RU2821687C1

RU2821687C1 - Device for intensifying heat exchange in liquid film entrained by gas flow by means of micro-caverns

Info

Publication number: RU2821687C1
Application number: RU2023133194A
Authority: RU
Inventors: Олег Александрович Кабов; Дмитрий Юрьевич Кочкин; Елена Фёдоровна Быковская
Filing date: 2023-12-14
Publication date: 2024-06-26

Abstract

FIELD: heat engineering.

SUBSTANCE: invention relates to heat engineering and can be used in cooling systems of electronic equipment. In a device for intensifying heat exchange, comprising a flat mini- or microchannel of rectangular cross-section, one of the walls of which is a substrate for electronic heat-dissipating elements located on it, and cooling takes place due to evaporation of thin film of liquid entrained by flow of steam, gas or steam-gas mixture, surface of fuel elements is covered with micro-caverns of cylindrical shape with diameter of 30–50 mcm and depth of 200–300 mcm, located from each other at distance in range of 300–800 mcm, wherein the surface of the heat-dissipating elements, which is not occupied by micro-caverns, is coated with a non-wettable micro- or nanocoating, wherein advancing and receding contact wetting angle ranges from 80 to 140 degrees.

EFFECT: increasing the cooling efficiency of electronic components with high thermal stress.

1 cl, 4 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 или длительным высоким тепловым нагрузкам, в устройствах для охлаждения электроники, управления температурными режимами в аэрокосмической индустрии; в микроэлектромеханических устройствах для биологических и химических исследований.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 or 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.

Одним из важнейших препятствий на пути внедрения и распространения микросистем с протяженными плоскими микро- и мини каналами являются значительные потери энергии при прокачке двухфазного потока. Жидкость, а также пар или газ в микро- и мини каналах, 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 200-400 кВт/м²К и более, тепловых потоков порядка 1500 - 2000 Вт/см² и более. Используются однокомпонентные двухфазные системы, где происходит совместное движение жидкости и пара используемой жидкости в мини и микроканалах. Кроме того, используются двухкомпонентные двухфазные системы, где происходит совместное движение жидкости, пара используемой жидкости и неконденсируемого газа т.е. воздуха в мини и микроканалах.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 a two-phase flow. Liquid, as well as steam or gas in micro- and mini-channels, 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 200-400 kW/m ² K or more, heat flows of the order of 1500 - 2000 W/cm ² or more. Single-component two-phase systems are used, where there is a joint movement of liquid and vapor of the liquid used in mini and microchannels. In addition, two-component two-phase systems are used, where the joint movement of liquid, vapor of the liquid used and non-condensable gas occurs, i.e. air in mini and micro channels.

Известно устройство охлаждения интегральных микросхем (патент 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 device for cooling integrated circuits is known (patent 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 (патент EP1662852, 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 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 (patent EP1662852, May 31, 2006, H01L 23/473; H05K 7/20), 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 hydrophobic coating. 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 имитирующими 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) либо чистого пара в микроканале. Общим недостатком таких систем охлаждения с использованием чистого газа, в случае продолжительной работы системы, является то, что требуется сепарационное и конденсационное оборудование для осушения газа и его возвращения на вход системы. Существенную трудность представляет создание тонких, безволновых пленок жидкости высокой равномерности и качества. Кроме того, интенсивность теплообмена в таких пленочных аппаратах недостаточно высока.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 microns and a length of 50 - 70 mm with heaters simulating 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 flow of gas (nitrogen) or pure steam in a microchannel. A common disadvantage of such cooling systems using pure gas, in the case of prolonged operation of the system, is that separation and condensation equipment is required to dry the gas and return it to the system inlet. A significant difficulty is the creation of thin, wave-free liquid films of high uniformity and quality. In addition, the intensity of heat transfer in such film devices is not high enough.

