Регистрация / Вход
Прислать материал

14.613.21.0011

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.613.21.0011
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Создание технологии охлаждения теплонапряженных элементов с использованием однокомпонентных двухфазных потоков
Докладчик
Зайцев Дмитрий Валерьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание научно-технического задела, разработка и создание экспериментального образца испарительной системы охлаждения теплонапряженных элементов с использованием однокомпонентных двухфазных потоков. Развитие сотрудничества с иностранным партнером.
Актуальность и новизна исследования
Разработка новых устройств для отведения высоких плотностей теплового потока является важным аспектом развития ряда критических технологий. Особенностью предлагаемой системы охлаждения с использованием однокомпонентной жидкости (без примесей неконденсирующихся газов) по сравнению с системой с газом 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 расходах 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). Охранных и иных документов, которые могут препятствовать патентованию предлагаемого решения, не выявлено.
Описание исследования

В физических исследованиях особое внимание уделяется изучению гидродинамики и теплообмена в испаряющемся мениске, моделирующем пленку жидкости в области ее разрыва. Эти исследования выполнены совместно с коллегами из Японии, используя разработанную ими технологию микро-нагревателей на сапфировой пластине. Иностранный партер обладают уникальной технологией изготовления микросенсоров (микронагревателей) которые обеспечивают высокую точность измерений. Данный аспект является принципиальным для исследования процессов вблизи контактной линии. 

Основные результаты по проекту получены на двух экспериментальных установках:

1) Установка для проведения исследований совместного течения пленки жидкости и газа/пара в канале при интенсивном локальном нагреве. Данный стенд позволяет проводить моделирование охлаждения микропроцессора плёнкой жидкости, движущейся под действием трения в канале. Данный стенд имелся в наличии до начала работ по проекту. 

2) Установка для исследования испарения в области контактной линии с использованием рабочего участка с контролируемым массивом микронагревателей, предоставленного иностранным партнером. Данный стенд был разработан изготовлен и запущен в процессе выполнения работ по проекту. 

В экспериментальных исследованиях использовались следующее уникальные оптические методики:

1) Оптическая система для Шлирен-метода, которая позволяет визуализировать и измерять деформации на поверхности жидкости в двух взаимно перпендикулярных направлениях высокоскоростной камерой. Система позволяет визуализировать и измерять деформации поверхности жидкости в диапазоне от – 3.1° до + 3.1°, с точностью 0.03°. 

2) Конфокальный метод. Используется для измерения расстояния до поверхности пленки по анализу интенсивности отражённого от неё света. Основные параметры: расстояние, на котором может производиться измерение от 10 мм до 60 мм, чувствительность 60 нм. 

3) Скоростная высокоточная теневая методика. Представляет собой оптическую систему, состоящую из источника света и скоростной видеокамеры. В качестве источника света используется мощный светодиод и система линз, которая на выходе образует параллельный пучок света. Для обработки изображений используется программа Drop Shape Analysis от компании KRUSS. Для улучшения пространственного разрешения вплоть до 0.5 мкм/пиксель используются фотокамера NIKON D300S с макро объективом Nikon 105mm f/2.8G IF-ED AF-S VR Micro-Nikkor и специальные фотографические меха, которые позволяют получать изображение с масштабом до 10:1.

4) Измерение температур с помощью инфракрасного микроскопа ТИРМ-02. Фоточувствительным элементом является фокальная InAs-матрица МДП-диодов. Чиcло элементов в матрице (число пикселей) 128х128(16384) элементов. Спектральный диапазон чувствительности 2,65-3,05 мкм. Частота кадров 10-100 с-1. Минимальное поле обзора - 0.35х0.35 мм.

 

Результаты исследования

1) На созданной экспериментальной установке выполнены экспериментальные исследования гидродинамики и теплообмена на сапфировых подложках с линейкой микронагревателей, разработанных иностранным партнером. Проведен анализ физических механизмов, которые могут повлиять на динамику и испарение контактной линии на поверхностях с контрастным смачиванием или рельефом поверхности, частным случаем которой является поверхность с линейкой микронагревателей. Подложки с различными покрытиями были охарактеризованы при помощи микроскопии.  При помощи скоростной визуализации исследована скорость распространения сухого пятна. Установлено, что смачиваемость подложки существенно влияет на скорость распространения контактной линии. Также установлено, что на участках подложки, имеющих, большую температуру, скорость перемещения контактной линии выше. 

2) Проведены расчеты совместного нестационарного движения пленки жидкости и потока пара той же жидкости 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. 

3) Подготовлен экспериментальный стенд для проведения исследований в пленке жидкости, движущейся под действием потока пара/газа в канале при высокоинтенсивном локальном нагреве. Построена карта расслоенного двухфазного течения в канале в изотермическом случае (в отсутствии нагрева). Обнаружена существенная стабилизация течения пленки к разрыву и кризису теплообмена. В некоторых режимах критический тепловой поток возрастает до 10 раз по сравнению с чисто гравитационным течением пленки, что подтверждает перспективность разрабатываемой системы для охлаждения оборудования с высоким выделением тепла. Полученные результаты были использованы при проектировании экспериментального образца системы охлаждения.

4) Выполнены исследования теплофизических процессов в пассивной конденсационно-сепарационной системе. Обнаружено, что увеличение паросодержания, которое может быть вызвано увеличением неконденсируемых примесей в паре, приводит к уменьшению теплового потока и соответственно снижается интенсивность конденсации. Проведено моделирование положения мениска в сепараторе с использованиемп уравнений Навье-Стокса в предположении, что процесс стационарный, а, значит, граница раздела жидкость – пар неподвижна. Получено хорошее соответствие результатов моделирования с данными эксперимента. Данная конденсационно-сепарационная система используется при создании экспериментального образца испарительной системы охлаждения.

5) На основе проведенных исследований спроектирован экспериментальный образец испарительной системы охлаждения теплонапряженных элементов с использованием однокомпонентных двухфазных потоков (на момент написания осуществляется его сборка). 

В ходе выполнения проекта подано 5 заявок на патент и опубликовано (принято в печать) 21 научная статья. 

Практическая значимость исследования
Полученные 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. 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.
Постер

14.613.21.0011.ppt