RU2846679C1

RU2846679C1 - Method of cooling heat-loaded radioelectronic devices

Info

Publication number: RU2846679C1
Application number: RU2025100313A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Янков; Евгений Викторович Штапов; Иван Иванович Зайченко; Андрей Иванович Сафошкин; Ольга Юрьевна Оськина
Original assignee: Акционерное общество "Научно-исследовательский институт Приборостроения имени В.В. Тихомирова"
Filing date: 2025-01-09
Publication date: 2025-09-11

Abstract

FIELD: cooling.

SUBSTANCE: present invention relates to cooling methods, particularly to cooling heat-loaded electronic devices. Method of cooling heat-loaded radioelectronic devices involves removing heat flux from the surface of the device to be cooled using a boiling dielectric liquid which forms a stream of steam as a coolant flowing in channels of the cooling system. In source of flow induction of cooling system flow pressure of dielectric liquid vapours is increased, thus increasing its saturation temperature by 20-40 °C of ambient temperature, thus converting the vapour flow into a liquid state in the cooling system condenser, which transfers heat to the environment. Further, dielectric liquid pressure is reduced, reducing saturation temperature by 20-40 °C of the heat-loaded radioelectronic device operating temperature, and it is supplied to the heat-loaded elements, where, by cooling them and thus heating, the dielectric liquid is converted to a steam stream, returning to the flow excitation source. Cooling dielectric liquid used is fluoroketone liquid NOVEC-1230 or FK-5-1-12.

EFFECT: efficient reduction of temperature of heat-loaded radioelectronic devices during operation at high ambient temperatures.

2 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к способам охлаждения, в частности, к охлаждению теплонагруженных радиоэлектронных устройств.The proposed invention relates to cooling methods, in particular to cooling heat-loaded electronic devices.

Известен «Теплосъемный канал магистрали системы жидкостного охлаждения радиоэлектронных устройств и способ отвода тепла от теплонагруженных радиоэлектронных устройств с использованием этого канала» (RU 2694241 С 1, опубл. 10.07.2019, МПК G12B 15/06). Теплосъемный канал магистрали системы жидкостного охлаждения (СЖО) радиоэлектронных устройств выполнен в виде ограниченной полости, оборудованный входным и выходным отверстиями и снабжен коллектором распределения охлаждающей жидкости. Коллектор распределения охлаждающей жидкости выполнен в виде емкости, зафиксированной в полости канала, с отверстиями для подачи охлаждающей жидкости в зоны теплосъема и перегородками раздела зон теплосъема. При этом зоны теплосъема представляют собой полости между поверхностью расположения отверстий для подачи охлаждающей жидкости на коллекторе распределения охлаждающей жидкости и внутренней стенкой теплосъемного канала в местах установки охлаждаемых теплонагруженных радиоэлектронных устройств. Отверстия для подачи охлаждающей жидкости в зоны теплосъема сориентированы относительно зон теплосъема таким образом, что оси отверстий для подачи охлаждающей жидкости расположены по нормали к поверхности теплосъема, представляющей собой внутреннюю поверхность стенки канала, на наружной стороне которой установлены охлаждаемые теплонагруженные радиоэлектронные устройства. Входное отверстие выполнено в коллекторе распределения охлаждающей жидкости, а выходное - в стенке, ограничивающей внутреннюю полость канала, и сориентировано относительно отверстий для подачи охлаждающей жидкости в зоны теплосъема таким образом, что не находится в области пограничного турбулентного слоя охлаждающей жидкости на поверхности теплосъема, образующегося при подаче на нее струй охлаждающей жидкости из отверстий для подачи охлаждающей жидкости коллектора распределения охлаждающей жидкости.The "Heat-Removal Channel of the Liquid Cooling System Main Line for Electronic Devices and a Method for Removing Heat from Heat-Loaded Electronic Devices Using This Channel" (RU 2694241 C 1, published 10.07.2019, IPC G12B 15/06) is known. The heat-removal channel of the liquid cooling system (LCS) main line for electronic devices is designed as a limited cavity, equipped with inlet and outlet openings and provided with a coolant distribution manifold. The coolant distribution manifold is designed as a container fixed in the channel cavity, with openings for supplying coolant to the heat-removal zones and partitions dividing the heat-removal zones. In this case, the heat-removal zones are cavities between the surface of the openings for supplying coolant on the coolant distribution manifold and the inner wall of the heat-removal channel at the installation locations of the cooled heat-loaded electronic devices. The coolant supply openings to the heat-removal zones are oriented relative to the heat-removal zones such that the axes of the coolant supply openings are normal to the heat-removal surface, which is the inner surface of the channel wall, on the outer side of which the cooled, heat-loaded electronic devices are mounted. The inlet opening is formed in the coolant distribution manifold, and the outlet opening is formed in the wall that bounds the internal cavity of the channel. It is oriented relative to the coolant supply openings to the heat-removal zones such that it is not located in the region of the coolant boundary turbulent layer on the heat-removal surface, which is formed when coolant jets are supplied to it from the coolant supply openings of the coolant distribution manifold.

