RU2732624C1 - Method of cooling electronic equipment using combined film and gas-droplet flows - Google Patents
Method of cooling electronic equipment using combined film and gas-droplet flows Download PDFInfo
- Publication number
- RU2732624C1 RU2732624C1 RU2019144491A RU2019144491A RU2732624C1 RU 2732624 C1 RU2732624 C1 RU 2732624C1 RU 2019144491 A RU2019144491 A RU 2019144491A RU 2019144491 A RU2019144491 A RU 2019144491A RU 2732624 C1 RU2732624 C1 RU 2732624C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- gas
- electronic component
- microdroplets
- channel
- Prior art date
Links
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
-
- 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 теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования.The invention relates to heat engineering and can be used in cooling systems for electronic equipment.
Известен способ охлаждения электронного компонента [Kabov О.А., Lyulin Yu.V., Marchuk I.V. and Zaitsev D.V., Locally heated shear-driven liquid films in microchannel and minichannels, Int. Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 28, p. 103-112, 2007, Gatapova E.Ya., Marchuk I.V., Kabov O.A., Thermocapillary Deformation of a Locally Heated Liquid Film Moving under the Action of a Gas Flow, Technical Physics Letters, Vol. 30, Issue 5, pp. 418-421, 2004], в котором охлаждение происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, движущейся под действием вынужденного потока газа в канале.A known method of cooling the electronic component [Kabov OA, Lyulin Yu.V., Marchuk I.V. and Zaitsev D.V., Locally heated shear-driven liquid films in microchannel and minichannels, Int. Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 28, p. 103-112, 2007, Gatapova E.Ya., Marchuk I.V., Kabov O.A., Thermocapillary Deformation of a Locally Heated Liquid Film Moving under the Action of a Gas Flow, Technical Physics Letters, Vol. 30,
Известен способ охлаждения электронного оборудования пленочными и капельными потоками жидкости с использованием оребрения [патент РФ №2706325 от 25.12.2018. F28C 3/06], который основан на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, при котором поверхность электронного компонента орошают потоками микрокапель жидкости с помощью каплеформирователя, расположенного в верхней стенке канала по всей длине электронного компонента, причем поверхность электронного компонента структурирована путем нанесения ребер треугольного сечения, ориентированных вдоль течения, а истечение микрокапель жидкости осуществляют вдоль вершин ребер с таким расчетом, чтобы капли попадая на не смоченную поверхность ребер деформировались, формировали существенную суммарную длину контактных линий газ-жидкость-твердое тело и быстро испарялись.A known method of cooling electronic equipment with film and drip flows of liquid using ribbing [RF patent No. 2706325 from 25.12.2018.
Наиболее близкое техническое решение - способ охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков [патент РФ №2649170, 30.12.2016, F28C 3/06], который основан на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, при этом электронный компонент орошают потоками микрокапель жидкости, формируемых с помощью каплеформирователя, расположенного в 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.The closest technical solution is a method of cooling electronic equipment using combined film and drop flows [RF patent No. 2649170, 12/30/2016, F28C 3/06], which is based on the movement of a thin liquid film due to the gas flow in the channel, while the electronic component irrigate with streams of liquid microdroplets formed using a droplet former located in the upper wall of the channel above the regions of the electronic component with the maximum heat flux density, and the outflow of liquid microdroplets is carried out against the direction of gas flow at an angle of 10 to 80 degrees to the direction of gas flow.
