טכנולוגיה חדשה לפיזור חום של ציוד אלקטרוני

המזעור ההדרגתי והדיוק של ציוד אלקטרוני הביאו לבעיית פיזור החום. לטמפרטורה יש השפעה רבה על ביצועי העבודה של ציוד אלקטרוני. עבור שבב אלקטרוני יציב ומתמשך, הטמפרטורה המקסימלית לא יכולה לעלות על 85 ℃ כנדרש. בכל פעם שהטמפרטורה של רכיב מוליכים למחצה עולה ב-10 ℃, אמינות המערכת תופחת ב-50%. על פי הסטטיסטיקה, יותר מ-55% מהכשלים בציוד אלקטרוני נגרמות על ידי טמפרטורה מופרזת. בשבב האלקטרוני המסורתי, הנפח המשמש לקירור מהווה 98%, ורק 2% משמשים לתפעול מחשוב, אך עדיין קשה לפתור את בעיית פיזור החום הנוכחית. לטמפרטורה גבוהה תהיה השפעה מזיקה על הביצועים של ציוד אלקטרוני, ולאותן שיטות פיזור חום מסורתיות יש מגבלות מסוימות. לכן, על מנת להבטיח את חיי השירות והביצועים היעילים של ציוד אלקטרוני, דחוף לחקור ולפתח שיטות פיזור חום טובות יותר לציוד אלקטרוני.

01 טכנולוגיית קירור שיטת פיזור החום המסורתית נראית לא פעם בחיי היומיום שלנו, מכיוון שהפיתוח הנוכחי מאוד בוגר והעיקרון פשוט ולכן לא אחזור על זה כאן.

1.1 קירור נוזלי

קירור נוזלי משתמש בנוזל העובר דרך מקור החום כדי לקחת את החום שנוצר מהשבב, ללא רעש, ובעל יכולת חילופי חום גבוהה. להלן מספר שיטות לקירור נוזלי שהן טכנולוגיות חדשות המבוססות על הרחבה המסורתית של קירור נוזלים ישיר.

1.1.1 קירור מיקרו-ערוצי

קירור מיקרו-ערוץ הוא לחרוט תעלות נוזל מרובות ברמת מיקרומטר על המצע שמתחת לשבב, כך שהחום של השבב נספג כאשר הנוזל זורם דרך התעלה. שיטה זו כוללת חילופי חום חד פאזיים וחילופי חום דו פאזיים. ביניהם, קיבולת החום של חילופי חום חד-פאזיים קטנה, אפקט חילופי החום גרוע, והטמפרטורה לאחר הקירור אינה אחידה, וכתוצאה מכך מתח מוגזם. להיפך, לחילופי החום הדו-פאזיים יש חום סמוי גדול, קיבולת חילופי החום גבוהה, הטמפרטורה לאחר הקירור אחידה, לא נוצר לחץ גדול וטמפרטורת נוזל העבודה אינה עולה מאוד. העברת חום דו-פאזי בקירור מיקרו-ערוצי הוא נקודה חמה מחקרית עדכנית. בהעברת חום דו-פאזי באמצעות קירור בלחץ נמוך כנוזל עבודה, יכולת פיזור החום יכולה להגיע ליותר מ-300 W/cm2. באמצעות ניסויים, Yu Zukang et al. השיג תכונות הידרופיליות על פני השטח כדי לשפר ביעילות את ביצועי העברת החום של מיקרו-ערוצים. תחת שטף חום נמוך ויובש נמוך בכניסה, מקדם העברת החום הממוצע של משטחים סופר הידרופיליים הוא הגדול ביותר, שהוא גבוה ב-64% מזה של משטחים חלקים רגילים. מקדם העברת החום הממוצע של המשטח ההידרופילי גבוה עד 27% מזה של המשטח החלק הרגיל; בתנאים של שטף חום גבוה ויובש גבוה בכניסה, ערך מקדם העברת החום הממוצע של המשטח הסופר-הידרופילי גבוה עד כ-80% מזה של המשטח החלק הרגיל. המשטח ההידרופילי גבוה עד כ-50% מהמשטח החלק הרגיל. איור 1 מציג את המבנה של קירור מיקרו-ערוצי.

שטף חום קריטי (CHF) הוא אחד הפרמטרים החשובים המשפיעים על הביצועים של מיקרו-ערוצים. Yuan Xudong ואחרים הציגו את התקדמות המחקר של CHF בפירוט, והציגו את מנגנון ההשפעה ושיטות השיפור שלו בפירוט, כמו גם את ה-CHF הקיים באקדמיה. הבדלים בדעות. בשל גודלו הקטן של המיקרו-ערוץ, ההתנגדות לאורך הדרך גדולה מאוד; גם למבנה שלו יש השפעה רבה על הקירור, והשימוש במיקרו-ערוצים ישרים ומקבילים יגרום לירידת לחץ גדולה ושיפוע טמפרטורה. יש לזה יתרונות רבים. מכיוון שהערוצים חרוטים ואינם תופסים יותר מקום, הקירור המיקרו-ערוצי הופך יעיל וקומפקטי יותר, והוא מתאים יותר לשבבים אלקטרוניים קטנים. בדרך כלל מאמינים שהרדיאטור המיקרו-שכבתי יכול לעמוד בעומס החום הגובר של הדור הבא של ציוד אלקטרוני. Xiaogang Liu et al. הציע את מבנה המטריצה ​​הדו-שכבתית (DL-M) ואת מבנה המטריצת המטריצה ​​הדו-שכבתית (DL-IM) של מיקרו-ערוצים. ובאמצעות סימולציה מספרית ללימוד הביצועים השונים של הרדיאטור, מוכח שיש להם ביצועים תרמיים טובים יותר.

