RU2760884C1 - Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system - Google Patents
Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2760884C1 RU2760884C1 RU2020143554A RU2020143554A RU2760884C1 RU 2760884 C1 RU2760884 C1 RU 2760884C1 RU 2020143554 A RU2020143554 A RU 2020143554A RU 2020143554 A RU2020143554 A RU 2020143554A RU 2760884 C1 RU2760884 C1 RU 2760884C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- heat
- microchannel
- mini
- electronic
- 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
- F28C3/06—Other direct-contact heat-exchange apparatus the heat-exchange media being a liquid and a gas or vapour
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в системах охлаждения электронного оборудования. В частности, оно относится к микромасштабным охлаждающим устройствам таким, как микроканальные теплообменники, которые обеспечивают высокую интенсивность теплообмена при течении жидкостей в относительно небольших объемах.The invention relates to heat engineering and can be used in cooling systems for electronic equipment. In particular, it relates to microscale cooling devices, such as microchannel heat exchangers, which provide a high heat exchange rate when liquid flows 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. Такие условия реализуются также в устройствах для 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. Such conditions are also realized in devices for 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, энергетика, химическая, биологическая, пищевая индустрии) все чаще возникают задачи, где объектом изучения является течение жидкости в мини- и микроканалах. 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 теплообмена в расчете на единицу объема достигает чрезвычайно высоких значений. Часто применяются плоские мини - и микроканалы с отношением ширины к высоте 10-400. При уменьшении высоты плоских каналов соотношение поверхности канала к его объему увеличивается обратно пропорционально его высоте, что приводит к высокой интенсивности передачи тепла.With the development of micro- and nanotechnologies and their introduction into various branches of human activity (electronics, energy, chemical, biological, food industries), more and more problems arise where the object of study is the flow of liquid in mini- and microchannels. Despite the low values of Reynolds numbers and, as a rule, the absence of turbulence, a high heat transfer rate is provided in microchannels due to the low values of thermal resistances of the walls and heat carriers. The heat transfer surface per unit volume reaches extremely high values. Flat mini- and microchannels with a width-to-height ratio of 10-400 are often used. With a decrease in the height of the flat channels, the ratio of the channel surface to its volume increases in inverse proportion to its height, which leads to a high intensity of heat transfer.
Поиск новых методов существенной интенсификации теплообмена является одной из самых актуальных проблем. Глобальной задачей является интенсификация теплообмена с целью достижения коэффициентов теплоотдачи порядка 100-300 кВт/м2К и более, тепловых потоков порядка 500-1500 Вт/см2 и более.The search for new methods of significant intensification of heat transfer is one of the most pressing problems. The global task is to intensify heat transfer in order to achieve heat transfer coefficients of the order of 100-300 kW / m 2 K and more, heat fluxes of the order of 500-1500 W / cm 2 and more.
Известно устройство охлаждения интегральных микросхем [US 7957137, 25.02.2010, H01L 23/38; H01L 23/473; H05K 7/20], в котором используют систему плоских микроканалов и тонкую пленку жидкости для охлаждения интегральных микросхем. Устройство включает в себя подложку, на которой методом перевернутого кристалла ("flip-chip" методом) смонтирована интегральная микросхема, а на микросхеме - система микроканалов, сформированных множеством микроканавок. Высота микроканалов составляет порядка 300 мкм, ширина - порядка 200 мкм. В некоторых каналах установлены термоэлектрические элементы.Known cooling device for integrated circuits [US 7957137, 25.02.2010, H01L 23/38; H01L 23/473;
Недостатки устройства:Disadvantages of the device:
1) значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах;1) significant energy losses when pumping liquid in the channels;
2) техническая сложность монтажа такой системы;2) the technical complexity of the installation of such a system;
3) необходимость принятия мер по изоляции термоэлектрических элементов.3) the need to take measures to isolate thermoelectric elements.
Известно устройство охлаждения микроэлектронного оборудования [EP 1662852, 31.05. 2006 г., H01L 23/473; H05K 7/20], включающее один или несколько микроканалов длиной от 50 до 500 мкм и шириной 500 мкм, на внутреннюю поверхность которых нанесены наноструктурированные области с гидрофобным покрытием. Расположение и геометрия наноструктурированных областей подбираются таким образом, чтобы минимизировать сопротивление при движении потока жидкости по каналу и регулировать эффективность теплообмена.A device for cooling microelectronic equipment is known [EP 1662852, 31.05. 2006, H01L 23/473;
Основной недостаток устройства - значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах.The main disadvantage of the device is significant energy losses when pumping liquid in the channels.
