Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание технологии охлаждения теплонапряженных элементов с использованием однокомпонентных двухфазных потоков

Докладчик: Зайцев Дмитрий Валерьевич

Должность: Старший научный сотрудник, к.ф.-м.н.

Цель проекта:
Целью проекта является создание научно-технического задела, разработка и создание экспериментального образца двухфазной испарительной системы охлаждения теплонапряженных элементов с использованием однокомпонентных двухфазных потоков. Развитие сотрудничества с иностранным партнером. Будут предложены новые методы интенсификации теплообмена при испарении и конденсации. Будут исследованы ранее малоизученные процессы в испарительной, сепарационной и конденсационной частях систем охлаждения. Будут разработаны новые математические модели теплообмена и гидродинамики в системах охлаждения теплонапряженных элементов, включающих испаритель и конденсатор, и учитывающие капиллярные эффекты.

Основные планируемые результаты проекта:
Анализ технических решений в системах охлаждения высокопроизводительных процессоров и мощных светодиодов на основе выполненных патентных исследований.
Научные и научно-технические основы для создания двухфазной испарительной системы охлаждения высокопроизводительных процессоров с принудительной циркуляцией, базирующиеся на исследованиях и анализе процессов, лимитирующих использование предлагаемой технологии охлаждения: устойчивость, разрыв и испарение тонкого движущегося слоя жидкости в зонах интенсивного тепловыделения в зависимости от высоты, ширины и угла наклона канала.
Пакет программ математического моделирования теплопереноса в испарительной системе охлаждения. Пакет будет включать, в частности, код для расчета испарения и трехмерных деформаций в движущейся пленке жидкости при нагреве от одного или группы локальных источников тепла.
Экспериментальный образец испарительной системы охлаждения высокопроизводительных процессоров. Система может использоваться для охлаждения теплонапряженных электронных компонентов с плотностью теплового потока до 1000 Вт/см2 при ограниченной разности температур между источником и стоком тепла.
Результаты экспериментального исследования интенсивного испарения жидкости с разных микроструктурированных поверхностей и оптимальные параметры испарительного узла системы охлаждения одиночного мощного светодиода.
Пакет программ математического моделирования теплопереноса в испарительных и конденсационных узлах системы охлаждения светодиодов с естественной циркуляцией теплоносителя. Пакет будет включать, в частности, код для расчета испарения и конденсации на сложных трехмерных поверхностях.
Способ уменьшения влияния неконденсируемых примесей на конденсацию испарившейся жидкости в системе охлаждения с естественной циркуляцией за счет установки специальных вставок и камер. Планируется подача нескольких патентов. Данная часть разработки позволит существенно удешевить создаваемые системы охлаждения и многократно увеличить их срок службы без технического обслуживания. Конструкция предлагаемой системы позволяет существенно уменьшить влияние неконденсирующихся примесей на интенсивность теплообмена в конденсаторе двухфазной системы, что позволяет упростить процесс заправки системы жидкостью и снизить требования к заправляемой жидкости и к используемым материалам.
Нормативная, техническая, методическая документация по изготовлению образцов испарительных двухфазных систем охлаждения высокопроизводительных процессоров и мощных светодиодов с использованием принудительной и естественной циркуляций теплоносителя.
Рекомендации по реализации созданных образцов и технических решений в реальных секторах экономики.

Уровень ожидаемых результатов и качество планируемых работ базируется на многолетнем опыте авторов в области исследования теплообменных процессов в системах охлаждения электронного оборудования и термостабилизации бортовых систем орбитальных аппаратов.

В ходе выполнения всех этапов проекта запланирован ряд защит дипломных работ бакалавров, двух диссертаций кандидатов наук, публикации статей в высокорейтинговых журналах, выступление с докладами по тематике проекта на всероссийских и международных конференциях.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Проблема охлаждения микроэлектроники становится в наши дни одной из актуальнейших проблем теплофизики. Электронная промышленность уже сегодня готова производить микропроцессоры, где плотность теплового потока может достигать величины 500 Вт/см2 и более. Существующие решения не позволяют осуществить эффективное охлаждение таких компонентов, что является технологическим барьером, ограничивающим дальнейшее развитие электронно-вычислительных систем.
Испарительная система с принудительной циркуляцией может быть использована для охлаждения сверхвысокопроизводительных процессоров суперкомпьютеров и электроники специального назначения. Более простая модификация этой системы может быть использована в автомобильной промышленности для охлаждения мощных светодиодов, так как в автомобилях уже имеется встроенная циркуляционная система.
Использование предлагаемой испарительной системы охлаждения светодиодов даст увеличение срока службы светодиода до 10 лет, при этом качество света остаётся стабильным, т.к. светодиод не перегревается. Стоимость такого светодиодного модуля сильно зависит от технологии изготовления подложки, предлагаются разные варианты таких технологий. Предполагается, что будут получены следующие потребительские характеристики: теплопроводность будет выше, чем у аналогов, в десятки раз, цена ниже на 20–30%, надежность возрастёт на два порядка. Разрабатываемая продукция, в которой будет использована не имеющая аналогов в мире испарительная система охлаждения, будет превосходить мировой уровень техники.
В ходе выполнения проекта будет создана новая интеллектуальная собственность в виде патентов и ноу-хау. Индустриальный партнер имеет опыт работы по лицензионным соглашениям, в частности, с Институтом теплофизики.
В дальнейших исследованиях можно использовать: созданное экспериментальное оборудование, методику экспериментов, математические модели расчетов, программное обеспечение. Результаты ПНИ можно использовать для разработки новых энергоэффективных испарительных систем охлаждения теплонапряженных компонентов электронных и технических устройств, а также в системах теплового регулирования космической техники.

Текущие результаты проекта:
В результате проведения патентных исследований по теме «Создание технологии охлаждения теплонапряженных элементов с использованием однокомпонентных двухфазных потоков» сделаны следующие выводы: выбранное направление исследований является перспективным, исследуемый объект соответствует мировому уровню техники в заданной области техники. Охранных и иных документов в РФ, США, Японии, Китае и др. странах, которые будут препятствовать патентованию данного решения, не выявлено. Сформулирована идея и начато оформление заявки на патент.

На основании проведения аналитического обзора, разработана теоретическая модель, описывающая процессы теплоотдачи от локальных или сложно распределенных источников тепла к пленке жидкости, движущейся под действием спутного потока пара.

Разработана концепция экспериментальной установки для исследования теплообмена в области контактной линии. Выполнена эскизная конструкторская документация на экспериментальную установку.

Начато создание экспериментальной установки для исследования двухфазных потоков при нагреве от распространенного нагревателя (выполняется иностранным партнером).