Результат интеллектуальной деятельности: КОНДЕНСАТОР-СЕПАРАТОР ДЛЯ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ ДВУХФАЗНЫХ СИСТЕМ

Изобретение относится к области мини- и микросистем, которые используются в электронике, энергетике и на транспорте и могут применятся в устройствах для охлаждения электроники. В последние десятилетия существенное развитие получило использование двухфазных потоков для охлаждения высоконапряженных по тепловым потокам электронных компонентов, таких как компьютерные чипы, силовая электроника (транзисторы, тиристоры), чипы конвертеров и инверторов в гибридных автомобилях, мощные лазеры, светодиоды и др. Двухфазные системы и двухфазные потоки используются для управления температурными режимами в аэрокосмической индустрии, в микроэлектромеханических и других микроустройствах, подверженных высоким тепловым нагрузкам. Примерами однокомпонентных двухфазных систем являются тепловые трубы и контурные тепловые трубы, где жидкость движется за счет капиллярного давления, создаваемого капиллярными структурами или просто канавками. Основными составными частями таких двухфазных систем являются испаритель, конденсатор пара и капиллярная структура.

Ведутся исследования различных систем, использующих механические насосы для перекачки сред, в которых для охлаждения электронных компонентов используется пленка жидкости, увлекаемая потоком газа в микро- и миниканалах. В ряде случаев поток жидкости в микроканале может охлаждать сразу несколько электронных компонентов, между которыми находятся адиабатические секции. В таких системах жидкая пленка вводится в канал с потоком газа с использованием специального устройства – пленкоформирователя - и далее движется вдоль электронных компонент, испаряется и отводит тепло, превращаясь в пар.

Часто принципиально важно для движения пленки использовать инертный, т.е. неконденсирующийся, газ, а не пар той же жидкости. В этом случае двухфазная система становится двухкомпонентной. Использование двухкомпонентной системы позволяет избежать дополнительных подогревателей (доиспарителей), позволяет сделать систему более универсальной и гибкой в применении, а также интенсифицировать процесс испарения, что показывают исследования авторов патента. Образующийся в процессе испарения пар смешивается с неконденсирующимся газом. Для работы в замкнутом цикле пар необходимо сконденсировать и отделить полученную жидкость от газа. Далее жидкость и газ необходимо раздельно направить снова в испаритель для охлаждения.

Известно, что присутствие неконденсирующегося газа существенно снижает интенсивность теплообмена при конденсации, на порядок, но действие газа снижается с ростом скорости парогазовой смеси. Это связано с формированием диффузионного сопротивления вблизи поверхности конденсации. Необходимо отметить, что в последние десятилетия имеется существенный прогресс в методах интенсификации теплообмена при кипении и испарении. В результате в испарителях при охлаждении электронных компонентов отводятся плотности теплового потока до 1 кВт/см², при этом коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений до 100-200 кВт/(К⋅м)². В то же время в методах интенсификации теплообмена при конденсации пара достигнут существенно меньший прогресс. Например, при внутритрубной конденсации с интенсификаторами в виде продольных ребер средние коэффициенты теплоотдачи могут достигать значений порядка 10 кВт/(К⋅м)², т.е. примерно на порядок меньше. Как следствие, конденсатор пара является наиболее крупной частью мини- и микросистем и может на порядок, а в некоторых случаях на два порядка (воздушное охлаждение, влияние неконденсирующихся примесей) превосходить испарительную часть по массе и габаритам.

Известен способ, описанный в статье (Kabov О.А., Kuznetsov V.V., and Legros J-C., Heat transfer and film dynamic in shear-driven liquid film cooling system of microelectronic equipment, Second Int. Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, June 17-19, 2004, Rochester, NY, ASME, New York, pp. 687-694 (2004)), при котором охлаждение электронного компонента происходит за счет испарения тонкой пленки жидкости. Тонкая пленка диэлектрической жидкости FC-72 движется со спутным потоком газа (азота) в микроканале с электронными тепловыделяющими элементами. Электронные тепловыделяющие элементы могут быть расположены на одной стороне канала либо на двух противоположных сторонах канала.

Основным недостатком данного технического решения является низкая интенсивность теплообмена.

