Ученые Томского политехнического университета экспериментально доказали, что акустическое воздействие на капли воды при испарительном охлаждении электроники неэффективно. Результаты экспериментальных исследований показали, что такой способ лишь на 4% увеличивает эффективность теплоотвода.
Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (№25-79-10045). Результаты работы ученых опубликованы в журнале International Journal of Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 6,6).
Современные электронные устройства, серверы и системы хранения данных становятся все компактнее, при этом они вырабатывают большое количество теплоты. Отведение и рассеивание последней является очень важной и нерешенной задачей современной теплотехники. Одним из перспективных методов охлаждения сегодня считается микрокапельное охлаждение: попадая на горячую поверхность, капли испаряются и в результате рассеивают большие объемы теплоты. Однако эффективность такого подхода ограничена.
«Доказано, что отдельные капли при капельном разбрызгивании могут снизить температуру поверхности в пределах 2 K. В условиях реальной эксплуатации оборудования этого крайне мало. Мы предложили увеличить эффективность метода с помощью акустического поля. По нашей гипотезе при резонансе частоты акустического воздействия и собственной частоты капли начинают колебаться, что приводит к возникновению внутренних дополнительных потоков. В результате испарение становится интенсивнее», — говорит один из авторов исследования, профессор Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Семен Сыродой.
Ученые провели эксперименты с каплями дистиллированной воды диаметром 2, 3 и 4 миллиметра. Их политехники помещали на металлическую пластину, нагретую до температуры от 60 до 90 °C. Это условия, максимально приближенные к условиям работы электронных устройств.
На капли политехники воздействовали монохромным акустическим полем. Это однотонный звук с заданной частотой на уровне 60 Гц. Звук вызывал резонансные колебания поверхности капли. Параллельно ученые фиксировали форму капель и время их испарения, а также температуру поверхности под ними. Процесс измерялся с помощью высокоскоростной камеры и термопар. Это позволило оценить эффективность всей системы теплообмена целиком.
Результаты исследования показали, что акустическое воздействие изменяло время полного испарения капли не более чем на 4%. При этом максимальная температура пластины показала наиболее заметный эффект: капля испарялась примерно на 2–2,5 секунды быстрее. В целом, температура пластины под каплей снижалась менее чем на 1–2 °C, а дополнительный вклад звука в охлаждение составлял лишь около 0,2 °C в отдельных режимах.
«Сама по себе капля воды на нагретой поверхности скорее стабилизирует температуру небольшого участка, чем эффективно его охлаждает. Дело в том, что тепло поступает к области под каплей из металлической пластины быстрее, чем капля успевает его отвести за счет испарения. Даже когда звук вызывает колебания поверхности капли и возможные дополнительные течения, этого недостаточно для заметного роста теплоотвода», — добавляет Семен Сыродой.
Исследования проводились учеными Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики Томского политеха.
Информация предоставлена пресс-службой Томского политехнического университета
Источник фото: ru.123rf.com
