Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание технологии охлаждения теплонапряженных элементов с использованием однокомпонентных двухфазных потоков

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
испарительная система охлаждения, высоконапряженные элементы, микро и миниканалы, теплообмен, двухфазные потоки

Цель проекта:
Проект направлен на создание научно-технического задела, разработку и создание экспериментального образца испарительной системы охлаждения с использованием однокомпонентных двухфазных потоков; развитие сотрудничества с иностранным партнером.

Основные планируемые результаты проекта:
Научные и научно-технические основы для создания двухфазной испарительной системы охлаждения: 1) Результаты экспериментального и теоретического исследования испарения пленки жидкости, движущейся под действием потока пара в канале как при распространенном, так и при локальном нагреве; 2) Результаты экспериментального исследования испарения в области контактной линии; 3) Результаты экспериментального и теоретического исследований процессов в пассивной конденсационно-сепарационной системе.

Изготовление экспериментальной установки, а также экспериментального образца испарительной системы охлаждения теплонапряженных элементов.

Рекомендации по созданию наиболее энергоэффективных систем охлаждения. Рекомендации по использованию результатов проведенных прикладных научных исследований в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках. Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проект направлен на решение важной теплофизической задачи - разработка и создание испарительных систем охлаждения, позволяющих отводить высокие плотности теплового потока при относительно низкой разности температур между теплоотдающей поверхностью и стоком тепла.

Особенностью предлагаемой системы охлаждения с использованием однокомпонентной жидкости (без примесей неконденсирующихся газов) является ее относительная простота, низкая стоимость и компактность. Использование однокомпонентной жидкости позволяет существенно упростить конструкцию и уменьшить размеры конденсатора пара. Так же существенно упрощается или исключается совсем сепарационная система. Исключается насос для перекачивания газовой фазы. В тоже время предлагаемая система охлаждения сохраняет главное свое достоинство и принцип – охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости, которая создается за счет движения пара в мини или микро канале. Толщина пленки варьируется с помощью расхода жидкости и пара. Подбором двух этих параметров, а также геометрических размеров канала, рабочей жидкости и рабочего давления система может быть оптимизирована. Необходимо отметить универсальность и гибкость такой системы охлаждения. При различных расхода жидкости и пара система может работать в условиях однофазного течения жидкого теплоносителя (небольшие тепловые потоки), в условиях кипения теплоносителя (экономичный режим при достаточно высоких тепловых потоках), и наконец в условиях расслоенного течения теплоносителя обеспечивая испарение тонкой и сверхтонкой пленки жидкости (высокие и предельные тепловые потоки). Однако развитие систем данной конструкции существенно сдерживается их малой изученностью. После опубликования идеи использования принципа испарения тонкой пленки увлекаемой потоком пара или газа в работах Российских авторов продолжение получили исследования только с использованием газа. Авторам проекта не известно ни одной такой работы где бы исследовался случай пленка –пар. В данном проекте впервые предлагается провести систематические теоретические и экспериментальные исследования теплообмена, испарения, разрушения пленки и критического потока при течении пар – увлекаемая пленка жидкости в мини каналах. Затем с использованием полученной информации будет создан прототип системы охлаждения. Будет изучена теоретически и/или экспериментально работа всех других важных составных частей контура охлаждения, таких как конденсатор, сепаратор и дополнительный парогенератор. В физических исследованиях особое внимание будет уделено изучению гидродинамики и теплообмена в испаряющемся мениске, моделирующем пленку жидкости в области ее разрыва. Эти исследования будут выполнены совместно с коллегами из Японии используя разработанную ими технологию микро-нагревателей на сапфировой пластине. Предполагается, что исследования гидродинамики и теплообмена в пленке жидкости увлекаемой потоком пара будут идти параллельно в России и Японии. При этом коллеги из Японии будут проводить исследования с использованием нагревателей более крупного размера 30 - 100 мм и более. Группа в России будет проводить исследования с нагревателями меньшего размера (10 мм и менее) и с более высокими тепловыми потоками. Группы из России и Японии имеют достаточный опыт сотрудничества и контактов. В работе будет использован многолетний опыт работы группы проф. Охта по подготовке эксперимента на Международной Космической Станции по кипению вынужденного потока жидкости.