Наиболее близкое техническое решение, которое можно рассматривать как прототип, описано в статье (Kabov О.А., Iorio C.S., Colinet P. and Legros J.C., Two-phase flow pattern and pressure drop in a microchannel, Proc. First International Conference on Microchannels and Minichannels, Ed. S.G. Kandlikar, April 24-25, 2003, Rochester, NY, USA, pp. 465-472, 2003). Устройство содержит цилиндрический охлаждаемый конденсатор (внутритрубный конденсатор) с двумя цилиндрическими сепараторами. Первый сепаратор является основным. Отделение конденсата от парогазовой смеси происходит за счет резкого расширения и поворота жидкости на 90 градусов. Все количество парогазовой смеси проходит во второй сепаратор, который служит для отделения оставшегося конденсата и улавливания возможных капель. Во втором сепараторе происходит отвод обедненной паром парогазовой смеси. Причем парогазовая смесь изменяет первоначальное направление течения на 180 градусов. Оба сепаратора имеют существенное сужение, где капиллярными силами постоянно удерживается жидкость. Данный конденсатор-сепаратор тестировался авторами как в земных условиях, так и в условиях кратковременной микрогравитации (22 секунды) в параболических полетах.

Недостатки описанного выше способа:

1) усложнение конструкции и, как следствие, дороговизна способа за счет использования двух сепараторов;

2) газ вместе с жидкостью проходит вдоль всего тракта конденсатора и отводится только в конечной точке системы, что снижает интенсивность конденсации на всем протяжении системы, за счет повышения концентрации газа и утолщения пленки конденсата по длине конденсатора, что в свою очередь ведет к увеличению его размеров и массы;

3) жидкость проходит через сужение, которое имеет цилиндрическую форму, повышение мощности ведет к увеличению диаметра сепараторов и неизбежно к существенному увеличению габаритов системы.

Задачей заявляемого изобретения является повышение интенсивности теплообмена при конденсации, снижение массы и габаритов конденсатора, удешевление конструкции, повышение мощности.

Поставленная задача решается тем, что в конденсаторе-сепараторе для двухкомпонентных двухфазных систем, содержащем конденсатор, сепаратор, согласно изобретению конденсатор имеет форму продольного ребра, а с обеих сторон ребра расположен капиллярный щелевой сепаратор, представляющий собой узкий плоский микроканал шириной 10-30 мкм.

Используемая форма конденсатора обеспечивает интенсивную конденсацию пара за счет действия капиллярных и гравитационных сил. Длина такой поверхности определяется конкретным приложением. Конструкция позволяет отводить конденсат по всей длине конденсатора и тем самым обеспечивать высокую интенсивность теплообмена и значительный расход конденсата по сравнению с прототипом. Устройство может работать в условиях нормальной гравитации и микрогравитации.

Известно, что при конденсации в тонких пленках жидкости (порядка 1⋅10^-4 м) тепло через жидкость передается практически только теплопроводностью. В результате коэффициент теплоотдачи можно описать следующей зависимостью:

где δ - толщина слоя жидкости (м), λ - коэффициент теплопроводности жидкости (Вт/м⋅К). Зависимость показывает, что снижение толщины пленки на порядок, например, от 1⋅10^-4 м до 1⋅10^-5 м ведет к интенсификации конденсации на порядок. Поверхность конденсации имеет выпуклую криволинейную форму в виде ребра. За счет действия капиллярных сил давление в пленке конденсата на вершине поверхности повышается по сравнению с гладкой пленкой на величину:

где R - радиус кривизны поверхности конденсации, σ - поверхностное натяжение жидкости (Н/м). Радиус кривизны поверхности конденсации монотонно возрастает вдоль поверхности в направлении к капиллярному щелевому сепаратору. В результате в пленке возникает движение в направлении сепаратора под действием капиллярных сил. Конденсатор такого типа может создавать очень тонкие пленки до 1⋅10^-5 м и менее. В области, близкой к вершине «ребра», практически толщина в меньшую сторону не ограничена и может составлять даже несколько мкм. Тонкие пленки такого порядка создают очень высокие коэффициенты теплоотдачи, на два порядка превышающие типичные коэффициенты теплоотдачи во внутритрубном конденсаторе, который используется в прототипе. Толщина пленки может точно регулироваться и достаточно точно рассчитываться с помощью имеющейся математической модели авторов патента (Marchuk I.V., Gluschuk A.V. and Kabov O.A., Vapor condensation on nonisothermal curvilinear fins, Technical Physics Letters, Vol. 32, No. 5, pp. 388-391, 2006; Marchuk I.V., Lyulin Y.V., and Kabov O.A., Theoretical and Experimental Study of Convective Condensation inside Circular Tube, Interfacial Phenomena and Heat Transfer, vol. 1(2), pp. 153-171, 2013). Регулировка мощности конденсатора осуществляется простой регулировкой температуры стенки конденсатора пара.

На Фиг. 1. представлен общий вид двухкомпонентной системы охлаждения микроэлектронного оборудования с использованием предлагаемого конденсатора-сепаратора.

