RU2816279C1

RU2816279C1 - System for cooling electronic equipment with mixture of steam and non-condensed gas

Info

Publication number: RU2816279C1
Application number: RU2023125482A
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Кабов; Дмитрий Валерьевич Зайцев; Елена Фёдоровна Быковская
Filing date: 2023-10-05
Publication date: 2024-03-28

Abstract

FIELD: power engineering; heat engineering; electronics.

SUBSTANCE: invention relates to power engineering and heat engineering, as well as to the field of electronics, in particular to microscale cooling devices, such as microchannel heat exchangers, which provide high values of heat transfer coefficient at flow of liquids in relatively small volumes. Set task is solved by the fact that in cooling system of electronic equipment with non-condensed gas of optimum concentration, including flat mini- or microchannel of rectangular cross-section, one of walls of which is a substrate for electronic heat-generating components located on it, a steam condenser, pump for steam-gas mixture, according to the invention, the system comprises a valve for discharge and adjustment of concentration of non-condensed gas, which is located at the uppermost point of the system, a standardized high-efficiency compressor performing the functions of a steam-gas mixture pump, high-efficiency plate heat exchanger acting as a steam condenser, a separator combined with a storage tank for liquid and gas phase, wherein the system is double-circuit and closed.

EFFECT: object of the proposed invention is to increase the efficiency of cooling highly heat-stressed electronic components with a possible significant total heat release power of the entire system; removal of significant heat flows requires relatively high consumption of liquid and gas; also, the invention aims at reducing the dimensions and metal consumption of the cooling system.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике и теплотехнике, а также к области электроники, в частности, к микромасштабным охлаждающим устройствам, таким как микроканальные теплообменники, которые обеспечивают высокие значения коэффициента теплопередачи при течении жидкостей в относительно небольших объёмах. Такие условия реализуются в микроэлектромеханических системах, интегрированных электрических цепях, лазерно-диодных массивах, высокоэнергетических отражателях и других микроустройствах, подверженных кратковременным и длительным высоким тепловым нагрузкам; в устройствах для охлаждения электроники, управления температурными режимами в аэрокосмической индустрии; в микроэлектромеханических устройствах для биологических и химических исследований. Одним из важнейших препятствий на пути внедрения и распространения микросистем с протяженными плоскими микро- и миниканалами являются значительные потери энергии при прокачке жидкости и пара или газа. Значительные потери энергии возникают из-за требования прокачивать строго определенное количество жидкости и пара или газа для обеспечения отвода определенного количества тепла от электронного компонента. Кроме того, жидкость, а также пар или газ, как правило, должны двигаться со значительными скоростями, чтобы обеспечить требуемую интенсивность теплообмена. Поиск новых методов существенной интенсификации теплообмена является одной из самых актуальных проблем. Глобальной задачей является достижение коэффициентов теплоотдачи порядка 100-300 кВт/м²К и более, тепловых потоков порядка 500-1500 Вт/см² и более.The invention relates to energy and heat engineering, as well as to the field of electronics, in particular, to micro-scale cooling devices, such as microchannel heat exchangers, which provide high values of heat transfer coefficient when liquids flow in relatively small volumes. Such conditions are realized in microelectromechanical systems, integrated electrical circuits, laser-diode arrays, high-energy reflectors and other microdevices subject to short-term and long-term high thermal loads; in devices for cooling electronics, controlling temperature conditions in the aerospace industry; in microelectromechanical devices for biological and chemical research. One of the most important obstacles to the implementation and spread of microsystems with extended flat micro- and mini-channels is significant energy losses when pumping liquid and steam or gas. Significant energy losses arise from the requirement to pump a strictly defined amount of liquid and steam or gas to ensure that a certain amount of heat is removed from the electronic component. In addition, liquid, as well as steam or gas, as a rule, must move at significant speeds to ensure the required heat exchange rate. The search for new methods for significantly intensifying heat transfer is one of the most pressing problems. The global goal is to achieve heat transfer coefficients of the order of 100-300 kW/m ² K or more, heat flows of the order of 500-1500 W/cm ² or more.