Недостаток указанных технических решений - относительно малые величины критического теплового потока, которые можно иметь в данной системе охлаждения при небольших расходах жидкости и газа. Данный факт можно объяснить с точки зрения понятия оптимальной системы охлаждения, т.е. в оптимальной системе охлаждения массовые расходы жидкости на входе в канал и испаряющейся равны. На практике массовый расход испарившейся жидкости существенно меньше массового расхода жидкости на входе в канал, т.к. на пленку жидкости действуют различные силы - инерции, поверхностные, термокапиллярные и др., которые приводят к волнообразованию и неоднородному распределению пленки жидкости по поперечному сечению канала [Chinnov Е.А., Ron'shin F.V., Kabov О.А. Two-Phase Flow Patternsin Short Horizontal Rectangular Microchannels, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 80, pp. 57-68, 2016].The disadvantage of these technical solutions is the relatively small values of the critical heat flux that can be obtained in a given cooling system with low flow rates of liquid and gas. This fact can be explained in terms of the concept of an optimal cooling system, i.e. in an optimal cooling system, the mass flow rates of the liquid at the channel inlet and evaporating are equal. In practice, the mass flow rate of the evaporated liquid is much less than the mass flow rate of the liquid at the channel inlet, since various forces act on the liquid film - inertia, surface, thermocapillary, etc., which lead to wave formation and inhomogeneous distribution of the liquid film over the cross section of the channel [Chinnov EA, Ron'shin F.V., Kabov O.A. Two-Phase Flow Patternsin Short Horizontal Rectangular Microchannels, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 80, pp. 57-68, 2016].
Недостатком этих технических решений является также то, что для разделения впрыскиваемой струи на капли требуется значительная длина пробега струи. Это приводит к увеличению проходного сечения канала и габаритов системы. Кроме того, капли образуются самопроизвольно в результате неустойчивости впрыскиваемой струи жидкости и размерами капель трудно управлять. С точки зрения оптимизации системы и интенсификации процесса испарения необходимо иметь капли жидкости максимально малого размера, которые создают на поверхности теплообмена максимальную длину линий контакта газ - жидкость - подложка и относительно быстро испаряются.The disadvantage of these technical solutions is that a significant length of the jet's path is required to separate the injection jet into droplets. This leads to an increase in the flow area of the channel and the size of the system. In addition, droplets are formed spontaneously as a result of the instability of the injected liquid jet and the droplet size is difficult to control. From the point of view of optimizing the system and intensifying the evaporation process, it is necessary to have liquid droplets as small as possible, which create the maximum length of the gas - liquid - substrate contact lines on the heat exchange surface and evaporate relatively quickly.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов за счет использования комбинированных пленочных и газокапельных потоков жидкости.The objective of the claimed invention is to improve the cooling efficiency of highly heat-strained electronic components through the use of combined film and gas-droplet liquid flows.
Поставленную задачу решают тем, что в способе охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанном на движении тонкой пленки жидкости под действием потока газа в канале и дополнительном орошении поверхности электронного компонента смесью газа и микрокапель жидкости, которую формируют в сопловом устройстве путем смешения жидкости с потоком быстродвижущегося газа, подаваемого в сопловое устройство со стороны верхней крышки канала, и подают на электронный компонент с помощью соплового устройства. Полученную смесь газа и микрокапель жидкости подают на нагревательный элемент таким образом, чтобы по поверхности нагреваемого электронного компонента микрокапли распределялись равномерно, чтобы поверхность нагреваемого электронного компонента всегда была покрыта тонкой пленкой жидкости и температура нагреваемого электронного компонента не превышала заданную предельную температуру, чтобы формировались протяженные динамические контактные линии газ-жидкость-твердое тело, в которых осуществляется наиболее интенсивное испарение.The problem is solved by the fact that in the method of cooling electronic equipment using combined film and droplet liquid flows, based on the movement of a thin liquid film under the action of a gas flow in the channel and additional irrigation of the surface of the electronic component with a mixture of gas and liquid microdroplets, which is formed in the nozzle device by mixing the liquid with a flow of fast-moving gas supplied to the nozzle device from the side of the upper cover of the channel, and fed to the electronic component using the nozzle device. The resulting mixture of gas and liquid microdroplets is fed to the heating element in such a way that the microdroplets are evenly distributed over the surface of the heated electronic component, so that the surface of the heated electronic component is always covered with a thin film of liquid and the temperature of the heated electronic component does not exceed a predetermined limiting temperature, so that extended dynamic contact gas-liquid-solid lines, in which the most intense evaporation takes place.
Поступающие микрокапли жидкости обеспечивают высокую интенсивность теплообмена, препятствуют полному осушению поверхности электронного компонента по всей его длине, увеличивают критический тепловой поток и, в целом, увеличивают эффективность охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонент.Incoming microdroplets of liquid provide a high intensity of heat exchange, prevent complete drying of the surface of the electronic component along its entire length, increase the critical heat flux, and, in general, increase the efficiency of cooling of electronic components with high heat flux stress.
Высокая эффективность охлаждения достигается за счет более равномерного распределения капель малого размера по поверхности нагреваемого элемента, за счет создания более тонких пленок жидкости, а также за счет формирования протяженных динамических контактных линий газ-жидкость-твердое тело, в которых осуществляется наиболее интенсивное испарение (см. работу Ajaev, V.S., & Kabov, О.A. Heat and mass transfer near contact lines on heated surfaces. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 108, 918-932. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.079).High cooling efficiency is achieved due to a more uniform distribution of small droplets over the surface of the heated element, due to the creation of thinner liquid films, and also due to the formation of extended dynamic gas-liquid-solid contact lines, in which the most intense evaporation occurs (see. Ajaev, VS, & Kabov, O.A. Heat and mass transfer near contact lines on heated surfaces. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 108, 918-932. DOI: 10.1016 / j.ijheatmasstransfer.2016.11.079 ).
Необходимо отметить, что равномерный газокапельный поток с верхней крышки канала структурирует охлаждающая жидкость на электронном компоненте и делает температуру на электронном компоненте более однородной, что является важным в целом ряде приложений. За счет комбинации четырех видов охлаждения, а именно газ, прокачиваемый вдоль канала, пленка жидкости, микрокапли жидкости, поток газа с верхней крышки канала, в предложенном способе достигается высокая эффективность охлаждения, надежность и, одновременно, экономия энергоресурсов - электрической мощности на прокачку теплоносителей.It should be noted that a uniform gas-droplet flow from the upper channel cover structures the coolant on the electronic component and makes the temperature on the electronic component more uniform, which is important in a number of applications. Due to the combination of four types of cooling, namely gas pumped along the channel, liquid film, liquid microdroplets, gas flow from the top cover of the channel, the proposed method achieves high cooling efficiency, reliability and, at the same time, energy savings - electric power for pumping heat carriers.
Такая система приближается к оптимальной с точки зрения соотношения Gevap/G=1, где G - массовый расход жидкости на входе в канал, кг/с, Gevap - массовый расход испаряющейся жидкости, кг/с. На практике данное отношение, как правило, существенно меньше 1, т.к. на пленку жидкости действуют различные силы - инерции, поверхностные, термокапиллярные и др., которые приводят к волнообразованию и неоднородному распределению пленки жидкости по поперечному сечению канала.Such a system approaches the optimal one from the point of view of the ratio Gevap / G = 1, where G is the mass flow rate of the liquid at the channel inlet, kg / s, Gevap is the mass flow rate of the evaporating liquid, kg / s. In practice, this ratio is usually significantly less than 1, since Various forces act on the liquid film - inertia, surface, thermocapillary, etc., which lead to wave formation and inhomogeneous distribution of the liquid film over the channel cross section.
На чертеже показана система охлаждения электронного компонента на основе предлагаемого способа охлаждения электронного оборудования, где: 1 - вход газа в канал; 2 - вход жидкости в канал; 3 - испаряющаяся пленка жидкости; 4 - подложка; 5 - электронный компонент; 6 - сопловое устройство; 7 - вентиль для регулировки расхода жидкости в сопловое устройство; 8 - резервуар для газа; 9 - конденсатор-сепаратор; 10 - система охлаждения конденсатора; 11 - резервуар для жидкости; 12 - микрокапли жидкости с потоком газа; 13 - вентиль для регулировки расхода газа в сопловое устройство; 14 - верхняя крышка канала; 15 - микроканал.The drawing shows a cooling system for an electronic component based on the proposed method for cooling electronic equipment, where: 1 - gas inlet into the channel; 2 - fluid inlet into the channel; 3 - evaporating liquid film; 4 - substrate; 5 - electronic component; 6 - nozzle device; 7 - valve for adjusting the flow rate of liquid into the nozzle device; 8 - gas reservoir; 9 - condenser separator; 10 - condenser cooling system; 11 - reservoir for liquid; 12 - liquid microdroplets with a gas flow; 13 - valve for adjusting the gas flow rate into the nozzle device; 14 - channel top cover; 15 - microchannel.
