電子機器の放熱のための新技術

電子機器の段階的な小型化と精度は、熱放散の問題を引き起こしました。 温度は電子機器の動作性能に大きな影響を与えます。 安定した連続動作の電子チップの場合、必要に応じて最高温度が85℃を超えることはできません。 半導体部品の温度が10℃上昇するたびに、システムの信頼性は50％低下します。 統計によると、電子機器の故障の55％以上は、過度の温度が原因です。 従来の電子チップでは、冷却に使用される量が98％を占め、計算操作に使用されるのはわずか2％ですが、現在の熱放散の問題を解決することは依然として困難です。 高温は電子機器の性能に悪影響を及ぼし、これらの従来の熱放散方法には一定の制限があります。 したがって、電子機器の耐用年数と効率的な性能を確保するために、電子機器のより良い放熱方法を探求し、開発することが急務である。

01冷却技術現在の開発は非常に成熟しており、原理は単純であるため、従来の放熱方法は私たちの日常生活でよく見られます。ここでは繰り返しません。

1.1液体冷却

液冷は、熱源を通過した液体を利用して、チップから発生する熱をノイズなく取り除き、高い熱交換能力を備えています。 以下は、従来の直接液体冷却拡張に基づく新しいテクノロジーである液体冷却のいくつかの方法です。

1.1.1マイクロチャネル冷却

マイクロチャネル冷却は、チップの下の基板上に複数のマイクロメートルレベルの流体チャネルをエッチングすることであり、流体がチャネルを通って流れるときにチップの熱が吸収されるようにします。 この方法には、単相熱交換と二相熱交換が含まれます。 その中で、単相熱交換の熱容量が小さく、熱交換効果が低く、冷却後の温度が不均一であり、過度のストレスが発生します。 逆に、二相熱交換は潜熱が大きく、熱交換能力が高く、冷却後の温度が均一で、大きな応力が発生せず、作動油の温度があまり上昇しません。 マイクロチャネル冷却における二相熱伝達は、現在の研究のホットスポットです。 作動油として低圧冷媒を使用する二相熱伝達では、熱放散容量は300 W / cm2以上に達する可能性があります。 実験を通して、Yu Zukang etal。 マイクロチャネルの熱伝達性能を効果的に改善するために得られた表面親水性。 熱流束が低く、入口の乾燥度が低い場合、超親水性表面の平均熱伝達係数が最大になり、通常の滑らかな表面よりも64％高くなります。 親水性表面の平均熱伝達係数は、通常の滑らかな表面よりも最大27％高くなっています。 高熱流束と高入口乾燥の条件下で、超親水性表面の平均熱伝達係数値は、通常の滑らかな表面のそれよりも最大で約80％高くなります。 親水性の表面は、通常の滑らかな表面よりも最大約50％高くなっています。 図1にマイクロチャネル冷却の構造を示します。

臨界熱流束（CHF）は、マイクロチャネルの性能に影響を与える重要なパラメータの1つです。 Yuan Xudongらは、CHFの研究の進捗状況を詳細に紹介し、その影響メカニズムと改善方法、および学界に存在するCHFを詳細に紹介しました。 意見の違い。 マイクロチャネルのサイズが小さいため、途中の抵抗は非常に大きくなります。 その構造も冷却に大きな影響を及ぼし、真っ直ぐで平行なマイクロチャネルを使用すると、大きな圧力降下と温度勾配が発生します。 それには多くの利点があります。 チャネルはエッチングされ、より多くのスペースを占有しないため、マイクロチャネル冷却はより効率的かつコンパクトになり、小さな電子チップにより適しています。 二層マイクロラジエーターは、次世代の電子機器の増大する熱負荷に対応できると一般に考えられています。 Xiaogang Liu etal。 マイクロチャネルの二重層マトリックス構造（DL-M）と二重層相互接続マトリックス構造（DL-IM）構造を提案しました。 そして、ラジエーターのさまざまな性能を研究するための数値シミュレーションを通じて、それらがより優れた熱性能を持っていることが証明されています。

マイクロチャネル冷却にはいくつかの欠点がありますが、発生した問題を解決することができ、開発はより成熟しています。 CHFの研究はさまざまな見方をしていますが、これはマイクロチャネル技術の開発を妨げるものではなく、将来の開発の方向性に焦点を当てます。 より効率的なマイクロチャネル冷却を実現するためにCHFを改善する方法、この種の熱放散方法もより一般的になります。

1.1.2スプレー冷却スプレー冷却は、ノズルを通して液体を噴霧して、電子デバイスへの気液二相スプレーを形成することです。 その一部は熱を吸収して気化し、熱の一部は相変化によって奪われます。 他の部分は熱源の表面に液膜を形成し、熱は液体に追従します。 膜の流れが取り除かれます。 液膜中の非凝縮性ガスは、熱交換への妨害を強化し、電子機器の熱放散能力を大幅に向上させることができます。 スプレー冷却の相変化熱流束密度は、1000 W / cm2以上に達する可能性があります。 リンら。 相変化熱の作動油としてフルオロカーボン、メタノール、および水を使用しました。 実験で得られた最大熱流束密度は、それぞれ90、90、90でした。 490、500 W / cm2以上。 図2にスプレー冷却の概略図を示します。

この冷却方法には、解決すべき特定の欠点があります。 スプレー冷却方式は、システムが複雑で、スペースが必要であり、メンテナンスが困難です。 液体の流量が少なく、冷却後のチップ温度分布が均一で、応力が低いため、スプレー冷却は、開発の可能性が高い電子チップの放熱方法と見なされています。 現在、既存の問題は解決されていないため、軍事および航空製品でのみ使用できます。 Wang Gaoyuan etal。 低圧条件下でR134aのスプレー冷却実験を行ったところ、低圧条件下でのスプレー冷却は圧力の低下とともに熱伝達能力を徐々に低下させ、フラッシュ蒸発は熱伝達能力に大きな影響を与えることがわかりました。ノズル。 ナノ粒子、界面活性剤、可溶性の塩とガス、およびアルコール添加剤をスプレー冷却液に追加すると、熱伝達特性を大幅に向上させることができます。 Li Yiyiは、界面活性剤の添加がスプレー冷却の熱伝達性能を効果的に改善できること、特にSDSの添加が最良の効果をもたらすことを実験を通じて検証しました。 しかし、添加剤を添加する現在の方法はまだ初期段階であり、既存の問題はより複雑です。

スプレー冷却はスペースに制限があり、小型の電子機器には使用できませんが、スーパーコンピューターで使用すると非常に効果があります。 現在、スプレー冷却技術はCREYスーパーコンピューターに適用されており、データセンターでも大規模に使用されています。 この冷却方法の開発により、アプリケーションはより成熟すると考えられています。

上記の3つの液体熱放散方法には、それぞれ長所と短所があります。 スプレー冷却とジェット冷却は似ています。 それらの構造は非常に複雑であり、日常の電子機器には適していません。 ただし、強力な放熱能力があります。 スプレー冷却はスーパーコンピューターに適しています。ビッグデータの熱放散。 ジェット冷却は、戦闘機、航空機などの軍産複合体に適しています。これら2つの熱放散方法は、近年、置き換えることができません。 マイクロチャネル冷却は、日常の電子機器であろうと他の精密電子機器であろうと、将来の開発の一般的な方向性であり、この方法が採用されます。