Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв

The widespread introduction of new technologies contributes to the rapid development of various fields of technology, both in terms of increasing the functionality of systems and equipment and reducing the weight and size characteristics of individual components and devices in general. This is espec...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2025
Hauptverfasser:	Kravets, Vladimir, Chykalo, Vitaliy, Shevel, Yevhen
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainisch
Veröffentlicht:	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025
Schlagworte:	тепловіддача мікрошар рідини поверхня малого розміру парова бульбашка процес пароутворення кипіння
Online Zugang:	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.57
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Technology and design in electronic equipment
Завантажити файл:

Institution

Technology and design in electronic equipment

_version_	1867750866880036864
author	Kravets, Vladimir Chykalo, Vitaliy Shevel, Yevhen
author_facet	Kravets, Vladimir Chykalo, Vitaliy Shevel, Yevhen
author_institution_txt_mv	[ { "author": "Vladimir Kravets", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Vitaliy Chykalo", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "Yevhen Shevel", "institution": "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Kyiv, Ukraine" } ]
author_sort	Kravets, Vladimir
baseUrl_str	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-06-11T12:18:39Z
description	The widespread introduction of new technologies contributes to the rapid development of various fields of technology, both in terms of increasing the functionality of systems and equipment and reducing the weight and size characteristics of individual components and devices in general. This is especially evident in radio electronics, particularly in computer technology, where the heat flux densities emitted by individual electronic components can be very high. In such a case, the temperature of the chips increases and may exceed the maximum permissible values. To ensure the specified operating temperatures of electronic equipment, the bubble boiling process is used. The highest intensity of heat transfer is observed during boiling. This is due to the evaporation of a thin microlayer of liquid under the growing steam bubble.This paper describes an experimental study of the peculiarities of the bubble boiling process on small surfaces. The experiment’s unique feature was the visual observation of the combined appearance and growth of a steam bubble, as well as the temperature pulsation of the surface beneath it. The process of bubble boiling occurred in a large volume at atmospheric pressure on small copper surfaces with a diameter of 0.4 to 5.0 mm. The surface temperature was recorded using a specially designed thermocouple. The signal from the thermocouple was fed through an amplifier to a two-beam oscilloscope. Using a system of mirrors, the process of evolution of the vapour bubble and surface temperature fluctuations were recorded on the film of a high-speed movie camera. The film speed varied from 800 to 4000 frames per second.Experimental results have shown that both spherical and hemispherical vapour bubbles grow on the surface during boiling. Moreover, the surface temperature fluctuation depends on the size of such bubbles at the moment of their detachment. The larger the bubble bursting diameter, the greater the amplitude of the surface temperature fluctuations. It is shown that the main factor in increasing the intensification of heat transfer is the evaporation of a microlayer of liquid under the vapour bubble. The dependence of the surface temperature fluctuation on the values of the detachable diameters of the steam bubbles is obtained. Thus, if bubble-boiling cooling systems are used to maintain the temperature regime of electronic devices, it is necessary to take into account the temperature fluctuations of the heat transfer surface, as they can affect the operating characteristics of the devices.
doi_str_mv	10.15222/TKEA2025.1-2.57
first_indexed	2025-09-24T17:30:50Z
format	Article
fulltext	Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 57ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 1 ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ УДК 536.248.2 Володимир КРАВЕЦЬ, Віталій ЧИКАЛО, Євген ШЕВЕЛЬ Україна, м. Київ, КПІ імені Ігоря Сікорського E-mail: kravetz_kpi@ukr.net ПРОЦЕСИ ПАРОУТВОРЕННЯ ПРИ ОХОЛОДЖЕННІ МІНІАТЮРНИХ РАДІОЕЛЕКТРОННИХ ПРИСТРОЇВ Поширення нових технологій сприяє стрімкому розвитку різних галузей техніки як у бік підвищення функціональних можливостей систем і обладнання, так і у бік зниження масогабаритних характеристик окремих вузлів і пристроїв в цілому. Особливо яскра- во це проявляється в радіоелектроніці й, зокрема, в комп’ютерній техніці. Одним з провідних напрямків розвитку радіо- електроніки є мініатюризація та підвищення поту- жності мікронапівпровідникових приладів. Згідно