Νέα τεχνολογία για την απαγωγή θερμότητας ηλεκτρονικού εξοπλισμού
Η σταδιακή σμίκρυνση και ακρίβεια του ηλεκτρονικού εξοπλισμού έχει επιφέρει το πρόβλημα της απαγωγής θερμότητας. Η θερμοκρασία έχει μεγάλη επίδραση στην απόδοση λειτουργίας του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Για ένα σταθερό και συνεχές ηλεκτρονικό τσιπ που λειτουργεί, η μέγιστη θερμοκρασία δεν μπορεί να υπερβαίνει τους 85 ℃ όπως απαιτείται. Κάθε φορά που η θερμοκρασία ενός εξαρτήματος ημιαγωγού αυξάνεται κατά 10 ℃, η αξιοπιστία του συστήματος θα μειώνεται κατά 50%. Σύμφωνα με στατιστικά στοιχεία, πάνω από το 55% των βλαβών του ηλεκτρονικού εξοπλισμού προκαλούνται από υπερβολική θερμοκρασία. Στο παραδοσιακό ηλεκτρονικό τσιπ, ο όγκος που χρησιμοποιείται για την ψύξη αντιστοιχεί στο 98%, και μόνο το 2% χρησιμοποιείται για υπολογιστική λειτουργία, αλλά εξακολουθεί να είναι δύσκολο να λυθεί το τρέχον πρόβλημα απαγωγής θερμότητας. Η υψηλή θερμοκρασία θα έχει επιβλαβή επίδραση στην απόδοση του ηλεκτρονικού εξοπλισμού και αυτές οι παραδοσιακές μέθοδοι απαγωγής θερμότητας έχουν ορισμένους περιορισμούς. Επομένως, προκειμένου να διασφαλιστεί η διάρκεια ζωής και η αποτελεσματική απόδοση του ηλεκτρονικού εξοπλισμού, είναι επείγον να διερευνηθούν και να αναπτυχθούν καλύτερες μέθοδοι απαγωγής θερμότητας για ηλεκτρονικό εξοπλισμό.
01 Τεχνολογία ψύξης Η παραδοσιακή μέθοδος απαγωγής θερμότητας παρατηρείται συχνά στην καθημερινή μας ζωή, επειδή η τρέχουσα εξέλιξη είναι πολύ ώριμη και η αρχή είναι απλή, επομένως δεν θα το επαναλάβω εδώ.
1.1 Υγρόψυξη
Η υγρή ψύξη χρησιμοποιεί το υγρό που διέρχεται από την πηγή θερμότητας για να αφαιρέσει τη θερμότητα που παράγεται από το τσιπ, χωρίς θόρυβο, και έχει υψηλή ικανότητα ανταλλαγής θερμότητας. Ακολουθούν διάφορες μέθοδοι υγρής ψύξης που είναι νέες τεχνολογίες που βασίζονται στην παραδοσιακή επέκταση απευθείας υγρής ψύξης.
1.1.1 Ψύξη μικροκαναλιού
Η ψύξη μικροκαναλιού είναι η χάραξη πολλαπλών καναλιών υγρού σε επίπεδο μικρομέτρων στο υπόστρωμα κάτω από το τσιπ, έτσι ώστε η θερμότητα του τσιπ να απορροφάται όταν το ρευστό ρέει μέσα από το κανάλι. Αυτή η μέθοδος περιλαμβάνει μονοφασική ανταλλαγή θερμότητας και διφασική ανταλλαγή θερμότητας. Μεταξύ αυτών, η θερμοχωρητικότητα της μονοφασικής ανταλλαγής θερμότητας είναι μικρή, η επίδραση ανταλλαγής θερμότητας είναι κακή και η θερμοκρασία μετά την ψύξη είναι ανομοιόμορφη, με αποτέλεσμα υπερβολική καταπόνηση. Αντίθετα, η διφασική ανταλλαγή θερμότητας έχει μεγάλη λανθάνουσα θερμότητα, η ικανότητα ανταλλαγής θερμότητας είναι υψηλή, η θερμοκρασία μετά την ψύξη είναι ομοιόμορφη, δεν δημιουργείται μεγάλη τάση και η θερμοκρασία του ρευστού εργασίας δεν αυξάνεται πολύ ψηλά. Η διφασική μεταφορά θερμότητας στην ψύξη μικροκαναλιών είναι ένα τρέχον ερευνητικό hotspot. Σε διφασική μεταφορά θερμότητας χρησιμοποιώντας ψυκτικό χαμηλής πίεσης ως ρευστό εργασίας, η ικανότητα απαγωγής θερμότητας μπορεί να φτάσει περισσότερα από 300 W/cm2. Μέσω πειραμάτων, οι Yu Zukang et al. απέκτησε επιφανειακές υδρόφιλες ιδιότητες για να βελτιώσει αποτελεσματικά την απόδοση μεταφοράς θερμότητας των μικροκαναλιών. Σε χαμηλή ροή θερμότητας και χαμηλή ξηρότητα εισόδου, ο μέσος συντελεστής μεταφοράς θερμότητας των υπερυδρόφιλων επιφανειών είναι ο μεγαλύτερος, ο οποίος είναι 64% υψηλότερος από αυτόν των συνηθισμένων λείων επιφανειών. Ο μέσος συντελεστής μεταφοράς θερμότητας της υδρόφιλης επιφάνειας είναι έως και 27% υψηλότερος από αυτόν της συνηθισμένης λείας επιφάνειας. υπό συνθήκες υψηλής ροής θερμότητας και υψηλής ξηρότητας εισόδου, η μέση τιμή του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας της υπερυδρόφιλης επιφάνειας είναι έως και 80% περίπου υψηλότερη από αυτή της συνηθισμένης λείας επιφάνειας. Η υδρόφιλη επιφάνεια είναι έως και 50% υψηλότερη από την κανονική λεία επιφάνεια. Το σχήμα 1 δείχνει τη δομή της ψύξης μικροκαναλιού.