Известно устройство охлаждения оборудования с локальным тепловыделением и использованием конденсатора-пленкоформирователя (патент РФ № 2581522, 2014 г., 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. 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. Система предполагает использование чистого пара либо присутствие незначительной примеси неконденсируемого газа, иначе конденсатор будет работать недостаточно эффективно. A device for cooling equipment with local heat release and the use of a film-forming capacitor is known (RF patent No. 2581522, 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 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. 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.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является устройство охлаждения оборудования с локальным тепловыделением [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]. Система содержит микроканал высотой 170 - 2000 мкм и шириной 40 мм с нагревателем имитирующим электронный тепловыделяющий элемент размером 10 мм, расположенным на нижней стенке канала. Плёнка воды толщиной порядка 50 - 100 мкм движется за счет спутного потока газа (азота). В пленке жидкости было обнаружено формирование динамических разрывов размером порядка 200 - 400 микрон с временем жизни порядка 1:1000 секунды. Зафиксированы рекордные для пленок жидкости коэффициент теплоотдачи 350 000 Вт/м²К и тепловой поток 1200 Вт/см². Предполагается, что причиной формирования микроразмерных разрывов в пленке жидкости является возникновение микропузырьков при кипении. Недостатком предложенной системы охлаждения является неуправляемый и непредсказуемый процесс формирования динамических разрывов в пленке жидкости, который может зависеть от большого числа различных факторов таких как шероховатость и смачиваемость поверхности, тепловой поток и температура поверхности, расходы жидкости и газа и др.The closest in technical essence to the claimed device is a cooling device for equipment with local heat release [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]. The system contains a microchannel with a height of 170 - 2000 microns and a width of 40 mm with a heater simulating an electronic fuel element measuring 10 mm, located on the lower wall of the channel. A film of water with a thickness of about 50 - 100 microns moves due to the co-flow of gas (nitrogen). The formation of dynamic discontinuities with a size of about 200 - 400 microns with a lifetime of about 1:1000 seconds was discovered in the liquid film. A record heat transfer coefficient for liquid films of 350,000 W/m ² K and a heat flux of 1200 W/cm ² were recorded. It is assumed that the reason for the formation of micro-sized discontinuities in the liquid film is the appearance of microbubbles during boiling. The disadvantage of the proposed cooling system is the uncontrolled and unpredictable process of formation of dynamic discontinuities in the liquid film, which can depend on a large number of different factors such as surface roughness and wettability, heat flow and surface temperature, liquid and gas flow rates, etc.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов, что требует существенной интенсификации теплообмена. The objective of the claimed invention is to increase the cooling efficiency of electronic components that are highly stressed in terms of heat flows, which requires a significant intensification of heat transfer.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для интенсификации теплообмена, содержащем плоский мини- или микроканал прямоугольного сечения, одна из стенок которого является подложкой для расположенных на ней электронных тепловыделяющих элементов, а охлаждение происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости увлекаемой потоком пара, газа или парогазовой смеси, согласно изобретению, поверхность тепловыделяющих элементов покрыта микрокавернами цилиндрической формы диаметром 30 - 50 мкм и глубиной 200 - 300 мкм, расположенными друг от друга на расстоянии в диапазоне 300 - 800 мкм, при этом поверхность тепловыделяющих элементов, не занятая микрокавернами, покрыта несмачиваемым микро- или нанопокрытием, причем наступающий и отступающий контактный угол смачивания находится в диапазоне от 80 до 140 градусов.The problem is solved by the fact that in a device for intensifying heat transfer containing a flat mini- or microchannel of rectangular cross-section, one of the walls of which is a substrate for electronic fuel elements located on it, and cooling occurs due to the evaporation of a thin film of liquid entrained by a flow of steam, gas or vapor-gas mixture, according to the invention, the surface of the fuel elements is covered with cylindrical microcavities with a diameter of 30 - 50 microns and a depth of 200 - 300 microns, located from each other at a distance in the range of 300 - 800 microns, while the surface of the fuel elements not occupied by microcavities is covered with a non-wettable micro- or nano-coating, with the advancing and receding contact angles ranging from 80 to 140 degrees.