Известно устройство охлаждения интегральных микросхем (US7957137, 25.02.2010, H01L23/38; H01L23/473; H05K7/20), в котором используют систему плоских микроканалов и тонкую плёнку жидкости для охлаждения интегральных микросхем. Устройство включает в себя подложку, на которой методом перевёрнутого 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.A known device for cooling integrated circuits (US7957137, 02/25/2010, H01L23/38; H01L23/473; H05K7/20), which uses a system of flat microchannels and a thin film of liquid to cool integrated circuits. The device includes a substrate on which an integrated circuit is mounted using the flip-chip method, and on the chip is a system of microchannels formed by a plurality of microgrooves. The height of the microchannels is about 300 μm, the width is about 200 μm. Some channels have thermoelectric elements installed.

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 реализации такой системы, которая связана с монтажом, а также с необходимостью принятия мер по изоляции термоэлектрических элементов.2) the technical complexity of implementing such a system, which is associated with installation, as well as the need to take measures to insulate thermoelectric elements.

Известно устройство охлаждения микроэлектронного оборудования (EP1662852, 31.05. 2006 г., H01L23/473; H05K7/20), включающее один или несколько микроканалов длиной от 50 до 500 мкм и шириной 500 мкм, на внутреннюю поверхность которых нанесены наноструктурные области с гидрофобным покрытием. Расположение и геометрия наноструктурных областей подбираются таким образом, чтобы минимизировать сопротивление при движении потока жидкости по каналу и регулировать эффективность теплообмена. Основной недостаток устройства - значительные потери энергии при прокачке жидкости в каналах. A cooling device for microelectronic equipment is known (EP1662852, May 31, 2006, H01L23/473; H05K7/20), which includes one or more microchannels with a length of 50 to 500 μm and a width of 500 μm, on the inner surface of which nanostructured areas with a hydrophobic coating are applied. The location and geometry of the nanostructured regions are selected in such a way as to minimize the resistance when the fluid flow moves through the channel and regulate the efficiency of heat transfer. The main disadvantage of the device is significant energy losses when pumping liquid in the channels.

Известно устройство охлаждения оборудования с локальным тепловыделением [Kabov O.A., Kuznetsov V.V., and Legros J-C., Heat transfer and film dynamic in shear-driven liquid film cooling system of microelectronic equipment, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, NY, ASME, New York, pp. 687-694 (2004)]. Система содержит микроканал высотой 150 – 500 мкм и длиной 50- 70 мм с нагревателями (электронные тепловыделяющие элементы) размерами порядка 10 – 20 мм, расположенными на одной стенке канала, либо на двух противоположных стенках канала. Плёнка диэлектрической жидкости FC-72 толщиной от 50 до 200 мкм движется со спутным потоком газа (азота) в микроканале. Недостатком такой системы является относительная сложность создания устойчивого расслоенного режима течения. Также общими недостатками таких систем охлаждения с использованием чистого газа являются: 1) система должна быть укомплектована источником чистого, сухого газа; 2) система должна быть разомкнута по газовой фазе, иначе потребуется громоздкое сепарационное и конденсационное оборудование для осушения газа и его возвращения на вход системы. A known device for cooling equipment with local heat release [Kabov O.A., Kuznetsov V.V., and Legros J-C., Heat transfer and film dynamics in shear-driven liquid film cooling system of microelectronic equipment, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, NY, ASME, New York, pp. 687-694 (2004)]. The system contains a microchannel with a height of 150–500 μm and a length of 50–70 mm with heaters (electronic fuel elements) with dimensions of about 10–20 mm located on one wall of the channel or on two opposite walls of the channel. A film of dielectric liquid FC-72 with a thickness of 50 to 200 microns moves with a cocurrent gas (nitrogen) flow in a microchannel. The disadvantage of such a system is the relative difficulty of creating a stable stratified flow regime. Also, common disadvantages of such cooling systems using pure gas are: 1) the system must be equipped with a source of clean, dry gas; 2) the system must be open to the gas phase, otherwise bulky separation and condensation equipment will be required to dry the gas and return it to the system inlet.