із законом Гордона Мура кількість напівпровідникових елементів у мікросхемах подвоюється кожні два роки. І хоча таке експоненціальне зростання може зіткну- тися з обмеженнями у найближчому майбутньому, наразі цей показник вже сягнув сотен мільярдів транзисторних елементів у мікросхемах. Масове впровадження напівпровідникових приладів у всіх галузях техніки робить актуальною проблему забез- печення надійного функціонування таких пристроїв, що значною мірою залежить від температурного режиму. Це вимагає розроблення нових ефективних систем відведення теплоти від елементів (і від окре- мих напівпровідникових кристалів, і від мікросхем в цілому), які виділяють значні питомі теплові пото- ки — на рівні 100 Вт/см2 і вище. Наприклад, напів- провідниковий НВЧ-прилад — діод Ганна, кристал діаметром приблизно 0,3 мм, на високих частотах може виділяти всього 2 Вт, але питомі теплові на- вантаження можуть при цьому сягати 3000 Вт/см2. Для відведення таких значних теплових потоків у сучасному обладнанні широко застосовуються як процеси пароутворення на кристалі напівпровідника, так і автономні теплопередавальні пристрої з вико- ристанням випарно-конденсаційного циклу. Організація процесу кипіння безпосередньо на поверхні кристала напівпровідникового приладу, зануреного у рідину, дозволяє істотно знизити тер- Проведено експериментальні дослідження процесу виникнення та зростання парової бульбашки при кипінні у вели- кому об’ємі на поверхні малого розміру діаметром від 0,4 до 5,0 мм. Показано, що основним фактором підвищен- ня інтенсифікації тепловіддачі є випаровування мікрошару рідини під паровою бульбашкою. Отримано залежність пульсації температури поверхні від значень відривного діаметра парових бульбашок. Ключові слова: тепловіддача, мікрошар рідини, поверхня малого розміру, парова бульбашка, процес пароутворення, кипіння. мічний опір між р–n-переходом і середовищем, що забезпечує надійну роботу приладу за підвищеної потужності розсіювання теплоти. При цьому розміри кристалів напівпровідникових приладів, як правило, сумірні з основними лінійними характеристиками локальних фізичних явищ, що визначають інтенсив- ність процесів тепло- і масопереносу. Наприклад, при кипінні рідини лінійні розміри кристалів близькі до відривних діаметрів парових бульбашок. Формування теплового пограничного шару в про- цесі кипіння на поверхні малого розміру суттєво від- різняється від пароутворення на протяжних ізотер- мічних поверхнях теплообміну: сам шар має істотно меншу товщину, що залежить від лінійних розмірів поверхні нагріву, а бульбашкове кипіння виникає при більших температурних напорах. Також при кипінні поверхня малого розміру піддається температурним коливанням, які пов’язані з періодичною дією на неї центрів пароутворення. Прагнення до детального вивчення локальних характеристик при кипінні рідин дало поштовх до конструювання таких експериментальних ділянок, які дозволяли б фіксувати температурні коливання поверхні теплообміну в зоні дії поодиноких центрів пароутворення. Одними з перших у цьому напрямку були роботи [1, 2], в яких для вимірювання темпера- тури поверхні застосовувалася спеціальна термопара діаметром 0,127 мм (рис. 1). Для нагрівання пластини через неї пропускали постійний електричний струм з напругою 12 В. При підведенні теплового потоку на непокритій епоксидною смолою металевій поверхні виникали центри пароутворення. Частина з них акти- вувалася на торці термопари, і коливання температу- ри фіксувалися на екрані осцилографа. Таким чином конструкція експериментальної ділянки дозволяла виявляти пульсації температури під центром паро- утворення, що стало переконливим підтвердженням DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.57 Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 258 ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 2 ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ гіпотези про існування мікрошару рідини в основі парової бульбашки, що зростає (рис. 2). Подальші дослідження були спрямовані на одно- часну фіксацію пульсацій температури та визначення інтенсивності теплообміну в зоні центру пароутво- рення. Так, у роботі [3] конструкція експерименталь- ної ділянки, що представлена на рис. 3, дозволяла визначити величину теплового потоку, що підводився до локальної ділянки теплообміну. Мініатюрна по- верхня теплообміну являла собою торець копелевого стрижня 2 (діаметр від 0,5 до 2,5 мм), привареного точковим зварюванням до тонкої (0,07 мм) пермало- євої мембрани 1. Нижній кінець стрижня приварю- вався до пермалоєвої пластини 3. За показаннями пермалой-копелевих термопар визначали тепловий потік, що підводився до поверхні теплообміну, та розраховували інтенсивність тепло- віддачі при кипінні рідини. Одночасно фіксувалася пульсація температури поверхні під час виникнення, зростання й відриву парової бульбашки. Було пока- зано, що при збільшенні густини теплового потоку частота появи та розміри парових бульбашок теж збільшувалися. Також зростала амплітуда пульсацій температури поверхні теплообміну. Великі