Поверхность тепловыделяющих элементов покрыта микрокавернами, что вызывает упорядоченное формирование центров кипения и как следствие массовых динамических разрывов пленки жидкости и тем самым существенно интенсифицирует теплообмен. The surface of the fuel elements is covered with microcavities, which causes the ordered formation of boiling centers and, as a consequence, massive dynamic ruptures of the liquid film and thereby significantly intensifies heat transfer.

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

1 - электронный тепловыделяющий элемент;1 - electronic fuel element;

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 пара или парогазовой смеси в канал;5 - entry of steam or steam-gas mixture into the channel;

6 - клапан для сброса пара или парогазовой смеси; 6 - valve for releasing steam or vapor-gas mixture;

7 - компрессор;7 - compressor;

8 - пластинчатый конденсатор пара;8 - plate steam condenser;

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

10 - резервуар для жидкой и газовой фаз;10 - reservoir for liquid and gas phases;

11 - жидкостный насос;11 - liquid pump;

12 - микрокаверна;12 - microcavity;

13 - накладка из высокотеплопроводного материала;13 - lining made of highly thermally conductive material;

14 - микроразрыв пленки жидкости;14 - micro-rupture of the liquid film;

15 - линия контакта газ - жидкость - твердое тело;15 - contact line gas - liquid - solid;

16 - мениск жидкости;16 - liquid meniscus;

17 - паровой пузырь;17 - steam bubble;

18 - не смачиваемое микро- или нанопокрытие. 18 - non-wettable micro- or nano-coating.

Работа устройства осуществляется следующим образом. The device operates in the following way.

В случае незначительного тепловыделения на электронном тепловыделяющем элементе (1), который установлен на подложке (2) в канал поступает только пар или парогазовая смесь (5), которая подается компрессором (7). Парогазовая смесь или пар отдают тепло в пластинчатом конденсаторе (8), который охлаждается системой охлаждения (9) и далее поступают в резервуар для жидкой и газовой фаз (10). In the case of insignificant heat generation on the electronic fuel element (1), which is installed on the substrate (2), only steam or a vapor-gas mixture (5) enters the channel, which is supplied by the compressor (7). The vapor-gas mixture or steam gives off heat in a plate condenser (8), which is cooled by a cooling system (9) and then enters a reservoir for liquid and gas phases (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 паром или парогазовой смесью из канала поступает в конденсатор (8), где происходит частичная конденсация пара. Из конденсатора (8) жидкость и парогазовая смесь или пар поступают в резервуар для жидкой и газовой фаз (10), где под действием гравитации происходит сепарация жидкой и газовой фаз. Таким образом, данная система охлаждения может работать как однокомпонентная двухфазная система, где происходит совместное движение жидкости и пара используемой жидкости в мини или микроканале. Кроме того, система может работать как двухкомпонентная двухфазная система, где происходит совместное движение жидкости, пара используемой жидкости и неконденсируемого газа т.е. воздуха в мини и микроканале.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 steam or a vapor-gas mixture, enters the condenser (8) from the channel, where partial condensation of the steam occurs. From the condenser (8), the liquid and vapor-gas mixture or steam enter the reservoir for the liquid and gas phases (10), where, under the influence of gravity, separation of the liquid and gas phases occurs. Thus, this cooling system can operate as a single-component two-phase system, where there is a joint movement of liquid and vapor of the liquid used in a mini or microchannel. In addition, the system can operate as a two-component two-phase system, where the joint movement of liquid, vapor of the liquid used and non-condensable gas occurs, i.e. air in mini and microchannel.