Известен способ охлаждения электронного оборудования с использованием конденсатора-пленкоформирователя (патент РФ № 2581522, 15.12.2014, F28C3/06; H05K7/20; H01L23/467). Система является одноконтурной, содержит микроканал и встроенный в него конденсатор пара. Таким образом, решается проблема создания тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества. Система является одноконтурной, содержит микроканал и встроенный в него конденсатор пара. Таким образом, решается проблема создания тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества. There is a known method for cooling electronic equipment using a film-forming capacitor (RF patent No. 2581522, 12/15/2014, F28C3/06; H05K7/20; H01L23/467). The system is single-circuit, contains a microchannel and a steam condenser built into it. Thus, the problem of creating thin, wave-free liquid films of high uniformity and quality is solved. The system is single-circuit, contains a microchannel and a steam condenser built into it. Thus, the problem of creating thin, wave-free liquid films of high uniformity and quality is solved.

Недостатком этого технического решения является относительно малая мощность конденсатора пара и его низкая эффективность из-за стесненных условий его расположения в миниканале и относительно малой площади его поверхности. Данный факт снижает общую возможную мощность охлаждаемых электронных компонентов, т.к. для отвода определенного количества тепла от электронного компонента необходимо испарить строго определенное количество жидкости. Недостатком вышеупомянутого технического решения является также то, что система является достаточно сложной в техническом исполнении, т.к. конденсатор должен быть встроен в миниканал, т.е. конденсатор должен иметь уникальную конструкцию. Не представляется возможным использовать стандартные высокоэффективные конденсаторы, например пластинчатые. The disadvantage of this technical solution is the relatively low power of the steam condenser and its low efficiency due to the cramped conditions of its location in the minichannel and its relatively small surface area. This fact reduces the total possible power of cooled electronic components, because To remove a certain amount of heat from an electronic component, a strictly defined amount of liquid must be evaporated. The disadvantage of the above-mentioned technical solution is also that the system is quite complex in technical design, because the capacitor must be built into the minichannel, i.e. The capacitor must have a unique design. It is not possible to use standard high-efficiency capacitors, such as plate capacitors.

Система предполагает использование чистого пара либо присутствие незначительной примеси неконденсируемого газа, иначе конденсатор будет работать недостаточно эффективно. Можно перечислить следующие основные недостатки системы охлаждения с использованием чистого пара: 1) система должна быть тщательно герметизирована; 2) перед заправкой в систему жидкость должна быть тщательно дегазирована; 3) система перед ее заправкой должна быть тщательно дегазирована с использования дорогостоящего вакуумного оборудования; 4) в ходе эксплуатации должны быть исключены присосы воздуха в систему из атмосферы; 5) при использовании в качестве теплоносителя воды, система находится под избыточным давлением, только если все ее части имеют температуру выше 100 °С. 6) материал внутренних поверхностей системы охлаждения не должен выделять неконденсируемых примесей при контакте с теплоносителем. Упомянутые аспекты могут приводить к существенному росту металлоемкости и габаритов системы охлаждения и как следствие к росту ее стоимости, а также к росту стоимости ее эксплуатации. The system assumes the use of pure steam or the presence of a slight admixture of non-condensable gas, otherwise the condenser will not work efficiently. The following main disadvantages of a cooling system using pure steam can be listed: 1) the system must be carefully sealed; 2) before filling into the system, the liquid must be thoroughly degassed; 3) before refueling, the system must be thoroughly degassed using expensive vacuum equipment; 4) during operation, air intake into the system from the atmosphere must be excluded; 5) when using water as a coolant, the system is under excess pressure only if all its parts have a temperature above 100 °C. 6) the material of the internal surfaces of the cooling system should not emit non-condensable impurities upon contact with the coolant. The mentioned aspects can lead to a significant increase in metal consumption and dimensions of the cooling system and, as a consequence, to an increase in its cost, as well as an increase in the cost of its operation.