значення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні пов’язують з інтенсивним випаровуванням мікрошару рідини під паровою бульбашкою, що зростає. Причому амплітуда пульсації температури поверхні, а також товщина мікрошару залежать від величини відривного діаметра парових бульбашок. Свій вплив тут також має теплова та гідродинамічна обстановка навколо центра пароутворення. Товщина мікрошару, яка може визначатися як без- посередніми вимірюваннями [4, 5], так і непрямим шляхом [6, 7], залежить від роду рідини. Так, у роботі [5] при тиску 0,07·105 Па товщина мікрошару залеж- но від радіуса основи парової бульбашки коливалася від 4 до 30 мкм для толуолу, а для ізопропілового спирту — від 15 до 70 мкм. У [8] показано, що теплопередача через мікрошар робить важливий внесок у процес бульбашкового кипіння. Тому розрахунок початкової товщини мікро- шару можна використати для приблизного кількісно- го аналізу механізму процесу кипіння на поверхнях великого розміру. Подальші комплексні дослідження [9, 10] із за- стосуванням математичного моделювання показали, що при зростанні парової бульбашки до її відриву від поверхні нагріву товщина мікрошару збільшується й залежить від багатьох факторів. Серед них — те- плофізичні властивості як поверхні теплообміну, так і виду рідини, а також розміри поверхні, на якій відбувається процес бульбашкового кипіння. Товщину мікрошару вимірювали у роботі [11] для води та етанолу за допомогою спеціально розробле- ної вимірювальної системи, яка використовує метод лазерної екстинкції. Початкова структура мікрошару для етанолу була подібною до структури води, але його товщина була приблизно вдвічі більшою. Однак температурні пульсації поверхні нагріву, які пов’язані з інтенсивним випаровуванням мікрошару рідини під паровою бульбашкою, в цій роботі не розглядалися. У теоретичних роботах [12, 13] на підставі чи- сельного моделювання зародження бульбашок при кипінні проаналізовано утворення та випаровування мікрошару, а також показано основні фізичні меха- нізми цього явища. Рис. 1. Схема вимірювання локальних значень температу- ри поверхні при кипінні рідини [1]: 1 — алюмінієвий провід; 2 — хромелева трубка; 3 — ніхромо- ва металева пластина; 4 — осаджений нікелевий шар товщи- ною 1,27·10–3 мм; 5 — епоксидна смола; 6 — рідина; 7 — па- рові бульбашки 7 6 5 4 1 2 3 Ø 0,127 Рис. 2. Зростання парової бульбашки на поверхні тепло- обміну: 1 — пара; 2 — рідина; 3 — поверхня теплообміну; 4 — запа- дина; 5 — мікрошар рідини під основою парової бульбашки, який розтікається 1 2 1 3 4 5 Q θ x y y δ0 δ Рис. 3. Схема елемента для дослідження проце- су кипіння на окремих центрах пароутворення [3, c. 85]: 1 — пермалоєва мем- брана; 2 — копелевий стрижень (теплопровід довжиною 2,2 мм); 3 — пермалоєва пластина; 4 — мідний циліндр з ніхромовим нагрівачем; 5 — рідина 1 2 3 4 До вимірювального пристрою 5 d Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 59ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 3 ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ Всі ці дослідження вказують на те, що відведення теплових потоків великої густини при зменшенні по- верхонь теплообміну пов’язано з великою кількістю чинників, серед яких вагому роль відіграє пульсація температури поверхні під час бульбашкового кипіння. При цьому серед публікацій з цієї тематики присутні в основному теоретичні дослідження, і вкрай мало експериментальних. Метою цієї роботи було експериментальне дослі- дження особливостей бульбашкового кипіння на по- верхнях малого розміру для подальшого застосування отриманих даних при створенні систем охолодження мініатюрних електронних пристроїв. Схема робочого елемента та методика проведення досліджень Дослідження проводилися за методикою, наве- деною у [14]. Дослідний елемент (рис. 4) дозволяв визначати тепловий потік QП, що підводиться до ло- кальної ділянки теплообміну, а також пульсації темпе- ратури під центром пароутворення. Концентратором теплового потоку слугував мідний теплопровідний стрижень, а процес бульбашкового кипіння було організовано на його торцевій поверхні. Експерименти проводилися зі стрижнями різного діаметра dс: від 0,4 до 5,0 мм. У поверхню тепло- обміну було впаяно на срібному припої ПСр-40 константановий дріт 1 діаметром 0,16 мм. На деякій відстані від торця стрижня 2 у просвердлений отвір впаювався ще один константановий дріт 3. Отримана таким чином диференціальна мідь-константанова термопара дозволяла вимірювати тепловий потік, що підводиться до мікроповерхні, а також середню тем- пературу поверхні на торці мідного стрижня. Нижче константанового дроту 3 на стрижень 2 намотувався ніхромовий нагрівач, який покривався теплоізоля- цією 6. Для визначення кількості теплоти QР, що розтікається в опорну стінку 4, у ній на різних від- станях від центру (радіусах) R було закладено чотири мідь-константанові термопари 7 (Т1… Т4) (рис. 5). Отримане за їхньою допомогою температурне поле в опорній стінці дозволяло шляхом розв’язування оберненої задачі теплопровідності розрахувати те- пловий потік QВ, що відводиться