Jauna tehnoloģija elektronisko iekārtu siltuma izkliedēšanai

Elektronisko iekārtu pakāpeniska miniaturizācija un precizitāte ir radījusi siltuma izkliedes problēmu. Temperatūrai ir liela ietekme uz elektronisko iekārtu darba veiktspēju. Stabilai un nepārtrauktai elektroniskai mikroshēmai maksimālā temperatūra nedrīkst pārsniegt 85 ℃, kā nepieciešams. Katru reizi, kad pusvadītāju komponenta temperatūra paaugstinās par 10 ℃, sistēmas uzticamība samazināsies par 50%. Saskaņā ar statistiku, vairāk nekā 55% elektronisko iekārtu atteices izraisa pārmērīga temperatūra. Tradicionālajā elektroniskajā mikroshēmā dzesēšanai izmantotais apjoms veido 98%, un tikai 2% tiek izmantoti skaitļošanas darbībai, taču joprojām ir grūti atrisināt pašreizējo siltuma izkliedes problēmu. Augsta temperatūra negatīvi ietekmēs elektronisko iekārtu darbību, un šīm tradicionālajām siltuma izkliedes metodēm ir noteikti ierobežojumi. Tāpēc, lai nodrošinātu elektronisko iekārtu kalpošanas laiku un efektīvu darbību, ir steidzami jāizpēta un jāizstrādā labākas elektronisko iekārtu siltuma izkliedes metodes.

01 Dzesēšanas tehnoloģija Tradicionālā siltuma izkliedes metode mūsu ikdienā ir redzama bieži, jo pašreizējā attīstība ir ļoti nobriedusi un princips ir vienkāršs, tāpēc šeit to neatkārtošu.

1.1 Šķidruma dzesēšana

Šķidruma dzesēšana izmanto šķidrumu, kas iet caur siltuma avotu, lai bez trokšņa atņemtu mikroshēmas radīto siltumu, un tai ir augsta siltuma apmaiņas jauda. Tālāk ir norādītas vairākas šķidruma dzesēšanas metodes, kas ir jaunas tehnoloģijas, kuru pamatā ir tradicionālais tiešās šķidruma dzesēšanas paplašinājums.

1.1.1. Mikrokanālu dzesēšana

Mikrokanālu dzesēšana ir vairāku mikrometru līmeņa šķidruma kanālu iegravēšana uz substrāta zem mikroshēmas, lai mikroshēmas siltums tiktu absorbēts, šķidrumam plūstot caur kanālu. Šī metode ietver vienfāzes siltuma apmaiņu un divfāžu siltuma apmaiņu. Starp tiem vienfāzes siltuma apmaiņas siltumietilpība ir maza, siltuma apmaiņas efekts ir slikts, un temperatūra pēc dzesēšanas ir nevienmērīga, kā rezultātā rodas pārmērīgs stress. Gluži pretēji, divfāzu siltuma apmaiņai ir liels latentais siltums, siltuma apmaiņas jauda ir augsta, temperatūra pēc dzesēšanas ir vienmērīga, netiek radīts liels stress, un darba šķidruma temperatūra nepaaugstinās ļoti augstu. Divfāzu siltuma pārnese mikrokanālu dzesēšanā ir aktuāls pētniecības punkts. Divfāzu siltuma pārnesē, kā darba šķidrumu izmantojot zemspiediena aukstumnesēju, siltuma izkliedes jauda var sasniegt vairāk nekā 300 W/cm2. Izmantojot eksperimentus, Yu Zukang et al. iegūtas virsmas hidrofilās īpašības, lai efektīvi uzlabotu mikrokanālu siltuma pārneses veiktspēju. Zemā siltuma plūsmā un zemā ieplūdes sausumā superhidrofilo virsmu vidējais siltuma pārneses koeficients ir vislielākais, kas ir par 64% augstāks nekā parastajām gludajām virsmām. Hidrofilās virsmas vidējais siltuma pārneses koeficients ir līdz 27% augstāks nekā parastajai gludajai virsmai; lielas siltuma plūsmas un lielas ieplūdes sausuma apstākļos superhidrofilās virsmas vidējā siltuma pārneses koeficienta vērtība ir par aptuveni 80% augstāka nekā parastajai gludajai virsmai. Hidrofilā virsma ir par aptuveni 50% augstāka nekā parastā gludā virsma. 1. attēlā parādīta mikrokanālu dzesēšanas struktūra.

Kritiskā siltuma plūsma (CHF) ir viens no svarīgākajiem parametriem, kas ietekmē mikrokanālu veiktspēju. Yuan Xudong un citi detalizēti iepazīstināja ar CHF pētniecības progresu un detalizēti iepazīstināja ar tā ietekmēšanas mehānismu un uzlabošanas metodēm, kā arī ar akadēmiskajās aprindās esošo CHF. Viedokļu atšķirības. Mikrokanāla mazā izmēra dēļ pretestība ceļā ir ļoti liela; tā struktūrai ir arī liela ietekme uz dzesēšanu, un taisnu un paralēlu mikrokanālu izmantošana izraisīs lielu spiediena kritumu un temperatūras gradientu. Tam ir daudz priekšrocību. Tā kā kanāli ir iegravēti un neaizņem vairāk vietas, mikrokanālu dzesēšana kļūst efektīvāka un kompaktāka, un tā ir piemērotāka mazām elektroniskām mikroshēmām. Parasti tiek uzskatīts, ka divslāņu mikro radiators spēj izturēt pieaugošo nākamās paaudzes elektronisko iekārtu siltuma slodzi. Xiaogang Liu et al. ierosināja mikrokanālu divslāņu matricas struktūru (DL-M) un divslāņu starpsavienojumu matricas struktūru (DL-IM). Un, izmantojot skaitlisko simulāciju, lai izpētītu dažādu radiatoru veiktspēju, ir pierādīts, ka tiem ir labāki siltuma rādītāji.