Важной не решенной проблемой остается снятие высоких и сверхвысоких тепловых потоков (более 1 кВт с 1 см2) с различных электронных компонентов. Часто плотность теплового потока на электронном компоненте, например, на чипе компьютера является существенно 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 на границе раздела газ-жидкость стремятся переместить жидкость с более нагретых областей в менее нагретые и усиливают проблему возникновения локального кризиса теплообмена в случае двухкомпонентной жидкости или при использовании жидкости и инертного, неконденсируемого газа (например, азота). В случае однородного тепловыделения по поверхности чипа разрушение и высыхание теплоносителя начинается, как правило, от дальней кромки электронного компонента по течению, что подтверждается многочисленными опытами авторов патента.An important unsolved problem is the removal of high and ultra-high heat fluxes (more than 1 kW per 1 cm 2 ) from various electronic components. Often the heat flux density on an electronic component, for example, on a computer chip, is significantly heterogeneous [A. Bar-Cohen, P. Wang, Thermal Management of On-Chip Hot Spot // J. Heat Transfer 134 (5), 051017, 2012]. In areas of more intense heat release, the heat transfer fluid evaporates faster than on the entire chip, which can cause the formation of localized dry spots. Thermocapillary forces at the gas-liquid interface tend to move the liquid from warmer regions to less heated ones and increase the problem of a local heat transfer crisis in the case of a two-component liquid or when using a liquid and an inert, non-condensable gas (for example, nitrogen). In the case of uniform heat release over the chip surface, the destruction and drying of the coolant begins, as a rule, from the far edge of the electronic component downstream, which is confirmed by numerous experiments of the authors of the patent.
В статье [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 // 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.In the article [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 // Proc. of 2nd International Conference on Microchannels and Minichannels, June 17-19, 2004, Rochester, Paper No. ICMM2004-2399, pp. 687-694, 2004] proposed a technical solution in which the cooling of the electronic component is based on the movement of a liquid film under the action of a forced flow of vapor or gas.
Одно из технических решений описано в статье [Kabov O.A., 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. За счет использования входов газа и жидкости в канал специальной конструкции осуществляется расслоенное течение жидкости, которое является оптимальным с точки зрения гидравлического сопротивления как показано в работе авторов [Ronshin F.V., Dementyev Y.A., Chinnov E.A., Cheverda V.V., Kabov O.A. Experimental investigation of adiabatic gas-liquid flow regimes and pressure drop in slit microchannel // Microgravity science and technology. - 2019. - 31(5). - p. 693-707].One of the technical solutions is described in the article [Kabov OA, Lyulin Yu.V., Marchuk IV and Zaitsev DV, Locally heated shear-driven liquid films in microchannels and minichannels, Int. Journal of Heat and Fluid Flow , Vol. 28, p. 103-112, 2007]. In this method, the cooling of the electronic component occurs due to the evaporation of a thin liquid film moving under the action of a forced gas flow in the channel. Due to the use of gas and liquid inlets into a channel of a special design, a stratified liquid flow is carried out, which is optimal from the point of view of hydraulic resistance, as shown in the work of the authors [Ronshin FV, Dementyev YA, Chinnov EA, Cheverda VV, Kabov OA Experimental investigation of adiabatic gas- liquid flow regimes and pressure drop in slit microchannel // Microgravity science and technology. - 2019. - 31 (5). - p. 693-707].
Наиболее близкой по совокупности признаков и получаемому результату является устройство для реализации способа охлаждения электронного оборудования с использованием комбинированных пленочных и капельных потоков жидкости, основанного на движении тонкой пленки жидкости за счет потока газа в канале, [патент РФ №2649170, 30.03.2018, F28C 3/06]. Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов. Согласно указанному 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.The closest in terms of the set of features and the result obtained is a device for implementing a method for cooling electronic equipment using combined film and drop flows of liquid, based on the movement of a thin film of liquid due to a gas flow in a channel, [RF patent No. 2649170, 03/30/2018, F28C 3 / 06]. The objective of the invention is to improve the efficiency of cooling highly heat-stressed electronic components. According to this invention, the dried areas of the electronic component are irrigated with flows of liquid microdroplets using a drop former located on the upper wall of the channel above the areas 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 to the direction of gas flow (from ~ 10 to 80 degrees, depending on the speed of gas movement, as well as the speed and size of microdroplets). The outflow of liquid microdroplets is carried out in such a way that the droplets overcome the moving gas flow and reach the surface of the electronic component in the desired area. The areas of the electronic component with the maximum heat flux are determined based on the features of the chip architecture. In the case of uniform heat release over the chip surface, liquid microdroplets are directed to the region of the downstream edge of the chip, where the first dry spots appear.
Недостатком этого технического решения является относительно малая возможная протяженность поверхности охлаждения. Данный факт объясняется тем, что охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения жидкости, которая движется вдоль канала в относительно тонкой пленке жидкости (толщина пленки порядка 50-200 микрон) под действием потока газа. За счет роста скорости газа расход жидкости в пленке может быть увеличен, но до определенного предела, что связано с процессом уноса жидкости потоком газа. Чтобы отвести определенное количество тепла, постоянно выделяющегося на электронном компоненте, необходимо испарить определенное количество жидкости. Наиболее оптимальной системой охлаждения является система, в которой 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 практически для всех типов жидкостных систем охлаждения, так как на пленку жидкости действуют различные силы - инерции, поверхностные, термокапиллярные и другие, которые приводят к волнообразованию и неоднородному распределению жидкости поперек пленки. Таким образом, расход жидкости в конечном сечении источника тепла не может быть близок к нулю. Это утверждение относится и к системам охлаждения, основанным на кипении жидкости в мини- и микроканалах. В таких системах при значительных расходах жидкости и газа реализуется кольцевой режим течения, где жидкость движется по всему периметру канала, а не только по поверхности с охлаждаемыми элементами.The disadvantage of this technical solution is the relatively small possible length of the cooling surface. This fact is explained by the fact that the cooling of the electronic component occurs due to the evaporation of liquid, which moves along the channel in a relatively thin liquid film (film thickness of the order of 50-200 microns) under the action of a gas flow. Due to an increase in the gas velocity, the liquid flow rate in the film can be increased, but up to a certain limit, which is associated with the process of liquid entrainment by the gas flow. To remove a certain amount of heat constantly generated on the electronic component, it is necessary to evaporate a certain amount of liquid. The most optimal cooling system is a system in which 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, as a rule, is significantly less than 1 for practically all types of liquid cooling systems, since various forces act on the liquid film - inertia, surface, thermocapillary, and others, which lead to wave formation and non-uniform liquid distribution across the film. Thus, the liquid flow rate in the final section of the heat source cannot be close to zero. This statement also applies to cooling systems based on liquid boiling in mini- and microchannels. In such systems, with significant flow rates of liquid and gas, an annular flow regime is realized, where the liquid moves along the entire perimeter of the channel, and not only along the surface with cooled elements.
Недостатком вышеупомянутого технического решения является также то, что система является достаточно сложной в техническом исполнении. Система требует использование второй фазы инертного, неконденсируемого газа, для перекачки которой требуется специальный насос и резервуар. Кроме того, существенно усложняется конструкция сепаратора газа и конденсатора.The disadvantage of the above-mentioned technical solution is also that the system is quite complex in technical implementation. The system requires the use of a second phase of inert, non-condensable gas, which requires a dedicated pump and reservoir to transfer. In addition, the design of the gas separator and condenser is significantly complicated.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов с существенной неоднородностью тепловыделения за счет использования комбинированных кипящих потоков жидкости в мини- и микроканалах и струйных потоков жидкости.The objective of the claimed invention is to improve the cooling efficiency of highly heat-strained electronic components with significant heat generation heterogeneity through the use of combined boiling liquid flows in mini- and microchannels and jet liquid flows.