Способ отвода тепла от теплонагруженных радиоэлектронных устройств с использованием теплосъемного канала, при котором через входное отверстие подают под давлением охлаждающую жидкость в коллектор распределения охлаждающей жидкости, которая в виде струй из отверстий для подачи охлаждающей жидкости в зоны теплосъема попадает на поверхность теплосъема, образуя на ней турбулентный пограничный слой и снимая тепло, стекает в зону слива и через выходное отверстие возвращается в магистраль СЖО, при этом перегородками раздела зон теплосъема предотвращается перемещение нагретой жидкости на поверхности соседних зон теплосъема.A method for removing heat from heat-loaded electronic devices using a heat-removal channel, in which coolant is supplied under pressure through an inlet opening into a coolant distribution manifold, which, in the form of jets from openings for supplying coolant to heat-removal zones, hits the heat-removal surface, forming a turbulent boundary layer on it and removing heat, flows into a drain zone and returns through an outlet opening to the main line of the liquid cooling system, while partitions dividing the heat-removal zones prevent the movement of heated liquid on the surfaces of adjacent heat-removal zones.

Известна «Система охлаждения с пузырьковым насосом» (RU 2369939 С1, опубл.20.01.2008, МПК 23/427), которая для охлаждения, по меньшей мере, одного тепловыделяющего элемента, содержит первую принимающую тепло часть, выполненную с возможностью приема тепла от, по меньшей мере, одного тепловыделяющего элемента, и охлаждающую текучую среду для поглощения тепла нагреванием и испарением. Система охлаждения герметично уплотнена и дополнительно содержит пузырьковый насос с трубчатой частью для образования потока текучей среды в системе за счет движущей силы пузырьков, перемещающих жидкую охлаждающую текучую среду по существу с такой же скоростью, как у пузырьков в трубчатой части, причем пузырьковый насос имеет выпускное отверстие, которое при работе системы охлаждения расположено выше уровня жидкости системы, при этом трубчатая часть расположена ниже по потоку первой принимающей тепло части, и перемещающих охлаждающую текучую среду к радиатору для излучения тепла от охлаждающей текучей среды в жидкой форме в окружающее пространство, и конденсатор для конденсации испарившейся охлаждающей текучей среды и излучения тепла конденсации.A “Cooling system with a bubble pump” is known (RU 2369939 C1, published 20.01.2008, IPC 23/427), which, for cooling at least one heat-generating element, comprises a first heat-receiving part, configured to receive heat from at least one heat-generating element, and a cooling fluid for absorbing heat by heating and evaporation. The cooling system is hermetically sealed and further comprises a bubble pump with a tubular part for generating a fluid flow in the system due to the driving force of bubbles moving the liquid cooling fluid at substantially the same speed as the bubbles in the tubular part, wherein the bubble pump has an outlet opening which, during operation of the cooling system, is located above the liquid level of the system, wherein the tubular part is located downstream of the first heat-receiving part, and moving the cooling fluid to the radiator for radiating heat from the cooling fluid in liquid form into the surrounding space, and a condenser for condensing the evaporated cooling fluid and radiating the heat of condensation.

Охлаждающая текучая среда содержит, по меньшей мере, две текучие среды с различными точками кипения. Первую текучую среду в охлаждающей текучей среде выбирают из группы, состоящей из этанола, метанола, ацетона, эфира и пропана. Вторая текучая среда в охлаждающей текучей среде является водой.The cooling fluid comprises at least two fluids with different boiling points. The first fluid in the cooling fluid is selected from the group consisting of ethanol, methanol, acetone, ether, and propane. The second fluid in the cooling fluid is water.

