Содержание к диссертации
Введение
1 Современные подходы к разработке элементов систем тепловой защиты радиоэлектронных компонентов 9
1.1 Системы тепловой защиты поверхностей от воздействия теплового потока 9
1.2 Анализ подходов к моделированию тепломассопереноса в системах охлаждения на основе микроканальных теплообменных элементов 33
1.3 Выводы 42
2. Математическое моделирование процессов гидродинамики течения охладителя и теплообмена в микроканальной структуре на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния 43
2.1 Математическая модель микроканального теплообменного элемента на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния 43
2.2 Численное моделирование гидродинамики и теплообмена в микроканальном теплообменном элементе на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния с использованием пакета ANSYS 62
2.3 Выводы 82
3 Экспериментальная апробация пилотного образца микроканального теплообменного элемента с матрицей из нитевидных монокристаллов кремния 83
3.1 Описание экспериментальной установки 83
3.2 Конструкция экспериментальной модели теплообменника на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния 96
3.3 Применение кремния в радиоэлектронике. Основные физические свойства 100
3.3.1 Создание регулярных систем нитевидных монокристаллов кремния 101 3.4 Методика проведения эксперимента и обработка опытных данных 104
3.4.1 Технические требования и метрологическое обеспечение проведения экспериментальных исследований 105
3.5 Основные результаты экспериментальных исследований и испытаний 109
3.6 Выводы 112
4. Инженерная методика расчета класса микроканальных теплообменных элементов на основе нитевидных монокристаллов кремния и практические рекомендации по их использованию 113
4.1 Инженерная методика расчета микроканальных теплообменных элементов на основе матрицы из нитевидных монокристаллов кремния 113
4.2 Разработка и практическое применение микроканальных теплообменных элементов на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния для систем тепловой защиты радиоэлектронных компонентов 119
4.3 Выводы 123
Основные результаты работы 124
Список литературы 126
- Анализ подходов к моделированию тепломассопереноса в системах охлаждения на основе микроканальных теплообменных элементов
- Численное моделирование гидродинамики и теплообмена в микроканальном теплообменном элементе на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния с использованием пакета ANSYS
- Технические требования и метрологическое обеспечение проведения экспериментальных исследований
- Разработка и практическое применение микроканальных теплообменных элементов на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния для систем тепловой защиты радиоэлектронных компонентов
Введение к работе
Актуальность темы. Появление компактных энергонапряженных
элементов систем различного предметного назначения вызвало
необходимость их эффективного охлаждения с целью стабилизации
температурного режима, обеспечивающего заданные эксплуатационные
характеристики. Решение этой проблемы базируется на использовании
различных методов интенсификации теплообмена, но наибольшее
применение нашли пористые среды в силу высоких значений коэффициента
теплоотдачи. Роль такого способа интенсификации существенно возрастает
при отводе высокоинтенсивных тепловых потоков от компактных
теплонапряженных поверхностей, например в электронных миниатюрных
устройствах, в которых электромагнитная энергия диссипирует в тепловую.
Принимаемая в настоящее время физическая модель пористых сред, как
правило, представляется в виде плотной случайной упаковки сфер, пустоты
которой соединены между собой и полностью заполнены теплоносителем.
Пористость таких слоев имеет значение 0,2 - 0,4, и использование фактора
интенсификации в виде увеличения локальной скорости внутри матрицы
приводит к существенным гидравлическим потерям на прокачку жидкой
тепловоспринимающей среды. В отличие от этого применение
микроканальных теплообменных элементов с регулярной пористой структурой не характеризуется высокими потерями давления из-за высокой величины пористости с сохранением величин коэффициентов локальной теплоотдачи.
В работах Поляева В.М., Леонтьева А.И., Дзюбенко Б.В., Vafai K., Nield D.A., Cheng P. показано, что в случае регулярной структуры матрицы удается достигнуть требуемых характеристик теплообменных элементов для охлаждения поверхностей с интенсивным тепловыделением. Было отмечено, что сдерживающим фактором в применении таких пористых сред являлось отсутствие надежной и управляемой технологии их производства.
