Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
испарительная система охлаждения, высокопроизводительные процессоры, мощные светодиоды, микро и миниканалы, теплообмен, двухфазные потоки, принудительная и естественная циркуляция.

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:
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. 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
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.
В результате выполнения ПНИ будут разработаны и созданы образцы двух взаимодополняющих испарительных систем охлаждения с естественной и принудительной циркуляцией теплоносителя для мощных светодиодов и высокопроизводительных вычислительных процессоров.
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.


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 настоящее время на рынке представлены классические светодиодные лампы на 220 вольт относительно малой мощности. По данным специалистов индийской фирмы Де Кор Наносемикондактарс большие перспективы имеет классическая лампочка, выполненная из светодиодов повышенной мощности. В этом случае необходимо использовать жидкостное испарительное охлаждение. Предлагаемая система охлаждения с естественной циркуляцией позволит занять пустующую нишу.
Разрабатываемая в проекте испарительная система с принудительной циркуляцией может быть использована для охлаждения микропроцессоров высокопроизводительной вычислительной техники: суперкомпьютеров, а также нового поколения рабочих станций, серверов и персональных компьютеров. Перспективность применения предлагаемой системы охлаждения на российском рынке в данный момент оценивается от сотен, до тысяч экземпляров в год. При существующих тенденциях развития микроэлектроники, в течение ближайших лет массовое применение такой системы охлаждения возможно на мировом рынке. Потребителями могут стать компании, производящие электронику и компьютерную технику, такие как, IBM, Intel, AMD, Hewlett Packard, Toshiba, Hitachi, Samsung и др. В настоящее время Холдинг «Росэлектроника» совместно с Минпромторгом разрабатывает суперкомпьютер полностью российского производства, способный в перспективе закрыть потребности оборонно-промышленного комплекса в вычислительных мощностях. Мощность его составит 1,2 петафлопа. Несмотря на то, что производство комплектующих и микроэлектроники для суперкомпьютера, скорее всего, будет размещаться на территории Юго-Восточной Азии, вся интеллектуальная составляющая будет принадлежать России. Разрабатываемая испарительная система с принудительной циркуляцией может быть использована для охлаждения определенного типа процессоров, работающих в реальном времени, где не могут быть использованы параллельные вычисления.
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:
Создана математическая модель теплообмена и гидродинамики при конденсации пара внутри трубы с продольными ребрами. Выполнено сравнение результатов расчета по модели с результатами известных экспериментов при конденсации водяного пара. Показаны теоретические пути исследования конденсационной части системы охлаждения с естественной циркуляцией с учетом теплопроводности материала конденсатора, - сформулирована физическая модель, построена математическая модель, разработаны алгоритмы математического моделирования теплопереноса в системе охлаждения мощного светодиода, разработана соответствующая программная реализация.
Предложено и обосновано новое техническое решение – термосифон со специальной камерой, предназначенной для накопления неконденсируемых примесей. В заявке на патент РФ «Интенсифицированная испарительная система охлаждения одиночного мощного светодиода», предложено новое техническое решение по интенсификации теплообмена при испарении за счет радиального оребрения. Выполненяется экспериментальная проверка эффективности этого решения и определяются оптимальные параметры радиального оребрения.
Разработаны программа и методики, а также выполнены экспериментальные исследования теплообмена и критического теплового потока от нагревателя размером 10х10 мм в канале высотой от 0.1 до 2.0 мм в зависимости от расхода жидкости и газа, высоты канала, а также угла наклона канала.
Разработаны программа и методика, а также начаты экспериментальные исследования процессов испарения и конденсации в модели мощного светодиодного устройства диаметром 1, 5 и 10 мм с естественной циркуляцией теплоносителя.
Опубликовано и принято к публикации 7 статей.
Выполнено выступление на 7 конференциях для популяризации результатов ПНИ.
Подготовлена 1 заявка на патент и 1 заявка подана.