Поставленная задача решается тем, что в системе охлаждения электронного оборудования, включающей плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой расположенного на ней электронного тепловыделяющего компонента, со стороны верхней стенки канала выполнены сопла для формирования струйного потока жидкости, который оттесняет жидкость, движущуюся по верхней стенке канала, к нижней стенке канала, чем создает наиболее эффективный по охлаждению расслоенный режим течения.The problem is solved by the fact that in the cooling system of electronic equipment, which includes a flat mini- or microchannel of rectangular cross-section, one of the walls of which is the substrate of the electronic fuel component located on it, nozzles are made from the side of the upper wall of the channel to form a jet stream of liquid, which displaces the liquid moving along the upper wall of the channel to the lower wall of the channel, thereby creating the stratified flow regime that is most efficient in terms of cooling.
Согласно изобретению, в верхней стенке плоского мини- или микроканала системы охлаждения электронного оборудования выполнены одно или несколько, расположенных в ряд, сопел постоянного поперечного сечения прямоугольной формы, причем сопла выполнены под углом от 10 до 90 градусов к направлению движения прокачиваемого вдоль мини- или микроканала кипящего потока жидкости, при этом микроструи подаются в конечную часть канала.According to the invention, in the upper wall of a flat mini- or microchannel of the cooling system for electronic equipment, one or more nozzles of a constant cross-section of a rectangular shape are made, and the nozzles are made at an angle of 10 to 90 degrees to the direction of movement of the pumped along the mini- or microchannel boiling liquid flow, while microjets are fed into the end part of the channel.
Согласно изобретению, в верхней стенке плоского мини- или микроканала системы охлаждения электронного оборудования выполнены два и более рядов сопел постоянного поперечного сечения прямоугольной формы.According to the invention, in the upper wall of a flat mini- or microchannel of the cooling system for electronic equipment, two or more rows of nozzles of constant cross-section are made of rectangular shape.
Поступающие микроструи жидкости обеспечивают высокую интенсивность теплообмена, препятствуют полному осушению поверхности электронного тепловыделяющего компонента по всей его длине, увеличивают критический тепловой поток и в целом увеличивают эффективность охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных тепловыделяющих компонент. Более высокая эффективность работы системы охлаждения, чем в прототипе, достигается за счет более простой ее конструкции, не требующей использования второй фазы, специального насоса и резервуара для второй фазы, а также за счет существенного упрощения конструкция сепаратора и конденсатора, которые в данном случае могут быть стандартными. Например, можно использовать простой гравитационный сепаратор и пластинчатый конденсатор пара. Кроме того, равномерное распределение струй малого размера по ширине охлаждаемого электронного тепловыделяющего компонента на начальном или конечном этапе существования кольцевого режима течения, когда в жидкости начинают формироваться сухие пятна, стабилизирует течение жидкости и существенно интенсифицирует теплообмен за счет создания тонких пленок жидкости без крупных сухих пятен на конечных частях поверхности нагрева. Расход жидкости в расслоенном режиме течения увеличивается более чем вдвое, что обеспечивает охлаждение более протяженных нагреваемых элементов.The incoming microjets of the liquid provide a high intensity of heat transfer, prevent the complete drying of the surface of the electronic fuel component along its entire length, increase the critical heat flux, and generally increase the cooling efficiency of the electronic fuel components with high heat flux stress. Higher efficiency of the cooling system than in the prototype is achieved due to its simpler design, which does not require the use of a second phase, a special pump and reservoir for the second phase, and also due to a significant simplification of the design of the separator and condenser, which in this case can be standard. For example, a simple gravity separator and plate steam condenser can be used. In addition, the uniform distribution of small jets over the width of the cooled electronic fuel component at the initial or final stage of the existence of the annular flow regime, when dry spots begin to form in the liquid, stabilizes the flow of the liquid and significantly intensifies heat transfer due to the creation of thin films of liquid without large dry spots on end parts of the heating surface. The liquid flow rate in the stratified flow mode is more than doubled, which provides cooling of more extended heated elements.