Способ осуществляют следующим образом.The method is carried out as follows.
В микроканал 15, одна из стенок которого является подложкой 4 с электронным тепловыделяющим компонентом 5, через вход 2 подают жидкость, а через вход 1 подают газ, создавая течение тонкой пленки жидкости 3, увлекаемой потоком газа.In
При достижении критического теплового потока (1 кВт/см2) в сопловое устройство подают жидкость, формируют в нем микрокапли, и орошают поверхность электронного компонента.When a critical heat flux (1 kW / cm 2 ) is reached, a liquid is supplied to the nozzle device, microdroplets are formed in it, and the surface of the electronic component is irrigated.
При достижении на электронном компоненте предельных значений теплового потока (значений теплового потока при котором температура поверхности достигает критической для заданного электронного компонента, либо при котором осушается поверхность электронного компонента) в сопловое устройство со стороны верхней крышки канала 14 подают дополнительно поток быстродвижущегося газа, формируя в нем смесь газа и микрокапель жидкости 12, которой через сопловое устройство орошают поверхность электронного компонента. Истечение смеси газа и микрокапель жидкости осуществляют против направления течения газа вдоль канала, с таким расчетом, чтобы микрокапли жидкости преодолели движущийся поток газа и достигли поверхности электронного компонента.When the electronic component reaches the limiting values of the heat flux (the values of the heat flux at which the surface temperature reaches a critical value for a given electronic component, or at which the surface of the electronic component is dried), an additional flow of fast-moving gas is fed into the nozzle device from the side of the upper cover of the
Микрокапли жидкости, формирующиеся в сопловом устройстве, поступают на электронный компонент и обеспечивают высокую интенсивность теплообмена, препятствуют полному осушению поверхности электронного компонента, увеличивают критический тепловой поток и в целом увеличивают эффективность охлаждения электронного устройства за счет формирования протяженной динамической линии контакта газ-жидкость-твердое тело в которой осуществляется наиболее интенсивное испарение.Microdroplets of liquid formed in the nozzle device enter the electronic component and provide a high intensity of heat transfer, prevent complete drying of the surface of the electronic component, increase the critical heat flux, and generally increase the cooling efficiency of the electronic device due to the formation of an extended dynamic line of gas-liquid-solid contact in which the most intense evaporation is carried out.
Неиспарившаяся жидкость вместе с паро-газовой смесью из канала поступает в конденсатор-сепаратор 9, где происходит конденсация пара и сепарация газа.The non-evaporated liquid together with the vapor-gas mixture from the channel enters the condenser-separator 9, where the vapor condenses and the gas is separated.
Из конденсатора-сепаратора жидкость поступает в резервуар для жидкости 11, а газ поступает в резервуар для газа 8.From the condenser-separator, the liquid enters the liquid reservoir 11, and the gas enters the
Для поддержания необходимой температуры конденсатора, используют систему охлаждения конденсатора 10.To maintain the required condenser temperature, the
Регулировку расхода жидкости в сопловом устройстве осуществляют с помощью вентиля 7, а регулировку расхода газа в сопловом устройстве осуществляют с помощью вентиля 13.The liquid flow rate in the nozzle device is adjusted using the valve 7, and the gas flow rate in the nozzle device is adjusted using the
Использование исследуемого технического решения позволяет достичь стабильной работы устройств 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.The use of the investigated technical solution makes it possible to achieve stable operation of cooling devices for microelectronic equipment in any, including non-standard situations, in particular, in the case of pressure pulsations, system vibrations, system deviation from the horizontal position, non-uniform or unsteady heat generation on the electronic component.