אמנם יש חסרונות מסוימים בקירור מיקרו-ערוצי, אבל זה יכול לפתור את הבעיות שנוצרו, והפיתוח בוגר יותר. למרות שלמחקר על CHF יש דעות שונות, זה לא יעכב את הפיתוח של טכנולוגיית microchannel, וכיוון הפיתוח העתידי יהיה ממוקד יותר. כיצד לשפר CHF כדי להשיג קירור מיקרו-ערוץ יעיל יותר, סוג זה של שיטת פיזור חום גם יהפוך לפופולרי יותר.

1.1.2 קירור תרסיס קירור תרסיס הוא פיצול הנוזל דרך זרבובית ליצירת תרסיס דו-פאזי גז-נוזל למכשיר האלקטרוני. חלק אחד שלו סופג חום ומתאדה, וחלק מהחום נלקח על ידי שינוי פאזה; החלק השני יוצר סרט נוזלי על פני מקור החום, והחום עוקב אחרי הנוזל. זרימת הממברנה נלקחת משם. הגז הלא ניתן לעיבוי בסרט הנוזל מגביר את ההפרעה לחילופי החום, מה שיכול לשפר מאוד את יכולת פיזור החום של ציוד אלקטרוני. צפיפות שטף החום של שינוי השלב של קירור התרסיס יכולה להגיע ליותר מ-1000 W/cm2. לין וחב'. השתמשו בפלואורופחמן, מתנול ומים כנוזלי עבודה לחום שינוי פאזה. צפיפות שטף החום המקסימלית שהושגה בניסויים הייתה 90, 90 ו-90, בהתאמה. 490, 500 W/cm2 או יותר. איור 2 הוא תרשים סכמטי של קירור בהתזה.

לשיטת קירור זו יש חסרונות מסוימים שיש לפתור. לשיטת הקירור בהתזה מערכת מורכבת, דרישות מקום גבוהות וקשה לתחזוקה. בגלל קצב זרימת הנוזל הקטן שלו, חלוקת טמפרטורת השבב האחידה לאחר הקירור והמתח הנמוך, קירור תרסיס נחשב לשיטת פיזור חום עבור שבבים אלקטרוניים עם פוטנציאל פיתוח טוב. נכון לעכשיו, מכיוון שהבעיות הקיימות לא נפתרו, ניתן להשתמש בו רק במוצרי צבא ותעופה. Wang Gaoyuan et al. ערכו ניסויי קירור תרסיס על R134a בתנאי לחץ נמוך, וגילו שקירור תרסיס בתנאי לחץ נמוך מפחית בהדרגה את יכולת העברת החום עם ירידת הלחץ, ולאידוי הבזק יש השפעה רבה על כושר העברת החום, שיש לקחת בחשבון בעת ​​הסדר חרירים. הוספת ננו-חלקיקים, חומרים פעילי שטח, מלחים וגזים מסיסים ותוספי אלכוהול לנוזל הקירור בתרסיס יכולה לשפר מאוד את מאפייני העברת החום. Li Yiyi אימתה באמצעות ניסויים שהוספת חומרים פעילי שטח יכולה לשפר ביעילות את ביצועי העברת החום של קירור תרסיס, במיוחד להוספת SDS יש את ההשפעה הטובה ביותר. עם זאת, השיטה הנוכחית של הוספת תוספים נמצאת עדיין בחיתוליה, והבעיות הקיימות מורכבות יותר.

קירור ספריי מוגבל על ידי מקום ולא ניתן להשתמש בו במכשירים אלקטרוניים קטנים, אך ההשפעה טובה מאוד בשימוש במחשבי על. כיום, טכנולוגיית קירור ספריי מיושמת על מחשבי-על של CREY ומשמשת גם בקנה מידה גדול במרכזי נתונים. עם הפיתוח של שיטת קירור זו, מאמינים שהיישום יהיה בוגר יותר.

לשלוש שיטות פיזור חום נוזלי לעיל יש יתרונות וחסרונות משלהן. קירור ריסוס וקירור סילון דומים. המבנים שלהם מורכבים מאוד ואינם מתאימים לציוד אלקטרוני יומיומי. עם זאת, יש להם יכולות פיזור חום חזקות. קירור ספריי מתאים למחשבי-על, ב-Big Data פיזור חום; קירור סילון מתאים לפריטים צבאיים-תעשייתיים כמו מטוסי קרב, מטוסים ועוד. לא ניתן להחליף את שתי שיטות פיזור החום הללו בשנים האחרונות. קירור מיקרו-ערוצי הוא הכיוון הכללי של התפתחות עתידית, בין אם זה בציוד אלקטרוני יומיומי או במכשירים אלקטרוניים מדויקים אחרים, שיטה זו תאומץ.