Оптимальная концентрация неконденсируемого газа может регулироваться клапаном (6), который располагается в самой верхней точке системы. 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 тепловыделяющем элементе (1) и испарении жидкости на электронном тепловыделяющем элементе, давление в системе повышается более атмосферного. При всех постоянных параметрах работы системы, клапан (6) кратковременно открывается и происходит сброс неконденсируемого газа в атмосферу в случае использования воды или в специальный баллон в случае использования агрессивных жидкостей. Таким образом, система позволяет запускаться в работу из состояния с любым количеством неконденсируемого газа внутри и нарабатывать нужное количество пара только за счет испарения на охлаждаемом электронном оборудовании. Образующийся пар только частично конденсируется в конденсаторе, что существенно повышает эффективность конденсатора с движущимся паром. 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 optimal concentration of non-condensable gas can be adjusted by valve (6), which is located at the highest point of the system. 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 heat load on the electronic fuel element (1) increases and the liquid on the electronic fuel element evaporates, the pressure in the system increases above atmospheric pressure. At all constant operating parameters of the system, valve (6) opens briefly and non-condensable gas is discharged into the atmosphere in the case of using water or into a special cylinder in the case of using aggressive liquids. Thus, the system allows you to start up from a state with any amount of non-condensable gas inside and generate the required amount of steam only through evaporation on cooled electronic equipment. The resulting steam is only partially condensed in the condenser, which significantly increases the efficiency of the moving steam condenser. 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.

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 - формирование малоразмерных разрывов пленки, которые являются метастабильными, т.е. они постоянно формируются и исчезают с достаточно высокой частотой. На фиг. 2 показана форма предлагаемой поверхности тепловыделяющих элементов, покрытая микрокавернами цилиндрической формы (12). Такая поверхность может быть непосредственно выполнена на верхней части тепловыделяющего элемента либо на этот элемент может быть припаяна или наклеена накладка из высокотеплопроводного материала (13) с микрокавернами.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 transfer mechanism is possible - the formation of small-sized film breaks that are metastable, i.e. they constantly form and disappear with a fairly high frequency. In fig. Figure 2 shows the shape of the proposed surface of the fuel elements, covered with cylindrical microcavities (12). Such a surface can be directly made on the top of the fuel element, or a pad made of highly thermally conductive material (13) with microcavities can be soldered or glued onto this element.

Геометрические размеры микрокаверн подобраны таким образом, что они являются центрами кипения жидкости. Жидкость внутри микрокаверн перегревается относительно температуры насыщения, которая определяется давлением в системе охлаждения и превращается в пар. Данная микропорция пара становится зародышем для формирования парового пузыря (17). Таким образом, наличие системы микрокаверн вызывает формирование массовых динамических разрывов пленки жидкости. Механизм формирования разрывов следующий. Диаметр растущих пузырьков становится на много больше толщины испаряющейся плёнки жидкости (3). Пузырьки разрушают пленку жидкости и за счет сил инерции вокруг микрокаверн возникают разрывы пленки жидкости (14), фиг. 3. В области каждого разрыва формируется мениск жидкости (16) и линия контакта газ - жидкость - твердое тело (15). The geometric dimensions of microcavities are selected in such a way that they are centers of liquid boiling. The liquid inside the microcavities overheats relative to the saturation temperature, which is determined by the pressure in the cooling system, and turns into steam. This microportion of steam becomes the seed for the formation of a steam bubble (17). Thus, the presence of a system of microcavities causes the formation of massive dynamic ruptures of the liquid film. The mechanism for the formation of gaps is as follows. The diameter of the growing bubbles becomes much larger than the thickness of the evaporating liquid film (3). The bubbles destroy the liquid film and, due to inertial forces around the microcavities, ruptures of the liquid film occur (14), Fig. 3. In the area of each rupture, a liquid meniscus (16) and a gas-liquid-solid contact line (15) are formed.