Наиболее близким по совокупности признаков и получаемому результату является устройство для формирования расслоенного течения жидкости в микро- и миниканалах (патент РФ 2796381, 19.07.2022, F28D 13/00; F28F 13/02; F28D 1/03; H05K 7/20). Устройство включает плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения с двухфазным потоком жидкости и газа или пара, одновременно подаваемых в канал из параллельно расположенных входных сопел, подложку, образующую нижнюю стенку канала, с одним или несколькими электронными тепловыделяющими элементами, заделанными в подложку в её центре. Вдоль канала на поверхности обеих его боковых стенок, в их центральной части расположены формирующие расслоенный режим течения жидкости продольные микроканавки, делящие проходное сечение канала на область газовой фазы и область жидкой фазы. Микроканавки имеют форму треугольника или прямоугольника и выполнены таким образом, что угол между плоскостью боковой стенки канала и стороной микроканавки 90 ≤ α ≤ 135 градусов. На внутреннюю поверхность боковых стенок канала в области газовой фазы, верхнюю стенку канала и на поверхность канавок дополнительно наносится сплошное гидрофобное нанопокрытие, ограничивающее течение жидкости, при этом размер наноструктур составляет 1-500 нм, а разница между равновесным контактным углом смачивания на гидрофобной поверхности и равновесным контактным углом смачивания на гидрофильной поверхности, являющейся поверхностью течения жидкости, составляет 10 – 175 градусов.The closest in terms of the set of features and the result obtained is a device for forming stratified fluid flow in micro- and mini-channels (RF patent 2796381, 07/19/2022, F28D 13/00; F28F 13/02; F28D 1/03; H05K 7/20). The device includes a flat mini- or microchannel of rectangular cross-section with a two-phase flow of liquid and gas or steam, simultaneously supplied into the channel from parallel input nozzles, a substrate forming the lower wall of the channel, with one or more electronic fuel elements embedded in the substrate in its center. Along the channel on the surface of both of its side walls, in their central part, there are longitudinal microgrooves that form a stratified regime of liquid flow, dividing the flow section of the channel into a gas phase region and a liquid phase region. The microgrooves have the shape of a triangle or rectangle and are made in such a way that the angle between the plane of the side wall of the channel and the side of the microgroove is 90 ≤ α ≤ 135 degrees. A continuous hydrophobic nanocoating is additionally applied to the inner surface of the side walls of the channel in the gas phase region, the upper wall of the channel and the surface of the grooves, limiting the flow of liquid, while the size of the nanostructures is 1-500 nm, and the difference between the equilibrium contact angle of wetting on the hydrophobic surface and the equilibrium The contact wetting angle on the hydrophilic surface, which is the surface of the liquid flow, is 10 – 175 degrees.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов с возможной существенной общей мощностью тепловыделения всей системы. Отведение значительных тепловых потоков требует относительно больших расходов жидкости и газа. Также задачей изобретения является уменьшение габаритов и металлоёмкости системы охлаждения.The objective of the claimed invention is to increase the cooling efficiency of electronic components that are highly stressed in terms of heat flows with a possible significant total heat release power of the entire system. The removal of significant heat flows requires relatively large flows of liquid and gas. Another objective of the invention is to reduce the size and metal consumption of the cooling system.

Поставленная задача решается тем, что в системе охлаждения электронного оборудования со смесью пара и неконденсируемого газа в качестве теплоносителя, включающей плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой для расположенных на ней электронных тепловыделяющих компонентов, жидкостный насос, при этом система выполнена с возможностью частичной конденсации пара, согласно изобретению, система содержит клапан для регулировки концентрации неконденсируемого газа, который выполнен с возможностью сброса неконденсируемого газа вместе с некоторым количеством пара, и расположен в самой верхней точке системы, компрессор, выполненный с возможностью подачи парогазовой смеси, пластинчатый теплообменник, в котором происходит частичная конденсация пара, сепаратор, совмещенный с баком-накопителем для жидкости и газовой фазы, при этом система является двухконтурной и замкнутой.The problem is solved by the fact that in a cooling system for electronic equipment with a mixture of steam and non-condensable gas as a coolant, including a flat mini- or microchannel of rectangular cross-section, one of the walls of which is a substrate for electronic fuel components located on it, a liquid pump, and the system made with the possibility of partial condensation of steam, according to the invention, the system contains a valve for adjusting the concentration of non-condensable gas, which is configured to discharge non-condensable gas along with a certain amount of steam, and is located at the highest point of the system, a compressor configured to supply a vapor-gas mixture, vane a heat exchanger in which partial condensation of steam occurs, a separator combined with a storage tank for liquid and gas phase, while the system is double-circuit and closed.