безпосередньо від поверхні до рідини. Величина потоку, що розтікався в опорну стінку QР , а в результаті й відведеного теплового потоку QВ, залежала від густини теплового потоку QП, що підводився до теплообмінної поверхні. Для опорної стінки товщиною 1,8 мм при QП ≈ 10 Вт/см2 величи- на QР сягала до 50% QП, а при QП ≈ 400 Вт/см2 вона зменшувалася до 7%. Оскільки форма поверхонь малих розмірів (діа- метр поверхні порівняний з діаметром впаяного в стрижень константанового дроту) відрізнялася від ідеально круглої (рис. 6, а), їхня площа визначалася скануванням за допомогою інструментального мікро- скопа, після чого знаходили еквівалентний діаметр поверхні dекв = dс. Форма поверхонь великих розмірів була практично круглою. Так, на рис. 6, б представ- лено зображення торця поверхні діаметром 5,0 мм. Шорсткість поверхонь визначалася шляхом по- рівняння з еталонними зразками. Вимірювання по- казали, що вона була приблизно однаковою для всіх досліджуваних зразків і становила 4 – 8 мкм. Рис. 4. Схема (а) та фото (б) робочого елемента для дослі- дження процесу пароутворення під час кипіння на поверх- нях малого розміру: 1, 3 — константановий дріт; 2 — мідний стрижень; 4 — скло- волокниста опорна стінка; 5 — ніхромовий нагрівач; 6 — те- плоізоляція; 7 — термопари для вимірювання кількості те- плоти, що розтікається в опорну стінку б) а) 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 5. Температурне поле в опорній стінці при dс = 0,87 мм за різних значень підведеного теплового потоку QВ (у Вт/см2): 1 — 5; 2 — 17; 3 — 380 3 2 1 T1 T2 T3 T4 QВ QП QР ΔT, К 8 4 2 4 R, мм Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 260 ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 4 ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ В рамках експерименту проводилося швидкісне фільмування процесу кипіння дистильованої води за атмосферного тиску з одночасною фіксацією пульсацій температури поверхні малого розміру на екрані двопроменевого осцилографа під час зростан- ня парової бульбашки. Сигнал термопари з поверхні теплообміну синхронізували з візуальною картиною бульбашкового кипіння, поєднуючи на кіноплівці зо- браження з робочої камери та з екрана осцилографа (рис. 7): на кадрі кіноплівки одночасно фіксувалися розмір парової бульбашки (отримувався за допо- могою оптичних променів та системою дзеркал) і викликане її дією відхилення температури поверхні від середнього значення. Змінний сигнал термопа- ри 1 (рис. 4) через підсилювач подавався на один із каналів двопроменевого осцилографа. На іншому каналі встановлювалося середнє значення темпера- тури поверхні. За короткий проміжок часу, приблизно 0,7 мс (кадр 1 на рис. 8), температура поверхні понизилася на 4°С, що спостерігалося на екрані осцилографа. При цьому видиме зображення парової бульбашки значно перевищувало критичний зародок. Таке зниження температури обумовлене, вочевидь, інтенсивним ви- паровуванням мікрошару рідини в основі бульбашки. Подальше зростання парової бульбашки не вносило якихось істотних змін у процес зміни температури, і температура під активним центром пароутворення монотонно зростала до деякого середнього значення (рис. 8, кадр 2). Результати фільмування показали, що на поверхні малого розміру виникають великі парові бульбашки, що мають форму еліпсоїда з вертикальною віссю симетрії (рис. 9). Еквівалентний радіус rекв сфери однакового з еліпсоїдом об’єму визначався за за- лежністю [3] rекв = (А2В)1/3, (1) де А, В — лінійні розміри бульбашки по горизон- тальній та вертикальній осях. Для напівсферичної парової бульбашки відстань h від поверхні до її центру симетрії не перевищує ек- вівалентного радіусу rекв бульбашки протягом всього часу її зростання, й лише перед самим відривом, коли форма парової бульбашки наближається до сферич- ної, вони стають однаковими (рис. 10). Рис. 6. Зображення поверхонь малого розміру, отримане за допомогою інструментального мікроскопа: а — dекв = 0,87 мм; б — dекв = 5,0 мм б)а) 0,85 мм 1,5 мм Рис. 7. Схема поєднання двох променів за допомогою швидкісної кінокамери Поверхня малого розміру Осциллограф OWON XD3202E Кінокамера СКС 1М Швидкість фільмування змінювалася від 800 до 4000 кадрів за секунду. Оскільки амплітуда сигналу пульсацій температури і частота були порівнянними з частотою і рівнем промислових завад, всю установку з вимірювальною апаратурою поміщали в завадоза- хищений бокс і заземлювали. Тарували термопари за зразковою платино-платинородієвою термопарою в діапазоні температури від 20 до 400 ℃. Результати дослідження В результаті швидкісного фільмування процесу еволюції парової бульбашки (рис. 8) з одночасною фіксацією локальної температури Тлок поверхні у зоні центру пароутворення були отримані дані, які свідчать, що поява бульбашки призводить до різкого зменшення температури поверхні. Сигнал термопари Середня температура 1 2 Рис. 8. Кадри зростання парової бульбашки води та пуль- сацій температури на екрані осцилографа (поверхня діа- метром 0,87 мм, тиск Р = 1·105 Па, швидкість фільмуван- ня 950 кадр/с) Рис. 9. Схема бульбашки, що зростає