На электронный компонент (1) жидкость поступает, охлаждённая в конденсаторе (9). В области мениска жидкости (16) и линии контакта газ - жидкость - твердое тело пленка тоньше и прогревается быстрее, чем жидкость вокруг микрокаверны. На поверхности пленки жидкости возникает термокапиллярная сила, которая старается переместить жидкость из более нагретых мест в менее нагретые. Данный эффект возникает в силу зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры. Изменение поверхностного натяжения на поверхности жидкости определяется зависимостью:The electronic component (1) receives liquid cooled in a condenser (9). In the area of the liquid meniscus (16) and the gas-liquid-solid contact line, the film is thinner and heats up faster than the liquid around the microcavity. A thermocapillary force arises on the surface of the liquid film, which tries to move the liquid from more heated places to less heated ones. This effect occurs due to the dependence of the surface tension of the liquid on temperature. The change in surface tension on the surface of the liquid is determined by the relationship:

где σ - поверхностное натяжение жидкости (Н/м), T - температура на поверхности пленки жидкости (К), σ_T - температурный коэффициент поверхностного натяжения жидкости (Н/м К). Для обычных жидкостей данный коэффициент меньше нуля, т.е. поверхностное натяжение уменьшается с температурой. Тангенциальная сила, возникающая на поверхности пленки, отнесенная к единице поверхности равна [Левич В.Г., 1959, Физико-химическая гидродинамика. - М.: Гос. изд. Физ. - мат. литературы]:where σ is the surface tension of the liquid (N/m), T is the temperature on the surface of the liquid film (K), σ _T is the temperature coefficient of the surface tension of the liquid (N/m K). For ordinary liquids this coefficient is less than zero, i.e. surface tension decreases with temperature. The tangential force arising on the surface of the film per unit surface is equal to [Levich V.G., 1959, Physico-chemical hydrodynamics. - M.: State. ed. Phys. - mat. literature]:

Таким образом, первоначальные микроразрывы пленки жидкости расширяются. Разрыв расширяется до тех пор, пока свободная энергия Гиббса, которая определяется поверхностной энергией твердого тела, энергией взаимодействия жидкости и твердого тела и поверхностным натяжением, не станет минимальной. Thus, the initial micro-tears in the liquid film expand. The gap expands until the Gibbs free energy, which is determined by the surface energy of the solid, the interaction energy of the liquid and the solid, and surface tension, becomes minimal.

Пленка жидкости движется под действием потока пара или газа. Известно, что такое движение неустойчиво и имеет волновой характер [Andrey V. Cherdantsev, David B. Hann, Barry J. Azzopardi, Study of gas-sheared liquid film in horizontal rectangular duct using high-speed LIF technique: Three-dimensional wavy structure and its relation to liquid entrainment, International Journal of Multiphase Flow, vol. 67, pp. 52-64, 2014]. Периодичность следования волн и их амплитуда зависят от расхода жидкости и газа. Гребни волн смачивают поверхность теплообмена вокруг микрокаверн, т.е. ликвидируют разрывы в пленке жидкости. После схлопывания жидкостного слоя (3) в микрокавернах будут сохраняться микропорции пара, которые будут облегчать формирование последующих пузырьков пара. Таким образом, возникает колебательное движение жидкости, которое приводит к формированию малоразмерных разрывов пленки вокруг микрокаверн. Разрывы постоянно формируются и исчезают с достаточно высокой частотой порядка 100 - 1000 Гц. A film of liquid moves under the influence of a flow of steam or gas. It is known that such motion is unstable and has a wave character [Andrey V. Cherdantsev, David B. Hann, Barry J. Azzopardi, Study of gas-sheared liquid film in horizontal rectangular duct using high-speed LIF technique: Three-dimensional wavy structure and its relation to liquid entrainment, International Journal of Multiphase Flow, vol. 67, pp. 52-64, 2014]. The frequency of waves and their amplitude depend on the flow rate of liquid and gas. Wave crests wet the heat exchange surface around microcavities, i.e. eliminate gaps in the liquid film. After the liquid layer (3) collapses, microportions of steam will remain in the microcavities, which will facilitate the formation of subsequent steam bubbles. Thus, oscillatory motion of the liquid occurs, which leads to the formation of small-sized film ruptures around microcavities. Breaks constantly form and disappear with a fairly high frequency of the order of 100 - 1000 Hz.