Согласно изобретению, в системе охлаждения электронного оборудования в качестве сепаратора используют гравитационный сепаратор, совмещенный с баком- накопителем для жидкости и газовой фазы, что снижает габариты и металлоёмкость предложенной системы охлаждения, т.к. позволяет объединить три устройства в одном.According to the invention, in the cooling system of electronic equipment, a gravity separator combined with a storage tank for liquid and gas phase is used as a separator, which reduces the dimensions and metal consumption of the proposed cooling system, because allows you to combine three devices in one.

В качестве теплоносителя используется пар с высоким содержанием неконденсируемых примесей, которое регулируется клапаном для сброса и регулировки концентрации неконденсируемого газа. Пар, образующийся при испарении жидкости на электронных компонентах, только частично конденсируется в конденсаторе, что существенно повышает эффективность конденсатора с движущимся паром. Использование пластинчатого теплообменника в качестве конденсатора позволяет достигать большой площади теплообменной поверхности при высокой компактности и относительно низкой стоимости. Остатки пара с неконденсируемыми примесями поступают в сепаратор, совмещенный с баком накопителем жидкости и газовой фазы, и оттуда перекачиваются компрессором обратно в систему охлаждения. Steam with a high content of non-condensable impurities is used as a coolant, which is regulated by a valve to discharge and adjust the concentration of non-condensable gas. The vapor generated by the evaporation of liquid on electronic components is only partially condensed in the capacitor, which significantly increases the efficiency of the moving vapor capacitor. The use of a plate heat exchanger as a condenser makes it possible to achieve a large heat exchange surface area with high compactness and relatively low cost. The remaining steam with non-condensable impurities enters a separator combined with a liquid and gas phase storage tank, and from there it is pumped back into the cooling system by a compressor.

Предложенная система является наиболее энергоэффективной, что является одним из важнейших преимуществ, особенно с ростом общей мощности системы. Система позволяет запускаться в работу из состояния с любым количеством неконденсируемого газа внутри системы и нарабатывать нужное количество пара только за счет испарения на охлаждаемом электронном оборудовании. Данная система охлаждения может эффективно работать с неконденсируемым газом внутри, что существенно упрощает и удешевляет ее конструкцию и эксплуатацию, а также повышает эффективность теплообмена.The proposed system is the most energy efficient, which is one of the most important advantages, especially as the total power of the system increases. The system allows you to start up from a state with any amount of non-condensable gas inside the system and generate the required amount of steam only through evaporation on cooled electronic equipment. This cooling system can work effectively with non-condensable gas inside, which significantly simplifies and reduces the cost of its design and operation, and also increases the efficiency of heat transfer.

С точки зрения теплообмена в работе авторов патента (Yu.O. Kabova, V.V. Kuznetsov, O.A. Kabov. Flow and Evaporation of Nonisothermal Fluid Film Moving under the Action of a Vapor Stream in a Microchannel Taking into Account Heat and Mass Transfer on the Free Interface // Doklady Physics, 2016, Vol. 61, No. 4, pp. 201–205) было показано, что в случае чистого пара испарение становится менее интенсивным. Было установлено, что основной особенностью движения пленки под действием чистого газа и под действием чистого пара является наличие существенного термокапиллярного эффекта в первом случае, что способствует разрыву пленки жидкости.From the point of view of heat transfer in the work of the patent authors (Yu.O. Kabova, V.V. Kuznetsov, O.A. Kabov. Flow and Evaporation of Nonisothermal Fluid Film Moving under the Action of a Vapor Stream in a Microchannel Taking into Account Heat and Mass Transfer on the Free Interface // Doklady Physics, 2016, Vol. 61, No. 4, pp. 201–205) it was shown that in the case of pure steam, evaporation becomes less intense. It was found that the main feature of film motion under the influence of pure gas and under the action of pure steam is the presence of a significant thermocapillary effect in the first case, which contributes to the rupture of the liquid film.