Η κρίσιμη ροή θερμότητας (CHF) είναι μία από τις σημαντικές παραμέτρους που επηρεάζουν την απόδοση των μικροκαναλιών. Ο Yuan Xudong και άλλοι παρουσίασαν λεπτομερώς την ερευνητική πρόοδο του CHF και παρουσίασαν λεπτομερώς τον μηχανισμό επιρροής και τις μεθόδους βελτίωσής του, καθώς και το CHF που υπάρχει στον ακαδημαϊκό κόσμο. Διαφορές στις απόψεις. Λόγω του μικρού μεγέθους του μικροκαναλιού, η αντίσταση στην πορεία είναι πολύ μεγάλη. Η δομή του έχει επίσης μεγάλη επίδραση στην ψύξη και η χρήση ευθύγραμμων και παράλληλων μικροκαναλιών θα προκαλέσει μεγάλη πτώση πίεσης και διαβάθμιση θερμοκρασίας. Έχει πολλά πλεονεκτήματα. Επειδή τα κανάλια είναι χαραγμένα και δεν καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο, η ψύξη μικροκαναλιού γίνεται πιο αποτελεσματική και συμπαγής και είναι πιο κατάλληλη για μικρά ηλεκτρονικά τσιπ. Γενικά πιστεύεται ότι το μικροκαλοριφέρ διπλής στρώσης μπορεί να ανταποκριθεί στο αυξανόμενο θερμικό φορτίο της επόμενης γενιάς ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Xiaogang Liu et al. πρότεινε τη δομή μήτρας διπλής στρώσης (DL-M) και τη δομή μήτρας διπλής στρώσης διασύνδεσης (DL-IM) των μικροκαναλιών. Και μέσω αριθμητικής προσομοίωσης για τη μελέτη των διαφόρων επιδόσεων των καλοριφέρ, αποδεικνύεται ότι έχουν καλύτερη θερμική απόδοση.
Αν και υπάρχουν ορισμένες ελλείψεις στην ψύξη μικροκαναλιού, μπορεί να λύσει τα προβλήματα που έχουν προκύψει και η ανάπτυξη είναι πιο ώριμη. Αν και η έρευνα για το CHF έχει διαφορετικές απόψεις, αυτό δεν θα εμποδίσει την ανάπτυξη της τεχνολογίας μικροκαναλιών και η μελλοντική κατεύθυνση ανάπτυξης θα είναι πιο εστιασμένη. Πώς να βελτιώσετε το CHF για να επιτύχετε πιο αποτελεσματική ψύξη μικροκαναλιού, αυτό το είδος μεθόδου απαγωγής θερμότητας θα γίνει επίσης πιο δημοφιλές.
1.1.2 Ψύξη με ψεκασμό Η ψύξη με ψεκασμό είναι η ψεκασμός του υγρού μέσω ενός ακροφυσίου για να σχηματιστεί ένας διφασικός ψεκασμός αερίου-υγρού στην ηλεκτρονική συσκευή. Ένα μέρος του απορροφά θερμότητα και εξατμίζεται, και μέρος της θερμότητας αφαιρείται από την αλλαγή φάσης. το άλλο μέρος σχηματίζει ένα υγρό φιλμ στην επιφάνεια της πηγής θερμότητας και η θερμότητα ακολουθεί το υγρό. Η ροή της μεμβράνης αφαιρείται. Το μη συμπυκνώσιμο αέριο στο υγρό φιλμ ενισχύει τη διαταραχή στην ανταλλαγή θερμότητας, η οποία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ικανότητα απαγωγής θερμότητας του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Η πυκνότητα ροής θερμότητας αλλαγής φάσης της ψύξης με ψεκασμό μπορεί να φτάσει περισσότερα από 1000 W/cm2. Οι Lin et al. χρησιμοποιούσε φθοράνθρακα, μεθανόλη και νερό ως λειτουργικά ρευστά για τη θερμότητα αλλαγής φάσης. Η μέγιστη πυκνότητα ροής θερμότητας που λήφθηκε μέσω πειραμάτων ήταν 90, 90 και 90, αντίστοιχα. 490, 500 W/cm2 ή περισσότερο. Το σχήμα 2 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα ψύξης με ψεκασμό.