Появление возможности выращивания однородных по структуре и
геометрии нитевидных кристаллов кремния на подложке открыло новые
перспективы в применении сконструированных таким образом
микроканальных элементов для решения отвода теплоты
высокоинтенсивных потоков с компактных поверхностей. Однако, вопросы, связанные с верификацией гидротермических характеристик таких сред, в научной литературе отсутствуют, что не позволяет перейти к этапу создания конкретных теплообменных элементов на основе этих сред.
Вследствие этого тема диссертационной работы является актуальной,
а также имеет важное практическое значение. Работа выполнена в
соответствии с ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и
радиоэлектроники» на 2008-2015 годы» по х/д НИР «Исследование путей
создания конструкции унифицированных теплоотводящих элементов систем
охлаждения радиоэлектронной аппаратуры и сверхвысокочастотных
приборов Х- и С- диапазонов Шифр «Холод» (государственный контракт №
9411.1006800.11.052. от 11 ноября 2009 г. № гос. регистрации
9411.1006800.11.052), «Разработка базовой технологии создания
унифицированных компонентов активных систем локальной
термостабилизации для защиты электронных модулей
телекоммуникационного оборудования от воздействия экстремально низких температур и перегрева» ОКР «Полярис» (государственный контракт № 11411.1006800.11.204 от 15 ноября 2011 г. № гос. регистрации 01201280053) и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технического комплекса России
на 2014-2020 годы», соглашение о предоставлении субсидии от 28.10.2015 г. № 14.577.21.0202.
Цель работы – установление закономерностей конвективного
переноса теплоты в микроканальных средах с регулярной структурой
матрицы из нитевидных монокристаллов кремния на основе теоретических
и экспериментальных исследований и обоснование способов
интенсификации теплопередачи при теплосъёме с компактных
поверхностей.
Задачи исследования:
-
Анализ существующих способов интенсификации теплосъема с компактных поверхностей и подходов при теоретическом и экспериментальном описании переноса теплоты в контексте применения микропористых сред с матрицей из нитевидных монокристаллов кремния.
-
Разработка математической модели теплопереноса в элементах микроканальных теплообменников с регулярной структурой матрицы из нитевидных монокристаллов кремния.
-
Проведение вычислительных экспериментов с помощью пакета ANSYS для подтверждения адекватности и достоверности разработанной математической модели и оценка влияния локальной гидродинамической обстановки на процесс теплопередачи.
-
Создание пилотной установки и проведение экспериментов для оценки интегральных гидротермических характеристик теплообменных элементов с матрицей из нитевидных монокристаллов кремния.
5. Разработка инженерной методики расчета теплообменных
элементов с матрицей из нитевидных монокристаллов кремния и
рекомендаций по созданию на их основе компактных теплообменников.
Научная новизна:
-
Разработана математическая модель теплопереноса в элементах микроканальных теплообменников с регулярной структурой матрицы из нитевидных монокристаллов кремния, отличающаяся учетом локальной гидродинамической обстановки и геометрических характеристик регулярных элементов матрицы.
-
Определена структура гидродинамических полей при обтекании элементов матрицы, позволившая определить ее влияние на интенсивность локального теплообмена.
3. Получены экспериментальные интегральные данные
гидротермических характеристик в микроканальных теплообменных
элементах в виде обобщающих критериальных зависимостей.
4. Разработана инженерная методика расчета микроканальных
теплообменных элементов с матрицей из нитевидных монокристаллов
кремния, и предложен алгоритм ее реализации, отличающийся учетом
локального теплообмена на гидротермические характеристики
теплообменного элемента.
Практическая ценность и реализация:
По результатам проведенного теоретического и экспериментального
исследования предложены: критериальные зависимости расчета
гидротермических характеристик микроканальных теплообменных
элементов с матрицей из нитевидных монокристаллов кремния,
позволяющие обоснованно выбирать геометрические параметры
проектируемых теплообменников с учетом гидродинамического режима их
функционирования и удельной величиной теплосъема с компактной
поверхности; сконструирован пилотный образец микроканального
теплообменника для теплосъема удельного теплового потока до 100 Вт/см2,
прошедший апробацию в академии ВУНЦ ВВС «ВВА
им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), подтвердившую его эффективность.