Гидравлическое сопротивление системы в целом снижается из-за того, что часть жидкости подают сразу в конечную часть мини- или микроканала и она не проходит по всей длине канала, которая может составлять десятки и сотни сантиметров. Микроструйное течение создается соплом, представляющим собой канал постоянного поперечного сечения прямоугольной формы, в том числе в виде плоской щели, предназначенным для подачи жидкостей или газов с определенной скоростью и в требуемом направлении. В верхней стенке мини- или микроканала может быть выполнено одно сопло или один ряд сопел или несколько рядов сопел в зависимости от длины электронного тепловыделяющего компонента, плотности теплового потока и других конструктивных особенностей системы и режима течения двухфазного потока. Сопла выполнены к направлению потока под одинаковым углом, выбираемым из диапазона от 10 до 90 градусов. Более острые углы входа микроструй жидкости снижают общее гидравлическое сопротивление системы.The hydraulic resistance of the system as a whole is reduced due to the fact that part of the liquid is fed directly to the final part of the mini- or microchannel and it does not pass along the entire length of the channel, which can be tens or hundreds of centimeters. Microjet flow is created by a nozzle, which is a channel of constant cross-section of rectangular shape, including in the form of a flat slot, designed to supply liquids or gases at a certain speed and in the required direction. In the upper wall of the mini- or microchannel, one nozzle or one row of nozzles or several rows of nozzles can be made, depending on the length of the electronic fuel component, the heat flux density and other design features of the system and the flow regime of the two-phase flow. The nozzles are made to the direction of flow at the same angle, selected from the range from 10 to 90 degrees. Sharper entry angles for micro-jets of liquid reduce the overall hydraulic resistance of the system.
С ростом теплового потока на электронном тепловыделяющем компоненте расход жидкости может увеличиваться как в основном кипящем потоке, так и в микроструйном течении. Расход жидкости в микроструйном течении может быть неоднородным по длине электронного тепловыделяющего компонента. Он может возрастать по длине электронного тепловыделяющего компонента и частично компенсировать испарившуюся жидкость.With an increase in the heat flux on the electronic fuel component, the liquid flow rate can increase both in the main boiling flow and in the microjet flow. The liquid flow rate in a microjet flow can be inhomogeneous along the length of the electron fuel component. It can grow along the length of the electronic fuel component and partially compensate for the evaporated liquid.
Таким образом, предложенная система обеспечивает более однородное распределение жидкости как вдоль, так и поперек электронного тепловыделяющего компонента. Предложенная система может использоваться и для охлаждения электронных тепловыделяющих компонент с существенной неоднородностью тепловыделения. Тогда сопла также располагаются по поверхности канала таким образом, чтобы обеспечивать охлаждение «горячих зон».Thus, the proposed system provides a more uniform liquid distribution both along and across the electron fuel component. The proposed system can also be used to cool electronic heat-generating components with significant heat release inhomogeneity. Then the nozzles are also positioned along the surface of the channel in such a way as to provide cooling of the "hot zones".
За счет комбинации двух видов охлаждения: 1) кипение жидкости, прокачиваемой вдоль канала; 2) микроструйное течение жидкости с верхней стенки канала, 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 Gevap /G = 1.Due to the combination of two types of cooling: 1) boiling of the liquid pumped along the channel; 2) microjet flow of liquid from the upper wall of the channel, the proposed system achieves high reliability and at the same time saving energy resources - electrical power for pumping heat carriers. Such a system can approach the optimal one in terms of the Gevap / G = 1 ratio.
На фиг. 1 показана схема системы охлаждения с комбинацией кипящего потока жидкости в мини- или микроканале и микроструйного течения жидкости, где: 1 - подложка (нижняя стенка мини- или микроканала); 2 - электронный тепловыделяющий компонент; 3 - кипящий поток жидкости; 4 - верхняя стенка мини- или микроканала; 5 - вход жидкости в канал; 6 - сопло; 7 - вентиль для регулировки расхода жидкости, подаваемой в сопло; 8 - струя жидкости; 9 - образующийся пар и паровые пузыри; 10 - расслоенное течение; 11 - жидкость не успевающая испариться на электронном тепловыделяющем компоненте; 12 - сепаратор; 13 - охлаждаемый конденсатор; 14 - резервуар для жидкости; 15 - насос; α - угол наклона сопла к направлению кипящего потока (10-90 градусов).FIG. 1 shows a diagram of a cooling system with a combination of a boiling liquid flow in a mini- or microchannel and a microjet flow of a liquid, where: 1 - a substrate (the bottom wall of a mini- or microchannel); 2 - electronic fuel component; 3 - boiling liquid flow; 4 - the top wall of the mini- or microchannel; 5 - fluid inlet into the channel; 6 - nozzle; 7 - valve for adjusting the flow rate of the liquid supplied to the nozzle; 8 - liquid stream; 9 - formed steam and steam bubbles; 10 - stratified flow; 11 - liquid that does not have time to evaporate on the electronic heat-generating component; 12 - separator; 13 - cooled condenser; 14 - reservoir for liquid; 15 - pump; α is the angle of inclination of the nozzle to the direction of the boiling flow (10-90 degrees).