Αυτή η μέθοδος ψύξης έχει ορισμένες αδυναμίες που πρέπει να επιλυθούν. Η μέθοδος ψύξης με ψεκασμό έχει πολύπλοκο σύστημα, υψηλές απαιτήσεις χώρου και είναι δύσκολο να διατηρηθεί. Λόγω του μικρού ρυθμού ροής υγρού, της ομοιόμορφης κατανομής της θερμοκρασίας του τσιπ μετά την ψύξη και της χαμηλής καταπόνησης, η ψύξη με ψεκασμό θεωρείται μέθοδος απαγωγής θερμότητας για ηλεκτρονικά τσιπ με καλή δυνατότητα ανάπτυξης. Προς το παρόν, επειδή τα υπάρχοντα προβλήματα δεν έχουν λυθεί, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο σε στρατιωτικά και αεροπορικά προϊόντα. Οι Wang Gaoyuan et al. διεξήγαγε πειράματα ψύξης με ψεκασμό στο R134a υπό συνθήκες χαμηλής πίεσης και διαπίστωσε ότι η ψύξη με ψεκασμό σε συνθήκες χαμηλής πίεσης μειώνει σταδιακά την ικανότητα μεταφοράς θερμότητας με τη μείωση της πίεσης και η εξάτμιση με φλας έχει μεγάλη επίδραση στην ικανότητα μεταφοράς θερμότητας, η οποία πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη διευθέτηση ακροφύσια. Η προσθήκη νανοσωματιδίων, επιφανειοδραστικών, διαλυτών αλάτων και αερίων και πρόσθετων αλκοόλης στο ψυκτικό υγρό ψεκασμού μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τα χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας. Ο Li Yiyi επαλήθευσε μέσω πειραμάτων ότι η προσθήκη επιφανειοδραστικών μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την απόδοση μεταφοράς θερμότητας της ψύξης με ψεκασμό, ειδικά η προσθήκη SDS έχει το καλύτερο αποτέλεσμα. Ωστόσο, η τρέχουσα μέθοδος προσθήκης πρόσθετων είναι ακόμη σε αρχικό στάδιο και τα υπάρχοντα προβλήματα είναι πιο περίπλοκα.
Η ψύξη με ψεκασμό περιορίζεται από το χώρο και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μικρές ηλεκτρονικές συσκευές, αλλά το αποτέλεσμα είναι πολύ καλό όταν χρησιμοποιείται σε υπερυπολογιστές. Προς το παρόν, η τεχνολογία ψύξης με ψεκασμό εφαρμόζεται στους υπερυπολογιστές CREY και χρησιμοποιείται επίσης σε μεγάλη κλίμακα σε κέντρα δεδομένων. Με την ανάπτυξη αυτής της μεθόδου ψύξης, πιστεύεται ότι η εφαρμογή θα είναι πιο ώριμη.
Οι παραπάνω τρεις μέθοδοι απαγωγής υγρής θερμότητας έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Η ψύξη με ψεκασμό και η ψύξη με πίδακα είναι παρόμοια. Οι δομές τους είναι πολύ περίπλοκες και ακατάλληλες για καθημερινό ηλεκτρονικό εξοπλισμό. Ωστόσο, έχουν ισχυρές δυνατότητες απαγωγής θερμότητας. Η ψύξη με ψεκασμό είναι κατάλληλη για υπερυπολογιστές, σε μεγάλη διάχυση θερμότητας δεδομένων. Η ψύξη με τζετ είναι κατάλληλη για στρατιωτικά-βιομηχανικά είδη, όπως μαχητικά αεροσκάφη, αεροσκάφη κ.λπ. Αυτές οι δύο μέθοδοι απαγωγής θερμότητας δεν μπορούν να αντικατασταθούν τα τελευταία χρόνια. Η ψύξη μικροκαναλιού είναι η γενική κατεύθυνση της μελλοντικής ανάπτυξης, είτε πρόκειται για καθημερινό ηλεκτρονικό εξοπλισμό είτε άλλα ηλεκτρονικά όργανα ακριβείας, αυτή η μέθοδος θα υιοθετηθεί.
