Nowa technologia rozpraszania ciepła urządzeń elektronicznych
Stopniowa miniaturyzacja i precyzja urządzeń elektronicznych spowodowała problem rozpraszania ciepła. Temperatura ma duży wpływ na wydajność pracy sprzętu elektronicznego. Aby zapewnić stabilną i nieprzerwaną pracę chipa elektronicznego, maksymalna temperatura nie może przekraczać 85 ℃ zgodnie z wymaganiami. Za każdym razem, gdy temperatura elementu półprzewodnikowego wzrasta o 10 ℃, niezawodność systemu zmniejszy się o 50%. Według statystyk ponad 55% awarii sprzętu elektronicznego jest spowodowanych nadmierną temperaturą. W tradycyjnym chipie elektronicznym objętość wykorzystywana do chłodzenia wynosi 98%, a tylko 2% jest wykorzystywane do operacji obliczeniowych, ale nadal trudno jest rozwiązać obecny problem z rozpraszaniem ciepła. Wysoka temperatura będzie miała szkodliwy wpływ na działanie sprzętu elektronicznego, a te tradycyjne metody odprowadzania ciepła mają pewne ograniczenia. Dlatego, aby zapewnić żywotność i wydajną wydajność sprzętu elektronicznego, pilnie należy zbadać i opracować lepsze metody rozpraszania ciepła w sprzęcie elektronicznym.
01 Technologia chłodzenia Tradycyjna metoda rozpraszania ciepła jest często spotykana w naszym codziennym życiu, ponieważ obecny rozwój jest bardzo dojrzały, a zasada prosta, więc nie będę tego tutaj powtarzał.
1.1 Chłodzenie cieczą
Chłodzenie cieczą wykorzystuje ciecz przechodzącą przez źródło ciepła do odprowadzenia ciepła wytworzonego przez chip, bez hałasu i ma wysoką zdolność wymiany ciepła. Poniżej przedstawiono kilka metod chłodzenia cieczą, które są nowymi technologiami opartymi na tradycyjnym rozszerzeniu bezpośredniego chłodzenia cieczą.
1.1.1 Chłodzenie mikrokanałowe
Chłodzenie mikrokanałowe polega na wytrawieniu wielu kanałów płynu na poziomie mikrometrów na podłożu pod chipem, dzięki czemu ciepło chipa jest pochłaniane, gdy płyn przepływa przez kanał. Ta metoda obejmuje jednofazową wymianę ciepła i dwufazową wymianę ciepła. Wśród nich pojemność cieplna jednofazowej wymiany ciepła jest niewielka, efekt wymiany ciepła jest słaby, a temperatura po schłodzeniu jest nierówna, co powoduje nadmierne naprężenia. Wręcz przeciwnie, dwufazowa wymiana ciepła ma duże ciepło utajone, pojemność wymiany ciepła jest wysoka, temperatura po schłodzeniu jest jednolita, nie powstają duże naprężenia, a temperatura płynu roboczego nie wzrasta bardzo wysoko. Dwufazowy transfer ciepła w chłodzeniu mikrokanałowym jest aktualnym punktem zainteresowania badań. W dwufazowym przenoszeniu ciepła przy użyciu niskociśnieniowego czynnika chłodniczego jako płynu roboczego, zdolność rozpraszania ciepła może osiągnąć ponad 300 W/cm2. Poprzez eksperymenty Yu Zukang i in. uzyskano właściwości hydrofilowe powierzchni, aby skutecznie poprawić wydajność wymiany ciepła mikrokanałów. Przy niskim strumieniu ciepła i niskiej suchości na wlocie średni współczynnik przenikania ciepła powierzchni superhydrofilowych jest największy i jest o 64% wyższy niż w przypadku zwykłych gładkich powierzchni. Średni współczynnik przenikania ciepła hydrofilowej powierzchni jest do 27% wyższy niż zwykłej gładkiej powierzchni; w warunkach dużego strumienia ciepła i wysokiej suchości wlotowej średnia wartość współczynnika przenikania ciepła superhydrofilowej powierzchni jest do około 80% wyższa niż w przypadku zwykłej gładkiej powierzchni. Powierzchnia hydrofilowa jest do około 50% wyższa niż normalna gładka powierzchnia. Rysunek 1 przedstawia strukturę chłodzenia mikrokanałowego.
Krytyczny strumień ciepła (CHF) jest jednym z ważnych parametrów wpływających na wydajność mikrokanałów. Yuan Xudong i inni szczegółowo przedstawili postęp badań nad CHF, szczegółowo przedstawili jego mechanizm oddziaływania i metody doskonalenia, a także CHF istniejący w środowisku akademickim. Różnice w opiniach. Ze względu na mały rozmiar mikrokanału opór po drodze jest bardzo duży; jego struktura ma również duży wpływ na chłodzenie, a zastosowanie prostych i równoległych mikrokanalików spowoduje duży spadek ciśnienia i gradient temperatury. Ma wiele zalet. Ponieważ kanały są wytrawione i nie zajmują więcej miejsca, chłodzenie mikrokanałowe staje się wydajniejsze i bardziej kompaktowe, a także bardziej odpowiednie dla małych chipów elektronicznych. Powszechnie uważa się, że dwuwarstwowy mikropromiennik może sprostać rosnącemu obciążeniu cieplnemu następnej generacji sprzętu elektronicznego. Xiaogang Liu i in. zaproponowali dwuwarstwową strukturę macierzy (DL-M) i dwuwarstwową strukturę macierzy połączeń (DL-IM) mikrokanałów. A dzięki symulacji numerycznej w celu zbadania różnych wydajności grzejników udowodniono, że mają one lepszą wydajność cieplną.