Достоверность результатов исследований подтверждается
применением фундаментальных законов явлений переноса, проведением
теплофизических экспериментов на специально сконструированной
пилотной установке по общепринятым классическим методикам с использованием поверенной контрольно-измерительной аппаратуры и сравнительным анализом полученных результатов с имеющимися данными.
Апробация работы: Российская научно-техническая конференция «Ракетно-космическая техника и технология» (Воронеж, 2011); Российская национальная конференция по теплообмену «РНКТ-6» (Москва, 2014); XVII Всероссийская научно-техническая конференция и школа молодых ученых, аспирантов и студентов «Аэрокосмические технологии» (Воронеж, 2016), а также научно-технические конференции и семинары по теплофизике в Воронежском государственном техническом университете.
Публикации по теме диссертации. Опубликовано 6 научных работ,
3 – в научных изданиях из списка ВАК РФ, получен 1 патент на полезную
модель. В опубликованных работах соискателю принадлежат: проведение
теплогидродинамических расчетов; определение приоритетных направлений
исследования, разработка конструкции теплообменных аппаратов,
моделирование гидродинамики и теплообмена с использованием
программного комплекса ANSYS.
Области исследований в соответствии с паспортом
специальности:
п.5. Экспериментальные и теоретические исследования однофазной, свободной и вынужденной конвекции в широком диапазоне свойств теплоносителей, режимных и геометрических параметров теплопередающих поверхностей.
п.9. Разработка научных основ и создание методов интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты.
Объем и структура работы.
Основная часть диссертационной работы изложена на 150 страницах, содержит 139 рисунков и 5 таблиц. Работа включает введение, четыре главы, основные результаты, список литературы из 194 наименований и приложение.
Анализ подходов к моделированию тепломассопереноса в системах охлаждения на основе микроканальных теплообменных элементов
Настоящее и будущее развитие электроники и энергетики, а также интенсификация тепловых и энергетических процессов влекут за собой повышение как силовых, так и тепловых нагрузок на элементы конструкции теплоэнергетических установок. В тоже время, разработка передовых компонентов радиоэлектронной аппаратуры связана с использованием высоких удельных мощностей при сравнительно небольших объемах, что непременно приведет к значительному увеличению выделяемого теплового потока более 100 Вт/см2 и величины рассеиваемого тепла. Поэтому, при проектировании электронной аппаратуры особого внимания заслуживает разработка методов эффективного и надежного отвода теплоты, а для ее стабильной и безотказной работы применяют системы тепловой защиты с развитыми поверхностями теплообмена.
При ограниченном доступе к поверхности тепловыделения и сложной конструкции технических устройств практически единственным способом интенсификации теплопереноса и снятия высоких тепловых нагрузок является использование нано- и микроканальных теплообменных элементов. Возможность создания таких элементов с необходимыми свойствами делает их в некоторых случаях просто незаменимыми [1-6].
Микроканальные теплообменники обеспечивают высокую интенсивность теплообмена, прочность конструкции теплообменных аппаратов, а их использование позволяет существенно сократить объемы рабочих жидкостей, находящихся в системах охлаждения [7, 8]. Микроканальные теплообменники нашли применение во многих отраслях промышленности: атомной энергетике, химии, нефтехимии, микроэлектронике, аэрокосмической индустрии, в микроэлектромеханических устройствах для биологических и химических исследований. Такие теплообменники незаменимы в технических устройствах, в которых основным требованием является организация охлаждения различных поверхностей в ограниченном пространстве [7, 9-11].
Для охлаждения радиоэлектронной аппаратуры применяться разные методы отвода тепла, в числе которых можно выделить пассивные и активные.
При использовании пассивных методов охлаждения электронной аппаратуры теплота отводится за счёт теплопроводности, естественной конвекции и излучения. Охлаждение тепловыделяющей поверхности происходит без дополнительных затрат энергетических ресурсов и является наиболее надёжным, простым и экономически выгодным. Использовать данный способ возможно при невысоком удельном тепловыделении. Теплота за счет процесса теплопроводности отводится от горячей поверхности и сразу передается металлическому радиатору, который охлаждается по механизму естественной конвекции с окружающей средой. Радиаторы можно разделить по конструктивному исполнению, способу изготовления и материалу (рисунок 1.1) [12, 13]. а – игольчатый; б – ребристо-пластинчатый; в - с изогнутыми плоскостями
Радиаторы изготавливаются, как правило, из высокотеплопроводных технических материалов: медь, алюминий, их сплавы. Конструктивные особенности радиаторов (форма, размер, количество ребер, материалы из которых они изготовлены и т.п.) выбираются исходя из технических требований к изделию на основании теоретических расчетов и экспериментальных исследований [14-17].
