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.
Стенд для исследования тепловых потоков в микроканалах
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, — отметил исследователь. — 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».
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.
Фото Юлии Поздняковой
Источник информации и фото: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН
