Учёные ТПУ выяснили, что акустика бесполезна для охлаждения электроники.
Учёные Томского политехнического университета проверили популярную гипотезу — и получили неожиданный результат. Оказалось, что воздействие звуком на капли воды при охлаждении электронных устройств практически ничего не даёт. Эффективность теплоотвода выросла всего на 4% — это слишком мало, чтобы говорить о реальной пользе метода.
Результаты исследования опубликованы в авторитетном международном журнале International Journal of Heat and Mass Transfer (Q1, IF: 6,6). Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда.
Зачем вообще охлаждать электронику каплями воды?
Современные серверы, смартфоны и системы хранения данных становятся всё меньше — но греются всё сильнее. Отвести это тепло — одна из главных нерешённых задач в современной технике. Среди перспективных решений — микрокапельное охлаждение: капли воды падают на раскалённую поверхность, испаряются и забирают с собой тепло. Звучит эффективно, но на практике одна капля снижает температуру поверхности лишь на 2 градуса — это ничтожно мало для реальных условий работы оборудования.
Томские учёные решили усилить этот метод с помощью звука.
«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.
Как проходил эксперимент?
Исследователи брали капли дистиллированной воды диаметром 2, 3 и 4 миллиметра и помещали их на металлическую пластину, нагретую до 60–90 °C — это примерно те же условия, что и внутри работающего электронного устройства. Затем на капли направляли однотонный звук с частотой 60 Гц — монохромное акустическое поле, которое вызывало резонансные колебания поверхности капли.
За процессом следили с помощью высокоскоростной камеры и термопар: учёные фиксировали форму капель, скорость их испарения и температуру пластины под ними.
Что показали результаты?
Итог оказался разочаровывающим для гипотезы. Звук ускорял испарение капли лишь на 2–2,5 секунды, а температура пластины снижалась менее чем на 1–2 °C. Вклад акустики в охлаждение в лучшем случае составил около 0,2 °C.
«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.
Исследование провели учёные Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Инженерной школы энергетики Томского политеха. Несмотря на то что гипотеза не подтвердилась, работа имеет важное практическое значение: она закрывает один из путей поиска и помогает сосредоточиться на действительно перспективных методах охлаждения электроники.
Первые новости