В последние годы появились разработки радиаторов для охлаждения микроэлектронных компонентов нано- и микромасштаба.
Исследователи из технического института Rensselaer и университета города Оулу разработали углеродный радиатор, использующий в своей конструкции нанотрубки, позволит сделать системы охлаждения более эффективными по сравнению с системами, использующими медь. Радиатор включает несколько пленочных слоев, которые выращены из нанотрубок длина которых равна 1,2 мкм. Окончательную обработку радиатора осуществляют лазером. Итоговая конструкция игольчатого радиатора выглядит как массив 1010 ребер (рисунок 1.2) [18]. При использовании разработанного радиатора с поверхности охлаждаемого чипа рассеивается на 11 % больше теплоты, по сравнению с обычным радиатором.
Численное моделирование гидродинамики и теплообмена в микроканальном теплообменном элементе на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния с использованием пакета ANSYS
Авторами [132] для моделирования разрежённой газовой смеси в микроканалах предложен подход, основанный на уравнениях квазигазодинамики и молекулярной динамики. Характеристики течения, определенные по результатам расчета, сравнивались с данными натурного эксперимента. Сравнение показало адекватность подходов квазигазодинамики и молекулярной динамики Исследователем в [133] приведены результаты исследования изотермического течения вязкого газа на основе уравнений Навье – Стокса в прямых микроканалах. Описанный метод расчета одномерных потоков газа, основан на линеаризации уравнений движения газа в микроканалах, а также изложен общий метод расчета потоков вязкого газа в микроканалах произвольной формы сечения.
С быстрым развитием компьютерных технологий широкое распространение получили численные методы расчета, появились программные комплексы, в которых возможно моделировать различные тепловые и гидравлические процессы [134-147].
В работе [148] рассматриваются исследования в областях разработки оригинальных многоблочных вычислительных технологий и основанного на них пакета для двумерной и трехмерной картины течения, а также модификации наиболее распространенной модели сдвиговых течений для решения задач интенсификации теплообмена при обтекании луночных рельефов, при движении теплоносителя в пакетах труб с вихревыми и струйными генераторами.
Авторами [149] представлены результаты расчетов турбулентных течений с использованием RANS-LES подходов, позволяющих повысить точность расчетов как потока развитых турбулентных течений, так и пристеночных областей. Сделан вывод, что применение сеток из многогранников дает большую точность расчетов, чем в случае использования сеток из тетраэдров и призм. При расчете турбулентных течений на сетках с различными типами расширения была проведена оценка точности гибридных RANS-LES подходов.
Работа [150] посвящена численному моделированию тепломассообменных процессов в микроканалах, также рассматриваются изотермические и неизотермические течения несжимаемой жидкости, описываемые уравнениями Навье-Стокса, в микроканалах различной конфигурации. В данной работе для моделирования течений и теплообмена в микроканалах использовался CFD пакет SigmaFlow. Была получена расчетная зависимость среднего числа Нуссельта от числа Рейнольдса (Re) в данной постановке справедливая для Re 250.
Полученные результаты сравнивались с имеющимися данными экспериментов и аналитических расчетов. Для задач получено хорошее согласование по гидродинамике и теплообмену в микроканалах как по интегральным параметрам, так и локальным характеристикам течения в большом диапазон числе Рейнольдса и размеров микроканалов. На рисунке 1.40 показана зависимость числа Рейнольдса Re и приведенной длины канала x/d от числа Нуссельта Nu.
