Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание экспериментальных образцов испарительной системы охлаждения для высокопроизводительных вычислительных процессоров и энергоэффективных светодиодных устройств

Докладчик: Марчук Игорь Владимирович

Должность: старший научный сотрудник, доцент, д.ф.-м.н

Цель проекта:
Проект направлен на разработку и создание двух экспериментальных образцов испарительных двухфазных систем охлаждения высокопроизводительных процессоров и мощных светодиодов с использованием принудительной и естественной циркуляций теплоносителя, теоретическое и экспериментальное исследование механизмов высокоэффективного отвода тепла от полупроводниковых структур. 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 высокопроизводительных процессоров и светодиодов, включающих испаритель и конденсатор, и учитывающие капиллярные эффекты. Главными целями проекта является: 1. Разработка и создание экспериментального образца двухфазной испарительной системы охлаждения высокопроизводительных процессоров с принудительной циркуляцией. Система должна отводить тепловой поток с плотностью не менее 1 кВт/см2. 2. Создание пассивной конденсационно-сепарационной системы (не требующей постоянного расхода энергии на сепарацию жидкости и газа) способной работать при различной ориентации к направлению силы тяжести. 3. Разработка и создание экспериментального образца испарительной системы охлаждения одиночного мощного светодиода с естественной циркуляцией теплоносителя.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные ожидаемые 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.
- Пассивная конденсационно-сепарационная система. Такая система является одним из основных компонентов контура охлаждения предлагаемой пленочной системы охлаждения высокопроизводительных процессоров. Предварительные расчёты и эксперименты авторов проекта показывают, что наиболее эффективная система может быть создана как двухкомпонентная. Т.е. когда пленка жидкости движется за счет инертного газа, например, азота или воздуха. Однако для реализации такого принципа охлаждения в системе нужен новый элемент по сравнению с однокомпонентной системой, где полученный пар и остатки жидкости поступают в конденсатор и превращаются в недогретую до температуры насыщения жидкость, которая снова подается на вход системы охлаждения насосом. Этим новым элементом является сепаратор. Его назначение отделить от сконденсировавшегося конденсата инертный газ, который не может быть сконденсирован при температурах охладителя порядка 0-20 С. Основная рабочая гипотеза авторов заключается в соединении конденсатора и сепаратора в одно устройство. Кроме того, для сепарации, будет использован принцип капиллярного транспорта жидкости, который будет осуществляться за счет использования микроканала с размером много меньше капиллярной постоянной жидкости. Сепарационно конденсационная система (СКС) не будет требовать постоянного расхода энергии на сепарацию жидкости и газа. Будет способна работать при различной ориентации к направлению силы тяжести, а также в условиях невесомости. Сепарационно конденсационная система будет иметь два типа охлаждения – 1)водяное и 2) с помощью пельтье элементов охлаждаемых водой, что позволяет снижать температуру СКС до нуля градусов и ниже. В ходе выполнения проекта будет выполнен теоретический анализ работы данного сепаратора. Будет выполнена оптимизация его параметров. Будет получен патент отдельно на СКС.
Экспериментальная установка для исследования интенсификации теплообмена в испарительных системах охлаждения тепловых моделей светодиодов, в которой будет изучаться испарение жидкости, движущихся по микроструктурированной поверхности тепловыделяющего источника за счет капиллярного подсоса жидкости.
- 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.
- Экспериментальный образец испарительной системы охлаждения одиночного мощного светодиода с естественной циркуляцией теплоносителя.
- 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.