на поверхні нагріву: h — відстань до центру симетрії бульбашки; rекв — радіус еквівалентної сфери; F — рівнодійна сила, прикладена до центру інерції бульбашки h rеквB F A Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 61ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 5 ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ В процесі зростання парова бульбашка змінює свою форму. Приблизно до 4 мс вона має вигляд еліпсоїда, а потім горизонтальний розмір починає зменшуватися, а вертикальний збільшуватися. Це пов’язано із розподілом сил у цьому процесі: через зростання об’єму бульбашки сили Архімеда збіль- шуються й у певний момент починають переви- щувати сили спротиву рідини. Таким чином форма бульбашки починає наближатися до сферичної. Це спостерігається у період від 4 до 8 мс, а потім вона відривається від поверхні нагріву. Під час кипіння поява першої бульбашки викликає зміну температури поверхні під нею на величину ΔТлок. На рис. 11 наведено часові залежності ΔТлок, еквівалентного радіусу бульбашки rекв та відстань до її центру симетрії h для двох значень теплового потоку. Різке падіння температури в початковий момент зростання бульбашки можна пояснити лише випаровуванням мікрошару рідини під нею. Парова бульбашка в момент свого виникнення відтісняє те- пловий прикордонний шар рідини від поверхні нагрі- ву. Після випаровування мікрошару рідини (повністю або частково) температура поверхні в зоні активного центру пароутворення починає підвищуватися, а од- ночасне з цим зростання бульбашки відбувається як завдяки підведенню теплової енергії безпосередньо від поверхні до пари, так і через випаровування ви- тісненого перегрітого пристінного шару по твірній парової бульбашки. Як видно з рис. 11, відрив буль- башки від поверхні (момент позначено кружечком на кривій ΔТлок = f (τ)) практично не вносить змін у монотонний характер зростання температури під центром пароутворення. Це може бути наслідком того, що протягом всього часу зростання парової бульбашки під нею знаходиться мікрошар рідини, який поступово потовщується, що призводить до під- вищення термічного опору та температури поверхні. Після відриву парової бульбашки холодніша ріди- на не дістається поверхні нагріву, і температура під центром пароутворення продовжує зростати, асимп- тотично наближаючись до деякої постійної величини. Відбувається формування перегрітого шару для ство- рення умов активації наступної парової бульбашки. Як видно з аналізу геометричних характеристик на рис. 11, чим більшою стає бульбашка, тим більше її форма відрізняється від сферичної. При цьому спо- стереження процесу бульбашкового кипіння показа- ло, що немає залежності відривного діаметра dв паро- вих бульбашок від густини теплового потоку, тобто за будь-якого значення Q утворюються бульбашки рандомної величини. А ось падіння температури по- верхні залежить від dв, оскільки на появу бульбашок витрачається певна кількість енергії — очевидно, що тим більша, чим більшою є бульбашка. Тому очевид- но, що існує залежність величини ΔТлок від діаметра dв, про що було сказано у [8]. Це припущення було підтверджено нами експериментально завдяки спо- Рис. 10. Зміна еквівалентного радіуса бульбашки (1) і відстані h до її центру симетрії (2) при кипінні води на поверхні діаметром 0,87 мм rекв, h, мм 0,8 0,4 0 2 4 6 τ, мс 2 1 Рис. 11. Зміни у часі геометричних характери- стик rекв (○), h (●) парової водяної бульбашки та перепаду температури ΔТлок під нею на поверхні діаметром 0,87 мм за різних значень теплового потоку: а — Q = 34 Вт/см2; б — Q = 41 Вт/см2 ΔТлок, К 0 –1 –2 –3 –4 rекв, мм 0,8 0,4 0 h, мм 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 0,4 0 2 4 6 8 10 12 τ, мс а) ΔТлок, К 0 –0,5 –1,0 –1,5 rекв, мм 0,4 0 h, мм 1,2 0,8 0,4 0 2 4 6 8 τ, мс б) Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 262 ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 6 ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ стереженню за процесом бульбашкового кипіння з од- ночасною фіксацією падіння температури поверхні. На рис. 12 показано отримані експериментальні дані, які з точністю до 10% апроксимуються функцією ΔТлок = 3,6·104·dв 1,5. (2) Висновки Таким чином, проведене дослідження експери- ментально показало, що у процесі бульбашкового кипіння поверхня теплообміну зазнає температурних пульсацій. Це потрібно враховувати при викори станні систем охолодження на основі бульбашкового кипін- ня для підтримання температурного режиму елек- тронних приладів, оскільки такі пульсації можуть впливати на їхні робочі характеристики. Подальші дослідження потрібно спрямувати на визначення пульсацій температури при кипінні діелектричних рідин на поверхнях малого розміру за теплових по- токів великої густини (до 400 Вт/см2), а також при субатмосферних величинах тиску. ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА 1. Moore F. D., Mesler R. B. The measurement of rapid surface fluctuations during nucleate boiling of water, AIChE Journal, 1961, no. 7, iss. 5, рр. 620 – 624. https://doi.org/10.1002/aic.690070418 2. Rogers T.F., Mesler R.B. An experimental study of surface cooling by bubbles during nucleate boiling of water. AIChE Journal, 1964, vol. 10, iss. 5, pp. 656 – 660. https://doi.org/10.1002/ aic.690100516. 