Система работает следующим образом. В микроканал, образованный стенками 1 и 4, подают жидкость 3 через вход 5. Под действием тепла, выделяющегося на нагреваемом электронном тепловыделяющем компоненте 2, жидкость закипает и образуется пар и паровые пузыри 9. Если тепловая нагрузка возрастает, то расход жидкости может быть увеличен. В случае еще большего повышения тепловыделения на электронном тепловыделяющем компоненте 2 движущаяся жидкость и пар формируют кольцевой режим течения, в тонкой интенсивно испаряющейся пленке, движущейся по электронному тепловыделяющему компоненту, формируются крупные сухие пятна, что существенно снижает интенсивность теплообмена и критический тепловой поток. Чтобы не допустить перегрева электронного тепловыделяющего компонента открывается вентиль 7 и жидкость подается в сопло 6. Струя жидкости 8 оттесняет тонкую пленку жидкости, движущуюся по верхней стенке канала 4 и формирует расслоенное течение 10, которое обеспечивает эффективное охлаждение конечной части электронного тепловыделяющего компонента. Некоторая часть жидкости 11 не успевает испариться на электронном тепловыделяющем компоненте и поступает вместе с образовавшимся паром 9 в сепаратор 12. Чистый пар поступает в конденсатор 13, где охлаждается и превращается в жидкость. Жидкость поступает в резервуар для жидкости 14 откуда ее подают насосом 15 на вход в мини- или микроканал и в сопло.The system works in the following way.
Данная система охлаждения может работать в условиях микрогравитации, гипергравитации и переменной гравитации, а кроме того, на транспортных средствах - автомобилях, скоростных поездах, морских судах, самолетах, обитаемых и необитаемых космических аппаратах и станциях.This cooling system can operate in microgravity, hypergravity and variable gravity conditions, and in addition, on vehicles - cars, high-speed trains, ships, airplanes, manned and uninhabited spacecraft and stations.
Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что система позволяет существенно снизить энергозатраты на прокачку охлаждающей жидкости, одновременно позволяя существенно интенсифицировать теплообмен в конечной части электронного тепловыделяющего компонента. Охлаждение именно этой (конечной) части электронного тепловыделяющего компонента является наиболее сложной задачей, так как кипящий поток теряет устойчивость, часть жидкости может уноситься быстро движущимся паром, оставшаяся часть жидкости может быть существенно неравномерно распределена по периметру и длине канала вследствие волнообразования. Дополнительная струя стабилизирует и упорядочивает течение в конечной части электронного тепловыделяющего компонента, и тем самым увеличивает критический тепловой поток, т.е. обеспечивает высокую эффективность и устойчивость работы, в том числе и в нестандартных условиях, таких как невесомость, вибрации, не стационарность и неоднородность тепловыделения.The advantage of the claimed invention is that the system can significantly reduce energy consumption for pumping the coolant, while simultaneously allowing to significantly intensify heat transfer in the final part of the electronic fuel component. Cooling of this particular (final) part of the electronic fuel component is the most difficult task, since the boiling flow loses its stability, part of the liquid can be carried away by rapidly moving vapor, and the rest of the liquid can be significantly unevenly distributed along the perimeter and length of the channel due to wave formation. The additional jet stabilizes and regulates the flow in the final part of the electronic fuel component, and thereby increases the critical heat flux, i.e. provides high efficiency and stability of work, including in non-standard conditions, such as weightlessness, vibration, non-stationarity and non-uniformity of heat generation.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020143554A RU2760884C1 (en) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020143554A RU2760884C1 (en) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2760884C1 true RU2760884C1 (en) | 2021-12-01 |
Family
ID=79173992
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020143554A RU2760884C1 (en) | 2020-12-29 | 2020-12-29 | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2760884C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2773679C1 (en) * | 2021-12-28 | 2022-06-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Method for cooling electronic equipment using combined gas and microdroples flow |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1723670A1 (en) * | 2004-03-11 | 2006-11-22 | HÜTTINGER Elektronik GmbH + Co. KG | Cooling device |