В исследовании [151] представлены результаты моделировании задач теплообмена и изотермических течений жидкости в микроканалах в вычислительном пакете SigmaFlow. Для моделирования тепломассообмена использовались классические методы, основанные на решении уравнений Навье-Стокса. Вычислительные эксперименты, проведенные в работе, подтвердили адекватность данного подхода вплоть до размера каналов 10 мкм. По результатам моделирования было получено качественное и количественное согласие с экспериментальными данными. Рисунок 1.41 содержит сопоставление результатов численного моделирования с экспериментом. На графиках представлены зависимости перепада давления между входом и выходом из теплообменника АР и среднего коэффициента теплоотдачи а от числа Рейнольдса. Коэффициент теплоотдачи в данной задаче вычислен по определению: a = q/(Twf), где Tw — средняя температура стенки микроканала, Т f — средняя арифметическая температура жидкости на входе и выходе из теплообменника.
Зависимость перепада давления (а) и среднего коэффициента теплоотдачи (б) от числа Рейнольдса: точки – экспериментальне данные; сплошная линия с квадратами – расчётные значения Для моделирования турбулентных течений возможно применение RANS модели турбулентности. Этот подход описан в работах [152] на примере течения теплоносителя из жидкого натрия. Сравнивались разработанные и стандартные RANS-модели. Корректность моделирования теплообмена с помощью разработанных моделей исследовалась на примере обтекания обратного подогреваемого уступа, для которого, оценивались как динамические так и тепловые характеристики. Как правило, при обычных условиях течение не слишком разреженных газов и жидкостей можно описывать одинаково методами механики сплошной среды. В микро- и миниканалах ситуация кардинально меняется. В этом случае течения жидкости и газа следует описывать с помощью разных подходов. Для газов – это решение полного уравнения Больцмана или применение метода молекулярной динамики. Для жидкостей - применение методов механики сплошной среды.
В рамках гидродинамического подхода моделирование микротечений осуществляется посредством решения уравнений Навье – Стокса. Большое количество экспериментов показывает, что такое описание адекватно для жидкостей, протекающих по микроканалам с минимальным размером 1 мкм. На сегодняшний день известно достаточно много алгоритмов позволяющих решить данную задачу. К ним можно отнести модификации метода Галеркина, включая методы конечных объемов, элементов, спектральные методы, и различные бессеточные методы.
При этом, для макроскопических, микроскопических и мезоскопических масштабов, которые до сих пор не были исследованы, для описания следует использовать методы молекулярного моделирования, т.к. законы классической гидродинамики не применимы к этим видам течений.
Авторами [153] предложено математическое описание течения жидкостей и газов в микроканалах с различной геометрией с учетом теплообмена, химических реакций и трения. Представлено сравнение имеющихся данных экспериментов с результатами расчетов. Математическая модель описывала газожидкостные течения в трактах ракетных микродвигательных установок на однокомпонентном топливе.
Технические требования и метрологическое обеспечение проведения экспериментальных исследований
Ниже приводятся результаты и анализ численных расчетов [172-175] по определению необходимых характеристик микроканального теплообменника на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния, разработанного в ходе выполнения диссертационной работы для подтверждения корректности и адекватности предложенной математической модели.
Важным этапом при построении математической модели для исследования характеристик течения охладителя является выбор системы уравнений для расчета. От этого зависит качество и точность полученных результатов. В ANSYS Fluent эти системы уравнений представлены в моделях турбулентности [124, 125, 176-178].
Выбор модели турбулентности при использовании пакета ANSYS обоснован в [164, 179, 180]: - показано, что модель должна быть протестирована для аналогичного класса задач. - модель должна быть инвариантна к использованию геометрических и теплофизических параметров, характеризующих выбранный тип теплообменных элементов с регулярной матрицей и использовать имеющиеся в наличии экспериментальные данные по гидротермическим полям. - модель должна отвечать критерию устойчивости и сходимости вычислительного процесса. Обосновано использование двухслойной модели SST, которая обеспечивает сходимость с достаточной скоростью с учетом структуры турбулентного потока в ядре и пограничном слое. Преимущество данной модели состоит в том, что данная модель учитывает одновременно вихреобразование (модель к-со) и интенсивность пульсаций (модель к-є) [164]. Такой выбор коррелируется с исследованиями модели SST, приведенными в работах [178, 181].
