電子機器の相変化蓄熱熱管理

電子デバイスの集積度の継続的な向上に伴い、電子デバイスはますます小型化していますが、体積電力または面電力密度は徐々に増加し、その結果、デバイスの熱流束密度は急激に増加します。高熱流電子機器では熱放散に対するより高い要件が要求されるため、電子機器の熱管理は国内外で研究のホットスポットとなっています。場合によっては、電子デバイスの熱管理が非常に高い熱負荷に直面し、デバイスが短時間断続的な動作状態になる場合があることに注意する必要があります。

この特別な需要に応えるために、相変化蓄熱電子デバイスの熱管理技術が登場しました。相変化蓄熱技術は、固液相変化の過程で高密度エネルギーを吸収・放出する相変化材料（PCM）の特性を利用して、熱エネルギーを貯蔵・放出し、高熱負荷による熱衝撃を緩衝します。電子機器の安全かつ安定した動作を保証します。電子機器の熱管理における相変化蓄熱技術の応用には、主に PCM ヒートシンク、蓄熱ヒートパイプ、蓄熱流体回路が含まれます。

PCMヒートシンクは、相変化材料の相変化過程における一定の温度特性を利用してヒートシンクの温度レベルを下げるものです。 PCMの熱伝導率を高めるために、ヒートシンク内に金属フレームワークを構成し、金属の高い熱伝導率を利用してPCMの熱伝達率を高めます。図1に示すように、シングルキャビティヒートシンク、マルチキャビティパラレルフィンヒートシンク、マルチキャビティクロスフィンヒートシンク、およびハニカム構造ヒートシンクがあります。ヒートシンクのキャビティには PCM が充填されています。ハニカムヒートシンクは優れた熱伝達性能を示し、電子デバイスの熱管理に最適な方式であることを指摘しておく必要があります。

ヒートパイプは高い熱伝導率と熱伝達能力を持っています。極度の熱負荷の影響に対処するために、ヒートパイプの高い熱伝導率とPCMの高いエネルギー貯蔵容量を組み合わせた蓄熱ヒートパイプが提案されています。さらに、ヒートパイプは PCM の熱伝達率も高めることができます。図2に相変化蓄熱ヒートパイプヒートシンクモジュールを示します。複合ヒートシンクの動作原理は、熱源によって生成された熱がコールド プレートに伝達され、ヒート パイプがコールド プレートからの熱を吸収して、その熱を PCM 蓄熱領域に効率的に伝達することです。

二相回路に循環ポンプを追加し、蒸発器と凝縮熱蓄熱器をパイプラインで接続して蓄熱二相回路システムを形成し、電子機器の冷却効率を効果的に向上させることができます。図3に蓄熱二相回路システムの構成を示します。このシステムでは、低温流体が電子機器の熱源の熱を吸収し、循環ポンプの作用によりPCM領域から熱を放出し、再び低温流体となり、再び熱源から熱を吸収して循環動作します。このデバイスでは、PCM 側の伝熱面積を増やすことで、PCM の伝熱性能を効果的に高めることができることに注意してください。