculated as

Figure 00000009
Figure 00000009

где Ach - площадь поперечного сечения канала, м2;where A ch is the channel cross-sectional area, m 2 ;

Pch - периметр канала, м.P ch - channel perimeter, m.

Мощность, необходимая для перекачивания хладагента через МКТО, определяется какThe power required to pump the refrigerant through the MTO is defined as

Np=V⋅ΔР=6⋅10-6⋅2652,5=0,0159 Вт,N p = V⋅ΔР = 6⋅10 -6 ⋅2652.5 = 0.0159 W,

где V - объемный расход хладагента через микроканальный теплообменник, м3/с;where V is the volumetric flow rate of the refrigerant through the microchannel heat exchanger, m 3 / s;

ΔР - потери давления в теплообменнике, Па.ΔР - pressure loss in the heat exchanger, Pa.

Максимальный достигаемый коэффициент теплоотдачи для базового вариантаMaximum achievable heat transfer coefficient for the base case

α1=7215 Вт/м2К.α 1 = 7215 W / m 2 K.

Пример конкретного выполнения 2. Микроканальный трехходовой микротеплообменник с поперечным расположением каналов (N-образная топология).An example of a specific implementation 2. Microchannel three-way micro heat exchanger with a transverse arrangement of channels (N-shaped topology).

Для оценки тепловой производительности трехходового МКТО (N-образной топологии) с поперечным расположением каналов (см. фиг. 1, б), как и в примере 1, рассчитаем общее термическое сопротивление, коэффициент неравномерности распределения температуры, среднее число Нуссельта (пример расчета при

Figure 00000010
):To assess the thermal performance of a three-way MKTO (N-shaped topology) with a transverse arrangement of channels (see Fig. 1, b), as in example 1, we calculate the total thermal resistance, the coefficient of uneven temperature distribution, the average Nusselt number (an example of calculation for
Figure 00000010
):

Figure 00000011
Figure 00000011

Мощность, необходимая для перекачивания хладагента через МКТО N-образной топологии с поперечным расположением каналов равнаThe power required for pumping refrigerant through the MKTO N-shaped topology with a transverse arrangement of channels is

Np=V⋅ΔР=1,1⋅10-5⋅4787=0,0527 ВтN p = V⋅∆Р = 1.1⋅10 -5 ⋅4787 = 0.0527 W

Максимальный достигаемый коэффициент теплоотдачиMaximum achievable heat transfer coefficient

α2=21456 Вт/м2К,α 2 = 21456 W / m 2 K,

что в 2,97 раз выше, чем для базового варианта (пример 1).which is 2.97 times higher than for the basic version (example 1).

Пример конкретного выполнения 3. Микроканальный пятиходовой микротеплообменник с поперечным расположением каналов (W-образная топология).An example of a specific implementation 3. Microchannel five-way micro-heat exchanger with a transverse arrangement of channels (W-shaped topology).

Для оценки тепловой производительности пятиходового МКТО (W-образной топологии) с поперечным расположением каналов (см. фиг. 1, в), рассчитаем общее термическое сопротивление, коэффициент неравномерности распределения температуры, среднее число Нуссельта (пример расчета при

Figure 00000010
):To assess the thermal performance of a five-way MKTO (W-shaped topology) with a transverse arrangement of channels (see Fig. 1, c), we calculate the total thermal resistance, the coefficient of uneven temperature distribution, the average Nusselt number (an example of calculation for
Figure 00000010
):

Figure 00000012
Figure 00000012

Мощность, необходимая для перекачивания хладагента через МКТО двойной W-образный топологии с поперечным расположением каналов равнаThe power required to pump refrigerant through the MKTO double W-shaped topology with a transverse arrangement of channels is

Np=V⋅ΔР=6⋅10-6⋅3847,1=0,0231 Вт.N p = V⋅ΔР = 6⋅10 -6 ⋅3847.1 = 0.0231 W.

Максимальный достигаемый коэффициент теплоотдачиMaximum achievable heat transfer coefficient

α3=23476 Вт/м2К,α 3 = 23476 W / m 2 K,

что в 3,25 раз выше, чем для базового варианта (пример 1).which is 3.25 times higher than for the base case (example 1).