3. Толубинский В.И. Теплообмен при кипении. Киев: Наук. думка, 1980. 316 с. 4. Katto Y., Takahashi S., Yokoya S. Law of micro-liquid-layer formation between a growing bubble and a solid surface with a special reference to nucleate boiling. Bulletin of the JSME, 1973, vol. 16, iss. 97, pp. 1066 – 1074. https://doi.org/10.1299/jsme1958.16.1066 5. Jawurek H.H. Simultaneous determination of microlayer geometry and bubble growth in nucleate boiling. Int. Journal Heat and Mass Transfer, 1969, vol. 12, no. 8, pp. 843 – 848. https://doi. org/10.1016/0017-9310(69)90151-3 6. Cooper M.G. The microlayer and bubble growth in nucleate pool boiling. Int. Journal Heat and Mass Transfer, 1969, vol. 12, iss. 8, pp. 914 – 917. https://doi.org/10.1016/0017-9310(69)90155-0 7. Cooper M.G., Lloyd A.J.P. The microlayer in nucleate pool boiling. Int. Journal Heat and Mass Transfer, 1969, vol. 12, iss. 8, pp. 895 – 913. https://doi.org/10.1016/0017-9310(69)90154-9 8. Smirnov G.F. Calculation of the ‘initial’ thickness of the ‘microlayer’ during bubble boiling. J. Engng Phys., 1975, vol. 28, no. 3, pp. 369 – 374. https://doi.org/10.1007/BF00862021 9. Zhang Xi., El Mellas Is., Andreini N., Magnini M. The microlayer and force balance of bubbles growing on solid in nucleate boiling. International Journal of Multiphase Flow, 2025, vol. 183, 105049. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.105049 10. Zhang Xi., El Mellas Is., Magnini M. Predicting initial microlayer thickness in nucleate boiling using Landau – Levich theory. Journal of Fluid Mechanics, 2024, vol. 997, А44. http://dx.doi. org/10.1017/jfm.2024.559 11. Utaka Y., Kashiwabara Y., Ozaki M. Microlayer structure in nucleate boiling of water and ethanol at atmospheric pressure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, vol. 57, pp. 222 – 230. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.10.031 12. Zhang X., Nikolayev V. S. Dewetting acceleration by evaporation. Journal of Fluid Mechanics, 2022, vol. 948, A49. https:// doi.org/10.1017/jfm.2022.725 13. Urbano A., Tanguy S., Huber G., Colin C. Direct numerical simulation of nucleate boiling in micro-layer regime. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, vol. 123, pp. 1128 – 1137. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.104 14. Kravets V.Yu. Heat transfer processes in miniature evaporation-condensation cooling systems. Kyiv: Interservice, 2023. 204 p. Available: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/6711 Дата надходження рукопису до редакції 10.05 2025 р. Рис. 12. Залежність величини пульсації температури при кипінні води на мідній поверхні діаметром 0,87 мм у ве- ликому об’ємі за атмосферного тиску ΔТлок, К 10 1 2 3 dв, мм Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2025, № 1– 2 63ISSN 3083-6530 (Print) ISSN 3083-6549 (Online) 7 ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕПЛОВИХ РЕЖИМІВ Volodymyr KRAVETS, Vitaly CHYKALO, Yevhen SHEVEL Ukraine, Kyiv, Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute E-mail: kravetz_kpi@ukr.net VAPORIZATION PROCESSES DURING COOLING OF MINIATURE ELECTRONIC DEVICES The widespread introduction of new technologies contributes to the rapid development of various fields of technology, both in terms of increasing the functionality of systems and equipment and reducing the weight and size characteristics of individual components and devices in general. This is especially evident in radio electronics, particularly in computer technology, where the heat flux densities emitted by individual electronic components can be very high. In such a case, the temperature of the chips increases and may exceed the maximum permissible values. To ensure the specified operating temperatures of electronic equipment, the bubble boiling process is used. The highest intensity of heat transfer is observed during boiling. This is due to the evaporation of a thin micro-layer of liquid under the growing steam bubble. This paper describes an experimental study of the peculiarities of the bubble boiling process on small surfaces. The experiment’s unique feature was the visual observation of the combined appearance and growth of a steam bubble, as well as the temperature pulsation of the surface beneath it. The process of bubble boiling occurred in a large volume at atmospheric pressure on small copper surfaces with a diameter of 0.4 to 5.0 mm. The surface temperature was recorded using a specially designed thermocouple. The signal from the thermocouple was fed through an amplifier to a two-beam oscilloscope. Using a system of mirrors, the process of evolution of the vapor bubble and surface temperature fluctuations were recorded on the film of a high-speed movie camera. The film speed varied from 800 to 4000 frames per second. Experimental results have shown that both spherical