1 - подложка, 2 - электронный компонент, 3 - конденсатор-сепаратор, 4 - система охлаждения конденсатора пара, 5 - мини- или микроканал испарителя, 6 - испаряющаяся пленка жидкости, 7 - канал для парогазовой смеси, 8 - резервуар газа, 9 - насос по газу, 10 - вход газа, 11 - резервуар жидкости, 12 - насос по жидкости, 13 - вход жидкости, 14 - направление течения парогазовой смеси, 15 - «ребро» конденсатора, 16 - направление течения жидкости на ребре, 17 - капиллярный щелевой сепаратор, 18 - емкость для сбора конденсата, 19 - выход газа, 20 - каналы для прокачки теплоносителя системы охлаждения конденсатора пара.

На фиг. 2 представлен поперечный разрез конденсатора - сепаратора.

Устройство работает следующим образом.

В начальном состоянии, перед началом работы, жидкость перетекает в нижнюю часть системы и заполняет резервуары 17, 18, 11, 12. Пар или парогазовая смесь равномерно распределяется по системе. Включается система охлаждения 4 конденсатора-сепаратора 3, конденсатор начинает конденсировать и генерировать пленку жидкости 16, которая движется в направлении капиллярного щелевого сепаратора 17. Включается насос 12 и начинает подавать жидкость через вход 13 в микроканал 5. Резервуар 11 служит для более устойчивой работы насоса и может быть конструктивно совмещен с емкостью для конденсата 18. Пленка натекает на электронный компонент 2, расположенный на подложке 1, и охлаждает его. Основная часть жидкости не испаряется, а уходит по каналу 7 в конденсатор и под действием капиллярных сил и гравитации полностью заполняет капиллярный щелевой сепаратор 17. Включается насос 9 и начинает подавать газ через вход 10 в микроканал 5. В микроканале устанавливается стабильное расслоенное пленочное течение. Подается нагрузка на электронный компонент 2. При этом основная часть жидкости превращается в пар и уходит по каналу 7 вместе с газом в конденсатор. Пар интенсивно конденсируется на ребре. Пленка жидкости 16 движется в направлении капиллярного щелевого сепаратора 17, попадает в резервуары 18 и 11 и перекачивается насосом по замкнутому контуру. Пленка жидкости также может увлекаться частью несконденсировавшегося пара и газом и двигаться вдоль канала конденсатора. Парогазовая смесь 14 движется вдоль канала конденсатора, обедняется паром за счет конденсации и забирается из конденсатора в области выхода газа 19.

Использование заявляемого изобретения позволяет обеспечить более интенсивную, более контролируемую и экономичную конденсацию пара, а следовательно, и более эффективную сепарацию газа и жидкости за счет создания тонких, безволновых ламинарных пленок жидкости. Эффективность сепарации в значительной степени зависит от температуры ребра, а кроме того, длины конденсатора и скорости парогазовой смеси на входе в конденсатор и может быть оптимизирована. Как правило может использоваться обычное водяное охлаждение конденсатора. Для очень точной регулировки мощности для охлаждения конденсатора в мини- и микросистемах могут использоваться Пельтье-элементы с последующим их охлаждением водой или воздухом. В отдельных приложениях для охлаждения могут использоваться тепловые трубы (космические приложения) или по внутренним каналам конденсатора может прокачиваться охлажденный воздух (газ). Конденсатор имеет распределенный вход парогазовой смеси 7. Ширина микроканала в капиллярном щелевом сепараторе зависит от капиллярных свойств жидкости и обычно составляет порядка 10-30 мкм. Устройство может работать в условиях нормальной гравитации и микрогравитации. В условиях микрогравитации ориентация устройства может быть произвольной. В условиях нормальной гравитации рекомендуется положение устройства, когда ось симметрии ребра и направление течения жидкости на ребре 16 примерно совпадает с направлением вектора силы тяжести. При этом будет достигаться максимальная интенсивность конденсации и максимальное качество сепарации. Однако отклонения от указанного положения на 15-20 градусов практически не будут влиять на качество работы системы. Представленный конденсатор-сепаратор может успешно применяться на транспортных средствах, пассажирских и транспортных самолетах. При тех же объемах конденсата, как и в прототипе, гидравлическое сопротивление конденсатора-сепаратора будет существенно ниже из-за раздельного движения газа и жидкости. Это в свою очередь приведет к снижению энергозатрат на прокачку жидкости и газа и повышению общей эффективности системы. Кроме того, предложенная конструкция конденсатора-сепаратора практически исключает пульсации давления в системе вследствие различных неустойчивостей, связанных с совместным движением газа и жидкости.