Сравнение топологий микротеплообменников по примерам конкретного выполнения 1-3. Из результатов расчетов, представленных на фиг. 3, можно сделать вывод, что более высокие значения среднего числа Нуссельта наблюдаются для топологий с поперечным расположением каналов (с числом ходов три и пять, согласно предлагаемому изобретению) и

Figure 00000013
увеличивается с увеличением числа проходов теплоносителя, особенно при повышенных расходах хладагента. Вместе с тем, средние числа Нуссельта для трехходового и пятиходового микротеплообменников (N-образной и W-образной топологий) с поперечными каналами примерно совпадают и превышают средние числа Нуссельта для традиционной топологии МКТО в 2,2-2,9 раза при равных энергетических затратах на подачу хладагента (см. фиг. 3в). Во столько же раз возрастают и коэффициенты теплоотдачи в предлагаемых топологиях микротеплообменников, по сравнению с микротеплообменником базовой топологии. Кроме того, графики зависимости общего теплового сопротивления и коэффициента неравномерности распределения температуры по основанию МКТО от мощности, необходимой для перекачивания хладагента, демонстрируют преимущество топологий с поперечным расположением каналов, с числом ходов от трех до пяти, по сравнению с традиционной, I-образной, топологией МКТО (см. фиг. 3а, б).Comparison of the topologies of micro heat exchangers according to specific examples 1-3. From the calculation results presented in Fig. 3, we can conclude that higher values of the average Nusselt number are observed for topologies with a transverse arrangement of channels (with the number of strokes three and five, according to the proposed invention) and
Figure 00000013
increases with an increase in the number of passes of the coolant, especially with increased refrigerant flow rates. At the same time, the average Nusselt numbers for three-way and five-way micro heat exchangers (N-shaped and W-shaped topologies) with transverse channels approximately coincide and exceed the average Nusselt numbers for the traditional MCCO topology by 2.2-2.9 times with equal energy costs for refrigerant supply (see Fig. 3c). The heat transfer coefficients in the proposed topologies of micro heat exchangers increase by the same factor in comparison with the micro heat exchanger of the basic topology. In addition, the graphs of the dependence of the total thermal resistance and the coefficient of unevenness of the temperature distribution along the base of the MCTO on the power required for pumping the refrigerant demonstrate the advantage of topologies with a transverse arrangement of channels, with the number of strokes from three to five, in comparison with the traditional, I-shaped, topology MKTO (see Fig. 3a, b).

Аналогичные расчеты, проведенные для семиходового микротеплообменника, показали, что при увеличении числа ходов возрастают потери давления и затраты энергии Np на подачу хладагента, а неравномерность распределения температуры Θ возрастает (по сравнению с трехходовым и пятиходовым микротеплообменниками), приближаясь к значениям, полученным для теплообменника с I-образной топологией (продольными микроканалами).Similar calculations carried out for a seven-way micro heat exchanger showed that with an increase in the number of strokes, pressure losses and energy consumption N p for refrigerant supply increase, and the uneven temperature distribution Θ increases (in comparison with three-way and five-way micro heat exchangers), approaching the values obtained for the heat exchanger with I-shaped topology (longitudinal microchannels).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет существенно (в 2,2-2,9 раза) при равных энергетических затратах на подачу хладагента и при одинаковой площади основания микротеплообменника повысить коэффициенты теплоотдачи, увеличить плотность теплового потока, а значит, во столько же раз повысить эффективность теплосъема. При этом, несмотря на повышение плотности теплового потока, предлагаемое изобретение позволяет в 1,15 раза (для пятиходовой топологии МКТО) и в 1,73 раза (для трехходовой топологии МКТО) снизить коэффициент неравномерности распределения температуры по сравнению с известным микротеплообменником с продольными микроканалами (при скорости движения хладагента по микроканалам

Figure 00000010
).Thus, the proposed invention makes it possible to significantly (2.2-2.9 times) with equal energy costs for the supply of refrigerant and with the same base area of the micro heat exchanger to increase the heat transfer coefficients, increase the heat flux density, and, therefore, increase the efficiency of heat removal by the same amount ... At the same time, despite the increase in the heat flux density, the proposed invention allows 1.15 times (for a five-way MKTO topology) and 1.73 times (for a three-way MKTO topology) to reduce the coefficient of temperature unevenness in comparison with the known micro heat exchanger with longitudinal microchannels ( at the speed of movement of the refrigerant through the microchannels
Figure 00000010
).