and hemispherical vapor bubbles grow on the surface during boiling. Moreover, the surface temperature fluctuation depends on the size of such bubbles at the moment of their detachment. The larger the bubble bursting diameter, the greater the amplitude of the surface temperature fluctuations. It is shown that the main factor in increasing the intensification of heat transfer is the evaporation of a microlayer of liquid under the vapor bubble. The dependence of the surface temperature fluctuation on the values of the detachable diameters of the steam bubbles is obtained. Thus, if bubble-boiling cooling systems are used to maintain the temperature regime of electronic devices, it is necessary to take into account the temperature fluctuations of the heat transfer surface, as they can affect the operating characteristics of the devices. Keywords: heat transfer, boiling, liquid microlayer, temperature fluctuation, small surface, steam bubble. REFERENCES 1. Moore F. D., Mesler R. B. The measurement of rapid surface fluctuations during nucleate boiling of water, AIChE Journal, 1961, no. 7, iss. 5, рр. 620 – 624. https://doi.org/10.1002/aic.690070418 2. Rogers T.F., Mesler R.B. An experimental study of surface cooling by bubbles during nucleate boiling of water. AIChE Journal, 1964, vol. 10, iss. 5, pp. 656 – 660. https://doi.org/10.1002/ aic.690100516. 3. Tolubinskiy V.I. Teploobmen pri kipenii [Heat exchange during boiling]. Kyiv: Nauk. Dumka, 1980. 316 p. (Rus) 4. Katto Y., Takahashi S., Yokoya S. Law of micro-liquid-layer formation between a growing bubble and a solid surface with a special reference to nucleate boiling. Bulletin of the JSME, 1973, vol. 16, iss. 97, pp. 1066 – 1074. https://doi.org/10.1299/jsme1958.16.1066 5. Jawurek H.H. Simultaneous determination of microlayer geometry and bubble growth in nucleate boiling. Int. Journal Heat and Mass Transfer, 1969, vol. 12, no. 8, pp. 843 – 848. https://doi. org/10.1016/0017-9310(69)90151-3 6. Cooper M.G. The microlayer and bubble growth in nucleate pool boiling. Int. Journal Heat and Mass Transfer, 1969, vol. 12, iss. 8, pp. 914 – 917. https://doi.org/10.1016/0017-9310(69)90155-0 7. Cooper M.G., Lloyd A.J.P. The microlayer in nucleate pool boiling. Int. Journal Heat and Mass Transfer, 1969, vol. 12, iss. 8, pp. 895 – 913. https://doi.org/10.1016/0017-9310(69)90154-9 8. Smirnov G.F. Calculation of the ‘initial’ thickness of the ‘microlayer’ during bubble boiling. J. Engng Phys., 1975, vol. 28, no. 3, pp. 369 – 374. https://doi.org/10.1007/BF00862021 9. Zhang Xi., El Mellas Is., Andreini N., Magnini M. The microlayer and force balance of bubbles growing on solid in nucleate boiling. International Journal of Multiphase Flow, 2025, vol. 183, 105049. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2024.105049 10. Zhang Xi., El Mellas Is., Magnini M. Predicting initial microlayer thickness in nucleate boiling using Landau – Levich theory. Journal of Fluid Mechanics, 2024, vol. 997, А44. http://dx.doi. org/10.1017/jfm.2024.559 11. Utaka Y., Kashiwabara Y., Ozaki M. Microlayer structure in nucleate boiling of water and ethanol at atmospheric pressure. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, vol. 57, pp. 222 – 230. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.10.031 12. Zhang X., Nikolayev V. S. Dewetting acceleration by evaporation. Journal of Fluid Mechanics, 2022, vol. 948, A49. https:// doi.org/10.1017/jfm.2022.725 13. Urbano A., Tanguy S., Huber G., Colin C. Direct numerical simulation of nucleate boiling in micro-layer regime. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, vol. 123, pp. 1128 – 1137. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.104 14. Kravets V.Yu. Heat transfer processes in miniature evaporation-condensation cooling systems. Kyiv: Interservice, 2023. 204 p. Available: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/6711 Copyright: © 2025 by the authors. Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). DOI: 10.15222/TKEA2025.1-2.57 UDC 536.248.2
id	oai:tkea.com.ua:article-383
institution	Technology and design in electronic equipment
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-06-12T01:00:31Z
publishDate	2025
publisher	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
record_format	ojs
resource_txt_mv	wwwtkeacomua/49/bbf874b6e85f5f2e3f9f8fbb8371e049.pdf