В работе авторов патента (Oleg Kabov, Dmitry Zaitsev, Egor Tkachenko, Interfacial thermal fluid phenomena in shear-driven thin liquid films, Proceedings of the Intern. Heat Trasfer Conference, IHTC-16, August 10-15, Beijing, 2018, paper 24435, pp. 1061-1067) было показано, что в тонких пленках жидкости, увлекаемых потоком газовой фазы возможен новый высокоинтенсивный механизм теплообмена. Механизм связан со сверхинтенсивным испарением жидкости из областей динамической линии контакта газ-жидкость-подложка. Такие области возникают на краю сухого пятна. В пленках формируются сверхмалые динамические сухие пятна размером порядка 100-500 мкм при высоких тепловых потоках. Важно, что такие малоразмерные сухие пятна являются метастабильными, т.е. они постоянно формируются и исчезают с достаточно высокой частотой. Существенную роль в формировании сверхмалых динамических сухих пятен играет термокапиллярный эффект. Поэтому газовая фаза должна содержать определенное количество неконденсируемого газа, т.е. быть парогазовой смесью. Удалось достичь коэффициентов теплоотдачи до 250000 Вт/м²К в случае использования воды, что является рекордным по сравнению с многими другими техниками охлаждения электроники. Для случая чистого пара или высоких концентраций пара в парогазовой смеси, микроразрывы пленки будут затруднены, что ухудшит теплообмен. В рассматриваемом техническом решении предложена промежуточная концепция по сравнению с чистым паром и чистым газом, т.е. использование в качестве газовой фазы парогазовой смеси оптимальной концентрации. При этом концентрация газа становится дополнительным параметром, определяющим эффективность теплообмена, с помощью, которого можно управлять гидродинамикой и морфологией пленки жидкости, наряду с такими параметрами как расход жидкости и газа. In the work of the patent authors (Oleg Kabov, Dmitry Zaitsev, Egor Tkachenko, Interfacial thermal fluid phenomena in shear-driven thin liquid films, Proceedings of the Intern. Heat Transfer Conference, IHTC-16, August 10-15, Beijing, 2018, paper 24435 , pp. 1061-1067) it was shown that in thin films of liquid entrained by the flow of the gas phase, a new high-intensity heat exchange mechanism is possible. The mechanism is associated with super-intense evaporation of liquid from areas of the dynamic gas-liquid-substrate contact line. Such areas appear at the edge of a dry spot. Ultra-small dynamic dry spots with a size of about 100-500 microns are formed in the films at high heat fluxes. It is important that such small-sized dry spots are metastable, i.e. they constantly form and disappear with a fairly high frequency. The thermocapillary effect plays a significant role in the formation of ultra-small dynamic dry spots. Therefore, the gas phase must contain a certain amount of non-condensable gas, i.e. be a vapor-gas mixture. It was possible to achieve heat transfer coefficients of up to 250,000 W/m ² K when using water, which is a record compared to many other electronics cooling techniques. For the case of pure steam or high concentrations of steam in the vapor-gas mixture, micro-breaks in the film will be difficult, which will worsen heat transfer. The technical solution under consideration proposes an intermediate concept compared to pure steam and pure gas, i.e. using a vapor-gas mixture of optimal concentration as the gas phase. In this case, the gas concentration becomes an additional parameter that determines the efficiency of heat transfer, with the help of which the hydrodynamics and morphology of the liquid film can be controlled, along with such parameters as liquid and gas flow.

На фиг. 1 показана система охлаждения электронного оборудования, где:In fig. 1 shows a cooling system for electronic equipment, where:

1 –электронный компонент;1 – electronic component;

2 – подложка;2 – substrate;

3 –испаряющаяся плёнка жидкости; 3 – evaporating liquid film;

4 – вход жидкости в канал; 4 – liquid entry into the channel;

5 – вход парогазовой смеси в канал;5 – entrance of the vapor-gas mixture into the channel;

6 – клапан для регулировки концентрации неконденсируемого газа; 6 – valve for adjusting the concentration of non-condensable gas;

7 – компрессор;7 – compressor;

8 – пластинчатый теплообменник;8 – plate heat exchanger;

9 – система охлаждения конденсатора; 9 – condenser cooling system;

10 – сепаратор, совмещенный с баком-накопителем для жидкости и газовой фазы;10 – separator combined with a storage tank for liquid and gas phase;

11- жидкостный насос.11- liquid pump.

Способ осуществляется следующим образом. The method is carried out in the following way.