Давление в ней регулируется до заданной величины так, что самая низкая температура кипения текучих сред по существу равна заданной рабочей температуре, по меньшей мере, одного тепловыделяющего элемента.The pressure in it is regulated to a given value so that the lowest boiling temperature of the fluid media is essentially equal to the given operating temperature of at least one fuel element.

Наиболее близким, к предлагаемому техническому решению является «Способ интенсивного охлаждения высоко теплонагруженных полупроводниковых приборов» (RU 2657341 С1, опубл. 13.06.2018, МПК H01L 23/24), включающий отвод тепловых потоков от охлаждаемой поверхности с использованием жидкости в качестве охладителя, протекающей в каналах системы охлаждения. При этом, для интенсивного охлаждения высоко теплонапряженных полупроводниковых приборов используют кипение недогретой до температуры насыщения диэлектрической жидкости, представляющей собой фторкетоновую, или метокси-нонафторбутановую, или сегрегированную гидрофторэфировую жидкость, при скорости ее течения в канале 5-7 м/с и температуре ее недогрева 15-40°С. При этом, диэлектрическая жидкость представляет собой фторкетоновую, или метокси-нонафторбутановую, или сегрегированную гидрофторэфировую жидкость.The closest technical solution to the proposed one is the "Method for intensive cooling of highly thermally loaded semiconductor devices" (RU 2657341 C1, published 13.06.2018, IPC H01L 23/24), which includes the removal of heat flows from the cooled surface using a liquid as a coolant flowing in the channels of the cooling system. In this case, for intensive cooling of highly thermally loaded semiconductor devices, boiling of a dielectric liquid subcooled to the saturation temperature is used, which is a fluoroketone, or methoxy-nonafluorobutane, or segregated hydrofluoroether liquid, at a flow velocity in the channel of 5-7 m/s and a subcooling temperature of 15-40 °C. In this case, the dielectric liquid is a fluoroketone, or methoxy-nonafluorobutane, or segregated hydrofluoroether liquid.

Недостатком известных способов является недостаточный уровень охлаждения теплонагруженных радиоэлектронных устройств при высоких температурах окружающей среды.The disadvantage of known methods is the insufficient level of cooling of heat-loaded electronic devices at high ambient temperatures.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в эффективном снижении температуры теплонагруженных радиоэлектронных устройств при работе в условиях повышенных температур окружающей среды.The technical result of the proposed invention consists in effectively reducing the temperature of heat-loaded electronic devices when operating in conditions of elevated ambient temperatures.

Способ относится к охлаждению различных радиоэлектронных устройств, которые могут включать в себя вычислительные блоки, источники питания и др.The method relates to cooling various electronic devices, which may include computing units, power supplies, etc.

Типичными способами охлаждения радиоэлектронных устройств являются жидкостное и воздушное охлаждение. При этом, жидкостное охлаждение обеспечивается циркуляцией в теплонагруженных устройствах специальной низкозамерзающей жидкости, отводящей тепловую мощность за счет вынужденного конвективного теплообмена металлических поверхностей с охлаждающей жидкостью.Typical cooling methods for electronic devices include liquid and air cooling. Liquid cooling is achieved by circulating a special low-freezing liquid within the heat-loaded devices, which removes the heat through forced convective heat exchange between the metal surfaces and the coolant.

Недостатком жидкостного способа охлаждения является большой потребный расход охлаждающей жидкости, необходимый для отвода тепловых мощностей, выделяющихся в источнике питания. Данный недостаток приводит к увеличению требуемого рабочего давления, необходимого для прокачки узких жидкостных каналов и как следствие, к увеличению массы и габаритов радиоэлектронных устройств.A disadvantage of liquid cooling is the high coolant flow rate required to dissipate the heat generated in the power supply. This drawback increases the required operating pressure required to pump narrow fluid channels, leading to increased weight and dimensions of electronic devices.