Данная система охлаждения может работать в условиях микрогравитации, гипергравитации и переменной гравитации.This cooling system can operate in microgravity, hypergravity and variable gravity conditions.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019144491A RU2732624C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Method of cooling electronic equipment using combined film and gas-droplet flows |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019144491A RU2732624C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Method of cooling electronic equipment using combined film and gas-droplet flows |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2732624C1 true RU2732624C1 (en) | 2020-09-21 |
Family
ID=72922329
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019144491A RU2732624C1 (en) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Method of cooling electronic equipment using combined film and gas-droplet flows |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2732624C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2802413C1 (en) * | 2022-10-10 | 2023-08-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Experimental module of multi-jet impulse gas-drop cooling system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU519880A1 (en) * | 1974-07-02 | 1976-06-30 | Предприятие П/Я Г-4371 | Device for cooling radioelectrode devices |
US4450896A (en) * | 1981-09-17 | 1984-05-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and apparatus for heat exchange at solid surfaces |
US6571569B1 (en) * | 2001-04-26 | 2003-06-03 | Rini Technologies, Inc. | Method and apparatus for high heat flux heat transfer |
RU2620732C1 (en) * | 2016-06-27 | 2017-05-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels |
RU2649170C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method of electronic equipment cooling using combined film and drop liquid flows |
-
2019
- 2019-12-27 RU RU2019144491A patent/RU2732624C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU519880A1 (en) * | 1974-07-02 | 1976-06-30 | Предприятие П/Я Г-4371 | Device for cooling radioelectrode devices |
US4450896A (en) * | 1981-09-17 | 1984-05-29 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and apparatus for heat exchange at solid surfaces |
US6571569B1 (en) * | 2001-04-26 | 2003-06-03 | Rini Technologies, Inc. | Method and apparatus for high heat flux heat transfer |
RU2620732C1 (en) * | 2016-06-27 | 2017-05-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Wall adjacent drops fluid flows shaper in micro- and mini-channels |
RU2649170C1 (en) * | 2016-12-30 | 2018-03-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) | Method of electronic equipment cooling using combined film and drop liquid flows |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2802413C1 (en) * | 2022-10-10 | 2023-08-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Experimental module of multi-jet impulse gas-drop cooling system |
RU2816279C1 (en) * | 2023-10-05 | 2024-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | System for cooling electronic equipment with mixture of steam and non-condensed gas |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI279508B (en) | Falling film evaporator | |
US20120324911A1 (en) | Dual-loop cooling system | |
EP3171111A1 (en) | Evaporator assembly | |
RU2732624C1 (en) | Method of cooling electronic equipment using combined film and gas-droplet flows | |
US9903623B2 (en) | Ejector having an atomization mechanism and heat pump apparatus | |
US9459049B2 (en) | Method for cooling liquid | |
RU2649170C1 (en) | Method of electronic equipment cooling using combined film and drop liquid flows | |
CN111670333B (en) | Latent heat exchanger chamber device | |
JP3567831B2 (en) | Vaporizer | |
JPH11269653A (en) | Liquid material vaporization apparatus | |
RU2665565C1 (en) | Evaporator for spacecraft thermal regulation system | |
JP4592581B2 (en) | Effervescent liquid concentrator | |
RU2773679C1 (en) | Method for cooling electronic equipment using combined gas and microdroples flow | |
RU2581522C1 (en) | Method of cooling electronic equipment using condenser-film former | |
RU186246U1 (en) | EVAPORATOR | |
RU2462286C1 (en) | Method of fluid evaporation in evaporator | |
RU2706325C1 (en) | Method of cooling electronic equipment with film and droplet flows of liquid using finning | |
RU2760884C1 (en) | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system | |
Orlova et al. | Evaporation rate of a liquid layer streamlined by gas flow in minichannel | |
US5802858A (en) | Cryogenic cooling tower | |
JP2008096062A (en) | Evaporative cooling device | |
RU213965U1 (en) | EVAPORATOR | |
JPH1074746A (en) | Liquid raw material vaporizing apparatus | |
Karpov et al. | Heat and mass transfer are in the interaction of multi-pulsed spray with vertical surfaces in the regime of evaporative cooling | |
EP2657957B1 (en) | Vaporizer |