Существенная интенсификация теплообмена возникает вследствие того, что разрывы в пленке формируют динамическую линию контакта газ - жидкость - твердое тело (15), фиг. 3. В работах авторов заявки [Ajaev, V. S., & 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; Oleg A. Kabov, Dmitry V. Zaitsev, Dmitry P. Kirichenko, and Vladimir S. Ajaev. Interaction of Levitating Microdroplets with Moist Air Flow in the Contact Line Region, Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, 2017, vol. 21, is. 2, pp. 60-69.] показано, что в этой области возникает аномально высокая интенсивность испарения жидкости. Данное явление объясняется наличием сверхтонкой пленки в этой области, положение которой постоянно меняется. Заметную роль в формировании сверхмалых динамических разрывы в пленке играет термокапиллярный эффект. Для случая чистого пара роль термокапиллярного эффекта снижается и микроразрывы пленки будут затруднены, что ухудшит теплообмен. 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. Для интенсификации описанного выше колебательного эффекта разрушения и восстановления тонкой пленки жидкости на поверхности теплообмена газовая фаза должна содержать определенное количество неконденсируемого газа, т.е. быть парогазовой смесью.A significant intensification of heat transfer occurs due to the fact that breaks in the film form a dynamic contact line gas - liquid - solid (15), Fig. 3. In the works of the authors of the application [Ajaev, V. S., & 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; Oleg A. Kabov, Dmitry V. Zaitsev, Dmitry P. Kirichenko, and Vladimir S. Ajaev. Interaction of Levitating Microdroplets with Moist Air Flow in the Contact Line Region, Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering, 2017, vol. 21, is. 2, pp. 60-69.] it is shown that an anomalously high intensity of liquid evaporation occurs in this region. This phenomenon is explained by the presence of an ultra-thin film in this area, the position of which is constantly changing. The thermocapillary effect plays a significant role in the formation of ultra-small dynamic discontinuities in the film. For the case of pure steam, the role of the thermocapillary effect is reduced and micro-tears of the film will be difficult, which will worsen heat transfer. 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. To intensify the above-described oscillatory effect of destruction and restoration of a thin film of liquid on the heat exchange surface, the gas phase must contain a certain amount of non-condensable gas, i.e. be a vapor-gas mixture.

Предложенная поверхность представляет собой трехмерную структуру, состоящую из системы микрокаверн. Центры микрокаверн располагаются друг от друга на одинаковом расстоянии, которое варьируется в диапазоне а = 300 - 800 микрон, фиг. 4. Размеры выбраны на основании результатов скоростной сьемки динамики сухих пятен в тонких интенсивно нагреваемых увлекаемых потоком газа пленках жидкости [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]. Микрокаверны имеют цилиндрическую форму диаметром D = 30 - 50 микрон и глубиной 200 - 300 микрон. Если центры микрокаверн располагаются друг от друга на расстоянии 300 микрон, то на каждом квадратном см поверхности теплообмена располагается порядка 1000 искусственных центров кипения, что кардинально меняет гидродинамику и теплообмен в пленке жидкости. Формирование микроразрывов пленки с частотой порядка 1000 Гц приведет к появлению и схлопыванию одного миллиона микроразмерных сухих пятен в секунду, что может обеспечить значительную интенсификацию теплообмена. Если центры микрокаверн располагаются друг от друга на расстоянии порядка 600 микрон, то на каждом квадратном см поверхности теплообмена располагается порядка 300 искусственных центров кипения, что также может оказать существенное влияние на гидродинамику и теплообмен в пленке жидкости.The proposed surface is a three-dimensional structure consisting of a system of microcavities. The centers of microcavities are located from each other at the same distance, which varies in the range a = 300 - 800 microns, Fig. 4. The dimensions were selected based on the results of high-speed filming of the dynamics of dry spots in thin, intensely heated liquid films carried by a gas flow [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]. Microcavities have a cylindrical shape with a diameter D = 30 - 50 microns and a depth of 200 - 300 microns. If the centers of microcavities are located at a distance of 300 microns from each other, then on each square cm of the heat exchange surface there are about 1000 artificial boiling centers, which radically changes the hydrodynamics and heat transfer in the liquid film. The formation of micro-tears in the film with a frequency of about 1000 Hz will lead to the appearance and collapse of one million micro-sized dry spots per second, which can provide a significant intensification of heat transfer. If the centers of microcavities are located at a distance of about 600 microns from each other, then on each square cm of the heat exchange surface there are about 300 artificial boiling centers, which can also have a significant impact on the hydrodynamics and heat transfer in the liquid film.