Применение воздушного способа охлаждения также вызывает ряд технических трудностей. Так как параметры окружающего воздуха могут сильно разниться в зависимости от внешних условий, для его применения в качестве теплоносителя требуется либо производить предварительную подготовку (осушение, обеспыливание, отделение капельной влаги, регулирование давления и температуры), либо находить конструктивные решения по изоляции чувствительных электронных компонентов от воздействия разрушающих факторов неподготовленного воздуха. Слабые теплофизические свойства воздуха требуют высокой пропускной способности от системы предварительной подготовки воздуха, что увеличивает габариты и массу системы, а также вносит необходимость частого обслуживания воздушных фильтров и осушителей. В варианте исполнения с герметичным корпусом блока возникает сложная задача передачи тепловой мощности от теплонагруженных элементов к стенкам блока. Перепад температуры между элементом и стенкой в герметичных блоках с высокой плотностью компоновки чаще всего составляет десятки градусов. Решается эта проблема либо снижением перепада температур за счет увеличения сечения теплопроводящих элементов и подбора наиболее теплопроводных материалов, либо снижением температуры внешней стенки блока за счет увеличения ее теплоотводящей поверхности. Самым неприятным свойством жидкостного и воздушного способов охлаждения является прямая зависимость температуры радиоэлектронных устройств от температуры окружающего воздуха. Согласно второму закону термодинамики, в ходе естественного термодинамического процесса сумма энтропий взаимодействующих термодинамических систем никогда не уменьшается, из этого следует, что невозможно охладить радиоэлектронные устройства жидкостным или воздушным способом ниже температуры окружающей среды. Однако, нередки случаи, когда конструктивные условия при разработке радиоэлектронных устройств требуют поддержания температуры значительно меньшей чем температура окружающей среды.Using air cooling also presents a number of technical challenges. Since ambient air parameters can vary significantly depending on external conditions, using it as a coolant requires either pre-treatment (drying, dust removal, separation of condensed moisture, pressure and temperature regulation) or design solutions to insulate sensitive electronic components from the damaging effects of untreated air. The weak thermophysical properties of air require high-throughput air pre-treatment systems, which increases the system's size and weight, and necessitates frequent maintenance of air filters and dehumidifiers. In a sealed-enclosure design, the complex task of transferring thermal power from heat-loaded elements to the unit walls arises. The temperature difference between the element and the wall in sealed, high-density units is often tens of degrees. This problem can be solved either by reducing the temperature difference by increasing the cross-section of the heat-conducting elements and selecting materials with the highest thermal conductivity, or by reducing the temperature of the unit's outer wall by increasing its heat-dissipating surface area. The most challenging aspect of liquid and air cooling is the direct dependence of the temperature of electronic devices on the ambient air temperature. According to the second law of thermodynamics, during a natural thermodynamic process, the sum of the entropies of interacting thermodynamic systems never decreases. Therefore, it is impossible to cool electronic devices using liquid or air cooling below the ambient temperature. However, there are frequent cases where design constraints during the development of electronic devices require maintaining a temperature significantly lower than the ambient temperature.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что способ охлаждения теплонагруженных радиоэлектронных устройств включает отвод тепловых потоков от их охлаждаемой поверхности с использованием кипящей диэлектрической жидкости, образующей поток пара, в качестве охладителя, протекающей в каналах системы охлаждения. Новыми признаками, позволяющими достичь заявляемый технический результат являются то, что в источнике побуждения течения системы охлаждения повышают давление потока паров диэлектрической жидкости, увеличивая таким образом температуру ее насыщения на 20-40°С от температуры окружающей среды, преобразуя поток пара в жидкое состояние в конденсаторе системы охлаждения и отдающего тепло в окружающую среду. Далее понижают давление диэлектрической, жидкости, понижая температуру насыщения на 20-40°С от рабочей температуры теплонагруженного радиоэлектронного устройства, и подают ее на теплонагруженные элементы, где охлаждая их и тем самым нагреваясь, диэлектрическая жидкость превращается в поток пара возвращаясь в источник побуждения течения. В качестве охлаждающей диэлектрической жидкости выбирают NOVEC-1230, или ФК-5-1-112.The essence of the proposed technical solution is that the method for cooling thermally loaded electronic devices involves removing heat flows from their cooled surface using a boiling dielectric fluid, which forms a vapor flow, as a coolant flowing through the cooling system channels. The novel features that enable the claimed technical result to be achieved include increasing the pressure of the dielectric fluid vapor flow in the cooling system's flow induction source, thereby increasing its saturation temperature by 20-40°C above the ambient temperature, converting the vapor flow into a liquid state in the cooling system's condenser and transferring heat to the environment. The dielectric fluid pressure is then reduced, lowering the saturation temperature by 20-40°C below the operating temperature of the thermally loaded electronic device, and is then supplied to the thermally loaded components, where, cooling and thereby heating, the dielectric fluid converts into a vapor flow returning to the flow induction source. NOVEC-1230 or FK-5-1-112 are selected as the cooling dielectric liquid.

