Сибирские ученые разрабатывают системы охлаждения для электроники

03 февраля 2022

Сверхинтенсивные системы охлаждения различных приборов, которыми занимаются ученые из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, могут стать полезны там, где нужно отводить очень большие потоки тепла, в частности в мощных смартфонах или космических аппаратах. Среди уже освоенных сибирскими физиками областей — чипы компьютеров и высоконагруженные оптические элементы Сибирского кольцевого источника фотонов.

По словам заведующего лабораторией интенсификации процессов теплообмена ИТ СО РАН доктора физико-математических наук Олега Александровича Кабова, в институте сделан расчет для СКИФа по предложенной системе охлаждения, которая базируется на принципе микро- и мини-каналов. Ученым удалось увеличить тепловыделение, то есть снятие тепла, в три раза.

«Судя по литературе, лучший показатель у испанского синхротрона — 600 ватт на см², а мы можем снять 1,8 киловатта на см². Однако поставленная проблема еще сложнее. Дело в том, что, когда был сформирован первый вариант проекта СКИФа, ученым пришлось уменьшить плотность теплового потока на первом элементе, с которым встречается синхротронное излучение, примерно в четыре-пять раз, потому что не удалось быстро решить вопрос о термостабилизации, то есть об отводе тепла. Первый элемент — это изготовленное из алмаза стекло толщиной примерно 300 микрон и диаметром около 70 миллиметров. Самая нагреваемая точка — центральная. Если бы тепловой поток в ней был 10 киловатт на см², как изначально хотели физики, температура была бы более 2000 ^оС, алмаз быстро разрушился и синхротрон вышел из строя. Этого нельзя было допустить. Мы уже оптимизировали нашу конструкцию и смогли достичь максимальной температуры 950 ^оС, но всё равно это много, лучше 600 или даже 500 ^оС. Мы будем продолжать исследования в этом направлении, у нас есть примерно еще два-три года», — рассказал исследователь.

Что касается компьютерных чипов, то здесь ученые ИТ СО РАН предложили новую систему охлаждения. Ее суть в прокачивании тонкой пленки жидкости в микроканале, а движется она за счет потока газа. Максимальный тепловой поток, который сейчас уже может отводить такая система, в зависимости от скорости газа, — 1,3 киловатта на см².

«С помощью высокоскоростной съемки мы поняли, что происходит с пленкой, — рассказал Олег Кабов. — Это высокоинтенсивный процесс, в ходе которого за счет нуклеации мелких пузырьков в пленке жидкости появляются систематические мелкомасштабные, примерно 100–300 микрон в диаметре, и очень маложивущие разрывы. Мы обнаружили, что за одну секунду на одном квадратном сантиметре такой поверхности может возникать и исчезать 200 тысяч сухих пятен. За счет такого быстрого их исчезновения мы имеем сверхвысокую интенсивность теплообмена, которая связана с контактом жидкости, газа и твердого тела. По линиям контакта реализуется и сверхинтенсивное испарение, в результате чего происходит охлаждение».

Такая система сложнее классических микроканальных и спрейных, но она более мобильна, интенсивна, надежна и контролируема.

Олег Кабов подчеркнул, что пока это фундаментальные исследования, хотя специалисты уже близки к их завершению.

Источник: scientificrussia.ru