Figure 00000014
Figure 00000014

Claims (1)

Микротеплообменник, содержащий нагреваемое прямоугольное основание с размещенными на нем микроканалами, входы в которые соединены с коллектором подачи теплоносителя, а выходы из микроканалов соединены с коллектором отвода теплоносителя, отличающийся тем, что микроканалы расположены поперек нагреваемого основания, причем каждый из микроканалов имеет от трех до пяти ходов.A micro heat exchanger containing a heated rectangular base with microchannels placed on it, the inputs to which are connected to the coolant supply manifold, and the microchannel outputs are connected to the coolant outlet collector, characterized in that the microchannels are located across the heated base, and each of the microchannels has from three to five moves.
RU2019135253A 2019-11-01 2019-11-01 Micro heat exchanger RU2732419C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019135253A RU2732419C1 (en) 2019-11-01 2019-11-01 Micro heat exchanger

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019135253A RU2732419C1 (en) 2019-11-01 2019-11-01 Micro heat exchanger

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2732419C1 true RU2732419C1 (en) 2020-09-16

Family

ID=72516576

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019135253A RU2732419C1 (en) 2019-11-01 2019-11-01 Micro heat exchanger

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2732419C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4516632A (en) * 1982-08-31 1985-05-14 The United States Of America As Represented By The United States Deparment Of Energy Microchannel crossflow fluid heat exchanger and method for its fabrication
US4894709A (en) * 1988-03-09 1990-01-16 Massachusetts Institute Of Technology Forced-convection, liquid-cooled, microchannel heat sinks
US5099311A (en) * 1991-01-17 1992-03-24 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Microchannel heat sink assembly
RU2089809C1 (en) * 1995-03-28 1997-09-10 Индивидуальное частное предприятие Бурцева "Бюро техники кондиционирования и охлаждения" Heat exchanger
EP2151653A2 (en) * 2008-08-08 2010-02-10 Mikros Manufacturing, Inc. Heat exchanger having winding micro-channels
RU2584081C1 (en) * 2015-06-08 2016-05-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Micro channel heat exchanger

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4516632A (en) * 1982-08-31 1985-05-14 The United States Of America As Represented By The United States Deparment Of Energy Microchannel crossflow fluid heat exchanger and method for its fabrication
US4894709A (en) * 1988-03-09 1990-01-16 Massachusetts Institute Of Technology Forced-convection, liquid-cooled, microchannel heat sinks
US5099311A (en) * 1991-01-17 1992-03-24 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Microchannel heat sink assembly
RU2089809C1 (en) * 1995-03-28 1997-09-10 Индивидуальное частное предприятие Бурцева "Бюро техники кондиционирования и охлаждения" Heat exchanger
EP2151653A2 (en) * 2008-08-08 2010-02-10 Mikros Manufacturing, Inc. Heat exchanger having winding micro-channels
RU2584081C1 (en) * 2015-06-08 2016-05-20 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" (ФГБОУ ВО "НИУ "МЭИ") Micro channel heat exchanger

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20100128436A1 (en) Method and apparatus for cooling electronics
US20080190586A1 (en) Carbon-based waterblock with attached heat exchanger for cooling of electronic devices
CN104465562A (en) Chain type staggered micro-channel structure
JP2006511787A (en) Channel flat fin heat exchange system, apparatus and method
BR102012015581A2 (en) COOLING DEVICE, ENERGY MODULE AND METHOD
KR102094009B1 (en) Temperature control apparatus for chemical liquid for manufacturing semiconductor
CN105576113A (en) Semiconductor refrigeration component
US11876036B2 (en) Fluid cooling system including embedded channels and cold plates
KR102076110B1 (en) Temperature control apparatus for chemical liquid for manufacturing semiconductor
WO2021047225A1 (en) Heat dissipation structure and heat dissipation system
CN113437031B (en) Embedded microchannel heat abstractor based on liquid metal
TWI718485B (en) Heat exchange device
RU2732419C1 (en) Micro heat exchanger
CN111106081A (en) Near-junction cooling device based on thin liquid film evaporation
CN108489303A (en) A kind of heat sink arrangement with thermal insulation layer
RU49607U1 (en) CPU COOLING DEVICE
CN111664733A (en) Heat radiator combining micro-channel heat exchanger with heat pipe
CN114664768A (en) Fin and rib plate combined type micro-channel radiator
CN211578737U (en) Near-junction cooling device based on thin liquid film evaporation
RU107582U1 (en) MICROCHANNEL HEAT EXCHANGER WITH NANORELIEF
CN111366018B (en) Semiconductor refrigeration heat dissipation assembly and semiconductor refrigeration equipment
Pourghasemi et al. Thermal-Fluid Analysis and Optimization of Micro-Scale Heat Sinks With Slip Boundary Condition Using Entropy Generation Minimization Method
CN114901056A (en) Heat dissipation device and electronic equipment
Huang et al. Comparative experimental study of heat sinks with piezoelectric pump
CN114071955A (en) Cooling device and electronic equipment comprising same