В настоящее время необходимость отведения высоких тепловых потоков при заданных температурных режимах ограничивает развитие работ по созданию новых высокопроизводительных вычислительных процессоров и мощных светодиодных устройств. Разработка новых способов и устройств для отведения тепла является важным аспектом развития следующих критических технологий: «Технологии и программное обеспечение распределенных и высокопроизводительных вычислительных систем» и «Технологии создания электронной компонентной базы и энергоэффективных световых устройств».
Предметом работ является экспериментальное и теоретическое исследование физических явлений при интенсивном испарении и конденсации, поиск методов интенсификации теплообмена, разработка математической моделей, описывающих работу отдельных узлов и систем охлаждения, разработка, конструирование и изготовление прототипов технических устройств.
Известны и интенсивно исследуются четыре процесса, которые потенциально способны обеспечить отвод столь высоких тепловых потоков и одновременно обеспечить нужную эффективность и все остальные требования. Это: 1) микроструйное охлаждение; 2) микроспрейное охлаждение; 3) кипение жидкости в мини и микро-каналах; 4) испарение быстродвижущейся тонкой пленки жидкости. Все процессы, так или иначе, используют изменение агрегатного состояния вещества, т.е. фазовый переход жидкость-пар, на который затрачивается значительное количество тепла (теплота фазового перехода). Каждый из этих процессов имеет свои преимущества и недостатки. Первые два процесса связаны с созданием микросопел, не позволяют использовать микроканалы и их реализация имеет относительно высокую стоимость. Третий и четвертый процессы имеют некоторые общие черты, однако кипение реализуется при существенно более высоких расходах жидкости (кольцевой режим течения). Кипение в системе микроканалов (50 - 200 мкм) вызывает существенное гидравлическое сопротивление и как следствие перепады давления до 5 - 10 бар. Кроме того, имеет место неустойчивость течения, вызванная локальными кризисами теплообмена в каналах.
Как показали исследования, выполненные авторами проекта, для отвода высоких тепловых потоков перспективным представляется использование интенсивно испаряющейся тонкой пленки жидкости, движущейся под действием потока газа или пара в мини-, или микроканале. В экспериментах авторов был достигнут рекордный тепловой поток для расслоенного режима течения газа и жидкости 400 Вт/см2 при сравнительно небольшом расходе жидкости. Система теплоотвода на таком принципе позволяет использовать микроканалы, что существенно повышает ее эффективность, и что является принципиальным для целого ряда практических приложений (микроэлектроника, светодиоды). Система не требует дорогостоящих элементов, позволяет минимум в 2 - 3 раза снизить расход жидкости и примерно в десять раз гидравлическое сопротивление при тех же размерах каналов по сравнению с кипящей или однофазной системой. Испарение быстродвижущейся тонкой пленки жидкости с метастабильными зонами интенсивного испарения обеспечивает наиболее эффективные процессы теплопереноса. Таким образом, перспективным представляется использование коротких микроканалов с двухфазным теплоносителем, обеспечивающим интенсивное испарение в зоне активного тепловыделения при высоких скоростях потока и недогревах жидкости до температуры насыщения, в условиях относительно небольших перепадов давления.
Наиболее эффективная испарительная система охлаждения должна иметь интенсифицированный испаритель с капиллярным подсосом, канал достаточного размера для транспорта пара в интегрированный с внешним радиатором конденсатор, где внутреннее оребрение одновременно осуществляет задачу интенсификации теплообмена и капиллярного транспорта конденсируемой жидкости.
Несмотря на достаточно большое предложение технических решений универсального решения в настоящий момент не существует, как в Российской федерации так и за рубежом.

Пути решения поставленных задач предполагают тесную связь экспериментальных и теоретических методов исследований, основанных на использовании современной измерительной техники (скоростной инфракрасной термографии, и др.), комплексных методик исследования, рабочих участков новой конструкции и оригинальных способов моделирования процесса. Будут использованы уникальные дорогостоящие приборы как отечественного, так импортного производства.
При этом авторами проекта будет использоваться ряд объектов имеющейся у них интеллектуальной собственности.

Выход на российский и зарубежный рынки возможен как путем продажи лицензий на технические решения, так и путем продажи продукции. Для выполнения этих задач будут приняты меры по защите интеллектуальной собственности на российском и зарубежном рынках. В настоящее время Институт теплофизики осуществляет патентование в США, Европе и Китае заявки на патент авторов проекта Чиннова Е.А. и Кабова О.А. «Испарительная система охлаждения светодиодного модуля», регистрационный № 2013140942, дата приоритета 5.09.2013. На основании полученного опыта будет выполнено международное патентование изобретений и новых технических решений.
Важным механизмом доведения до потребителей ожидаемых результатов является взаимодействие с технологическими платформами: «Национальная суперкомпьютерная технологическая платформа» и «Развитие российских светодиодных технологий». При выполнении проекта планируется активное участие в мероприятиях указанных платформ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В настоящее время рынок светодиодов динамично развивается, есть освоенные и устоявшиеся сегменты потребителей, например, освещение, есть сегменты, которые еще не устоялись, подсветка для мониторов и телевизоров, для мобильных устройств, есть только формирующиеся сегменты (медицина, железная дорога). Динамика роста рынка до 2012 г. составила порядка 24% ежегодно. В 2013 г. этот показатель достигнет 175 млрд. единиц продукции, а общий объем продаж на рынке LED превысит $10 млрд.
Сегменты рынка мощных светодиодов в настоящее время следующие:
Основные области применения светодиодов — это освещение. Спрос на светодиодные компоненты для осветительных систем вырос с 1,2 млрд. долл. в 2010 году до 1,8 млрд. долл. в 2011 году. Рынок светодиодных светильников вырос до 9,3 млрд. в 2011 году - увеличение на 45% по сравнению с 2010 годом. В течение следующих пяти лет в этом сегменте ожидается существенный рост, но рост выручки производителей будет гораздо ниже из-за ценового давления. Очень высоки перспективы использования мощных светодиодов на транспорте. Эксплуатация в светофорах и семафорах светодиодных систем обеспечивает уменьшение энергопотребления и расходов на обслуживание. По причине внедрения таких светофоров исключаются работы по техническому обслуживанию. Для морского и речного транспорта создаются мощные прожекторы.
В автомобилестроении доход достиг 1 млрд. в 2011 г. Аналитики ожидают, что в следующие 5 лет среднегодовой темп роста спроса на светодиодные фары будет находиться в пределах 34%. Это часть тренда по переходу отрасли на светодиоды. Кроме того, подобные устройства обеспечивают больше возможностей для дизайнеров и позволяют снизить общую стоимость эксплуатации системы освещения авто.
Целевой рынок является наиболее освоенным и имеет положительную динамику роста. Конкурентная борьба на этом рынке весьма острая. Игроками целевого рынка являются как крупные компании, занимающиеся и производством, и разработкой светодиодных светильников, так и мелкие и средние компании. Крупные компании имеют раскрученные бренды, предлагают качественную и более дорогую продукцию, постоянно внедряют новые технические решения. Для них интересно приобретение лицензий только на те технологии, которые позволят кардинально решить проблему «цена-качество». Мелкие и средние компании, чтобы выжить в острой конкурентной борьбе, вынуждены быстро ориентироваться и принимать решения о внедрении первыми новых технологий.
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 написания аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической литературы по теме: «Системы охлаждения для высокопроизводительных вычислительных процессоров и энергоэффективных светодиодных устройств» сделаны следующие выводы: чрезвычайно актуальным является разработка и создание новых испарительных систем охлаждения высокопроизводительных вычислительных процессоров и светодиодных устройств. Одним из возможных вариантов систем охлаждения микроэлектроники с высоким тепловыделением может быть использование коротких микроканалов с двухфазным теплоносителем, обеспечивающих интенсивное испарение в зоне активного тепловыделения при невысоком перепаде давления. Перспективным решением является применение капиллярной структуры и радиальных микроканалов, которые могут обеспечить высокий приток жидкости за счет капиллярного давления.
В результате проведения патентных исследований по анализу технических решений в системах охлаждения высокопроизводительных процессоров и мощных светодиодов 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. На основании проведения патентных исследований и аналитического обзора разработана программа и завершается разработка методики проведения экспериментальных исследований характеристик адиабатического вынужденного двухфазного течения в горизонтальных каналах.