Разработка высоконапряженных по тепловым потокам теплообменников для испарительных систем охлаждения

Проект направлен на проведение фундаментальных исследований по изучению процессов переноса в структурированных мини- и микроканальных теплообменниках. Потребность в данном исследовании вызвана стремительным развитием и миниатюризацией вычислительной техники, а также переходом полупроводниковой электроники на материалы третьего поколения, такие как, карбид кремния и нитрид галлия, с большой шириной запрещенной зоны (больше 2.3 эВ), что позволит многократно увеличить энерговооружённость электроники, произведённой на основе компонентов из данных материалов. Электроника на основе полупроводников третьего поколения будет в первую очередь применятся в сферах, где необходимо преобразование большого количества энергии при малом размере и весе устройства, в частности, электромобили, авионика, силовые подсистемы промышленных лазеров, оборудование для беспроводных телекоммуникационных сетей и радаров, в том числе оборонного назначения. Таким образом, формируется запрос на миниатюрные, легкие и эффективные теплообменники нового поколения, создание которых повлечет дальнейшее развитие и внедрение электроники нового поколения, что позволит повысить энергоэффективность в глобальном масштабе. Одним из основных требований к двухфазным мини- и микроразмерным теплообменникам является способность к управлению температурным режимом при сверхвысоком удельном и объемном тепловыделении. Так, интегральный тепловой поток современных высокопроизводительных микрочипов уже достигает значений в 150 Вт/см2 с зонами локального тепловыделения, где величина теплового потока может превышать 500 Вт/см2. Переход к новым производственным принципам, таким как трехмерная упаковка высокопроизводительных микрочипов, кратно поднимает требования к системам охлаждения и требует внедрения межслойных микроканальных систем охлаждения. При этом в локальных областях площадью от нескольких сотен квадратных микрометров до нескольких десятков квадратных миллиметров, плотность теплового потока сможет достигать значений до 1-5 кВт/см2 и более, а объемные плотности теплового потока в трехмерных чипах могут достигать значений 10 кВт/см3 [Bar-Cohen 2016]. Средний тепловой поток при нормальной работе нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов превысил 1 кВт / см2, а тепловой поток в локальных горячих точках может превышать 20 кВт / см2. Проблема с нагревом приводит к тому, что силовая электроника на базе GaN должна использоваться при пониженных характеристиках. Программа по решению проблем теплоотвода с помощью микроканальных структур при трехмерной компоновке высокопроизводительных чипов Intrachip/Interchip Enhanced Cooling (ICECool) уже запущена Управлением перспективных исследовательских проектовМинистерства обороны США (DARPA). Свои решения в рамках программы ICECool основанные на кипении в микроканалах с заданной структурой поверхности уже продемонстрировали такие компании, как Qorvo, LockheedMartin, IBM. Участниками программы были продемонстрированы системы позволяющие отводить тепловые потоки более 1 кВт/см2 при наличии отдельных локальных областей с тепловыделением более 2 кВт/см2. В большинстве современных центров обработки данных (ЦОД) используется воздушное охлаждение. Из-за низкой теплопроводности и низкой удельной теплоемкости воздуха для эффективного охлаждения необходим большой расход воздуха и соответственно большие затраты электроэнергии. Суммарное энергопотребление ЦОД во всем мире на данный момент превышает 200 ТВт*ч, при этом более 40% потребления энергии используется для систем охлаждения. В России суммарная потребляемая электрическая мощность 30 крупнейшими операторами ЦОД превысила 400 МВт в 2020 году [CNews Analytics: Рынок ЦОД в России 2020]. Новые ЦОД активно строятся и вводятся в эксплуатацию по всему миру, в частности в США в настоящее время строятся ЦОД различного назначения с запланированной мощностью оборудования более 600 МВт. Очевидно, что развитие собственных ЦОД в Российской Федерации является значимым вопросом безопасности и суверенитета. Оптимизация систем охлаждения таких центров может привести к существенной экономии электрической энергии. Целью проекта является разработка научных основ методов реализации процессов переноса в двухфазных микроканальных системах, позволяющих достигать коэффициентов теплоотдачи до 200 кВт/м2К, тепловых потоков до 1 кВт/см2 и более, при сравнительно низких расходных параметрах. В проекте российским коллективом планируется проведение систематических научных исследований и разработок по четырем задачам: 1. Изготовление и характеризация образцов с пористыми микроструктурами и графеновыми покрытиями. 2. Исследование кипения в плоских микроканалах со слоем пористого или графенового покрытия при высоком локальном тепловыделении. 3. Исследование динамики микропузырей на пористой стенке в микроканале и в микроканале с графеновым покрытием с рекордной скоростью до 8 600 000 кадров в секунду и рекордным разрешением до 200 нм на пиксель. 4. Численное моделирование развития пузырей и теплообмена при локализованном источнике тепла со слоем пористого покрытия. По мнению авторов проекта дальнейший заметный рост эффективности теплообмена в двухфазных системах с кипением и испарением в мини и микроканалах будет связан с более глубоким пониманием динамики и теплообмена в области динамической линии контакта газ-жидкость – твердое тело и прилегающего мениска характеризуемого кажущимся контактным углом смачивания. Более глубокое понимание физики в переходном слое, а также исследования по возможности контроля динамики линии контакта позволит сделать рывок в развитии высокоэффективных энергетических систем. В проекте будут предложены новые подходы к интенсификации теплообмена при кипении в каналах. Основой таких подходов будет обеспечение максимальной протяженности линий контакта и максимальной скорости движения линий контакта посредством подбора пористости, морфологии, текстурирования, смачиваемости, гистерезиса контактных углов смачиваемости, шероховатости поверхностей, а также размеров каналов. Со стороны тайваньских партнеров будут выполнены исследования по следующим четырем направлениям: 1. На основе имеющегося опыта будут созданы пористые поверхности с покрытием из графена и фторированного графена (fluorinated graphene). Будут изучены свойства смачиваемости получившихся поверхностей для воды и других теплоносителей, и охарактеризована их структура. 2. Будут проведены эксперименты по кипению в большом объеме. Будут найдены наиболее оптимальные поверхности и рабочие жидкости для интенсификации процесса кипения. 3. С использованием интенсифицированных поверхностей, разработанных российской стороной, а также с использованием расширяющихся каналов для подавления реверсивного движения пузырей, будет спроектирован миниканальный теплообменик для охлаждения энергонапряженной электроники. 4. Будет разработана двухфазная замкнутая испарительная система охлаждения с мощностью теплоотвода 1 кВт при использовании таких теплоносителей, как HFC-245fa и HFO-1233zd. В рамках совместного проекта MOST-RSF будет разработан высокоэффективный миниканальный теплообменник, в котором будут учтены преимущества структурирования поверхности на микро- и наномасштабе. Новые данные позволят уточнить физические представления о теплообмене при кипении и кризисе на поверхностях с пористым и графеновым покрытием, в том числе при использовании легкокипящих жидкостей. Детальное исследование кипения в микро- и миниканалах при сверхвысоких тепловых потоках до 1 кВт/см2 и выше, проведенное с использованием самых современных методов диагностики, позволит получить прорывные результаты, которые могут оказать принципиальное влияние на развитие двухфазных технологий охлаждения.