Перспективы применения высокоэффективных двухфазных систем охлаждения электроники
05.04.2024
Прогресс требует скорости перемещения и миниатюризации электронных устройств. Однако на пути совершенствования высокоскоростных поездов, автомобилей, самолетов и даже космических кораблей есть существенное препятствие: эти системы управляются электроникой, а компактный и мощный суперкомпьютер всегда будет нагреваться.
Сегодня необходимость отведения высоких тепловых потоков при заданных температурных режимах ограничивает развитие целого ряда отраслей техники. К ним относятся: бортовая электроника космических аппаратов, высокопроизводительные вычислительные процессоры, светодиодные источники света, «электрические» самолеты (то есть самолеты без гидравлических систем), высокоскоростной железнодорожный транспорт, гибридные автомобили и электромобили.
Неудивительно, что перспективы применения высокоэффективных двухфазных систем охлаждения, разрабатываемых в (ИТ СО РАН), только на российском рынке оцениваются в сотни и тысячи комплектов ежегодно. Такие системы могут быть использованы не только в космических и наземных транспортных приложениях, но и для охлаждения микропроцессоров высокопроизводительной вычислительной техники.
Поэтому тема научного семинара, прошедшего 25 марта в ИТ СО РАН, была крайне актуальной: «Охлаждение высоконапряжённых по тепловым потокам электронных компонентов посредством интенсивно испаряющейся тонкой плёнки жидкости с динамическими микроразрывами». Семинар начался с просмотра сделанной заранее записи видеолекции члена-корреспондента РАН о создании новой технологии охлаждения.
В Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН научились создавать очень тонкие плёнки жидкости в микроканалах и двигать их с достаточно большими скоростями, используя потоки инертного газа. В настоящее время с помощью таких систем можно отводить 1,3 кВт от 1 см2. Это рекордный показатель, он на порядок выше, чем в рутинных теплообменных аппаратах. В рамках проекта, поддержанного федеральной целевой программой Минобрнауки РФ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы», авторы предложили принципиально новый метод интенсификации теплообмена в пленочных системах, основанный на формировании в жидкости короткоживущих разрывов малого размера. О. Кабов и его коллеги наглядно показали высокую интенсивность испарения в области линии контакта трех фаз («газ–жидкость–твёрдое тело»).
Учёным долгое время не удавалось установить, что происходит в газовой фазе рядом с этой линией. В лаборатории решили проблему экспериментальным путем. Монослой микрокапель жидкости диаметром 10 микрон формировался над интенсивно испаряющейся горизонтальной поверхностью жидкости и стекал под действием гравитации в область сухого пятна диаметром 1 мм, искусственно сформированного на нагревателе. Капли буквально запрыгали и заплясали в области линии контакта «газ–жидкость–твердое тело», что дало возможность оценить их траекторию и ускорение и доказать существование в этом месте аномально высокой интенсивности испарения. Была сформулирована и обоснована новая научная идея стенда, который бы позволил выполнять исследования процессов теплообмена в области линии контакта «газ–жидкость–твердое тело», включая методику измерений и исследований. К настоящему времени на стенде получен целый ряд прорывных результатов, опубликованных в высокорейтинговых журналах. В частности, измерена локальная плотность теплового потока в области линии контакта.
Сотрудник лаборатории интенсификации процессов теплообмена ИТ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Кочкин
Работа над проектом «Создание технологии охлаждения теплонапряжённых элементов с использованием однокомпонентных двухфазных потоков» шла с 2014 года по 2016-й. Было обнаружено неизвестное ранее явление в гидродинамике — факт самоорганизации течения в интенсивно нагреваемой тонкой пленке жидкости, движущейся под действием спутного потока газовой фазы с массовым образованием короткоживущих малоразмерных «сухих пятен». Благодаря этому открытию удалось существенно интенсифицировать теплообмен, а сотрудник лаборатории Дмитрий Кочкин (на снимке) в кандидатской диссертации детально изучил обнаруженный перед разрывом слоя жидкости остаточный слой тонкой плёнки. Открытие того, что микрокапли конденсата могут левитировать не только над смоченной поверхностью нагревателя, но перетекают через линию контакта, «зависая» над «сухой» поверхностью нагревателя, привело к целому циклу фундаментальных исследований по динамике микрокапель. Член-корреспондент РАН Владислав Пухначёв из Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН подчеркнул значимость выводов, сделанных в диссертации Д. Кочкина: обычно инженеры пытаются избежать так называемых «сухих пятен», а сотрудники лаборатории по-новому взглянули на проблему смачиваемости поверхности, что ведет к новым перспективам в разработке устройств охлаждения.
Результаты исследований по проекту ФЦП признаны мировым сообществом, получены пять патентов, опубликованы 24 статьи в высокорейтинговых журналах. К сожалению, повод для внеочередного обсуждения этих работ был печальным: уже второй год Олег Кабов находится под следствием именно в связи с руководством вышеупомянутым проектом. Будем надеяться, суд сможет беспристрастно разобраться в доводах обвинения.
«К сказанному на семинаре трудно что-либо добавить: это актуальное направление исследований. Работы на изготовленном в рамках проекта экспериментальном стенде продолжаются и сегодня, — комментирует заместитель директора по науке ИТ СО РАН . — Могу только согласиться с замечанием, высказанным на семинаре доктором физико-математических наук : существует сложная многоступенчатая система приёмки работ по проектам федеральных целевых программ, сопровождаемая квалифицированной экспертизой, и проект Олега Кабова семь лет назад все эти проверки прошёл без нареканий. Когда после этого следствие обращается за экспертизой к неспециалистам в данной области, это вызывает удивление».
Экспертное заключение, данное представителями ФГБНУ НИИ РИНКЦЭ и вызвавшее у учёных, занимающихся охлаждением теплонапряжённых элементов, мягко говоря, много критических замечаний и недоуменных вопросов, стало отдельной темой для обсуждения. Участники семинара согласились в следующем. Конечно, индульгенции для учёных от обвинений в экономических преступлениях быть не может. Но чтобы подобные судебные процессы не превращались в кампанию по дискредитации представителей науки, что на нынешнем этапе может только повредить нашей стране, разбирательство должно быть открытым, а экспертиза научных проектов — профессиональной. И лучшего экспертного органа, чем Российская академия наук, здесь не найти.
Текст: Ольга Колесова.
Источник: «Поиск».