Для дополнительной интенсификации теплообмена на верхней части тепловыделяющего элемента 1, либо на накладке из высокотеплопроводного материала (13) вся поверхность не занятая микрокавернами покрывается не смачиваемым микро- или нанопокрытием 18 (фиг. 2, 3). Причем наступающий и отступающий контактный угол смачивания Θ находится в диапазоне от 80 до 140 градусов. В работе авторов патента [Кочкин Д.Ю. Динамика термокапиллярного разрыва тонкого слоя жидкости на горизонтальной поверхности с локальным источником тепла. Диссертация на соискании ученой степени кандидата физико-математических наук. 1.3.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника. 18 октября 2023. Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. Новосибирск, 119с.] показано что при увеличении контактного угла смачивания скорость движения линии контакта газ - жидкость - подложка U существенно возрастает. Причем имеет место зависимость U ^∞ Θ ³. В диапазоне 80° < Θ <140° U достигает значений порядка 0.8-1 м/с. Увеличение скорости движения линии контакта способствует повышению частоты пульсаций микроразрывов в пленке жидкости и интенсификации теплообмена. Толщина не смачиваемого микро- или нанопокрытия должна быть в диапазоне 1 - 100 нм, либо иметь высокую теплопроводность, чтобы не увеличивать заметно термическое сопротивление стенки электронного компонента.To further intensify heat transfer on the upper part of the fuel element 1, or on the plate made of highly thermally conductive material (13), the entire surface not occupied by microcavities is covered with a non-wettable micro- or nanocoating 18 (Fig. 2, 3). Moreover, the advancing and retreating contact wetting angle Θ is in the range from 80 to 140 degrees. In the work of the authors of the patent [Kochkin D.Yu. Dynamics of thermocapillary rupture of a thin layer of liquid on a horizontal surface with a local heat source. Dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences. 1.3.14. Thermophysics and theoretical heat engineering. October 18, 2023. Institute of Thermophysics named after. S.S. Kutateladze SB RAS. Novosibirsk, 119 p.] it is shown that with an increase in the contact wetting angle, the speed of movement of the gas-liquid-substrate contact line U increases significantly. Moreover, the dependence U ^∞ Θ ³ takes place. In the range 80° < Θ <140° U reaches values of the order of 0.8-1 m/s. An increase in the speed of movement of the contact line contributes to an increase in the frequency of pulsations of micro-fractures in the liquid film and intensification of heat transfer. The thickness of the non-wettable micro- or nanocoating should be in the range of 1 - 100 nm, or have high thermal conductivity, so as not to noticeably increase the thermal resistance of the electronic component wall.

Claims

A device for intensifying heat transfer containing a flat mini- or microchannel of rectangular cross-section, one of the walls of which is a substrate for electronic fuel elements located on it, and cooling occurs due to the evaporation of a thin film of liquid entrained by a flow of steam, gas or vapor-gas mixture, characterized in that that the surface of the fuel elements is covered with cylindrical microcavities with a diameter of 30-50 microns and a depth of 200-300 microns, located from each other at a distance in the range of 300-800 microns, while the surface of the fuel elements not occupied by microcavities is covered with a non-wettable micro- or nano-coating, wherein the advancing and retreating contact angle is in the range from 80 to 140 degrees.