Chociaż istnieją pewne niedociągnięcia w chłodzeniu mikrokanałowym, może ono rozwiązać powstałe problemy, a rozwój jest bardziej dojrzały. Chociaż badania nad CHF mają różne poglądy, nie zahamuje to rozwoju technologii mikrokanałowej, a przyszły kierunek rozwoju będzie bardziej ukierunkowany. Jak poprawić CHF w celu uzyskania bardziej wydajnego chłodzenia mikrokanałowego, ten rodzaj metody rozpraszania ciepła stanie się również bardziej popularny.
1.1.2 Chłodzenie natryskowe Chłodzenie natryskowe polega na rozpyleniu cieczy przez dyszę w celu wytworzenia dwufazowego strumienia gazowo-cieczowego na urządzenie elektroniczne. Jedna jego część pochłania ciepło i odparowuje, a część ciepła jest odbierana przez przemianę fazową; druga część tworzy ciekłą warstewkę na powierzchni źródła ciepła, a ciepło podąża za cieczą. Odbierany jest przepływ membrany. Nieskraplający się gaz w warstwie cieczy wzmaga zakłócenia wymiany ciepła, co może znacznie poprawić zdolność rozpraszania ciepła przez sprzęt elektroniczny. Gęstość strumienia ciepła z przemianą fazową podczas chłodzenia natryskowego może osiągnąć ponad 1000 W/cm2. Lin i in. używał fluorowęglowodoru, metanolu i wody jako płynów roboczych do ciepła przemiany fazowej. Maksymalna gęstość strumienia ciepła uzyskana w eksperymentach wynosiła odpowiednio 90, 90 i 90. 490, 500 W/cm2 lub więcej. Figura 2 to schematyczny diagram chłodzenia natryskowego.
Ta metoda chłodzenia ma pewne wady, które należy rozwiązać. Metoda chłodzenia natryskowego ma złożony system, wymaga dużej przestrzeni i jest trudna w utrzymaniu. Ze względu na małe natężenie przepływu cieczy, równomierny rozkład temperatury chipów po schłodzeniu i niskie naprężenia, chłodzenie natryskowe jest uważane za metodę rozpraszania ciepła dla chipów elektronicznych o dobrym potencjale rozwojowym. Obecnie, ponieważ dotychczasowe problemy nie zostały rozwiązane, może być stosowany jedynie w produktach wojskowych i lotniczych. Wang Gaoyuan i in. przeprowadził eksperymenty z chłodzeniem natryskowym na R134a w warunkach niskiego ciśnienia i stwierdził, że chłodzenie natryskowe w warunkach niskiego ciśnienia stopniowo zmniejsza zdolność przenoszenia ciepła wraz ze spadkiem ciśnienia, a odparowanie rzutowe ma duży wpływ na zdolność przenoszenia ciepła, co należy wziąć pod uwagę przy planowaniu dysze. Dodanie nanocząstek, środków powierzchniowo czynnych, rozpuszczalnych soli i gazów oraz dodatków alkoholowych do płynu chłodzącego w sprayu może znacznie poprawić właściwości przenoszenia ciepła. Li Yiyi zweryfikował eksperymentalnie, że dodanie środków powierzchniowo czynnych może skutecznie poprawić wydajność przenoszenia ciepła podczas chłodzenia natryskowego, zwłaszcza dodanie SDS ma najlepszy efekt. Jednak obecny sposób dodawania dodatków jest jeszcze w powijakach, a istniejące problemy są bardziej skomplikowane.
Chłodzenie natryskowe jest ograniczone przestrzenią i nie może być stosowane w małych urządzeniach elektronicznych, ale efekt jest bardzo dobry w przypadku zastosowania w superkomputerach. Obecnie technologia chłodzenia natryskowego stosowana jest w superkomputerach CREY, a także na szeroką skalę w centrach danych. Uważa się, że wraz z rozwojem tej metody chłodzenia aplikacja będzie bardziej dojrzała.
Powyższe trzy metody rozpraszania ciepła cieczą mają swoje zalety i wady. Chłodzenie natryskowe i chłodzenie strumieniowe są podobne. Ich konstrukcje są bardzo złożone i nie nadają się do codziennego sprzętu elektronicznego. Mają jednak silne zdolności rozpraszania ciepła. Chłodzenie natryskowe jest odpowiednie dla superkomputerów, w przypadku rozpraszania ciepła w dużych ilościach danych; chłodzenie odrzutowe jest odpowiednie dla obiektów wojskowo-przemysłowych, takich jak myśliwce, samoloty itp. Te dwie metody rozpraszania ciepła nie mogą być zastąpione w ostatnich latach. Chłodzenie mikrokanałowe jest ogólnym kierunkiem przyszłego rozwoju, niezależnie od tego, czy dotyczy to codziennego sprzętu elektronicznego, czy innych precyzyjnych instrumentów elektronicznych, ta metoda zostanie przyjęta.