На фиг. приведен пример построения гидравлической системы охлаждения радиоэлектронных устройств.The figure shows an example of the construction of a hydraulic cooling system for electronic devices.

Гидравлическая система охлаждения радиоэлектронных устройств, реализующая заявленный способ состоит из источника побуждения течения (1), конденсатора (2), понижающего дросселя (3), жидкостного канала системы охлаждения (4), теплонагруженных радиоэлектронных устройств (5), парового канала системы охлаждения (6).The hydraulic cooling system for electronic devices implementing the claimed method consists of a flow inducing source (1), a condenser (2), a step-down throttle (3), a liquid channel of the cooling system (4), heat-loaded electronic devices (5), and a steam channel of the cooling system (6).

В зоне пониженного давления величина давления подбирается таким образом, чтобы температура насыщения диэлектрической жидкости была на 20-40°С ниже рабочей температуры теплонагруженного радиоэлектронного устройства. В зоне повышенного давления поддерживается такое давление, чтобы температура насыщения диэлектрической жидкости была выше температуры окружающей среды на 20-40°С. В зоне пониженного давления располагается теплонагруженное радиоэлектронное устройство, а в зоне повышенного давления помещается конденсатор. В качестве охлаждающей диэлектрической жидкости выбирают NOVEC-1230, или ФК-5-1-12.In the low-pressure zone, the pressure is adjusted so that the saturation temperature of the dielectric fluid is 20-40°C lower than the operating temperature of the thermally loaded electronic device. In the high-pressure zone, the pressure is maintained so that the saturation temperature of the dielectric fluid is 20-40°C higher than the ambient temperature. The thermally loaded electronic device is located in the low-pressure zone, and the capacitor is placed in the high-pressure zone. NOVEC-1230 or FK-5-1-12 is selected as the cooling dielectric fluid.

Благодаря понижению давления диэлектрической жидкости, контактирующей с теплонагруженными элементами радиоэлектронного устройства, ее температура кипения снижается на 20-40°С. а вместе с температурой кипения снижается температура охлаждаемого радиоэлектронного устройства. Одновременно, способ позволяет увеличить допустимую рабочую температуру окружающей среды за счет того, что жидкость с повышенной давлением температурой насыщения на 20-40°С от температуры окружающей среды получает способность конденсироваться из парообразного состояния в жидкое. Все это позволяет организовать замкнутый цикл испарения и конденсации диэлектрической жидкости, охлаждая теплонагруженное радиоэлектронное устройство в условиях повышенной температуры окружающей среды.By reducing the pressure of the dielectric fluid in contact with the heat-sensitive components of the electronic device, its boiling point decreases by 20-40°C. This lower boiling point also reduces the temperature of the cooled electronic device. This method also increases the permissible ambient operating temperature by allowing the liquid, with a pressure and saturation temperature 20-40°C higher than the ambient temperature, to condense from a vapor to a liquid. This allows for a closed cycle of dielectric fluid evaporation and condensation, cooling the heat-sensitive electronic device at elevated ambient temperatures.

Claims

1. A method for cooling heat-loaded electronic devices, including the removal of heat flows from their cooled surface using a boiling dielectric liquid, forming a steam flow as a coolant, flowing in the channels of the cooling system, characterized in that in the source of inducing the flow of the cooling system, the pressure of the flow of dielectric liquid vapor is increased, thereby increasing its saturation temperature by 20-40 °C from the ambient temperature, converting the flow of vapor into a liquid state in the condenser of the cooling system, which gives off heat to the environment, reducing the pressure of the dielectric liquid with a throttle of the cooling system, reducing the saturation temperature by 20-40 °C from the specified operating temperature of the heat-loaded electronic device, and supplying it to the heat-loaded elements of the electronic device, where, cooling and heating them, the dielectric liquid is converted into a flow of vapor, returning to the source of inducing the flow of the cooling system.

2. The method according to paragraph 1, characterized in that the fluoroketone liquid NOVEC-1230 or FK-5-1-12 is selected as the cooling dielectric liquid.