В случае незначительного тепловыделения на электронном компоненте (1), который установлен на подложке (2) в канал поступает только парогазовая смесь (5), которая подается компрессором (7). Парогазовая смесь отдает тепло в пластинчатом теплообменнике (8), который охлаждается системой охлаждения (9) и далее поступает в бак-накопитель (10). In the case of insignificant heat generation on the electronic component (1), which is installed on the substrate (2), only the vapor-gas mixture (5), which is supplied by the compressor (7), enters the channel. The vapor-gas mixture gives off heat in a plate heat exchanger (8), which is cooled by a cooling system (9) and then enters the storage tank (10).

Если тепловая нагрузка возрастает, то в канал с помощью насоса (11) подается дополнительно жидкость (4), формируется испаряющаяся плёнка жидкости (3). С ростом тепловой нагрузки максимально увеличиваются расходы жидкости и газа (до ~1 г/с и 1 л/с, соответственно). Неиспарившаяся жидкость вместе с парогазовой смесью из канала поступает в пластинчатый теплообменник (8), где происходит частичная конденсация пара. Из теплообменника (8) жидкость и парогазовая смесь поступает в сепаратор, совмещенный с баком-накопителем для жидкости и газовой фазы (10), где под действием гравитации происходит сепарация жидкой и газовой фаз. Оптимальная концентрация неконденсируемого газа регулируется специальным клапаном (6), который располагается в самой верхней точке системы.If the thermal load increases, then additional liquid (4) is supplied into the channel using a pump (11), and an evaporating film of liquid (3) is formed. As the heat load increases, the liquid and gas flow rates increase to the maximum (up to ~1 g/s and 1 l/s, respectively). The unevaporated liquid, together with the vapor-gas mixture, enters the plate heat exchanger (8) from the channel, where partial condensation of the steam occurs. From the heat exchanger (8), the liquid and vapor-gas mixture enters the separator, combined with a storage tank for the liquid and gas phase (10), where, under the influence of gravity, separation of the liquid and gas phases occurs. The optimal concentration of non-condensable gas is regulated by a special valve (6), which is located at the highest point of the system.

Клапаном (6) может являться запорный вентиль. Система запускается в работу из состояния с минимальной температурой конденсатора и максимальной концентрацией неконденсируемого газа, для этого включается система охлаждения конденсатора (9) и открывается в атмосферу клапан (6). По мере возрастания тепловой нагрузки на электронном компоненте (1) и испарении жидкости на электронном компоненте, давление в системе повышается более атмосферного. При всех постоянных параметрах работы системы, клапан (6) кратковременно открывается и происходит сброс неконденсируемого газа вместе с некоторым количеством пара в атмосферу в случае использования воды или в специальный баллон в случае использования в качестве теплоносителя, например фреонов. Периодический сброс продолжается пока температура на электронном компоненте (1) не достигнет минимума, т.е. эффективность теплообмена в данный момент достигнет максимума.The valve (6) may be a shut-off valve. The system starts up from a state with a minimum condenser temperature and a maximum concentration of non-condensable gas; for this, the condenser cooling system (9) is turned on and the valve (6) opens to the atmosphere. As the thermal load on the electronic component (1) increases and the liquid on the electronic component evaporates, the pressure in the system rises above atmospheric pressure. At all constant operating parameters of the system, the valve (6) opens briefly and the non-condensable gas is discharged along with a certain amount of steam into the atmosphere in the case of using water or into a special cylinder in the case of using freons as a coolant. Periodic reset continues until the temperature on the electronic component (1) reaches a minimum, i.e. The heat exchange efficiency will now reach its maximum.

Использование изобретения позволяет повысить эффективность охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов с возможной существенной общей мощностью тепловыделения всей системы.The use of the invention makes it possible to increase the cooling efficiency of electronic components that are highly stressed in terms of heat flows, with a possible significant total heat release power of the entire system.

Claims

A cooling system for electronic equipment with a mixture of steam and non-condensable gas as a coolant, including a flat mini- or microchannel of rectangular cross-section, one of the walls of which is a substrate for electronic heat-generating components located on it, a liquid pump, wherein the system is designed to allow partial condensation of steam, characterized in that the system contains a valve for adjusting the concentration of non-condensable gas, which is configured to discharge non-condensable gas along with a certain amount of steam, and is located at the highest point of the system, a compressor configured to supply a vapor-gas mixture, a plate heat exchanger in which partial steam condensation, a separator combined with a storage tank for liquid and gas phase, while the system is double-circuit and closed.