| RU2516227C2 (en) * | 2009-11-23 | 2014-05-20 | Дженерал Электрик Компани | Heat sink and unit for flat bodies, providing for cooling and assembly |
| EP2851949A1 (en) * | 2013-09-17 | 2015-03-25 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Cooling device for integrated circuit chip |
| RU2610052C1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-02-07 | Открытое акционерное общество "Объединенная ракетно-космическая корпорация" (ОАО "ОРКК") | Test object thermal stabilisation apparatus |
| 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 |
-
2020
- 2020-12-29 RU RU2020143554A patent/RU2760884C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1723670A1 (en) * | 2004-03-11 | 2006-11-22 | HÜTTINGER Elektronik GmbH + Co. KG | Cooling device |
| RU2516227C2 (en) * | 2009-11-23 | 2014-05-20 | Дженерал Электрик Компани | Heat sink and unit for flat bodies, providing for cooling and assembly |
| EP2851949A1 (en) * | 2013-09-17 | 2015-03-25 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Cooling device for integrated circuit chip |
| RU2610052C1 (en) * | 2015-12-18 | 2017-02-07 | Открытое акционерное общество "Объединенная ракетно-космическая корпорация" (ОАО "ОРКК") | Test object thermal stabilisation apparatus |
| 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 |
|---|---|---|---|---|
| RU2773679C1 (en) * | 2021-12-28 | 2022-06-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Method for cooling electronic equipment using combined gas and microdroples flow |
| RU2816280C1 (en) * | 2023-10-25 | 2024-03-28 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Method of feeding microdroplets of liquid onto heated surface of solid body |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9383145B2 (en) | System and method of boiling heat transfer using self-induced coolant transport and impingements | |
| US6827135B1 (en) | High flux heat removal system using jet impingement of water at subatmospheric pressure | |
| US6952346B2 (en) | Etched open microchannel spray cooling | |
| Devahdhanush et al. | Review of critical heat flux (CHF) in jet impingement boiling | |
| Lee et al. | Comparative analysis of jet impingement and microchannel cooling for high heat flux applications | |
| CN110425914B (en) | Low-resistance enhanced heat transfer structure based on nanometer super-wetting interface | |
| US9252069B2 (en) | High power module cooling system | |
| US10088238B2 (en) | High efficiency thermal management system | |
| Bar-Cohen et al. | Direct liquid cooling of high flux micro and nano electronic components | |
| US20060162365A1 (en) | Cooling electronics via two-phase tangential jet impingement in a semi-toroidal channel | |
| WO2005081812A2 (en) | Hotspot spray cooling | |
| US20080060792A1 (en) | High performance integrated mlc cooling device for high power density ics and method for manufacturing | |
| Sarkar et al. | Review of jet impingement cooling of electronic devices: Emerging role of surface engineering | |
| Koukoravas et al. | Spatially-selective cooling by liquid jet impinging orthogonally on a wettability-patterned surface | |
| WO2006094132A1 (en) | Full coverage spray and drainage system and method for orientation-independent removal of high heat flux | |
| Hoang et al. | A review of recent developments in pumped two-phase cooling technologies for electronic devices | |
| US20210351108A1 (en) | Vacuum modulated two phase cooling loop efficiency and parallelism enhancement | |
| US7159414B2 (en) | Hotspot coldplate spray cooling system | |
| EP2151863A1 (en) | A jet impingement cooling system | |
| RU2760884C1 (en) | Two-phase, hybrid, single-component electronic equipment cooling system | |
| RU2649170C1 (en) | Method of electronic equipment cooling using combined film and drop liquid flows | |
| Pukhovoy et al. | Maximum heat fluxes and features of heat transfer mechanisms with boiling during jet impingement cooling of electronics | |
| US20230260870A1 (en) | Directly impinging pressure modulated spray cooling and methods of target temperature control | |
| Joshi et al. | Keynote Lecture: Micro and Meso Scale Compact Heat Exchangers in Electronics Thermal Management–Review | |
| RU2755608C1 (en) | Method for cooling electronic equipment |