Вычислительный эксперимент проводился для модельных представлений теплообменного элемента с матрицей из нитевидных монокристаллов кремния, изображенной на рисунках 2.10. Модельные константы, используемые в пакете ANSYS, представлены в таблице 2.1 [182]. Таблица 2.1 – Константы моделей с двумя дифференциальными уравнениями SST A A 2j k\ i 0,09 0,075 pxip;- jalk2ij0 0,85 0,5 Pi P2 a2 k2 «2 0,09 0,0828 P2I Р 2-ста2к2 lj/f2 1 0,856 Обобщённый алгоритм решения задачи в ANSYS реализован следующим образом. Вначале генерировалась объемная модель исследуемого объекта, после чего декомпозировалась расчетная область в виде плоских треугольных элементов для подложки и в виде тетраэдров для области течения с использованием граничного разделения. Постановка граничных условий заключалась в формулировке дискретных аналогов непрерывным краевым условием.
Для акселерации вычислительного процесса был использован модельный элемент подложки нитевидных монокристаллов кремния, показанной на рисунке 2.10. Геометрические размеры модели составили 2x20 мм. Остальные геометрические размеры и схема расположения шипов оставались неизменными (рисунок 2.13). Рисунок 2.13 – Участок подложки с шипами (область течения охладителя не показана)
В расчетах варьировалась структура матрицы с различным межцентровым расстоянием шипов 200x200, 400x400 и 600x600 мкм. При анализе представленного программного образа для пакета ANSYS были использованы следующие допущения [124, 125, 183]: - теплоноситель являлся ньютоновской жидкостью; - течение теплоносителя считалось стационарным и трехмерным; - теплофизические свойства потока рассчитывались при средней температуре процесса; - начальный гидродинамический участок на входе теплообменного элемента отсутствовал; - тепловой поток через корпус теплообменника отсутствовал. Диапазон расходов, температура на входе и подводимый тепловой поток были одинаковы для всех конструкций подложек. Исходные данные для расчета: - расход охладителя: 0,0006 кг/с, 0,0008 кг/с, 0,0010 кг/с, 0,0030 кг/с, 0,0050 кг/с, 0,0080 кг/c, 0,0100 кг/с; - удельный тепловой поток 100 Вт/см2; - коэффициент теплопроводности кремния 130 Вт/(мК); - коэффициент теплопроводности воды 0,6 Вт/(мК); - температура охладителя на входе 20 С. Сгенерированная сетка для расчетных областей со следующими параметрами: 200x200 мкм – тип сетки: тетрагональная; размеры ячеек: min 3,79317610–17 м, max 2,09884810–11 м; количество ячеек – 17736744 шт; 400x400 мкм – тип сетки: тетрагональная; размеры ячеек: min 4,98047310–17 м, max 3,26784510–11 м; количество ячеек – 16999847 шт; 600x600 мкм – тип сетки: тетрагональная; размеры ячеек: min 3,56930410–17 м, max 3,99907410–11 м; количество ячеек – 16534874 шт. Сетка показана на рисунках 2.15, 2.16.
По результатам проведенного вычислительного эксперимента были получены поля распределений давлений, скоростей и температур в теплоносителе и в матрице (результаты приведены для G = 0,003 кг/с). Определены зависимости числа Нуссельта (Nu) от числа Рейнольдса (Re), перепада температуры на входе и выходе из матрицы At, С, средней скорости потока и , м/с, перепада давления
Ар, кПа от расхода охладителя G, кг/с для матриц с различным межцентровым Рисунок 2.17 – Схема расположения шипов
Зависимость числа Nu от числа Re (200x200 мкм) расстоянием шипов: 200x200 мкм (рисунок 2.18–2.21), 400x400 мкм (рисунок 2.22–2.33) и 600x600 мкм (рисунок 2.34–2.45). На рисунках 2.26, 2.38 показаны зависимости температуры в потоке теплоносителя и в каркасе матрицы нитевидных монокристаллов кремния от различных расходов G, кг/с, а также распределения температур по высоте шипов (рисунок 2.27, 2.39) для матриц 400x400 и 600x600 мкм соответственно. Геометрия дислокации шипов показана на рисунке 2.17.