spelling	oai:tkea.com.ua:article-3832026-06-11T12:18:39Z Vaporization processes during cooling of miniature electronic devices Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв Kravets, Vladimir Chykalo, Vitaliy Shevel, Yevhen heat transfer boiling liquid microlayer temperature fluctuation small surface steam bubble тепловіддача мікрошар рідини поверхня малого розміру парова бульбашка процес пароутворення кипіння The widespread introduction of new technologies contributes to the rapid development of various fields of technology, both in terms of increasing the functionality of systems and equipment and reducing the weight and size characteristics of individual components and devices in general. This is especially evident in radio electronics, particularly in computer technology, where the heat flux densities emitted by individual electronic components can be very high. In such a case, the temperature of the chips increases and may exceed the maximum permissible values. To ensure the specified operating temperatures of electronic equipment, the bubble boiling process is used. The highest intensity of heat transfer is observed during boiling. This is due to the evaporation of a thin microlayer of liquid under the growing steam bubble.This paper describes an experimental study of the peculiarities of the bubble boiling process on small surfaces. The experiment’s unique feature was the visual observation of the combined appearance and growth of a steam bubble, as well as the temperature pulsation of the surface beneath it. The process of bubble boiling occurred in a large volume at atmospheric pressure on small copper surfaces with a diameter of 0.4 to 5.0 mm. The surface temperature was recorded using a specially designed thermocouple. The signal from the thermocouple was fed through an amplifier to a two-beam oscilloscope. Using a system of mirrors, the process of evolution of the vapour bubble and surface temperature fluctuations were recorded on the film of a high-speed movie camera. The film speed varied from 800 to 4000 frames per second.Experimental results have shown that both spherical and hemispherical vapour bubbles grow on the surface during boiling. Moreover, the surface temperature fluctuation depends on the size of such bubbles at the moment of their detachment. The larger the bubble bursting diameter, the greater the amplitude of the surface temperature fluctuations. It is shown that the main factor in increasing the intensification of heat transfer is the evaporation of a microlayer of liquid under the vapour bubble. The dependence of the surface temperature fluctuation on the values of the detachable diameters of the steam bubbles is obtained. Thus, if bubble-boiling cooling systems are used to maintain the temperature regime of electronic devices, it is necessary to take into account the temperature fluctuations of the heat transfer surface, as they can affect the operating characteristics of the devices. Проведено експериментальні дослідження процесу виникнення та зростання парової бульбашки при кипінні у великому об’ємі на поверхні малого розміру діаметром від 0,4 до 5,0 мм. Показано, що основним фактором підвищення інтенсифікації тепловіддачі є випаровування мікрошару рідини під паровою бульбашкою. Отримано залежність пульсації температури поверхні від значень відривного діаметра парових бульбашок. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025-06-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.57 10.15222/TKEA2025.1-2.57 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2025): Technology and design in electronic equipment; 57-63 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2025): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 57-63 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2025.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.57/342 Copyright (c) 2025 Vladimir Kravets, Vitaliy Chykalo, Yevhen Shevel http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
spellingShingle	тепловіддача мікрошар рідини поверхня малого розміру парова бульбашка процес пароутворення кипіння Kravets, Vladimir Chykalo, Vitaliy Shevel, Yevhen Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв
title	Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв
title_alt	Vaporization processes during cooling of miniature electronic devices
title_full	Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв
title_fullStr	Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв
title_full_unstemmed	Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв
title_short	Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв
title_sort	процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв
topic	тепловіддача мікрошар рідини поверхня малого розміру парова бульбашка процес пароутворення кипіння
topic_facet	heat transfer boiling liquid microlayer temperature fluctuation small surface steam bubble тепловіддача мікрошар рідини поверхня малого розміру парова бульбашка процес пароутворення кипіння
url	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.57
work_keys_str_mv	AT kravetsvladimir vaporizationprocessesduringcoolingofminiatureelectronicdevices AT chykalovitaliy vaporizationprocessesduringcoolingofminiatureelectronicdevices AT shevelyevhen vaporizationprocessesduringcoolingofminiatureelectronicdevices AT kravetsvladimir procesiparoutvorennâprioholodžennímíníatûrnihradíoelektronnihpristroív AT chykalovitaliy procesiparoutvorennâprioholodžennímíníatûrnihradíoelektronnihpristroív AT shevelyevhen procesiparoutvorennâprioholodžennímíníatûrnihradíoelektronnihpristroív

Процеси пароутворення при охолодженні мініатюрних радіоелектронних пристроїв

Institution

Ähnliche Einträge