Разработка новых устройств для отведения высоких плотностей теплового потока является важным аспектом развития ряда критических технологий. Охранных и иных документов, которые могут препятствовать патентованию предлагаемого решения, не выявлено. Разрабатываемая система охлаждения не имеет аналогов и по ряду параметров превосходит мировой уровень техники.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты имеют наибольшие перспективы внедрения в областях техники, где требуется отводить высокие плотности теплового потока при относительно низкой разности температур между теплоотдающей поверхностью и стоком тепла: высокопроизводительные микропроцессоры, электроника специального назначения, мощная светодиодная техника. Выход на российский и зарубежный рынки возможен как путем продажи лицензий на технические решения, так и путем продажи продукции. Окончательно эффекты от внедрения результатов проекта будут определены к моменту завершения проекта. Перспективность применения предлагаемой системы охлаждения на российском рынке в данный момент оценивается от сотен, до сотен тысяч экземпляров в год. При существующих тенденциях развития микроэлектроники, в течение ближайших лет массовое применение такой системы охлаждения возможно на мировом рынке. Более точно формы и объемы коммерциализации полученных результатов могут быть определены к моменту завершения проекта.

Текущие результаты проекта:
1. Изготовлена экспериментальная установка, а также подготовлены оптические методы диагностики (Шлирен метод с отражением, теневой метод, инфракрасный сканер) для исследования теплообмена в области контактной линии, закуплено необходимое оборудование. Цель эксперимента − комплексное исследование процессов испарения в области раздела фаз, кипения жидкости и конденсации пара в пузыре с контролируемым нагревом поверхности. В ходе эксперимента будут определяться локальные значения температуры, тепловых потоков и коэффициентов теплоотдачи. Эксперименты на данной установке запланированы на 3-м Этапе работ по Соглашению.

2. Проведены расчеты совместного нестационарного движения пленки жидкости и потока пара той же жидкости в микроканале при локальном нагреве. Для деформируемой границы раздела пар-жидкость учитываются перенос тепла потоками, теплозатраты на испарение, теплопроводность в слоях, а также зависимость поверхностного натяжения и вязкости жидкости от температуры. Расчеты выполнены для случая расположения на подложке одного или нескольких источников тепла, а также при различных тепловых условиях, заданных на нижней стенке канала. Исследован характер влияния основных параметров процесса, а также расстояния между локальными источниками тепла на подложке, на рассматриваемые процессы. Рассчитаны, в частности, скорость испарения пленки, поля скоростей и температур в жидкости и паре, теплоотдача от источников тепла, деформации поверхности пленки, экстремальные значения температур и поверхностных деформаций. При прочих равных условиях, а именно при одинаковой конфигурации канала, одинаковых граничных тепловых условий и равных величинах потоков жидкости и газа/пара, проведены расчеты, демонстрирующие отличия течения и испарения пленки жидкости увлекаемой потоком пара той же жидкости и потоком инертного газа в микроканале при локальном нагреве. Показано, что локальный нагрев вызывает существенные трехмерные деформации в области нагрева. Значительную роль в формировании деформаций играет термокапиллярный эффект. Обнаружен принципиальный эффект влияния типа теплового условия задаваемого на подложке на рассматриваемые процессы. Установлено существование некоторого критического расстояния между нагревателями на подложке при котором утончение пленки становится максимальным, с ростом расстояния между нагревателями этот эффект ослабевает. Для случая, когда пленка увлекается потоком пара, испарение становится менее интенсивным, и все термокапиллярные явления проявляются гораздо слабее.

3. Подготовлен экспериментальный стенд и оптические методы диагностики (Шлирен метод с отражением, инфракрасный сканер, скоростная камера и камера высокого разрешения) для проведения исследований в пленке жидкости, движущейся под действием потока пара/газа в канале при высокоинтенсивном локальном нагреве. Рабочий участок модифицирован для проведения экспериментов в канале с варьируемой высотой от 0.1 до 2 мм. Разработана высокоточная методика локального измерения высоты канала в произвольной точке исследуемой области. Проведены методические эксперименты по измерению растечек тепла с нагревателя в рабочий участок, как при течении двухфазного потока в канале, так и в отсутствии течения. Построена карта расслоенного двухфазного течения в канале в изотермическом случае (в отсутствии нагрева). Измерен коэффициент теплоотдачи и критический тепловой поток при локальном нагреве для горизонтального канала высотой 2 мм.

4. Подготовлены 3 заявки на патент.

5. Участие в 6 мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов.

6. Экспериментально исследовано испарение в области контактной линии на новой установке. Обнаружена интенсификация испарения в области контактной линии до 10 раз, в сравнении со средней скорости испарения со свободной поверхности жидкости.