Разработка и практическое применение микроканальных теплообменных элементов на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния для систем тепловой защиты радиоэлектронных компонентов
Для практического применения настоящей диссертационной работы была разработана инженерная методика расчета микроканальных теплообменных элементов на основе матрицы из нитевидных монокристаллов кремния, базирующаяся на результатах аналитических исследований, численного моделирования и экспериментальных данных.
Исходными данными для проведения расчетов в соответствии с выбранной схемой (рисунок 4.1, 4.2) являются:
Площадь охлаждаемой плоской поверхности F (м2) c уточненной геометрией (как правило ширина a и длина b (м)) и удельным тепловым потоком q (Вт/м2) с требуемым перепадом температур на входе t f in и выходе t f out в С из
Расчетная схема микроканального теплообменного элемента с матрицей нитевидных монокристаллов кремния теплообменника и температурой поверхности охлаждения ts С. Производится сравнение между площадью охлаждаемой поверхности с ее расчетным значением: если a-b Fpac4, то переходим к п. 3 методики и задаемся новыми геометрическими характеристиками матрицы, повторяя процедуру расчета до п. 11 включительно. Если изменение геометрии при выбранном расходе не меняет знак сравнения между площадью охлаждаемой поверхности и ее расчетным значением, то переходим к п. 5, увеличивая величину массового расхода теплоносителя на AG, кг/с с корректировкой величины AG, отвечающей минимальному отклонению \a-b-FPac4\ - min.
Если ci-h FPac4, то переходим к п.3 и также задаемся новыми геометрическими характеристиками матрицы, повторяя процедуру расчета до п. 11 включительно.
Если изменение геометрии при выбранном расходе не меняет знак сравнения между площадью охлаждаемой поверхности и ее расчетным значением, то переходим к п. 5, уменьшая величину массового расхода теплоносителя на AG, кг/с, повторяя процедуру корректировки AG, кг/ с.
В соответствии с предложенной методикой был спроектирован теплообменный элемент, характеристики которого приведены в главе 3. Процедура сравнения гидротермических параметров изготовленного теплообменного элемента на основе предложенной методики показало, что ее точность находится в диапазоне от 5 до 10%.
Алгоритм инженерного расчета микроканального теплообменного элемента показан на рисунке 4.3
Потери давления в целом в системе охлаждения с учетом подводящих и отводящих коллекторов, трубопроводов определяется согласно известных зависимостей гидрогазодинамики [190, 191]. Потери давления в целом для системы определим по формуле: АP = АPмкт + АPлок, где: &Pмкт - потери давления в микроканальном теплообменнике, Па; АPлок - потери давления в элементах системы охлаждения, Па.
Проведем выбор насоса исходя из требуемого перепада давления в системе, включающего сопротивление микроканального элемента и локальных элементов подвода, отвода и транспортировки теплоносителя. Насос выбирается из рассчитанных характеристик по материалам теплотехнических справочников или каталогов разработчиков оборудования, например [192].
Если техническим заданием «жестко» определены удельный теплосъем и/или разность температур охладителя, то следует рассмотреть возможность применения дополнительного схемного решения в виде медной/алюминиевой/кремниевой призмы с целью равномерного распределения теплоты на подложке и, как следствие, снижения удельного теплового потока на теплонапряженном микроканальном теплообменнике (рисунок 4.4), позиции элементов которого аналогичны, показанным на рисунке 4.1. Подобные расчеты для медной призмы были проведены в [88, 193].
Разработка и практическое применение микроканальных теплообменных элементов на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния для систем тепловой защиты радиоэлектронных компонентов В результате проведенных разработок, с учетом экспериментальных исследований были разработаны и внедрены конструкции микроканальных теплообменных элементов на основе нитевидных монокристаллов кремния в составе теплообменников. Для оценки применимости микроканального охлаждения компактных источников электропитания и преобразователей электроэнергии для телекоммуникационных систем были разработаны макеты унифицированных компонентов активных систем локальной термостабилизации с микроканальным теплообменным элементом на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния (рисунок 4.2). Схемы макетов и схема системы охлаждения приведены на рисунках 4.5 и 4.6, а фактическая реализация данных макетов приведена на рисунках 3.17–3.22 в главе 3.