Lai gan mikrokanālu dzesēšanā ir daži trūkumi, tas var atrisināt radušās problēmas, un attīstība ir nobriedušāka. Lai gan pētījumos par CHF ir dažādi viedokļi, tas netraucēs mikrokanālu tehnoloģiju attīstībai, un turpmākais attīstības virziens būs vairāk fokusēts. Kā uzlabot CHF, lai panāktu efektīvāku mikrokanālu dzesēšanu, šāda veida siltuma izkliedes metode arī kļūs populārāka.

1.1.2. Dzesēšana ar izsmidzināšanu Dzesēšana ar izsmidzināšanu ir paredzēta šķidruma izsmidzināšanai caur sprauslu, veidojot gāzes-šķidruma divfāzu aerosolu uz elektronisko ierīci. Viena daļa no tā absorbē siltumu un iztvaiko, un daļu siltuma atņem fāzes maiņa; otra daļa veido šķidruma plēvi uz siltuma avota virsmas, un siltums seko šķidrumam. Membrānas plūsma tiek noņemta. Nekondensējamā gāze šķidrajā plēvē pastiprina siltuma apmaiņas traucējumus, kas var ievērojami uzlabot elektronisko iekārtu siltuma izkliedes spēju. Fāzes maiņas siltuma plūsmas blīvums smidzināšanas dzesēšanā var sasniegt vairāk nekā 1000 W/cm2. Lin et al. izmantoja fluorogļūdeņradi, metanolu un ūdeni kā darba šķidrumus fāzes maiņas siltumam. Maksimālais siltuma plūsmas blīvums, kas iegūts eksperimentos, bija attiecīgi 90, 90 un 90. 490, 500 W/cm2 vai vairāk. 2. attēlā ir shematiska izsmidzināšanas dzesēšanas diagramma.

Šai dzesēšanas metodei ir daži trūkumi, kas jāatrisina. Izsmidzināšanas dzesēšanas metodei ir sarežģīta sistēma, lielas telpas prasības, un to ir grūti uzturēt. Mazā šķidruma plūsmas ātruma, vienmērīgā mikroshēmas temperatūras sadalījuma pēc dzesēšanas un zemā sprieguma dēļ izsmidzināšanas dzesēšana tiek uzskatīta par siltuma izkliedes metodi elektroniskām mikroshēmām ar labu attīstības potenciālu. Šobrīd, tā kā esošās problēmas nav atrisinātas, to var izmantot tikai militārajos un aviācijas produktos. Vanga Gaojuana u.c. veica R134a dzesēšanas izsmidzināšanas eksperimentus zema spiediena apstākļos un atklāja, ka dzesēšana zemā spiediena apstākļos pakāpeniski samazina siltuma pārneses spēju, samazinoties spiedienam, un iztvaikošana lielā mērā ietekmē siltuma pārneses spēju, kas jāņem vērā, organizējot sprauslas. Nanodaļiņu, virsmaktīvās vielas, šķīstošo sāļu un gāzu un spirta piedevu pievienošana izsmidzināmajam dzesēšanas šķidrumam var ievērojami uzlabot siltuma pārneses īpašības. Li Yiyi eksperimentos pārbaudīja, ka virsmaktīvo vielu pievienošana var efektīvi uzlabot izsmidzināšanas dzesēšanas siltuma pārneses veiktspēju, jo īpaši SDS pievienošana dod vislabāko efektu. Tomēr pašreizējā piedevu pievienošanas metode joprojām ir sākuma stadijā, un esošās problēmas ir sarežģītākas.

Izsmidzināšanas dzesēšanu ierobežo telpa, un to nevar izmantot mazās elektroniskās ierīcēs, taču efekts ir ļoti labs, ja to izmanto superdatoros. Pašlaik CREY superdatoros tiek izmantota izsmidzināšanas dzesēšanas tehnoloģija, kā arī plašā mērogā datu centros. Attīstoties šai dzesēšanas metodei, tiek uzskatīts, ka pielietojums būs nobriedis.

Iepriekš minētajām trim šķidrā siltuma izkliedes metodēm ir savas priekšrocības un trūkumi. Izsmidzināšanas dzesēšana un strūklas dzesēšana ir līdzīgas. To struktūras ir ļoti sarežģītas un nav piemērotas ikdienas elektroniskajam aprīkojumam. Tomēr tiem ir spēcīga siltuma izkliedes spēja. Izsmidzināšanas dzesēšana ir piemērota superdatoriem, liela datu siltuma izkliedē; reaktīvā dzesēšana ir piemērota militāri rūpnieciskiem priekšmetiem, piemēram, iznīcinātājiem, lidmašīnām utt. Šīs divas siltuma izkliedes metodes pēdējos gados nevar aizstāt. Mikrokanālu dzesēšana ir vispārējais turpmākās attīstības virziens neatkarīgi no tā, vai tas ir ikdienas elektroniskajās iekārtās vai citos precīzijas elektroniskajos instrumentos, šī metode tiks pieņemta.